呼吸睡眠暂停低通气患者脑功能的功能性MRI诊断
2017-02-10穆新暖王滨王晓芝张林孙婷李泉
穆新暖， 王滨， 王晓芝， 张林， 孙婷， 李泉
·中枢神经影像学·
呼吸睡眠暂停低通气患者脑功能的功能性MRI诊断
穆新暖， 王滨， 王晓芝， 张林， 孙婷， 李泉
目的：探讨静息状态下呼吸睡眠暂停低通气(OSAHS)患者脑功能是否发生异常及经持续正压通气(CAPP)治疗后脑功能的改变情况。方法：搜集25例中重度OSAHS患者(患者组)及25例健康志愿者(对照组)。患者CAPP治疗前后及健康志愿者均进行MRI平扫及血氧依赖水平功能性磁共振成像(BOLD-fMRI)检查。结果：与对照组相比，患者组治疗前右侧额中回等脑区的局部一致性减低，右侧岛叶等脑区的低频振幅(ALFF)值减低，右侧额下回等脑区的低频振幅比率(fALFF)值减低。与对照组相比，患者组治疗后右侧小脑半球等脑区的局部一致性减低，右侧楔叶等脑区的ALFF减低，右侧额下回等脑区的fALFF减低。与治疗前相比，患者组治疗后右侧颞下回等脑区的局部一致性明显增高，右侧小脑半球等脑区的ALFF增高，左侧枕中回等脑区的fALFF增高。结论：静息状态下OSAHS患者脑功能状态存在异常，经CAPP治疗后脑功能异常的脑区可部分逆转。功能性MRI对呼吸睡眠暂停低通气患者脑功能的诊断具有重要价值。
磁共振成像； 睡眠呼吸暂停综合征； 持续正压通气； 静息状态
阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS)是一种以打鼾且伴有呼吸暂停，白天易嗜睡，夜间反复发生低氧血症为主要临床表现的疾病，多脏器损害也时常发生[1]，患者的生活质量和寿命受到严重影响，持续正压通气(continuous positive airway pressure，CPAP)是目前比较有效的治疗方法[2]，在改善OSAHS患者的临床症状方面疗效显著[3]。因此，充分了解CPAP治疗前后OSAHS患者脑功能的改变，能为其疗效及愈后评估提供重要依据。功能性磁共振成像(functional MRI，fMRI)主要是通过监测局部脑血流量的变化来检测和定位脑功能的一种成像技术，并应用后续的处理软件统计、绘制大脑皮层功能激活图，从而无创、直观地反映相关皮层的功能变化[4]。然而，有关OSAHS患者CPAP治疗前后的静息态fMRI的研究，国内外相关报道很少。本研究采用局性一致性(region homogeneity，ReHo)、低频振幅(amplitude of low-frequency fluctuation，ALFF)和低频振幅比率(fractional ALFF，fALFF)分析呼吸睡眠暂停低通气患者治疗前后脑灰质的功能特点，比较治疗前后脑灰质功能的改变。
材料与方法
1．研究对象
以我院2014年7月-2015年5月收治的25例中重度男性OSAHS患者(患者组)及与其性别、年龄相匹配的25例健康志愿者(对照组)为研究对象，年龄35～60岁，平均42.5岁。患者组+对照组排除标准：①具有幽闭恐惧症的患者；②有心脑血管病史，头颅MR平扫双侧额叶有梗死灶的患者；③体内有金属异物，不能配合完成MRI检查者。
参照中华医学会《阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征诊治指南》，以睡眠呼吸暂停低通气指数(apnea hypoventilation index，AHI)即平均每小时睡眠中的呼吸暂停的次数加上低通气的次数来进行OSAHS的诊断[5]，诊断标准为5
2.检查方法
对所有受检者行静息态的fMRI扫描及高分辨力3D结构像扫描，采用Siemens 3.0 T磁共振成像系统，正交头颅线圈。扫描时患者安静平卧于检查床，头部固定、闭眼。
首先采用常规T1WI、T2WI序列对所有受试者进行扫描，筛选头部未发现异常信号者，采集3D全脑高分辨力结构像及静息态fMRI图像。采用梯度回波-回波平面成像序列，平行于AC-PC线进行静息态的功能成像，扫描参数：TR 2000 ms，TE 29 ms，视野192 mm×192 mm，体素3.0 mm×3.0 mm×3.0 mm，层厚3 mm。结构像采用T1加权快速梯度回波序列，扫描参数：TR 1940 ms， TE 3.08 ms，视野250 mm×250 mm，体素1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm。
为了排除其他干扰，得到更好的数据，弃除前6个功能扫描时间点的数据。所有图像数据都需经过SPIN软件的转化，进行时间及空间的标准化时采用SPM8软件，进行头动校正并将其投射到EPI标准模板上。将转动角度调制为小于1°，使头动平移小于1.5 mm，再进行去线性漂移、空间平滑、图像滤波处理[6]。对静息态功能信号进行ReHo、ALFF和fALFF处理，采用REST软件进行分析。设定0.01～0.08 Hz为带通滤波，目的是排除呼吸、心跳及噪音等的影响。首先将每个体素的ALFF、fALFF及ReHo值与全脑信号均值相除，针对全脑的体素做标准化处理，其次获得全脑标准化的ALFF、fALFF及ReHo值。
3.统计学分析
对两组(患者组、对照组)及患者组治疗前后的标准化的ReHo、ALFF、fALFF值采用两样本t检验进行比较，将体素>10(ReHo、ALFF、fALFF)的异常脑区作为有统计学差异的脑区。以P<0.05为差异有统计学意义。
结 果
1.OSAHS患者组治疗前与对照组ReHo、ALFF、fALFF值比较
OSAHS患者组治疗前与对照组相比，患者组右侧梭状回、右侧颞下回、双侧小脑半球、右侧角回、左侧扣带回、左侧中央后回、右侧额中回及左侧额上回较正常组ReHo值减低；患者组右侧小脑、右侧岛叶、右侧楔叶、右侧中央前回、左侧额下回、左侧额中回、左侧舌回、左侧扣带回的ALFF值较对照组减低；患者组右侧额下回、左侧杏仁核、右侧海马、右侧角回、左侧枕中回、左侧中央前回、左侧颞中回、右侧中央后回、右侧额上回、右侧额中回fALFF值较对照组减低(表1，图1)。
表1 患者组治疗前与对照组ReHo、ALFF、fALFF值比较
注：P<0.05(校正)，区域大小(voxel)≥10，右侧/左侧(R/L)。
图1 患者组治疗前与对照组相比的异常脑区图。患者组为中重度的OSAHS男性患者，平均年龄42.5岁，病史平均2.9年，患者部分脑功能降低。a) 蓝色为ReHo值降低的脑区； b) 蓝色为ALFF值降低的脑区; c) 蓝色为fALFF值降低的脑区。
2.OSAHS患者组治疗后与正常对照组ReHo、ALFF、fALFF值比较
OSAHS患者治疗后与对照组相比，右侧小脑半球、右侧梭状回、左侧枕中回、右侧额中回的ReHo值减低；治疗后右侧楔叶、左侧扣带回、左侧额下回的ALFF值较对照组减低；治疗后右侧额下回、左侧额上回、右侧枕中回及左侧额中回的fALFF值较对照组减低(表2，图2)。
表2 患者组治疗后与对照组ReHo、ALFF、fALFF值比较
注：P<0.05(校正)，区域大小(voxel)≥10，右侧/左侧(R/L)。
3.OSAHS患者组治疗后与治疗前ReHo、ALFF、fALFF值比较
OSAHS患者治疗前后相比，治疗后右侧颞下回 、左侧中央后回、左侧扣带回、右侧额中回、右侧枕上回、左侧额上回的ReHo值较治疗前明显增高；治疗后右侧小脑半球、右侧中央后回、右侧中央前回、左侧颞上回、右侧额中回、右侧舌回的ALFF值较治疗前增高；治疗后左侧枕中回、左侧颞中回、右侧额中回、右侧中央后回、右侧中央前回及左侧角回的fALFF值较治疗前增高(表3，图3)。
表3 患者组治疗后与治疗前ReHo、ALFF、fALFF值比较
注：P<0.05(校正)，区域大小(voxel)≥10，右侧/左侧(R/L)。
图2 患者组治疗后与对照组相比的异常脑区图。患者组为中重度的OSAHS男性患者，平均年龄42.5岁，病史平均2.9年，治疗时间为1天。患者经治疗后部分脑区功能恢复，但不能完全恢复，仍有脑功能降低区。a) 蓝色为ReHo值降低的脑区； b) 蓝色为ALFF值降低的脑区; c) 蓝色为fALFF值降低的脑区。
讨 论
1.OSAHS的危害性及尽早治疗的必要性。
随着对睡眠医学的不断深入研究，人们逐渐意识到OSAHS不再是单学科疾病，而是一种慢性全身性疾病，可以导致全身多器官损害的发生[7]。如果在脑功能出现异常而无形态学改变时及早做出诊断，进而干预OSAHS患者脑功能异常的病因，就能有效避免或降低脑损伤的发病率。
2.静息态fMRI检查的优势
静息态fMRI无需患者主动参与，操作简便，对基线状态脑功能和自发神经元活动的研究具有无创性，静息态MRI适合于大规模的临床研究应用[8]。ReHo能反映患者脑区活动的一致性特点[9]，ALFF和fALFF能映射与运动、视觉、听觉、语言及静息态网络相关的神经网络[10]，本研究采用这两种方法来分析静息状态血氧水平依赖的大脑信号，检测自发性神经元活动。
3.OSAHS患者异常功能脑区的作用与发病机制的联系
OSAHS患者在神经认知功能方面的损害主要集中表现在警觉注意功能和执行功能异常[11]。控制人类认知活动方面的一个最重要脑区是前额皮层，注意力及工作记忆的功能与之密不可分[12]，OSAHS患者的注意功能损害可能与之有关。神经解剖学发现视觉联合皮层及视觉中枢的功能是管理视觉信息的传输、整合及感知[13]，它主要有舌回、楔前叶、楔叶、枕叶及顶枕联合脑区，这些脑区的改变可能与OSAHS患者的情感淡漠、反应迟钝有关。前额叶皮质功能受损会导致患者对短期利益及长期损失不能做出正确的估量[14]，情绪不受控制，白天嗜睡、判断力下降行为也相继发生。扣带回皮层和邻近的楔前叶是静息态默认网络中唯一能与其他节点直接相互作用的网络节点[15]，楔前叶与后扣带回病变可能是导致整个默认状态网络功能异常的关键[16]，在OSAHS患者病情的发生、发展过程中起到了重要作用。扣带回含有丰富的神经纤维，在情绪及认知处理过程中起重要作用。OSAHS患者扣带回神经纤维完整性降低，影响患者的执行功能。小脑在参与平衡和调节肌张力方面起着重要作用，这些脑区功能的降低或许与OSAHS患者肌张力下降及易跌倒有关。
图3 患者组治疗后与治疗前相比的脑区改变图。患者组为中重度的OSAHS男性患者，平均年龄42.5岁，病史平均2.9年，治疗时间为1天。经治疗后部分脑区功能恢复。a) 红色为ReHo值增加的脑区； b) 红色为ALFF值增加的脑区; c) 红色为fALFF值增加的脑区。
本研究存在一定的局限性，首先样本量较少，其次治疗时间尚短，不能为某些现象提供有力证据，需要进一步研究、探讨。
综上所述，OSAHS患者经过短期的持续正压通气治疗后，功能及结构异常的脑区多恢复正常，但不能完全恢复，是因为脑功能的永久损伤还是治疗时间尚短，亦或其他原因，还需要随访研究和进一步的深入探讨。
[1] Kushida CA，Chediak A，Berry RB，et al.Clinical guidelies for manual titration of positive airway pressure in patients with obstructive sleep apnea[J].J Clinical Sleep Medicine，2008，4(2):157-171.
[2] Tarek G，Reena M.Obstructive sleep apnea syndrome:natural history，diagnosis，and emerging treatment options[J].Nat Sci Sleep，2010，2(2):233-255.
[3] Bazzano LA，Khan Z，Reynolds K，et al.Effect of nocturnal nasal continuous positive airway pressure on blood pressure in obstructive sleep apnea[J].Hypertension，2007，50(2):417-423.
[4] 刘城霞，张佳旋，张顺，等.RSNA2015中枢神经系统影像学[J].放射学实践，2016，31(1):3-9.
[5] 中华医学会呼吸病学分会睡眠呼吸障碍学组.阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征诊治指南(2011年修订版)[J].中华结核和呼吸杂志，2012，35(1):9-12.
[6] 房俊芳，王倩，王滨，等.功能MRI揭示抑郁症脑结构及功能变化的应用及展望[J].磁共振成像，2015，6(1):52-57.
[7] Faith S.Luyster，Kevin E.Kip，Daniel J.Buysse，et al.Traditional and nontraditional cardiovascular risk factors in comorbid insomnia and sleep apnea[J].Sleep，2014，37(3):593-600.
[8] 岳丽娜，韩月东.静息态功能磁共振成像在癫痫中的研究进展[J].临床放射学杂志，2015，34(7):1176-1178.
[9] 孙倩，于瀛，胡玉川，等.2型糖尿病脑改变的fMRI研究进展[J].放射学实践，2016，31(2):138-140.
[10] Alexopoulos GS，Kiosses DN，Choi SJ，et al.Frontal white matter microstructure and treatment response of late-life depression:a preliminary study[J].Am JPsychiatry，2002，159(11):1929-1932.
[11] 王青云，陈锐，曹忠胜，等.同期多平面手术对中青年中-重度OSAHS患者血清氧化应激水平和认知功能的影响[J].临床耳鼻咽喉头颈外科杂志，2015，24(2):2139-2142.
[12] Mitchell R.Riley，Christos Constantinidis.Role of prefrontal persistent activity in working memory[J].Front Syst Neurosci，2015，9(1):181.
[13] 雷旭，赵文瑞.睡眠影响记忆巩固的同步EEG-fMRI研究[J].心理科学进展，2016，19(3):327-334.
[14] Tajender S.Vasu，Ritu Grewal，Karl Doghramji.Obstructive sleep apnea syndrome and perioperative complications:a systematic review of the literature[J].J Clinical Sleep Medicine，2012，8(2):199-207.
[15] 刘会茹，王维卓，王欣，等.脑梗死运动性失语患者的静息态脑功能研究[J].医学影像学杂志，2014，10():1674-1679.
[16] 邵辉丽，杜小霞.楔前叶/后扣带皮层在静息态功能网络中起关键节点作用的研究进展[J].磁共振成像，2011，2(3):215-217.
Functional magnetic resonance imaging in obstructive sleep apnea hypopnea syndrome patients before and after continuous positive airway pressure treatment
MU Xin-lan，WANG Bin，WANG Xiao-zhi，et al.
Department of Radiology,Affiliated Hospital of Binzhou Medical University，Shandong 371621，China
Objective：To study if there is any brain functional abnormality in obstructive sleep apnea hypopnea syndrome (OSAHS) during resting-state,as well as the changes of brain function after continuous positive airway pressure (CPAP) treatment.Methods:Twenty-five patients with moderate or serious OSAHS (study group) and 25 healthy volunteers (control group) were recruited.Conventional MR and resting state BOLD-fMR examination before and after CPAP treatment in patients group as well as in control group were performed.Results:Compared with the control group,decreased ReHo in the right middle frontal gyrus etc.reduced ALFF in right cerebellum etc,and reduced fALFF in right inferior frontal gyrus etc.were observed in OSAHS patients before treatment.Reduced ReHo in the right cerebellum etc.decreased ALFF in the Right cuneus etc.and decreased fALFF in right inferior frontal gyrus etc.were found in OSAHS patients after treatment when compared with the control group.In OSAHS patients after treatment,ReHo increased in right inferior temporal gyrus etc.ALFF increased in right cerebellar hemisphere etc and fALFF increased in left middle occipital gyrus etc.could be revealed when compared with that before treatment.Conclusion:Resting-state brain dysfunction was observed in OSAHS patients,and brain dysfunction were partially reversed after effective CPAP treatment.
Magnetic resonance imaging; Sleep apnea syndrome; Continuous positive airway pressure; Resting state
256600 山东，滨州医学院附属医院影像科
穆新暖(1987-)，女，硕士研究生，住院医师，主要从事呼吸睡眠暂停综合征的基础与功能影像学研究。
王滨，E-mail：binwang001@aliyun
国家自然科学基金项目(81171303)；2014山东省科技发展计划(2014GSF118115)。
R563.9; R445.2
A
1000-0313(2017)01-0016-05
10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.01.004
2016-04-06
2016-06-07)
