鼻咽癌放疗后常规磁共振成像阴性的脑灰质体积研究

•论箸•鼻咽癌放疗后常规磁共振成像阴性的脑灰质体积研究
冷西覃春红王宏琢伍冬林
【摘要】目的探讨放疗对脑灰质的影响，评估鼻咽癌(NPC)放疗后不同时期脑灰质体积的改变情况，为放射性脑损伤(RBI)潜伏期内出现神经认知功能异常提供依据。

方法对60例NPC患者进行高分辨率T】扫
描，其中放疗前14例,放疗后46例。

使用VBM-DARTEL分析方法进行图像处理,统计学分析以P<0.05为检验
水准，采用FDR校正，构成统计参数图，并以伪彩显示。

结果与放疗前组相比,NPC组放疗后0~6个月组右侧
颍叶、枕叶、顶叶,左侧额叶、小脑蚓部、左侧小脑半球灰质体积减小;放疗后6〜12个月组右侧额、顶叶,双侧颍叶
及左侧小脑半球灰质体积减小;放疗后>12个月组右侧额叶、颍叶、小脑半球及左侧枕叶灰质体积减小。

结论
放疗可导致NPC患者产生较广泛的的脑灰质微观结构损伤，在放疗后12个月内损伤最严重。

【关键词】脑损伤；放射性；鼻咽肿瘤；基于体素的形态学测量方法
Study on routine MRI-negative gray matter volume after radiotherapy for nasopharyngeal carcinoma Leng
Xi,Qin Chunhong,Wang Hongzhuo,Wu Donglin.Department of Medical Imaging,the First Affiliated Hospital of
Guangzhou University of Chinese Medicine,Guangdong510405,China
[Abstract]Objective To investigate the effect of radiotherapy on gray matter,and to evaluate the changes of gray matter volume in different periods after radiotherapy for nasopharyngeal carcinoma(NPC),and to provide evi­
dence for neurocognitive abnormalities during the incubation period of radiation-induced brain injury(RBI).Methods
High-resolution T】scans were performed on60NPC patients,including14cases before radiotherapy and46cases af­
ter radiotherapy.Image processing was performed using the DARTEL-VBM analysis method.Statistical analysis was
performed with P<0.05as the test level,and FDR correction was used to construct a statistical parameter map,which
was displayed in pseudo-color.Results Compared with the pre-radiation,gray matter volume decreases in the right
parietal lobe,left frontal lobe,right occipital lobe,right temporal lobe,cerebellar vermis and left cerebellar hemi­
sphere in patients with NPC after radiotherapy in post-RT0~6months groups(P<0.05).Gray matter volume decreases
in the right frontal lobe,right parietal lobe,bilateral temporal lobe and left cerebellar hemisphere in patients with
NPC after radiotherapy in post-RT6-12months group(P<0.05).Gray matter volume decreases in right frontal lobe,
right temporal lobe,left occipital lobe and right cerebellar hemisphere in patients with NPC after radiotherapy in post-
RT>12months group(P<0.05).Conclusion Radiotherapy can cause a wide range of gray matter microstructural
damage in NPC patients.The damage is most serious within12months after radiotherapy,and the brain tissue dam­
age will be gradually repaired.
[Key words]Brain injuries；Radioactivity；Nasopharyngeal neoplasms；Voxel based morphometry
在临床工作中发现，一部分常规磁共振成像(MRI)检查无明显异常的颅脑放射治疗患者产生了明显的神经系统症状。

神经心理学研究也发现相比于健康人，头颅照射后的患者某些认知功能明显减退。

由于白质对放射线比较敏感，之前的研究都局限于脑白质。

但是，严重的放射性脑损伤也可以累及脑灰质，对放射线敏感的神经胶质细胞同样存在于脑灰质中，因而推测放疗后脑灰质微结构也发生了损伤。

DOI：10.16106/14-1281/r.2020.03.001
基金项目：广东省自然科学基金(2018A030310621)
作者单位:510405广州中医药大学第一附属医院影像科
结构成像和基于体素的形态学测量方法(voxel based morphometry,VBM)是目前评价脑灰质体积变化的有效方法，已被广泛的用于一些常规影像无法显示异常的疾病如药物成瘾、精神分裂症、抑郁症等的研究中，显示了脑功能损伤的结构基础，为实现在活体水平分析脑组织的显微形态学变化提供了有意义的途径。

而高分辨率磁共振(MR)检查技术和基于体素的形态学测量方法结合李代数的微分同胚配准(VBM-DARTEL)的分析方法则为研究脑灰质微观结构的变化提供了更加准确、有效的工具。

本研究利用高分辨率MR检查技术和VBM-
DARTEL的分析方法探讨放疗前及放疗后不同时期常规影像显示阴性的脑灰质体积的改变情况，评价放疗对脑灰质体积的影响，评估功能损伤的结构基础，为临床上放射性脑损伤潜伏期内出现神经认识功能异常提供科学依据。

1资料与方法
1.1研究对象:收集2017年8月至2019年1月60例鼻咽癌患者［男性43例，女性17例，年龄25~59岁，平均(44±8)岁］进行磁共振3D-T.WI扫描，其中放疗前14例,放疗后46例。

根据国内外研究，将患者按放疗前和放疗完成后行3D-T.WI检查的不同时间将其分为4组:第1组为放疗前组，14例;第2组为放疗后0~6个月组，16例;第3组为放疗后>6~ 12个月组，16例；第4组为放疗后>12个月组，14例。

放疗前后各组年龄、性别、受教育程度、吸咽及饮酒量匹配。

所有患者均经病理检查证实;放疗后患者均为首次接受放射;放射治疗方案为头颈联合野三维适形放疗(总剂量/分割剂量为66-72Gy/2Gy,分割次数为33-36),总放射治疗时间为43-51d,所有患者在放疗期间接受同步化疗，主要的化疗药物为环磷酰胺及顺钳等;所有患者未发现鼻咽癌颅内侵犯,无颅内原发性肿瘤或转移瘤,无颅内血管性病变，无严重的系统性疾病如心脏病、糖尿病、高血压等，放疗前后均未出现明显的神经系统症状，常规MRI扫描脑组织表现无明显异常。

所有纳入的研究对象均在试验前被详细告知试验目的、方法和注意事项，并签署知情同意书正式同意参加试验。

1.2高分辨磁共振数据采集:所有被试均采用美国GE SIGNA EXCITE3.0T磁共振成像仪扫描进行静息态下脑功能数据采集。

使用标准八通道头颅线圈接收核磁共振信号。

高分辨T,数据采集前所有被试先完成全脑轴位T.WI J2WI、FLAIR序列扫描，以排除脑部疾病。

高分辨T,数据采集采用3D快速场回波序列(FFE),平行于正中矢状面得到全脑图像。

具体参数如下：重复时间(TR)=6.9ms,回波时间(TE) =1.5ms,准备时间(Prep Time)-450ms,翻转角(flip angle)=12°,视野(F()V)=24cmx24cm,矩阵(matrix size)=256x256,层厚1mm,层间隔=0mm,NEX=l,扫描时间4min30s o
1.3高分辨磁共振数据处理首先应用MRlcro软件对原始D1COM格式的图形进行转化，得到NIFTI格式的文件。

再利用SPM8软件，以Matlah7.6为平台，对转化后的数据进行半自动结构像的分析。

基于SPM的DARTEL工具箱进行图像的预处理具体步骤如下:①前联合作为坐标原点，手动调整所有被试的原始结构图像。

②对所有被试的原始结构图像进行分割，将其导入DARTEL内运算，以生成每位个体的灰质图像。

③在DARTEL内制作被试的灰质模板(create template)o④使用生成的灰质模板对所有被试者的灰质图像进行标准化(normalization)。

⑤调整(modulation):即对灰质密度图像进行Jacobian参数校正，以保证配准后的图像灰度值可以真实反映原图像的灰质结构体积。

⑥平滑(smoothing):采用8mm的半高全宽(full width at half maximum, FWHM)的高斯核对分割后的灰质图像进行空间平滑，确保图像具有随机高斯场的性质，这样不仅满足了SPM的统计假设，又提高了信噪比。

⑦空间转化：即把经过平滑处理后的数据转化为MNI空间。

MR1图像预处理完成后，再应用SPM8软件进行后续分析。

1.4统计学处理：以一般线性模型和随机场理论为基础,采用基于体素的比较，以P<0.05为检验水准，采用FDR校正，构成统计参数图，该图即表示鼻咽癌放疗后患者灰质休积改变的脑区，并以伪彩显示。

2结果
与放疗前组相比，鼻咽癌患者放射治疗后0~6个月组右侧顶叶、左侧额叶、右侧枕叶、右侧颍叶、小脑蚓部及左侧小脑半球灰质体积减小(P<0.05, FDR校正)(见图1,表1)；放疗后6~12个月组右侧额叶、右侧顶叶、双侧颍叶及左侧小脑半球灰质体积减小(P<0.05,FDR校正)(见图2,表2)；放疗后大于12个月组右侧额叶、右侧颖叶、左侧枕叶及右侧小脑半球灰质体积减小(P<0.05,FDR校正)(见图3,表3)。

表1与放疗前组比较.放疗后0~6个月组脑灰质体积减小
(P<0.01)的脑区
脑区左佑
体素数目
(x±s)
MN1坐标(mm)
X轴Y轴Z轴
顶叶灰质右180********
额叶白质左140129138107
枕叶灰质右100737576
额叶灰质右943111546
小脑蚓部右98895942
小脑半球左1181184626
3讨论
脑结构MRI 的研究结果与数据分析方法密切
表2与放疗前组比较,放疗后6~12个月组脑灰质体积减小表3与放疗前组比较，放疗后>12个月组脑灰质体积减小(PvO.Ol)的脑区(P<0.01)的脑区
体素数目（X±s）体素数目
左/右
MNI坐标(mm)
X轴Y轴Z轴
脑区
额叶灰质右20040122112顶叶白质右8087101120顶叶灰质右725476116颍叶灰质左100
左/右
(x±s)
MNI坐标(mm)
X轴Y轴Z轴脑区
额叶灰质右1205512185额叶灰质右759114258枕叶灰质左1121285055小脑半球右185535146
13212685
图1MR示与放疗前组相比，放疗后0~6个月组脑灰质体积减小的脑区（P<0.05）（a：左侧额叶；b：右侧枕叶；c：右侧颍叶；（1：小脑蚓部；e：左侧小脑半球）图2MR示与放疗前组相比，放疗后6〜12个月组脑灰质体积减小的脑区（P<0.05）（a：右侧额叶；b：右侧顶叶;c：左侧颖叶；（1：右侧赢叶；e：左侧小脑半球）图3MR示与放疗前组相比，放疗后>12个月组脑灰质体积减小的（a：右侧额叶；b：右侧额叶；c：左侧枕叶；（I：右侧小脑半球的）
脑区（P<0.05）
相关。

目前，常用的方法包括基于感兴趣区（region of interest,R0I）的方法和VBM的方法手工ROI法对早期脑结构的体积研究发挥了重要作用>.但是它也存在一定局限性。

首先,它只能测量所选择的感兴趣脑区,而忽略了其他脑区可能存在的异常，因而容易导致对疾病的神经生理基础产生片面理解。

其次，手匸ROI法的带有较强的主观性，结果受人为因素干扰较大，故易造成不同研究间的研究结果重复性较差。

基于以上BOI法的不足，人们产生了基于体素对全脑结构进行分析的思想。

1995年
Wright等2描述了一种能基于MRI图像进行全脑分析从而发现脑灰质及门质差异的新技术。

至2000年,Ashburner等⑶正式提出了VBM方法，也称为标准的VBM法，可以对全脑结构图像中每个体素逐一进行组间比较,从而判断是否存在灰质、白质及脑脊液差异及存在差异的具体位置。

2007年Ash-burner4提出一种新的配准方法一VBM-DARTEL,它是一种通过快速微分同胚图像的配准方法，不仅可以以研究样本的平均模板为基础进行反复配准，而且能更好地解决形变问题，进一步改善了VBM图像配准与标准化的质量,使数据处理结果更加准确、可靠。

该方法已在多个研究领域中应用，充分证实了它的应用价值。

本研究拟采用V BM-DARTEL算法对鼻咽癌放疗后患者脑灰质容积进行对比研究，探讨鼻咽癌患者脑灰质容积的改变情况，并探讨这种改变与鼻咽癌患者的潜在认知功能减退的关系，从而研究鼻咽癌放疗后患者认知功能减退的机制。

放射治疗是鼻咽癌的首选和最有效的治疗方法。

但是,放疗区域不可避免会包含部分颍叶脑区，辐射剂量超过脑组织的耐受性则会引起放射性脑损伤，是最严重的并发症之一，显著影响NPC患者的预后并降低其生活质量。

先前的一项研究表明，辐射诱发的脑损伤的发生率为4%~18%'5：,Chong等"报道放射性脑病的潜伏期较长，因此，需要长期监测放疗后脑组织的结构改变。

既往研究发现某些常规MRI扫描正常的鼻咽癌患者在放疗后表现出明显的神经系统异常的症状,例如记忆力减退等。

此外，许多神经心理学测试研究表明，经过颅脑放射治疗的患者认知功能出现了下降"°由于脑白质对辐射敏感,以前的研究仅限于脑白质。

但是，严重的放射性脑病也可累及脑灰质。

脑结构成像及VBM分析方法已被广泛的应用于一些常规影像无法显示的疾病如精神分裂症、药物成瘾、抑郁症等的研究中J并发现相关脑区体积缩小，研究者认为这种改变可能是患者脑功能损伤的结构基础。

有关病理生理学的研究显示灰质容积的改变与以下几方面的原因有关，如细胞体积的增大或减小，神经元及神经胶质细胞的增生与退化，以及血流量甚至细胞间质的改变。

Liu等£利用VBM 法发现海洛因成瘾患者右侧左侧辅助运动区、前额叶皮层以及双侧扣带回皮层体积显著减小，并认为这可以解释患者的某些临床症状。

Ubukata等血利用VBM法发现精神分裂症患者双侧前额叶及颍叶多处灰质体积明显缩小。

另有研究"利用VBM-DARTEL法发现亚临床抑郁症中的女性患者中，双侧前扣带回、右侧直回体积明显减小,研究者认为这可能可以解释抑郁症患者的临床症状。

本研究通过VBM-DARTEL方法研究鼻咽癌患者放疗结束后不同时期脑灰质体积的变化情况，发现放疗后不同时期内双侧额叶、双侧小脑半球甚至双侧额叶、枕叶及顶叶均有灰质体积缩小的脑区。

双侧颍叶，双侧小脑和双侧枕叶可能包括在辐射场中，这可能表明这些脑区灰质体积减少主要是由辐射引起的。

而双侧额叶及顶叶离放射野较远，亦可见灰质体积减小，这说明放射治疗对鼻咽癌患者可产生较为广泛的、累及多个脑区的脑灰质微观结构的损伤，而不仅仅局限于额叶,这种结构的异常是复杂的、动态、暂时性的，在放疗后0~12个月内改变最明显，损伤最严重，随后脑组织会逐渐修复，一年之后会有不同程度的恢复。

动物实验研究表明小鼠颅脑受照射后，潜伏期内脑白质和脑灰质的血管普遍扩张，电镜观察到血管内皮细胞损伤、基底膜缩短、血脑屏障通透性提高，同时发现照射后早期可检测到各种炎症
细胞因子，如白细胞介素l(IL-l)、肿瘤坏死因子(TNF)等这些结果都表明放射性脑损伤的脑灰质也发生了炎症反应。

炎症反应是机体组织面对损伤的抵抗反应，血管扩张、蛋白渗出、血管壁通透性增加、血管周围水肿等可能会造成局部脑区功能减退、体积减小甚至萎缩。

尽管放射后死亡的神经元数量有限，但轴突和突触功能障碍可能会诱发中枢神经系统损害，神经胶质细胞被公认为对放射线较为敏感，动物实验观察到放射性脑损伤潜伏期内胶质细胞出现了变性或凋亡网。

也有研究证实，经过全脑放疗的动物出现了神经祖细胞的丢失，灰质容积发生了广泛的萎缩。

颅脑放疗会杀灭少突胶质细胞，同时影响胶质细胞的修复，这些胶质细胞同时存在于脑白质和脑灰质中，少突胶质细胞的死亡会损害髓鞘的完整性以及连贯性，从而导致灰质内的少突胶质细胞功能减退，体积减小。

本研究结果表明双侧额叶脑灰质体积减小，与先前的报道一致，同时本研究发现了一系列新的灰质容积减小的脑区，然而,灰质容积减小的部分原因尚不明确，如神经元的退变凋亡，轴索、突触的损伤，或者细胞外间隙及血管体积的减小。

一项先前的研究表明，化疗可能会导致乳腺癌患者额叶灰质体积减小尺，另一项研
实用医学影像杂志2020年6月第21卷第3期JPMI,June2020,Vol.21.No.3•229•
究则报道乳腺癌患者化疗后，后顶叶皮层的体积减小，因为同步放化疗已被用于治疗NPC患者，而本研究显示双侧额叶、双侧枕叶及顶叶灰质容积减小，这可能也与患者接受了化疗药物有关。

放疗对NPC患者可产生较广泛的脑灰质微观结构损伤，可能由于胶质细胞的损伤、血管通透性的增高以及炎症因子的释放而出现功能损害甚至结构萎缩。

并且脑灰质微观结构异常是复杂的、动态的、暂时性的改变，在放疗后12个月内损伤最严重。

高分辨A成像及基于VBM-DARTEL的分析方法能够敏感地检测放疗后脑灰质结构的变化，是在活体水平上进行放射性脑损伤研究的有效手段。

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(收稿日期：2019-ll-28)
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