海马体及测量.docx

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海马体及测量

健康成人应用基于体素形态测量（VBM）及手工勾勒法（ROI）进行海马体积测量及对比分析

摘要

目的

使用基于体素形态测量法（VBM）、手工勾勒法（ROI）对健康成人的海马体积进行测量获得的结果使用两组高分辨性的MRI对脑结构图像进行对比。

将ROI作为标准，看VBM用于健康成人检测其海马体积的敏感性。

方法

在知情同意前提下，参考陈楠、李坤成等关于健康中国汉族成年志愿者纳入标准，确定研究对象辽宁汉族成人120人，男60人、女60人，使用购自德国Siemens公司的Avantol.5T的核磁共振系统使用3D模式对全脑进行高分辨性的T1结构图像数据的收集。

对获得的数据使用ROI的方法和VBM的方法针对海马的体积进行测量。

结果

通过辽宁汉族成人利用头MRI进行VBM法测量海马体积与手工勾绘海马体积有良好的一致性。

通过测量、对比，提出VBM技术在海马体积测量的可行性及对ROI测量法的可替代性，为临床Ad患者诊治提供有效的影像学依据。

结论

使用头MRI进行VBM法测量海马体积与手工勾绘海马体积有良好的一致性。

Abstract

Purpose

Themeasurementandcomparisonofhippocampalvolumeinhealthyadultsarebasedonthevolumemeasurement（VBM）andmanual（ROI）.

Objective

Usingvoxelbasedmorphometric（VBM）andmanual（ROI）measurementsofhippocampalvolumeinhealthyadults,theresultsobtainedfromthetwogroupswerecomparedwiththehighresolutionMRI.ROIasagoldstandard,thesensitivityofVBMforhealthyadultstodetectthevolumeofthehippocampuswasdetected.

Method

Underthepremiseofinformedconsent,referenceChenNan,LiKunchengandotheronhealthyChineseadultvolunteersincludedinthestandard,determinethestudyobjectLiaoningHanadult120people,male60,female60,usingSiemens'sAvantol.5Tnuclearmagneticresonanceimagingsystemusing3DmagneticresonanceimagingsystemusingT1.ThedatawereobtainedusingtheROImethodandtheVBMmethodwasusedtomeasurethevolumeofthehippocampus.

Result

VBMmethodwasusedtomeasurethehippocampalvolumeandthevolumeofthehippocampuswasconsistentwiththemanualhookintheHannationalityofLiaoning.Bymeasuringandcomparing,thefeasibilityofVBMtechniqueinhippocampalvolumemeasurementandthealternativeofROImeasurementmethodisproposed.

Conclusion

MRImethodwasusedtomeasurethehippocampalvolumeandthevolumeofthehippocampuswasconsistentwiththemanualhookintheVBMmethod.

1.前言

1.1研究背景

随着当今社会的高速发展，人均寿命的延长，人口老龄化问题日益严重，社会发展还导致人类生活压力也随之增加，心理、社会等综合因素导致的精神障碍疾病日益剧增。

最初只引起认知和记忆能力的下降、行为及情感的定向能力与执行功能的障碍。

经研究表明，人类的学习、认知、记忆与情感等方面与边缘系统有很大的关系，而海马则是此系统中最重要的组成部分之一。

海马与精神、神经疾病中的精神分裂症、抑郁症、阿尔茨海默病、颖叶癫痈等疾病密切相关，在患者未出现任何临床症状之前，海马体积就已经有小同程度的减少，随着病情的好转，海马体积也随之增加，学习与认知功能逐渐恢复。

目前学者公认磁共振成像（MagneticResonanceImaging,MRI）是测量观察海马形态的最佳影像学方法之一。

通过影像技术能较准确地提供海马结构与功能信息，这不仅能为疾病的筛查与诊断提供简便、快捷、客观的科学依据，也能为患者病情预后提供基础资料。

1.2研究目的与意义

目前观察海马形态最常用的MRT法，但海马扫描的基线国内外尚未统一，小能客观真实地反映海马形态的变化。

人体海马小但体积微小并且结构极为复杂，厚层扫描难以发现内部超微结构病变，小能满足形态学研究，对其图像进行数字化分析报道较少。

测量时也因样本数量较小、民族的差异及扫描方式与计算工具、标准化方法各异，最后所得的结果相差较大，在我国临床上的应用受到一定局限。

所以目前急需一种精确、简单、可行的测量方法，来确定国人海马的体积变化，为疾病的筛查与诊断以及预后提供数据资料。

1.2.1研究目的

本文主要采用体素形态测量（VBM）及手工勾勒法（ROI）对海马体积进行测量，并对比体素形态测量（VBM）与手工勾勒法（ROI）对海马体积测量的结果，以此来研究两者方法的异同。

1.2.2研究意义

许多神经与精神系统疾病与海马结构的改变有密切的关系其中癫痫疾病最受关注。

目前国内外专家学者利用MRI评估海马体积，通过观察海马体积测量结果对癫痫治疗以及预后有着要的意义。

海马硬化最突出的表现为海马体积的萎缩，同时海马组的神经胶质细胞增生、水肿导致在

上信号增高，所以海马积萎缩和

上信号弥漫性增高是海马硬化的直接征象。

MRI对颞叶海马硬化诊断中起着极其重要的作用，据统计敏感性在75%-86%之问，特异性在64%-100%之间，但有的学者认为用MRI很难为海马硬化作出早期诊断，因为只有当海马神经元少萎缩50%以上，此时MRI才能发现海马异常。

除此之外，阿尔茨海默病也是老年人常见的神经系统变性疾病，也是痴呆最常见的病因。

AD的发生与发展与海马关系密切，Schliebs等证明海马结构参与AD早期发病过程，海马的损伤和萎缩在AD的早期即已出现，AD的早期组织病变仅局限于海马，所以海马体积萎缩被公认为AD最有诊断价值之一。

精神障碍导致海马神经元细胞死亡机制是一个复杂的过程，主要机制是抑制了海马神经元再生，最后导致海马等边缘系统的细胞丢失和体积减小。

在精神障碍疾病的范畴中，研究较多的疾病有精神分裂症与抑郁症。

经过观察与测量海马的形态结构的变化，小但可以反映疾病的状态，而且为上述疾病的诊断以及评价预后提供重要依据。

1.3研究思路

1.4文章安排

本文的结构主要是按照如下：

第一章主要介绍相关的研究背景及研究意义与目，紧接着对文章的结构和总体板块进行简要说明；

第二章主要介绍本文研究所涉及到的相关概念/国内外相关的研究进展情况等；

第三章主要研究介绍研究对象和研究方法；

第四章主要介绍测量的结果及数据的分析

第五章对研究的结果进行总结，并展望未来。

2.文献综述

2.1相关概念介绍

2.1.1海马

海马（HC）主要指的是海马本部（Ammon氏角），由海马与齿状回（DG）组合为

海马结构。

本文的海马是指Ammon氏角、齿状回、海马伞（FI）和下托（（SU）等部分。

海马表面有一层室管膜，其内的白质部分为海马槽，海马槽的纤维向后内方聚集，形成海马伞。

齿状回为一狭长的皮质带，大部被海马本部包围，在冠状位海马酷似C字形，与齿状回一起形成类“S”形。

下托是指海马本部与海马旁回（PG）之间的过渡区域。

海马的细胞结构分为分子层、锥体细胞层和多形细胞层，海马本部分为CA1,CA2,CA3等亚区，主要由锥体神经元构成，齿状回则主要由颗粒神经元构成。

海马外形似尾状核，全长约40-45mm，左右各一，围绕中脑，突入侧脑室下角。

由前向后将海马分为头、体、尾三部，分别占海马全长的35%，45%和20%。

2.1.2体素形态测量（VBM）

VBM是一种显示脑形态学改变的新方法，可以发现常规影像检查无法显示的灰、白质密度的异常，为研究许多可能导致脑形态学改变的疾病提供了新的工具。

VBM的出现不仅印证了许多以往临床观察和病理学研究提出的观点，同时还提出了一些新问题，有待进一步深入研究。

随着VBM技术的日臻完善和广泛应用，将加深对脑部形态学改变的认识，对探讨多种神经病变的病生理机制将起到非常重要的作用。

2.1.3手工勾勒法（ROI）

手工测量海马体积首先要依靠人工方法对海马结构进行追踪和分界，即由具有丰富解剖知识和经验的神经解剖学专家、神经科医生或经过专门训练的操作者，在MR图像工作站上用鼠标直接勾画出海马结构的边界。

人工分割海马结构往往在垂直于海马长轴的倾斜冠状位图像上逐层勾画海马结构的边界，同时利用三维体积分析软件在矢状面、水平面上分辨海马结构与周围解剖结构间的关系，提高分割的准确性，在此过程中操作者的经验和知识起着非常重要的作用。

手工测量海马体积则主要是在上述基础上使用二维测量方法，即单层面积与层厚相乘得出单层体积，逐层体积相加得出单侧海马的总体积。

公式表达为:

V=（S1+S2+......Sn）*（层厚+层间矩）

V代表单侧海马绝对体积:

S代表各层所测得的海马的面积。

一般海马结构的人工勾画和测量在MRI工作站选配的软件或专业软件上进行，不仅可在冠状面、矢状面、水平面三个层面上同时显示图像，而且可以自动得到所勾画出的海马感兴趣区（region-ofinterest,ROI）的面积。

由于以往统计学分析表明，海马体积与颅腔体积呈直线相关的关系，所以通常测得的原始海马体积还需进行标准化校正，以去除个体颅腔体积对海马体积的影响。

具体校正方法有相除法、协方差法以及其Cendes法等。

由于长期以来人工分割海马结构的精度在众多方法中是最高的，因此人工测量海马体积被普遍认为是金标准，也将其作为评价其它分割方法优良与否的参考。

但是，手工划界和描画、测量是一个非常耗时费力的工作，而且非常依赖于评估者本人的经验及解剖学知识，不同研究之间的一致性和可重复性往往不佳。

对于大型研究或多中心研究而言，有限的时间、经费以及人力资源也使得手工描绘测量海马体积难以完成。

近年来随着计算神经科学的发展，研究者们不断开发新的软件包，以达到机器自动分割并测量海马体积的目的。

而自动测量的方法不仅很高的重复性和评定者间一致性，而且效率显著更高，在海马体积的测量方面具有很大的发展潜力。

2.2相关特性介绍

2.2.1人体海马具有的解剖学方面特点

人体的海马存在于大脑颞叶的内侧面，是由JulliusCaesarAranzius进行的命名，海马是由海马本部安蒙氏角、吃齿状回以及下托还有围绕胼胝体存在的残体构成，经研究表明残留现已十分不明显。

海马的全长大约在40毫米，左右脑半球各存在一个，它们环绕中脑，向侧脑室突入至颞角。

安蒙氏角存在于侧脑室的下角的底端，从冠状面的角度来看呈现类似C字的形态，在其表明有室管膜进行覆盖，在其内层就是称之为海马槽的白质，其纤维向后侧内部方向聚集以此成为和穹窿脚进行连接的海马伞。

海马组成部分的齿状回为皮质，呈现狭长带状，除了内侧面以为其他部分为安蒙氏角进行包围。

在其内侧的游离面有着很多类似于齿状排列的横沟结构，从冠状切面上看和安蒙氏角呈现双C形环抱的形状。

在安蒙氏角和齿状回间存在有裂沟称之为海马裂，内部口呈张开状态，外面一般呈闭合状态。

在安蒙氏角和海马旁回皮质之间存在有过渡性的区域称为下托，可由其细胞的结构划分为前下托、本部和下托尖以及旁下托，其中旁下托再经过逐步的移行到达海马旁回的内嗅区域内。

根据大致解剖学可将海马按照其长轴划分成头部、体部和尾部，分别占有长度为35%、45%、20%，然后这三者之间并没有存在显著的分界。

海马的头部呈现弯曲的形态，在其前部存在海马趾成隆凸状。

海马头部其内缘部分为钩回，在前上方处为侧脑室下角处的钩隐窝以及杏仁核。

海马体包括安蒙氏角的灰质部，在上面和侧面都由海马槽进行覆盖，在内侧为环池部分，在外侧为侧脑室三角结构，在上界和环池以及侧脑室三角临近。

在海马的尾部内侧处由海马伞进行相应覆盖，海马伞向内上方弯曲并渐渐构成一个穹窿。

海马的尾部内侧为环池还有大脑横裂的外侧部，其外侧界为侧脑室三角。

2.2.2海马的皮层细胞结构特性

安蒙氏角以及齿状回都是由灰质作为主要成分构成的，皮层结构最为显著性的特点就是神经元呈现有规律性的排列。

而安蒙氏角中的主神经元为椎体神经元，齿状回中的主神经元为颗粒神经元。

另外非主神经元的分类则有很多。

安蒙氏角可以分成分子层、锥体细胞层以及多形层，按照其细胞具有的形态以及皮质区发育的差别还有纤维排列上的不同之处可以再划分成CA1、CA2、CA3以及CA4四个区域。

其结构中的齿状回也能够划分成三个层面：

分子层、颗粒细胞层以及多形层。

2.2.3人体海马纤维间的联系和功能

人体的海马存在纤维间的联系十分复杂，其传入性纤维中由内嗅区进行投射的数量最多，分布在安蒙氏角以及齿状回整个带长作为海马的主要信息源头。

海马传出的纤维可以由椎体细胞发出的轴突构成，经过穹窿从海马发出，有一部分在乳头体处停止，剩余的在扣带回、丘脑前核等处停止。

可通过这些和很多皮质区以及皮质下的中枢存在关联。

因海马和大脑的皮质以及皮质下的中枢存在广泛性的关联，使得其在人体记忆形成、应激以及调节情绪等方面都发挥十分重要的作用。

人类的海马能够直接参与到空间、情景以及语言记忆的形成过程中去。

2.2.4核磁共振影像下的海马特点

由上世纪八十年代提出的磁共振成像进行医学影像学检查的方法，可以利用存在于人体组织里的质子在磁场里受射频脉冲刺激产生核磁共振的情况，生产出信号经由计算机进行处理，重新建立起人体某个层面上的图像。

使用MRI进行检查具备的优势：

（1）它有很好的针对软组织的分辨能力，相对具有高分辨率，可以很清楚地对人体的肌肉、肌腱、脂肪等结构进行分辨，在人体头部的成像里也能够十分准确地区分出大脑的灰质以及白质。

（2）它具有多个方位任意进行切层的功能，能够清楚地显示出病灶所处的具体位置、范围以及和周边的临近组织器官存在的关系，能够做到对病灶进行精确的定位。

（3）其具有无创性，和X线及放射性核素检查进行比较对于人体没有辐射上的损伤，因此针对活体进行检查可以具有很好的优势性。

在应用磁共振图像检查海马结构发现其具有特殊性：

主要属于灰质组成成分，具备的体积较小，形态呈现不规则状，对称性地在双侧颞叶内侧部进行分布，从前往后可以划分成为头、体、尾三个部分，被其周边存在的脑白质、皮质以及脑室进行包绕。

海马头大致表现为横向的走行，灰质区在人体冠状平面上表现为逐渐上行状态，移行成为海马体。

海马头的内侧上边部位大致形成显著突起，于冠状面上最容易对其进行辨认。

它的内侧和海马旁回以及杏仁核进行延续，前面上界处有侧脑室下角的钩隐窝以及覆盖在海马头部的脑室室面海马槽共同作为区别杏仁核和海马头部的准确性解剖学标志。

海马头的下界为下托的下缘，有白质结构和其紧紧相邻，然而下托的表面覆盖存在有很厚的髓神经纤维层，将其称为表浅髓板，从MRI上看呈现白质信号，所以和其周边组织信号存在十分显著灰白质上的对比，可以根据据此种对比把下托和海马旁回区进行区分。

海马头其外侧界为侧脑室，在核磁得到的T1WI图像上表现成为明显的低信号区域，所以将海马头部的外侧和侧脑室进行对比十分清楚容易辨认。

海马头部在转向内侧后会形成海马钩后段，其内界经由海马的下界向上方进行延伸。

人体海马头部的灰质区在形成的冠状面表现为逐步的上移，逐步移行成为海马体。

海马体则表现为圆形或卵圆形状态，沿着矢状位方向进行走形，对其定界相对而言比较容易一些。

其深面形成侧脑室颖角底的一部分，突入侧脑室颞角，表面覆以海马槽。

内侧界与环池相邻，外侧界与侧脑室三角相邻，上界为脉络膜裂，内缘游离，与环池及侧脑室三角都相邻。

在MRI影像上，显示呈灰质信号的海马体及覆盖于其表面的白质一海马槽、海马伞及周围低信号的脑脊液不难区分。

海马体的下内侧界，也就是海马与海马旁回的分割较难，因为两者皆为灰质信号，而下托与海马旁回相交的最内侧角可以作为分界的参考。

另可沿自海马体的最下部向内侧画一条45°的直线直至环池，来进行下托和内嗅区的人工分界。

某些个体的下托和内喚区之间还会出现一线白质，也可借此分界。

海马体继续上行移行为海马尾，至此海马变得小而扁，海马裂浅而平直，外上界为穹窿脚，内上界为胼胝压部，下界为扣带回峡部及海马旁回。

穹隆全貌显示的层面可作为海马尾的第一个层面，而其最后一个层面则为其卵圆形灰质区即将消失的层面。

海马尾上界与穹隆（与侧脑室三角区相邻）也均表现为灰质，两者无明显分界，但可沿四叠体池上界向外侧画一水平线至侧脑室三角区来将其分开。

此外，海马尾的内、外、下侧界与邻近白质信号差别均较大，较易分割。

由于海马结构是以灰质为主的结构，在T1加权像上与周围组织分界清晰，而目前MRI仪器的场强通常为L5T或更高,头部线圈有很高的信噪比和分辨率，加上3DMPRAGE序列、3DFLASH序列等特殊的图像采集序列，薄层连续扫描和三维重建技术的应用，都使海马的解剖结构具有良好的信噪比和合适的对比度，能比较准确地划分海马的边界以及反映海马的体积变化。

目前也己有大量文献表明，尽管磁共振不能很好地显示海马的分子解剖学方面的细节与特征，但对于分辨整个海马的形态学分界还是可以完成得很好。

2.3国内外研究现状

对海马的解剖学研究大多集中在95年以前，通过对不同层面的大脑切片，进行对比参照，探讨海马的邻近基础结构以及与MRI影像学的差异。

如姚家庆等[7]人对九十例成年人脑进行横、矢、冠三个平面的切片，通过精确测量，对包括海马在内的周围结构进行三维立体定位。

陈玉敏等人对47例大脑标本进行了局部的解剖学研究，测量除了海马的长宽等国人海马数据范围。

杨慧等人利用6个经过固定的大脑标本进行了薄层切片，细致观察了HF的头体尾三部分的形态结构及毗邻关系，并指出海马指的可能出现数目及形态走向特点。

目前研究海马的功能主要是用功能性磁共振进行在体研究，具体方法是用图片、文字或故事给受试者辨认（编码），即时或几小时或几天后让受试者辨认曾经见过的图片或文字或故事（提取），测试他们的正确率。

在编码和提取时分别进行磁共振扫描，观察脑的功能激活区。

通过功能激活区的观察，推断出脑结构的功能，提示海马是学习和记忆的主要场所，其海马主要与陈述性记忆相关，当然还有许多其它结构参与。

由于用功能性磁共振研究脑的记忆功能还处于起步阶段，结果相差较大。

一般认为海马前部以及杏仁体（AG）与情绪产生的过程和情绪的记忆相关;海马后部与空间记忆的贮存相关。

根据记忆的阶段，海马前部与记忆的编码相关，海马后部与记忆的成功提取相关。

一些出租车驾驶员因要贮存大量的路面信息，随着驾龄的增长，海马后部的体积明显增大其进一步证实了海马后部与空间记忆相关。

海马是边缘系统及内侧颞叶中的一个重要结构，很多的疾病可影响到海马的体积。

通过海马体积的变化来判断疾病是否存在或评价疾病的发病程度或它的恢复及预后情况，因此了解海马的体积与疾病的关系是很重要的。

癫痫、老年痴呆、精神分裂症、重度抑郁症等多种疾病可使海马体积缩小。

颞叶癫痫，包括继发性和原发性颖叶癫痈患者，其最常见的病理变化为海马和内侧颞叶结构的硬化而致海马体积显著减小，主要为海马头部（HH）的减小，海马尾部（HT）减小程度不大。

也有报导颖叶癫痈是以患侧海马体积缩小显著，健侧海马的体积稍有缩小。

阿尔茨海默病，己经公认阿尔茨海默疾病导致海马体积缩小，而且随着年龄的增长，病者的海马体积呈逐年减小的趋势，海马体积缩小不仅是诊断阿尔茨海默病的标准之一，而且也被看作为阿尔茨海默病的发病前重要的危险因素。

MR作为确定海马是否萎缩的唯一手段，其在临床前阶段预测大约有80%的准确性。

重度抑郁症是一种情感性精神障碍疾病，大多数研究表明抑郁症患者的双侧海马体积缩小，也有海马头部缩小或海马尾部缩小。

MacQueen等人认为多次的抑郁症发作后，患者的海马体积明显减小，并且是双侧海马减小。

也有研究表明老年抑郁患者的海马是右侧更小。

精神分裂症，许多研究都已证实精神分裂患者的海马体积要比正常人变小而双侧海马体积较小的人更容易患精神分裂症。

Nugent等人通过对926岁的精神分裂症病人海马三维的重建，发现除了海马体积缩小外，不同年龄人海马的不同部位发生形态学的变化，结果提示各年龄所影响的海马亚单位不同。

Goldman等人发现精神分裂症病人海马体积缩小主要发生在前部，他认为前部海马的病理改变影响了海马与其它边缘结构的联系，造成了疾病的发生。

创伤后应激障碍（PTSD）是受到创伤后造成的一种心理精神障碍疾病。

Karl等人调查了有或没有外伤史的PTSD、有创伤史但没有PTSD以及对照三个组，研究发现，与对照组相比前二者海马体积明显缩小，但与PTSD的严重程度、年龄、性别没有明显的相关。

他认为由于海马的其中一个重要的功能是调节应力，人体可通过长期承受慢性压力而释放糖皮质激素等改变S-HT受体功能而使海马缩小，因海马在学习、记忆和压力的调节中起着重要作用，海马的形态、功能改变可能是PTSD的发病原因。

海马体积的改变也可作为疾病经治疗后效果的判断。

如对颞叶癫痫患者及时有效的治疗能够阻止海马体积的缩小fuel。

抑郁症患者海马体积缩小，经抗抑郁药物治疗后体积能得以恢复。

PTSD、精神分裂症等通过治疗后，海马体积都可得到不同程度的恢复。

上述可见，海马体积的变化可反映多种疾病的状态，MRI测量是上述疾病诊断、评价或评价恢复后的主要依据，此外，各种疾病所影响海马的部位不同，因此对海马体积、形态和各个分部体积、形态研究是非常必要的。

由于许多疾病都与海马的体积和形态相关，已有很多学者进行了这方面的研究，也有作者对海马各个分部进行了测量，还有部分学者对海马进行了三维重建研究，有些疾病的类型单通过体积测量很难作出区别，但是通过三维重建和形态的比较，可以发现某种类型的疾病导致海马某个亚区的改变。

这方面研究刚刚起步，仅处于推测阶段，迄今还未有具体指标评价疾病。

2.4总结

综上所述，海马结构测量对于疾病的诊断、预后、治疗效果的评价是非常重要的。

过去常用低场强磁共振对海马进行测量，分辨率不高，使用分界的标志点不一致，很少能将海马头与杏仁体相区分，以及对海马尾的测量不完全等原因导致整个测量结果欠精确，结果相差较大，至今还没有公认的正常数据库及海马分部的解剖学标志。

3.研究对象和方法

3.1研究对象

本研究首先对辽宁地区的1000人做调查问卷，通过笔试和问答两种方式最终确定322人愿意参加本次研究，通过考核和健康指标等筛选最终确定120人为研究对象，健康指标筛选如表1所示。

表1健康指标调查表

18～28

28～38

38～48

48～58

58～68