自动分割海马亚区感兴趣区与3D-pCASL融合测量脑血流量一致性及可重复性

郭婷，闫梦楠，李金芹，王振华，李健，陈兵*

1.宁夏医科大学临床医学院，宁夏 银川 750004；2.宁夏回族自治区人民医院放射科，宁夏 银川 750004；3.宁夏医科大学总医院放射科，宁夏 银川 750004；*通信作者 陈兵 Chenbing135501@163.com

癫痫是一种反复发作的神经异常兴奋性疾病，颞叶内侧癫痫（medial temperal lobe epiplesy，MTLE）是癫痫中最常见的类型，其中多为药物难治性癫痫[1]，主要的病理改变是海马硬化（hippocampal sclerosis，HS）[2]，手术切除致痫灶是该疾病的有效治疗方法，可以减少或消除70%～90%患者的癫痫发作[3]。术前早期发现致痫灶是难治性MTLE的诊疗关键。

磁共振动脉自旋标记（arterial spin labeling，ASL）技术作为一种无需外源性对比剂且安全无创的灌注成像方法，在评价脑部血流灌注方面与PETCT/SPECT的代谢及血流指标具有很高的一致性[4-6]。该技术可作为MTLE早期发现致痫灶的一种辅助诊断工具，在MTLE术前评估中提供重要信息[7-9]。目前在影像学定量研究中，勾画感兴趣区（ROI）的方法主要有手动、半自动及全自动。在神经学领域仍以专家手动勾画ROI作为“金标准”[10]，但手动勾画ROI测量耗时长、主观性强，且可重复性较差；自动分割算法通过应用于临床研究最常用的图像中，逐步提高自身的准确性和灵活性。因此，多项自动分割软件快速研发并应用，主要包括freeSurfer、基于体素的形态学分析、FSL-FIRST等，可无创、快速且较为精确地分割全脑，实现脑部结构的三维重建及自动ROI提取。而自动分割海马亚区目前研究相对较少，对自动分割软件在海马亚区方面的一致性及可重复性有待进一步研究及验证。因此，本研究以颞叶内侧癫痫伴海马硬化（MTLE-HS）患者为例，对freesurfer软件自动分割海马亚区ROI与ASL功能像融合测量脑血流量（cerebral blood flow，CBF）的一致性及可重复性进行分析。

1 资料与方法

1.1 研究对象 回顾性收集2021年1月—2022年10月疑似癫痫在宁夏医科大学总医院行癫痫一体化MRI扫描患者，最终纳入52例MTLE-HS（病理证实2例、MRI诊断50例）。男24例，女28例；年龄2～59岁，平均（31.5±14.3）岁；左侧HS 36例，右侧HS 16例。纳入标准：①脑电图及症状学符合MTLE诊断；②MRI检查单侧HS阳性表现；③行MRI检查1 d内无癫痫发作；④右利手。排除标准：①神经系统及精神疾病或家族史；②引起癫痫症状的其他疾病，如肿瘤、外伤、炎症、局灶性脑皮质发育不良等；③大脑先天性发育畸形；④MRI图像质量差、不能进行自动分割或分割不匹配及灌注测量融合不匹配。本研究经本院伦理审查委员会批准（KYLL-2021-0295），患者均签署知情同意书。

1.2 MRI扫描方案 使用GE SIGNA Architect 3.0T超导MRI仪，48通道相控阵头颅线圈。主要扫描序列参数：①垂直于海马体部斜冠状位T2WI：TR 2 601 ms，TE 85 ms，层厚2.0 mm，层间距1.0 mm，翻转角111°，激励次数4，带宽50 Hz；②轴位T2Flair：TR 8 500 ms，TE 95.8 ms，层厚5.5 mm，翻转角110°，激励次数1，带宽41.67 Hz；③轴位T1加权三维磁化强度预备梯度回波（3D T1WI-MPRAGE）序列：等体素（1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm），视野256×256 mm，TR 7.7 ms，TE 3.1 ms，翻转角8°，激励次数1，带宽31.25 Hz；④轴位三维伪连续式动脉自旋标记（3D-pCASL）序列：标记后延迟或反转时间1 525 ms，TR 4 642 ms，TE 53.5 ms，层厚4 mm，激励次数3，带宽62.5 Hz。

1.3 HS MRI诊断 由2位副高及以上职称的放射医师采用单盲法独立分析，通过斜冠状位高分辨率T2WI和轴位T2Flair图像上对海马的形态和信号特征等进行视觉评估，依据HS直接征象（海马体积萎缩，T2及T2Flair信号增高）或间接征象（海马内部结构模糊或消失、邻近颞角增宽、颞叶萎缩等）进行诊断，重点关注海马的大小及信号变化。

1.4 图像自动分割及CBF值测量

1.4.1 freeSurfer软件图像自动分割 使用freeSurfer图像分析软件7.3.2版（http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/）进行图像分割。步骤如下：①将3D T1WIMPRAGE全脑结构像经MRI cron软件把DICOM文件格式转换为.nii/.nii.gz格式；②在freesurfer软件中行全脑分割（recon-all），包括头动校正、非均匀强度标准化处理、Talairach变换计算、去头颅、非线性体积标记等31个步骤；③在recon-all基础上，对海马进行细致的亚区分割（https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/HippocampalSubfields），该方法使用海马解剖概率图谱，源自39个体内T1WI MRI数据集与15个具有0.1 mm各向同性分辨率的离体MRI的组合[11-12]。将双侧海马自动分割为以下亚区：前下托、下托（subiculum，SUB）、海马角（cornu ammonis，CA）1、CA2～3、CA4、齿状回颗粒细胞层、分子层、海马-杏仁核过渡区、海马伞、海马裂等[13]。本研究重点收集SUB、CA1、CA2～3、CA4、齿状回（dentate gyrus，DG）。

1.4.2 定量CBF值测量 使用上述软件将3D-pCASL的定量图（CBF图）进行格式转换并传入freesurfer软件中，将freesurfer中可视化界面freeview打开，配准至受试者T1图像，后将freesurfer自动生成的海马亚区ROI映射到CBF图上[14]，得出ROI区域的CBF值。为保证测量海马各亚区时所有受试者的ROI位置相对一致，本研究采用的测量方案如下：根据freesurfer分割出HBT模板，选取海马头、体部中线作为亚区测量的基线，海马尾部定义为海马的最后部，其中无法区分各亚区且体积较小，故在亚区统计时排除在外[15]。利用FS60模板在海马头、体部基线及基线前后各2个层面内找寻能完整显示SUB、CA1、CA2～3、CA4、DG等海马亚区的层面作为亚区测量的层面，后取海马头、体两部分亚区CBF的平均值作为各亚区的平均CBF值。freesurfer软件自动分割海马ROI与ASL功能像融合图见图1。双侧海马亚区CBF值由2名具有10年工作经验的神经影像诊断放射医师按上述方法独立进行2次测量，同一例患者测量时间间隔1周以上。

图1 freesurfer软件自动分割海马ROI与ASL功能像融合图。A.T1WI自动分割海马所得亚区；B.T1WI与3D-pCASL定量图的融合自动分割海马所得亚区；C.以头部为基线自动分割海马所得亚区；D.以体部为基线自动分割海马所得亚区。图中颜色标记为各亚区勾画区域，深蓝色代表SUB，红色代表CA2～3，绿色代表CA3，棕色代表CA4，浅蓝色代表DG

1.5 统计学分析 使用 SPSS 27.0 和 SSPSAU（https://spssau.com/）软件。计量资料以±s表示，采用组内相关系数（ICC）分析同一测量者前后2次和不同测量者间测量结果的一致性。使用Bland-Altman图对一致性评价结果进行直观展示，Wilcoxon秩和检验评价各参数的可重复性差异。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一致性分析 2名医师测量CBF值的一致性良好（ICC均>0.75，平均为0.868±0.095）。同一医师（A医师）前后2次测量CBF值的一致性优秀（ICC均>0.99，平均为0.994±0.002），见表1、2。

表1 2名医师测量CBF值的测量者内及测量者间一致性分析

2.2 可重复性评价 通过自动分割海马得到各亚区CBF值绘制Bland-Altman图（图2、3），可见本研究特征的散点绝大多数在95%CI内，表明测量者内CBF值具有良好的一致性和可重复性。同一名医师（医师A）前后2次测量结果的重复系数值差异均无统计学意义（P均>0.05），表明再次测量具有较高的可重复性（表2）。

表2 同一名医师（医师A）测量CBF值的可重复性评价（±s）

表2 同一名医师（医师A）测量CBF值的可重复性评价（±s）

注：SUB：下托；CA：海马角；DG：齿状回；CBF：脑血流量

亚区第一次测量第二次测量重复系数值P值左侧海马SUB 44.552 1±10.573 0 44.422 0±10.335 4 2.396 0.448 CA1 44.736 0±10.619 2 44.661 4±10.548 1 1.805 0.564 CA2～3 47.957 3±11.967 3 48.167 0±11.660 1 3.406 0.390 CA4 44.769 7±10.610 9 44.805 5±10.332 5 2.653 0.851 0.866右侧海马DG 44.939 7±10.743 5 44.908 7±10.454 6 2.558 SUB 47.428 7±10.892 6 45.922 3±10.783 6 2.457 0.411 CA1 44.025 5±11.728 3 43.984 7±11.605 3 2.327 0.807 CA2～3 50.965 4±12.569 4 50.913 1±12.403 1 2.661 0.784 CA4 48.427 2±11.221 6 48.241 6±11.407 7 2.315 0.261 DG 48.088 7±11.105 4 47.881 5±11.291 9 2.032 0.151

3 讨论

3.1 研究背景及临床价值 3D-pCASL是一种通过标记内源性氢质子作为示踪剂的脑血流灌注成像技术，无需注射对比剂，成像速度快，且不会影响血液的生化特性。Nagesh等[16]研究表明3D-pCASL测得的CBF与PET测得的反映代谢特征的指标具有很高的一致性。因此，3D-pCASL在检测HS中具有潜在的临床应用价值，可为临床提供可靠的血流灌注参数，为HS的诊断提供有价值的信息[17]。而自动分割海马联合3D-pCASL既可以用来诊断HS，又有助于HS患者各个亚区的血流灌注情况评估，为临床术前确定致痫灶提供影像学依据。

既往研究对比QBrain与freeSurfer软件自动测量海马体积[18]，与既往研究不同，本研究对freeSurfer软件分割海马各亚区测量CBF值进行一致性及可重复性分析，结果证实可采用自动分割ROI与ASL功能像融合测量海马各亚区CBF值，对颞叶癫痫致痫灶进行定位及评估，对早期发现并识别HS导致的颞叶癫痫有重要意义，并为临床手术切除致痫灶提供帮助。

3.2 研究结果一致性及可重复性分析 本研究结果显示，自动分割ROI与ASL功能像融合测量的CBF值在测量者内与测量者间均具有较高的稳定性和可重复性。本研究还证实，双侧海马亚区SUB、CA1、DG均具有较高的可重复性，ICC值为0.810～0.990。根据Landis等[19]的建议，ICC值>0.8可认为具有良好的可重复性。进一步分析发现，海马亚区DG CBF值的一致性在测量者内与测量者间均相对较高，其原因可能与DG解剖位置有关，在斜冠状位上DG呈U型紧密包绕CA4节段，位于海马中心部位，分割后DG形态固定，提取顶点数量[20]稳定，因此CBF值测量波动范围小，越接近平均值，测量误差越小。ICC法作为较通用的可重复性及可信度评估方法，可以对定量资料进行评估，同时兼顾了随机误差及系统误差对测量结果的影响，因此其结果具有较高的可靠性[21]。

本研究中，Bland-Altman图形分析也证实双侧海马各亚区对应的点绝大多数位于95%一致性界限内，进一步证实了基于freeSurfer软件图像自动分割ROI与ASL功能像融合测量CBF值的可重复性良好。Bland-Altman法的本质是方差齐性检验，采用图形分析方法可以直观显示两种测量方法的一致性界限[22]，目前已经应用于临床测量结果的一致性评价。

本研究在测量时采用多次测量求平均值的方法尽可能减少测量误差。尽管如此，此测量方法仍不可避免产生实验误差，但ICC及Bland-Altman分析结果提示观察者内及观察者间具有较高的一致性及可重复性。因此，本研究认为基于freeSurfer软件图像自动分割ROI与ASL功能像融合测量的CBF值可靠，在临床实践中，可以采用自动分割ROI与ASL功能像融合测量海马各亚区CBF值，对颞叶癫痫致痫灶进行定位及评估。

3.3 本研究的优势与不足 本研究的创新之处：相关研究[18,23]表明，基于QBrain、freeSurfer软件及基于体素的形态学分析自动测量海马体积，其测量结果均具有较高的一致性及可重复性，但对于海马各亚区的研究甚少。因此，本研究基于freesurfer软件自动分割海马亚区ROI与ASL功能像融合测量CBF值进行一致性及可重复性分析，结果表明，在后续研究中可以利用freeSurfer软件图像自动分割联合3D-pCASL技术对疑似MTLE-HS进行各亚区CBF值的综合评价，有助于在亚区水平早期发现致痫灶。

本研究的不足之处：①样本量偏小，未来需要增加样本量进行研究；②仅采用一家医院的患者资料，如采用多中心观察者进行研究，可大幅度提高结论的可靠性；③仅对自动分割ROI法测量的CBF值进行可重复性及可信度评估，未与其他测量方法进行比较。

总之，本研究采用自动分割ROI与ASL功能像融合测量的CBF值技术，完成了对海马分割亚区的定量分析，并验证了测量的可重复性，有望应用于早期发现HS导致的颞叶癫痫致痫灶，并对其进行定位评估。