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正常眼压性青光眼患者大脑皮层微结构损伤的扩散峰度成像研究
李婷 曲晓霞 王倩 鲜军舫

Cite this article as: Li T, Qu XX, Wang Q, et al. Diffusion kurtosis imaging study of cerebral cortex microstructure damage in patients with normal tension glaucoma[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(11): 6-11.本文引用格式:李婷, 曲晓霞, 王倩, 等. 正常眼压性青光眼患者大脑皮层微结构损伤的扩散峰度成像研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(11): 6-11. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.11.002.


[摘要] 目的 采用扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging, DKI)研究正常眼压性青光眼(normal tension glaucoma, NTG)大脑皮层微结构的改变特点,为进一步阐明NTG脑皮质改变机制提供影像学依据。材料与方法 分析2016年11月至2020年5月于我院就诊的37例NTG患者及37例健康志愿者的DKI数据,使用人类连接计划多模态分割图谱提取两组受试者44个脑区的各向异性分数(fractional anisotropy, FA)、平均峰度(mean kurtosis, MK)、辐射峰度(radial kurtosis, RK)及轴向峰度(axial kurtosis, AK),采用双样本t检验比较组间差异,并分析NTG患者出现异常脑区的DKI参数与视野平均缺损的相关性。结果 NTG患者双侧岛叶及额叶岛盖、颞顶枕连接区、顶上小叶、顶下小叶、前扣带回及内侧前额叶、左侧背外侧前额叶、右侧视觉通路腹侧流、视觉外侧纹状体的颞中区(middle temporal comlpex,MT+区)及邻近视皮层、初级听皮层FA值减低(P<0.05,FDR校正);右侧MT+区及邻近视皮层MK值减低(P=0.0134,FDR校正);全脑RK值与正常对照受试者相比差异无统计学意义(P>0.05,FDR校正);双侧MT+区及邻近视皮层、岛叶和额叶岛盖、前扣带回和内侧前额叶、左侧顶下小叶、眶回及额极、右侧视觉通路腹侧流、颞顶枕连接区AK值减低(P<0.05,FDR校正)。双侧颞顶枕连接区、右侧前扣带回和内侧前额叶的FA值与双眼视野平均缺损值呈正相关,左侧前扣带回及内侧前额叶、右侧视觉通路腹侧流的FA值与左眼视野平均缺损值呈正相关,右侧岛叶及额叶岛盖FA值与右眼视野平均缺损值呈正相关(P<0.05)。结论 DKI可以检测NTG患者视觉皮层、突显网络相关皮层、默认网络相关皮层、背侧注意网络相关皮层、颞顶枕连接区、初级听皮层及眶回及额极的多发微结构损伤,FA值可反映脑微结构损伤与患者疾病严重程度的关系,是潜在的生物学指标。
[Abstract] Objective Diffusion kurtosis imaging (DKI) was used to study the cerebral cortical microstructure alterations of normal tension glaucoma (NTG), so as to provide imaging evidence for further elucidating the mechanism of cerebral cortical alterations in NTG.Materials and Methods The DKI data of 37 NTG patients who were diagnosed in our hospital and 37 healthy control subjects recruited from November 2016 to May 2020 were analyzed. The fractional anisotropy (FA), mean kurtosis (MK), radial kurtosis (RK) and axial kurtosis (AK) of 44 brain regions of the two groups of subjects were extracted using the Human Connectome Project multimodal parcellation atlas. The differences between the two groups were compared using the student t-test. Afterwards, the correlations between the DKI parameters of abnormal brain areas and the mean defect of visual field in NTG patients were analyzed.Results In NTG patients, the FA values of bilateral insula and frontal opercular, temporoparietal occipital junction, superior parietal lobule, inferior parietal lobule, anterior cingulate gyrus and medial prefrontal lobe, left dorsolateral prefrontal lobe, right ventral stream of visual pathway, middle temporal complex (MT+) with neighboring visual areas, and early auditory cortex decreased (P<0.05, FDR correction). The MK value of MT+ complex with neighboring visual areas decreased (P=0.0134, FDR correction). There was no significant difference between the RK values of NTG patients and those of the normal control subjects in the whole brain (P>0.05, FDR correction). AK values decreased in bilateral MT+ complex with neighboring visual areas, insular lobe and frontal opercular, anterior cingulate gyrus and medial prefrontal lobe, left inferior parietal lobule, orbital gyrus and frontal pole, right ventral stream of visual pathway, and temporoparietal occipital junction (P<0.05, FDR correction). The FA values of bilateral temporoparietal occipital junction, right anterior cingulate gyrus and medial prefrontal lobe were positively correlated with the mean defect of visual field of both eyes. The FA values of left anterior cingulate gyrus and medial prefrontal lobe, and the ventral stream of right visual pathway were positively correlated with the mean defect of visual field of the left eye, and the FA values of right insula and frontal opercular were positively correlated with the mean defect of visual field of the right eye (P<0.05).Conclusions DKI can detect the multiple microstructure damages in the cerebral cortex of NTG patients, including visual cortex, salience network, default network, dorsal attention network, temporoparietal occipital junction, early auditory cortex, orbital gyrus and frontal pole. FA value can reflect the correlation between brain microstructure damage and disease severity of patients, so it is a potential biological index.
[关键词] 正常眼压性青光眼;脑;神经退行性变;磁共振成像;扩散峰度成像;扩散张量成像
[Keywords] normal tension glaucoma;brain;neurodegeneration;magnetic resonance imaging;diffusion kurtosis imaging;diffusion tensor imaging

李婷    曲晓霞    王倩    鲜军舫 *  

首都医科大学附属北京同仁医院放射科,北京 100730

鲜军舫,E-mail:cjr.xianjunfang@vip.163.com

作者利益冲突声明:全体作者均声明无利益冲突。


基金项目: 国家自然科学基金项目 81871340,82071906,81571649,81701666,81901719 北京市医院管理局临床医学发展专项 ZYLX201704 北京市医院管理中心“登峰”计划专项 DFL20190203
收稿日期:2022-08-05
接受日期:2022-11-10
中图分类号:R445.2  R775 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.11.002
本文引用格式:李婷, 曲晓霞, 王倩, 等. 正常眼压性青光眼患者大脑皮层微结构损伤的扩散峰度成像研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(11): 6-11. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.11.002

       青光眼是全球首位的不可逆致盲性眼病,相关研究预测,到2050年中国青光眼病例总数将达到2516万例[1]。2015年,Song等[1]的研究数据显示我国原发性开角型青光眼(primary open-angle glaucoma, POAG)占全部青光眼总数的39.79%,随着人口老龄化的加剧,该病的患病率正在逐年增高。正常眼压性青光眼(normal tension glaucoma, NTG)是一种眼压不高的POAG,其占我国POAG总数的70%[2],该病患者眼压不高,发病机制不明,诊断及治疗极具挑战性[3]。近年来的研究发现一些全身性病理改变(如低血压、缺氧、原发性血管调节障碍、免疫异常、低颅压、阿尔茨海默病、帕金森病等)可能是其发病的危险因素[4],因此有学者对NTG的命名及传统分类提出了挑战,认为其可能并非单纯的眼部疾病,而属于多因素相关的青光眼样视神经病变[5]

       越来越多的证据表明POAG可导致广泛的脑结构及功能异常,是一种累及多个脑区的神经退行性疾病[6, 7]。与之相似,近年来的扩散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)研究也发现NTG患者的大脑存在广泛的结构异常,其神经元损伤不仅局限于视觉通路,而且累及多个视觉通路外的脑区[8, 9, 10, 11]。但与POAG不同,NTG患者眼压不高,其中枢神经系统的结构损伤更可能与多种非眼压因素(如血管因素、免疫异常、脑脊液压力、基因等)关系密切,因此不仅需要关注NTG患者视觉通路的变化,还需要更加关注非视觉通路的异常改变,以更好地了解其发生机制[12]。扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging, DKI)研究结果显示,POAG患者的视神经、外侧膝状体、视辐射和视皮层均存在微结构损伤[13],而且视觉通路外的脑白质也存在微结构损伤[14],但是视觉通路之外的皮层微结构损伤的特点及机制尚不清楚,其与青光眼视功能损害之间的关联也尚不明确。本研究采用DKI研究NTG患者大脑皮层微结构的改变特点,为进一步阐明NTG视觉通路内外脑皮质微结构损伤机制提供影像学依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究纳入2016年11月至2020年5月就诊于北京同仁医院的NTG患者37例(NTG患者组)及社会招募的性别和年龄相匹配的健康志愿者37例(健康对照组)。本研究遵守《赫尔辛基宣言》,并且得到北京同仁医院伦理委员会批准,伦理审查批文编号:TRECKY2021-166,全体受试者均签署知情同意书。所有患者的诊断通过我院眼科3名青光眼专科主任医师确认,所有受试者均接受眼压及眼底照相检查。NTG的诊断标准:未经治疗的眼压以及24 h眼压波动和峰值均不超过正常值上限,即眼压≤21 mmHg (1 mmHg=0.133 kPa),眼底存在青光眼特征性损伤,房角开放,并排除其他视神经病变。NTG患者组纳入标准:(1)存在青光眼特征性眼底改变(视网膜神经纤维层缺损或视盘形态改变)和特征性视野缺损;(2)房角开放,眼压正常。NTG患者组排除标准(只要出现以下任何一项即被排除):(1)白内障、眼底缺血性或出血性病变和肿瘤等其他眼部疾病;(2)其他视神经病变;(3)颅内器质性病变;(4)精神异常或明显认知障碍;(5)糖尿病、高血压症、高脂血症等全身疾病;(6)MRI检查禁忌证。健康对照组纳入标准:(1)眼压测量、眼底照相检查、视野检查及OCT检查无异常;(2)认知、情绪、精神量表检查无异常。健康对照组排除标准与NTG患者组相同。

1.2 图像采集

       使用GE公司Discovery 750 3.0 T磁共振扫描仪(GE Healthcare, Milwaukee, WI, USA)及8通道相控阵头正交线圈进行头部扫描。受试者闭眼平卧,使用头垫及泡沫固定头部减小运动伪影,同时使用降噪耳塞减轻扫描仪噪声。先进行常规横断面T1WI及T2WI序列扫描,排除中枢神经系统器质性病变;然后进行三维颅脑容积成像(three-dimension brain volume imaging, 3D-BRAVO)及DKI图像采集。矢状面3D-BRAVO序列扫描参数如下:TR 8.16 ms,TE 3.18 ms,TI 450 ms,翻转角12°,层厚1 mm,矩阵256×256,层数188,体素1 mm×1 mm×1 mm。横断面DKI扫描采用平面回波序列扫描参数如下:TR 6000 ms,TE 73.1 ms,层厚3 mm,层数2750,矩阵128×128,翻转角90°,FOV 256 mm×256 mm,3个扩散梯度场(b=0、1000、2000 s/mm²),使用25个梯度方向。

1.3 数据处理

       (1)预处理:在北京慧脑云平台(www.humanbrain.cn,Beijing Intelligent Brain Cloud,Inc.)上使用DIPY软件(Diffusion Imaging In Python,https://www.dipy.org)对DKI数据进行预处理,将图像配准至MNI空间;(2)通过DIPY软件计算各向异性分数(fractional anisotropy, FA)、平均峰度(mean kurtosis, MK)、辐射峰度(radial kurtosis, RK)及轴向峰度(axial kurtosis, AK),并使用人类连接计划多模态分割图谱(https://www.oxcns.org)提取双侧大脑皮层44个分区的参数值(图1)。

图1  人类连接计划多模态分割图谱(HCP-MMP)。
Fig. 1  Human Connectome Project multi-modal parcellation atalas.

1.4 统计学分析

       使用SPSS 23.0软件进行统计分析,将NTG患者组与健康对照组的年龄进行双样本t检验;对全部受试者DKI参数进行正态性检验;将全部受试者44个脑区的DKI参数进行双样本t检验,使用MATLAB R2018b平台(https://www.mathworks.com/products/matlab.html,The MathWorks Inc.)及multiple testing软件包对结果进行Benjaminiand Hochberg法FDR校正,符合正态分布的结果以平均数±标准差(x¯±s)表示,不符合正态分布的,结果以中位数(四分位数间距)表示。将NTG患者的FA、MK、AK、RK差异有统计学意义的脑区作为感兴趣区,提取FA、MK、RK及AK值,以年龄为控制变量与视野平均缺损值(mean defect of visual field, MD)进行偏相关分析。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 NTG患者组与健康对照组的一般资料

       NTG患者组入组NTG患者37例,其中男18例,女19例,年龄(45.62±13.05)岁,NTG患者左眼视野平均缺损值为(-10.08±8.76)dB,右眼视野平均缺损值为(-8.33±7.96)dB。健康对照组入组健康志愿者37例,其中男18例,女19例,年龄(44.46±10.82)岁。所有受试者均为右利手。NTG患者组与健康对照组的年龄差异无统计学意义(P=0.678)。

2.2 NTG患者组及健康对照组大脑皮层的DKI参数差异

       与健康对照组相比:(1)NTG患者组双侧岛叶及额叶岛盖、颞顶枕连接区、顶上小叶、顶下小叶、前扣带回及内侧前额叶、左侧背外侧前额叶、右侧视觉通路腹侧流、MT+区及邻近视皮层、初级听皮层FA值减低(P<0.05,FDR校正),详见表1;(2)右侧视觉外侧纹状体的颞中区(middle temporal complex,MT+区)及邻近视皮层MK值减低(P=0.0134,FDR校正);(3)双侧MT+区及邻近视皮层、岛叶和额叶岛盖、前扣带回和内侧前额叶、左侧顶下小叶、眶回及额极、右侧视觉通路腹侧流、颞顶枕连接区AK值减低(P<0.05,FDR校正),详见表2。NTG患者组全脑RK值与健康对照组相比差异无统计学意义(P>0.05,FDR校正)。

表1  NTG患者组及健康对照组大脑皮层FA值的差异
Tab. 1  Difference of FA value in cerebral cortices between NTG patients and healthy control subjects
表2  NTG患者组及健康对照组大脑皮层AK值的差异
Tab. 2  Difference of AK value in cerebral cortices between NTG patients and healthy control subjects

2.3 NTG患者视野平均缺损与DKI参数的相关性

       NTG患者FA值减低的脑区中:双侧颞顶枕连接区、右侧前扣带回和内侧前额叶的FA值与双眼视野平均缺损值呈正相关;左侧前扣带回及内侧前额叶、右侧视觉通路腹侧流的FA值与左眼视野平均缺损值呈正相关;右侧岛叶及额叶岛盖FA值与右眼视野平均缺损值呈正相关(P<0.05),详见图2。NTG患者MK、AK、RK值异常脑区的DKI指标与双眼视野平均缺损值无相关性(P>0.05)。

图2  正常眼压性青光眼(NTG)患者双眼视野平均缺损值与微结构损伤脑区各向异性分数(FA)值的相关性。
Fig. 2  Correlation between mean defect of visual field of both eyes of normal tension glaucoma (NTG) patients and fractional anisotropy (FA) value of brain areas with microstructural injury.

3 讨论

       本研究通过DKI探索了NTG患者大脑微结构损伤的分布及相应参数的变化特点,并且进一步研究了DKI各项指标与视野平均缺损的相关性。研究结果显示NTG患者视觉皮层(右侧视觉通路腹侧流、MT+区及邻近视皮层)、突显网络相关皮层(双侧岛叶及额叶岛盖)、默认网络相关皮层(双侧顶下小叶、前扣带回及内侧前额叶)、背侧注意网络相关皮层(双侧顶上小叶、左侧背外侧前额叶)、右侧颞顶枕连接区及右侧初级听皮层FA值减低,提示垂直于皮层方向的各向异性减低,其机制可能与垂直于皮层表面的轴突受损有关[15];右侧MT+区及邻近视皮层MK值减低,提示该区域神经元微结构的复杂程度减低;视觉皮层(右侧视觉通路腹侧流、双侧MT+区及邻近视皮层)、突显网络皮层(双侧岛叶及额叶岛盖)、默认网络皮层(双侧前扣带回和内侧前额叶、左侧顶下小叶)、左侧眶回及额极、右侧颞顶枕连接区AK值减低,提示垂直于皮层的轴突方向上的峰度值减低。其中,双侧颞顶枕连接区、右侧前扣带回和内侧前额叶的FA值与双眼的视野平均缺损均呈正相关,左侧前扣带回及内侧前额叶、右侧视觉通路腹侧流的FA值与左眼视野平均缺损值呈正相关,右侧岛叶及额叶岛盖FA值与右眼视野平均缺损值呈正相关。MK值、RK值及AK值与双眼视野平均缺损值未见明显相关性。

3.1 DKI参数的意义及其在NTG研究中的价值

       DKI反映了生物组织中水分子的非高斯扩散特性,比DTI技术更加准确地反映水分子扩散的情况,从而可敏感地反映组织微观结构的变化[16]。其中FA值反映水分子趋向各向异性扩散的程度;MK值反映组织内微结构的复杂程度,其值越大微结构越复杂;RK反映沿垂直方向扩散的平均值[17];AK反映沿轴向扩散的平均值。本研究结果显示NTG患者多个脑区的FA值、MK值及AK值减低,说明这些脑区的各向异性扩散减低,微结构的复杂程度减低,而且其主因可能是轴向扩散程度减低造成的。这提示NTG患者的上述脑区皮质存在微结构损伤。Xu等[13]的研究已经发现NTG患者视神经、外侧膝状体、视辐射和枕叶视皮层的FA值及MK值减低,提示存在视觉通路内的微结构损伤,Nucci等[14]进一步发现青光眼患者的白质损伤并不局限于视觉通路,而是累及认知、运动、面部识别和定向等多个功能的白质纤维束。本团队之前的研究发现NTG患者不仅视皮层存在微结构及功能的异常,而且视觉通路外多个脑区均发生与疾病严重程度相关的功能异常[8]。但目前应用DKI技术研究NTG患者视觉皮层之外脑皮质微结构损伤的研究相对较少,本研究结果对NTG患者视觉通路外脑区微结构异常的变化特点进行了补充。

3.2 NTG患者微结构损伤脑区的分布特点

       本研究结果显示NTG患者FA值减低的脑区分布在视觉皮层、突显网络相关皮层、默认网络相关皮层、背侧注意网络相关皮层、颞顶枕连接区及初级听觉皮层。NTG一直被认为是POAG的一种特殊类型,既往有关NTG及POAG的结构及功能MRI研究显示,两者均存在视觉通路内外的脑区的结构及功能损伤[8,18, 19]。而且两者的脑结构及功能改变均与神经退行性疾病有相似之处,提示三者之间存在密切联系[12]。目前关于POAG的MRI研究较多,其中视觉网络的异常最受关注,默认网络、突显网络、背侧注意网络的结构及功能异常也有报道[20, 21],与本研究的结果相一致。

       视力损伤是POAG诊治过程中的主要关注点,因此视觉皮层的损伤在脑研究中最受关注。多数POAG的研究均检测到了初级视皮层(BA17)的损伤[22],本课题组之前的研究也发现NTG患者次级视觉皮层(BA18及BA19区)的FA值减低,初级视皮层(BA17)和次级视觉皮层(BA18和BA19区)的AK值减低[8]。但本研究中NTG患者初级视皮层及次级视觉皮层的FA、MK、AK、RK值与健康对照受试者的差异无统计学意义,而负责更复杂视觉功能的右侧视觉通路腹侧流和双侧MT+区及邻近视皮层的微结构损伤。Wang等[20]的研究发现POAG患者视觉通路腹侧流的神经血管耦合减低,与本研究结果具有一致性。研究者对早期和晚期NTG患者的视皮层进行体积和皮层厚度分析发现,早期NTG患者的BA18和BA19皮质变薄,BA17区皮质变薄不显著,而晚期NTG患者的BA17区皮层厚度反而比早期患者增加,提示可能出现了代偿性的肥大[9]。结合本研究的结果,我们认为初级视皮层损伤相对较轻、而具有复杂功能的视皮层损伤相对较重可能是NTG与POAG患者脑微结构改变的差异之一。本研究结果与前人研究结果的差异或许与入选患者疾病严重程度不同有关。此外,本研究采用了较传统Brodmann脑模板更加精细的人类连接计划多模态分割图谱[23],可能也会对研究结果产生一些影响。

       大量研究证实POAG是一种脑结构广泛受累的神经退行性疾病[22,24],与POAG相比,针对NTG的脑MRI研究相对较少,Giorgio等[10]的研究结果显示NTG患者存在视觉通路外广泛的脑结构及功能损伤,Li等[25]通过静息态功能MRI研究检测到NTG患者多个脑区的自发神经元活动异常。本团队之前的研究显示NTG会导致视觉皮层和其他大脑区域之间的信息流重组[8]。本研究的结果显示NTG患者突显网络相关皮层(双侧岛叶及额叶岛盖)、默认网络相关皮层(双侧顶下小叶、前扣带回及内侧前额叶)以及背侧注意网络相关皮层(双侧顶上小叶、左侧背外侧前额叶)微结构损伤,与之前POAG的研究结果具有相似性。其中突显网络负责监控外部环境,调节其他脑网络对信息和刺激的反应[26];默认网络负责大脑内部信息处理,在休息和睡眠期最为活跃[27];背侧注意网络负责将大脑的注意力集中在特定时刻最重要的感官输入信息上,并与视觉注意力、眼球运动和手眼协调有关[28]。因此我们推断NTG患者大脑的微结构损伤可能导致内部调节功能、认知功能、注意力集中功能异常。此外,本研究还发现NTG患者右侧颞顶枕连接区、右侧初级听皮层、左侧眶回及额极微结构损伤,其中颞顶枕连接区功能复杂,可能涉及语言、视觉空间识别、阅读、书写、计算、工作记忆、音乐记忆及面部识别[29],而眶回和额极与嗅觉功能有关。

3.3 DKI指标与视野平均缺损的相关性分析

       NTG患者双侧颞顶枕连接区、右侧前扣带回和内侧前额叶的FA值与双眼的视野平均缺损值均呈正相关,左侧前扣带回及内侧前额叶、右侧视觉通路腹侧流的FA值与左眼视野平均缺损值呈正相关,右侧岛叶及额叶岛盖FA值与右眼视野平均缺损值呈正相关,提示颞顶枕连接区、默认网络、右侧视觉通路腹侧流、突显网络的损伤与NTG患者的疾病严重程度有关,随着患者视野缺损增大,上述脑区的损伤逐渐加重。部分脑区的分布不对称,可能与研究偏倚以及大脑偏侧性有关。此外,本研究中的NTG患者虽然存在多发脑皮层MK值及AK值减低,但其变化与双眼视野平均缺损值未见明显相关性,这可能提示FA值在评估NTG患者脑微结构损伤时比MK值与AK值更敏感。但受限于本研究NTG患者的数量及疾病严重程度,MK值及AK值对于NTG评估的价值仍有待于进一步研究和探索。

3.4 本研究局限性

       本研究的主要局限性在于NTG患者数量有限,未能根据病情进行分期,不能对比早期及晚期NTG患者脑微结构变化的特点。另外没有分析DKI参数与杯盘比、视网膜神经纤维层厚度及其他眼科检查指标的相关性。对NTG进行持续深入的研究或者多中心研究扩大样本数量,将进一步消除试验误差,更明晰地反映NTG患者脑微结构的损伤特点。

       综上所述,本研究表明DKI技术可以检测NTG患者大脑皮层的广泛微结构损伤,其范围包括视觉皮层、突显网络相关皮层、默认网络相关皮层、背侧注意网络相关皮层、颞顶枕连接区、初级听皮层及眶回和额极,其中FA值能够反映脑微结构损伤与患者疾病严重程度的关系,是潜在的生物学指标,未来可能为NTG的诊断与疗效评估起到积极作用。

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