43-扩散峰度成像_DKI_在中枢神经系统的应用_曾丁巳

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。 对于各向同
MK 要优于 FA。 这是因为灰质的 FA 值相 如灰质， 性结构， 当的低（ 灰质为各向同性） ， 所以灰质的 FA 值不是个敏感指 标。白质的 FA 则不同， 因为存在纤维结构。 DKI 可在检测 DTI 技 各向同性组织（ 如： 灰质） 疾病上发挥重要作用； 对此， 术则不太适用， 而且 DTI 尚不能准确反映中枢神经系统疾病 水肿区的纤维走向
DOI:10.13437/ki.jcr.2011.09.023
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临床放射学杂志 2011 年第 30 卷第 9 期
综述 扩散峰度成像（ DKI） 在中枢神经系统的应用
曾丁巳 综述 肖新兰 审校
在磁共振成像领域中， 扩散张量成像 （ diffusion tensor imaging， DTI） 作为一项磁共振功能成像技术 ， 可以从微观领 目前最主要应用于脑组织各方向 域评估组织结构的完整性 ， 白质纤维及纤维束的评价
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行成像的因子并 24 K 的参考线， 平均数 = 2 ， 斜轴位扫描 15 层涵盖 额 叶 和 颞 叶 区， 层 厚 2 mm， 体素大小为 2 ˑ 2 ˑ 2 6 个 b 值（ 0 mm ， 全部扫描时间≈12 min， 散敏感梯度场施加的方向为 30 个。 4 4． 1 临床应用 丘脑损伤 丘脑损伤可能会导致神经 、 心理功能的各种障碍。 患者 可具有各种创伤后症状 ， 如： 易怒、 头痛、 记忆障碍， 四肢麻木 等， 所有患者的丘脑改变在传统的磁共振成像上均不明显 。 有试验表明对照组与实验组之间丘脑的 FA 与平均扩散系 而 DKI 则揭示出相对于对照组 数（ MD） 也没有明显的不同， 的丘脑 MK， 实验组丘脑的 MK 显著降低， 这提示丘脑的中心 区域可能更容易受到损伤 ， 即便是轻微的
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。
。DKI 作为一种敏感的成像技术可用
来探查丘脑神经元细微结构的损伤 ， 显示活体内的隐匿性疾 病； 而且在了解颅脑外伤患者持久性创伤后综合征方面可能 也是相当有帮助的。 4． 2 肿瘤 星形细胞瘤是最常见的原发性颅内肿瘤 。 在其恶化过 程中， 肿瘤的显微结构也同时发生一系列改变 ， 例如， 肿瘤细 胞的增殖、 新生血管的形成、 微坏死灶等。 DTI 已经用于胶 质瘤的鉴别以及界定浸润范围的大小 ， 但在表观扩散系数 （ ADC） 和 FA 对于胶质瘤的分级所发挥的作用这一问题上 ， 看法似尚未完全取得一致 。 在低度恶性至高度恶性的胶质 Zonari 等 瘤间，
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2500 s / mm ） ， 扩
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。 精神分裂症
4． 3
精神分裂症是以广泛的大脑环路连通性破坏所表现出 的临床症状如思维胡乱 、 幻觉等为特征。在揭示解剖异常与 DTI 表现的是较为有潜力 临床症状之间的关联这一问题上 ， 的， 但是检查结果可能缺乏一致性 ， 因涉及各向异性体素的 使用、 信噪比的降低等问题， 所以 FA 值存在扭曲的可能。 运用高磁场快速低失真技术 ， 采用改良的白质纤维束示踪技 术将能拓宽人们对精神分裂症白质病理改变的认识 。 DKI 在应用于精神分裂症时 ， 可以发现在 MD 与 FA 值的直方图 为单峰， 而 MK 则为双峰， 且分别对应于灰质与白质 ； 患者的 白质表现出 MK 和 FA 值均减低。相关的研究表明在评估精 神分裂症患者额叶皮层白质微观结构完整性丧失程度这一 MK 较 FA 值和 MD 更为敏感 点上， 4． 4 注意力缺陷多动症 注意力缺陷多动症的特点是注意力过于涣散 ， 活动量过 自制力弱及孤僻等。相当多的迹象表明多动症患儿局部 多， 或整个脑容积减小， 而对多动症患儿的脑结构改变却知之甚 少。可利用 DKI 在探测组织微观结构方面的敏感性来获取 多动症患儿的脑微观结构改变的信息 。 据报道在健康儿童 两组 对照组与实验组多动症患儿之间展开的对照研究表明 ， 的 MD 和 FA 值较为相似。而 MK 却反映出对照组与实验组 脑复杂细微结构的差异 。MK 显著地增加与年龄有关 ，相对 于对照组而言， 多动症患儿组 MK 的增长率明显较低。 多动 症患儿组 MK 的增长率仅为 0． 01 单位∕岁， 而对照组至少 为其 3 倍以上的速率 （ 0． 03 单位∕岁 ） 增长
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2 2． 1
主要参数 平均峰度（ mean kurtosis，MK） 它被认为是一个复杂的微观指标 ， 相比于各向异性分数
MK 的优势在于不依赖于组织结构的空间方位 ， 值， 脑部灰 质、 白质结构皆可应用 MK 加以描述。 MK 为采用多个 b 值 且方向相同的梯度方向上的平均值 。 MK 的大小取决于感 兴趣区内组织的结构复杂程度 ， 结构越复杂， 非正态分布水 分子扩散受限越显著，MK 也即越大。如肿瘤组织内细胞异 细胞核的多形性越明显 ， 间质中血管增生越丰富 ， 则 型性、 MK 越大， 但实际上仍低于正常脑白质的 MK 值， 因为其结构 复杂程度达不到正常脑白质纤维的水平 2． 2 径向峰度（ radial kurtosis，RK） RK 是个 指的是在主要扩散正交方向上峰度的平均值 ， 相对重要的参数， 因为扩散受限主要在径向 ， 故而峰度为非 零且在径向表现得尤为突出 。RK 越大表明在该方向非正态 分布水分子扩散受限越明显 ， 反之则表明扩散受限越弱 。 且 相对于部分分数各向异性 （ FA ） 的变化， 感兴趣区内 RK 增 大得更为显著。 2． 3 峰度各向异性（ kurtosis anisotropy，KA） KA 在某种程度上类似于 FA， 可由峰度的标准偏差给 出。KA 与 MK 间不存在一定的比例关系 ； KA 可以为零， 但 必须依据峰度的变化。 KA 越小即表示越趋于各向同性扩 KA 越大。 影响 KA 的因素有 散； 若组织结构越紧密越规则 ， 介质的粘度、 分子间距离、 邻近血管搏动或脑脊液流动 、 纤维 结构的完整性、 平行性及致密程度等。 3 成像参数 DKI 采用双自旋回波序列进行扫描 ， TR 2300 ms， TE 108
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空间扩散系数为椭球球面 ， 椭球的主轴为主特征向量方向且 吻合于脑神经纤维走向 ， 而次特征向量方向则垂直于纤维走 因而 DTI 无 向。二阶张量的椭球面无法与多纤维走向吻合 ， DKI 则是通过在成像公式上加 法解决多神经纤维交叉问题 ， 入一个四阶张量修正项来弥补二阶张量的不足 。 张量的分 量为变量而不能直接应用 ， 只有不变量如特征值才可用为诊 疗判断参数。而解决这一问题的方法就是引入高阶张量特 征值这一概念。因为高阶扩散张量的扩散系数形成一个多 刺的凸面可吻合多纤维走向 ， 而这些凸刺即为高阶张量的特 征向量方向。这一理论突破奠定了高阶张量应用于磁共振 成像的基础。
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。笔者旨在简要综述 DKI 在中枢神经系统的有关
应用及 DKI 与 DTI 在相关方面作一定的比较 。 1 基本原理 DKI 技术的产生历经一个对组织内水分子扩散非正态 分布的认识、 四阶张量应用于磁共振成像的转变过程 。 扩散 为人体重要的生理活动 ， 组织内水分子的扩散可被看作是一 个随机的过程也即布朗运动 ， 因此， 在一定时期内某一特定 水分子从一个位点到另一个位点扩散的机率受概率分布支 配。在一简单的模型中， 这一分布具有正态分布形式 ， 它的 宽度（ 即标准差 ） 与扩散系数成比例。 然而， 就在以几十毫 秒的时间间隔下， 大多数组织的复杂结构 （ 如各类型的细胞、 细胞膜和组织的生化特性 ） 能够导致水分子扩散位移概率 分布实际上偏离正态分布 。 而超值峰度 （ excess kurtosis ） 则 能够量化这一偏离。因此超值峰度可被视为衡量组织结构 “度” 。曾有报道人脑水分子的扩散分布是 复杂性的一种 以非正态分布为主
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。扩散张量为二阶张量， 由此 DKI 技术的产生必
定要历经一个由二阶张量到四阶张量的转变 。 二阶张量其
作者单位： 330006 南昌大学医学院第二附属医院 MRI 室
ms，视野（ FOV） 256 mm ˑ 256 mm， 矩阵 128 ˑ 128 ，两个并
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பைடு நூலகம்
。 这说明多
ADC 的最低值并没有明显的差异 。 发现，
动症与总体的脑容积减少相关联 。 同时也可能暗示出脑容 积先于脑微观结构而改变 。 上述结果表明 DKI 评价脑微观 已经发表的关于多动症扩散成 结构具有优越性。迄今为止， 像方面的研究数量相对有限 。 因而目前的评估尚存在一定 的局限性。 4． 5 阿尔茨海默病 脑组织中的水分子扩散涵盖相当多关于组织生理状态 的信息。应用 DKI 技术， 不仅可获得传统 DWI 和 DKI 所得 而且可以获取水分子扩散的非正态分布的信 到的参数数据， — —这可作为评价组织（ 灰、 息— 白质 ） 复杂程度的一项指标。 据纽约阿尔茨海默病中心对四组对象人群 （ 阿尔茨海默病 患者、 轻度认知功能障碍患者 、 年龄匹配对照组和年轻对照 组） 进行研究的结果表明： MK 图显示出随着阿尔茨海默病 病情的进展灰白质对比度逐次降低 ； 阿尔茨海默病与年龄匹 配组之间的 MD 和 MK 存在明显不同； 从年轻对照组、 年龄 轻度认知障碍到阿尔茨海默病组 MK 依次降低， 而 匹配组、 MD 值依次升高； 额叶白质感兴趣区直方图 MD 和 FA 为单 峰， 非阿尔茨海默病患者 MK 则存在三个峰且分别对应于脑
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MK 在高级别的胶质瘤中较高 ， 然而平均 ADC 值在高
Castillo 等［14］ 发现测及的 ADC 有别于正常白质的 ADC。 但 是他们的数据不能被用来区分肿瘤与瘤周水肿以及肿瘤的 病理分级。Kitis 等
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发现， 低级别胶质瘤比高级别胶质瘤
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的最低 ADC 值要高， 但在星型细胞瘤 Ⅲ 级与胶质母细胞瘤 之间没有差别。Lee 等 也指出低级别的胶质瘤比高级别 Inoue 等［17］ 报道 胶质瘤的平均最低 ADC 值要高。 对于 FA， 高级别的胶质瘤比低级别胶质瘤的 FA 相对要高。 在应用 DKI 能明确界定扩散量， 能对更多的扩 于胶质瘤的分类上， 散指标进行评估。这些指标可以反映非正态分布水分子的 扩散， 并且是对 ADC 和 FA 的一个较好的补充。 有研究表 明