11-磁共振弥散峰度成像在脑外伤的研究进展_陈希然

・综述・磁共振弥散峰度成像在脑外伤的研究进展

陈希然郑文斌

【摘要】弥散峰度成像（DKI）是一种能量化组织内水分子弥散非高斯运动的磁共振新技术，

是弥散成像技术的延伸，对于描绘脑组织微观结构具有独特优势。DKI在神经系统疾病的应用已表

明是一种比磁共振弥散张量成像更敏感的磁共振定量检测方法，现就DKI的原理及其在脑外伤方面

的研究进展予以综述。

【关键词】 磁共振成像，弥散；脑损伤

Progresses in diffusion kurtosis imaging of traumatic brain injury Chen Xiran, Zheng Wenbin.

Department of Radiology, the Second Affiliated Hospital, Medical College of Shantou University, Shantou

515041, China

Corresponding author: Zheng Wenbin, Email: hwenb@

【Abstract】 Diffusion kurtosis imaging (DKI) is an emerging diffusion index to quantify

non-Gaussian diffusion process in vivo, particularly important for characterizing microstructure of

biological tissue. In this article, recent progresses on theoretical and experimental aspect of DKI in

traumatic brain injury imaging were discussed.

【Key words】 Diffusion magnetic resonance imaging; Brain injuries

颅脑外伤是常见的临床疾病。中、重度颅脑外伤导致脑挫裂伤、颅内血肿等时CT等影像征象明确，易于诊断。而轻度脑外伤（mild traumatic brain injury，mTBI）患者常规CT及MRI脑实质内均为阴性表现[1]，但有部分患者会出现头痛、头晕及某些不同程度的自主神经功能失调症状，与影像检查结果严重程度不符合。

以前的许多研究表明，弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）能发现传统磁共振技术所不能发现的细微组织结构损伤，并且可作为一种评估mTBI临床预后的诊断方法[2-3]。其理论前提为水分子弥散呈正态分布，即符合高斯分布的模型。因此，DTI目前主要应用于脑组织各个方向白质纤维及纤维束的评价[4]。然而，大多生物组织结构是复杂的，并不符合高斯分布，这意味着DTI对于复杂结构尤其是脑组织结构存在局限性。而这种限制部分能被弥散峰度成像（Diffusion kurtosis imaging，DKI）所解决，DKI是基于DTI技术的延伸，是一种最新的非侵入性MRI技术，能描绘水分子弥散的非高斯

DOI:10.3877/cma.j.issn.1674-0785.2015.22.039

基金项目：广东省自然基金项目（2014A030313481）；广东省汕头市科技计划项目（201424260）；广东省医学科研基金（B2014284）作者单位：515041 广东省，汕头大学第二附属医院放射科

通讯作者：郑文斌，Email: hwenb@ 分布[5-6]。最近的研究显示DKI能提供DTI所不能发现的脑异常细微结构改变，在检测各向同性组织（如灰质）疾病上发挥重要作用[6-7]。鉴于此，本文对DKI的原理及其在脑外伤的研究进展综述如下。

一、DKI的介绍

1. DKI的概念：水分子因无规律热运动（即布朗运动）而随机改变位置和方向的现象称为水分子的弥散运动。在均质液体中，水分子弥散运动的可能分布函数（probability diffusion function，PDF）呈高斯分布[8]，故此时的弥散运动称为高斯弥散。

传统的DTI技术就是以高斯弥散模型为理论基础分析人体组织结构的差异。其两个指标——ADC 和FA，被广泛应用于临床诊断或推论中枢神经系统的异常，包括脑外伤[9-10]、脑梗死[11]、多发性硬化症[12]、脑肿瘤[13]、神经精神疾病[14]和退化性疾病[15]等。然而，在生物组织（尤其脑组织）中，受细胞膜屏障、细胞内外间隔等的影响，体内的水分子弥散呈非高斯分布。因此，理论上讲，以非高斯弥散模型描绘组织微观结构能够更准确地反映病变[5,16]，其相关临床应用的研究热度逐年增加。

关于非高斯分布模型，最严格及精确的方法是Q-空间成像（Q-space imaging，QSI），然而虽然QSI理论上以非高斯分布模型为基础，且其在实验中的确能发现DTI所不能发现的额外组织结构信

息，然而由于其需要非常长的扫描时间和对扫描设备的要求过高（b值需达到30 000 s/mm²）[17]，很少文献将其应用于临床研究中。

另一个常见的非高斯分布模型是DKI，其是在DTI基础上发展起来的一种新的磁共振成像技术，最早于1995年由纽约大学Jensen教授提出[18]。DKI 的理论基础亦是假设水分子在活体组织的弥散是非高斯分布的。相对于DTI作为二阶张量，利用一组3D矢量来描述固体物体内的张力，DKI为四阶三维完全对称张量[19-20]。二阶张量的空间弥散系数为椭球球面，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向[21]。二阶张量的椭球面无法与多纤维走向吻合，因而DTI无法解决多神经纤维交叉问题，DKI 则是通过在成像公式上加入一个四阶张量修正项来弥补二阶张量的不足，形成一个多刺的凸面来吻合多纤维走向，由此来表征水分子弥散偏离正态分布的程度。同时，DKI引入了“kurtosis”一词，其是用于量化、评估非高斯分布随机运动可能性的无量纲统计学参数，可用于衡量组织结构复杂性程度。该指标不需要完全弥散位移的概率分布，因此其所需的扫描时间较QSI明显减少[16]；并且弥散峰度仅需要三个不同磁敏感系数b值，故其不需要过高的b值[16]，对于脑组织来说，b值约2 000 s/mm2就已足够。

2. DKI的参数：主要有4个常用参数[5,22]，包括：（1）平均峰度（mean kurtosis，MK），指所有梯度方向的弥散峰度平均值，其大小取决于感兴趣区内组织的结构复杂程度，结构越复杂，非正态分布水分子弥散受限越显著，MK也即越大。相对于各向异性分数，MK的优势在于不依赖于组织结构的空间方位，故脑部灰质、白质结构皆可描述。（2）径向峰度（radial kurtosis，RK），指所有垂直于主特征向量方向的弥散峰度平均值。因为弥散受限主要在径向，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弥散受限越明显，反之则表明弥散受限越弱。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。（3）轴向峰度（axial kurtosis，AK），指主特征向量方向的弥散峰度值。AK与前所述RK一起完善了DKI所提供信息的方向性，且可分别与对应的DTI参数对比，全面观察细微病理改变。（4）峰度各向异性（kurtosis anisotropy，KA），与FA类似，可由峰度的标准偏差给出。KA越小表明水分子弥散越趋于各向同性弥散；若组织结构越紧密越规则，KA越大。影响KA的因素有介质的黏度、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。

二、DKI在中枢神经系统的应用价值

最近几年里，关于DKI在中枢神经系统的相关研究越来越多，DKI作为更敏感的磁共振新技术，在诊断脑肿瘤[23-24]，退行性病变[25]（如帕金森病），脱髓鞘疾病[26]（如多发性硬化）和脑血管疾病[22,27-31]（如缺血性脑卒中）等神经系统疾病以及大脑的发育[32-33]中均具有其独特优势。在缺血性脑卒中动物DKI实验中，Grinberg等[30]通过使用大鼠短暂大脑中动脉闭塞（middle cerebral artery occlusion，MCAO）模型，发现急性期缺血灶MK信号增强，提示量化非高斯弥散运动对探究脑缺血的病理学变化有很大意义；Cheung等[29]则研究了缺血再灌注方面，发现再灌注20 min后MD显示缺血体积明显减小，MK却几乎没有变化表明MK不仅能显示细胞严重损伤的梗死区，更能发现缺血半暗带。而DKI应用于缺血性脑卒中患者的研究亦不少，许多学者[22,27,31]的研究结果均显示脑缺血患者的缺血灶MK值均显著升高，无论是在急性或亚急性期，无论是在白质或灰质区域，从临床上证实了动物实验的结果。DKI较之传统DTI技术对脑组织缺血后的病理改变更敏感，其在确定缺血半暗带、挽救脑组织、改善预后等方面有重要意义。在脑发育成熟方面，随着脑白质髓鞘发育和轴索生长的发展，脑组织微观结构复杂性不断提高，在发现年龄相关性脑结构改变上，DKI是一项敏感且具特异性的技术，Cheung等[32]观察18只Sprague-Dawley大鼠分别在出生后13 d、31 d和120 d在白质与灰质结构的变化情况，发现MK值较之FA值在大脑白质与灰质的信号增强地更加敏感。Paydar等[33]对59例从出生到4岁7个月的婴幼儿进行研究，结果显示FA 和MK值在所有的白质区域均随着年龄增加而增高，特别在前两年增高显著，并且当FA值处于停滞期时，MK值仍能发现持续的白质细微结构改变，同时MK也能提供更加特征性的灰质的改变。以上分别从动物及临床实验中提示MK能检测到符合已知大脑成熟模型的微观结构变化。而且与FA相比，MK能提供与年龄相关的灰质和白质微观结构改变更全面的评价。