健康成人腦白質(zhì)擴(kuò)散峰度成像與年齡相關(guān)性變化的初步研究

謝銘飛，高思佳，胡文，蘇宇，李丹

（中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，遼寧沈陽(yáng)110001）

健康成人腦白質(zhì)擴(kuò)散峰度成像與年齡相關(guān)性變化的初步研究

謝銘飛，高思佳，胡文，蘇宇，李丹

（中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，遼寧沈陽(yáng)110001）

目的：應(yīng)用擴(kuò)散峰度成像（DKI）探討健康成人腦白質(zhì)組織微觀結(jié)構(gòu)與年齡的相關(guān)性變化。方法：對(duì)60例正常志愿者進(jìn)行常規(guī)MRI和DKI掃描，志愿者按年齡分為3組：青年組（20～＜40歲）20例、中年組（40～＜60歲）20例、老年組（≥60歲）20例，經(jīng)后處理得到DKI相關(guān)參數(shù)圖。于外囊、內(nèi)囊前肢和后肢、胼胝體膝部和壓部、半卵圓中心、額葉選取感興趣區(qū)測(cè)定相關(guān)參數(shù)值，包括各向異性分?jǐn)?shù)（FA）、平均峰度（MK）、徑向峰度（RK）、軸向峰度（AK）值，并作統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果：內(nèi)囊前肢、胼胝體膝部、壓部、半卵圓中心、額葉FA值與年齡呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），其中，內(nèi)囊前肢、額葉FA值表現(xiàn)為：青年組＞老年組（P＜0.017），胼胝體膝部、壓部、半卵圓中心FA值表現(xiàn)為：青年組＞中年組，青年組＞老年組。各選取白質(zhì)感興趣區(qū)MK值與年齡呈顯著負(fù)相關(guān)，其中，外囊、內(nèi)囊后肢、胼胝體膝部、壓部、半卵圓中心、額葉MK值表現(xiàn)為：青年組＞中年組＞老年組，內(nèi)囊前肢MK值表現(xiàn)為：青年組＞中年組，青年組＞老年組。各選取白質(zhì)感興趣區(qū)RK值與年齡呈顯著負(fù)相關(guān)。其中，內(nèi)囊前肢、胼胝體膝部、壓部、半卵圓中心、額葉RK值表現(xiàn)為：青年組＞中年組＞老年組，外囊、內(nèi)囊后肢RK值表現(xiàn)為：青年組＞中年組，青年組＞老年組。AK值與年齡無顯著相關(guān)。腦白質(zhì)FA平均值、MK平均值、RK平均值與年齡呈顯著負(fù)相關(guān)（r值分別為-0.775、-0.933、-0.946），腦白質(zhì)AK平均值與年齡無顯著相關(guān)。結(jié)論：較傳統(tǒng)DTI，DKI能更全面、更敏感地探測(cè)健康成人腦白質(zhì)組織微觀結(jié)構(gòu)與年齡的相關(guān)性變化。

腦；年齡因素；磁共振成像，彌散

擴(kuò)散張量成像（Diffusion tensor imaging，DTI）已廣泛地用于腦白質(zhì)正常結(jié)構(gòu)和病變的研究，理論前提為水分子呈正態(tài)分布，而擴(kuò)散峰度成像（Diffusion kurtosis imaging，DKI）是近來發(fā)展的一項(xiàng)新的磁共振成像方法，基于DTI技術(shù)的擴(kuò)展，描繪組織內(nèi)非正態(tài)分布的水分子擴(kuò)散，能更好地反映組織微觀結(jié)構(gòu)分布和擴(kuò)散的變化[1]。DKI能同時(shí)導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)DTI參數(shù)，包括各向異性分?jǐn)?shù)（Fractional anisotropy，F(xiàn)A）、平均擴(kuò)散張量（Mean diffusivity，MD）、徑向擴(kuò)散張量（Radial diffusivity，RD）、軸向擴(kuò)散張量（Axial diffusivity，AD）以及DKI參數(shù)包括平均峰度（Mean kurtosis，MK）、徑向峰度（Radial kurtosis，RK）、軸向峰度（Axial kurtosis，AK）。本研究通過測(cè)定DTI的主要參數(shù)FA值、DKI各參數(shù)值，探討健康成人腦白質(zhì)擴(kuò)散峰度成像與年齡的相關(guān)性變化。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象

于2014年5—12月收集60例志愿者，男28例，女32例，年齡24～82歲，平均（48.9±15.2）歲。按年齡分為三組：青年組（20～＜40歲）20例、中年組（40～＜60歲）20例、老年組（≥60歲）20例。入選標(biāo)準(zhǔn)：既往無神經(jīng)系統(tǒng)疾病、無認(rèn)知功能障礙、無腦外傷等病史，常規(guī)MRI檢查無異常發(fā)現(xiàn)。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，全部志愿者對(duì)本研究知情并均簽署知情同意書。

1.2 檢查方法

采用Siemens Verio 3.0T MR掃描儀，12通道頭線圈，掃描前與被試者良好溝通，掃描期間將被試者頭部用套墊固定。掃描序列包括常規(guī)頭顱平掃（T1WI、T2WI、液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列（FLAIR）T2WI）及DKI。DKI采用TRSE（Twice-refocused spin-echo）序列，擴(kuò)散敏感梯度方向?yàn)?0個(gè)，b=0、1 000、2 000 s/mm2，TR=8 500 ms，TE=98 ms，矩陣74×74，F(xiàn)OV 222×222 mm2，層厚3.0 mm，層間距0，b=0時(shí)NEX=9，b=1 000、2 000 s/mm2時(shí)NEX=1，掃描時(shí)間10分46秒。

1.3 DKI后處理及相關(guān)參數(shù)測(cè)定

體素分析-擴(kuò)散數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)行在Matlab基礎(chǔ)上的DKE（Diffusional Kurtosis Estimator）[2]，采用線性最小二乘（LLS）擬合算法得到DKI相關(guān)參數(shù)圖，使用ImageJ軟件選定雙側(cè)外囊、內(nèi)囊前肢和后肢、胼胝體膝部和壓部、半卵圓中心、額葉作為感興趣區(qū)（ROI），除胼胝體膝部和壓部外，均對(duì)稱測(cè)量ROI的FA、MK、RK、AK值，3次測(cè)量取平均值，測(cè)量時(shí)避開腦室腦溝等區(qū)域。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用SPSS 19.0軟件對(duì)各選取ROI的參數(shù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，各年齡組間的比較采用方差分析（其中兩兩比較采用Bonferroni法，P＜0.017認(rèn)為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義），每個(gè)選取部位DKI相關(guān)參數(shù)、每個(gè)研究對(duì)象腦白質(zhì)DKI相關(guān)參數(shù)平均值與年齡相關(guān)性采用Pearson相關(guān)性分析，P＜0.05有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖1 男，42歲。圖1a：各向異性分?jǐn)?shù)（FA）圖。圖1b：平均峰度（MK）圖。圖1c：徑向峰度（RK）圖。圖1d：軸向峰度（AK）圖。Figure 1.Male,42 years old.Fractional anisotropy(FA),mean kurtosis(MK),radial kurtosis(RK)and axial kurtosis(AK)images were displayed respectively.

2 結(jié)果

2.1 腦白質(zhì)纖維在DKI相關(guān)參數(shù)圖上的信號(hào)特點(diǎn)

見圖1。在FA、MK、RK圖上腦白質(zhì)纖維呈高信號(hào)，在AK圖上表現(xiàn)為稍高信號(hào)，與灰質(zhì)不易區(qū)分。

2.2 不同部位DKI相關(guān)參數(shù)值及其與年齡的相關(guān)性

見表1。內(nèi)囊前肢、胼胝體膝部、壓部、半卵圓中心、額葉FA值與年齡呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。各選取白質(zhì)感興趣區(qū)MK值、RK值與年齡呈顯著負(fù)相關(guān)。所有選取白質(zhì)感興趣區(qū)AK值與年齡無顯著相關(guān)。

2.3 不同部位DKI相關(guān)參數(shù)值各年齡組的比較

2.3.1 FA值各年齡組間比較

見表2。除內(nèi)囊后肢外，其他選取白質(zhì)感興趣區(qū)各組間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。其中，內(nèi)囊前肢、額葉FA值表現(xiàn)為：青年組＞老年組（P＜0.017），胼胝體膝部、壓部、半卵圓中心FA值表現(xiàn)為：青年組＞中年組，青年組＞老年組。

2.3.2 MK值各年齡組間比較

見表3。所有選取白質(zhì)感興趣區(qū)各組間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。其中，外囊、內(nèi)囊后肢、胼胝體膝部、壓部、半卵圓中心、額葉MK值表現(xiàn)為：青年組＞中年組＞老年組，內(nèi)囊前肢MK值表現(xiàn)為：青年組＞中年組，青年組＞老年組。

2.3.3 RK值各年齡組間比較

見表4。所有選取白質(zhì)感興趣區(qū)各組間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。其中，內(nèi)囊前肢、胼胝體膝部、壓部、半卵圓中心、額葉RK值表現(xiàn)為：青年組＞中年組＞老年組，外囊、內(nèi)囊后肢RK值表現(xiàn)為：青年組＞中年組，青年組＞老年組。

表1 不同部位DKI相關(guān)參數(shù)值及其與年齡的相關(guān)性

表2 不同部位FA值各年齡組間比較

表3 不同部位MK值各年齡組間比較

表4 不同部位RK值各年齡組間比較

2.3.4 AK值各年齡組間比較

見表5。所有選取白質(zhì)感興趣區(qū)各組間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.4 FA、MK、RK和AK的平均值與年齡的關(guān)系

見圖2。每個(gè)研究對(duì)象所有選取白質(zhì)取FA平均值、MK平均值、RK平均值、AK平均值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)FA、MK、RK值與年齡呈顯著負(fù)相關(guān)（r值分別為-0.775、-0.933、-0.946），AK值與年齡無顯著相關(guān)。

表5 不同部位AK值各年齡組間比較

圖2 每個(gè)研究對(duì)象所有選取白質(zhì)區(qū)FA平均值、MK平均值、RK平均值與年齡呈顯著負(fù)相關(guān)（r值分別為-0.775、-0.933、-0.946），AK平均值與年齡無顯著相關(guān)。Figure 2.The average FA,MK and RK values from all selected white matter areas were significant negative correlation with age(r values were-0.775,-0.933 and-0.946,respectively).The average AK values did not show age dependence.

3 討論

擴(kuò)散加權(quán)成像是一種能檢測(cè)活體內(nèi)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的磁共振功能成像方法，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于臨床中。通過測(cè)量腦內(nèi)水分子的微米級(jí)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，可以敏感地探測(cè)神經(jīng)組織的微觀結(jié)構(gòu)，如髓鞘完整性、滲透性變化、細(xì)胞類型和細(xì)胞器的多樣性等[3]。目前擴(kuò)散加權(quán)技術(shù)使用最廣泛的是DTI，但是DTI僅能提供擴(kuò)散特征信息的一部分，其主要原因在于DTI的原理是基于正態(tài)分布近似值來模擬腦內(nèi)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的概率分布函數(shù)，已有報(bào)道人腦水分子的擴(kuò)散分布是以非正態(tài)分布為主[4]。

DKI是一種描述組織內(nèi)非正態(tài)分布水分子擴(kuò)散新的磁共振成像方法，基于DTI技術(shù)上的擴(kuò)展。DKI掃描能同時(shí)導(dǎo)出DTI-DKI參數(shù)。其中，F(xiàn)A值是DTI部分的一個(gè)主要參數(shù)，反映擴(kuò)散異質(zhì)性。DKI參數(shù)提供了水分子擴(kuò)散的非正態(tài)分布信息，能更大程度地反映擴(kuò)散異質(zhì)性和微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。MK指整體擴(kuò)散的不均勻性，是反映微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜性（如細(xì)胞膜、軸突鞘、髓鞘等的密度、方向和完整性）的一個(gè)敏感指標(biāo)[5]，但缺失了擴(kuò)散的方向性，RK指垂直于軸突方向（如髓鞘）的擴(kuò)散峰度平均值，AK指沿著軸突方向的擴(kuò)散峰度值。RK和AK補(bǔ)充了DKI所提供的方向信息。較傳統(tǒng)的DTI技術(shù)，DKI提供獨(dú)特的和互補(bǔ)的參數(shù)指標(biāo)，解決神經(jīng)纖維交叉問題[6]，這些或能提高探測(cè)組織微觀結(jié)構(gòu)變化的敏感度。

隨著年齡的增長(zhǎng)，健康成年人腦組織的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定的年齡相關(guān)性改變。DTI已廣泛地用于腦白質(zhì)正常結(jié)構(gòu)和病變的研究。Grieve等[7]發(fā)現(xiàn)正常腦老化進(jìn)程中額葉FA值每10年下降約3%，Madden等[8]發(fā)現(xiàn)年齡相關(guān)的腦白質(zhì)變性有可能是老年人認(rèn)知能力下降的重要機(jī)制。而目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)腦白質(zhì)正常老化的DKI研究較少，有研究表明MK值隨大鼠腦發(fā)育的不同階段而變化[9-10]，在人腦額葉白質(zhì)[11]及一些腦白質(zhì)區(qū)域[5]MK值隨年齡增長(zhǎng)而下降。由于DKI是DTI技術(shù)的擴(kuò)展，DKI在研究腦白質(zhì)年齡相關(guān)性變化方面可能具有潛在的、更重要的應(yīng)用價(jià)值。

本研究中，隨著年齡的增長(zhǎng)，內(nèi)囊前肢、胼胝體膝部、壓部、半卵圓中心、額葉白質(zhì)感興趣區(qū)表現(xiàn)為FA值下降，與之前的DTI研究結(jié)果一致[12-13]，在青年組與老年組間比較有顯著差異。腦白質(zhì)FA平均值隨年齡增長(zhǎng)也表現(xiàn)為下降，F(xiàn)A下降反映腦白質(zhì)纖維束完整性下降。所有選取感興趣區(qū)的MK值、腦白質(zhì)MK平均值隨年齡增長(zhǎng)均下降，與FA比較可同樣提示腦白質(zhì)老化過程中微觀結(jié)構(gòu)的改變，如髓鞘脫失、軸突細(xì)胞膜通透性增加、軸突丟失或縮短等[14-15]。有研究指出[16]，正常老年人可經(jīng)常見到神經(jīng)元數(shù)目減少、腦容積減少。但同時(shí)MK值能更全面地顯示腦白質(zhì)區(qū)域（如外囊、內(nèi)囊后肢）與年齡的相關(guān)性。在各年齡組間比較時(shí)，外囊、內(nèi)囊后肢、胼胝體膝部、壓部、半卵圓中心、額葉白質(zhì)MK值均表現(xiàn)為青年組＞中年組＞老年組，內(nèi)囊前肢MK值表現(xiàn)為：青年組＞中年組，青年組＞老年組，在組間比較有顯著差異的白質(zhì)部位數(shù)目及組間數(shù)目上均較FA值明顯，腦白質(zhì)MK平均值與年齡的相關(guān)性較FA平均值更大，這些都表明DKI在探測(cè)組織微觀結(jié)構(gòu)的變化方面更全面、更敏感。尤其是MK，或許可作為一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的早期標(biāo)記和預(yù)后指標(biāo)[17]。所有選取感興趣區(qū)的RK值、腦白質(zhì)RK平均值隨年齡增長(zhǎng)均下降，且RK值表現(xiàn)為青年組＞老年組，補(bǔ)充說明了腦白質(zhì)老化過程中髓鞘脫失改變明顯。在本研究中所有選取白質(zhì)感興趣區(qū)AK值、腦白質(zhì)AK平均值與年齡無顯著相關(guān)性，這可能因AK值易受到非正態(tài)噪聲分布的影響[5]。最近有證據(jù)表明在腦急性缺血時(shí)AK值增加較RK值明顯，推測(cè)梗死發(fā)生后梗死區(qū)可能主要發(fā)生軸突的損傷，而垂直于軸突纖維束（如髓鞘）的擴(kuò)散改變相對(duì)較輕[18-19]。RK值和AK值補(bǔ)充和豐富了DKI在研究腦白質(zhì)纖維束方向上的變化。

綜上所述，較傳統(tǒng)DTI技術(shù)，DKI可提供更多的擴(kuò)散信息，能更全面、更敏感地反映健康成人腦白質(zhì)組織微觀結(jié)構(gòu)與年齡的相關(guān)性變化。DKI在腦膠質(zhì)瘤級(jí)別判定[20]、精神分裂癥[21]、視神經(jīng)脊髓炎[22]、癲癇[23]、多發(fā)性硬化[24]等方面均取得了初步研究結(jié)果。DKI，作為一種新的磁共振成像方法，在大腦正常結(jié)構(gòu)、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等研究方向具有廣闊的應(yīng)用前景。

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A preliminary study of age-related changes of healthy adult white matter with diffusion kurtosis imaging

XIE Ming-fei,GAO Si-jia,HU Wen,SU Yu,LI Dan
(Department of Radiology,First Affiliated Hospital of China Medical University,Shenyang 110001,China)

Objective:To explore age-related changes of healthy adult white matter microstructure with diffusion kurtosis imaging(DKI).Methods:Sixty volunteers were divided into three groups according to age:20 cases of young group(20～＜40 years),20 cases of middle-aged group(40～＜60 years),20 cases of elder group(≥60 years).Conventional MRI and DKI were performed.Fractional anisotropy(FA),mean kurtosis(MK),radial kurtosis(RK)and axial kurtosis(AK)were determined in the external capsule,the anterior limb of the internal capsule(ALIC),the posterior limb of the internal capsule(PLIC),the genu of the corpus callosum(CC),the splenium of the CC,the centrum semiovale,the frontal subcortical white matter(sWM).Parameter estimates were obtained and statistically analysed.Results:FA values in the ALIC,genu and splenium of the CC,centrum semiovale and frontal sWM were significant negative correlation with age(P＜0.05).FA values in the ALIC and frontal sWM were shown as follows:young group＞elder group(P＜0.017).FA values in the genu and splenium of the CC and centrum semiovale were shown as follows:young group＞middle-aged group,young group＞elder group.MK values in the all selected white matter areas were significant negative correlation with age.MK values in the external capsule,PLIC,genu and splenium of the CC,centrum semiovale and frontal sWM were shown as follows:young group＞middle-aged group＞elder group.MK values in the ALIC were shown as follows:young group＞middle-aged group,young group＞elder group.RK values in the all selected white matter areas were significant negative correlation with age.RK values in the ALIC,genu and splenium of the CC,centrum semiovale and frontal sWM were shown as follows:young group＞middle-aged group＞elder group.RK values in the external capsule and PLIC were shown as follows:young group＞middle-aged group,young group＞elder group.AK values in the all selected white matter areas did not show age dependence.The average FA,MK and RK values from all selected white matter areas were significant negative correlation with age(r values were-0.775,-0.933 and-0.946,respectively).The average AK values did not show age dependence.Conclusion:DKI can offer a more comprehensive and sensitive detection of age-related changes of healthy adult white matter microstructure compared with DTI.

Brain;Age factors;Diffusion magnetic resonance imaging

R338.25；R445.2

A

1008-1062（2016）10-0685-05

2016-01-18；

2016-03-21

謝銘飛（1989-），男，江西萍鄉(xiāng)人。醫(yī)師。現(xiàn)工作單位為華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院放射科。E-mail：xmfly1989@163.com

高思佳，中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，110001。E-mail：scarlettgao@126.com