0 引言

       据《全球癌症统计2020》报告，中国的鼻咽癌（nasopharyngeal carcinoma, NPC）年发病数和死亡数分别约占全球总数的46.9%和43.0%^[1]。目前，放射治疗仍是NPC的主要治疗手段^[2]。经规范治疗后，患者的五年生存率可达80%左右^[3]。然而，由于鼻咽部邻近颅底，放疗过程中大脑正常组织不可避免地暴露于一定剂量的辐射，从而带来潜在的神经毒性风险。海马作为位于颞叶内侧的重要脑区，被认为是大脑中最辐射敏感的区域之一，在学习、记忆及空间导航等高级认知功能中发挥核心作用^{[4, 5]}。探讨放疗早期海马结构的动态变化特征，对于制订和优化神经保护策略具有重要的临床意义。

       近年来，影像学研究已开始关注放疗后海马形态学的改变^{[6, 7, 8]}。例如，一项研究通过基于体素的形态学比较，发现左侧海马在放疗后显著萎缩^[6]。另有研究表明，接受全脑放疗的患者在放疗的早期阶段，海马体积显著减小，且与其他大脑区域相比，海马的体积减小比例更为明显^[9]。此外，有研究发现，接受高剂量放疗后的第一年，患者的海马总体体积平均减小约6%，且海马所受辐射剂量与体积减小的程度存在显著负相关^[10]。

       尽管现有研究为我们提供了放疗后海马形态学变化的重要信息，但目前多数研究仅聚焦于放疗后的晚期延迟效应，缺乏对放疗过程中海马动态变化的观察。近期的研究使用基于体素的形态学分析方法初步探讨了NPC患者在放疗过程中的脑灰质体积变化^[11]。然而，放疗过程中不同海马亚区的辐射敏感性尚未得到充分探讨。研究表明，海马亚区在解剖结构和细胞组成上存在显著差异^{[12, 13]}，这可能导致其对放疗的反应存在不同。因此，亟需对放疗过程中海马亚区进行更加细致的动态观察，以深入了解其对放疗的具体反应。

       本研究针对上述问题，拟采用前瞻性纵向研究设计，利用FreeSurfer软件对放疗期间的NPC患者的海马亚区进行精细分割，动态观察各亚区的体积变化趋势，以期为深入理解NPC患者放疗相关的海马损伤机制提供新的理论依据与研究视角。

1 材料与方法

1.1 一般资料

       本研究为前瞻性纵向研究，共纳入41例NPC患者，所有患者均于2019年3月至2025年4月间在中国科学院合肥肿瘤医院接受治疗。本研究已通过中国科学院合肥肿瘤医院医学伦理委员会审核（批准编号：PJ-KY2019-002，Y-2020-20），并严格依照《赫尔辛基宣言》中的伦理规范执行。所有参与者在研究开始前均签署了知情同意书。

       纳入标准：（1）经组织病理学确诊为初次发病的NPC患者；（2）在接受治疗前已完成MRI及计算机断层扫描（computed tomography, CT）影像学检查，且影像结果符合诊断标准；（3）具备完整的临床信息资料；（4）年龄在18岁以上，且为右利手。排除标准：（1）存在MRI禁忌证者；（2）伴有颅内肿瘤病变者；（3）既往有脑血管疾病史者；（4）患有糖尿病、高血压或其他系统性疾病者；（5）因复发需再次放疗，或在治疗过程中中断者；（6）影像数据质量不符合分析要求者，例如受运动伪影干扰等情况。

1.2 治疗

       本研究中，所有患者均在Elekta Infinity直线加速器（Elekta AB，瑞典）上完成调强放射治疗。根据当前鼻咽癌临床放疗规范，分别勾画原发病灶区、转移淋巴结、高风险临床靶区及低风险临床靶。同时标注脑干、脊髓、视神经、晶状体、腮腺及海马等重要危及器官，并参照相应剂量限制标准实施保护性设计。治疗过程中，所有患者均佩戴个体化口含器，从而有效减少口腔黏膜的反应。

       治疗计划采用Monaco治疗计划系统（版本6.00.11，Elekta Solutions AB，瑞典）制订。NPC根治性放疗的计划靶区（planning target volume, PTV）剂量为69.96 Gy（33次分割，每次2.12 Gy）或73.92 Gy（33次分割，每次2.24 Gy），每天1次，每周5次，总放射治疗时间为6~7周。放疗方案参照放射治疗肿瘤学小组（radiation therapy oncology group, RTOG）0225指南^[14]，确保≥95%的PTV接受规定剂量。同期化疗方案依据鳞状细胞癌病理特点和患者耐受情况进行调整。标准治疗方案为紫杉醇（深圳万乐药业有限公司，中国）联合顺铂（云南植物药业有限公司，中国）；对于无法耐受顺铂的患者，则改用每周一次的调整剂量进行尼莫单抗（百泰生物药业有限公司，中国）治疗。为预防化疗相关的恶心呕吐及过敏反应，患者接受小剂量地塞米松（安徽长江药业有限公司，中国）。

1.3 MRI数据采集

       在整个放疗过程中，患者分别于治疗前（开始前12天）、治疗中期（第19至20天）及治疗完成后（结束后1至2天）共接受3次颅脑MRI检查。已有研究表明，在放疗进行中时，大脑多个区域出现结构改变，因此该阶段扫描有助于捕捉早期变化过程^{[11, 15]}。所有MRI检查均采用荷兰飞利浦公司生产的Achieva 3.0 T超导型磁共振扫描仪，配置8通道敏感度编码技术头部相控阵线圈。

       所采用的3D T1WI扫描参数为：TR 7.27 ms，TE 3.30 ms，FA 8°，层厚1 mm，无层间隔，扫描矩阵240×240，FOV 240 mm×240 mm，并行采集技术加速扫描。图像采集时为4 min 59.3 s。

1.4 MRI数据处理

       所有TIWI图像在目视检查伪影后均纳入分析。海马及其亚区的自动分割采用FreeSurfer图像处理软件（版本7.3，Athinoula A. Martinos生物医学影像中心，美国，网址：https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu）。鉴于本研究采用纵向设计，使用FreeSurfer提供的纵向管道以减少个体内的可变性^[16]。具体而言，首先为每位受试者的多时间点MRI数据构建初始分割和蒙板，并生成个体内模板，以提高各时间点分割的一致性和精度。接着，通过一系列处理步骤，包括去除颅骨、图谱配准、球面表面图生成和分区，这些步骤均基于个体内模板中的共同信息进行初始化，从而显著提高了数据的可靠性和统计功效。随后，采用基于贝叶斯推理的海马亚区纵向分割算法进行海马分割，该算法源自IGLESIAS等^[17]构建的高分辨率解剖图谱。已在多项神经退行性疾病与放疗相关研究中验证其良好的分割精度与可重复性。研究涉及的海马亚区包括旁下托、前下托、下托、海马角（cornu ammonis, CA）1、CA3、CA4、齿状回颗粒细胞层（granule cell-molecular layer-dentate gyrus, GC-ML-DG）、分子层、海马-杏仁核过渡区（hippocampal amygdala transition area, HATA）、海马伞、海马尾和海马裂^[17]。分割结果由2名具有丰富经验的影像科医生（分别具有5年和10年工作经验的主治医生）审核以确保准确性。海马亚区的分割示意图见图1。

       放疗剂量信息来源于每位患者的三维剂量分布图，该剂量图与计划用CT图像共享同一坐标空间。随后利用CT与T1WI序列之间的配准参数，将剂量图转换至T1WI图像空间，以实现剂量分布与结构分区之间的配准。在已完成空间对齐的剂量图中，基于海马掩膜提取双侧海马区域内平均剂量，用于后续分析放疗剂量与海马亚区体积变化之间的相关性。为增强剂量分析的可信度，图2展示了典型患者的剂量分布图。

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图1  海马亚区的分割示意图。1A~1C分别为冠状面、矢状面与横断面上的结构图像，展示通过FreeSurfer软件对双侧海马的亚区分割结果。局部放大图中用不同颜色标注了各亚区结构。CA：海马角；GC-ML-DG：齿状回颗粒细胞层；HATA：海马-杏仁核过渡区。
Fig. 1  Segmentation diagram of hippocampal subfields.1A-1C show coronal, sagittal, and axial structural images, respectively, demonstrating the segmentation of bilateral hippocampal subfields using the FreeSurfer software. The enlarged insets highlight the subfields labeled in different colors. CA: cornu ammonis; GC-ML-DG: granule cell-molecular layer of the dentate gyrus; HATA: hippocampus-amygdala transition area.

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图2  不同视角下的放射剂量分布图。2A显示横断面上的剂量分布；2B为冠状面；2C为矢状面。图中彩色标尺表示剂量水平，红色代表高剂量，蓝色代表低剂量，单位为Gy。
Fig. 2  Radiotherapy dose distribution in different anatomical views. 2A shows the dose distribution in the axial view; 2B presents the coronal view; 2C displays the sagittal view. The color scale in the figure represents the radiation dose levels, with red indicating high dose and blue indicating low dose, in units of Gy.

1.5 统计学分析

       所有统计分析均在R软件（版本4.5，R Foundation for Statistical Computing，奥地利，网址：https://cran.r-project.org）中完成。本研究采用线性混合效应模型（linear mixed model, LMM）进行统计学分析，将时间点作为固定效应自变量，海马各亚区的体积作为因变量。为控制个体间的基线差异，模型中引入受试者作为随机截距项，并将年龄和性别作为协变量进行调整。随后，采用边际均值估计法进行各时间点之间的配对比较。

       为进一步探讨海马亚区体积变化与放射剂量的关系，本研究进行了相关性分析。首先计算每位患者在放疗前、放疗中期和放疗后的海马亚区体积差异，并采用Pearson相关分析评估这些体积变化与相应脑区海马的平均放射剂量之间的关系。

       为控制多重比较带来的假阳性风险，本研究采用FWE校正，具体使用Bonferroni方法进行调整。共分析双侧12个海马亚区及双侧整体海马在内的26个解剖区域，于3个时间点之间进行两两比较（即放疗前vs.放疗中、放疗中vs.放疗后、放疗前vs.放疗后），共计78次比较（26×3）。文中报告的所有P值均为Bonferroni校正后的结果，显著性判断基于校正后P<0.05的标准，以确保统计推断的稳健性与可信度。

2 结果

2.1 一般资料

       本研究共纳入NPC患者41例（女6例，男35例），年龄（52.00±10.58）岁。T分期为T2期12例，T3期19例，T4期10例。病变部位分布为左侧16例，右侧13例，双侧10例。所采用的化疗方案以常规化疗药物联合铂类方案为主，共34例；另有7例患者接受了含尼妥珠单抗的靶向联合治疗方案。

2.2 放疗过程中海马亚区体积的纵向变化

       放疗过程中，多个海马亚区的体积发生了显著变化（表1）。与放疗前相比，放疗中期，双侧海马、前下托、CA1、CA3、CA4、GC-ML-DG、分子层、HATA、尾部以及右侧下托的体积均显著减少（FEW校正，P<0.05）。放疗结束后，除左侧HATA和右侧前下托，其他海马亚区的体积继续显著减小，同时右侧海马伞的体积也出现了减小（FEW校正，P<0.05）。为了更清晰地展示，本研究选择了放疗中期与放疗前、放疗结束后与放疗前体积变化P值均小于0.001的海马亚区进行展示（图3）。

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图3  放疗前、中、后海马亚区体积的变化。图中显示了接受放疗的受试者在3次MRI扫描时间点（放疗前、放疗中、放疗后）期间，不同海马亚区的体积变化情况。3A~3D分别对应左侧齿状回颗粒细胞层、左侧分子层、左侧海马尾部以及右侧分子层，这些区域在放疗中与放疗前、放疗后与放疗前之间的体积变化均具有统计学显著性（P<0.001）。每个散点代表一位受试者的体积测量值，蓝色、橙色和绿色分别表示放疗前、放疗中和放疗后；箱线图展示各时间点的中位数及四分位范围。黑色趋势线为基于线性混合模型拟合的体积变化结果。
Fig. 3  Longitudinal changes in hippocampal subfield volumes across radiotherapy. Volume changes of representative hippocampal subfields are shown at three MRI time points: pre-, mid-, and post-radiotherapy. 3A-3D depict the left granule cell layer of the dentate gyrus, left molecular layer, left hippocampal tail, and right molecular layer, respectively. Significant volume reductions are observed from pre- to mid-treatment and pre- to post-treatment (P < 0.001). Colored dots represent individual measurements; box plots illustrate medians and interquartile ranges. The black line indicates volume trends estimated by a linear mixed-effects model.

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表1  放疗过程中海马亚区体积变化的统计结果
Tab. 1  Statistical results of hippocampal subfield volume changes during radiotherapy

2.3 放疗剂量对海马亚区体积变化的影响

       放疗后，左侧海马尾部的体积变化与左侧海马放疗剂量存在显著负相关关系（r=-0.555，P=0.004），如表2所示，结果具有统计学意义。为便于直观展示该相关性，图4绘制了左侧海马尾部体积变化与左侧海马放疗剂量之间的散点图。

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图4  鼻咽癌患者放疗后左侧海马尾部体积变化与放疗剂量的相关分析。图中每个散点代表一名受试者的数据，蓝色实线为皮尔森相关分析所得的回归趋势线，阴影区域表示95%置信区间。
Fig. 4  Correlation analysis of volume changes in the left hippocampal tail and radiation dose after radiotherapy in nasopharyngeal carcinoma patients. Each dot represents an individual patient. The blue solid line represents the regression trend derived from Pearson correlation analysis, with the shaded area indicating the 95% confidence interval.

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表2  放疗剂量对海马亚区体积变化影响的统计结果
Tab. 2  Statistical results of the effect of radiotherapy dose on hippocampal subfield volume changes

3 讨论

       本研究对NPC患者在放疗过程中的海马亚区体积变化进行了纵向研究，并评估了这些变化的剂量依赖性。结果表明，与放疗前相比，放疗中期和放疗后期多个海马亚区的体积显著减少，尤其是全海马、GC-ML-DG、分子层及海马尾部。其中左侧海马尾部的体积变化与放射剂量呈显著的剂量依赖关系。研究揭示了在放疗期间，NPC患者的海马亚区已经发生了结构性变化，且不同亚区对放疗的敏感性存在差异。这一发现填补了放疗过程中NPC患者海马亚区变化研究的空白，具有重要的临床意义。

3.1 放疗期间海马及其亚区的体积变化

       辐射作用于神经元、胶质细胞和血管内皮细胞，能够引发炎症反应和氧化应激，进而逐步导致神经组织的损伤^{[18, 19]}。研究表明，即使是极低剂量的电离辐射，在治疗后数小时内也会对细胞凋亡相关的多种代谢途径产生不利影响^[20]。海马是成人大脑中为数不多的保持神经发生能力的区域之一^[21]，而放疗可能对海马的神经发生过程产生负面影响，抑制神经干细胞的增殖、分化以及向神经元的转化，进而可能导致认知功能的衰退^[18]。

       本研究发现，在放疗过程中，NPC患者双侧全海马会发生显著的体积减小，提示海马萎缩可在放疗早期即出现，这一发现拓展了既往主要集中于放疗后数月的相关研究^{[6, 7, 8]}。已有多项针对其他颅脑肿瘤（如胶质瘤）的研究提供了相似证据，进一步支持放疗对海马结构影响的广泛性。RASCHKE等^[22]发现，胶质瘤患者术后接受放疗后，海马体积随时间和平均接受剂量显著减少，一年内平均萎缩达5.2%，为所有观察脑区中降幅最大，提示海马对放疗高度敏感。LEE等^[23]亦报道，胶质瘤患者术后放疗后海马体积明显减小，且年龄较大和女性患者体积减小更为明显。在本研究对海马亚区的进一步分析中，我们发现，与放疗前相比，放疗中期和放疗后的NPC患者在GC-ML-DG、分子层以及海马尾部的体积上出现了显著减小。

       齿状回作为海马的重要组成部分，具有独特的细胞结构，包括分子层、颗粒细胞层和多形性层，是成人大脑中神经发生最为活跃的区域之一^{[24, 25]}。该区域的神经发生对于记忆形成和情绪调节具有重要作用。HOLIKOVA等^[26]的研究发现，脑转移放疗引起的萎缩主要发生在齿状回，尤其是在与神经发生密切相关的颗粒细胞层。系统评价的结果也表明，脑辐射常常导致海马齿状回中新生神经元的减少，进而伴随认知功能障碍，尤其是记忆和学习能力的下降^[5]。在放疗过程中，本研究同样观察到GC-ML-DG区域的显著减小，这表明放疗在早期就可能对该区域产生影响，因此，早期干预显得尤为重要。

       海马尾部的萎缩对情感调节和应激反应产生了显著影响。研究表明，接受放疗的头颈癌患者抑郁和焦虑症状的患病率很高，抑郁症状在治疗完成后的几周内达到高峰^[27]。另外一项研究表明，与健康对照组相比，抑郁症患者的右侧海马尾部灰质体积显著减少^[28]。海马尾部体积的减小可能导致中脑-边缘多巴胺能奖励系统功能的紊乱，从而引发快感缺乏^{[29, 30]}。因此，海马尾部的结构性变化可能会对患者的日常生活、社交互动及情感健康产生深远的影响。

       值得注意的是，化疗可能是一个潜在的影响因素，已有研究证实化疗对大脑的影响。例如，研究发现，经历化疗的老年乳腺癌长期幸存者在化疗后5~15年，海马体积显著减小^[31]。另外，乳腺癌患者在化疗早期，其大脑皮层表面形态发生了显著变化，这些变化与癌症相关疲劳的纵向变化密切相关^[32]。虽然这些研究主要集中在乳腺癌幸存者群体，且目前尚无证据表明放疗对NPC患者的海马有早期影响，但未来通过将化疗组作为对照组进行研究，可能有助于进一步解决这一问题。

3.2 海马不同亚区的敏感性差异

       海马体被认为是一个高度复杂且具有显著异质性的结构，包含多个相互作用的亚区域^{[12, 33]}。在一项针对认知障碍患者的海马亚区研究中，发现下托、前下托和旁下托区域出现了显著的萎缩，而CA1和CA3的体积变化则相对较小^[34]。进一步的研究使用先进的MRI技术，在临床可行的时间内无创地调查了海马不同区域的血流情况。结果表明，海马亚区之间的灌注水平存在显著差异，尤其是CA1区的灌注水平最低，这进一步支持了各亚区在结构和功能上的差异^[35]。本研究发现海马亚区在放疗过程中表现出不同程度的体积变化，这些变化反映了各亚区对放射性损伤的选择性易感性。

       有趣的是，本研究还发现海马尾部的体积萎缩与放疗剂量之间呈显著负相关。随着放疗剂量的增加，海马尾部的体积减小更加明显。NGUYEN等^[36]近期在研究脑部放疗患者时发现，左侧海马尾区域的萎缩最为明显，且这一亚区的体积减小与患者记忆功能的下降密切相关。这一差异性提示，在临床放疗计划中，应特别关注海马不同亚区的剂量分布，必要时可考虑对关键亚区进行适当防护，从而降低认知副作用的风险。一方面，在放疗计划制订中，可将海马尾部设为重点保护区域，通过调强放疗或容积旋转调强放在保证靶区覆盖的前提下优化剂量分布，降低关键亚区的平均剂量。这一策略类似于海马回避放疗中对海马结构的常规防护，已具备良好的临床可行性。近年来，基于深度学习的自动分割已被证实可提升海马亚区勾画与剂量控制的一致性和效率^{[37, 38]}。这些方法可助力在治疗计划中精确设定特定亚区为保护目标，从而更有效地实现剂量规避。从而提高放疗的神经保护效应。

       本研究发现，左侧海马亚区的体积对辐射更为敏感。临床数据显示，放疗后左侧海马受损与认知功能，尤其是言语能力和智力水平的下降显著相关；而右侧海马的放射剂量与认知功能下降的关联则相对较弱，这表明左侧海马更易受到放疗的影响^[7]。这一差异促使研究者在全脑放疗中尝试采用“单侧海马保护”策略，重点保护左侧海马，以期减轻认知损伤^[8]。关于左右海马对放疗敏感性存在差异的具体原因，尚需进一步实验和更多证据加以验证。

3.3 本研究的不足和未来的研究方向

       本研究通过纵向设计揭示了NPC患者在放疗过程中海马亚区体积变化的某些规律，但仍存在一些局限性。首要限制因素是纳入研究的病例数量有限存在一定的性别比例不均现象，男性患者数量明显多于女性，这一分布趋势与NPC的流行病学特征一致。然而，性别差异可能在某些神经结构或放疗敏感性方面产生影响。但需要指出的是，本研究采用的影像数据集在国内外的相关研究中较为罕见，尤其是关于放射治疗过程中脑组织结构动态演变的MRI数据，具有重要的研究价值。其次，本研究主要聚焦于大脑结构的影像学变化，未能同步评估患者的认知功能，导致我们无法明确判断海马萎缩是否与记忆力或其他认知能力的下降直接相关。同时，影像数据采集仅基于T1WI序列，未能评估其他序列中的信号改变，从而限制了对脑组织微结构损伤的全面理解。最后，本研究尚未纳入健康对照组，这在一定程度上限制了对放疗引起的脑结构变化的特异性判断。未来研究可通过引入健康对照，扩大样本规模，并多模态MRI数据，结合标准化的神经心理评估工具，并开展多中心的长期随访，以系统评估患者认知功能的演变，进一步明确放疗相关脑结构改变的特异性及其与认知功能之间的关系。

4 结论

       综上所述，本研究通过纵向追踪NPC患者在放疗过程中的海马亚区体积变化，揭示了放疗对海马不同亚区的影响。结果表明，在放疗期间，多个海马亚区的体积出现了显著缩小，并且不同亚区对放疗的敏感性存在显著差异，尤其是海马尾部的萎缩与放疗剂量表现出剂量依赖性。这些发现为深入探索NPC患者放疗相关的海马损伤机制提供了新的理论基础，并为未来的研究方向和临床干预提供了重要的参考。