利用fMRI指导TMS靶点：3T和1.5T fMRI指标的可靠性和敏感性

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fMRI TMS 3T 1.5T 可靠性 敏感性 抑郁症

研究流程概况

利用fMRI指导TMS目标选择：3T和1.5T fMRI指标的可靠性和灵敏度

[DOI: 10.1007/s12021-024-09667-5], 文章发表于《Neuroinformatics》

背景介绍

功能性磁共振成像（fMRI）的早期应用主要集中在推断认知过程上。然而，现代医学正在逐渐将其应用于更多的临床用途，如术前规划和疾病鉴别。在反复经颅磁刺激（rTMS）治疗的临床应用中，fMRI已显示出优化TMS目标选择和提高治疗效果的潜力。特别是对主要抑郁症（MDD）患者，美国食品药品监督管理局（FDA）已经批准了一个fMRI指导的个体化治疗协议。然而，目前大多数研究都集中在3T扫描仪上，而1.5T MRI在许多基层医院中更为常见，因此对1.5T和3T fMRI指标的系统评估可能为fMRI指导的个性化、精准TMS刺激在临床中的应用提供参考。

研究来源

本文由Qiu Ge、Matthew Lock、Xue Yang、Yuejiao Ding、Juan Yue、Na Zhao、Yun-Song Hu、Yong Zhang和Minliang Yao等人撰写，隶属于杭州师范大学附属医院、浙江省认知损伤研究重点实验室、杭州师范大学心理学研究所、杭州师范大学附属德清医院、上海国际研究大学等机构。论文于2024年4月30日被《Neuroinformatics》接受并发表。

研究流程及方法

实验设计

本研究招募了20名健康的大学生（10名女性，年龄范围19-27岁），通过互联网广告进行招募。实验方案获得了杭州师范大学附属医院伦理委员会的批准，参与者均签署了知情同意书。实验使用3T和1.5T两个不同的MRI扫描仪进行对比研究，每位参与者在同一天接受3T和1.5T扫描，间隔时间约为3.87小时。

数据采集及预处理

在每一次扫描中，首先进行三次静息态fMRI扫描，然后进行3D-T1成像，最后进行手指敲击任务fMRI扫描。具体的扫描参数如下： - 3T扫描仪：多波段GRE-EPI序列，TR/TE = 700/30ms，FOV = 216mm，矩阵 = 72 × 72，厚度/间隙= 3/0mm。 - 1.5T扫描仪：单次射GRE-EPI，TR/TE = 3000/40ms，FOV = 224mm，矩阵 = 64 × 64，厚度/间隙 = 3.5/0mm。

实验方法

手指敲击任务fMRI

参与者在自我发起（SI）和视觉引导（VG）条件下进行手指敲击任务。每个任务包括42秒的SI手指敲击任务和VG手指敲击任务交替进行，任务总时长约为10分钟。

数据的预处理与分析

  • RS-fMRI数据使用DPABI（V6.1）工具箱进行预处理，包括切片时间校正、运动校正、回归头动效应、空间标准化等。
  • 手指敲击任务fMRI数据在SPM12中进行分析，包括切片时间校正、运动校正、空间标准化和空间平滑。
  • 使用一般线性模型（GLM）生成个体脑对比图，对SI和VG条件的数据进行分析。

可靠性和灵敏度评估

研究通过计算峰值激活位置的一致性（使用内部个体距离计算）和局部fMRI指标（包括低频波动幅度（ALFF）、波动幅度百分比（PerAF）、基于小波的低频波动幅度（Wavelet-ALFF）、区域同质性（ReHo）和度中心性（DC））的测试-重测可靠性（使用内部类相关系数（ICC）计算），评估fMRI指标的可靠性。灵敏度评估包括比较眼睛睁开和闭合条件下fMRI指标的差异，同时还评估了峰值激活强度和功能连接（FC）定义的TMS目标位置的一致性。

数据处理与分析

峰值激活位置一致性

峰值激活位于运动相关的脑区域（如运动前回等）。3T和1.5T扫描数据在这些区域的峰值激活位置非常一致，内部个体距离在15.8-19mm之间。

FC定义的目标位置一致性

研究选择了几个深层脑区作为种子（ROI），包括前扣带回皮层（ACC）、背侧前额叶皮层（DLPFC）等。通过Pearson相关计算功能连接，并用Fisher’s r到z变换进行归一化，结果显示1.5T和3T数据的峰值FC位置的一致性相似，其内部个体距离在19.7-31.2mm之间。

局部fMRI指标的可靠性

  • ALFF、PerAF等指标在1.5T和3T数据中均显示出中等到优秀的测试-重测可靠性。
  • PerAF和Wavelet-ALFF表现出较高的灵敏度，尤其是在1.5T和3T扫描仪中均具有较大的效果量和较多的显著体素数量。

BOLD信号的可靠性

1.5T和3T的BOLD信号强度显示出极佳的测试-重测可靠性。

结果

  • 手指敲击任务fMRI激活位置一致性、FC定义的目标位置一致性和局部fMRI指标的可靠性在1.5T和3T扫描仪中表现相当。
  • 3T扫描仪在检测静息态活动变化的灵敏度上优于1.5T，但总体趋势一致，Wavelet-ALFF在所有五个指标中表现出相对较高的敏感性。

研究的意义

本研究表明，尽管在灵敏度上1.5T不如3T，但在一些重要指标（如峰值激活位置、FC目标位置和局部fMRI指标的测试-重测可靠性）方面，1.5T扫描仪的表现与3T相似。这表明1.5T扫描仪可用于指导个体化fMRI的TMS目标选择，为fMRI在更多的临床场景中推广应用提供了潜在可能性。

总结

尽管1.5T和3T在一些性能指标上存在差异，但整体表现接近，这提示了1.5T在个体化fMRI指导TMS目标选择中的潜在应用价值。未来的研究应继续评估这种方法在不同任务和更大样本中的可行性，进一步推动fMRI指导的TMS在临床实践中的应用。