基於體素形態學分析

基於體素形態學分析(voxel-based morphometry，VBM)是一種基於體素對腦結構磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)自動、全面、客觀的分析技術，可以在活體腦進行精確的形態學研究。VBM通過定量計算分析MRI中每個體素的腦灰、白質密度或體積的變化來反映相應解剖結構的差異，是評價腦部灰、白質病變的一種新的方法。

基本介紹

• 中文名：基於體素形態學分析
• 外文名：voxel-based morphometry
• 簡稱：VBM
• 屬性：分析技術

基本原理

隨著MRI技術以及神經解剖學計算機圖像處理技術飛速的發展，Wright等人於1995年首先提出了基於體素對腦結構MRI分析的初步思想，描述了一種能在MRI上發現腦灰質和白質差異的新技術。Ashburner等人則在2000年正式提出了VBM方法。VBM方法是一種以體素為單位的形態測量學方法，可以定量檢測出腦組織各組分的密度和體積，從而能夠檢測出局部腦區的特徵和腦組織成分的差異。VBM方法首先需要把被研究的所有個體的腦MRI梯度回波T1加權像在空間上標準化到一個完全相同的立體空間中，然後對該高分辨力、高清晰度、高灰白質對比的腦結構圖像進行解剖分割，得到灰質、白質和腦脊液，利用參數統計檢驗對分割的腦組織成分逐個進行體素組間比較分析，定量檢測出腦灰質和白質的密度和體積，從而量化分析腦形態學上的異常。具體過程包括空間標準化、腦組織的分割、平滑、統計建模和假設檢驗。

優勢和缺點

傳統的MRI測量方法是基於感興趣區(region of intrest，ROI)的，存在著一定的缺陷，如費時、主觀性強、重複性較差、不能進行全腦分析等。而VBM可以對全腦進行測定和比較，直接對原始數據進行分析，無需對ROI的先驗假設，而且可以定量地檢測出腦組織的密度差異，同時它不受研究人員的主觀影響，因此具有自動性、全面性、客觀性和可重複性等優勢。VBM方法的套用也存在著一定的局限性。基於體素的統計分析以空間標準化為前提，某些局部區域和模板的匹配不準確會導致統計結果中出現組間系統性的腦區形態差異。同時在分割過程中，由於腦實質與腦脊液交界區體素量差別很大，容易產生偽影。而且VBM難於區別腦的一些微小複雜結構的差異，如海馬區。

臨床套用

特發性全身性癲癇

特發性全身性癲癇（idiopathic generalized epilepsy，IGE）是一類以全面性發作為特徵的癲癇綜合徵，與遺傳因素密切相關，占癲癇總數的20%~30%。依據發病年齡、發作類型和腦電圖表現，IGE主要有3種亞型：失神性癲癇（absence epilepsy，AE）、青少年肌陣攣性癲癇（juvenile myoclonic epilepsy，JME）、全身強直陣攣發作性癲癇（generalized tonic-clonic epilepsy，GTCS）。IGE 病人顱腦常規MRI檢查常為陰性，使其成為臨床治療的難點。VBM 技術可在體素水平對全腦結構進行客觀分析，能夠發現常規MRI不能檢測到的灰、白質結構的細微改變。Kim等人採用VBM方法研究發現，JME病人雙側額葉灰質密度增加，雙側丘腦灰質密度減少，並且病人病程越長丘腦灰質密度減少越嚴重。以往的研究也證實丘腦是全身性癲癇的產生和傳播的重要解剖結構之一 。Lin 等人對60例JME病人進行VBM分析，發現JME病人雙側丘腦、島葉及小腦半球灰質密度減少，右側額葉、顳葉內側面灰質密度較正常人增加，並且伴光敏感的JME病人雙側視覺皮質灰質密度較正常人減少。Betting 等人對IGE3 種亞型進行VBM分析，發現JME病人基底節灰質密度增加，AE 病人額葉灰質密度增加，而GTCS 病人與正常對照之間灰質密度的差異無統計學意義，說明IGE 的3種亞型對腦結構的影響不同。目前關於IGE 病人腦灰質結構異常的報導不盡相同，其原因可能與癲癇發作亞型、病人年齡和VBM 數據處理方法不同有關。

阿爾茲海默病

阿爾茲海默病（Alzheimer's disease，AD）是一種起病隱匿、進行性發展的痴呆，常見於中老年人，但目前有年輕化的趨勢。AD 病人病變早期即可出現灰質萎縮，已有的研究顯示採用VBM的方法可觀察AD 全腦萎縮情況，且所得結論與以往神經影像學研究結果具有良好的一致性。李亞迪等人採用VBM方法研究發現AD病人全腦灰質密度減少，局部腦區灰質明顯萎縮，與以往文獻報導的組織病理學結果一致。Baron等採用VBM方法發現AD全腦灰質較正常老年人明顯減少，與Frisoni採用手工繪製方法得到的結果一致，且與病理學結果相符。李亞迪等人採用VBM方法比較了21例AD 病人和18例正常老年人腦結構，發現AD病人存在雙側大腦半球廣泛腦區的灰質密度減少，包括雙側海馬、海馬旁回、杏仁核、丘腦、顳枕葉皮質、頂下小葉、楔前葉及左側中央後回、右側額下回等腦區，說明AD對大腦灰質結構具有廣泛的影響。Di Paola等人採用VBM方法對18例AD病人的腦結構進行分析，發現雙側顳葉、頂葉、額葉皮質及左側丘腦灰質密度減小，並發現左側內嗅皮質灰質密度與情節記憶能力呈正相關。Li 等人研究發現AD病人雙側海馬、海馬旁回、杏仁核及島葉、楔前葉灰質密度減低，與Lehmann的研究結果基本一致。目前，也有研究者采VBM的方法對AD病人腦白質結構進行研究。Guo 等人發現AD 病人除灰質密度廣泛減低外，顳葉、胼胝體和下縱束白質密度也明顯減低，中央前回、額上回、額下回及頂葉等腦區白質密度也有所減少，與以往的研究結果基本一致。研究認為AD 病人腦白質密度減少與相應腦區灰質神經元退變引起的Wallerian 變性有關。

精神分裂症

研究發現，精神分裂症病人幾乎所有皮質和皮質下結構都會出現形態學異常。吳大興等人採用VBM 方法分析精神分裂症病人腦結構改變，發現雙側前扣帶回、額葉前部、右側顳上回灰質密度減低，右額葉前部、右枕葉、左側頂下小葉灰質密度增加。李秀麗等人採用VBM方法對18例首發精神分裂症病人腦結構進行分析，發現雙側枕葉和雙側丘腦灰質密度明顯減低，左側 枕束、左上縱束及右扣帶回後部白質密度減低，提示在精神分裂症早期就存在邊緣系統和視覺通路的神經發育異常。Antonova 等採用VBM方法發現精神分裂症病人全腦灰質密度與陽性、陰性症狀量表（positive and negative syndrome scale，PANSS）的陽性症狀分數呈負相關，說明精神分裂症病人症狀越嚴重，腦灰質密度減低越明顯。Stip 等人研究發現，經過治療後精神症狀明顯好轉的精神分裂症病人眶額回和前扣帶回的灰質密度較治療前明顯增加，並且灰質密度增加的程度與精神病學的評分呈負相關，因此認為VBM所顯示的某些腦區灰質密度增加可提示精神分裂症病人病情好轉。另外，還有研究者採用VBM的方法對精神分裂症病人腦白質結構進行研究。Di 等人發現精神分裂症病人額葉及內囊區的白質密度減低。王湘等人發現缺陷型精神分裂症病人腦白質密度減低的區域主要位於左側額葉，而非缺陷型病人除左側額葉外，右側顳中回和右側枕葉舌回及胼胝體均可見白質密度減低；並且缺陷型病人雙側額上回和右側頂葉的白質密度低於非缺陷型組，這一結果為缺陷型病人額-頂環路受損的假說提供了新的證據。

帕金森病

帕金森病（Parkinson's disease，PD）PD 是一種常見於中老年人的神經系統變性疾病，臨床表現為動作遲緩、僵直和靜止性震顫等。神經病理學證實，隨著PD疾病進展，病變逐漸累及邊緣系統、旁邊緣系統以及額、顳、頂、枕葉等廣泛腦區皮質，造成局部神經元丟失，皮質萎縮。Tzarouchi 等人的VBM研究結果顯示PD病人存在廣泛腦區灰、白質結構異常，灰質密度減低的腦區有殼核、尾狀核、小腦及大腦皮質多個腦區，腦橋、中腦的白質密度減低。張靜等人採用VBM方法對PD病人進行研究，發現PD 病人存在廣泛腦區的灰質密度減低，這一結果符合PD多系統受累的病理機制，並發現無認知功能障礙的PD病人灰質密度減低主要集中在右側顳葉以及邊緣系統的右側海馬和前扣帶皮質，隨著認知功能障礙的出現，灰質密度減低腦區範圍逐漸擴大。Beyer 等人發現相對於無痴呆表現的PD病人。有痴呆症狀的PD病人額葉、頂葉、邊緣系統及顳葉灰質密度減低，並認為PD 病人認知功能障礙與腦結構損傷有關。Wang等人採用VBM 研究方法發現輕度認知功能障礙病人雙側顳葉、扣帶回、右側角回白質密度明顯減低，且大腦前部白質減低較後部明顯，與病理觀察結果一致。Ramirez-Ruiz等人對伴有視幻覺的PD 病人腦結構分析，發現枕葉灰質密度減低。Burton等人採用VBM 研究方法發現PD病人尾狀核和殼核灰質密度減低。PD和多系統萎縮鑑別困難，Brenneis等人的研究結果顯示PD病人僅左側尾狀核頭灰質密度減低，而多系統萎縮病人灰質密度減低區主要累及初級和高級運動皮質，認為VBM方法可為早期鑑別PD和多系統萎縮提供幫助。目前採用VBM方法對PD的腦灰質結構分析結果不盡相同，但卻可以反映出PD病人腦部多結構受累的病理變化和神經機制。

其他套用

楊春蘭等人採用VBM研究方法發現創傷後應激障礙病人右側額葉、額中回、右側小腦蚓部、左側尾狀核、頂葉等部位灰質密度明顯增加，左側額葉灰質密度減少，而白質密度與正常對照組間的差異無統計學意義，與功能影像研究結果一致。Clausi等人發現單純右側小腦半球受傷的病人左側額、頂、顳葉灰質密度減低，而單純左側小腦半球受傷的病人大腦灰質結構未見異常，認為可能與左側大腦半球為優勢半球有關。謝晟等人對弱視兒童腦結構研究發現，視兒童左側額中回、海馬旁回和梭狀回、顳下回和雙側距狀回灰質密度減低，說明了弱視兒童視覺功能低下的解剖基礎。Lehmbeck等人發現老年人腦灰質較年輕人減少，以額葉、邊緣系統、頂葉、顳葉最明顯。Mak等人採用VBM對17例抑鬱症病人的腦結構進行分析，發現抑鬱症病人前扣帶回皮質、眶額回灰質密度較正常人減低，嚴重的抑鬱症病人還存在顳葉上部灰質密度減低。

總之，VBM是一種顯示腦形態學改變的新方法，可以發現常規影像檢查無法顯示的灰、白質密度的異常，為研究許多可能導致腦形態學改變的疾病提供了新的工具。VBM的出現不僅印證了許多以往臨床觀察和病理學研究提出的觀點，同時還提出了一些新問題，有待進一步深入研究。隨著VBM技術的日臻完善和廣泛套用，將加深對腦部形態學改變的認識，對探討多種神經病變的病生理機制將起到非常重要的作用。