01-磁共振扩散峰度成像原理及其应用研究进展_王睿

西北国防医学杂志 ２０１７年３月３０日 第３８卷第３期 Ｍｅｄ Ｊ ＮＤＦＮＣ，ＶＯＬ．３８，ＮＯ．３，Ｍａｒｃｈ，２０１７
２０７
·综述·
磁共振扩散峰度成像原理及其应用研究进展
王 睿１，２ 综 述 ，任 静２ 审 校 （１．西电集团医院放射影像科，陕西 西安 ７１０７７；２．第四军医大学西京医院放射科）
［关 键 词 ］ 磁 共 振 技 术 ； 扩 散 加 权 成 像 ； 扩 散 峰 度 成 像 ［中 图 分 类 号 ］ Ｒ ４４５．２ ［文 献 标 识 码 ］ Ａ ［文 章 编 号 ］ １００７－８６２２（２０１７）０３－０２０７－０４ ［ＤＯＩ］ １０．１６０２１／ｊ．ｃｎｋｉ．１００７－８６２２．２０１７．０３．０２０
２０８
西北国防医学杂志 ２０１７年３月３０日 第３８卷第３期 Ｍｅｄ Ｊ ＮＤＦＮＣ，ＶＯＬ．３８，ＮＯ．３，Ｍａｒｃｈ，２０１７
在的可恢复脑组织。 Ｈｕｉ等 发 ［１０］ 现 缺 血 组 织 的 异 构 峰 度 成 像 特 征
在传统 ＤＷＩ中表 现 并 不 显 著。 他 们 回 顾 性 分 析 了 急性和亚急性脑卒 中 患 者 的 影 像 学 资 料，发 现 利 用 峰度成 像 有 较 高 的 统 计 学 差 异 性，这 一 差 异 性 在 ＡＫ 上 体 现 得 最 为 显 著，这 可 能 是 因 为 组 织 异 质 性 的增加和轴突、树突 在 梗 死 进 展 过 程 中 渗 透 的 不 平 衡所致。ＡＫ 主 要 受 细 胞 内 结 构 的 影 响，而 ＲＫ 则 受细胞膜和髓鞘的影响较大。
Ｃｈｅｕｎｇ等 使 ［１１］ 用大鼠大 脑 中 动 脉 栓 塞 模 型 比 较 ＤＫＩ与传统 ＤＷＩ的数据差异。具体方法为动 脉 栓塞 和 再 灌 注 后 ２０ ｍｉｎ 测 量 异 常 区 域 的 平 均 扩 散 系数 （ｍｅａｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ，ＭＤ）和 ＭＫ 值，并 与 Ｔ２ＷＩ 比较，发现在大脑中 动 脉 栓 塞 的 ＭＤ 损 伤 区 域 范 围 显著大于 ＭＫ，而再灌注进行期间，ＭＤ 损 伤 区 域 显 著下降，而 ＭＫ 损伤区 域 变 化 不 大。ＭＤ 和 ＭＫ 信 号始终一 致 的 区 域 提 示 脑 组 织 损 伤 较 为 严 重。 反 之，ＭＤ 和 ＭＫ 信号不 一 致 的 区 域 表 示 脑 组 织 损 伤 较 轻 微 ，随 着 再 灌 注 的 进 行 ，恢 复 的 可 能 性 较 大 。 ２．１．２ 创 伤 性 脑 损 伤 （ｔｒａｕｍａｔｉｃ ｂｒａｉｎ ｉｎｊｕｒｙ， ＴＢＩ）：ＤＴＩ技术在 ＴＢＩ的 诊 断、治 疗 以 及 预 后 评 估 中具有重 要 的 应 用 价 值。 其 各 向 异 性 分 数 （ｆｒａｃ－ ｔｉｏｎａｌ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ，ＦＡ）值降 低 可 能 与 白 质 纤 维 束 被 破坏有关，提 示 患 者 可 能 存 在 轻 度 ＴＢＩ。 但 灰 质 扩 散 的 方 向 接 近 各 向 同 性 ，以 上 评 估 仅 局 限 于 脑 白 质 。
就需要引入一种新的更加复杂的数学模型对水分子 的非高斯分布行为进行描述 。 ［７］
ＤＫＩ数学模型可 反 映 组 织 细 胞 微 观 结 构 变 化。 ＤＫＩ分析水 分 子 非 高 斯 扩 散 行 为 时 按 照 多 项 式 数 学 模 型， 该 模 型 来 自 方 程：Ｓｉ ＝ Ｓ０ × ｅ ，其 （－ｂｉ×Ｄａｐｐ＋１／６×ｂｉ２×Ｄａｐｐ２×Ｋａｐｐ） 中 Ｓ０ 为 ｂ＝０ 时 的 信 号强度，Ｓｉ为 ｂ＝ｉ时的信号强度。 与单指数模型方 程相 比，Ｓ０ 已 知 时，该 方 程 有 ２ 个 变 量 （Ｄａｐｐ 和 Ｋａｐｐ），其中无量纲的参数 Ｋａｐｐ代表表观扩散峰度 （ａｐｐａｒｅｎｔ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎａｌ ｋｕｒｔｏｓｉｓ，ＡＤＫ）；Ｄａｐｐ 代 表 水 分子非高斯扩散被校正后的表观弥散系数。非高斯 扩散模型 较 传 统 单 指 数 模 型 峰 值 更 高、尾 巴 更 长。 对于临床数据集，ＤＫＩ模 型 可 能 更 可 靠，因 为 Ｓ０ 已 知时，只有 Ｄａｐｐ和 Ｋａｐｐ ２个未知参数 。 ［８，９］
ＤＫＩ是 扩 散 张 量 成 像 （ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｔｅｎｓｏｒ ｉｍａ－ ｇｉｎｇ，ＤＴＩ）技 术 上 的 延 伸 和 扩 展，使 四 阶 张 量 开 始 真正应用于磁共振成像。与传统 ＤＴＩ相比，ＤＫＩ除 了能评估峰度张量 之 外，还 可 提 供 多 种 不 同 的 扩 散 参数，如 峰 度 各 向 异 性 （ｋｕｒｔｏｓｉｓ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ，ＫＡ）， 平均 峰 度 （ｍｅａｎ ｋｕｒｔｏｓｉｓ，ＭＫ），轴 向 峰 度 （ａｘｉａｌ ｋｕｒｔｏｓｉｓ，ＡＫ），径 向 峰 度 （ｒａｄｉａｌ ｋｕｒｔｏｓｉｓ，ＲＫ）。 其 中，ＭＫ 应用最为广泛，它是多个 ｂ值在相同梯度方 向上的平均 值，组 织 结 构 越 复 杂，弥 散 受 限 程 度 越 高，ＭＫ 值越大。 ２ ＤＫＩ的 临 床 应 用 ２．１ ＤＫＩ在 中 枢 神 经 系 统 的 临 床 应 用 ２．１．１ 缺血和梗死：ＤＷＩ是２０世纪９０ 年代脑卒中 影像检查技术的一项开创性进步。扩散受限曾被认 为可以确诊脑梗死，但 是 这 种 采 用 二 阶 的 数 学 方 法 诊断脑梗死的方式已经逐渐被证明是不确切的。脑 内缺血组织损伤程 度 的 异 质 性 往 往 非 常 明 显，提 高 分辨缺血或梗死组 织 的 能 力，就 能 更 准 确 地 识 别 潜
Ｗａｎｇ等 研 ［１６］ 究 了 ＤＫＩ在 帕 金 森 疾 病 中 的 应 用，发现与对照组相比，患者大脑壳核和黑质中 ＭＫ 值显著增加。Ｇｏｎｇ等 在 ［１７］ 轻度 认 知 障 碍 和 阿 尔 茨 海默病的研究中 发 现，ＭＫ 和 ＲＫ 值 降 低 的 区 域 与 该 病 的 发 生 有 关 ，这 可 能 与 神 经 元 细 胞 团 、突 触 以 及 树突减少，从而 细 胞 外 间 隙 增 大 有 关。 以 上 研 究 表 明，峰度信息可以在 轻 度 认 知 障 碍 和 阿 尔 茨 海 默 病 出现形态学变化之前反 映它 们 细微 结构 的 改 变。 ＤＫＩ可作为一种检测 疾 病 的 生 物 标 志 物，为 疾 病 进 展的及时有效评估提供一种新思路。 ２．１．５ 脱 髓 鞘 病 变：ＤＷＩ和 ＤＴＩ长 期 以 来 都 用 于 脑脱髓鞘病变的评估。有髓鞘的白质纤维束内的水 分子扩散有很强的方向依赖性。炎症和脱髓鞘可显 著 增 加 水 分 子 扩 散 能 力 ，从 而 降 低 这 种 方 向 依 赖 性 。 目前研究比较集中于作为脱髓鞘病变标志物的垂直 扩散张 量 （ｒａｄｉｃａｌ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ，ＲＤ）。 尽 管 采 用 中 等 ｂ值（１０００ｓ／ｍｍ２）的 ＤＴＩ对 细 胞 外 水 分 子 扩 散 已 经较敏感，但 采 用 更 高 ｂ 值 （２ ５００ｓ／ｍｍ２）的 ＤＫＩ 具有进一步感知细胞内空间和细胞膜相互作用的潜 力。多间隔扩散模型 的 实 验 结 果 表 明，ＤＫＩ在 感 知 两隔层间 水 交 换 率 的 变 化 方 面 较 扩 散 系 数 更 为 敏 感，这可能与髓鞘的 完 整 性 和 轴 突 内 外 的 水 分 子 交 换直接相关 。 ［７］ 在 脱 髓 鞘 作 用 下，应 存 在 持 续 增 加 的轴突内外水 分 子 交 换。 与 ＲＤ 相 比，这 种 不 断 增 加的 水 分 子 交 换 对 ＲＫ 有 较 大 的 影 响。Ｙｏｓｈｉｄａ 等 研 ［１８］ 究多 发 性 硬 化 患 者 ＤＫＩ参 数 的 变 化，结 果 提示多发性 硬 化 患 者 ＭＫ 值 明 显 低 于 具 有 正 常 白 质 的 对 照 组 ，ＤＫＩ能 更 敏 感 地 诊 断 该 病 。 ２．２ ＤＫＩ在全 身 的 临 床 应 用：有 研 究 发 现，ＤＫＩ在 头 颈 部 病 变 、非 小 细 胞 肺 癌 、肝 细 胞 癌 以 及 前 列 腺 癌 的影像诊 断 中 也 有 潜 在 的 应 用 价 值。ＤＫＩ在 反 映 肾组织微观结构特 征 方 面 较 传 统 ＤＷＩ有 更 高 的 精 确度。ＤＫＩ可能会给 ＤＷＩ全 身 成 像 补 充 有 价 值 的
［基 金 项 目 ］陕 西 省 卫 生 科 研 基 金 资 助 项 目 （２０１６Ｄ０７０） ［作者简 介 ］王 睿 （１９８３—），男，在 读 硕 士，主 治 医 师，Ｅ－ ｍａｉｌ：
ｗｒ１３１８＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ ［通 讯 作 者 ］任 静 ，博 士 ，副 教 授 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｒｅｎｍｍ＠１２６．ｃｏｍ
数差异有统计学意义。高级别肿瘤由于细胞密度增 加、细胞类型减少以 及 复 杂 的 细 胞 内 微 环 境 而 表 现 出更高的峰度 值。Ｒａａｂ 等 发 ［１５］ 现 高 级 别 神 经 胶 质 瘤的 ＭＫ 值增加。与 ＡＤＣ 和 ＦＡ 相比，ＭＫ 在鉴别 低 、高 级 别 肿 瘤 方 面 具 有 更 高 的 分 辨 能 力 。 目 前 ，该 研究仅限于神经胶 质 瘤，亟 待 我 们 在 其 他 肿 瘤 和 非 肿瘤性病变中进一步探索研究。 ２．１．４ 神经退行性病变：胶质细胞增生可导致细胞 微观结构复 杂 性 增 加［１２］，相 应 地，神 经 元 的 缺 失 也 可 使 微 观 结 构 复 杂 性 降 低 ，从 而 使 峰 值 降 低 。 因 此 ， ＤＫＩ可 用 来 评 价 脑 老 化 和 各 种 神 经 退 行 性 病 变 。
研究 报 道 ｂ 值 ＞１０００ｓ／ｍｍ２ 时，ＤＷＩ对 肿 瘤 诊断具有 重 大 意 义 。 ［１－３］ 相 关 研 究 结 果 都 显 示，超 高 ｂ值 ＤＷＩ能显著提 高 肿 瘤 与 周 围 正 常 背 景 组 织 信 号 强 度 之 间 的 反 差 ，从 而 突 显 肿 瘤 组 织 。 然 而 ，这 些研究大多采用标准的单指数模型拟合的图像后处 理方式获得表 观 扩 散 系 数（ａｐｐａｒｅｎｔ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｃｏｅｆ－ ｆｉｃｉｅｎｔ，ＡＤＣ）图 。 ［４－６］ 单指数 模 型 对 信 号 强 度 （ｓｉｇ－ ｎａｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ＳＩ）衰 减 曲 线 采 用 线 性 拟 合 方 式，在 ｂ值处 于 ６００～１０００ｓ／ｍｍ２ 时 比 较 合 理，但 随 着 ｂ值不断增大，信号衰减曲线不再呈直线，表 示 水 分 子扩散行为已经偏 离 了 理 想 的 高 斯 分 布 预 测，这 时