CN111583182B - 面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法，能够做到对人体无创伤的同时获得高空间分辨率的图像数据，从而准确定位面神经麻痹伴构音障碍对应的语言功能区域。包括：用磁共振成像仪和标准头部正交线圈采集若干例成人周围性面神经麻痹患者和多例健康对照者的fMRI数据；采用DPARSF软件对数据进行预处理，去除超常数据和噪声；选取基底节区和语言功能区共16个感兴趣区ROI进行功能连接FC分析；采用双样本t检验比较患者组与对照者组之间FC的差异，用错误发现率FDR方法进行多重比较校正，阈值设为P<0.05；对所有受试者采用多伦多面神经分级法TFGS来评估面神经功能，分析评估面神经麻痹患者异常FC与口部肌肉运动TFGS评分的相关性。
Description
技术领域
本发明涉及医学图像处理的技术领域，尤其涉及一种面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法。
背景技术
特发性周围性面神经麻痹(facial paralysis，FP)是一种由面神经损伤引起的面部肌肉功能障碍性疾病。其临床表现主要集中在面部，可给患者带来较严重的心理影响。构音障碍是FP的常见症状之一，但目前关于其语言改变的神经机制研究还较少。早期识别FP伴构音障碍患者的脑语言网络功能改变，对了解该病的发病机制，提供早期诊断和及时治疗具有重要意义。
语言表达是通过发音器官高度的神经肌肉协调来实现的。发音过程是运动皮层通过皮质脑干束发出脉冲进入脑干核团，然后通过脑神经传递到发音器官，使其运动并发声。此外，发音器官还接受来自小脑和基底神经节的调节冲动，这条通路上的任何异常都会导致语言功能障碍。语言障碍包括失语症和构音障碍。脑血管疾病和脑肿瘤等脑组织损伤可导致失语症，而构音障碍则与发音器官肌肉功能障碍有关。
静息态-功能磁共振成像(fMRI，functional magnetic resonance imaging)作为一种非侵入性的方法，通过识别局部耗氧量和脑血流量的变化来观察神经元的活动。功能连接性(Functional Connectivity，FC)是一种基于功能磁共振成像(fMRI)的分析指标，它表征了脑内固有活动的区域间同步性，已被广泛用于研究临床人群和健康人群脑活动的差异。如果能够将静息态-功能磁共振成像的功能连接性应用到构音障碍与发音器官肌肉功能障碍相关性的研究方面，则能够做到对人体无创伤的同时获得高空间分辨率的图像数据。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法，其能够做到对人体无创伤的同时获得高空间分辨率的图像数据，从而准确定位面神经麻痹伴构音障碍对应的语言功能区域。
本发明的技术方案是：这种面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法，其包括以下步骤：
(1)用磁共振成像仪和标准头部正交线圈采集若干例成人周围性面神经麻痹患者和多例健康对照者的fMRI数据；
(2)采用静息态脑功能数据辅助处理DPARSF软件对步骤(1)的fMRI数据进行预处理，去除超常数据和噪声；
(3)选取基底节区和语言功能区共16个感兴趣区ROI进行功能性连接FC分析；
(4)采用双样本t检验比较患者组与对照者组之间FC的差异，用错误发现率FDR方法进行多重比较校正，阈值设为P<0.05；
(5)对所有受试者采用多伦多面神经分级法TFGS来评估面神经功能，分析评估面神经麻痹患者异常FC与口部肌肉运动TFGS评分的相关性。
本发明采集若干例成人周围性面神经麻痹患者和多例健康对照者的fMRI数据，预处理后选取基底节区和语言功能区共16个感兴趣区ROI进行功能性连接FC分析，采用双样本t检验比较患者组与对照者组之间FC的差异，用错误发现率FDR方法进行多重比较校正，对所有受试者采用多伦多面神经分级法TFGS来评估面神经功能，分析评估面神经麻痹患者异常FC与口部肌肉运动TFGS评分的相关性，因此能够做到对人体无创伤的同时获得高空间分辨率的图像数据，从而准确定位构音障碍对应的面神经麻痹区域。
附图说明
图1为斯坦福大学Willard 499fROI脑模板中基底节区和语言功能区的ROI示意图，每个脑模板中的白色团块为ROI，共16个。
图2A、B显示FP组和HC组的FC矩阵，灰度网格表示平均z值。图2C、D显示两组间有显著性差异的脑区和FC，小球代表脑区，线条颜色和粗细代表z绝对值。FC值是基于计算每两个ROI的Pearson相关，并进行Fisher r-to-z变换。
图3A的灰度网格表示每个FC的P值。图3B显示两组间有显著差异的脑区，小球代表脑区，线条颜色和粗细代表t值。采用双样本t检验比较两组间FC的差异，阈值设定为P<0.05，FDR校正。
图4示出了两组比较有显著性差异的脑区FC(FDR校正，P<0.05)。误差条表示平均值的标准误。星号表示统计具有显著差异，*表示P<0.05。**表示P<0.01。图4A中FP组的患侧IFGtriang与多个脑区间的FC降低，且双侧ORBinf间的FC也降低。图4B中FP组丘脑、小脑crus 1区与其他脑区的FC均有不同程度的改变。图4C中FP组Wernicke语言区与对侧脑区之间的FC降低。
图5为Spearman相关分析结果显示，FP组的异常FC值与口部肌肉运动(张口微笑)的TFGS评分呈正相关。横坐标数值表示患侧口部肌肉运动较正常侧运动情况，评分越低，口部麻痹程度越重：1：无运动；2：轻度运动；3：中度运动；4：几乎完全运动。图5A示出了双侧STG之间的FC与张口微笑的TFGS评分呈正相关(r＝0.514，p＝0.000)。图5B示出了患侧STG与对侧ANG的FC与张口微笑的TFGS评分呈正相关(r＝0.468，p＝0.001)。图5C示出了患侧MTG与对侧STG之间的FC与张口微笑的TFGS评分呈正相关(r＝0.302，p＝0.044)。。
图6示出了根据本发明的面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法的流程图。
具体实施方式
如图6所示，这种面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法，其包括以下步骤：
(1)用磁共振成像仪和标准头部正交线圈采集若干例成人周围性面神经麻痹患者和多例健康对照者的fMRI数据；
(2)采用静息态脑功能数据辅助处理DPARSF软件对步骤(1)的fMRI数据进行预处理，去除超常数据和噪声；
(3)选取基底节区和语言功能区共16个感兴趣区ROI进行功能性连接FC分析；
(4)采用双样本t检验比较患者组与对照者组之间FC的差异，用错误发现率FDR方法进行多重比较校正，阈值设为P<0.05(见图3)；
(5)对所有受试者采用多伦多面神经分级法TFGS来评估面神经功能，分析评估面神经麻痹患者异常FC与口部肌肉运动TFGS评分的相关性。
本发明采集若干例成人周围性面神经麻痹患者和多例健康对照者的fMRI数据，预处理后选取基底节区和语言功能区共16个感兴趣区ROI进行功能性连接FC分析，采用双样本t检验比较患者组与对照者组之间FC的差异，用错误发现率FDR方法进行多重比较校正，对所有受试者采用多伦多面神经分级法TFGS来评估面神经功能，分析评估面神经麻痹患者异常FC与口部肌肉运动TFGS评分的相关性，因此能够做到对人体无创伤的同时获得高空间分辨率的图像数据，从而准确定位构音障碍对应的面神经麻痹区域。
优选地，所述步骤(1)中，成人周围性面神经麻痹患者为45例，左侧面神经麻痹患者为22例，右侧面神经麻痹患者为23例，健康对照者为34例；左侧面神经麻痹患者的fMRI数据沿Y轴进行左右翻转后，与右侧面神经麻痹患者的fMRI数据合并为患者组进行统一分析，分析脑区定义为患侧和对侧脑区。具体地，本发明纳入45例FP患者和34例健康对照者。本发明经中日友好医院伦理委员会批准，所有受试者在检查前均知情同意。FP患者来自医院2017～2018年的门诊患者。纳入标准：临床医生诊断的成人单侧特发性周围性FP伴构音障碍患者；发病时间在7天内；无其他颅脑病变和精神疾病；右利手。排除标准为：中枢性FP；有其他口部肌肉疾病的患者，如肌无力、面肌痉挛。病例组左侧FP患者22例，右侧FP患者23例，男17例，女28例，平均年龄43±13岁(22～66岁)。HC组是从社会招募的志愿者，纳入标准是：临床医生评估无语言功能障碍；无神经和精神疾病以及家族史；右利手。对照组34例，男14例，女20例，年龄24～68岁，平均(46±14)岁。临床医生使用TFGS评分评估所有受试者的面部功能见表1。
表1
所述步骤(1)中，使用3.0T MRI扫描仪(GE，Discovery MR750)和标准头部正交线圈采集数据。所有受试者均行T2WI扫描，以排除颅脑器质性病变。在fMRI扫描之前，每个受试者都被告知在检查过程中闭眼，休息，避免思考。静息态fMRI采用GRE-EPI序列：层厚＝3.5mm，层间距＝0.7mm，重复时间(TR)＝2000ms，回波时间(TE)＝30ms，翻转角＝90°，矩阵＝64×64，扫描野(FOV)＝224mm×224mm，激发次数(NEX)＝1，扫描层数34层，240个时相。三维快速扰相梯度翻转恢复序列(3D FSPGR)重建三维T1WI图像：层厚＝1.0mm，TR＝6.7ms，TE＝min full，矩阵＝256×256，FOV＝256mm×256mm，NEX＝1。
优选地，所述步骤(2)中，将磁共振采集得到的原始图像的DICOM格式数据转换为NIFTI格式数据；去除前10个时间点；经过时间层校正和头动校正后，采用能显示脑精细结构的高分辨T1结构像对功能图像进行空间标准化处理；将头动超过2mm或转动超2°的数据去除；采用4mm的高斯平滑核进行空间平滑处理；通过0.0 1～0.0 8Hz带通滤波去除低频漂移和高频噪声。具体地，在任何预处理步骤之前，将左侧FP患者和相匹配的对照组(17例)的数据沿Y轴翻转，以便直接与右侧FP患者进行比较(15，16)。采用静息态fMRI数据处理(DPARSF)软件(17)对静息态fMRI数据进行预处理。预处理步骤如下：将DICOM数据转换为NIFTI格式；去除前10个时间点；经过时间层校正和头动校正后，使用T1图像对功能图像进行空间标准化处理；将头动超过2mm或转动超2°的被试除外；采用4mm的高斯平滑核进行空间平滑；通过带通滤波(0.0 1～0.0 8Hz)去除低频漂移和高频噪声。经过预处理后，数据用于进一步的分析。
优选地，所述步骤(3)中，基于斯坦福大学Willard fROI 499模板，将经典语言中枢、尾状核、小脑、丘脑和桥脑作为ROI，采用斯坦福大学Willard 499fROI脑模板中的基底节组和语言组，这两组脑模板总共包含16个ROI，每个ROI的体素大小是3mm×3mm×3mm，见表2、图1。
表2
优选地，所述步骤(4)之前，将刚体校正得到的6个头部运动参数、脑白质信号和脑脊液信号作为协变量回归掉。
优选地，所述步骤(4)中，采用REST软件计算每个ROI的所有体素BOLD信号的FC；采用Fisher的r-to-z变换以增加数据分布的正态性，每个受试者均获得一个16×16FC矩阵；对于矩阵中的每个z值，在两组之间进行双样本t检验；年龄、性别和教育作为协变量进行回归，采用错误发现率方法进行多重比较校正以控制假阳性。
优选地，所述步骤(5)中，采用Spearman相关分析方法来分析FC改变与患者口部肌肉运动TFGS评分的相关性。
优选地，所述步骤(5)中，面神经麻痹患者与对照者相比双侧语言功能区之间的连接显著减低，与其他脑区功能连接显著减低的脑区为患侧额下回、颞上回、颞中回。
优选地，所述步骤(5)中，在面神经麻痹患者，患侧丘脑与对侧额下回FC增加，对侧小脑crus1区与患侧颞上回、颞中回FC增加。
优选地，所述步骤(5)中，面神经麻痹患者双侧语言功能区之间的FC减低与口部肌肉麻痹程度正相关。
本发明探讨了早期特发性周围性面神经麻痹(FP)伴构音障碍患者的脑语言网络功能改变。发现FP组双侧语言区之间的FC较HC组有显著降低的趋势(P<0.05)。FP患者的患侧额下回(IFG)、颞上回(STG)和颞中回(MTG)与多个脑区间的FC降低。此外，FP患者的丘脑、小脑FC也有明显改变。
研究结果表明，FP组的患侧三角部额下回(IFGtriang)与多个脑区的FC显著降低，双侧眶部额下回(ORBinf)间的FC也显著降低。研究发现左侧IFGtriang和ORBinf在单词提取(19)和书面语言的句法和语义加工(20)中被激活，而右ORBinf在语言表达的调节中起积极作用。可以推测，FP引起的语言表达障碍可能是导致IFGtriang和ORBinf功能活动减低的原因。尽管传统上认为右利手的人的左侧大脑半球为语言优势半球，但当大脑受到多处损伤时，右侧大脑半球为语言恢复提供了更好的基础，这表明双侧大脑半球都参与了语言表达与恢复。此外，失语症可见于左侧脑梗死患者中，支持右利手左侧语言优势理论，但是有研究发现右侧脑梗死也可以导致失语症，这表明双侧大脑半球均参与语言功能。FP患者的IFGtriang和ORBinf的FC变化表明，这两个区域可能均参与了语言表达，并存在双侧语言优势，这与以往的研究一致。
发现FP组的患侧丘脑与对侧IFGtriang之间的FC增加，对侧丘脑与对侧缘上回(SMG)之间的FC降低。丘脑是Broca区和Wernicke区之间的语言处理中心，它的损伤会导致认知和语言的改变。单侧丘脑损伤可出现失语症，表明丘脑在语言生成过程中起着重要作用。结果显示双侧丘脑的FC改变，提示双侧丘脑可能均参与语言加工过程。FP患者的患侧IFGtriang的功能活动降低可能导致对侧IFGtriang的代偿性活动增加，从而导致对侧IFGtriang与同侧丘脑之间FC的增加。对侧丘脑与对侧SMG之间的FC降低可能是FP相关的构音障碍引起的语言活动减少所致。
此外，还发现FP组患侧STG与对侧STG、SMG、角回(ANG)间的FC显著减低，患侧MTG与对侧STG、ANG间的FC显著减低，对侧小脑crus 1区与患侧STG、MTG间的FC显著增高。STG、MTG、SMG和ANG都属于Wernicke语言区(30)。研究发现左侧SMG和STG参与语音加工，左侧STG和ANG后部参与语义加工，左侧MTG中部和STG前部参与句子加工。结果表明Wernicke区和对侧脑区之间的FC减少，这与之前提示双侧大脑半球都均参与语言生成和理解的研究是一致的。构音障碍患者语言表达功能障碍可能导致这些脑区功能活动降低，从而导致FC降低。研究发现小脑也参与语言功能，小脑梗死及小脑损伤可导致构音障碍。FP组的STG、MTG功能活动降低，小脑可能作为代偿其功能活动增加。
在本发明中，还研究了FP患者大脑语言网络改变与口部肌肉麻痹程度的相关性。结果表明，Wernicke语言区FC(STG、MTG、ANG)的降低与口部肌肉麻痹程度相关，提示面神经麻痹所致构音障碍可能反馈抑制脑语言网络的神经活动。这些改变的早期识别将为患者的语言康复训练提供证据。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)用磁共振成像仪和标准头部正交线圈采集若干例成人周围性面神经麻痹患者和多例健康对照者的fMRI数据；
(2)采用静息态脑功能数据辅助处理DPARSF软件对步骤(1)的fMRI数据进行预处理，去除超常数据和噪声；
(3)选取基底节区和语言功能区共16个感兴趣区ROI进行功能连接FC分析；
(4)采用双样本t检验比较患者组与对照者组之间FC的差异，用错误发现率FDR方法进行多重比较校正，阈值设为P<0.05；
(5)对所有受试者采用多伦多面神经分级法TFGS来评估面神经功能，分析评估面神经麻痹患者异常FC与口部肌肉运动TFGS评分的相关性。
2.根据权利要求1所述的面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法，其特征在于：所述步骤(1)中，成人周围性面神经麻痹患者为45例，左侧面神经麻痹患者为22例，右侧面神经麻痹患者为23例，健康对照者为34例；左侧面神经麻痹患者的fMRI数据沿Y轴进行左右翻转后，与右侧面神经麻痹患者的fMRI数据合并为患者组进行统一分析，分析脑区定义为患侧和对侧脑区。
3.根据权利要求2所述的面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法，其特征在于：所述步骤(2)中，将磁共振采集得到的原始图像的DICOM格式数据转换为NIFTI格式数据；去除前10个时间点；经过时间层校正和头动校正后，使用T1图像对功能图像进行空间标准化处理；将头动超过2mm或转动超2°的数据去除；采用4mm的高斯平滑核进行空间平滑处理；通过0.0 1～0.0 8Hz带通滤波去除低频漂移和高频噪声。
4.根据权利要求3所述的面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法，其特征在于：所述步骤(3)中，基于斯坦福大学Willard fROI 499模板，将经典语言中枢、尾状核、小脑、丘脑和桥脑作为ROI，采用斯坦福大学Willard 499fROI脑模板中的基底节组和语言组，这两组脑模板总共包含16个ROI，每个ROI的体素大小是3mm×3mm×3mm。
5.根据权利要求4所述的面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法，其特征在于：所述步骤(4)之前，将刚体校正得到的6个头部运动参数、脑白质信号和脑脊液信号作为协变量回归掉。
6.根据权利要求5所述的面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法，其特征在于：所述步骤(4)中，采用REST软件计算每个ROI的所有体素BOLD信号的FC；采用Fisher的r-to-z变换以增加数据分布的正态性，每个受试者均获得一个16×16FC矩阵；对于矩阵中的每个z值，在两组之间进行双样本t检验；年龄、性别和教育作为协变量进行回归，采用错误发现率方法进行多重比较校正以控制假阳性。
7.根据权利要求6所述的面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法，其特征在于：所述步骤(5)中，采用Spearman相关分析方法来分析FC改变与患者口部肌肉运动TFGS评分的相关性。
8.根据权利要求7所述的面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法，其特征在于：所述步骤(5)中，面神经麻痹患者与对照者相比双侧语言功能区之间的连接显著减低，与其他脑区功能连接显著减低的脑区为患侧额下回、颞上回、颞中回。
9.根据权利要求7所述的面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法，其特征在于：所述步骤(5)中，在面神经麻痹患者，患侧丘脑与对侧额下回FC增加，对侧小脑crus1区与患侧颞上回、颞中回FC增加。
10.根据权利要求7所述的面神经麻痹的语言功能区功能连接的fMRI数据处理方法，其特征在于：所述步骤(5)中，面神经麻痹患者双侧语言功能区之间的FC减低与口部肌肉麻痹程度正相关。
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