擴散峰度成像在正常成人視通路中的應用研究

趙海 徐志峰 劉健萍 賀小紅 周新韓 梁雪梅

528000，廣東省佛山市第一人民醫(yī)院影像科

擴散峰度成像在正常成人視通路中的應用研究

趙海 徐志峰 劉健萍 賀小紅 周新韓 梁雪梅

528000，廣東省佛山市第一人民醫(yī)院影像科

目的 應用擴散峰度成像（DKI）定量測量正常成人視通路各區(qū)域的平均峰度（MK）值、部分各向異性（FA）值和平均擴散率（MD），探討DKI技術在正常成人視通路研究中的應用價值。方法 按區(qū)組隨機化選擇30名正常成人志愿者，按年齡分為3組：20～39歲組、40～59歲組和60歲以上組，每組10名，均行常規(guī)顱腦MR和DKI序列掃描，并測量視通路不同區(qū)域的MK值、FA值和MD，采用SPSS15.0統計學軟件分析MK值、FA值和MD的正常范圍，及其隨年齡遞增的變化規(guī)律。結果 視神經、外側膝狀體、視放射和視皮層區(qū)域MK值與年齡呈負相關；外側膝狀體、視放射區(qū)域FA值與年齡呈負相關；視神經、外側膝狀體區(qū)域MD與年齡呈正相關。結論 DKI所得參數可以無創(chuàng)性地反映正常成人視通路隨年齡增長的微觀結構的變化。

擴散峰度成像；平均峰度；部分各向異性；平均擴散率

Fund program:Medical Scienceand Technology Research Projectin Foshanin 2014（2014AB00276）

擴散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）是基于擴散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）技術上的延伸，為描述組織內非正態(tài)分布水分子擴散的一種新的MRI方法。相對于DTI技術，DKI更適于反映組織微觀結構的變化[1]。目前關于正常成人視通路DTI的研究可見少量報道[2]。而通過DKI技術可以把水擴散研究從高斯水延伸至非高斯水領域，從而解決了DTI無法解決的多神經纖維交叉問題，能夠更加真實地反映組織微觀結構的變化[3]。目前，應用DKI技術進行正常成人視通路的研究尚未見報道。視通路的主要結構包括：視神經、視交叉、外側膝狀體、視放射和視皮層等。由于掃描技術的限制，DKI圖像中視交叉結構顯示不清，本研究將其排除。本研究選擇正常成人志愿者進行視通路的不同區(qū)域DKI研究，以明確正常成人視通路不同區(qū)域隨年齡增大的變化規(guī)律，為后續(xù)對視通路的臨床和疾病診斷等研究提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取我院30名進行顱腦常規(guī)MRI檢查和視通路DKI檢查的正常成人志愿者，其中，男性17名、女性13名，年齡22～73歲，平均年齡（50.6± 3.0）歲；按年齡段分為3組：20～39歲組、40～59歲組和60歲以上組，每組10名。所有志愿者均無眼眶疾病或眼部不適癥狀，臨床神經系統檢查未見明顯陽性體征。顱腦常規(guī)MRI的T1加權、T2加權、T2水抑制序列、彌散加權成像等序列圖像均未發(fā)現明顯異常征象。

1.2 儀器設備及掃描方法

采用美國GE公司Signa EXCITE HD 3.0T超導型MRI儀，常規(guī)MR序列包括軸位T1加權、T2加權、T2水抑制序列、彌散加權成像和矢狀位T2加權。DKI采用平面回波序列，掃描參數：重復時間6500 ms，回波時間115 ms，視野24 cm，層厚4.0 mm，25個擴散敏感梯度場，b值分別為0、1000、2000 s/mm2。

1.3 數據及圖像后處理

采用美國GE公司Advantage Workstation 4.4工作站的Functool軟件進行后處理。在雙側視神經、外側膝狀體、視放射和視皮層區(qū)域設置橢圓形ROI。由于視交叉結構在周圍腦脊液信號的干擾下，DKI圖像顯示不清，故排除在本研究之外。ROI均采用軟件自帶的鏡面對稱方式放置兩側，雙側ROI面積相同；分別測量每個ROI的平均峰度（mean kurtosis，MK）值、部分各向異性（fractional anisotropy，FA）值和平均擴散率（mean diffusivity，MD），每個ROI重復測量3次，取其平均值。得到ROI區(qū)域MK值、FA值和MD。

1.4 統計學方法

應用SPSS15.0統計學軟件處理，計量資料以均數±標準差（±s）表示，采用單因素方差分析及多組樣本均數兩兩比較和Pearson相關分析。P＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

本組30名正常成人志愿者均成功完成MRI常規(guī)和DKI序列檢查，測量并分析了視通路不同部位DKI參數值與年齡的相關性。結果顯示：①年齡與視神經區(qū)域MK值呈負相關，而與MD呈正相關（圖1）；②年齡與外側膝狀體區(qū)域MK、FA值均呈負相關，而與MD呈正相關；③年齡與視放射區(qū)域FA、MK值呈負相關（圖2）；④年齡與視皮層MK值呈負相關（表1）。

圖1 43歲正常男性志愿者視神經平面部分各向異性值、平均擴散率值、平均峰度值圖像Fig.1 Optic planar figures of fractional anisotropy，mean diffusivity，and mean kurtosis of a 43-year-old male volunteer

圖2 36歲正常女性志愿者視放射平面部分各向異性值、平均擴散率值、平均峰度值圖像Fig.2 Optic radiation planar figures of fractional anisotropy，mean diffusivity，and mean kurtosis of a 36-year-old female volunteer

表1 30名正常成人視通路不同部位FA值、MK值、MD與年齡的相關性比較Table 1 Correlations of age and FA，MD，MK values in different parts of the visual pathway in 30 normal adults

2.1 FA值的組間比較結果

20～39歲組和60歲以上組在外側膝狀體、視放射區(qū)域的FA值差異均有統計學意義；20～39歲組和40～59歲組在外側膝狀體、視皮層區(qū)域的FA值差異也有統計學意義（表2）。

2.2 MK值的組間比較結果

20～39歲組和60歲以上組在視神經、外側膝狀體、視放射和視皮層區(qū)域的MK值差異均有統計學意義。40～59歲組和60歲以上組在視神經、外側膝狀體區(qū)域的MK值差異也有統計學意義（表3）。

表2 30名正常成人各年齡組間視通路不同部位的部分各向異性值比較（±s）Table 2 Comparison of fractional anisotropy values in different parts of the visual pathway among each age groups in 30 normal adults（±s）

表2 30名正常成人各年齡組間視通路不同部位的部分各向異性值比較（±s）Table 2 Comparison of fractional anisotropy values in different parts of the visual pathway among each age groups in 30 normal adults（±s）

注：表中，P值為3組之間比較結果：P1、P2、P3分別為20～39歲組與40～59歲組、40～59歲組與60歲以上組、20～39歲組與60歲以上組之間的比較結果，括號中數據為對應的t值。

組別 人數 視神經 外側膝狀體 視放射 視皮層20～39歲組 10 0.48±0.12 0.53±0.15 0.55±0.09 0.17±0.07 40～59歲組 10 0.46±0.08 0.45±0.06 0.49±0.08 0.11±0.06 60歲以上組 10 0.45±0.05 0.41±0.08 0.43±0.06 0.14±0.04 F值 0.365 6.893 3.995 5.508 P值 0.698 0.004 0.030 0.014 P1值 0.724（0.170） 0.027（0.075） 0.127（0.067） 0.004（0.066）P2值 0.625（0.190） 0.192（0.043） 0.224（0.053） 0.135（0.032）P3值 0.403（0.036） 0.001（0.118） 0.009（0.120） 0.113（0.034）

表3 30名正常成人各年齡組間視通路不同部位的平均峰度值比較（±s）Table 3 Comparison of mean kurtosis values in different parts of the visual pathway among each age groups in 30 normal adults（±s）

表3 30名正常成人各年齡組間視通路不同部位的平均峰度值比較（±s）Table 3 Comparison of mean kurtosis values in different parts of the visual pathway among each age groups in 30 normal adults（±s）

注：表中，P值為3組之間比較結果：P1、P2、P3分別為20～39歲組與40～59歲組、40～59歲組與60歲以上組、20～39歲組與60歲以上組之間的比較結果，括號中數據為對應的t值。

組別 人數 視神經 外側膝狀體 視放射 視皮層20～39歲組 10 0.81±0.12 0.89±0.18 0.98±0.16 0.74±0.09 40～59歲組 10 0.72±0.28 0.85±0.15 0.93±0.29 0.72±0.16 60歲以上組 10 0.60±0.16 0.73±0.10 0.88±0.18 0.68±0.29 F值 10.074 6.413 4.123 2.263 P值 0.001 0.005 0.027 0.123 P1值 0.073（0.089） 0.410（0.038） 0.159（0.052） 0.460（0.020）P2值 0.015（0.124） 0.015（0.118） 0.167（0.051） 0.118（0.036）P3值 0.000（0.213） 0.002（0.156） 0.008（0.103） 0.045（0.056）

2.3 MD的組間比較結果

20～39歲組和60歲以上組在視神經、外側膝狀體區(qū)域的MD差異有統計學意義。40～59歲組和60歲以上組在外側膝狀體區(qū)域的MD差異有統計學意義（表4）。

表4 30名正常成人各年齡組間視通路不同部位的平均擴散率比較[（±s）×10－3mm2/s]Table 4 Comparison of mean diffusivity values in different parts of the visual pathway among each age groups in 30 normal adults[（±s）×10－3mm2/s]

表4 30名正常成人各年齡組間視通路不同部位的平均擴散率比較[（±s）×10－3mm2/s]Table 4 Comparison of mean diffusivity values in different parts of the visual pathway among each age groups in 30 normal adults[（±s）×10－3mm2/s]

注：表中，P值為3組之間比較結果：P1、P2、P3分別為20～39歲組與40～59歲組、40～59歲組與60歲以上組、20～39歲組與60歲以上組之間的比較結果，括號中數據為對應的t值。

組別 人數 視神經 外側膝狀體 視放射 視皮層20～39歲組 10 0.94±0.16 0.90±0.16 0.81±0.26 1.05±0.24 40～59歲組 10 1.05±0.22 0.87±0.22 0.83±0.15 1.03±0.18 60歲以上組 10 1.09±0.30 1.08±0.33 0.88±0.33 1.17±0.36 F值 3.123 7.760 2.115 2.360 P值 0.060 0.002 0.140 0.114 P1值 0.089（0.075） 0.527（0.036） 0.637（0.015） 0.892（0.129）P2值 0.520（0.046） 0.001（0.207） 0.148（0.047） 0.058（0.145）P3值 0.023（0.065） 0.005（0.171） 0.059（0.062） 0.089（0.016）

3 討論

DKI技術作為DTI技術的拓展，是反映組織內非正態(tài)分布水分子擴散的一種新方法。與傳統的DTI技術比較，DKI的技術優(yōu)勢在于不依賴于組織結構的空間方向，其MK值作為一個反映擴散受限程度的參數，對于探測腦組織灰質和白質微觀結構的改變更加靈敏[4]。目前，DKI主要用于中樞神經系統的臨床研究，在腦腫瘤、退行性疾病、脫髓鞘疾病和腦血管疾病等方面的研究均取得了初步成果，在體部腫瘤的研究方面也取得了一些初步結果，如前列腺、乳腺方面[5]，因此DKI技術具有廣闊的臨床應用前景[6]。

目前國內外關于正常人大腦DKI的研究表明，MK值隨年齡增長逐漸下降，二者呈負相關，可能與組織微觀結構，如組織密度、方向、細胞膜完整程度、髓鞘層等的改變有關[7]。有文獻應用直方圖分析正常成人大腦MK值與年齡的相關性，發(fā)現從青年人到老年人的所有白質和灰質峰值均隨年齡呈逐漸下降趨勢[8]。目前，關于正常成人視通路DKI所得參數與年齡的相關性研究尚未見報道。

本研究結果表明，20～39歲組和60歲以上組相比，視神經、外側膝狀體、視放射和視皮層區(qū)域MK值的差異均有統計學意義，表明隨著年齡增加，MK值在這些區(qū)域均有明顯的逐漸下降趨勢。20～39歲組和60歲以上組相比，外側膝狀體和視放射區(qū)域的FA值差異均有統計學意義，且隨著年齡增加，FA值有逐漸下降趨勢?？梢姡現A值與年齡呈負相關（視神經、視皮層區(qū)域除外）；由于視皮層區(qū)灰質結構屬于各向同性結構，FA值相當低，所以并不是該區(qū)域的敏感指標。本研究中，視放射區(qū)FA值的變化與孫鑫等[9]的研究結果存在差異，其研究中視放射區(qū)FA值隨年齡的變化差異無統計學意義。分析其結果，可能是由于研究對象的年齡差異跨度較小所致，而本研究中研究對象的年齡跨度較大。此外，本研究20～39歲組和60歲以上組相比，視神經、外側膝狀體區(qū)域的MD差異有統計學意義，且隨著年齡增加，MD與之呈正相關（視放射、視皮層區(qū)域除外），表明隨著年齡增加，MD在視神經、外側膝狀體區(qū)域呈逐漸上升趨勢。

本研究探討了正常成人視通路中MK值與年齡之間的相關性，并初步建立了各年齡組視通路各區(qū)域MK值的大致范圍，反映了視通路各區(qū)域隨年齡增加微觀結構的改變，為將來研究視通路病變中各區(qū)域結構的微觀變化及定量分析打下了初步的基礎，在定量評估療效等方面將有更廣泛的研究空間。

綜上所述，本研究利用DKI技術定量研究視通路與年齡之間的相關性，進一步證明了MK值在檢測各向同性組織（如灰質）中的重要作用[10]和高靈敏度，較FA值、MD具有更為顯著的優(yōu)勢，后二者在視皮層區(qū)域研究中的差異無統計學意義；相信DKI作為一項新技術必將在視通路病變的診斷和鑒別診斷中發(fā)揮重要的作用。

利益沖突 本研究由署名作者按以下貢獻聲明獨立開展，不涉及任何利益沖突。

作者貢獻聲明 趙海負責本研究的提出、設計，最終論文的書寫；徐志鋒負責研究過程的實施，掃描數據的確立，選取正常志愿者；劉健萍負責數據的提取，統計分析；賀小紅負責志愿者的掃描參數的優(yōu)化，完成掃描任務；周新韓負責掃描數據的后處理，部分參數的優(yōu)化選擇；梁雪梅負責護理掃描中的輔助工作。

［1］Hui ES,Cheung MM,Qi LQ,et al.Towards better MR characterization of neural tissues using directional diffusion kurtosis analysis[J]. Neuroimage,2008,42（1）：122-134.DOI：10.1016/j.neuroimage.2008.04.237.

［2］宛四海,張雪林,孫鑫,等.正常成人視放射的磁共振擴散張量成像和擴散張量纖維束成像研究[J].南方醫(yī)科大學學報,2008, 28（3）：396-398.DOI：10.3321/j.issn：1673-4254.2008.03.047. Wan SH,Zhang XL,Sun X,et al.Optic radiation in normal adults：a study using magnetic resonance diffusion tensor imaging and diffusion tensor tractography[J].J South Med Univ,2008,28（3）：396-398.

［3］Raab P,Hattingen E,Franz K,et al.Cerebral gliomas：diffusional kurtosis imaging analysis of microstructural differences[J].Radiology,2010,254（3）：876-881.DOI：10.1148/radiol.09090819.

［4］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.DOI：10.1002/jmri.21604.

［5］劉慧婷.乳腺病變的擴散峰度模型研究[J].國際醫(yī)學放射學雜志,2014,37（4）：97-98. Liu HT.Diffusion kurtosis imaging model of breast lesions[J].Int J Med Radiol,2014,37（4）：97-98.

［6］曾丁巳,肖新蘭.擴散峰度成像（DKI）在中樞神經系統的應用[J].臨床放射學雜志,2011,30（9）：1400-1402. Zeng DS,Xiao XL.Application of diffusion kurtosis imaging in the central nervous system[J].J Clin Radiol,2011,30（9）：1400-1402.

［7］L?tt J,Nilsson M,Wirestam R,et al.Regional values of diffusional kurtosis estimates in the healthy brain[J].J Magn Reson Imaging, 2013,37（3）：610-618.DOI：10.1002/jmri.23857.

［8］鄭慧鑫,張輝,王效春,等.擴散峰度成像在正常成人腦組織中的應用價值[J].山西醫(yī)科大學學報,2014,45（4）：275-277,284. DOI：10.13753/j.issn.1007-6611.2014.04.006. Zheng HX,Zhang H,Wang XC,et al.Value of diffusion kurtosis imaging in normal adult brain[J].J Shanxi Med Univ,2014,45（4）：275-277,284.

［9］孫鑫,肖新蘭,黃海青.磁共振DTI和DTT在正常成人視放射中的初步應用[J].中國臨床醫(yī)學影像雜志,2008,19（12）：893-895.DOI：10.3969/j.issn.1008-1062.2008.12.016. Sun X,Xiao XL,Huang HQ.Initial application of MR DTI and DTT in normal adult optic radiation[J].J Chin Clin Med Imaging,2008, 19（12）：893-895.

［10］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.DOI：10. 1016/j.neuroimage.2008.12.018.

Application study of diffusion kurtosis imaging in normal adult visual pathway

Zhao Hai,Xu Zhifeng,Liu Jianping,He Xiaohong,Zhou Xinhan,Liang Xuemei
Department of Radiology,the First People′s Hospital of Foshan,Foshan 528000,China

He Xiaohong，Email：fs265h@126.com

Objective To explore the application value of diffusion kurtosis imaging（DKI）in normal adult visual pathway in the change of mean kurtosis（MK）,fractional anisotropy（FA）,and mean diffusion（MD）coefficient.MethodsDKl was used to measure MK,FA and MD in different regions of the normal adult visual pathway of 10 young adults（20 years to 39 years）,10 middle-aged adults（40 years to 59 years）,and 10 senior adults（＞60 years）.The normal range of MK,FA and MD values and its variation with increasing age were analyzed using SPSS 15.0 statistical analysis software.ResultsThe MK values of the optic nerve,lateral geniculate nucleus,optic radiation,and optic cortex were significantly different and negatively correlated.The FA values of the lateral geniculate nucleus and optic radiation were significantly different and negatively correlated.The MD values of the optic nerve and lateral geniculate nucleus were significantly different and positively correlated.ConclusionThe DKI parameters can non-invasively reflect the changes in the microstructure of the normal adult visual pathway.

Diffusion kurtosis imaging;Mean kurtosis;Fractional anisotropy;Mean diffusivity

賀小紅，Email：fs265h@126.com

10.3760/cma.j.issn.1673－4114.2016.03.004

2014年佛山市醫(yī)學類科技攻關項目（2014AB00276）

2016－04－20）