磁共振扩散峰度成像对大脑灰质核团微观结构发育变化的检测

2020-01-15孙亲利李贤军李梦轩尚进刘哲金超张玉利刘聪聪鱼博浪杨健

磁共振成像 2019年10期

孙亲利，李贤军，李梦轩，尚进，刘哲，金超，张玉利，刘聪聪，鱼博浪，杨健*

探究脑发育是脑科学领域研究的热点课题，磁共振扩散成像技术通过测量生物体内水分子扩散运动情况来检测组织微观结构的变化，成为在体无创研究脑发育的重要手段，但目前主要用于脑白质的研究[1-2]，而对脑灰质的研究较少。磁共振扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技术的理论基础是假定水分子运动在单室模型内，以自由、非受限的形式进行扩散，扩散位移呈高斯分布，获得的参量有各向异性分数(fractional anisotropy，FA)、平均扩散率(mean diffusivity，MD)、平行扩散率(axial diffusivity，AD)和垂直扩散率(radial diffusivity，RD)，分析水分子扩散程度和方向性的信息，可用于脑白质微观结构的评价[3-4]，而脑灰质为各向同性结构，其FA 较低，对灰质变化的敏感度有限[5-6]。在生物体内，水分子的运动因细胞间结构、细胞内外受限程度、细胞膜的渗透性以及游离、结合水的物理化学特性差异而表现复杂，并不真正处于随机状态[7-8]。磁共振扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)是一种新型磁共振扩散成像技术，是DTI技术的延伸，通过引入峰度(kurtosis)的概念来量化真实水分子扩散位移与理想的高斯分布水分子扩散位移间的偏离，以此来表示水分子扩散受限程度以及扩散的不均质性，更加接近组织微环境中的水分子真实扩散模型[8-9]。DKI技术可同时获得DTI的参量(如FA、MD、AD、RD)和DKI的参量，DKI参量包括平均扩散峰度(mean kurtosis，MK)、平行扩散峰度(axial kurtosis，AK)和垂直扩散峰度(radial kurtosis，RK)，通过测量水分子非高斯扩散特性，更为全面地检测脑组织微观结构的变化[6，10-13]，观察水分子在脑白质内交叉和发散神经纤维的扩散优于常规的DTI技术，尤其对水分子在脑灰质内相对各向同性的扩散其敏感性高于DTI，对脑灰质不均质性的显示优于DTI技术[13-16]。目前对脑发育成熟度的评价还没有金标准，需要与成人的参量值去做比较[17]，因此，本研究以成人为参照，通过比较磁共振扩散张量参量和扩散峰度参量在检测新生儿与成人间大脑灰质核团微观结构变化率的差异，探讨DKI技术对灰质微观结构变化的敏感性，评价其在脑灰质发育研究中的意义。

1 材料与方法

1.1 研究对象

研究对象为22名足月新生儿(男女各11名；出生胎龄：38～41周，中位数39周；校正胎龄：39～44周，中位数40周)和22名成人(男女各11名；出生胎龄：37～40周，中位数39周；年龄：18～26岁，中位数22岁)。新生儿为临床除外神经系统疾病拟行MRI评估脑发育情况者，成人为健康大学生志愿者[18]。本研究经医院伦理委员会批准，新生儿父母及成人本人均签署了知情同意书。

新生儿组的纳入标准：①足月出生，37周≤出生胎龄＜42周；②MRI检查时日龄≤28 d；③头颅MRI未见异常；④出生后1 min时Apgar评分≥7分。排除标准：①足月小样儿或巨大儿；②先天性心脏病；③遗传代谢性疾病；④有新生儿缺血缺氧性脑病、新生儿胆红素脑病或新生儿低血糖脑病等脑病史；⑤有脑出血或脑外伤史；⑥有严重感染：败血症、脑炎或脑膜炎史；⑦有呼吸窘迫综合征、呼吸衰竭或休克史。

成人组的纳入标准：①足月出生，37周≤出生胎龄＜42周；②头颅MRI未见异常；③神经系统体格检查正常。排除标准：①脑病史；②脑外伤史；③精神性疾病史。

1.2 扫描设备及方法

应用3.0 T磁共振设备(Signa HDxt，General Electric Medical System，Milwaukee，WI，USA)、8通道相控阵头线圈进行MRI扫描。扫描序列包括3D T1WI、横轴位T2WI及DKI序列。

应用单次激发平面回波成像(single-shot echoplanar imaging，SSH-EPI)序列完成DKI数据采集，扫描参数：b值为0、500、1000、2000和2500 s/mm2，每个非零b值18个梯度磁场方向，采集次数(NEX)：1，TR：8000～11 000 ms，TE：91.7～126.1 ms，层厚：4 mm，无层间隔，层数：22～33层，视野(field of view，FOV)：新生儿为180 mm×180 mm，成人为240 mm×240 mm，采集矩阵：新生儿为128×128，成人为172×172，体素大小均为1.40 mm×1.40 mm×4 mm。

1.3 DKI后处理

DKI后处理过程包括以下7个步骤[19]：脑组织区域提取、b0参考图像获取、图像校正(错配、涡流以及其他畸变的校正)、运动伪影检测、高斯平滑处理、张量估算及参量计算等。上述步骤的脑组织区域提取、b0参考图像获取、图像校正使用MRI分析软件(FMRIB's software library，FSL)来实现，运动伪影检测、扩散率张量与扩散峰度张量估计、DKI 及其组织模型参量计算等部分在 MATLAB 7.11(Math Works, Natick, MA, USA)环境下实现，应用约束条件下线性最小二乘法估计扩散率张量和扩散峰度张量。采用群组配准目标图像的选择方法，基于FA图像分别对足月新生儿及成年人进行脑模板的构建，实现群组数据的标准化。采用图谱(Harvard Oxford-Subcortical图谱，网址：https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl)仿射的方式分别选择足月新生儿与成年人的丘脑、壳核、苍白球和尾状核4个大脑灰质核团为感兴趣区(图1)。通过DKI模型计算出FA、MD、AD、RD、MK、AK和RK。

1.4 统计学方法

应用SPSS 18.0版进行统计学分析。DKI参量结果用均数±标准差(x ±s)表示。采用秩和检验(Mann-Whitney U检验)行各感兴趣区各参量在新生儿与成人组间差异的比较。以P＜0.05为差异有统计学意义。参量的相对变化率(%)=(成人参量的均值-新生儿参量的均值)/新生儿参量的均值。

图1 平均FA图感兴趣区示例Fig. 1 ROIs overlap on the mean FA.

2 结果

2.1 新生儿与成人各部位参量均值的比较

与新生儿比较，成人4个大脑灰质核团即丘脑、壳核、苍白球和尾状核的FA、MK、AK和RK值升高，MD、AD和RD值降低(图2)。除了丘脑的AD (P=0.944)外，新生儿与成人4个灰质核团的FA、MD、AD、RD、MK、AK和RK等7个参量值差异均有统计学意义(P＜0.05，表1)。

2.2 各部位各参量均值的相对变化率

丘脑、壳核、苍白球和尾状核各参量相对变化率见表1。比较各部位FA及MK相对变化率，FA值：苍白球＞丘脑＞壳核＞尾状核，MK值：苍白球＞壳核＞丘脑＞尾状核。

2.3 DTI参量与DKI参量变化率的比较

扩散峰度参量MK、AK、RK的相对变化率从82.86%(尾状核AK)到210.81%(苍白球RK)，而扩散张量参量FA、MD、AD、RD的相对变化率仅从1.45%(壳核AD)到70.59%(苍白球FA)，扩散峰度参量MK、AK、RK的变化率均高于扩散张量参量的变化率。

3 讨论

有关脑白质发育DKI的研究证实DKI参量在检测脑白质微观结构变化方面较DTI参量有更高的敏感性。Grinberg等[2]比较了儿童与成人间脑白质纤维DTI参量和DKI参量的变化率，发现DKI参量组间差异更大更广泛，认为DKI参量作为脑组织发育和区域异质性的生物标志物具有较高的敏感性。本研究将DKI技术应用于脑灰质研究中，比较新生儿与成人间大脑灰质核团扩散张量参量变化率和扩散峰度参量变化率的差异，结果发现扩散峰度参量相对变化率明显大于扩散张量参量相对变化率，说明扩散峰度参量在检测灰质微观结构变化的敏感性高于扩散张量参量；不同灰质核团各参量变化率不同，提示DKI技术能反映灰质核团的异质性。

图2 新生儿(上方)与成人(下方)FA、MD、AD、RD、MK、AK和RK图Fig. 2 FA, MD, AD, RD, MK, AK and RK maps of the representative neonate (above) and adult (below) subjects.

表1 新生儿与成人大脑灰质核团各参量的均值及相对变化率Tab. 1 The regional mean values and the relative change ratios of parameters in neonates and adults

3.1 DTI参量与DKI参量变化率的比较

脑灰质的成熟过程包括基层树突的增加、组织含水量的改变、细胞膜和细胞器的增殖、细胞密度和皮层细胞结构的变化[6，20]。Falangola等[14]应用DKI探测前额叶皮层微观结构与年龄相关性变化，发现从青春期过渡到成年期，大脑前额叶皮层MK随之增加，这与脑区持续的髓鞘形成以及微观结构复杂性的整体增加相一致；随着年龄进一步增长，MK逐渐降低，这与退行性变化与神经元萎缩有关；DKI所探测到脑组织非高斯扩散随年龄的变化特点与组织病理学及形态学的研究结果一致。本研究结果显示，从新生儿期到成年，丘脑、壳核、苍白球和尾状核等灰质结构的FA、MK、AK和RK值升高，MD、AD和RD值降低，这反映了随着灰质核团发育成熟，水分子扩散受限，各向异性增加。但扩散峰度参量MK、AK、RK的相对变化率(82.86%～210.81%)明显高于扩散张量参量FA、MD、AD、RD的相对变化率(1.45%～70.59%)。有关脑发育DTI的研究表明，灰质为各向同性结构，其各向异性分数FA值相当的低，DTI对灰质结构变化的敏感度有限[5-6]。如本研究所示，扩散峰度参量变化率最低值为82.86%(尾状核AK)，而扩散张量参量相对变化率最高值仅为70.59%(苍白球FA)。

在扩散张量参量的变化中，本研究同时发现丘脑和苍白球FA相对变化率高于壳核和尾状核，这主要是因为虽然丘脑和苍白球为灰质结构，但含有白质纤维，内有各向异性成分[11]。而扩散峰度参量变化的原因主要是由于发育过程中灰质结构的各向同性发生特殊变化。理论上，灰质各向同性扩散受限可能是因为随着灰质结构的成熟，大分子物质浓度逐渐增加和组织含水量的减少。另外，还有细胞结构的变化包括细胞膜和细胞器的增殖、放射状的胶质细胞向星形细胞神经纤维网转变、基底树突的增加、细胞的包装[21]。DTI的理论基础是水分子呈高斯分布，很难检测灰质结构各向同性的变化，而DKI技术通过引入峰度的概念来量化真实水分子扩散位移与理想的高斯分布水分子扩散位移间的偏离，检测水分子扩散受限程度以及扩散的不均质性，更为全面地反映组织微观结构的变化[15，22]。Paydar等[21]在应用DKI研究脑发育(从出生到4岁7个月儿童)中，在分析脑白质的同时，也对部分灰质做了分析，包括丘脑、壳核的FA和MK两个参量，结果表明DKI较DTI能提供更多有关脑发育微观结构变化的信息，不仅能反映各向异性白质结构的随龄性变化，也能反映各向同性灰质结构随龄性的变化。因此，与扩散张量参量比较，扩散峰度参量能更好地反映在细胞水平上所形成的各向同性微观结构受限而引起的灰质组织的变化情况。

3.2 不同灰质核团参量变化率的比较

不同灰质核团各参量变化率不同，这与不同结构之间原有的微观结构复杂性、各向异性、扩散系数及成熟速率各不相同有关[23]。比较各部位FA及MK相对变化率发现，其相对变化率均是苍白球最高，其次是丘脑和壳核，再次是尾状核。从新生儿到成人，灰质核团扩散参量的变化，可能与轴突增加、细胞增殖以及铁沉积等多种机制有关。在上述4个深部灰质核团中，苍白球的微观结构组成最为复杂，由垂直于有髓轴突的大圆盘状神经元构成，且铁浓度最高，有髓轴突、大细胞和铁蛋白构成一个复杂的结构，对水分子的自由扩散造成广泛的阻碍，典型的有髓轴突是空间定向的，限制了分子沿纤维方向的扩散，并表现为高的各向异性FA；这些阻碍也导致质子扩散偏离高斯分布，导致峰度MK增大。因此，上述4个灰质核团中，苍白球的FA及MK变化率最高。尾状核和丘脑的微观结构组成相对简单，主要由神经元和神经胶质构成。与苍白球相比，这种简单、各向同性的微观结构具有较低的MK、FA。这些结构中的铁浓度水平也属于最低之列。而壳核的微观结构组成也相对简单，与尾状核相似，但铁浓度较高，铁沉积速率高于尾状核，扩散受阻，FA及MK变化率高于尾状核。由此可见，DKI不仅能反映灰质核团微观结构的变化，还能反映核团的异质性。