0 引言

       阻塞性睡眠呼吸暂停（obstructive sleep apnea, OSA）的主要特征是在睡眠期间上呼吸道部分或完全阻塞引起反复的呼吸暂停或低通气，继而导致间歇性低氧血症、睡眠片段化等^[1]。OSA的患病率呈升高趋势，一项基于文献分析的研究估计全球30~69岁范围内的成年人中约9.36亿人为OSA患者，而中度到重度者约4.25亿人，OSA很可能逐渐成为一个比较严峻的公共问题^[2]。越来越多的证据表明，OSA可能会引发神经认知障碍，包括记忆力下降、注意力及警觉性降低、执行功能受损等，导致工作效率和生活质量下降^[3]。近年来，多种神经成像技术被应用于OSA的研究中，如基于体素的形态测量学^[4]、基于变形的形态测量学^[5]、功能MRI^{[6, 7]}等，通过研究OSA脑功能和结构等的变化来探讨OSA神经认知障碍的潜在神经病理机制。

       由于人体大脑由大约70%的水组成，水分子的扩散特性通常与组织的微观结构有关，任何微结构环境的破坏都可能导致水分子扩散的变化，这可以通过磁共振扩散成像技术进行非侵入性评估，从分子水平的角度来观察脑组织的改变情况^{[8, 9]}。扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）是OSA患者脑改变研究中最常运用的一种扩散成像技术，已有较多关于DTI方面的内容，可观察到OSA患者脑白质完整性降低等改变^{[10, 11]}。扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging, DKI）在DTI基础上有了重大改进，采用的是非高斯扩散模型，与DTI技术相比，DKI能更准确地反映脑组织微结构的变化，对异常微结构的显示更敏感^{[12, 13]}。目前，DKI已被用作各种神经退行性疾病的早期生物标志物，如轻度认知障碍^[14]、阿尔茨海默病^{[15, 16]}、帕金森病^[17]等，峰度信息可能会在常规MRI技术观察到形态学变化之前显示早期微结构改变，可以提供健康和病变脑组织的生理信息。目前已有部分研究通过DKI来观察OSA患者的脑组织微结构改变情况，例如VYAS等^[18]采用DKI技术通过使用全脑图谱分析模板前瞻性研究发现，OSA患者的平均扩散峰度（mean kurtosis, MK）、峰度分数各向异性（kurtosis fractional anisotropy, KFA）等4个峰度参数指标在许多脑分区均发生了改变，表明OSA患者存在广泛的脑组织微结构改变，但以上研究并没有在此基础上深入探讨认知功能与其之间的关系。本研究通过DKI技术的MK参数值来定量评价中、重度OSA患者脑组织的微结构改变情况，分析其与认知功能之间的相关性，进一步探究OSA患者认知功能改变的神经病理机制。本研究旨在通过DKI技术来观察OSA患者脑组织早期的微结构改变情况，为探究OSA患者认知功能障碍提供新的影像学依据，以期在OSA患者认知功能障碍的早期阶段进行及时诊察，有助于延缓其疾病进展、提高生活质量等。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       前瞻性纳入2021年10月至2023年12月于山西医科大学第六医院呼吸科新近诊断的、未经治疗的中、重度OSA患者40例（OSA患者组），同时收集本院体检人群中与OSA组年龄、性别、受教育年限相匹配的健康对照者40例（对照组）。

       OSA患者组纳入标准：（1）经整夜多导睡眠监测（polysomnography, PSG）确诊为OSA^[19]，呼吸暂停低通气指数（apnea hyponea index, AHI）≥15次/h的中、重度患者（诊断标准参考美国睡眠医学会2017年发布的诊断指南^[20]）；（2）年龄20~65岁，右利手；（3）体质量<125 kg。对照组纳入标准：（1）睡眠良好，夜间睡眠期间无打鼾或呼吸暂停发生、无日间嗜睡等症状；（2）年龄20~65岁，右利手；（3）体质量<125 kg。

       OSA患者组与对照组的排除标准：（1）患有非OSA的其他睡眠呼吸障碍疾病；（2）患有大面积脑梗死、脑肿瘤、脑外伤等神经系统疾病者；（3）患有严重焦虑、抑郁和其他精神类疾病者；（4）患有严重糖尿病、高血压等疾病者；（5）有幽闭恐惧症、MRI检查相关禁忌证等不能接受MRI检查者。

       本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经山西医科大学第六医院伦理委员会批准，批准文号：K202210。全体受试者均签署了知情同意书。

1.2 认知功能评估

       受试者于同一天在MRI检查前行蒙特利尔认知评估量表（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）评估，该量表评估包括视空间与执行功能、语言与抽象、记忆力等多个方面的认知功能。量表总分为30分，若得分≤26分，则评估为认知功能障碍^[21]。

       所有受试者的量表评估均由一名受过专业培训的神经内科医生（具有16年的工作经验的副主任医师）统一进行，该医生未被告知受试者的任何临床信息。

1.3 MRI图像采集

       使用GE 3.0 T SIGNA Pioneer MR扫描仪（GE Healthcare, Waukesha, Wisconsin）和21通道头颅线圈，采集所有受试者的头部MRI图像。首先对大脑进行MRI常规扫描，检查是否存在脑实质病变，然后行横轴位DKI和3D T1WI扫描。3D T1WI采用3D T1 MP-RAGE序列进行扫描，扫描参数为：TR 2384 ms，TE 2.5 ms，TI 1000 ms，翻转角8°，视野240 mm×240 mm，矩阵224×224，层厚1.1 mm，共146层，扫描时间为4 min 56 s。DKI扫描采用的是单次激发自旋回波平面回波成像技术，扫描参数为：TR 12 000 ms，TE 88.7 ms，视野240 mm×240 mm，矩阵120×120，层厚5.0 mm，层间距1.5 mm，b值分别为0、1000、2000 s/mm²，25个扩散编码方向，扫描时间10 min 48 s。

1.4 数据后处理

       MRI图像采集完成后，对MRI数据进行后处理及分析。使用iQuant软件（GE Healthcare，中国，北京）对DKI图像进行处理，生成MK参数图。结合3D T1WI结构图像和自动解剖标记图谱第三版（automated anatomical labelling atlas 3, AAL3）模板对MK参数图的特定脑区进行定量值提取。所有的数据处理采用SPM12工具包实现，并用Matlab（R2015b）编码实现数据批处理，数据处理流程参见图1。在SPM12中，将3D T1WI高分辨结构图像与参数图进行配准，对配准后的结构图像进行分割，并映射至蒙特利尔神经病学研究所（Montreal Neurological Institute, MNI）标准模板空间，获得原始数据空间到标准模板空间的变形场、映射至标准空间的灰质图像及白质图像。将变形场应用于MK参数图，获得映射至标准空间的参数图像。将标准空间的灰质图像、白质图像和参数图像均配准至预定义的标准脑掩模，该掩模的空间位置和解剖轮廓与AAL3模板均保持一致。在MNI标准空间，将AAL3模板分区与标准空间灰质图像重合的区域作为灰质分区，计算标准空间参数图上相应位置的均值和方差，作为灰质分区的定量。同样地，AAL3模板分区与标准空间白质图像重合的区域作为白质分区，计算标准空间参数图相应位置的均值和方差，作为白质分区的定量。

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图1  MK参数图后处理流程示意图。MK：平均扩散峰度；MNI：蒙特利尔神经病学研究所；AAL：自动解剖标记图谱。
Fig. 1  MK parameter diagram post-processing flow diagram. MK: mean kurtosis; MNI: Montreal Neurological Institute; AAL: automated anatomical labelling atlas.

1.5 统计学方法

       统计学分析在统计软件SPSS 26.0中进行。Shapiro-Wilk检验用于评价计量资料数据的正态性，两组数据均服从正态分布者以（x¯±s）表示，并采用两独立样本t检验进行组间比较，若其中至少有一组数据不服从正态分布则用M（P25，P75）表示，采用Mann-Whitney U秩和检验进行组间比较，对各脑区的MK值结果进行Benjaminiand Hochberg法FDR校正。计数资料（如性别）用构成比表示，两组间比较采用χ²检验。调整年龄、身体质量指数（body mass index, BMI）、受教育年限等潜在混杂效应后，采用偏相关分析方法对OSA患者组有差异脑区的MK值与睡眠参数[AHI、最低血氧饱和度（lowest oxygen saturation, LSaO2）]、MoCA评分进行相关性分析。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料

       两组间的人口统计学及临床资料的比较如表1所示。OSA患者组和对照组之间在年龄、性别、受教育年限上差异无统计学意义（P>0.05），而在BMI方面差异有统计学意义（P<0.05）。

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表1  两组间人口统计学特征及临床资料的比较
Tab. 1  Comparison of demographic characteristics and clinical data between the two groups

2.2 两组间认知评分的比较

       OSA患者组的MoCA总分明显低于对照组，存在认知功能障碍，且与对照组相比，其视空间与执行功能、延迟回忆及抽象得分均偏低，差异有统计学意义（P<0.05），详见表2。

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表2  两组间认知评分的比较
Tab. 2  Comparison of cognitive scores between the two groups

2.3 两组间各脑区MK值的比较

       与对照组相比，OSA患者组20个脑区的MK值减低，包括双侧中央前、后回皮质、左侧扣带回、海马等脑区，两组之间的差异均有统计学意义（P<0.05，FDR校正），详见表3。图2为分别选取的某一OSA患者及健康对照者在基底节区层面的3D T1WI结构图像及MK伪彩图的示意图。

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图2  OSA患者及健康对照者的3D T1WI结构图及MK伪彩图示意图。2A为OSA患者（男，40岁）3D T1WI结构图；2B为OSA患者（男，40岁）MK伪彩图；2C为健康对照者（男，37岁）3D T1WI结构图；2D为健康对照者（男，37岁）MK伪彩图。其中右侧尾状核的MK值分别为0.564±0.046、0.592±0.050。OSA：阻塞性睡眠呼吸暂停；MK：平均扩散峰度。
Fig. 2  3D T1WI structure images and MK pseudo-color images of OSA patients and healthy controls. 2A is the structural image of 3D T1WI of a OSA patient (male, 40 years old); 2B is the MK pseudo-color image of a OSA patient (male, 40 years old); 2C is the structural image of 3D T1WI of a healthy control (male, 37 years old); 2D is the MK pseudo-color image of a healthy control (male, 37 years old). The MK values of the right caudate are 0.564±0.046, 0.592±0.050, respectively. OSA: obstructive sleep apnea; MK: mean kurtosis.

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表3  OSA患者组和对照组之间MK值有显著差异的脑区
Tab. 3  Brain regions with significant differences in MK values between OSA group and control group

2.4 两组比较有差异脑区的MK值与睡眠呼吸参数、MoCA评分的相关性分析

       在调整了年龄、BMI、受教育年限等混杂因素后，OSA患者组的LSaO2与右侧中央前回、后回皮质、双侧顶叶皮质的MK值呈正相关（r=0.446、0.350、0.456、0.442，P<0.05），延迟回忆评分与左侧海马的MK值呈正相关（r=0.353，P<0.05），具体见表4、图3。

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图3  OSA患者组MK值异常与睡眠参数、MoCA评分的相关性分析。3A~3D分别为LSaO2与右侧中央前回、后回皮质、双侧顶叶皮质MK值的相关性；3E为左侧海马的MK值与延迟回忆评分的相关性。OSA：阻塞性睡眠呼吸暂停；MK：平均扩散峰度；MoCA：蒙特利尔认知评估量表；LSaO2：最低血氧饱和度。
Fig. 3  The correlation between abnormal MK value and sleep parameters and MoCA score in patients with OSA. 3A-3D are the correlation between LSaO2 and the MK value of the right precentral gyrus, postcentral gyrus and bilateral parietal cortex; 3E is the correlation between the MK value of the left hippocampus and delayed recall score. OSA: obstructive sleep apnea; MK: mean kurtosis; MoCA: Montreal Cognitive Assessment; LSaO2: lowest oxygen saturation.

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表4  OSA患者组MK值异常与睡眠参数、MoCA评分的相关性
Tab. 4  Correlation between abnormal MK values and sleep parameters and MoCA score in OSA patients

3 讨论

       本研究通过采用DKI进行了基于图谱的全脑分析，研究结果显示，OSA患者组的MK值在大脑的许多解剖区域都有异常改变，表明OSA患者在较多脑区发生了微结构改变，且部分脑区的微结构变化与认知功能障碍存在一定的相关性，为探索OSA患者认知障碍的潜在神经病理机制提供了影像学依据。

3.1 OSA患者MK值改变与脑微结构损伤

       DKI是采用非高斯扩散模型的高阶扩散模型，通过峰度指标来量化组织中水分子非高斯扩散的程度，MK是DKI中最常运用的一个峰度参数，是指扩散峰度在各方向上的平均值，可以很好地反映大脑内组织微结构环境的复杂性^[22]。

       本研究通过基于全脑图谱的分析发现，与健康对照组相比，OSA患者组在DKI上存在多个脑区的MK值减低，广泛地涉及到了大脑的白质及灰质结构，这与先前文献报道的使用DTI对OSA研究所发现的平均扩散率（mean diffusivity, MD）变化相比^[23]，显示出了更广泛的脑区损伤，表明DKI比DTI对脑部微结构的损伤更敏感。LI等^[24]通过全脑DKI和DTI分析发现儿童OSA患者的脑白质区域主要表现为KFA及分数各向异性（fractional anisotropy, FA）值显著降低，而KFA值在脑区上有更广泛的改变，且受试者工作特征曲线分析显示部分脑区的KFA值可显著地区分OSA儿童和健康对照组。

       此外，MK测量的另一大优点是它有助于区分急性和慢性损伤，这在卒中相关的研究中也得到了此类结果。与正常脑组织相比，由灰、白质卒中引起的缺血性病变在急性损伤阶段显示出更高的MK值，这种MK值的增加被认为是缺血条件下引发的渗透不平衡，导致了细胞和轴突肿胀等，使得组织微结构环境的复杂性增加^[25]。脑卒中的其他研究表明，慢性损伤阶段MK值降低，这可能是由神经退化导致的纤维减少、收缩等变化所致^[26]。本研究发现OSA患者微结构改变脑区的MK值呈降低趋势，这可能是由于长期反复的间歇性缺氧缺血过程引发了持续的氧化应激、神经炎症反应等，导致髓鞘破坏、神经元、胶质细胞、突触和树突丧失以及细胞外间隙增加，组织异质性降低，水分子扩散受限程度减低，表明本组OSA患者脑损伤处于慢性损伤阶段，且本研究发现中央前、后回及顶叶皮质等脑区的MK值与LSaO2呈正相关，这说明OSA患者的脑组织微结构损伤随着疾病发展过程中缺氧程度的加重而加重。TUMMALA等^[27]的一项研究发现OSA患者全脑平均MK值和局部脑区MK值增加，他们认为这提示存在急性组织损伤，分析原因可能是由于缺血/缺氧导致细胞膜通透性受损和能量泵故障，神经组织体积分数变化（细胞毒性水肿及轴突、神经元肿胀）所致。由此推测MK在OSA脑损伤的不同阶段可能具有不同的变化趋势，这在临床上具有重要意义。因为OSA患者的确切病程很难清楚获知，多种因素可能导致诊断的延迟，而MK的变化趋势有助于判断神经损伤的不同阶段，这将有助于临床上治疗措施的选择。因此，在之后的研究中可以在更大样本量的基础上进行纵向研究，探讨OSA患者脑微结构急、慢性损伤在DKI相关参数值的变化规律。

3.2 OSA患者脑微结构改变与认知功能的关系

       已有相关研究表明OSA患者的睡眠障碍与整体认知功能下降相关^[28]，故本研究通过MoCA量表分析了成人中重度OSA患者的认知功能。研究结果显示，OSA患者组MoCA总分相较于对照组明显减低，存在轻度认知功能障碍，且其延迟回忆、视空间与执行功能等功能受到不同程度的影响，陈胡丹等^[29]的研究结果也有以上发现。此外，本研究还发现OSA患者的抽象功能也发生了一定程度的损害。越来越多的证据将认知衰退、阿尔茨海默病与OSA联系起来，所有年龄组的OSA和阿尔茨海默病的神经变性生物标志物之间存在联系，OSA可能有向阿尔茨海默病进展的趋势，睡眠片段化和夜间低氧血症通过介导氧化应激、神经炎症反应等病理过程损伤大脑的结构、功能等，这可能是造成认知缺陷的原因^[30]。持续气道正压通气治疗可以延缓轻度认知损害的发生，并有效改善OSA并发阿尔茨海默病患者的认知功能^{[31, 32]}。

       本研究发现，OSA患者脑组织微结构损害的脑区出现在对神经心理和认知控制重要的部位，尤其是海马、扣带回、大脑皮质等脑区的微结构损害会更多地影响到认知功能。在上述研究结果的基础上，进一步分析了OSA患者多个方面的认知功能与脑微结构改变之间的相关性，发现延迟回忆评分与左侧海马的MK值呈正相关。海马位于大脑颞叶内侧，属于边缘系统，是大脑的关键区域，负责齿状回和海马回路的神经发生和功能，主要承担学习和记忆等方面的功能^[33]。此外，海马极易受到缺氧和氧化应激的影响，OSA患者睡眠过程中的缺氧等异常病理生理变化可诱导神经炎性细胞因子的过度产生和细胞功能障碍，可能引发海马神经细胞的慢性损伤甚至凋亡，最终导致神经认知功能障碍^[34]。本研究发现左侧海马的MK值与延迟回忆评分呈正相关，这说明海马微结构的损伤可能是OSA患者记忆力下降的原因之一。

3.3 本研究的局限性

       首先，本研究的样本量相对较小，对群体比较和相关性分析的统计能力有限；其次，轻度OSA患者被排除在这项研究之外，这可能会影响将结果推广到整个OSA人群；第三，本研究仅为临床观察性研究，相关分析无法得出神经认知损害的确切机制，仅是为研究OSA疾病的潜在神经病理机制提供一个新的视角，为以后的研究提供一定的基础。

4 结论

       综上所述，中、重度OSA患者存在脑组织微结构损伤，广泛分布于大脑多个脑区，且部分异常脑区的MK值与睡眠监测结果、认知功能评分存在一定的相关性，为探讨OSA神经认知功能障碍的潜在神经病理机制提供了新的思路。