0 引言

       终末期肾病（end-stage renal disease, ESRD）指各种慢性肾脏疾病的终末阶段，一般肾小球滤过率降至15 mL/（min•1.73 m²）即可诊断^[1]。脑小血管病变常常合并脑白质高信号（white matter hyperintensities, WMH），在磁共振T2WI或液体抑制反转恢复（fluid attenuated inversion recovery, FLAIR）上表现为侧脑室旁或大脑深部白质斑点状或片状高信号区^{[2, 3, 4]}。有研究指出，ESRD可引起脑小血管或微血管疾病，患者相较于正常人更容易出现脑血管病变和WMH^{[5, 6, 7]}。近年来的研究常通过WMH视觉评分方式分析ESRD患者的2D-FLAIR图像，评估患者WMH严重程度^[8]。既往研究在多发性硬化的患者中发现，3D-FLAIR相较于2D-FLAIR具有对连续切片进行多平面重构的优点，能检测出更多的病灶，且图像具有更高的信噪比和对比度噪声比^[9]。结合目前已有的病灶分割工具（lesion segmentation tool, LST）自动化分割WMH区域，得到具体的WMH体积和空间分布，从而可以进一步对WMH进行定量分析研究，并且该工具操作便捷，具有一定的可靠性^{[10, 11]}。相关文献证实，不同的WMH空间分布模式与不同的潜在WMH病因相关^{[12, 13, 14]}。目前对于ESRD患者WMH的相关研究存在主观性强、精确度低等不足，且缺少有关ESRD患者WMH空间分布的研究，因此本研究将采用LST等工具检测ESRD患者3D-FLAIR图像上WMH病灶影像特征，进而定量分析ESRD患者与对照组WMH的体积和空间分布差异，提高对ESRD患者WMH严重程度评估的可靠性和可重复性，并结合ESRD患者临床生化指标及认知功能评分，分析其中的相关性，为ESRD患者脑损伤机制提供影像学依据及新方法。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究纳入2024年4月至2024年10月期间在安徽医科大学第一附属医院高新院区肾脏内科住院，且符合《肾脏病与透析患者生存质量指导指南》标准的ESRD患者。排除标准：（1）年龄70岁以上；（2）急性肾功能衰竭、肾移植手术患者；（3）既往患有急性心脑血管病史；（4）存在急性感染的患者；（5）既往病史存在颅内器质性病变；（6）存在神经精神心理疾病等；（7）存在严重糖尿病及冠心病、重大躯体疾病等；（8）存在药物、酒精、毒品等物质依赖或滥用史。同期招募与ESRD患者组年龄、性别相对匹配的志愿者作为对照组。除上述排除标准外，对照组排除患有高血压、糖尿病等身体疾病，且无肾病史。ESRD组所有受试者均控制血压在正常范围内，行头颅磁共振检查当天早上，空腹接受实验室生化检查，包括肾小球滤过率及血清白蛋白浓度。

       本研究遵守《赫尔辛基宣言》，得到安徽医科大学生物伦理委员会批准（批准文号：2024407），所有受试者均签署了知情同意书。

1.2 MRI检查

       ESRD患者组及对照组使用Philips Ingenia 3.0 T磁共振机器（16通道头线圈）和Siemens MAGNETOM Vida 3.0T磁共振机器（64通道头线圈）进行头颅MRI扫描及磁共振数据采集。研究对象头部用套垫固定，保持整个扫描期间头不动。扫描前告知患者保持清醒、全身放松状态。扫描时患者佩戴耳塞，减少机器噪声的影响。全部研究对象进行3D-T1WI及3D-FLAIR矢状位扫描。Philips设备扫描序列及参数：（1）3D-T1WI序列，TR 6.5 ms，TE 2.9 ms，层厚1 mm，层数211，层间距0 mm，矩阵256×256，视野（field of view, FOV）256 mm×256 mm，扫描时间6 min 12 s；（2）3D-FLAIR序列，TR 4800 ms，TE 281 ms，TI 1650 ms，层厚1 mm，层数160，层间距0 mm，矩阵256×256，FOV 256 mm×256 mm，扫描时间5 min 45 s。Siemens设备扫描序列及参数：（1）3D-T1WI序列，TR 2300 ms，TE 2.9 ms，层厚1 mm，层数208，层间距0 mm，矩阵256×256，FOV 256 mm×256 mm，扫描时间5 min 12 s；（2）3D-FLAIR序列，TR 4800 ms，TE 441 ms，TI 1650 ms，层厚1 mm，层数160，层间距0 mm，矩阵256×256，FOV 256 mm×256 mm，扫描时间5 min 33 s。

1.3 影像学数据处理及分析

       首先，原始3D-T1WI及3D-FLAIR数据利用Dcm2niigui（http://www.mricro.com）软件由DICOM格式转换成Nifti格式，然后基于矩阵实验室MALTAB R2018a（Matrix Laboratory, R2018a）数据处理平台，采用SPM12工具（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）中的CAT12（http://www.neuro.uni-jena.de）工具对所采集的磁共振图像进行质量分析和全脑体积计算，选择图像质量评分在B-及以上（噪声对比度<4%，非均匀性对比度<80%，图像体素分辨率<1 mm）的数据进行下一步分析^{[15, 16]}。使用SPM12的LST工具（version 3.0.0,http://www.statistical-modelling.de/lst.html）中的病灶预测算法（lesion prediction algorithm, LPA）自动分割被试者3D-FLAIR图像中的WMH，病灶图像阈值设为0.5，获得被试者WMH的病灶分布图和全脑WMH体积^[11]。应用脑功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging of the brain, FMRIB）数据软件库（FSL, http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/FSL），将病灶分布图和对应的3D-FLAIR图像共配准到MNI152_T1_1mm模板上。然后使用LST工具对配准后的分布图进行二进制转换，利用Mricron（www.mricro.com）软件将ESRD组及对照组的病灶分布图分别进行整合得到两组的病灶分布图。研究对象纳入排除流程见图1。

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图1  研究对象入组流程图。ESRD：终末期肾病。
Fig. 1  Process flowchart for enrollment of study population. ESRD: end-stage renal disease.

1.4 认知功能评分

       采用简易智能状态检查（Mini-Mental State Examination, MMSE）量表以及蒙提利尔认知评估量表（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）对受试者进行认知功能评估^{[17, 18]}。MMSE量表总分30分，分值越高表示认知功能越佳，评分>28为正常。MoCA量表总分30分，教育年限≤12年加1分，分值越高表示认知功能越佳，评分>26为正常。

1.5 样本量计算

       本研究为随机对照试验，试验组和对照组比例为1∶1，主要结局指标为研究对象WMH体积。根据既往文献报道数据^[19]，设β=0.2，把握度（Power=1-β）=80%，显著性水准双侧α=0.05，k=1，估算各组样本量为60，考虑10%脱落率，则各组需要样本量为66。

1.6 统计学分析

       使用SPSS 22.0统计学软件完成分析。对两组间年龄、教育水平、WMH严重程度（全脑WMH体积与全脑体积比）及认知功能评分进行Kolmogorov-Smirnov正态性检验，符合正态分布的以平均数±标准差（x¯±s）表示，采用两独立样本t检验，非正态分布的数据以中位数（四分间距）表示，采用Mann-Whitney U检验，两组间性别采用卡方检验，双侧P<0.05表示差异有统计学意义。

       使用Mricron软件将两组图像分别叠加到标准模板上显示，再利用其中的非参数映射（non-parametric mapping, NPM）软件对两组图片进行基于体素的病灶-症状映射分析（voxel-based lesion-symptom mapping, VLSM），两组数据采用Liebermeister检验，忽略10%个体，结果经过FDR校正，以P<0.05为差异有统计学意义，得到病灶分布差异图^{[20, 21]}。

       使用偏相关分析，将年龄和性别作为控制变量，检验ESRD患者WMH严重程度分别与认知功能评分、血清白蛋白和肾小球滤过率的相关性，P<0.05为差异有统计学意义。使用线性回归分析，将ESRD组的年龄、性别作为自变量，WMH严重程度、血清白蛋白和肾小球滤过率分别作为因变量，计算ESRD组WMH严重程度、血清白蛋白和肾小球滤过率的残差，并绘制ESRD组WMH严重程度残差与血清白蛋白残差、WMH严重程度残差与肾小球滤过率残差的散点图。

       将WMH严重程度作为检验变量，两组类别作为状态变量绘制ROC曲线。计算曲线下面积（area under the curve, AUC）、敏感度、特异度、约登指数。

2 结果

2.1 一般临床资料、WMH严重程度及认知功能评分统计学比较

       本研究共纳入ESRD组81例，对照组77例，两组间一般临床资料的差异性分析结果显示ESRD组年龄与对照组年龄差异无统计学意义（P=0.358）；ESRD组男女性别比与对照组间差异无统计学意义（P=0.567），ESRD组认知功能评分低于对照组（MoCA：P<0.001；MMSE：P<0.001）；ESRD组WMH严重程度（全脑WMH体积与全脑体积比）高于对照组（P<0.001）。详见表1。

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表1  ESRD组和对照组一般临床资料、认知功能评分及WMH严重程度分析结果
Tab. 1  Analysis results of general clinical data, cognitive function scores and severity of WMH in the ESRD group and the control group

2.2 ESRD组和对照组WMH分布图比较

       ESRD组和对照组病灶分布图分别叠加到标准模板上显示。两组间病灶分布图比较分析，结果显示双侧室周WMH分布比例差异具有统计学意义（Z值：1.914~6.483，P<0.05，FDR矫正）（图2）。

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图2  终末期肾病（ESRD）组和对照组脑白质高信号（WMH）分布结果图。2A：对照组病灶分布图，n表示病灶重叠数量；2B：ESRD组病灶分布图，n表示病灶重叠数量；2C：对照组与ESRD组病灶分布差异图（经FDR校正，Z值为1.914~6.483，P<0.05），高亮区域表示ESRD组WMH比例高于对照组，集中于侧脑室周围。
Fig. 2  Plots of white matter hyperintensities (WMH) distribution results for end-stage renal disease (ESRD) and control groups. 2A: Lesion distribution map of the control group, n represents the number of overlapping lesions; 2B: Lesion distribution map of ESRD group, n represents the number of overlapping lesions; 2C: The difference in lesion distribution between the control group and the ESRD group (FDR corrected, Z value: 1.914 to 6.483, P < 0.05), the highlighted area indicates that the proportion of WMH in the ESRD group is significantly higher than that in the control group, and it is concentrated around the lateral ventricle.

2.3 WMH严重程度与临床生化指标及认知功能评分相关性分析

       将年龄、性别作为控制变量，分别对ESRD组WMH严重程度与血清白蛋白、肾小球滤过率和认知功能评分进行偏相关分析，结果显示WMH严重程度与血清白蛋白水平呈负相关（r=-0.337，P=0.002），与肾小球滤过率呈负相关（r=-0.231，P=0.041），与MoCA和MMSE评分无关（P=0.922，P=0.761），见图3。

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图3  脑白质高信号（WMH）严重程度与临床生化指标的残差散点图。
Fig. 3  Residual scatter plot of white matter hyperintensities (WMH) severity and clinical biochemical indicators.

2.4 WMH严重程度的诊断效能分析

       将WMH严重程度作为检验变量，两组类别作为状态变量绘制ROC曲线。结果显示WMH严重程度诊断ESRD具有良好诊断效能（AUC=0.817；95% CI：0.751~0.884），最大约登指数为0.571，相应的敏感度为76.5%，特异度为80.6%（图4）。

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图4  脑白质高信号（WMH）严重程度ROC曲线。ROC：受试者工作特征；AUC：曲线下面积。
Fig. 4  ROC curve of white matter hyperintensities (WMH) severity. ROC: receiver operating characteristic; AUC: area under the curve.

3 讨论

       本研究首次将LST工具应用于ESRD患者的3D-FLAIR影像分析，并对WMH空间分布及严重程度进行定量分析，发现ESRD患者相较于对照组更容易出现室周WMH，且WMH严重程度与血清白蛋白水平和肾小球滤过率存在相关性，表明ESRD能引起脑室周白质变化，提示血清白蛋白可能参与WMH形成机制，为“肾-脑轴”理论提供了影像学依据，支持ESRD系统性代谢紊乱对脑白质的特异性影响。

3.1 ESRD患者室周WMH的病因分析

       本研究发现ESRD患者与对照组相比更容易出现室周WMH。YUSIPOV等^[22]通过分析慢性肾病患者炎症/免疫生物标志物的差异表达，发现ESRD患者具有一致的加速衰老表型；PLANTONE等^[19]发现慢性肾病患者WMH体积增加，且与年龄存在相关；PHUAH等^[13]将WMH分为5种独特的空间模式：额叶深部、脑室周围、皮质旁、顶叶和后部，并发现额叶深部WMH与小动脉硬化（高血压、糖尿病）的危险因素有关，而脑室周围WMH只与年龄有关，与脑小血管疾病危险因素和认知障碍无关；BACHMANN等^[23]在轻度认知障碍的患者中发现侧脑室后角和深部WMH与肾脏疾病有关。既往研究结果进一步支持ESRD患者更容易出现室周WMH的结果，提示ESRD存在加速患者衰老的机制^{[13, 15, 22]}。ESRD患者由于肾功能严重减退，一方面血液内的尿毒素不能经尿液清除，导致ESRD患者脑血管内皮功能障碍，血脑屏障被破坏，尿毒素在脑内蓄积；另一方面，ESRD患者促红细胞生成素减少，慢性贫血导致代偿性脑灌注增加，进一步加重尿毒素在脑内蓄积^[24]。尿毒素通过血脑屏障进入大脑不同区域，包括位于脑室下区的神经祖细胞壁龛^[25]。位于脑室下区的神经祖细胞有助于抵消代谢功能障碍或炎症过程，具有促进髓鞘生成的功能^[26]。尿毒素中的丙酮醛会诱导神经祖细胞死亡，阻止髓鞘生成，发展为脑白质脱髓鞘，最终导致室周WMH形成^{[27, 28]}。因此，推测ESRD患者由于尿毒症毒素在脑中蓄积，干扰神经祖细胞的生理功能，导致更易出现室周WMH。

3.2 ESRD患者WMH与临床生化指标及认知功能的相关性

       本研究结果表明，在ESRD患者中，血清白蛋白水平与WMH严重程度呈负相关，提示ESRD患者脑白质损伤可能与代谢紊乱有关。ZAHR等^[29]研究发现在酒精使用障碍和艾滋病患者中，血清白蛋白与室周WMH体积呈负相关，与本研究结果相符。血清白蛋白可调节胶体渗透压，影响生理循环系统功能，还具有抗炎、抗氧化作用^[30]。ESRD患者因肾小球受损，尿中排出大量蛋白尿；或伴有肝功能异常，合成蛋白减少，通常患有低白蛋白血症^[31]。当ESRD患者体内血清白蛋白长期减少，血浆胶体渗透压降低，水分渗出增多，积存于脑血管周围及细胞间质，在MRI上表现为WMH^[32]。此外，本研究发现肾小球滤过率与WMH严重程度呈负相关，提示肾功能下降会加重WMH，与WEI等^[33]的研究结果相符。结合既往文献报道和本研究结果，推测在ESRD患者中，血清白蛋白和肾功能下降会增加肾病患者脑损伤的风险。本研究结果表明，ESRD患者认知功能与对照组之间存在显著差异，但在控制年龄和性别后未发现ESRD患者WMH的严重程度与认知功能的相关性，与既往相关研究结果类似^[34]。推测ESRD患者WMH的形成可能受多种因素影响，未来需要更进一步加以研究。

3.3 WMH严重程度的诊断效能

       本研究通过ROC曲线分析WMH严重程度对于ESRD的诊断效能，结果显示AUC为0.817（95% CI：0.751~0.884），最大约登指数为0.571，相应的敏感度为76.5%，特异度为80.6%。WMH严重程度对于ERSD的诊断效能良好，提示WMH严重程度对鉴别ESRD具有一定的参考价值，说明WMH对于诊断ESRD脑白质损害具有重要价值。WMH严重程度与其他肾功能指标对ESRD的诊断效能比较有待进一步研究。

3.4 本研究的局限性及展望

       本研究存在一定的局限性：（1）纳入研究的样本量较少，未对研究对象是否透析及透析类型、是否患有认知障碍进一步分组讨论。未来可通过多中心大样本、队列研究等方式探索治疗干预对ESRD患者WMH的影响，并分析WMH与其他肾功能指标对ESRD的联合诊断价值。（2）本研究未对不同设备间WMH体积进行一致性检验，未来需要扩充样本量，比较不同设备参数对WMH检测的影响。本研究通过自动化识别分割WMH发现ESRD患者WMH分布存在一定特征性，未来可以进一步探索通过机器学习等方式联合AI进行辅助诊断分析的可能性。

4 结论

       综上所述，本研究通过LST工具自动分割ESRD患者和对照组3D-FLAIR图像中的WMH，结果显示ESRD患者脑室周围白质易于受到损伤，且与肾功能和血清白蛋白下降密切相关，WMH可作为有效判别ESRD脑白质损害的重要影像学指标。