2型糖尿病患者静息态脑功能磁共振及神经认知功能研究

摘要

目的： 1.利用静息态功能磁共振探讨2型糖尿病患者的静息态脑功能改变及其与患者的认知功能之间的相关性，从而评价静息态脑功能磁共振在糖尿病患者脑功能改变中的应用价值，为糖尿病患者脑功能改变的临床诊断与预后评估提供客观的影像学依据。 2.对临床各因素与静息态功能连接进行相关性分析，阐述临床各指标对2型糖尿病患者静息态功能连接的影响，并进一步评估临床各指标对于2型糖尿病患者脑结构、认知功能的影响，探讨认知功能改变的可能机制。 材料与方法： 1.研究对象 研究对象包括80人，全部来自南方医院门诊、体检及住院病人，其中2型糖尿病(type2 diabetes mellitus，T2DM)组48人，健康对照组32人，10例被试者从本研究中排除，包括6例T2DM患者（1例MR平扫发现颅内海绵状血管瘤，4例脑白质ARWMC评分大于1分，1例头动伪影较重），4例对照组被试者（3例脑白质ARWMC评分大于1分，1例头动伪影较重），剩余70例纳入本研究:T2DM患者组42例（男女比例为1∶1，年龄:60.63±8.95岁），正常对照组28例（男女比例为1∶1，年龄:58.14±10.02岁）。所有被试者均为右利手。在接受MR扫描之前，所有被试者均进行了体格、血液生化检查及神经心理学测试，并采集病史，包括行临床神经精神系统检查、胸片、心电图、血压及血液生化学检查，并采集身高、体重、糖尿病持续时间等信息，其中血液生化学检查包含空腹血糖、糖化血红蛋白(hemoglobin A1c，HbA1c)、总胆固醇、甘油三酯、高密度脂蛋白(high density lipoprotein，HDL)及低密度脂蛋白(low densitylipoprotein，LDL)。所有被试者参加本研究前均被告知本研究的相关内容，并签署知情同意书。T2DM患者纳入标准:30～70岁的2型糖尿病患者，2型糖尿病诊断符合2010年美国糖尿病协会(American Diabetes Association，ADA)诊断标准:1.HbA1c≥6.5％;2.空腹血糖(FDG)≥7.0mmol/L(126mg/dL)（空腹的定义为至少8h无热量摄入）;3.口服葡萄糖耐量试验（OGTT试验）2h餐后血糖≥11.1mmol/L(200mg/dL);4.有高血糖的症状或者高血糖危象，且随机血糖≥11.1 mmol/L(200mg/dL)。如无高血糖症状，标准中的1～3项应复查;其中，高血糖症状包括典型的“三多一少”（多饮、多食、多尿及体重减轻等）。糖尿病患者无低血糖发作史，进行胰岛素治疗的患者被要求扫描当天避免胰岛素治疗。T2DM患者排除标准:1.影响神经心理学测试的视力、听力、语言交流障碍及肢体活动困难者;2.临床期认知功能减退者;3.甲状腺功能紊乱、服用对神经及精神有影响的药物及精神、神经病史等;4.贫血、严重的肝、肾疾病、冠心病、脑出血、脑梗塞、脑肿瘤、感染、外伤及手术史，近2年内有短暂性脑缺血发作史;5.烟瘾、酗酒以及精神药物依赖者;6.糖耐量减低(impaired glucose tolerance，IGT)或空腹血糖受损（impaired fasting glucose，IGT）、酮症酸中毒病史者;7.合并高血压;8.常规MR扫描异常（肿瘤、梗塞、明显的变异如大枕大池、透明隔囊肿等，若在T2WI或Flair上发现白质信号异常，则采用ARWMC Wahlund[1]评分规则，即白质信号改变定义为在T2WI及PD/Flair图像上大于5mm、边界不清的高信号，腔梗为大于2mm的脑脊液样信号，小于2mm病灶则认为是扩大的血管周间隙，主要分为额叶、颞叶、顶枕叶、基底节区、幕下小脑及脑干共五区进行评分，被试ARWMC得分＞1分者予以排除）。 正常对照组纳入标准:年龄、性别、受教育程度、利手与糖尿病患者组相匹配的健康人，无糖尿病及高血压病史，血脂正常，无肝、肾功能异常、冠心病，无烟草、酒精及精神药物滥用史，无明确的神经、精神病史，既往无脑外伤、手术史，常规颅脑MR扫描无明显异常、体格检查无明确阳性体征、无潜在影响神经、精神的全身系统性疾病者。 2.神经心理学测试:采用简易精神状态检查(mini-mental state examination，MMSE)量表、蒙特利尔认知评估(montreal cognitive assessment，MoCA)量表分别对所有70例被试者的整体认知功能进行评价。MMSE量表可简易评估被试的认知功能，主要包括定向力、记忆力、注意力和计算力、回忆能力及语言能力等方面，用于排除中、重度认知功能损害患者。MoCA量表则是一种对轻度认知功能损害（mild cognitive impairment，MCI）进行快速筛查的评定工具，主要评定8个不同的认知领域，包括:注意与集中、执行功能、记忆、语言、视结构技能、抽象思维、计算和定向力，其用于筛查MCI的灵敏度高于MMSE量表。 3.磁共振数据采集 本研究被试者均采用GE SIGNA EXCITE3.0T磁共振扫描仪进行静息态下扫描，使用标准八通道头颅线圈接收核磁共振信号。首先进行常规MRI检查包括斜轴位T1WI、T2WI、T2FLAIR及矢状位T1WI以排除脑内器质性疾病（如肿瘤、脑梗塞、出血、软化灶等），扫描参数如下:斜轴位T1WI（TR/TE=2500/24ms）、T2WI(TR/TE=5100/130ms)、T2FLAIR(TR/TE/IR=9000/120/2100ms)，层厚5mm，层间隔1.5mm，NEX=2，矩阵=512×288;矢状位T1WI(TR/TE=2500/24ms)，层厚5mm，层间隔1.2mm;扫描视野为230×230mm。 BOLD-fMRI扫描参数采用梯度回波平面成像序列采集，TR=2000ms，TE=20ms;层厚4.0mm，层间隔0.5mm，矩阵64×64; FOV=24×24cm，采集时间点为205。高分辨率T1WI矢状位全脑结构像采用3D FSPGR序列采集，TR=6.2 ms，TE=1.4ms，Prep Time=450ms，翻转角20°，层厚1mm，层间隔0mm，矩阵=256×256，FOV=24×24cm，共152-156层，NEX=1。被试者在MR扫描前均嘱其闭眼、安静、尽量放松、不要有特异、强烈的思想活动并保持清醒。嘱被试者头部保持不动，并在线圈内部两侧放置软垫，以尽量减少头部运动伪影的产生。完成扫描后向被试者核实其配合情况，对配合不佳者的图像予以排除。 4.静息态BOLD-fMRI数据处理:采用REST软件包及SPM8(statisticalparametric mapping)在Matlab7.0平台对数据进行处理分析。 4.1数据预处理 (1)数据转换:将DICOM格式的原始图像转换为NIFTI格式;(2)因初始扫描时磁场的均匀性及被试需要适应过程，前面的数据不太稳定，需手动去除前10个时间点的fMRI图像;(3)头动校正（realignment），以平动2mm以内和（或）在x、y、z轴方向上旋转1.5°以内为标准，排除超过以上范围的被试者数据;(4)时间序列校正(slice timing):一般以扫描的中心层为参考层，将被试者图像的时间差异进行校正;(5)空间标准化(normalization)处理:将fMRI图像标准化到加拿大蒙特利尔神经病学研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)标准头部解剖模板，排除被试者之间存在的脑结构差异对结果的影响;(6)去线性飘移（linear detrends）、低频滤过(temporally filterd)处理:采用0.01～0.08Hz频率带宽，减少低频漂移及高频噪声的影响;(7)协变量（covariates）去除:包括去除头动参数、全脑平均信号、白质及脑脊液信号的混杂影响。 4.2 fALFF算法 (1)对全脑血氧水平依赖的信号强度的时间进程作傅立叶变换，把BOLD信号转换为频域功率谱，功率谱下的峰下面积可以视为信号的能量;(2)接着对0.01～0.08 Hz下信号的功率谱能量作开方处理，得出低频振荡幅度(amplitude of lowfrequency fluctuation，ALFF)值，将此范围内的ALFF值相加，再除以0～0.25 Hz范围内的振幅总和值，即得出分数低频振幅(fractional amplitude of low frequencyfluctuation，fALFF)值;(3)对全脑体素作标准化:把每个体素的fALFF值除以全脑信号幅值的均数;(4)将T2DM组及对照组分别进行单个独立样本的t检验，再将T2DM组及对照组作两独立样本t检验，得出T2DM组与对照组间脑区fALFF值具有显著性差异的fALFF图。 4.3功能连接分析 采用AAL脑部模板，分别以后扣带回、海马为种子区，提取出种子区的BOLD信号的时间序列，与全脑其他脑区作基于体素的时间序列相关性分析，获得与后扣带回、海马有时间相关性的脑区，即显著连接的脑区。采用单个独立样本t检验分别获得各组内的功能连接情况。采用两独立样本t检验获得T2DM组与对照组的脑功能连接差异。多重比较运用AFNI提供的AlphaSim程序。 5.统计学分析 应用SPSS13.0软件(SPSS，Chicago，IL)，采用Levene方差齐性检验及拟合优度检验（K-S检验）首先评价两组中计量资料是否符合方差齐性及正态分布，若符合则使用两独立样本t检验来比较T2DM患者组与正常组之间血压、血脂、身体质量指数(body mass index，BMI)及年龄的差异，方差不齐则采用矫正t检验。采用卡方检验评价两组被试之间性别的差异，Wilcoxon秩和检验评价两组被试之间受教育程度的差异。用一般线性模型评价功能联接强度。采用Pearson相关分析方法对T2DM患者组功能联接强度与糖尿病持续时间、糖化血红蛋白、空腹血糖、总胆固醇、甘油三酯、HDL、LDL、BMI、MMSE及MoCA得分作相关性分析，并尝试拟合直线方程。再对年龄这一因素进行控制，采用偏相关分析对T2DM患者组功能连接改变与糖尿病持续时间、糖化血红蛋白、MoCA得分等作相关性分析。p＜0.05认为有统计学意义。 结果： 1.被试者均为右利手。两组临床计量资料数据（血压、血脂、BMI及年龄）符合正态分布及方差齐性。T2DM患者组与对照组的男女性别（x2=0，p=1.000）、年龄(t=1.090，p=0.279)及受教育程度(Z=-0.172，p=0.864)、MMSE得分(t=-1.820，p=0.073)均无明显差异;患者组收缩压(t=6.558，p＜0.001)、舒张压(t=3.004，p=0.004)及BMI（t=8.884，p＜0.001）均高于正常对照组;患者组MoCA得分（25.02±1.20分）低于正常对照组(t=-4.854，p＜0.001)。糖尿病患者患病时长(5.9±5.0)年，糖化血红蛋白为(8.16±2.16)％。 2.静息态功能磁共振结果 2.1患者组左侧前扣带回、左侧前额叶、左侧梭状回、左侧楔前叶、左侧颞中回、右侧顶上小叶等脑区的fALFF信号幅度低于正常对照组，右侧额中回、右侧颞中回、部分右侧顶上小叶等脑区的fALFF信号幅度较对照组增加。 2.2基于体素的脑功能连接结果 2.2.1以后扣带回为种子区域，糖尿病患者组后扣带回与与左侧额上回、右侧额上回、右侧额内侧回、右侧顶下小叶等脑区的功能连接均低于正常对照组。 2.2.2以左侧海马为种子区域，糖尿病患者组的左侧海马与左侧颞中回、颞下回、右侧额上回、额下回、顶下小叶等脑区的功能连接强度较正常对照组下降;以右侧海马为种子区域，糖尿病

目录

摘要

前言

材料与方法

1．研究对象

2．神经心理学测试

3．磁共振数据采集

4．静息态BOLD-fMRI数据处理

5．统计学分析

结果

1．临床资料、认知评估得分统计学结果

2．静息态脑功能磁共振结果

3．基于体素的脑功能连接强度与临床参数的相关性分析

4．神经心理学测试与临床参数之间的相关性分析

讨论

1．T2DM患者静息态脑功能改变及其与各临床资料的相关性、偏相关性分析

1．1 糖尿病发病机制及其临床诊疗

1．2 研究的纳入指标对T2DM患者组的影响

1．3 T2DM患者静息态脑功能改变及临床因素的研究

2．静息态功能成像在2型糖尿病患者应用

3．应用静息态脑功能磁共振研究糖尿病患者脑功能改变存在的问题与展望

结论

本研究的不足之处

参考文献

附录

成果

致谢

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