基于磁共振成像的早产儿海马发育体积分析
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摘要：目的：研究早产儿海马发育过程中的体积变化，探究该阶段性别与半球差异。方法：选择28到37孕周的138例早产儿，其中男84例，女54例，使用ITK-SNAP分割其海马，通过MATLAB最小二乘法拟合，得出体积—孕周变化曲线，并计算其性别与半球差异。结果：28到37孕周早产儿海马总体积从927.1立方毫米增长到1155.6立方毫米，男性海马体积从956.1立方毫米增长到1202.4立方毫米，女性海马体积从887.8立方毫米增长到1082.6立方毫米，左半球海马体积从438.4立方毫米增长到585.8立方毫米，右半球海马体积从488.6立方毫米增长到569.8立方毫米。结论：28到37孕周早产儿海马体积随孕周增加而增大，近似线性关系，而性别和半球无明显差异。
关键词：海马；磁共振成像；体积分析；半球差异；性别差异
【中图分类号】445.2 【文献标识码】A 【文章编号】2107-2306（2019）02-154-02
引言
早产越来越普遍，全世界每年约有1500万婴儿在母亲妊娠不到37孕周时出生，其中约有20%非常早产的婴儿在不到32孕周时出生[1]。而早产儿与足月儿的生长发育规律是否相同，早产儿是否会承受更大的脑功能异常或其他功能异常的风险，便成为了家长、医生至社会各界人士所急于了解的问题，并随着我国早产率的上升而愈发重要。
早产对脑功能的不良影响已被大量研究所证实，Thuy等人认为早产与执行功能障碍和记忆功能障碍有关，并可能导致青少年期早产儿在语言流畅性、认知灵活性、计划组织、工作记忆、语言和视觉空间记忆上表现更差，即使排除了神经感觉障碍和智商低于70的样本后，仍与正常对照组有较大差异[2]。
传统的医学成像手段如CT、超声乃至较低场强的磁共振都无法清晰地显示海马，难以对海马进行形态学、统计学上的分析。因此利用较高场强的磁共振技术观察早产儿海马，可以为分析早产与脑功能异常之间的联系提供更加准确、客观的依据。
体积分析作为研究海马发育的重要手段已被广泛使用，但因为以往的受试者多为西方人，所以在我国重新研究具备一定的实际意义，可以更加准确的掌握我国早产儿海马的实际发育过程，有利于探索其与早产儿脑功能异常之间的关系。
1方法
1.1被试筛选
138例早产儿脑部磁共振图像被用于此次研究，其中男84例，女54例。图像由徐州医科大学附属医院提供，从2005年到2018年的约420例早产儿脑部磁共振图像中随机抽取，排除病人重复、畸形、严重脑病，得出研究样本。
1.2 扫描参数
场强：1.5 T 。
层厚 5～6 mm，层间隔 ≤ 层厚 × 20% 。
FOV：（200～240）mm ×（200～240）mm，矩阵 ≥ 256 × 192 。
TR、TE、TI等与序列特征相对应。
增强钆对比剂一般采用手推静脉注射，常规剂量为 0.1 mmol/kg 或遵药品使用说明书。
1.3图像采集
在电子病历系统上，以磁共振和早产儿为关键词，筛选得出2005年到2018年的全部早产儿脑部磁共振图像，记录其放射号。再从约420例放射号中随机选取200例，查询电子病历系统并记录其的姓名、性別、检查时间、检查原因和是否有脑部疾病。然后排除病人重复、畸形和有严重脑病的图像，得到138例符合要求的早产儿脑部磁共振图像。最后依据其放射号，从PACS系统中获取目标图像。
1.4分割
通过利用ITK-SNAP（医学图像处理软件，支持DICOM标准）对早产儿脑部磁共振图像进行海马分割，分割参考标志使用侧脑室下角和侧脑室后角。用红、绿两种颜色分别分割左、右侧海马，生成相应mask像并进一步得出左、右侧海马的三维模型，计算其左、右侧海马的体积。
1.5统计分析
利用MATLAB对男海马体积—孕周、女海马体积—孕周、左海马体积—孕周、右海马体积—孕周分别进行最小二乘法拟合，并加以组合对比，为更加全面地观察变化趋势，最小二乘法N值从2取到3为一个系列。
2结果
取最小二乘法n=2，在28孕周到37孕周：
海马总体积随孕周增加而增加，从927.1立方毫米增长到1155.6立方毫米，增长228.5立方毫米。
男性海马体积随孕周增加而增大，从956.1立方毫米增长到1202.4立方毫米，增长246.3立方毫米，均值1107立方毫米；女性海马体积随孕周增加而增大，从887.8立方毫米增长到1082.6立方毫米，增长194.8立方毫米，均值1060立方毫米。
左侧海马体积随孕周增加而增大，从438.4立方毫米增长到585.8立方毫米，增长147.2立方毫米，均值533立方毫米；右侧海马体积随孕周增加而增大，从488.6立方毫米增长到569.8立方毫米，增长81.2立方毫米，均值537立方毫米。
3讨论
早产儿的海马总体积是随着时间稳定增加的，且在一定区间内接近线性关系。同时Jacob 等人发现 21.3 孕周到 31.9 孕周的胎儿，其海马体积表现为线性增长[3]，这说明虽然多数早产儿的海马体积比足月儿要小，但它们可能都是以近似线性关系不断发育而来的，也就是说早产儿和足月儿的海马体积差异主要体现在增长速率不同，即k值的不同。因此，探究影响海马发育速率的因素是降低早产儿脑功能异常发生概率的首要工作，而这些则有赖于更进一步的研究去发现。
男性早产儿海马体积可能比女性早产儿海马体积微大，但差异不明显。不能排除样本人群代表性不足、女性样本较少、疾病、环境因素等等所造成的误差，仍需进一步扩大样本，改进设备以获取更具有说服力的实验数据。 雖然有研究表明早产儿海马发育具有不对称性，但在本次研究中得到了左、右半球的海马体积并没有明显差异的结论。
4结论
此次研究通过手动分割28到37孕周的早产儿海马MRI图像，创建3D模型并测定其体积，最后利用最小二乘法拟合得到几种体积随时间变化的曲线，得到以下认识：早产儿海马总体积存在着一定线性特征，早产儿左、右半球海马体积差异不明显，男性早产儿海马体积比女性早产儿海马体积微大，但两者差异较不明显。
建议改善实验条件、扩大样本、改进样本方法，除体积分析以外，还可进行形态学分析，更可以借助人工智能，更加精确高效地诊断出早产儿海马情况。进一步摸索影响海马发育线性特征的因素，为改善早产儿海马发育情况，降低早产儿脑功能异常发生率打下基础。
参考文献
[1]Chang， H.H.， Larson， J.， Blencowe， H.， Spong， C.Y.， Howson， C.P.， Cairns-Smith， S.， Lackritz， E.M.， Lee， S.K.， Mason， E.， Serazin， A.C.， Walani， S.， Simpson， J.L.， Lawn， J.E.， 2013. Preventing preterm births： analysis of trends and potential reductions with interven- tions in 39 countries with very high human development index. Lancet 381 （9862）， 223–234.
[2]Thuy ML， Ment L， Allan W， Schneider K， Vohr BR （2011）： Executive and Memory Function in Adolescents Born Very Preterm. Pediatrics 127：E639–E646
[3]Jacob， F.D.， Habas， P.A.， Kim， K.， et al.， Fetal hippocampal development： analysis by magnetic resonance imaging volumetry. Pediatr Res. 2011. 69， 425-429
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