鼻咽癌（nasopharyngeal carcinoma, NPC）是一种发生于鼻咽腔顶部和侧壁的恶性肿瘤，在中国呈高发态势^{[1, 2]}。放疗是NPC的主要治疗手段，NPC患者接受放疗后的五年生存率可达80%左右^[3]。然而，由于技术的限制，在杀伤肿瘤组织的同时，放疗可能会引起放射性脑损伤，导致患者产生记忆衰退、认知下降等神经功能障碍^[4]。放射性脑损伤的发生机制和发展规律是当前亟待解决的关键科学问题，放射性脑损伤的潜伏期较长，多数患者在放疗后6～12个月才出现临床可见的影像征象，此时可能已经产生不可逆的脑结构性改变^[5]，因此研究放射性脑损伤的早期影像标志物具有重要的临床意义。

       通过MRI研究NPC患者放疗后的大脑形态学改变是近年来的研究热点^{[6, 7, 8, 9, 10, 11]}。有研究发现，与放疗前相比，放疗后3～6个月内患者颞叶灰质体积呈时间依赖性减小^[10]；另一项更长期的研究发现，与放疗前相比，放疗后6个月内患者出现双侧额叶、顶叶、枕叶、颞叶和小脑的灰质体积减小，且在放疗1年后双侧额叶、小脑和右侧颞叶的灰质体积仍显著减小^[12]。

       当前研究主要描述了放疗后的晚期延迟效应，对于放疗对大脑的早期影响，尤其是放疗期间的大脑形态学变化的研究却鲜有关注^{[13, 14, 15, 16]}。最近的一项研究采用基于白质纤维束的量化分析方法，揭示了放疗期间NPC患者白质微观结构随放疗剂量的变化证据^[17]。然而，放疗期间大脑的灰质是否也发生相应改变仍不清楚。基于体素的形态测量学（voxel-based morphometry, VBM）是一种先进的影像学量化分析方法^[18]，能够敏感地探测大脑灰质体积的微观结构变化，已被大量应用于大脑灰质体积的研究中^{[19, 20]}。因此，本研究基于VBM方法分析了一组纵向追踪的NPC放疗患者在放疗期间的大脑MRI影像。本研究有助于理清放射性脑损伤的发展规律，协助临床医生制订个性化的放疗方案，及早开展认知康复干预，具有重要的临床意义和科学价值。

1 材料与方法

1.1 一般资料

       本研究纳入2019年3月至2022年3月在中国科学院合肥肿瘤医院接诊的NPC患者21例，其中男17例，女4例，年龄范围27～68岁，平均年龄50岁。本研究得到了中国科学院合肥肿瘤医院医学伦理审查委员会的批准（批准文号：SWYX-Y-2022-14），严格遵照《赫尔辛基宣言》，所有受试者均签署书面知情同意书。

       纳入标准：（1）病理证实的NPC首发患者；（2）所有患者于治疗前行MRI和CT检查，图像满足诊断需求；（3）具有完整的临床资料；（4）年龄大于18岁，均为右利手。排除标准：（1）对磁共振检查禁忌者；（2）脑肿瘤者；（3）脑血管疾病者；（4）糖尿病、高血压患者或合并其他系统疾病患者；（5）肿瘤复发再次放疗或不能坚持完成治疗者；（6）常规扫描图像质量不符合诊断要求者（如运动伪影等）。

1.2 治疗

       使用Monaco系统进行治疗计划，鼻咽部总放射剂量为69.96～73.92 Gy，照射方式为360°全弧照射，分隔剂量为1.8～2.0 Gy，分隔次数为33次，每天1次，每周5次，总放射治疗时间为6～7周。放射治疗计划的目标是使95%的靶区达到规定的剂量，治疗计划遵循放射治疗肿瘤学小组（RTOG）0225的建议。根据患者的病理类型（鳞癌）和药物耐受性确定同步化疗，化疗方案为同步紫杉醇和顺铂，部分患者将顺铂改为尼莫单抗（每周一次）。受试者使用小剂量的地塞米松，以防止呕吐或对放疗和化疗的过敏。

1.3 数据采集

       患者在放疗过程中接受了三次MRI颅脑成像扫描，分别在放疗前（放疗开始前1～2 d）、放疗中（放疗开始后19～20 d）和放疗后（放疗结束后1～2 d）。所有的MRI图像使用相同的全身飞利浦Achieva 3.0 T成像系统和一个八通道头部线圈（Philips Healthcare，荷兰）。

       3D-T1加权MRI扫描参数：重复时间30 ms,回波时间2000 ms,翻转角8°,视野240 mm×240 mm,层厚2 mm，体素模板大小1 mm×1 mm×1 mm，矩阵256×256，扫描时间4 min 59 s。

1.4 数据预处理

       使用基于MATLAB（R2018a）平台运行SPM 8和VBM 8软件对被试T1结构像进行数据预处理。首先将DICOM格式图像转换成NIFTI格式，应用VBM 8软件对图像进行分割，得到灰质、白质和脑脊液图像；然后将分割图像标准化至蒙特利尔神经病学研究所（Montreal Neurologival Institute, MNI）标准模板，体素大小为1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm；最后应用半高全宽为8 mm×8 mm×8 mm的平滑核进行空间平滑处理，获得脑灰质图。

1.5 统计学分析

       采用SPM 8软件分析脑灰质图像，使用配对t检验对放疗前、中、后三个时间点数据进行两两比较，同时对结果进行多重比较校正（cluster水平，FWE校正），以P＜0.001为差异有统计学意义。使用xjView10.0软件汇报脑区结果，脑区划分基于解剖自动标记模板（Anatomical Automatic Labeling, AAL）。

       为评估NPC患者脑灰质体积变化与放疗剂量之间的关系，提取结果中差异有统计学意义的脑区根据AAL模板制作感兴趣区（region of interest, ROI），根据ROI对应脑区计算灰质体积和放疗剂量，运用SPSS 20.0软件将体积差值与平均剂量进行Pearson相关性分析，所有统计学检验均为双侧，以P＜0.05认为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 放疗中与放疗前灰质脑区比较结果

       与放疗前相比，NPC患者在放疗中颞叶（双侧梭状回、右侧颞上回、右侧颞中回、右侧颞下回）、枕叶（左侧舌回、右侧矩状回）、额叶（左侧眶部额中回、左侧眶部额下回）、边缘叶（左侧岛叶、双侧前扣带回）、左侧小脑灰质体积减小（cluster水平FWE校正，P＜0.001）（图1，表1）。

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图1  放疗中与放疗前相比体积减小的脑区。
Fig.1  Brain regions with reduced gray matter volume during radiotherapy compared to before radiotherapy.

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表1  放疗中与放疗前相比灰质体积减小的脑区
Tab. 1  Brain regions with reduced gray matter volume during radiotherapy compared to before radiotherapy

2.2 放疗后与放疗前灰质脑区比较结果

       与放疗前相比，NPC患者在放疗后，颞叶（双侧梭状回、右侧颞上回、右侧颞中回、右侧颞下回）、枕叶（左侧舌回、右侧矩状回）、额叶（左侧眶部额中回、左侧眶部额下回）、边缘叶（左侧岛叶、双侧前扣带回）、灰质体积仍显著减小，同时出现右侧岛叶，左侧颞叶、双侧额上回、右侧眶部额下回、右侧小脑、右侧海马旁回灰质体积减小（cluster水平FWE校正，P＜0.001）（图2、表2）。

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图2  放疗后与放疗前相比体积减小的脑区。
Fig. 2  Brain regions with reduced gray matter volume after radiotherapy compared to before radiotherapy.

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表2  放疗后与放疗前相比灰质体积减小的脑区
Tab. 2  Brain regions with reduced gray matter volume after radiotherapy compared to before radiotherapy

2.3 NPC患者脑区体积改变和放疗剂量的相关性

       放疗后左侧小脑体积改变与平均剂量呈正相关（r=0.503，P=0.020），结果有统计学意义（图3）。

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图3  NPC患者放疗后灰质脑区体积改变与放疗剂量的相关分析。
Fig. 3  Correlation analysis between volume changes of gray matter brain area and radiation dose in NPC patients after radiotherapy.

3 讨论

       近年来，颅脑放疗对大脑结构和功能的影响及其机制研究已成为热点^{[21, 22]}。然而，先前研究主要关注放疗对大脑的迟发性影响，鲜有研究关注放疗期间大脑的结构和功能变化^{[23, 24, 25, 26]}。本研究纵向追踪了一组首发NPC患者在放疗期间的MRI影像，并采用基于体素的VBM方法，分析患者放疗期间的灰质体积改变及其剂量依赖性。结果发现，相比放疗前基线水平，NPC患者的颞叶、额叶、边缘叶、枕叶在放疗中期和后期出现灰质体积减小区域；左侧小脑存在剂量依赖区域。研究结果表明放疗期间NPC患者的大脑灰质结构在早期出现形态学改变。本文填补了颅脑放疗对大脑灰质早期影响的研究空白，表明放疗期间的MRI影像及其高级处理方法的临床意义。

3.1 放疗期间大脑灰质的早期变化

       大脑灰质在放疗期间的变化可能来源于辐射的直接影响。灰质内有脆弱的毛细血管和神经胶质细胞，易于受到辐射侵袭。潜在病理生理机制可能包括：胶质细胞数量的变化、细胞体积变化以及血液和组织液之间的交换异常等^{[23, 24]}。比如颅脑放疗会杀灭少突胶质细胞，同时影响胶质细胞的修复，这些胶质细胞同时存在于脑白质和脑灰质中，少突胶质细胞的死亡会损害髓鞘的完整性以及连贯性，从而导致灰质内的少突胶质细胞功能减退，体积减小。

       NPC患者在放疗中与放疗前相比，出现右侧颞叶体积减小，而在放疗结束后双侧颞叶均出现体积减小。颞叶由于靠近颅底放射区，不可避免地被画入放疗靶区内，是接受最高剂量辐射的大脑区域，因此也是迟发性脑损伤的常见区域^[27]。有纵向研究发现，NPC患者在放疗后0～6个月与放疗前相比，右侧颞叶体积减小，放疗后6～12个月双侧颞叶体积减小^[12]。此外，边缘叶，包括双侧岛叶和前扣带回，体积同样出现较为明显的改变。有研究认为，放疗后的脑皮质萎缩在颞叶和边缘叶最为明显^[26]。有研究发现，与放疗前相比，放疗后6个月时左侧岛叶体积减小^[28]。这与本研究结果部分一致。岛叶的损伤可能来自于放疗引起的辐射损伤，也可能是颞叶损伤导致的继发性损伤^[13]。颞叶及边缘叶负责情感与记忆功能。颞叶、边缘叶放射性脑损伤的NPC患者通常表现出情感平淡、言语贫乏和意志缺乏及部分认知功能缺陷，如注意、记忆、执行功能和社会认知等的损害^[29]。因此，研究这些易受辐射损伤的脑区，有助于我们了解放射性脑损伤的产生机制，为临床及早干预提供理论依据。

       NPC患者在放疗中，发现左侧额叶灰质体积减小，而在放疗结束后双侧额叶出现体积减小。在有关NPC放疗后的纵向研究中，有研究发现，在放疗后6个月内右侧额叶体积减小，在放疗后6～12个月时双侧额叶体积减小^[12]；而在另一项研究中发现放疗后6个月时双侧额叶体积减小，而在6～12个月时左侧额叶体积减小^[28]。额叶离放射野照射较远，也可发现额叶的灰质体积发生改变，说明放疗后的脑损伤可以使多个脑区的脑灰质微观结构受到的损伤，而不仅仅局限于颞叶。NPC患者在接受放疗的同时还接受了化疗药物的辅助治疗，一定的化疗药物剂量也可以对脑部的结构及功能产生影响^[30]。有研究发现，在化疗完成后不久，乳腺癌患者额叶和顶叶的灰质体积发生了显著变化并且出现了一定的认知障碍^[31]。因此，本研究中额叶体积减小可能还与NPC患者放疗期间的同步化疗有一定的相关性。

       大量有关NPC放疗后的纵向研究发现，在放疗后0～6个月和6～12个月内，均会出现左侧小脑体积减小^{[12,32, 33]}。这与本研究发现左侧小脑灰质体积减小的结果相符，说明左侧小脑对辐射较为敏感。小脑是运动的重要调节中枢，主要参与对运动的控制，较低的小脑体积与较差的运动协调能力相关^[29]。因此找寻合适而准确的放疗剂量对保护这些脆弱区域至关重要。

       然而，放疗对于灰质的影响可能存在复杂机制。我们最近的一项研究发现：主要神经纤维束在放疗期间的变化至少存在三种不同的模式^[17]，提示神经系统可塑性和病理变化之间存在制衡关系。由于本研究是针对人类的无创性MRI影像研究，我们无法阐明背后的因果关系。未来采用动物模型，结合小动物MRI影像和生理学方法是解决这一问题的主要途径。

3.2 随着放疗计划的进行，更多脑区出现体积减小

       阐明放疗影响大脑结构和功能的时间进程是发展迟发放射性脑损伤理论的关键。比如，有研究发现放疗后3～6个月患者颞叶灰质体积呈时间依赖性减小^[10]；另一项纵向研究发现，放疗后6个月患者出现双侧额叶、顶叶、枕叶、颞叶和小脑的灰质体积减小，这种体积减小一直持续到放疗1年后^[12]。这与本研究的结果相似，在放疗结束后，额叶、颞叶、枕叶和小脑体积仍显著减小。而且随着放疗计划的进行，放疗剂量的增加，出现了更多体积减小的脑区。我们认为新出现的体积减小的脑区可能与放疗剂量的增加有关。不同的脑区存在着不同的辐射敏感性，有些脑区对辐射的耐受性较高，因此当辐射剂量超过某个阈值时才会出现明显改变^[34]。有研究认为，与低剂量相比，高剂量（30 Gy）引起的组织学改变更早、更严重^[35]。

       值得注意的是，虽然本研究发现了很多随放疗进程变化的脑区，但我们发现，在放疗前后左侧小脑随着剂量的增加体积的差值反而在减小。先前研究发现，双侧颞叶和双侧海马的体积以及右侧岛叶功能连通性均会随着该区域平均剂量的增加而减小，辐射剂量会对灰质体积及脑功能产生直接影响^{[10, 11,13]}。但是随着时间的延长，这些脑区部分灰质体积得到了恢复，放疗后局部毛细血管代偿性增生，使得脑区局部灌注增加，引起胶质细胞增生^{[22, 23]}。我们推测可能是由于脑损伤后出现了一定的代偿效应，与胶质细胞的增生有关。因此，临床上合适和安全的剂量对于保护这些脆弱区域至关重要。本研究的结果补全了大脑随放疗进程的变化曲线，有助于深入理解迟发放射性脑损伤的发生和发展机制。

       通过我们的研究带来以下启示。首先，放疗、疾病进展、辅助治疗方式和个体差异因素可能综合决定了大脑结构和功能的辐射易感性^[12]。其次，未来研究需要更大的样本量，并且需要识别和测量各种混淆变量。因此，本研究虽然提示了放疗期间大脑灰质体积变化的影像证据，但是，距离建立放疗和大脑变化之间的因果模型还为时尚早，亟待跨学科和多中心的研究。

3.3 本研究的不足和未来研究方向

       虽然本研究填补了放疗期间大脑灰质体积改变的研究空白，但是，本研究仍存在一些不足，有待在未来研究中持续改进。首先，纵向研究中被试易失访，导致本研究的样本量较小，可能制约了本文结论的推广性。尽管如此，本研究的数据集仍是目前国内外为数不多的针对放疗期间大脑变化的MRI数据集。其次，由于缺乏长期追踪数据，本研究未能阐明早期的灰质体积改变和迟发性损伤之间的因果关系。未来研究应采用多中心，纵向追踪设计，增加样本量，并随访长期的认知功能改变。

       综上所述，本研究采用基于体素形态学的方法，发现了颅脑放疗期间NPC患者灰质体积改变的初步证据，填补了颅脑放疗对大脑灰质早期影响的研究空白，表明了放疗期间的MRI结构影像及其高级处理方法的潜在临床意义。灰质的早期形态学改变和迟发放射性脑功能损伤之间的关联是未来研究的重点，开展多中心的纵向研究有望发展出迟发放射性脑损伤的早期影像标志物和预测模型。