PsychoGadget & NeuroGadget: 转：SPM分析在神经精神科学研究中的应用

http://blog.csdn.net/bennix2006/archive/2008/07/26/2712612.aspx
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如何在已得的核医学脑图像上获得有价值的分析信息是神经精神功能影像研究的重点。肉眼分析缺乏客观的指标，并且对微小的PET图像变化肉眼并不能发现。目前脑PET图像分析包括定量和半定量分析方法，定量方法是通过合适的房室模型获得某个脑区绝对的血流量、葡萄糖代谢率、氧代谢率和受体密度等等生理生化指标，以葡萄糖代谢率定量测定为例说明，Phelps在 Sokoloff的动力学模型基础上，考虑了去磷酸化过程，修正了动力学模型，既为现在通用的三室模型，FDG的三室模型由血浆FDG、脑组织FDG和组织中的FDG-6-PO4这三部分组成，FDG-6-PO4不再进一步参与代谢。在平衡状态下，葡萄糖利用率为一常数，假设没有糖原合成与分解，那么，葡萄糖的磷酸化率等于糖酵解率，且糖酵解过程中任何一步的速率等于糖酵解总过程的速率，这样测定处于滞留和平衡状态的FDG-6-PO4即能计算出葡萄糖的代谢率。在葡萄糖定量过程中，要不停地从动脉中采血，测定血液中放射性示踪剂及其代谢产物的含量，并且需要对受检部位脑进行动态显像，最后通过葡萄糖定量公式得到各脑区的葡萄糖代谢率，虽然此方法可以得到某个脑区绝对的葡萄糖代谢率，可以对脑功能状态下葡萄糖代谢率绝对值进行直接分析，从而得到有意义的脑区葡萄糖代谢率变化的绝对值，但葡萄糖代谢定量的方法在临床和科研中相对比较繁琐，因此在临床和科研中葡萄糖定量方法并不常用。
半定量分析是指用脑局部区域感兴趣区（ROI）与某一特定区域ROI作放射计数比值，用半定量分析可以帮助发现视觉不易确定的异常区域，提高诊断的灵敏度，为临床的诊断、治疗和疗效观察提供有用的信息，而且可以为不同的病人及不同实验室提供可比的依据。半定量分析可用的方式方法多种多样，这主要根据研究目的的不同、研究方式的不同等进行选择，常采用的有两侧比值、与小脑相比、与全脑相比等方式，但无论应用哪种比较方式，分析结果的可比性和重复性是必要前提。传统的ROI方法，通过勾划ROI，计算区域内的放射性计数，与参照区放射性相比后得到的数值进行统计分析，从而得到结果。ROI虽然直观、方便，但主观性强、重复性较差，容易漏掉PET图像间的小区域像素差别，并且PET图像提供的是功能信息，研究者需要同时借助MRI通过图像融合才能精确确定ROI边界。
英国Hammersmith医院的Friston KJ等开发的统计参数图（Statistical Parametric Mapping，SPM）目前已成为国际上脑功能影像学研究的公认方法，它在PET、SPECT和fMRI脑功能分析方面有着广泛的应用。SPM是建立在通用数学软件包 MATLAB基础上开发的图像分析系统，MATLAB是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件，在SPM软件包内并没有后缀为.exe的可执行文件，SPM的运行必须依赖于MATLAB软件。SPM最初的开发是针对于脑功能激活实验的H218O PET研究，但考虑到18F-FDG在脑内的分布与H218O有相似之处，因此，近年来有研究者将SPM直接用于18F-FDG的PET脑成像研究。
SPM 的优点包括：①SPM是针对于像素水平的图像统计分析方法，图像皆由像素所组成，SPM即是以整个三维图像中的所有像素作为分析对象，并以像素作为最小的分析单位，获得每个像素所包含的信息大小，然后对每个像素的数值大小进行统计检验，将统计上有意义的像素提取出来得到统计推断图；②在对不同采集次数以及不同被观察对象间的PET图像进行比较时，PET图像的空间位置应一致，SPM可以对PET图像进行归一化，应用塑性变形的原理，与PET模板相匹配；③ 在单个研究对象多次采集时，并不能保证研究对象每次头位一致，因为每个研究对象的头是刚性结构，SPM中有进行移动校正的Realign模块，通过容积融合的概念对单个个体的多次PET图像进行移动、位置校正，达到同一个体多次PET检查后头位的一致；④因为SPM可以精确配准某个像素对应的解剖学位置，因此可根据Talairach图谱确定统计有意义点的坐标和功能脑区[68]；⑤SPM可以对PET图像进行像素值大小的标准化处理，从而避免被研究对象之间的像素总体差异（如：注射放射性药物量不同等等）而掩盖局部像素之间的差异；⑥可与SPM内部的MRI模板进行图像融合；⑦可重复性强；⑧有显著意义的区域可以融合到标准MRI空间模拟图中，精确地以图形的方式显示显著性区域，或得到这些区域的统计参数。因此SPM在脑功能分析方面比传统的ROI方法更有优势。
进行SPM分析具备以下的条件：①图像格式转换程序；②MATLAB软件；③SPM软件；④能够进行Talairach坐标查询。虽然各厂家PET、SPECT图像格式正逐步改为统一的DICOM格式，但一些老的PET、SPECT图像格式在各家不同，如本研究中PET显像仪为西门子公司ECAT EXACT HR+型PET，其脑PET图像的格式为ECAT7格式，并未是医学图像通用的DICOM格式，而SPM分析过程中所需要的图像格式应该为Analyze 格式，因此必须有合适的程序将ECAT7转换为Analyze格式，MRIcro程序作为免费的图像转换软件可以很好的完成ECAT7格式文件的转换，并且可以应用于多种医学图像（DICOM、Elscint、GE、Picker、Siemens和VFF等图像格式）转换为Analyze格式，是一个实用性很强的软件，考虑到更换PET仪器原因可能会造成PET图像格式变化，如西门子公司ECAT EXACT HR+型PET更新为Biograph Sensation 16 型PET/CT后，脑PET图像格式由ECAT7变为DICOM3.0格式，如何继续进行脑功能研究的SPM分子，图像顺利转换为Analyze格式是关键，本研究也曾应用此软件将西门子公司DICOM3.0格式的脑PET图像成功转换为Analyze格式，从技术方面保证了脑功能研究的连续性。SPM软件是免费的图像分析软件，可以从网上下载（下载网址为www.fil.ion.ucl.ac.uk/），SPM软件年年在更新，目前的最新版本为SPM2，它不仅可以处理PET、SPECT图像，而且可以处理fMRI图像，对fMRI功能图像的分析也有其独特的优势。
先进行正常人静息脑FDG-PET显像。注射18F-FDG30分钟后，应用3D模式进行PET脑显像横断面图像矩阵为128×128，层厚2.43mm，共63层。隔4个半衰期(约8小时)后行运动右侧上肢后脑FDG-PET显像。在注射18F-FDG前运动右侧上肢10分钟，注射后仍继续运动右侧上肢 10分钟，频度为40～45次内夹动作/分钟，而身体其余部位保持静止状态，亦在注射后30分钟行3D脑FDG PET显像。经SUN SPARK工作站重建后的脑PET图像（ECAT7格式）通过Microsoft FTP软件传递到PC图形工作站，应用MRIcro软件读取文件，应用下拉菜单“Import>Convert ECAT to Analyze”，在转换过程中需要反转层的顺序，使层面的排列顺序由颅底到颅顶，同时需要保持脑的左右不变，从而将ECAT7文件格式转换为 Analyze7的图像数据格式。
在 MATLAB6.1（Mathworks Inc，Sherborn，MA）平台上，应用脑功能分析软件SPM2 (SPM2，Wellcome Department of Cognitive Neurology，London，UK)对PET图像进行图像预处理和统计分析过程，其中图像预处理过程包括：①校准（Realign）模块进行图像的位置校正。此过程对于一个患者不同时间段多次PET检查的脑图像是必须的，而对多个患者并不需要。设计统计矩阵后，对正常人静息状态下和运动上肢后的脑 FDG PET图像进行配对t检验统计分析（p值=0.01未纠正），统计所得到的一系列数值构成了统计参数地图SPM{Z}。然后根据变化差异显著（p< onclick="sendmsg('pw_ajax.php','action=relatetag&tagname=美国',this.id)" style="border-bottom: 1px solid rgb(250, 137, 27); cursor: pointer;" id="rlt_3">美国核医学年会中，Wagner教授在大会总结中专门提到在神经精神科领域中48篇入选论文涉及SPM的应用，这充分肯定了SPM方法在神经系统核医学中的重要价值。综合Wagner教授的大会总结和目前SPM应用的进展，国内在开展SPM应用中应该注意以下的几个问题：①明确SPM的概念及价值。SPM是针对于图像的统计分析，国内目前相关的SPM应用研究多局限于PET图像间的T-检验，很少涉及一些较为复杂的统计矩阵，而52届SNM会议中收录的论文摘要往往都涉及图像与临床指标的相关回归分析，如Henze M对AD患者脑内葡萄糖代谢与认知异常进行相关分析，认为AD患者的言语流畅和命名能力与脑内特定的脑区相关；Schreckenberger H对甲亢患者情绪变化与脑内葡萄糖代谢的相关研究中发现后扣带回葡萄糖代谢的增加与甲亢患者焦虑抑郁症状有明显的相关等等，因此有必要扩大SPM分析的统计角度；②拓展SPM的应用范围。SPM最早的出现应用于SPECT和PET的脑血流显像，既而扩展到PET的脑葡萄糖显像，目前PET受体显像已被科研和临床广泛接受，应当拓展SPM在受体和转运体PET显像中的应用，如Ismail A对神经性贪食症患者进行Mu-鸦片受体的PET显像研究等等，当然这依赖于合理、严谨的SPM分析过程的建立；③国人脑标准模板的建立。