开创精神影像新领域 奠定国际引领地位——记2017年中华医学科技奖一等奖项目“精神影像技术的基础与临床应用研究”
发布日期:2018-12-13 14:04:44 来源:中华医学信息导报 作者: 浏览次数:

  精神疾病,即所谓的“非器质性脑病”,是当今临床医学研究中的难点,也是中国脑计划的一翼。这类疾病占据着人类疾病负担前五位中的四位,它们大多发病机制不明, 诊断缺乏客观标准,治疗结果难以监测。影像医学是20世纪医学领域发展最快的学科之一,其中磁共振成像技术相对于其他脑成像技术,具有无创、时间和空间分辨率较高、可多次重复操作等优点,并且它能够提供包括功能连接、纤维连接在内的多模态信息,成为系统研究大脑的重要方法。四川大学华西医院的龚启勇教授带领项目组,10余年来致力于通过磁共振新技术探索精神疾病的发生发展机制,并利用影像学指标为精神疾病的诊断、评估和预后判断提供客观的影像学依据,针对精神分裂症、抑郁症以及创伤后应激综合征这些常见重大精神疾病进行了深入研究,取得了具有国际影响力的学术成果。项目团队在国际上首次提出“Psychoradiology”(精神放射影像)这一全新概念,建立了神经心理认知科学与放射影像学相结合的交叉学科新方向,引领了国际临床精神影像学的发展。项目相关成果和专利技术得到国内30余家知名医院和科研院所的推广应用。基于项目的基础研究和临床转化成果以及学科突破,龚启勇教授带队的“精神影像技术的基础与临床应用研究”项目荣获了2017年中华医学科技奖一等奖。


龚启勇团队全体合影

 

皮层微结构改变是精神分裂症的早期特征

  项目组首次在对大样本的未用药首发精神分裂症患者研究中发现双侧前颞叶皮质厚度的增加可能是该病早期的一种神经病理改变,对于精神分裂症阳性症状的发病机制十分重要,可作为一项相对稳定的早期疾病特征。在此基础上,为了进一步探索病程对上述脑结构功能异常的影响, 通过对不同病程患者的研究,项目组提出了精神分裂症脑结构异常随病程存在“抛物线型”的改变模式,以回答“精神分裂症是否是退行性精神疾病”这一困扰临床医师和患者家庭的关键争议性问题,揭示了患者发病初期脑缺陷相对稳定,而疾病晚期会进展缓慢,证明了精神分裂症患者脑区的皮层厚度随年龄增加而进行性降低的自然演变规律。


弥散张量成像技术 揭示抑郁症精神影像特征

  由于单中心的影像学原始研究存在患者全体差异、扫描参数差异、数据分析差异等问题,导致研究结果各异,单个的研究很难提供有效的生物标志物信息, 项目组借鉴循证医学中的荟萃分析(meta分析)整合单个研究获得更为可靠的一致结论。通过对成年抑郁症患者全脑基于体素的弥散张量成像(diffusion tensor i m a g i n g , D T I ) 研究的m e t a 分析,发现抑郁症患者脑白质微结构损害主要在前额叶、梭状回以及枕叶的相关脑区。纤维追踪揭示这些脑区穿经的白质纤维束主要连接两个大脑半球、前额叶到枕叶以及视辐射的部分。

  项目组还采用 DTI 纤维追踪技术研究抑郁症患者自杀的神经病理机制,发现有自杀史的抑郁症患者与无自杀史的抑郁症患者以及正常对照相比,经左侧内囊前肢的神经纤维更少,而这种异常在抑郁症伴自杀史的患者中更为严重,表明自杀与高冲动性环路白质损伤有关。这一结果从新的结构角度解释了额叶-纹状体-丘脑这一神经环路功能紊乱对行为控制和情感处理的不利影响,进一步阐明抑郁症患者自杀风险增高的神经生理原因, 可作为预测并及时干预自杀行为的潜在影像学指标。


发现精神创伤所致影像表征

  对创伤后应激障碍( p o s t traumatic stress disorder,PTSD) 患者的脑灰质结构采用m e t a 分析, 发现P T SD患者脑灰质体积改变主要表现为前额叶及海马体积的减少,而人群是否经历同样的应激会导致研究结果的显著不同。该研究首次明确提出经历不同应激事件的人群对PTSD研究的结果会有影响,对之后的相关研究具有重要指导意义。

  研究首次发现人脑在经历重大应激事件后早期即出现前额叶- 边缘系统灰质体积以及脑白质完整性受损,提示重大生活应激事件对大脑情感应激反应和调控相关系统的重大影响,会导致创伤发生后短期内脑结构改变,说明对重大应激事件经历者进行早期评估和干预的重要性。


联合人工智能技术 进行临床转化应用

  项目组首次采用影像数据驱动方法提出了精神分裂症存在两种不同模式的白质损害,实现了RDoC计划(基于客观表征对精神疾病进行分类进而帮助诊断)的第一步。研究发现首发未用药精神分裂症患者大脑存在两种不同的脑白质损伤模式,其中一种损伤与临床难治的阴性症状相关,不仅揭示了精神分裂症脑白质损伤的机制,更重要的是证实了精神分裂症人群中存在“同病异因”的现象。通过这两种不同的损伤模式可以对精神分裂症患者进行分型,从而在临床治疗中,针对不同亚型的患者可以采用不同的治疗方式,实现疾病的个性化治疗。

  采用多变量模式分析方法中的支持向量机(support vector machine,SVM)技术证实,大脑皮层厚度对首发未用药成年抑郁症的分类判别作用,诊断准确性达78%,区分效能较高的脑区集中在右侧额叶、颞叶以及顶叶。同时将SVM 技术用于根据大脑灰质和白质体积变化来判断重大应激事件经历者是否发生PTSD。结果发现基于脑灰质和白质体积对患PTSD的诊断准确性可达91%, 诊断未患PTSD 的准确率分别为76%和85%。该研究说明神经解剖结构具有很好的诊断和预测效能,也说明了影像指标的临床转化潜能。

  基于大脑静息态功能性磁共振成像数据,研究采用类似的关联向量回归方法(relevance vector regression,RVR)对重大应激事件经历者出现的PTSD相关临床症状进行定量预测。因为RVR较SVM具有可定量预测感兴趣变量的优势。结果发现基于前额叶、顶叶和枕叶区域的静息态自发脑神经活动,RVR可定量预测重大应激事件经历者的PTSD症状相关评估分值。该发现首次证实精神影像技术有助于对创伤暴露人群进行准确和客观的临床预判,这对于有望预测疾病临床症状的生物学标记物迈出了重要的一步。

 

创建精神影像采集与分析技术链

  在前述精神疾病影像表征的研究过程中,项目组针对影像相关仪器设备亟待原始创新的国家需求,研发出适用于精神疾病脑影像检查的相关技术与设备,并建立了磁共振成像质控、序列设计、方案优化、数据采集、个性化脑功能刺激任务设计、实时反馈与磁共振兼容仪器设备研发、数据库管理、数据处理与分析的完整技术链,满足精神影像学前沿研究和推广应用的需求。首先,项目组开发了提高磁共振信噪比的方法,保障磁共振成像质量的可靠性。其次,研制出具有自主知识产权基于实时反馈技术的脑功能磁共振视觉刺激与眼动分析系统及扫描实时监控系统。通过将磁共振扫描时获取的眼动图像信息反馈到刺激端,为后续刺激任务的调节提供了灵活的人机接口手段,并开发出目前国际同类产品尚无的新功能。


理论推动技术转化 六项专利获得应用

  项目组发现的精神分裂症、抑郁症、创伤后应激障碍等疾病的一系列相关影像学表征,推动了脑结构和功能性疾病的临床与科研磁共振检查由单模态技术向多模态技术转化,为各种精神疾病的客观诊断和个体化治疗提供了新的研究途径与有价值的实验依据,有助于临床医生认识精神疾病的病因、发病机制以及制定相应的早期干预措施以及评估预后,有力的促进和推动了我国影像医学技术的发展和临床应用。

  项目研发的相关成果获6 项国家授权专利,包括:提高磁共振成像信噪比的方法及其系统、眼动跟踪中基于CamShift 算法的FPGA 实现方法、磁共振扫描磁体腔内实时监控系统、一种近工作距离磁共振兼容照明装置、小动物成像兼容固定装置、华西磁共振中心影像数据存储管理分析系统,上述专利在全国30余家三甲综合医院、专科医院以及科研院所推广应用,取得了包括更好地实时监控磁共振扫描时体腔内的患者状态、优化在磁共振成像过程中的立体定位等效果,对医院的精神影像临床和科研工作提供了技术参考。同时,已在全国的12 家医院建立了精神影像中心。


精神放射影像学的先驱

  基于前述精神影像的工作积累和临床意义, 项目组在国际上首次提出了 “Psychoradiology”的概念和全新的专业术语(词条被国际放射学百科全书录入), 将放射影像学与神经心理认知科学相结合形成新的交叉学科,开拓了精神心理疾患客观标志物研究与应用新领域,在国际上填补了放射学在精神疾病研究与临床应用方向的空白。项目获专利授权6 项, 主编国家级教材3 部、专著5部,相关成果和专利技术得到推广应用。项目组历经10 年的努力,开创了Psychoradiology这一学科新方向,奠定了我国临床精神影像在国际的引领地位。(中华医学信息导报韩静、左舒颖整理)

( 摘自《中华医学信息导报》2018年第33卷第23期)



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