正常成人腦結(jié)構(gòu)年齡相關(guān)性變化的擴(kuò)散峰度成像研究

鄭慧鑫，張 輝，王效春，譚 艷，秦江波，張鎖旺，張 磊，王 樂，吳曉峰

人類的大腦在發(fā)育和老化過程中，其結(jié)構(gòu)和形態(tài)發(fā)生變化，在青春期和成年初期白質(zhì)體積在增大，而后續(xù)隨老化而減?。?］。年齡相關(guān)性DTI指標(biāo)的變化已經(jīng)被廣泛報(bào)道［2］，符合上述組織微觀結(jié)構(gòu)的改變［3］。擴(kuò)散峰值成像（DKI）是DTI的一個(gè)延伸，目的是描述非高斯方面水的擴(kuò)散［4］。本研究的目的是了解DKI在健康成人大腦隨年齡增長(zhǎng)的變化規(guī)律，包括白質(zhì)區(qū)域和深部核團(tuán)，呈現(xiàn)健康成人大腦DKI參考值，可對(duì)今后疾病診斷和研究提供對(duì)照。

1 資料與方法

1．1 一般資料 對(duì)山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院60名健康志愿者進(jìn)行顱腦常規(guī)磁共振檢查和DKI檢查，男性28名，女性32名，年齡20歲～77歲，平均48．4歲。所有志愿者行MR檢查無中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾患和其他影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的全身性疾患。按年齡分為3組：20歲～39歲為青年組（20例）；40歲～59歲為中年組（20例）；60歲及以上為老年組（20例）。

1．2 檢查方法 使用GE3．0T超導(dǎo)型磁共振成像儀，采用八通道頭頸聯(lián)合拓?fù)湎嗫仃嚲€圈進(jìn)行磁共振掃描。先進(jìn)行常規(guī)掃描，包括T1WI－FLAIR軸位和矢狀位、T2WI軸位以及T2WI－FLAIR軸位掃描，排除顱腦器質(zhì)性病變，然后進(jìn)行DKI序列掃描。DKI序列采用平面回波（EPI）序列。

1．3 數(shù)據(jù)處理 在 GE Advantage Workstation 4．4工作站通過Functool處理軟件進(jìn)行后處理，得到平均峰度（MK）、部分各向異性（FA）、平均擴(kuò)散（MD），圖像分別于半卵圓中心、內(nèi)囊前肢、內(nèi)囊后肢，胼胝體膝部、胼胝體壓部、丘腦、豆?fàn)詈?、尾狀核頭、額葉、頂葉、顳葉設(shè)置橢圓形感興趣區(qū)（ROI），除胼胝體膝部、壓部外，均采用鏡面對(duì)稱方式放置兩側(cè)。分別側(cè)定每個(gè)ROI的MK值、FA值、MD值，每個(gè)ROI重復(fù)測(cè)量3次，取平均值。

1．4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 應(yīng)用SPSS15．0軟件處理，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，采用單因素方差分析、Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié) 果

2．1 不同部位DKI參數(shù)值與年齡的相關(guān)性（見表1） 除豆?fàn)詈送?，其他部位?MK值、FA值均與年齡呈負(fù)相關(guān)（P＜0．05）。豆?fàn)詈说腗K值、FA值均與年齡呈正相關(guān)（P＜0．05）。半卵圓中心、內(nèi)囊后肢，胼胝體膝部、胼胝體壓部、額葉、顳葉、丘腦、豆?fàn)詈?、尾狀核頭的 MD值與年齡呈正相關(guān)（P＜0．05）；內(nèi)囊前肢、頂葉的MD值與年齡的相關(guān)性無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但有隨年齡增長(zhǎng)而增加的趨勢(shì)。

表1 60名正常成年人腦不同部位DKI參數(shù)值與年齡的相關(guān)性比較

2．2 不同部位各組間DKI參數(shù)值比較

2．2．1 平均峰度值組間比較 （見表2） 半卵圓中心、內(nèi)囊后肢、胼胝體膝部、胼胝體壓部、額葉、顳葉、豆?fàn)詈?、尾狀核頭的MK值各組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0．05），青年組＞中年組＞老年組。內(nèi)囊前肢、頂葉、丘腦的MK值在青年組與老年組、中年組與老年組比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0．05）。豆?fàn)詈说腗K值在各組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0．05），但趨勢(shì)與其他部位相反，即為老年組＞中年組＞青年組。

表2 60名正常成人腦不同部位各年齡組間MK值比較（±s）

表2 60名正常成人腦不同部位各年齡組間MK值比較（±s）

注：P值為3組間比較結(jié)果；P1為青年組與中年組比較結(jié)果；P2為青年組與老年組比較結(jié)果；P3為中年組與老年組比較結(jié)果。

部位 青年組 中年組 老年組 F值 P P1 P2 P3半卵圓中心 1．110±0．042 1．062±0．034 1．018±0．072 15．436 0．000 0．006 0．000 0．010胼胝體膝部 1．119±0．043 1．095±0．033 1．048±0．026 16．988 0．000 0．022 0．000 0．000胼胝體壓部 1．327±0．031 1．297±0．033 1．232±0．051 30．638 0．000 0．017 0．000 0．000內(nèi)囊前肢 1．113±0．055 1．089±0．057 1．022±0．034 17．636 0．000 0．134 0．000 0．000內(nèi)囊后肢 1．264±0．031 1．227±0．022 1．190±0．027 37．606 0．000 0．000 0．000 0．000額葉白質(zhì) 0．985±0．034 0．953±0．020 0．926±0．024 24．579 0．000 0．000 0．000 0．002頂葉白質(zhì) 1．009±0．026 0．982±0．022 0．964±0．023 18．270 0．000 0．190 0．000 0．010顳葉白質(zhì) 0．987±0．045 0．969±0．026 0．940±0．053 13．596 0．000 0．006 0．000 0．023丘腦 0．854±0．028 0．834±0．029 0．819±0．030 7．399 0．010 0．123 0．000 0．028豆?fàn)詈?0．737±0．016 0．756±0．024 0．776±0．032 12．298 0．000 0．009 0．000 0．027尾狀核頭 0．662±0．016 0．651±0．014 0．638±0．012 14．582 0．000 0．020 0．000 0．004

2．2．2 部分各向異性值的組間比較 （見表3） 半卵圓中心、胼胝體膝部、內(nèi)囊前肢、內(nèi)囊后肢、額葉白質(zhì)FA值青年組與中年組有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0．05），青年組＞中年組。各部位青年組與老年組有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0．05），除豆?fàn)詈送?，均為青年組＞老年組；豆?fàn)詈藶榍嗄杲M＜老年組。胼胝體膝部、胼胝體壓部、內(nèi)囊后肢、頂葉、顳葉、丘腦、尾狀核頭FA值中年組與老年組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0．05），中年組＞老年組。

表3 60名正常成人腦不同部位各年齡組間FA值比較（±s）

表3 60名正常成人腦不同部位各年齡組間FA值比較（±s）

注：P為3組間比較結(jié)果；P1為青年組與中年組比較結(jié)果；P2為青年組與老年組比較結(jié)果；P3為中年組與老年組比較結(jié)果。

部位 青年組 中年組 老年組 F值 P P1 P2 P3半卵圓中心 0．618±0．022 0．570±0．022 0．552±0．040 26．967 0．000 0．000 0．000 0．056胼胝體膝部 0．810±0．033 0．791±0．017 0．760±0．027 18．222 0．000 0．027 0．000 0．000胼胝體壓部 0．835±0．017 0．826±0．015 0．774±0．029 46．890 0．000 0．217 0．000 0．000內(nèi)囊前肢 0．628±0．037 0．594±0．024 0．580±0．032 12．186 0．000 0．001 0．000 0．166內(nèi)囊后肢 0．706±0．011 0．683±0．019 0．663±0．022 28．652 0．000 0．000 0．000 0．001額葉白質(zhì) 0．513±0．027 0．491±0．019 0．477±0．032 9．362 0．000 0．014 0．000 0．083頂葉白質(zhì) 0．556±0．014 0．545±0．016 0．527±0．028 10．580 0．000 0．110 0．000 0．005顳葉白質(zhì) 0．522±0．023 0．512±0．020 0．492±0．012 13．732 0．000 0．079 0．000 0．001丘腦 0．323±0．031 0．311±0．025 0．291±0．026 6．940 0．002 0．179 0．001 0．024豆?fàn)詈?0．175±0．010 0．181±0．015 0．189±0．020 4．042 0．023 0．246 0．006 0．103尾狀核頭 0．171±0．012 0．167±0．009 0．158±0．016 5．171 0．009 0．331 0．003 0．035

2．2．3 平均擴(kuò)散值的組間比較 （見表4） 半卵圓中心、胼胝體壓部、內(nèi)囊后肢、豆?fàn)詈说腗D值青年組與老年組、中年組與老年組，內(nèi)囊前肢、頂葉MD值中年組與老年組，胼胝體膝部、額葉、顳葉、丘腦、尾狀核頭MD值青年組與老年組，胼胝體膝部MD值青年組與中年組有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0．05），老年組＞中年組、老年組＞青年組、中年組＞青年組。胼胝體膝部MD值中年組與老年組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0．05），為中年組＞老年組。

表4 60例正常成人腦不同部位各年齡組間的MD值比較（±s）

表4 60例正常成人腦不同部位各年齡組間的MD值比較（±s）

注：P為3組間比較結(jié)果；P1為青年組與中年組比較結(jié)果；P2為青年組與老年組比較結(jié)果；P3為中年組與老年組比較結(jié)果

部位 青年組 中年組 老年組 F值 P P1 P2 P3半卵圓中心 0．789±0．017 0．803±0．030 0．824±0．037 7．226 0．002 0．136 0．000 0．027胼胝體膝部 0．922±0．024 0．987±0．017 0．978±0．047 16．086 0．000 0．030 0．000 0．010胼胝體壓部 0．882±0．028 0．890±0．024 0．940±0．032 24．955 0．000 0．534 0．000 0．000內(nèi)囊前肢 0．876±0．030 0．872±0．018 0．888±0．016 2．687 0．027 0．544 0．108 0．029內(nèi)囊后肢 0．885±0．214 0．891±0．014 0．915±0．039 6．964 0．002 0．511 0．001 0．006額葉白質(zhì) 0．872±0．039 0．889±0．038 0．903±0．014 4．424 0．016 0．118 0．004 0．172頂葉白質(zhì) 0．875±0．038 0．856±0．031 0．890±0．053 3．297 0．044 0．151 0．273 0．013顳葉白質(zhì) 0．878±0．024 0．890±0．023 0．901±0．019 3．790 0．028 0．214 0．008 0．141丘腦 0．866±0．019 0．879±0．034 0．895±0．029 5．426 0．007 0．164 0．002 0．066豆?fàn)詈?0．857±0．036 0．871±0．019 0．886±0．013 6．998 0．002 0．094 0．000 0．046尾狀核頭 0．857±0．023 0．866±0．018 0．881±0．038 4．036 0．023 0．290 0．007 0．086

3 討 論

關(guān)于腦白質(zhì)老化的研究報(bào)道是在DTI基礎(chǔ)上測(cè)量的，包括在33歲以前成年人的FA值呈非線性增加，隨后呈非線性降低，形如標(biāo)準(zhǔn)的拋物線。MD在白質(zhì)顯示了相反的模式，38歲以前呈非線性減少，之后類似的非線性增加，即一個(gè)倒拋物線［5］。在一些灰質(zhì)，F(xiàn)A被證明能夠遵循一個(gè)倒拋物線，最低約33歲［5］。FA 的這種減少已經(jīng)證明在尾狀核［6］和殼［7］。而關(guān)于FA及MD的研究是在水分子擴(kuò)散的高斯領(lǐng)域，無法解決多神經(jīng)纖維交叉問題。

DKI作為擴(kuò)散成像的新技術(shù)，其技術(shù)的產(chǎn)生歷經(jīng)一個(gè)對(duì)組織內(nèi)水分子擴(kuò)散呈非正態(tài)分布的認(rèn)識(shí)、四階張量應(yīng)用于磁共振成像的轉(zhuǎn)變過程。可以量化真實(shí)水分子擴(kuò)散與理想的高斯分布擴(kuò)散的位移偏離大小，表征水分子擴(kuò)散受限程度和擴(kuò)散的不均質(zhì)性，其MK是一個(gè)反映擴(kuò)散受限程度的無量綱參數(shù)，更加敏感探測(cè)組織微觀結(jié)構(gòu)的改變，因此可能是疾病早期的標(biāo)記，例如在帕金森?。?］、中風(fēng)［9］、腫瘤［10］、多發(fā)硬化［11］、神經(jīng)退行性疾病等領(lǐng)域已有初步研究。而且目前國(guó)外關(guān)于正常人DKI研究表明，MK值與年齡呈負(fù)相關(guān)，MK值隨年齡增長(zhǎng)明顯下降。其可能與組織微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性如組織密度、方向、細(xì)胞膜完整程度、髓鞘層等改變有關(guān)。

目前對(duì)于DKI在健康成人大腦與年齡關(guān)系的研究報(bào)道較少，且研究結(jié)果不一。有文獻(xiàn)報(bào)道［12，13］，關(guān)于年齡和MK相關(guān)性在直方圖的分析；從青年人到老年人所有白質(zhì)和灰質(zhì)的峰值減少。Nilssom等［14］對(duì)健康成人大腦的正常老化過程定量測(cè)定研究發(fā)現(xiàn)，隨年齡增長(zhǎng)，胼胝體膝部、半卵圓中心、額葉白質(zhì)、丘腦等MK值明顯下降，MK值與年齡呈線性回歸，F(xiàn)A值及MD值與年齡無相關(guān)性。而有關(guān)于DTI研究報(bào)道，對(duì)健康成人大腦關(guān)于青年組、中年組與老年組間的FA值研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)囊后肢、胼胝體膝部等FA值各組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0．05），F(xiàn)A值與年齡呈負(fù)相關(guān)。本組研究表明，除豆?fàn)詈送猓渌课坏腗K值與年齡呈負(fù)相關(guān)，這與Nilssom研究結(jié)果基本相符，而FA值與年齡呈負(fù)相關(guān)（除豆?fàn)詈送猓?，MD值與年齡呈正相關(guān)（除內(nèi)囊前肢和頂葉外），這與Nilssom研究結(jié)果不相符，分析可能的原因?yàn)椴煌芯空哌x擇興趣區(qū)的方法不同和所選研究范圍的不同。

本研究結(jié)果表明，在內(nèi)囊前肢、頂葉的MK值青年組與老年組、中年組與老年組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0．05），而青年組與中年組間無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但青年組的平均MK值還是大于中年組，說明隨年齡增長(zhǎng)，MK仍有下降的趨勢(shì)，可能由青年到中年下降的幅度較小，因而無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。是否增加樣本數(shù)能使比較結(jié)果差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，尚待進(jìn)一步研究。

另外，本研究結(jié)果表明在胼胝體壓部、半卵圓中心、額葉、顳葉、尾狀核頭MK值青年組、中年組、老年組間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而在胼胝體壓部、顳葉、尾狀核頭的青年組與中年組，半卵圓中心、額葉的中年組與老年組的FA值及胼胝體壓部、半卵圓中心、額葉、顳葉的青年組與中年組，額葉、顳葉、尾狀核頭的中年組與老年組的MD值組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明MK值比FA值、MD值更敏感，是水?dāng)U散研究從高斯水進(jìn)入非高斯水領(lǐng)域，解決了DTI無法解決的多神經(jīng)纖維交叉問題，更加能夠真實(shí)反應(yīng)腦組織微觀結(jié)構(gòu)的變化。例如DKI在膠質(zhì)瘤研究中［15］，膠質(zhì)瘤Ⅱ級(jí)與Ⅲ級(jí)的MK值有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而FA值與MD值均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。本組豆?fàn)詈说腗K、FA、MD與年齡呈正相關(guān)。豆?fàn)詈说腗K、FA與其他部位相反，即隨年齡增長(zhǎng)而增加，可能與其特定的解剖特點(diǎn)有關(guān)。豆?fàn)詈税瑲ず蜕n白球2部分，殼主要由致密排列的小神經(jīng)元構(gòu)成，其間有散在大的多極神經(jīng)元，蒼白球包含一些白色的有髓纖維束，因而豆?fàn)詈耸且环N灰質(zhì)與白質(zhì)的復(fù)合體，其中灰質(zhì)和白質(zhì)水分子的擴(kuò)散不同，而且較多血管在此走行，因而其變化非常復(fù)雜，也可能導(dǎo)致測(cè)量存在偏差。其確切機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

用DKI研究不同年齡段健康人腦MK值的差異及與年齡的相關(guān)性，能夠更好地反映出腦組織灰質(zhì)與白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的改變［16］，為健康人腦內(nèi)的 MK與某些神經(jīng)功能障礙性疾病中腦MK的鑒別及臨床診斷提供了重要依據(jù)。

［1］ Lebel C，Walker L，Leemans A，et al．Microstructural maturation of the human brain from childhood to adulthood［J］．Neuroimage，2008，40（3）：1044－1055．

［2］ Sullivan EV，Pfefferbaum A．Neuroradiological characterization of normal adult ageing［J］．Br J Cardiol，2007，80：S99－S108．

［3］ Lebel C，Gee M，Camicioli R，et al．Diffusion tensor imaging of white matter tract evolution over the lifespan［J］．Neuroimage，2011，60（1）：340－352．

［4］ Jensen J，Helpern JA．MRI quantification of non－Gaussian water diffusion by kurtosis analysis［J］．NMR Biomed，2010，23（7）：698－710．

［5］ Hasan KM，Sankar A，Halphen C，et al．Development and organization of the human brain tissue compartments across the lifespan using diffusion tensor imaging［J］．Neuroreport，2007，18（16）：1735－1739．

［6］ Hasan KM，Halphen C，Boska MD，et al．Diffusion tensor metrics，T2relaxation，and volumetry of the naturally aging human caudate nuclei in healthy young and middle－aged adults：Possible implications for the neurobiology of human brain aging and disease［J］．Magn Reson Med，2008，59（1）：7－13．

［7］ Camara E，Bodammer N，Rodriguez－Fornells A，et al．Age－related water diffusion changes in human brain：A voxelbased approach［J］．Neuroimage，2007，34（1）：1588－1599．

［8］ Giannelli M，Toschi N，Passamonti L，et al．Diffusion kurtosis and diffusion－tensor MR imaging in Parkinson disease［J］．Radiology，2012，265（2）：645－646．

［9］ Hui ES，F(xiàn)ieremans E，Jensen JH，et al．Stroke assessment with diffusional kurtosis imaging［J］．Stroke，2012，43（11）：2968－2973．

［10］ Van Cauter S，Veraart J，Sijbers J，et al．Gliomas：Diffusion kurto－sis MR imaging in grading［J］．Radiology，2012，263（2）：492－501．

［11］ Yoshida M，Hori M，Yokoyama K，et al．Diffusional kurtosis imaging of normal－appearing white matter in multiple sclerosis：Preliminary clinical experience［J］．Jpn J Radiol，2013，31（1）：50－55．

［12］ Falangola MF，Jensen JH，Babb JS，et al．Age－related non－Gaussian diffusion patterns in the prefrontal brain［J］．J Magn Reson Imaging，2008，28（6）：1345－1350．

［13］ Lu H，Jensen JH，Hu C，et al．Alterations in cerebral microstructual integrity in normal aging and in Alzheimer’s disease：A multicontrast diffusion MRI study［J］．Proc Intl Soc Mag Reson Med，2006，14：723．

［14］ Nilsson M，Wirestam R，Stahlberg F，et al．Regional values of diffusional kurtosis estimates in the healthy brain［J］．J Magn Reson Imaging，2013，37（3）：610－618．

［15］ Raab P，Hattingen E，F(xiàn)ranz K，et al．Cerebral Gliomas：Diffusional kurtosis imaging analysis of microstructural differences［J］．Radiology，2010，254（3）：876－881．

［16］ Cheung MM，Hui ES，Chan KC，et al．Does diffusion kurtosis imaging lead to better neural tissue characterization a rodent brain maturation study［J］．Neuroimage，2009，45（2）：386－392．