幼童脑干形态学与增龄发育的数字化特征

doi:10.12307/2024.220

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (11): 1730-1736.doi: 10.12307/2024.220

• 组织构建相关数据分析 Date analysis of organization construction • 上一篇下一篇

幼童脑干形态学与增龄发育的数字化特征

刘亚楠1，王星2，3，李琨2，3，孙瑞芬4，马雪英5，赵磊5，刘宇航1，杨洋1，郝韵腾1，李梓瑜1，张少杰2，3，李志军2，3

内蒙古医科大学，1研究生院，2基础医学院解剖学教研室，内蒙古自治区呼和浩特市 010110；3内蒙古医科大学数字医学中心，内蒙古自治区呼和浩特市 010059；4内蒙古医科大学第二附属医院影像中心，内蒙古自治区呼和浩特市 010000；5内蒙古医科大学附属医院影像中心，内蒙古自治区呼和浩特市 010030

收稿日期:2022-11-30 接受日期:2023-03-09 出版日期:2024-04-18 发布日期:2023-07-27
通讯作者: 李志军，教授，博士生导师，内蒙古医科大学基础医学院解剖学教研室，内蒙古自治区呼和浩特市 010110；内蒙古医科大学数字医学中心，内蒙古自治区呼和浩特市 010059 张少杰，教授，硕士生导师，内蒙古医科大学基础医学院解剖学教研室，内蒙古自治区呼和浩特市 010110；内蒙古医科大学数字医学中心，内蒙古自治区呼和浩特市 010059
作者简介:刘亚楠，女，1995年生，河北省石家庄市人，内蒙古医科大学在读硕士，主要从事脑与脊柱脊髓的数字化研究。王星，1979年生，内蒙古自治区乌拉特中旗人，博士，副教授，主要从事脊柱脊髓的数字化与临床应用解剖学研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81860383)、内蒙古自然科学基金(2020LH08021)，项目负责人：李志军；国家自然科学基金(81860382)、内蒙古自然科学基金(2020MS03061)、内蒙古高等学校青年科技英才支持计划(NJYT22009)、内蒙古自治区科技计划(2019GG158)、内蒙古医科大学科研重点项目(YKD2021ZD011)、内蒙古卫生健康委医疗卫生科技计划(202201217)，项目负责人：王星；内蒙古自然科学基金(2019MS08017)，项目负责人：张少杰；内蒙古自然科学基金(2022QN03002)、内蒙古医科大学青年基金(YKD2020QNCX055)，项目负责人：李琨

Digital characteristics of brainstem morphology and age-related development in young children

Liu Yanan1, Wang Xing2, 3, Li Kun2, 3, Sun Ruifen4, Ma Xueying5, Zhao Lei5, Liu Yuhang1, Yang Yang1, Hao Yunteng1, Li Ziyu1, Zhang Shaojie2, 3, Li Zhijun2, 3

1Graduate School of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China; 2Department of Anatomy, School of Basic Medicine, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China; 3Center for Digital Medicine, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China; 4Department of Imaging, Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010000, Inner Mongolia Autonomous Region, China; 5Department of Imaging, Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010030, Inner Mongolia Autonomous Region, China

Received:2022-11-30 Accepted:2023-03-09 Online:2024-04-18 Published:2023-07-27
Contact: Li Zhijun, Professor, Doctoral supervisor, Department of Anatomy, School of Basic Medicine, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China; Center for Digital Medicine, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China Zhang Shaojie, Professor, Master’s supervisor, Department of Anatomy, School of Basic Medicine, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China; Center for Digital Medicine, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China
About author:Liu Yanan, Master candidate, Graduate School of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China Wang Xing, MD, Associate professor, Department of Anatomy, School of Basic Medicine, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China; Center for Digital Medicine, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China
Supported by:
National Natural Science Foundation of China, No. 81860383 (to LZJ), 81860382 (to WX); Natural Science Foundation of Inner Mongolia Autonomous Region, No. 2020LH08021 (to LZJ), 2020MS03061 (to WX), 2019MS08017 (to ZSJ), 2022QN03002 (to LK); the Support Program for Young Scientists and Technologists in Higher Education Institutions of Inner Mongolia Autonomous Region, No. NJYT22009 (to WX); Science and Technology Program of Inner Mongolia Autonomous Region, No. 2019GG158 (to WX); Key Project of Scientific Research of Inner Mongolia Medical University, No. YKD2021ZD011 (to WX); Medical and Health Science and Technology Program of Inner Mongolia Autonomous Region Health and Health Commission, No. 202201217 (to WX); Youth Fund Project of Inner Mongolia Medical University, No. YKD2020QNCX055 (to LK)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

中脑前后径：大脑脚前缘中点与中脑导水管中点间距，其在MRI正中矢状面诊断进行性核上性麻痹中有重要作用。进行性核上性麻痹是一种神经系统变性疾病，MRI检查显示中脑及脑桥萎缩。
延髓脊髓角：在延髓和上颈髓段交界处，分别沿延髓与上颈髓腹侧面所划2条直线间的夹角。延髓脊髓角可直接显示延髓、上颈髓压迫程度，且不受其他因素干扰，如颅颈交界区畸形、延髓脊髓交界神经萎缩等。

背景：既往对脑干研究多集中于成人和胎儿，而对国人幼童脑干的增龄发育特征研究甚少。

目的：观测健康幼童脑干发育特征，探究其增龄差异及其与性别间的相关性。
方法：2019年1月至2022年4月对内蒙古医科大学附属医院174例2-6岁幼童颅颈部3.0T MRI图像行回顾性研究，测量脑干(含中脑、脑桥、延髓)正中矢状面径线、面积和角度。

结果与结论：中脑、脑桥、延髓前后径在2-5岁组，中脑、脑桥、延髓纵径和面积在2-6岁组总体随增龄呈递增趋势，除延髓纵径外均呈正相关(r > 0，P < 0.05)，在2-3岁组、4-5岁组期间处于快速生长发育阶段，这2个年龄组可作为幼童发育重点观测指标；脑桥前后径、纵径、面积和脑干总面积与年龄相关性较强，可作为其脑干发育重点观测指标。

https://orcid.org/0000-0002-2581-1016(刘亚楠)；https://orcid.org/0000-0003-0059-4921(王星)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 脑干, 径线, 面积, 夹角, MRI, 形态学发育特征, 幼童

Abstract: BACKGROUND: Previous brain studies have mostly focused on adults and fetuses, and the developmental characteristics of young children's brainstems have rarely been studied.
OBJECTIVE: To observe the brainstem development characteristics of healthy young children and to explore the age-related differences and their correlation with sex.
METHODS: From January 2019 to April 2022, a retrospective study of 3.0T MRI images of 174 children aged 2 to 6 years in the Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University was conducted, and the median sagittal diameter, area and angle of the brainstem (including midbrain, pons and medulla oblongata) were measured.
RESULTS AND CONCLUSION: There is an age-related increase in the anterior and posterior diameters of the midbrain, pons and medulla oblongata in the 2-5 years old group as well as in the longitudinal diameter and area of the midbrain, pons and medulla oblongata in the 2-6 years old group. Except for the longitudinal diameter of the medulla oblongata, all others show a positive correlation with age (r > 0, P < 0.05). In the 2-3 years old group and 4-5 years old group, the children are in the rapid growth and development stage, and these two age groups can be used as the key observation indicators for the development of young children. The anterior-posterior diameter, longitudinal diameter, area of the pons and total brainstem area are strongly correlated with age, which can be used as the key observation indicators for the brainstem development in young children.

Key words: brainstem, radial line, area, intersection angle, MRI, morphological developmental feature, young children

中图分类号:

刘亚楠, 王星, 李琨, 孙瑞芬, 马雪英, 赵磊, 刘宇航, 杨洋, 郝韵腾, 李梓瑜, 张少杰, 李志军. 幼童脑干形态学与增龄发育的数字化特征[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(11): 1730-1736.

Liu Yanan, Wang Xing, Li Kun, Sun Ruifen, Ma Xueying, Zhao Lei, Liu Yuhang, Yang Yang, Hao Yunteng, Li Ziyu, Zhang Shaojie, Li Zhijun. Digital characteristics of brainstem morphology and age-related development in young children[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(11): 1730-1736.

图/表（结果） 8

2.1 幼童脑干各指标性别间比较见表1-3。径线指标中，各年龄组脑桥前后径与延髓上段前后径均男大于女，但性别间无显著性差异(Ρ > 0.05，以下简称无差异)；中脑前后径性别间无差异(Ρ > 0.05)；延髓中段前后径5岁组、延髓下段前后径6岁组有显著性差异(Ρ < 0.05，以下简称有差异)。各年龄组延髓纵径均男大于女，且在2岁组有差异(Ρ < 0.05)，中脑纵径在2岁组、脑桥纵径在5岁组有差异(Ρ < 0.05)。面积指标中，除中脑外，其余均男大于女。中脑面积在各年龄段性别间无差异(Ρ > 0.05)；脑桥面积3岁组，延髓面积3岁组、5岁组和6岁组，脑干总面积除4岁组外性别间均有差异(Ρ < 0.05)。角度指标中，脑桥延髓角男大于女，且在6岁组有差异(Ρ < 0.05)，而中脑脑桥角和延髓脊髓角却无差异(Ρ > 0.05)。

2.2 幼童不同性别间脑干各指标与年龄的相关性分析见表4。径线指标中，性别间各前后径均与年龄存在正相关(r > 0，P < 0.05)，除脑桥前后径女童相关性略高外，男均高于女；男童中脑纵径与年龄存在正相关(P < 0.05)，但相关性较弱(r=0.342)，而女童无相关性(Ρ > 0.05)；男、女脑桥纵径均与年龄存在正相关(r > 0，P < 0.05)，男、女延髓纵径均不存在相关性(Ρ > 0.05)。面积指标中，男、女各面积均与年龄存在正相关(r > 0，P < 0.05)且男均高于女。角度指标中，只有男童脑桥延髓角与年龄存在正相关(P < 0.05)，但相关性较弱(r=0.348)。

2.3 幼童脑干各相关指标增龄变化单因素方差分析幼童脑干内部各结构随年龄变化较一致，所测指标近2/3峰值出现在5岁组。径线指标中，各前后径在2-5岁组总体随增龄呈递增趋势，且均在4岁和5岁组间有差异(Ρ < 0.05)，脑桥前后径与延髓上段前后径在2岁组和3岁组间也有差异(Ρ < 0.05)；各纵径在2-6岁总体随增龄呈递增趋势，中脑纵径各年龄段均无差异(Ρ > 0.05)，而脑桥和延髓纵径分别在4岁组与5岁组和2岁组与3岁组间有差异(Ρ < 0.05)，提示幼童在2岁组-3岁组、4岁组-5岁组(以下简称2-3岁、4-5岁)期间处于快速发育阶段；5岁组-6岁组期间前后径和纵径发育形态增减变化却相反。面积指标中，总体随增龄呈递增趋势，且均在2岁组、3岁组间有差异(Ρ < 0.05)，除延髓面积外，其余在4岁组、5岁组也有差异(Ρ < 0.05)，快速发育阶段与径线(2-3岁、4-5岁)变化相似。幼童期脑干各组成结构的面积比(中脑∶脑桥∶延髓)约为1∶3∶2。角度指标中，中脑脑桥角总体呈尖峰状，峰值位于4岁组，3岁组与4岁组间有差异(Ρ < 0.05)；脑桥延髓角总体呈递增趋势，2岁组和3岁组有差异(Ρ < 0.05)，延髓脊髓角总体呈递增趋势，在4岁组和5岁组、5岁组和6岁组间均有差异(Ρ < 0.05)，见表5-7。

2.4 脑干各指标与年龄间的相关性分析径线指标中，各前后径均与年龄存在正相关(P < 0.05)，其中脑桥前后径相关性较强(r > 0.5)；中脑纵径与年龄相关性较差(r=0.199，P < 0.05)，而脑桥纵径与年龄相关性较强(r=0.442，P < 0.05)，延髓纵径与年龄无相关性(P > 0.05)。面积指标中，各面积均与年龄存在正相关(P < 0.05)，其中脑桥面积和脑干总面积的相关性较强(r > 0.5)。角度指标中，只有脑桥延髓角与年龄存在正相关(P < 0.05)，但相关性较弱(r=0.220)，见表8。

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引言

材料方法

1.1 设计 3.0T MRI影像测量，各指标性别间差异用独立样本t检验，不同年龄组间差异用单因素方差分析，两两比较用LSD法；用 Pearson相关分析法分析各指标与性别、年龄间的相关性。
1.2 时间及地点实验于2021年9月至2022年4月在内蒙古医科大学附属医院影像诊断科完成。
1.3 对象在内蒙古医科大学附属医院影像诊断科对2019年1月至2022年4月期间174例(男92例、女82例)2-6周岁幼童颅颈部MRI图像进行回顾性研究。以周岁作为年龄选取标准，≥2周岁且 < 3周岁为2岁组(以下简称2岁组)，以此类推年龄分组。2岁组、3岁组、4岁组、5岁组、6岁组分别为22例、42例、34例、34例和42例。
纳入标准：MRI脑组织成像均无明显形态和信号异常。
排除标准：有神经系统、精神疾病和严重身心疾病史。
该研究符合内蒙古医科大学相关伦理要求(伦理批件号：YKD2018015，审批时间：2018-03-06)。采用回顾性研究，经内蒙古医科大学伦理委员会批准并同意免除知情同意，该研究方案实施符合《赫尔辛基宣言》和相关伦理要求。
1.4 方法
1.4.1 扫描参数扫描系统为GE Discovery 750 3.0 T超导磁共振扫描仪，头线圈，扫描层厚2 mm，矢状位T1W1扫描参数：TR：2 580.0 ms，TE：23.4 ms，ET：10 ms，矩阵：512×512，成像视野：24 cm×24 cm。
1.4.2 测量标准位及测量方法选取T1W1正中矢状位作为测量平面，即通过中脑导水管全长和第四脑室入小脑延髓池正中孔全长平面。根据杨军乐、张英、RUIZ等[9，11-13]测量法，在MRI工作站测量脑干各结构径线(精确度0.1 mm)、面积和相关角度，由2名影像主治医师对各指标进行2次重复测量，测量间隔至少2周，对2次测量数据进行组内相关系数一致性分析后，证明具有良好一致后结果取平均值。

1.5 主要测量指标见图1。

1.5.1 脑干相关径线 ①中脑前后径：大脑脚前缘中点与中脑导水管中点间距；②脑桥前后径：脑桥前缘中点至第四脑室底最短距离；③延髓上段前后径：横过脑桥下切迹至延髓背侧最短距离；④延髓中段前后径：延髓前缘中点至背侧中点间距；⑤延髓下段前后径：延髓下段最短前后径；⑥中脑纵径：中脑纵轴最长距离；⑦脑桥纵径：脑桥纵轴最长距离；⑧延髓纵径：延髓纵轴最长距离。
1.5.2 脑干相关面积 ①中脑面积：沿中脑轮廓滚动测量至桥脑交界；②脑桥面积：沿脑桥轮廓与中脑及延髓交界滚动测量；③延髓面积：沿延髓轮廓滚动测量。
1.5.3 脑干相关角 ①中脑脑桥角：沿中脑腹侧面与脑桥上侧面平行线的夹角；②脑桥延髓角：沿脑桥下侧面与延髓腹侧面平行线的夹角；③延髓脊髓角：沿延髓腹侧面与上颈髓腹侧面平行线的夹角。
1.6 统计学分析所测数据使用IBM SPSS 23.0统计软件进行处理，数据以x±s表示。性别间用独立样本t检验，年龄组间比较用单因素方差分析，两两比较用LSD法；各测量指标与性别、年龄相关性分析用Pearson相关系数(r)评估其相关性，确立检验水准α=0.05，P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

脑干上接间脑，下续脊髓，是人脑最原始结构部分之一，内含除嗅觉(Ⅰ)、视觉(Ⅱ)和部分副神经节(Ⅺ)以外的所有脑神经核[14]。脑干可调节循环、呼吸和中枢神经系统，具有意识觉醒及调节睡眠周期等复杂功能，并与端脑、基底神经核、间脑、小脑和低级中枢脊髓间均有广泛密切的联系。由于脑干极其重要的高密度结构和复杂的解剖毗邻，对其进行影像学评估十分困难，如何确定其大小和准确位置为图像优化提出了极大的挑战[15]。目前国内外对儿童、成人脑干形态发育研究主要通过CT和MRI等成像技术进行，既往实验证实MRI较CT对脑干区域生长和萎缩变化显示效果更佳，能提供更精准可靠的解剖视图。临床有诸多脑部疾病引发脑干诸结构径线和角度的变化，利用3.0T MRI正中矢状位可定量观测、分析和评价脑干疾病。在评估各年龄幼童脑干发育特征方面MRI测量快速实用，从中获得增龄特征是评估其发育规律的重要指标之一，如中脑前后径减少是预测异常发育的重要信号。相较于成人，目前利用MRI针对各年龄幼童脑干发育特征研究鲜有报道，导致临床上缺乏量化指标和统一评价标准，临床评估大多基于医生的视觉印象和实践经验。
该研究参照杨军乐、张英、RUIZ等[9，11-13]利用MRI对成人脑干径线、面积及延髓脊髓角测量所采用的标准，增加了幼童中脑脑桥角和脑桥延髓角等指标。选取正中矢状位T1WI图像，易于辨认，有助于建立规范测量标准，为幼童脑干研究、应用奠定基础。
DOVJAK等[16]利用MRI对奥地利15-40周龄胎儿进行研究，妊娠中、晚期面积比(中脑∶脑桥∶延髓)从2∶1∶1变化到2∶3∶2，反映了妊娠中晚期脑桥的增长率显著。而该研究国人幼童中脑、脑桥、延髓面积随增龄呈增长趋势，其面积比(中脑∶脑桥∶延髓)约为1∶3∶2，提示幼童期脑桥、延髓生长较为显著，与胎儿期有所不同。
REININKO等[17] 2021年观测芬兰4个月-86岁间174名受试者，结果显示矢状面的延髓中段前后径在6岁时几乎达成人大小，脑桥前后径10-20岁间继续增加。而该研究国人幼童脑桥前后径、延髓中段前后径数值在2-6岁测定范围内结果与其相似；MANGESIUS等[18]、METWALLY等[19]报道中脑增龄变化较脑桥更显著，而国人幼童则是脑桥增龄变化更为显著。JANDEAUX等[20]认为法国儿童脑干4岁前生长相对快速，之后生长较慢，与该研究2-5岁儿童脑干生长相对较快，尤其是4-5岁期间有所不同。POLAT等[21]2020年报道用MRI观测18-65岁土耳其成人受试者，提示中脑和脑桥纵径性别间存在显著差异，且脑桥前后径31-40岁才达到峰值，提示30岁后仍在发育。而该研究中脑与脑桥纵径分别在2岁组、5岁组有性别间差异(Ρ < 0.05)，脑桥前后径约5岁时达峰值，且中脑与脑桥前后径和脑桥纵径较成人略大；这些指标的偏差可能与人种或地区差异有关。
与杨军乐等[9]、LIANG等[22-23]测量成年国人数据比较，该研究幼童中脑、脑桥、延髓上下段前后径和面积、脑桥纵径均较成年国人小，可见6岁后仍在继续发育增长；6岁幼童延髓脊髓角为161.91°，与韩建邦等[13]成人结果相近，可见幼童延髓脊髓段曲度变化已趋于成年国人。
该研究发现脑干内部各结构发育随性别变化总体较一致，某些指标各年龄组存在差异。径线指标各年龄组脑桥与延髓上段前后径、延髓纵径均为男童大于女童；延髓中段前后径5岁组、延髓下段前后径6岁组、延髓纵径和中脑纵径2岁组、脑桥纵径5岁组性别间均有显著性差异。面积指标除中脑外，其余均男大于女；脑桥面积3岁组、延髓面积3岁组、5岁组和6岁组、脑干总面积除4岁组外性别间均有显著差异。脑桥延髓角男大于女，且在6岁组有差异，而中脑脑桥角和延髓脊髓角无差异。
该研究发现幼童脑干内部各结构随年龄变化总体较一致，但其各部分的发育阶段和速率不尽相同。各前后径在2-5岁组、各纵径和面积在2-6岁组总体随增龄而呈递增趋势，除延髓纵径外均呈正相关性，且在2-3岁、4-5岁间处于快速生长发育阶段，故这2个年龄组可作为幼童脑干发育重点观测指标。脑桥前后径、脑桥纵径、脑桥和脑干总面积与年龄相关性较强，即形态发育大小随增龄而显著增加，也可作为幼童脑干发育重点观测指标。各角度指标中，中脑脑桥角总体呈尖峰状，而脑桥延髓角、延髓脊髓角总体呈递增趋势，三者在不同年龄组间存在差异，仅脑桥延髓角与年龄存在正相关，但相关性较弱。
另有国内外学者对脑干、小脑等基于MRI体积测量[24-30]，但这种方法耗时耗力，不便于研究，且需特定MRI软件进行处理。该研究较以往报道有如下特点：①填补了2-6岁国人幼童脑干诸结构测量内容，分析出幼童脑干发育显著变化年龄段和相关指标；②相较于体积测量法，线性测量具有更灵活快速、无需其他软件、易于在影像上获取等优点，且更适合临床需求；③对脑干各部位测量了更多指标，且该研究对国人幼童增龄变化与性别差异等进行了分析。这些为临床诊疗其发育异常相关疾病提供了形态学基础，有助于脑干术前影像学评估和手术规划。
研究也存在局限性：受回顾性研究限制，未收集幼童体质量和身高等个体间变异数据，可能会影响测量结果；其次，因幼童无论活体、尸体等样本收集均十分稀缺和困难，2岁组样本量较少，后续将扩大样本量并收集身高、头围、颈围、体质量指数、地理、民族等相关因素，分析计算出评估国人幼童脑干发育简化公式，将更有利于临床推广应用。
综上，利用MRI扫描能更清晰、直观地显示幼童脑干的增龄发育特征，MRI测得脑干发育形态数据及不同年龄、性别之间进行比较，可作为评估发育和进一步研究脑干相关疾病提供基础依据。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

幼童脑干形态学与增龄发育的数字化特征

Digital characteristics of brainstem morphology and age-related development in young children

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