基于功能磁共振成像的唇腭裂患者构音障碍康复训练脑机制研究

Abstract

唇腭裂（CLP）是口腔颌面部最常见的先天性缺陷。本研究采集23名未接受康复训练、存在构音障碍的CLP患者(Bclp组)和23名经康复训练后恢复构音清晰度的CLP患者(Aclp组) 在执行汉字发音任务时的功能磁共振成像数据，进行激活脑区分析，探索CLP患者经过构音障碍康复训练后脑机制的变化。研究发现，Aclp组的运动皮层、布罗卡（Broca）区、韦尼克（Wernicke）区、小脑等脑区明显激活，Bclp组的运动皮层等脑区仅表现出微弱激活，激活范围小。本文比较了具有组间差异的脑区和共同激活脑区的脑活动水平变化，发现康复训练使负向激活的脑区（小脑、左侧运动区、Wernicke区等）活动水平提升到正向；同时提升了微弱激活脑区（右侧运动区和Broca区等）的活动水平。本文研究结果提示，对CLP患者实施康复训练可提高CLP患者与构音清晰度相关脑区的活动水平，构音清晰度相关脑区的激活强度值可作为一种可量化的客观评价指标来评估康复训练效果，对康复训练方案的制定具有重要意义。

0. 引言

唇腭裂（cleft lip and palate，CLP）是人类最常见的颅面畸形，给患者日常生活带来不便，也给人类社会带来一定的公共卫生负担^[1]。每年，全球CLP患儿的出生率高达1/700，在亚洲（尤其是在中国和日本）高达1/500 ^[2]。从遗传学角度来说，临床上将CLP 分为非综合征型CLP（non-syndromic CLP，NSCLP）和综合征型CLP，其中NSCLP占CLP的绝大部分。NSCLP患者常伴有面部畸形、言语障碍、认知障碍等^[3-4]，对其生活质量、社交、工作、学习等方面造成很多不良影响。患者在接受手术治疗后，仍可能存在构音清晰度障碍，需要进行言语治疗或言语训练^[5-6]。

有文献报道，CLP患者大脑功能存在异常^[7]，例如：早期对CLP患者的脑功能进行比较研究发现，CLP患者发音时个体水平间大脑激活强度和范围与正常受试者相比存在差异，当发/ pa /或/ ka /音时，CLP患者的初级感觉运动皮层的激活度更强且激活范围更大^[8-9]。有研究指出，单侧完全性腭裂儿童与正常同龄人相比，在执行词汇处理任务上的熟练程度基本一致，都涉及到类似的神经解剖学功能^[10]。文献[11]报道，单纯腭裂的男孩(8～16岁)的阅读流利性及其语音意识和视觉记忆相关，与正常同龄人相比，在非单词押韵和线型判断任务中，左侧额下回和左侧舌回的激活度降低。最近有研究发现，矫正手术后进行语言康复训练的CLP患者，在进行汉字默读任务时，大脑的激活模式与正常同龄人相似，但海马区的激活强度与正常人相比强度增强^[12]。目前，尚未有人对康复训练前、后CLP患者的脑机制进行研究。临床上主要应用构音清晰度量表来评价言语恢复效果，对于训练后患者脑机制的恢复缺少客观证据，进行康复训练前后患者脑机制差异的比较研究，可以提供一种客观全面的康复训练效果的评估参数，对完善康复训练方案的制定有重要意义。基于此，本研究通过采集尚未接受康复训练和已接受康复训练的两组NSCLP患者的任务态功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）数据，分析两组患者完成发音任务时脑活动的改变，对CLP患者构音障碍康复训练带来的脑区变化机制进行研究，从而对康复训练后患者脑机制的恢复提供客观评价指标。

1. 材料和方法

1.1. 受试者信息

本文共招募23名存在构音障碍且未接受康复训练的NSCLP(before rehabilitation training’s NSCLP，Bclp)患者，15～37岁，男性/女性：11/12；23名接受康复训练且恢复构音清晰度的NSCLP (after rehabilitation training’s NSCLP，Aclp)患者，17～36岁，男/女：14/9；分为两组（Bclp组和Aclp组）参与fMRI成像。所有受试者均在北京口腔医院招募，视力正常或矫正正常，右利手，无神经或精神功能障碍史。Aclp组要求受试者在接受矫正手术后6个月开始进行构音障碍康复训练，每天训练30 min，共30 d；并且在中文发音测试中的分数超过86分（满分100分），86分及以上在临床上被认为是语言康复的合格线^[13]。具体训练内容为：针对患者的发音共振问题进行咽闭功能训练，通过感受从口腔流出的气流，改善过度的鼻音和鼻漏问题。发音器官功能训练着重于唇、舌、软腭等发声辅助器官的肌肉和关节的训练，以增强其力量、伸展性、灵活性和准确性。康复训练中的汉字来自汉语语音清晰度测试字表^[13]，涵盖了汉语所有音节，包括所有辅音和元音。所有受试者的人口统计学信息及临床资料如表1所示，统计表明两组受试者年龄、性别及受教育年限的差异均无统计学意义（P > 0.05），而两组人群的构音评分差异具有统计学意义（P < 0.05）。本研究经首都医科大学附属北京口腔医院伦理委员会审核批准，所有受试者均签署了知情同意书。

表 1. The demographic and clinical data of the subjects.

受试者的人口统计学信息及临床资料

组别	受试者数/人	年龄/岁	性别（男/女）	受教育年限/年	构音评分/分
Aclp组	23	23.86±4.98	14/9	13.80±2.59	93.60±5.00
Bclp组	23	24.39±5.61	11/12	13.48±2.25	49.82±23.62
P	—	0.780	0.317	0.665	< 10−6

1.2. 试验设计

试验采用组块设计，利用fMRI技术记录与汉字发音任务相关的脑活动。试验时长为3 min，刺激汉字来自汉语语音清晰度测试字表Ⅰ（临床上患者较易出现的异常发音）^[13]，从100个汉字中随机选取30个用于发音任务。该表涵盖了汉字的所有音节，并在临床上得到普遍应用。

试验由三个发音组块和三个静息组块交替进行，每个组块持续30 s，如图1所示。发音组块由十个汉字组成：汉字呈现2 s后，十字注视点呈现1 s。当汉字出现时，要求受试者尽可能清晰读出汉字的发音，发音结束后尽可能快速地按下右手边的反应按键，以记录发音时间。在静息组块中，十字注视点持续呈现30 s，要求受试者保持注视。

图 1.

The experimental paradigm of pronunciation task

发音任务试验范式

1.3. 数据采集

对受试者的fMRI检测在北京朝阳中西医结合急诊中心完成。使用磁共振成像仪（3.0-T trio, 西门子, 德国），数据采集的基本参数如下：层厚4 mm，扫描层数32层，体素大小为2.9 mm × 2.9 mm × 4 mm，重复时间/回波时间为3 000 ms/50 ms，偏转角为90º，视野240 mm，分辨率为80 × 80。

同时还采集了所有受试者的T1加权图像用于预处理的功能图像配准，其参数为：层厚为1 mm，重复时间为9.4 ms，回波时间为4.6 ms，偏转角为10 º，视野240 mm；体素大小为1 × 1 × 1 mm³。

1.4. 数据预处理

使用统计参数图12（statistical parametric mapping，SPM12）（网址为：https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）对fMRI数据进行预处理。数据处理步骤如下：首先移除前4个时间点（12 s）^[14]，以消除瞬态效应。然后将中间层作为参考层进行时间层校正，消除由于扫描方式不同导致的层间采集时间的差异。受试者在数据采集过程中可能产生头部运动，需要进行头动校正，在空间上重新对齐到第一个脑图。同时排除头部运动超过6 mm的受试者，以减少潜在的运动伪影^[15]。随后，将其配准到该个体的T1图像中。为了进行组水平的比较分析，需要进行空间标准化，先把T1加权像与标准模板配准，再将配准参数应用在功能像上。最后标准化后的图像使用8 mm半高宽的高斯核进行空间平滑。

1.5. 激活脑区分析

在个体水平分析中，每个受试者在每个体素上的时间序列以128 s进行高通滤波，去除低频伪影，并使用SPM12中的一阶自回归模型对时间相关性进行校正^[16-17]。然后将任务的开始时间和持续时间生成的封闭矩形函数作为回归变量与每个体素的血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent，BOLD）的信号拟合一般线性模型，做参数估计，得到每个体素的回归系数β值，进行组内组间的统计比较。在组水平分析中，首先进行组内的统计分析，对两组受试者全脑的回归系数β值分别进行单样本t检验（P < 0.05，k > 10），得到组水平的激活。然后进行组间的统计分析，分别将Aclp组和Bclp组的激活图(P < 0.001)作为遮罩（mask）去除伪激活，对两组受试者全脑的回归系数β值进行双样本t检验（P < 0.001, k > 10），得到组间的差异激活结果。根据差异激活结果，选取了局部最大t值的体素为中心、半径为8 mm的感兴趣区（region of interest，ROI），同时选取了两组共同激活的脑区作为ROI，并具体分析Bclp组和Aclp组患者ROI的脑活动变化。

2. 结果

2.1. 行为学结果

将从汉字出现到发音结束按下反应按键的时间定义为反应时间，对两组受试者发音任务中每个汉字的反应时间进行统计分析，结果如图2所示，Aclp组的平均反应时间是(1.28 ± 0.36) s；Bclp组的平均反应时间是(1.16 ± 0.40) s。组间比较结果显示，Bclp组完成发音的平均反应时间短于Aclp组(P < 0.001，t = 3.26)。

图 2.

The average response time of the pronunciation task

发音任务的平均反应时间

2.2. 汉字发音任务激活结果

激活区域是由全脑体素的信号变化与试验范式的一致程度来定义的。具体来讲，对全脑体素的信号变化值与试验范式进行广义线性模型建模，每一个体素对应得到一个回归系数β值，如果β值与0比差异具有统计学意义且大于0，则认为体素的信号变化与试验范式一致，即该体素在试验中被激活，激活强度用t值表征。

组内激活结果如图3所示，比较全组人全脑的β值与0差异，采用单样本t检验，得到全脑的统计图（t值图），t值代表激活强度。组内激活结果的团簇大小、解剖学和布罗德曼分区 (Brodmann area, BA)、统计结果(t值)及激活团簇中心坐标（x, y, z）汇总如表2所示。其中BA分区是布罗德曼(Brodmann)根据细胞结构将每个半球的大脑皮层划分为52个区域，例如BA20表示该脑区位于布罗德曼分区系统中的20区，BA6表示该脑区位于布罗德曼分区系统中的6区。Bclp组的左右侧中央前回、额中回、后扣带回及小脑等脑区在P < 0.001阈值下激活具有统计学意义，团簇大小(k)大于10个体素；Aclp组的中央前回、中央后回、额上回、丘脑、颞下回及小脑等脑区在P < 0.001阈值下激活具有统计学意义。组间激活结果如图3所示，比较两组受试者激活区域的β值差异是否存在统计学意义，采用双样本t检验，得到部分脑区的统计图（t值图），t值代表差异激活强度。以Aclp组组内激活（P < 0.001）面积作为mask，组间比较结果发现， Aclp组在顶叶、枕叶及小脑等脑区的激活强度与Bclp组的相比具有统计学意且激活强度明显高于Bclp组（P < 0.001, k > 10）。

图 3.

The brain activation results of the pronunciation task

发音任务的激活结果

表 2. The brain activation results of the pronunciation task within groups.

发音任务的组内激活结果

团簇大小	解剖学和BA分区	t值	x	y	z
Bclp组（P<0.001, k>10）
190	左侧后扣带回BA23	4.20	−4	−32	18
149	右侧额中回BA6	4.32	50	0	40
—	右侧中央前回BA4	3.94	48	−12	36
—	右侧中央前回BA6	3.93	42	−4	36
72	右侧额中回BA6	4.14	4	−2	60
89	右侧尾状核	4.06	18	−40	20
—	右侧尾状核体	3.55	12	−22	28
59	左侧小脑前叶	4.03	0	−38	−32
Aclp组 P < 0.001, k > 10
817	右侧中央前回BA4	9.28	46	−12	38
—	右侧中央后回BA2	5.49	40	−30	28
808	左侧中央前回BA4	8.24	−50	−8	46
—	左侧中央后回BA2	8.02	−26	−34	70
—	左侧中央前回BA4	7.76	−28	−24	68
116	左侧额上回BA6	7.71	0	2	66
4456	左侧丘脑腹后内侧核	7.58	−16	−20	4
—	右侧颞下回BA20	7.16	50	−52	−10
262	左侧小脑小舌	6.55	−36	−66	−24
—	左侧小脑山坡	5.63	−30	−80	−20
—	左侧小脑山坡	5.47	−22	−84	−20
36	左侧顶下小叶BA40	6.13	−38	−52	56

共选取12个ROI，结果如图4所示。根据组间差异结果，选取了以局部t值最高体素为中心并以8 mm为半径的9个ROI，左侧枕叶BA18区(L.BA18)、左侧中央旁小叶BA4区(L.BA4)、左侧额中回BA6区（L.BA6）、韦尼克（Wernicke）BA22区、右侧岛叶BA13区（R.BA13）、左侧海马杏仁核(L.杏仁核)、左侧丘脑腹侧后内侧核（L.丘脑）、右侧小脑Ⅳ Ⅴ小叶（R.小脑）和左侧小脑Ⅳ Ⅴ小叶（L.小脑）。同时为了全面考察无康复训练和经康复训练后CLP患者脑活动的改变，对Bclp组和Aclp组的激活结果进行比较，选取两组共同激活的3个脑区作为ROI，分别是右侧辅助运动区（supplementary motor area, SMA）BA6区、右侧中央前回BA6区（R.BA6）和布罗卡（Broca）区。ROI的空间坐标(x, y, z)、脑区名称、缩写及双样本t检验的t值如表3所示。ROI的信号变化如图4中的柱状图所示。结果显示组间差异具有统计学意义的激活脑区，Bclp组信号变化均为负向，而Aclp组均为正向；在两组共同激活的脑区结果中，两组激活差异具有统计学意义，且Bclp组信号变化明显低于Aclp组。

图 4.

ROI selection and ROI signal change histogram

ROI选取和ROI信号变化柱图

表 3. The coordinates and names of ROIs.

ROI坐标及名称

脑区	解剖学和BA分区	t值 (P < 0.001)	x	y	z
组间差异脑区
L.BA18	左侧枕叶BA18	5.95	−8	−76	18
L.BA4	左侧中央旁小叶BA4	4.69	−14	−40	60
L.BA6	左侧额中回BA6	4.35	−22	10	62
Wernicke	Wernicke区BA22	4.03	−54	−52	8
R.BA13	右侧岛叶BA13	3.72	40	6	12
L.杏仁核	左侧海马杏仁核	3.83	−30	−4	−18
L.丘脑	左侧丘脑腹侧后内侧核	3.95	−16	−22	4
R.小脑	右侧小脑Ⅳ Ⅴ小叶	4.45	8	−56	−10
L.小脑	左侧小脑Ⅳ Ⅴ小叶	4.54	−8	−56	−22
共同激活脑区
SMA	SMA区BA6	—	4	−2	60
R.BA6	右侧中央前回BA6	—	50	0	40
Broca	左侧额下回BA44、Broca	—	−54	2	20

3. 讨论与结论

本研究旨在比较康复训练后恢复构音清晰度的CLP患者与未接受康复训练的CLP患者大脑活动的变化，分析康复训练对患者脑功能的改善。当受试者进行汉字发音任务时，被激活的脑区与语言认知相关。Bclp组、Aclp组均在运动皮层，包括初级运动皮层BA4、运动前皮层BA6和SMA区BA6被激活，与以往的正常受试者汉语发音任务的研究一致^[18-19]。同时，Aclp组在小脑、Wernicke区和枕叶也有较强的激活，这与其他研究中正常受试者对汉语语义处理的激活结果一致^[20-22]。Bclp组组内激活强度较弱、激活范围较小可能是由于Bclp组在发音习惯上存在较大的个体差异所导致的。而Aclp组较强的激活结果可能是由于标准化的康复训练模式，使个人的发音习惯得到纠正，导致相关脑区的激活强度较强。

比较组间的激活差异，康复训练使患者在额叶、枕叶及小脑的激活范围和强度有大幅度的提高。根据组间差异激活选取的9个ROI，BA18位于枕叶，是初级视觉联合区，与视觉信息处理相关；BA4是初级运动皮层，负责运动的执行；BA6是运动前皮层，被认为在复杂、协调的运动计划中起着作用^[23]。BA40位于顶叶；Wernicke区接收来自听觉皮层的信息，形成语义，涉及到对书面语和口语的理解^[24-25]。Wernicke区失语症患者可说出具有正常语法、句法、语速、声调和重音的句子，但不能理解看到和听到的语句；杏仁核参与记忆巩固的调节^[26]；岛叶和丘脑在语言产生过程中有助于控制呼吸^[27-30]；两侧小脑Ⅳ Ⅴ小叶有助于清晰发音的规划^[30]。进一步比较组间ROI的信号变化，结果表明康复训练使患者ROI脑活动的信号变化从负向恢复至正向。本试验所用汉字与康复训练所用汉字选自同一套语音清晰度字表，所以经康复训练的患者熟悉试验中出现的汉字，这可能导致与视觉相关的脑区，即BA18区，激活水平升高；同时，在康复训练过程中，患者被反复训练如何正确发声，舌头、软腭、口腔和鼻腔的动作得到纠正，这些训练成果体现在涉及认知（Wernicke区和杏仁核）、运动（BA6、BA40、岛叶和丘脑）的脑区激活水平得到提升；同时清晰的发声意味着患者可以更清晰地听到汉字的读音，从侧面反映了听觉脑区，即小脑，激活水平的提高。无康复训练的患者，对试验中出现的汉字无特殊记忆，虽然已接受手术矫正，拥有正常的口腔结构，但是错误的发音习惯和动作未被纠正，导致发音时大脑激活水平大大低于经康复训练的患者。

同时比较两组共同激活的脑区，发现康复训练后，患者在SMA区，右侧中央前回和Broca区的脑活动水平有所提升。有研究表明SMA区（BA6）在语言和手指的运动计划中起重要作用^[31]，右侧中央前回（BA6）负责协调运动计划^[23]。因为本试验涉及发音任务和手指按键任务，结合行为学结果，可能是由于康复训练后受试者完成发音任务按下反应按键需要更长的时间，导致负责协调运动的SMA区和右侧中央前回的脑活动水平增强。同时神经影像学研究表明，Broca区主要负责语言的产生^[32-33]。 康复训练纠正了患者的发音动作，提高了Broca区的脑活动水平。

康复训练提高了与构音清晰度相关脑区的活动水平，具体表现在：不但使康复训练前负向激活的脑区（小脑、左侧运动区、Wernicke区等）活动水平提升到正向，同时提升微弱激活脑区（右侧运动区和Broca区等）的活动水平。发音任务特定脑区的激活强度值或可作为一种可量化的客观评价指标来评估康复训练效果。

本研究的局限性在于，只比较了局部脑区的激活差异，从而找到了康复训练的局部脑区激活机制。局部脑区间活动水平的改变可能是由于脑区和脑区之间的信息流动传输发生变化而导致的，但是本文没有对脑区和脑区间的功能连接或有效连接的脑网络进行分析，课题组将在今后的研究中进一步展开探讨。

重要声明

利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明：王梦悦负责数据分析和论文撰写；张文静负责招募受试者和数据采集；李春林、李文吉和李霞指导方法理论和试验设计，并指导论文撰写。

伦理声明：本研究通过了首都医科大学附属北京口腔医院伦理委员会的审批（批文编号：CMUSH-IRB-KJ-PJ-2019-04）。

Funding Statement

国家自然科学基金（81771909）

National Natural Science Foundation of China