胎儿MRI神经节隆起目测评估不可靠：三维体积定量揭示结构异常中的误判

引言

神经节隆起（GE）是一种暂时性的胎儿脑结构，起源于端脑腹侧、邻近侧脑室[1]。来源于GE的祖细胞分化为抑制性中间神经元和投射神经元，迁移至胎儿脑的各个亚结构，包括皮层[2–5]。

GE内的结构异常可能导致祖细胞迁移异常，带来潜在的严重后果，包括严重发育迟缓或难治性癫痫[6]。这些异常的结构表现和病因可能各不相同，可分为以下几类：微观结构异常通常与癫痫相关[6]，而GE空洞通常导致岛盖化减少、脑回减少甚至无脑回畸形[7, 8]。细胞能量生成和维持障碍，包括线粒体病如丙酮酸脱氢酶缺乏症，也可能导致GE结构异常[9]。多种遗传性疾病可能导致GE结构异常，包括新生儿增殖性疾病如巨脑畸形、结节性硬化症及其他mTOR通路病[10–12]。GE的体积变化，特别是GE增大，被发现与多种其他结构异常相关，包括大头畸形、暂时性脑分层异常和单侧多小脑回畸形[8, 12]。

最后，由于其丰富的血管化，GE是早产儿新生儿出血和胎儿脑室内出血最常见的部位[13, 14]。

GE可从晚孕期早期起在超声中显示，表现为中等回声，通常采用二维测量进行评估[15]。在中孕期和晚孕期，神经影像学专家可在90%的病例中显示GE[16]。在胎儿MRI中，GE通常根据其在T2加权图像上的表现进行主观评估[17]。然而，由于GE形状和大小的剧烈变化，主观评估存在遗漏细微异常的风险，需要丰富的胎儿神经影像学经验。近期一项研究基于三维分割和体积测量对GE进行了分析，强调了量化该胎儿脑结构的重要性[18]。

本定量胎儿神经影像学研究旨在评估结构性中枢神经系统异常患者的GE：应用超分辨率胎儿MRI和GE三维分割，对主观判断为GE增大的患者进行评估并与对照组比较——首先，评估对结构性中枢神经系统异常患者进行主观评估的可行性；其次，识别可能使GE主观评估复杂化的潜在结构异常。

材料与方法

参与者

在这项回顾性研究中，我们检查了2010年1月至2023年7月在三级转诊中心就诊的单胎妊娠女性。研究获得了知情同意，并按照2013年《赫尔辛基宣言》及伦理委员会批准（EK 1585/2021）开展。我们筛选了机构患者记录中接受胎儿MRI的女性，其报告包含由两名经验丰富的胎儿神经影像专家共识主观评估得出的巨脑回（GE）增大诊断，以及相应的母亲病史信息。在初步纳入所有已识别患者并生成胎儿MRI超分辨率重建后，应用了纳入和排除标准：进一步分析要求具备详细的孕中期超声报告，包括孕龄（由超声确定，以孕周（GWs）和月经后天数表示）、高质量的胎儿头部超分辨率重建，以及胎儿全身成像数据以评估混杂合并症，并且尽管本研究具有回顾性性质，仍符合当前国际妇产科超声学会胎儿MRI实践指南的标准要求[19]。GE存在囊性或出血性改变的患者被排除在本研究之外。

经主观评估为GE增大的入选患者被分配至“病理”组（无论是否合并其他结构异常），并与对照组进行比较，对照组患者无中枢神经系统（CNS）结构异常或其他影响胎儿神经发育的混杂合并症（如心脏缺陷、胎盘异常、胎儿生长受限），该对照组属于先前发表的一项研究集合[18]。在对照组中，由于我们机构审查委员会的伦理考量禁止纳入完全正常的参考队列，因此本研究纳入了存在轻微结构异常的患者。据我们所知，对照组中观察到的结构异常均未被先前证明与GE发育异常相关。两组中观察到的所有结构异常概览见补充表1。

胎儿MRI

所有MRI扫描均有临床指征，并由产前超声专家或胎儿医学专科医生转诊。MRI检查前已获得知情同意。胎儿MRI扫描在1.5-T（Philips Ingenia/Intera）和3-T（Philips Achieva）扫描仪上进行。孕妇以仰卧位或左侧卧位接受成像，未使用对比剂或镇静剂。胎儿头部成像包括三个正交平面的T2加权序列（层厚2.0–4 mm，回波时间 = 100–140 ms，视野 = 200–230 mm，平面内分辨率0.62/0.62–1.17/1.17 mm）。对胎儿头部和身体进行了检查，但本组的定量分析集中于胎儿头部的T2加权图像，而胎儿身体和母体结构的成像用于排除存在混杂合并症的患者。此外，进行了二维测量，包括胎儿大脑和颅骨的前后径和双顶径以及头围，由一名评估者（M.S.）使用Kyriakopoulou等[20]提供的计算工具计算，并提取所得百分位数。

后处理

超分辨率成像后处理基于Gholipour等[21]提供的胎儿脑图谱，并按照另一项研究中已发表的方法进行[18]：在无胎儿运动伪影的情况下获取三个正交平面的胎儿头部T2加权序列后，对成像数据进行去噪，生成平面内超分辨率，并进行自动脑掩膜处理。通过结合逐层运动校正和体积超分辨率算法[18, 22]，产生了单一0.5 mm各向同性体积。所得超分辨率数据由两名评估者（M.S.——胎儿成像经验5年以上，G.K.——胎儿成像经验15年以上）使用5分图像质量量表进行质量评估。未达到高质量标准（评分 > 2）的病例被排除在分析之外。胎儿大脑的体积评估使用现有胎儿MRI成像数据的超分辨率重建而非原始胎儿MR成像数据进行，因为既往研究表明，超分辨率成像提供更高的空间分辨率以及更高的三维体积准确性、几何可靠性和改进的生物测量[23, 24]。对图像质量足够的病例进行了基于图谱的半自动分割和手动校正。共评估了十一个胎儿脑结构：皮层、皮层下实质（包括皮层板与室下带之间的皮层下 layers）、深部灰质核团和丘脑、室周区（包括室下区和脑室区）、胼胝体、海马、GE、小脑、脑干、内和外脑脊液（CSF）间隙。计算了总脑体积（TBV，包括内CSF间隙）、脑实质体积（BPV，不包括内CSF间隙）、白质体积（WMV）和颅内体积（ICV）的值。手动校正由两名对孕龄不知情的评估者（M.S.、P.K.——胎儿成像经验5年以上）使用开源应用程序ITK-SNAP进行[25]。

基于评估者的评估、分割和评价

对灰质（GE）体积增大的主观评估基于两位评估者（D.P.——具有20余年胎儿影像学经验；G.K.——具有15余年胎儿影像学经验）的共识。影像数据的质量控制由两位评估者以共识方式完成（M.S.——具有5余年胎儿影像学经验，G.K.——具有15余年胎儿影像学经验）。胎儿MRI数据的超分辨率重建及所选病例的半自动组织分割由一位计算科学家（J.T.）完成。胎儿脑及颅骨的标准化二维测量由一位评估者（M.S.——具有5余年胎儿影像学经验）完成。组织分割的手动校正由两位对孕龄设盲的评估者（M.S.和P.K.——均具有5余年胎儿影像学经验）完成。统计分析由一位博士后生物统计学家（M.W.——具有25余年生物统计学经验）完成。

统计分析

胎儿脑结构的体积分析基于孕龄进行。由于7例患者在不同孕龄接受了两次检查，因此加入了患者身份的随机效应。在1.5 T和3 T扫描仪上生成的影像数据不作区分进行分析，此前已证明此举可行。用于判定显著性的p值定义为p < 0.05。

对于14例患者的子集（每个纳入的孕周各一例），GE由两位评估者（M.S.、P.K.）独立分割，并使用内部Python脚本计算基于分区的平均Hausdorff距离和Sørensen-Dice系数，以评估分割的可重复性。提取体积测量值，并通过为每个分析的亚结构及特定亚结构组合（如TBV）生成散点图进行可视化。

使用非线性回归仅基于对照组对孕龄对分析脑亚结构的影响进行建模。基于这些回归，计算了个体测量值的95%置信区间。首先，将每例分类为过小（若其测量值低于95% CI下限）、正常（若其测量值位于95% CI之间）或过高（若其测量值高于95% CI上限）。其次，将每个测量值转换为z分数。这些z分数在所有评估脑结构的不同体积之间进行相关性分析。此外，二维胎儿脑测量值的百分位数，包括胎儿脑及颅骨的额枕径和双顶径，使用Spearman-Rho相关与TBV和ICV的三维体积测量值进行相关性分析。

所有计算均使用IBM SPSS Statistics for Windows第28版完成。

结果

患者与人口学特征

对机构患者记录的初步检索得出68例患者（86次MRI扫描）伴有结构异常的GE（图1）。在患者评估过程中，51名女性共66次MRI扫描因以下原因必须排除：超分辨率图像质量不足——尽管源数据质量良好（14例患者，21次MRI）、GE出血性病变（26例患者，28次MRI）、GE囊性病变（7例患者，9次MRI）、仅有死后MRI可用（2例患者，6次MRI）、主观上GE偏小（2例患者，2次MRI）。因此，共有17例患者（20次MRI，平均孕龄26.3 GW（GW），SD + /−3.3，范围21.7-33.4 GW）的GE被两位独立专家评估者评定为“增大”，纳入本研究进行分析。

此外，从先前已有的一个集合[18]中选取了共94例对照（100次MRI），该集合中的病例无中枢神经系统结构异常或混杂合并症（如心脏缺陷、胎儿生长受限），选取依据为孕龄（平均孕龄27.2孕周，标准差±3.6，范围21.7–34.0周）。两组的人口学数据汇总于表1。

突出显示两组最终诊断的表格作为补充表1提供。

容积学结果

分割的组内和组间评分者相关性评估基于对14例患者子集（每个研究的孕周各一例）计算的Hausdorff距离和Sørensen-Dice系数，以及由两名评分者独立进行的GE分割分析（M.S.对M.S.和M.S.对P.K.）。结果汇总于表2。组内和组间测量的高平均Sørensen-Dice系数表明所分析的分割之间具有非常高水平的相关性。

在有和无脑异常的胎儿于22至35孕周之间接受检查。所有十一个分析的大脑结构以及TBV、BPV、WMV和ICV的容积评估汇总于图2和表3。在17例主观上GE增大的胎儿（20次MRI扫描）中，仅4/17例胎儿（5/20次MRI扫描）被发现GE体积大于参考集合（高于参考集合95%置信区间），而12/20例GE体积正常（在95%置信区间内），3/20例GE体积减小（低于95%置信区间）。有趣的是，大多数患者（14/17例胎儿，16/20次MRI扫描）TBV增加，归因于该集合中大多数受累患者的脑室扩大（14/17例胎儿，15/20次MRI扫描）。在该患者集合中，总ICV仅在5/17例胎儿（6/20次MRI扫描）中增加，脑室扩大发生率较高。此外，8/17例胎儿（8/20次MRI扫描）还发现脑室周围区增大。根据并发的结构性脑异常（如补充表1所示），患者其他大脑结构的大小各不相同，例如在胼胝体发育不全和小脑发育低下的情况下。对参考集合与主观上GE增大组的z评分之间相关性的分析显示，GE与其他分析的大脑结构之间无相关性，与TBV、ICV、WMV或BPV也无相关性（补充表2）。

关于二维和三维胎儿头部评估的比较，发现胎儿大脑和颅骨的前后径和双顶径分别与TBV和ICV显著相关（补充表3）。这证实了二维和三维测量在整体大脑和头部大小方面的可比性。

讨论

本研究遵循产前医学中基于影像的深度表型分析理念，并应用超分辨率MRI对结构异常胎儿大脑的短暂解剖亚结构进行量化。深度表型分析包括遗传学分析和先进影像技术，使得即使在产前阶段也能更早地发现遗传性疾病[26, 27]。对主观判定为GE增大的患者进行了体积评估，并与参考人群进行比较。与专家评估者的判断相比，仅在四分之一的病例中能够确认GE增生。周围结构大小关系及TBV的变化似乎是结构性和中枢神经系统（CNS）异常患者中GE视觉评估困难的主要来源。具体而言，该人群中脑室扩大的高发生率反映了脑室系统的构型和体积对于主观评估GE的重要性，因为GE紧邻内部CSF间隙，可能导致GE构型的变异（图3和图4）。尽管本队列仅评估了主观判定为GE增大的病例，但仅基于视觉专家评估，在GE发育不良的病例中也可预期出现类似发现，不过这有待未来研究证实。这些发现表明需要对GE进行基于三维测量的体积评估，尤其是在结构性和CNS异常的患者中。

近年来，已为产前神经超声和胎儿MRI开发了时空分辨的体积参考指标——胎儿脑图谱[28, 29]。由于基于二维测量的脑生长评估存在局限性，胎儿脑亚结构的三维分割有望对正常脑发育的细微偏差提供更高的敏感性（图5）。胎儿脑图谱有助于把握GE等结构大小和形状的动态变化，并将最终取代主观临床评估[7, 8, 17, 18]。目前，超分辨率MRI和GE的半自动手动分割在临床实践中可能是耗时的工作。在不久的将来，基于机器学习的算法可能取代手动分割，提供可靠且稳健的GE自动体积测量。最终，基于MRI或超声的GE体积测量可能作为一种临床问题解决工具，用于克服基于影像的深度表型分析中的主观偏倚和错误分类。

基于影像的深度表型分析有助于更深入地理解疾病表现所涉及的潜在病理生理过程：

本研究中的一个典型病例（22 + 5 GW）表现为蚓部发育不良及发育异常、顶盖发育异常、海马旋转不良、上下肢位置异常、颌裂及腭裂以及右室双出口。遗传学检查包括对胎儿及双亲的全外显子测序，发现与Apert综合征相关的FGFR2基因新发突变。观察到的结构异常与该遗传学诊断相符。有趣的是，尽管神经节隆起（GE）的部分祖细胞靶结构受累，GE体积并未偏离正常发育轨迹。需要额外的离体组织学研究来证实Apert综合征中GE未受累，但由于终止妊娠后父母未同意而无法进行。

另一典型病例（29 + 4 GW）表现为小头畸形、板层结构异常、完全性胼胝体发育不全、脑干发育不良及发育异常、小脑发育不全、蚓部发育异常及脑室内出血。在对GE进行体积测量后，我们发现与参考队列相比GE体积显著减小（低于95%置信区间）。由于GE体积相对过低，GE中产生的潜在祖细胞数量也随之减少，推测对其迁移靶结构产生了实质性影响。

孤立评估GE大小可能不足以作出诊断；解读应结合整体影像学和临床背景进行。如既往研究所示，体积变化，特别是GE的增大/持续存在，被发现与多种共存的结构异常相关，包括大头畸形、板层结构异常、多小脑回（如微管蛋白病（如TUBA1A）和ARX基因相关疾病）、巨脑回畸形（如PI3K-AKT-MTOR通路疾病）及线粒体疾病，凸显了GE评估的临床相关性[8, 12, 17, 30]。在4例（5次MRI扫描）经体积验证GE呈肥厚外观的患者中，识别出以下与GE大小发育异常已知相关的共存异常：大头畸形（2例）、板层结构异常（如室管膜下灰质异位/多小脑回，3例）及无脑回畸形（1例）。其他发现包括大枕大池（1例）、脑室扩大（3例）、完全性胼胝体发育不全（1例）及Probst束（1例）。

神经节隆起（GE）内的结构异常可能因不同病因存在很大差异。许多研究探讨了GE内的缺陷，包括出血性和囊性异常[7, 8, 17, 30]。然而，不仅结构缺陷和发育不全会导致持续的临床后果：GE增生已被证明与巨头畸形相关[8]。这可能看似有悖直觉，因为基于细胞滞留导致的GE体积增大应导致祖细胞向目标结构（包括皮层）的迁移减少，从而导致皮层发育不全。其他（病理）生理过程，包括轴突修剪，也可能特别在巨头畸形的背景下参与其中，导致总脑体积（TBV）增大。总体而言，尽管量化这一短暂性胎儿脑结构存在困难，增大仍是GE的一个重要结构异常。有趣的是，我们在本队列中未发现GE与TBV的相关性，这与上述研究[8]形成对比，可能归因于所研究队列中并发中枢神经系统异常的广泛谱系。无论如何，GE体积与TBV或颅内体积（ICV）——进而与胎儿头围——缺乏相关性，凸显了对GE进行选择性体积评估的必要性。

临床意义

已证明的GE主观评估的不可靠性，使得在胎儿MRI期间有必要对其进行定量体积评估。这在结构性中枢神经系统（CNS）异常患者中尤为重要，因为这些异常可能进一步妨碍仅基于视觉评估的量化，而后者正是当前的临床实践。我们的贡献在于强调，仅凭专家评估在某些情况下可能具有误导性，尤其是在存在其他结构异常时。识别GE异常可能有助于更早发现其迁移靶区内的结构缺陷及相关异常，包括皮质畸形[8]。发现GE异常应促使咨询医师考虑额外的基因检测，包括在适当情况下，鉴于所观察到的共存结构异常，考虑微管蛋白病、ARX基因相关疾病、PI3K-AKT-MTOR通路疾病和线粒体疾病。

研究意义

未来研究应探索更大的患者群体，并纳入出生后结局数据。由于患者纳入时间较近，本研究无法提供出生后结局的完整分析，但相关工作正在进行中。

优势与局限性

我们呈现了首项基于超分辨率胎儿MRI体积测量技术检查GE增大的研究，提供了对这一短暂性胎儿脑结构的精确在体定量。所研究的患者均表现为GE增大，无空洞、囊肿和出血，并与无混杂合并症的大型参考队列进行了比较。分割数据具有高准确性和可重复性，表现为评估者间和评估者内相关性强。

由于该短暂性胎儿脑结构体积小、分辨率有限以及缺乏组织学相关性（鉴于本研究的在体性质，组织学相关性不可获得），在分割所研究患者时未对组织学亚区（包括内侧、外侧和尾部GE）进行细分。尽管GE与其他所研究的胎儿脑结构相比体积相对较小，且体积测量结果分布较为分散，但所研究患者子集中评估者内和评估者间的高度一致性表明测量具有高水平的准确性和可重复性。由于本研究的回顾性性质，并非所有分析患者均可获得完整随访数据，包括遗传学检查和出生后临床及影像学相关性分析。由于我们机构审查委员会（IRB）的限制，本研究对照组纳入了具有特定躯体结构异常的患者。据我们所知，所选异常对胎儿神经发育无混杂影响。此外，所纳入异常的异质性超过了本研究中有限的選擇偏倚。

结论

专家视觉评估和二维胎儿脑生物测量不足以准确表征胎儿脑异常，特别是关于GE大小方面。尤其是当胎儿脑解剖结构严重变形时——如脑室扩大——正确的大小或体积估计可能不确定或具有误导性。本研究结果强调了在合并脑畸形的胎儿中对GE进行体积定量的附加价值，为胎儿脑中枢神经系统（CNS）异常的影像学深度表型分析提供了一种无偏、客观、可重复且有效的定量工具。

补充信息

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