李海军，辛会珍，余宏辉，张娟，魏志鹏，彭德昌

南昌大学第一附属医院影像科，江西省医学影像研究所，江西南昌 330006；

阻塞性睡眠呼吸暂停（obstructive sleep apnea，OSA）是一种常见的睡眠呼吸紊乱性疾病，主要表现为睡眠过程中反复间歇性发作的上气道部分或完全塌陷导致低通气或呼吸暂停，引起患者间断性低氧血症、高碳酸血症和睡眠中断片段化。OSA 患者常出现白天嗜睡，严重降低生活质量；还会影响学习、记忆、执行控制和注意力等认知障碍[1]。目前普遍认为低氧血症和睡眠中断片段化是OSA 患者认知障碍的可能原因，但其确切的神经病理机制尚未明确。基于体素的形态学分析（voxel-based morphometry，VBM）是一种自动和定量检测灰质体积（gray matter volume，GMV）和密度的工具，能够检测常规MRI 检查无法发现的脑组织结构细微差异变化，广泛应用于神经科学研究。既往研究发现OSA 患者存在广泛的大脑灰质密度减低，主要位于额顶叶、边缘系统及基底节区[2]。国内对于OSA 患者脑GMV 研究较少。VBM-DARTEL方法是Ashburner[3]于2007年提出的基于体素形态学测量方法结合李代数微分同胚配准算法，与传统VBM 方法相比，可实现脑MRI 图像的精确而敏感定位，应用于OSA 患者脑研究鲜有报道。本研究基于VBM-DARTEL 方法，探索成年男性重度OSA 患者大脑GMV 的变化，并进一步探索灰质改变脑区与认知功能的关系。

1 资料与方法

1.1 研究对象 纳入2018年10月—2019年11月于南昌大学第一附属医院耳鼻喉科就诊的36 例男性重度OSA 患者，均符合《成人阻塞性睡眠呼吸暂停多学科诊疗指南》中的标准[4]。纳入标准：年龄20～60 岁；呼吸紊乱指数（apnea hyponea index，AHI）≥30 次/h，右利手。排除标准：OSA 以外其他睡眠疾病（如失眠）；患有糖尿病、高血压、心衰等；有精神疾病或服用精神类疾病药物史；患有中枢神经系统疾病，如脑外伤、癫痫、脑肿瘤、抑郁症等；常规MRI 检查发现梗死等颅脑病变。公开招募40 例年龄、受教育程度、利手与OSA 患者相匹配的男性健康受试者作为对照组。本研究通过我院医学伦理委员会批准，所有受检者均自愿参与并签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Siemens 3.0T Trio Tim MR 仪，8 通道头颅线圈，梯度场强为40 mT/m，梯度切换率为150 mT/（m·ms）。首先进行颅脑常规MRI 扫描以排除脑实质病变，然后采集全脑容积结构图像。采用3D矢状位T1WI SPGR 序列，扫描参数：TR 1900 ms，TE 2.26 ms，视野250 mm×250 mm，矩阵256×256，连续扫描176 层，层厚1.0 mm，间距0 mm，体素1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm，扫描时间3 min 27 s。

所有受检者均行多导睡眠监测（polysomnograph，PSG）≥7 h，检查当天禁止饮用和服用含酒精或咖啡类饮料及睡眠相关药物等。采用Alice 5 LE 睡眠系统（Respironics，Orlando，FL），记录标准心电图、脑电图、眼电图、肌电图、口鼻气流、鼾声、胸腹部运动、体位及腿动脉血氧饱和度（SaO2）。

1.3 数据处理 基于Matlab R2016a 软件平台，使用SPM 12 工具箱（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/）对采集的原始结构图像进行预处理，①手动校正：根据前联合-后联合将所有受检者的3D 图像进行手动校正。②组织分割与标准化：因不同受检者颅脑大小及形态差异影响组间比较，故采用SPM 12 自带的结构先验模板TPM 将所有受检者的3D-T1 图像转换至标准立体空间，然后分割成灰质、白质及脑脊液。利用DARTEL 配准方法生成最优模板后将分割的图像进行平均，获得该样本的灰质和白质模板。将分割后的图像再次标准化到该模板，同时进行再次分割及提取，得到分割后本研究所有受检者的灰质和白质图像，标准化为体素大小为1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm。计算GMV、白质体积（white matter volume，WMV）、脑脊液体积（cerebrospinal fluid volume，CSFV）、全脑体积（whole brain volume，WBV）、灰质分数[gray matter fraction，GMF，公式（1）]及白质分数[white matter fraction，WMF，公式（2）]。③图像质量控制：采用VBM 12 软件行协方差检验样本一致性，排除变异较大的受检者。④图像调制：对标准化步骤中因非线性转换引起的体积变化进行调节，获得每个体素体积为校正后该组织的相对体积。⑤组织平滑：对获得的图像采用半高全宽为6 mm 的高斯核进行空间平滑，从而减小不同受检者颅脑结构解剖差异并提高信噪比，确保数据符合正态分布。

1.4 认知功能评价 所有受检者均采用蒙特利尔认知量表（Montreal cognitive assessment，MoCA）[5]进行认知功能评价。MoCA 量表包括视空间与执行功能、记忆、命名、注意、抽象、语言、定向力等8 个认知领域项目，总分30 分，<26 分为存在认知障碍。采用爱泼沃斯嗜睡量表（Epworth sleepiness scale，ESS）[6]进行嗜睡评估，总分24 分，>6 分提示嗜睡，>11 分为过度嗜睡，>16 分提示有危险性的嗜睡。

1.5 统计学方法 采用SPSS 19.0 软件，PSG 检测结果及认知功能量表评分等计量资料以表示，组间比较采用独立样本t检验。P<0.05 表示差异有统计学意义。

两组GMV 比较，采用SPM 8 软件包对OSA 组及对照组经过预处理后获得的GM 图像进行两独立样本t检验，并以年龄、受教育程度和体重指数作为协变量，以体素P<0.001、未校正、团块簇>100 个连续体素的脑区为差异有统计学意义。采用REST V1.8 和BrainNetViewer 软件包呈现结果。对OSA 患者灰质差异脑区与认知评估、PSG 等临床资料进行偏相关分析，以年龄、受教育程度和体重指数作为协变量。P<0.05 表示有统计学意义。

2 结果

2.1 临床资料 两组受试者年龄、受教育程度及总睡眠时间差异无统计学意义（P>0.05）；OSA 组较对照组体重指数、AHI、微觉醒指数、ESS 评分显著升高，睡眠效率、N3+4、快速动眼睡眠期（REM）、MoCA 评分显著降低，差异有统计学意义（P<0.05，表1）。

表1 OSA 组与对照组的临床资料比较（±s）

表1 OSA 组与对照组的临床资料比较（±s）

注：OSA 为阻塞性睡眠呼吸暂停，AHI 为呼吸紊乱指数，N1%、N2%，N3+4%、REM%为睡眠分期占总睡眠的百分比，REM 为快速动眼睡眠期，SaO2 为动脉血氧饱和度，SaO2<90%为血氧饱和度<90 时间占总睡眠时间的百分比，ESS 为爱泼沃斯嗜睡量表，MoCA 为蒙特利尔认知量表

项目OSA 组（n=36）对照组（n=40）t 值P 值项目OSA 组（n=36）对照组（n=40）t 值P 值年龄（岁） 39.2±8.3 38.8±11.2 0.09 0.930 N2（%） 38.4±15.1 38.7±6.6 0.95 0.362受教育程度（年）11.8±3.2 11.2±3.3 0.96 0.342 N3+4（%）18.7±16.3 24.2±7.9-3.69＜0.001体重指数（kg/m2） 27.5±3.5 22.6±2.1 7.13 ＜0.001 REM（%） 7.6±8.3 21.3±7.7 -7.58 ＜0.001入睡时间10.8±8.8 19.3±9.5-2.97 0.005 SaO2＜90%（min）（%）25.1±21.0 0.2±0.2 7.45＜0.001（min） 378.3±60.3 389.3±30.2 -0.93 0.358 最低SaO2（%） 64.3±12.6 92.6±4.7 10.56 ＜0.001总睡眠时间睡眠效率78.3±5.2 90.8±5.8-4.15＜0.001微觉醒指数（%）（/h）39.7±21.3 10.7±2.9 7.96＜0.001 AHI（次/h） 54.5±19.3 2.5±1.3 18.91 ＜0.001 ESS（分） 12.8±3.9 3.4±2.3 11.80 ＜0.001 N1（%）31.3±19.4 10.0±3.8 6.67＜0.001 MoCA（分）24.2±2.3 28.6±1.4-6.83＜0.001

2.2 VBM 结果 OSA 组与对照组GMV、WMV、CSFV、WBV、GMF 及WMF 比较，差异均无统计学意义（P>0.05，表2），表明OSA 患者全脑无明显萎缩改变。

表2 OSA 组与对照组全脑体积比较（±s）

表2 OSA 组与对照组全脑体积比较（±s）

注：GMV 为灰质体积，WMV 为白质体积，CSFV 为脑积液体积，WBV 为全脑体积，GMF 为灰质分数，WMF 为白质分数

组别例数GMV（cm3）WMV（cm3）CSFV（cm3）WBV（cm3）GMF（%）WMF（%）OSA 组 36 661.53±46.83 497.26±36.67 381.34±30.37 1540.20±110.49 42.96±7.51 32.28±8.78 32.22±9.37 t 值 -0.59 -0.009 0.569 -0.108 -1.876 0.293对照组40 667.76±45.21 497.34±39.44 377.76±24.27 1542.79±99.17 43.27±7.31 P 值0.557 0.993 0.571 0.915 0.065 0.77

与对照组比较，OSA 组左侧丘脑、左侧角回、左侧中扣带回、右侧海马旁回、双侧梭状回及双侧小脑后叶GMV 减低，右侧小脑后叶GMV 增加，差异均有统计学意义（P<0.01，表3、图1）。

2.3 相关分析结果 OSA 组减低的左侧丘脑GMV与总睡眠时间及MoCA 评分呈正相关（r=0.482、0.477，P=0.05）；减低的右侧海马旁回GMV、右侧梭状回GMV 与N2%呈正相关（r=0.479、0.345，P=0.05、0.049）；减低的左侧小脑后叶GMV 与最低SaO2呈正相关（r=0.351，P=0.045），与总睡眠时间呈负相关（r=-0.417，P=0.016）；其他脑区GMV 变化与临床量表评分无相关性。

表3 OSA 与对照组比较GMV 差异脑区（P＜0.001，未校正，团块簇＞100 体素）

3 讨论

本研究发现OSA 患者左侧中扣带回、左侧丘脑、左侧角回、右侧海马旁回、双侧梭状回及双侧小脑后叶GMV 明显减低，而右侧小脑后叶GMV 增加，部分灰质减低脑区与MoCA 评分、PSG 监测结果相关。既往研究报道OSA 患者脑灰质结构存在改变，如额叶、顶叶、颞叶、海马、扣带回、丘脑、小脑等GMV减低，也有研究报道海马体积增加[7-9]，但研究结果部分矛盾。国内对OSA大脑灰质结构的研究鲜有报道[10]。本研究采用基于VBM-DARTEL 方法分析成人重度OSA 脑GMV 的变化，具有较高的精确性和敏感性，较传统VBM 方法更多地用于神经疾病研究。本研究结果发现扣带回、海马、丘脑、小脑等GMV 改变，与上述研究结果相似。此外，梭状回GMV 减低，同时小脑也存在局部GMV 增加区域。

小脑是运动控制系统的重要组成部分，其与大脑皮层存在广泛的纤维连接，参与感觉运动、情感等高级认知功能活动。此外，小脑对维持睡眠也有重要作用，睡眠片段化可能影响小脑功能[11]。Joo 等[2]报道OSA 患者小脑灰质萎缩，并推测OSA 患者常见的记忆障碍、情感和心血管功能障碍、执行功能异常、呼吸自主神经控制紊乱可能与小脑灰质区域的形态学变化有关。本研究发现，OSA 患者较健康对照者双侧小脑后叶GMV 明显减低，且减低区左侧小脑后叶GMV 与SaO2呈正相关，初步表明小脑对缺氧敏感。Fatouleh 等[12]报道尽管OSA 患者左侧小脑皮质变薄，但小脑GMV 却有所增加。本研究发现OSA 患者右侧小叶后叶GMV 存在局部增高。

扣带回是边缘系统的关键脑区，是Papez 环路的一部分，参与情绪表达与认知行为功能，也控制某些自主功能，包括呼吸、血压和唾液分泌等。在呼吸过程中，一些扣带回神经元与呼吸同步放电。既往研究发现，OSA 患者扣带回局部度中心度减低[13]。因此，本研究推测OSA 患者扣带回GMV 减低可能导致扣带回功能异常，进而参与患者情感障碍调节。

丘脑是间脑背部的混杂核团，将感觉及运动信息传送给大脑皮层，并在睡眠、觉醒和高级认知方面具有重要功能。Joo 等[2]和Rosenzweig 等[14]分别采用VBM 和FreeSurfer 方法发现OSA 患者双侧丘脑灰质萎缩。Lv 等[15]对儿童OSA 患者研究发现，左侧腹后核和背内侧核丘脑GMV 明显减低，在成人OSA 患者同样存在。Rosenzweig 等[16]的研究结果表明，OSA患者在经过1个月持续正压通气治疗和最佳支持照顾后，丘脑体积有所恢复，且ESS 评分和延迟逻辑记忆得分也显著升高。本研究发现，OSA 患者左侧丘脑GMV 明显减低，并与总睡眠时间、MoCA 评分呈正相关，表明丘脑是OSA 患者的易损脑区。

梭状回在冲动情绪调节中发挥重要作用，也是一个高级关键视觉的功能区，如人脸识别、物体感知和阅读。Innes 等[17]报道OSA 患者梭状回的局部血流灌注减低。本研究结果发现，OSA 患者双侧梭状回的GMV 减低，且右侧梭状回GMV 与N2呈正相关，表明睡眠结构紊乱可能是梭状回受损的原因。

角回是默认网络的重要亚区，参与高级认知功能，如视觉空间意象、意识、情景记忆、执行控制等认知行为。既往研究发现OSA 患者角回的局部自发脑活动减低，表明角回是OSA 患者易损脑区[18-19]。

本研究的局限性为：①纳入患者均为男性重度OSA 患者，对女性、轻中度OSA 患者脑GMV 尚不明确；②本研究是一个横断面研究，未对OSA 患者持续气道正压通气治疗后进行随访研究，后期可以进一步研究治疗对OSA 患者脑GMV 的影响。

总之，本研究采用VBM-DARTEL 方法发现成年男性重度OSA 患者存在多个与认知相关的脑GMV减低，部分异常灰质脑区与认知、多导睡眠监测有关。