DTI和DKI在輕型創(chuàng)傷性腦損傷診斷中的若干問題研究進展

高鑫，張濤，高省，張桓，于建云，任康

（1.宣威市公安局刑事科學(xué)技術(shù)室，云南宣威 655400；2.嵩明縣公安局，云南嵩明 651700；3.云南警官學(xué)院刑事偵查學(xué)院，云南昆明 650223；4.昆明醫(yī)科大學(xué)法醫(yī)學(xué)院，云南昆明 650500；5.長治醫(yī)學(xué)院，山西長治 046000）

DTI和DKI在輕型創(chuàng)傷性腦損傷診斷中的若干問題研究進展

高鑫1，張濤2，高省3，張桓4，于建云4，任康5

（1.宣威市公安局刑事科學(xué)技術(shù)室，云南宣威 655400；2.嵩明縣公安局，云南嵩明 651700；3.云南警官學(xué)院刑事偵查學(xué)院，云南昆明 650223；4.昆明醫(yī)科大學(xué)法醫(yī)學(xué)院，云南昆明 650500；5.長治醫(yī)學(xué)院，山西長治 046000）

DKI（diffusion kurtosis imaging，DKI）是在DTI（diffusion-tensor imaging，DTI）技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的fMRI技術(shù)，是DTI的進一步發(fā)展、提升和完善。輕度顱腦外傷（mild traumatic brain injury，mTBI）常規(guī)CT檢查常表現(xiàn)為陰性，故臨床準確評價困難，很容易造成部分患者漏診，耽誤早期積極治療，而DKI是一種客觀、準確和定量的評價輕度顱腦外傷的方法，運用DKI較常用的指標FA值、MD值和MK值可以較準確的診斷出腦損傷等疾病，能夠?qū)膊∵M行早診斷早治療。目前，DKI在許多疾病當中均有運用。綜述了DKI在國內(nèi)外腦損傷中的研究進展，并對DKI在診斷腦損傷中的應(yīng)用進行探討。

DTI；DKI；輕型創(chuàng)傷性腦損傷

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，交通事故、體育活動及意外所致的輕型顱腦外傷（mild traumatic brain injury，mTBI）在臨床中越來越常見。mTBI若診斷治療不及時，常會發(fā)展為腦震蕩后綜合征（post concussional syndrome，PCS）。中、重型顱腦外傷導(dǎo)致腦挫裂傷、顱內(nèi)血腫的臨床表現(xiàn)及CT等影像征象明確，易于診斷，而mTBI、PCS用常規(guī)CT或MRI檢查技術(shù)常無法提供直接的影像學(xué)證據(jù)，故臨床準確評價有一定困難，容易造成部分患者漏診，延誤早期積極治療。因此，尋找一種客觀、準確和定量評價mTBI的方法顯得尤為重要。磁共振彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）可顯示白質(zhì)纖維束的走行，觀察大腦白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，檢測腦組織的輕微損傷。磁共振彌散加權(quán)成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）作為擴散成像的新技術(shù)，可以量化真實水分子擴散與理想的高斯分布擴散的位移偏離大小，表征水分子擴散受限程度和擴散的不均質(zhì)性，能更敏感地探測組織微觀結(jié)構(gòu)的改變。本文旨在闡述DTI和DKI的基本原理、主要參數(shù)及在輕型顱腦損傷中的應(yīng)用，探討DTI和DKI在輕型顱腦損傷患者診斷中的應(yīng)用價值。

1 DTI、DKI基本原理及主要參數(shù)

1.1 DTI、DKI基本原理

DKI技術(shù)是DTI的延伸，是旨在探查非高斯分布的水分子擴散特性的方法，用擴散峰度描述水分子擴散分布偏移自由擴散高斯分布的程度，反映出水分子擴散遇到阻礙或者限制的情形，從而反映組織微觀結(jié)構(gòu)的變化，最早由Jensen教授提出[1]。研究表明[2]DKI對組織微結(jié)構(gòu)的敏感度比傳統(tǒng)DTI定量參數(shù)更好。DTI是利用一組3D矢量來描述固體物體內(nèi)的張力，屬二階張量，而DKI為四階三維完全對稱張量[3-4]。盡管DTI能夠提供常規(guī)MRI尚無法顯示的腦組織微結(jié)構(gòu)改變、無創(chuàng)性示蹤腦白質(zhì)纖維束走向，但所描述的分子彌散是將水分子運動是被假定為在單室模型內(nèi)的自由的、非受限的運動[5]，這顯然不符合人體組織內(nèi)復(fù)雜的生物學(xué)環(huán)境。且DTI單指數(shù)衰減模型導(dǎo)致了其參數(shù)（表觀彌散系數(shù)ADC）具有很高的b值依賴性[5]。而DKI技術(shù)很好地克服了DTI的上述不足，DKI采用多室模型[6]來表征復(fù)雜的生物組織結(jié)構(gòu)中的非高斯分布水分子擴散，通過在DTI二階張量公式基礎(chǔ)上加入四階張量修正項[7]，以更好地描述腦白質(zhì)的多神經(jīng)纖維交叉走形。另外，由于DKI所需的b值較以往用于測量擴散系數(shù)的成像技術(shù)b值要大[8]，因此DKI可提供更多組織細微結(jié)構(gòu)的信息。

1.2 DTI、DKI主要參數(shù)

DTI的主要參數(shù)為平均彌散率（Mean Diffusivity，MD）和部分各向異性（Fractional Anisotropy，F(xiàn)A）。

MD值在彌散加權(quán)成像（diffusionweighted imaging， DWI）中又稱為表觀彌散系數(shù)ADC的近似參數(shù)，反映水分子彌散的速度和范圍，與彌散方向無關(guān)；組織內(nèi)水分子彌散越快，相應(yīng)MD值越高。FA值描述彌散方向上的不一致性，反映水分子各向異性成分占整個彌散張量的比例，其范圍從0~1，自由水為0，腦脊液接近于0，對于非常規(guī)則的大腦白質(zhì)纖維FA值接近于1，其值在腦灰質(zhì)中相對降低；FA是定量描述在不同方向上彌散變化的最常用指標，為與局部纖維方向無關(guān)的數(shù)量化范圍值，其作為腦白質(zhì)纖維束完整性指標值，可以相對客觀、直接地對研究對象之間提供定量比較。

DKI主要參數(shù)包括：FA值、MD值、徑向峰度（RK）值、峰度各向異性（KA）值、平均峰度（MK）值，其中較常用的指標是FA值、MD值和MK值[9]。

MK值被認為是一個復(fù)雜的微觀指標，MK值的大小取決于感興趣區(qū)內(nèi)組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，非正態(tài)分布水分子擴散受限越顯著，MK值也越大[10]。反之，MK值減小，則說明組織結(jié)構(gòu)的完整性可能有所破壞。MK值除了可用于描述腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)，由于其不依賴于組織結(jié)構(gòu)的空間方位，也可用于腦灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的描述[1]。

RK數(shù)值越大，說明在其相對應(yīng)方向上的非高斯分布水分子擴散受限越明顯[9]。反之則表明擴散受限越弱。RK是個相對重要的參數(shù)，因為擴散受限主要在徑向，故而峰度為非零且在徑向表現(xiàn)得尤為突出。且相對于FA的變化，感興趣區(qū)內(nèi)RK增大得更為顯著。

與FA相類似，KA是反映組織結(jié)構(gòu)定向性和完整性的指標[11]，組織結(jié)構(gòu)微環(huán)境的變化、纖維結(jié)構(gòu)的完整性及致密度等的改變均可影響KA值的變化。越趨于各向同性的組織結(jié)構(gòu)，其KA值越??；反之，組織結(jié)構(gòu)排列越緊密，KA越大。KA在某種程度上類似于FA，可由峰度的標準偏差給出。KA與MK間不存在一定的比例關(guān)系；KA可以為零，但必須依據(jù)峰度的變化。

2 DTI、DKI在m TBI研究中的應(yīng)用

2.1 DTI在m TBI研究中的應(yīng)用

近期文獻報道中，腦震蕩已成為了DTI研究的熱門方向。Smits等[12]對20例mTBI患者進行研究，發(fā)現(xiàn)下額枕束、上縱束、下縱束的MD值升高，與腦震蕩后癥狀的嚴重程度相關(guān)；而鉤突、下額枕束、內(nèi)囊、胼胝體、頂葉和額葉皮層下白質(zhì)等區(qū)域的FA值下降，亦與腦震蕩的后癥狀的嚴重程度相關(guān)。Maruta等[13]研究了17例有慢性腦震蕩后遺癥狀的患者，發(fā)現(xiàn)右側(cè)前放射冠、左側(cè)小腦上腳、胼胝體膝部FA值間存在顯著相關(guān)性。李元斌等[14]運用DTI對88例診斷為mTBI的患者進行檢查，初次CT和MRI顱內(nèi)平掃未見異常，而對自述有較為明顯頭痛、頭昏、眩暈，嘔吐、精神不振等癥狀者進行頭部DTI掃描，發(fā)現(xiàn)有73.86%的患者有異常，并被確診為腦震蕩。以上研究說明DTI可以很好地檢測腦震蕩患者腦組織的變化情況，將為臨床上早期診斷、治療提供一定的有益幫助。

DTI技術(shù)在其他mTBI中亦有廣泛的研究應(yīng)用。Zhang等[15]研究認為，mTBI患者的腦白質(zhì)完整性沒有明顯變化，但是胼胝體膝部和體部的FA值存在較大變化，雙側(cè)背外側(cè)前額葉皮質(zhì)的ADC值亦有下降。柏根基等[16]研究證實利用DTI的FA值變化能夠較敏感地檢測出mTBI的白質(zhì)纖維的損傷情況。樊秋菊等[17]研究顯示，內(nèi)囊、胼胝體膝部、胼胝體壓部白質(zhì)區(qū)的FA值正常對照組與傷側(cè)比較，差異且有統(tǒng)計學(xué)意義，與文獻報道相符；而正常組與鏡像區(qū)對比，沒有發(fā)現(xiàn)差異；尾狀核頭、殼核、丘腦、顳葉皮層的FA值在正常組與傷側(cè)及正常組與鏡像區(qū)之間對比都沒有明顯差異。Wilde等[18]曾報道10名青少年足球運動員mTBI后7 d內(nèi)出現(xiàn)胼胝體區(qū)域FA值升高。Budde等[19]對比顱腦損傷動物模型的DTI與病理后發(fā)現(xiàn)，在受損周圍皮質(zhì)內(nèi)膠原纖維酸性蛋白陽性的星形膠質(zhì)細胞增生明顯，其中膠質(zhì)纖維酸性蛋白等相關(guān)蛋白增加，使受損灰質(zhì)FA增加，星形膠質(zhì)細胞數(shù)量的增加和方向粘著性改變導(dǎo)致了皮層灰質(zhì)FA增加。Bouix等[20]研究表面灰質(zhì)區(qū)域FA值升高提示灰質(zhì)異常，可能與長期腦震蕩后綜合征關(guān)系密切，提示mTBI患者預(yù)后較差。李晉等[21]通過基于體素的分析方法（Voxel-basedanalysis，VBA）對mTBI患者DTI數(shù)據(jù)全腦FA圖進行分析，發(fā)現(xiàn)視輻射、大腦腳、右側(cè)胼胝體膝、左側(cè)胼胝體膝、右側(cè)額中回下白質(zhì)、中央前回下白質(zhì)纖維FA值下降，右側(cè)小腦半球、右側(cè)枕葉及小腦山坡、舌回、右側(cè)額下回的三角部、楔前葉灰質(zhì)FA值升高。以上研究證實，DTI檢測mTBI患者腦組織變化較為敏感，可以精確診斷損傷情況。

2.2 DTI在彌漫性軸索損傷研究中的應(yīng)用

此外，DTI在彌漫性軸索損傷（DAI）中也有研究應(yīng)用。Huisman等[22]的研究顯示20例DAI患者胼胝體壓部的ADC明顯下降（18%）、內(nèi)囊和胼胝體壓部的FA分別下降（14%，16%）。Hammoud等[23]研究結(jié)果同樣表明DTI比常規(guī)MRI能更早、更準確地顯示出創(chuàng)傷性病灶的軸索損傷信號。在TBI的小鼠模型中，DTI顯示受損腦區(qū)白質(zhì)彌散各向異性分數(shù)的下降與β淀粉樣蛋白免疫組化發(fā)現(xiàn)的軸索密度下降存在相關(guān)性，這表明DTI對于DAI顯微結(jié)構(gòu)的改變非常敏感[24]。另外，DTI研究進一步支持DAI好發(fā)于軸索集中區(qū)，損傷越重，其部位越趨近于腦深部或中線結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)[25-26]。

2.3 DKI在其他各類腦損傷研究中的應(yīng)用

目前，DKI技術(shù)在腦損傷中研究應(yīng)用較多。魏璇等[27]利用DKI評價正常成人腦灰白質(zhì)差異，結(jié)果顯示MK及RK值可作為鑒別腦灰、白質(zhì)的高度敏感指標，可為臨床診斷腦部病變提供影像學(xué)依據(jù)。鄭慧鑫等[28]應(yīng)用DKI定量測定正常成人腦的MK值、FA值和MD值的變化，以反映腦微觀結(jié)構(gòu)隨年齡增長的演變規(guī)律。Zhuo等[29]制作了大鼠創(chuàng)傷性腦損傷的模型，利用DTI和DKI技術(shù)探測在急性期（2h）和亞急性期（7 d）大鼠大腦皮層白質(zhì)及灰質(zhì)區(qū)域的變化，經(jīng)分析表明DTI及DKI參數(shù)在皮質(zhì)、海馬、外囊和胼胝體均有明顯改變。其中，MD和FA在腦損傷急性期時變化有意義，在亞急性期回歸到基線水平；而MK無論在急性還是亞急性期都有明顯變化，從而表明DKI技術(shù)對于神經(jīng)膠質(zhì)細胞反應(yīng)性增生的相關(guān)微結(jié)構(gòu)改變十分敏感，這是單獨應(yīng)用DTI技術(shù)所探測不到的。樊秋菊等[30]對40名正常人尾狀核、內(nèi)囊、丘腦、顳葉皮層、胼胝體膝部、胼胝體壓部分別進行DTI和DKI檢測，并對FA、FAk值及MD、MD k值作相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)正常人各個區(qū)域的FA與FA k值、MD和MD k值都表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，說明本研究采用的DKI掃描可以用來評價水分子的擴散，其衍生值不會導(dǎo)致獨立、無意義的測量結(jié)果，且有研究指出，其FA k值、MDk值可代替FA值、MD值。正常對照組與傷側(cè)對比，尾狀核、內(nèi)囊、殼核、丘腦、顳葉皮層、胼胝體膝部、胼胝體壓部MK值升高，Ka值升高，尾狀核、內(nèi)囊、殼核、丘腦、顳葉皮層Kr值降低，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，說明DKI診斷輕度腦外傷的腦損害有肯定的意義[30]。mTBI傷側(cè)Ka值升高，Kr值降低，這是因為軸突正常結(jié)構(gòu)破壞，水分子軸向擴散能力受到限制，導(dǎo)致了Ka值升高[30]。Hall等[31]在對7 d內(nèi)的腦挫裂傷患者研究時發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)胼胝體及丘腦存在神經(jīng)退變、變性的改變。本研究結(jié)果說明在mTBI發(fā)展過程中，雙側(cè)大腦半球腦組織都會發(fā)生損傷。損傷后的腦組織細胞腫脹，細胞膜通透性明顯增大，軸突的填充密度減小，細胞外間隙的組織增多，更進一步加劇了Ka值升高。因為Ka值顯著增加，減輕了Kr值的減少，所以部分白質(zhì)區(qū)如胼胝體膝部及壓部Kr值改變不明顯，差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義。而Ka值升高在顳葉皮層、丘腦傷側(cè)的鏡像區(qū)域仍可以觀察到，說明mTBI者在上述三個區(qū)域更容易受損。丘腦損傷可能會導(dǎo)致神經(jīng)、心理功能的各種障礙?；颊呖删哂懈鞣N創(chuàng)傷后癥狀，如:易怒、頭痛、記憶障礙，四肢麻木等，而MK值、Ka值、Kr值卻可以提示丘腦的損傷。更進一步說明了DKI對于輕度腦外傷后細胞內(nèi)外水擴散狀態(tài)的改變更為敏感。

3 展望

迄今為止，DTI主要限于白質(zhì)區(qū)域的研究，鑒于DKI對探測灰質(zhì)區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)的改變也十分敏感，其在探討全腦損傷病理形態(tài)學(xué)的改變有著越來越重要的意義。DTI和DKI對于創(chuàng)傷造成軸索損傷顯微結(jié)構(gòu)及mTBI造成的輕微顱腦損傷改變非常敏感，為進一步探究腦震蕩后綜合征的發(fā)病機理奠定了基礎(chǔ)。因此，DTI和DKI可以為臨床診斷輕型顱腦損傷提供參考依據(jù)，并為判斷mTBI預(yù)后提供一定幫助。相信DTI和DKI將會與CT和常規(guī)MRI一樣都可用來對急性期和慢性期的mTBI后PCS病人進行檢查。

以上研究結(jié)果表明，DTI和DKI將為法醫(yī)臨床學(xué)鑒定工作提供科學(xué)證據(jù)，為法醫(yī)學(xué)檢查、鑒定腦震蕩、mTBI及DAI提供更為直觀、科學(xué)的影像學(xué)資料。相信隨著DTI和DKI技術(shù)的發(fā)展，其分析腦微觀組織的病變結(jié)構(gòu)和機制的理論會更加成熟，在法醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用將會更加廣泛。

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（本文編輯：夏文濤）

Progresses in Diffusional Kurtosis Imaging and Diffusion-tensor Imaging of Brain Injury

GAO Xin1,ZHANG Tao2,GAO Sheng3,ZHANGHuan4，YU Jian-yun4，REN Kang5
（1.Xuanwei Public Security Bureau,Xuanwei655400,China;2.Songming Public Security Bureau,Songming 651700,China; 3.Faculty of Criminal Investigation,Yunnan Police Officers'Institute,Kunming 650223,China；4.Departmentof Forensic Medicine,Kunming Medical University,Kunming 650500,China;5.ChangzhiMedical College,Changzhi 046000,China）

Diffusion kurtosis imaging（DKI）is a new fMRI technology based on the diffusion-tensor imaging（DTI）,a developed and improved technology of DTI.Mild traumatic brain injury（mTBI）often shows negative results by routine CT examination.It is difficult to assess in clinical practice,while easy to cause missed diagnosis and early active treatment. DKI is an objective,accurate and quantitative method for assessing mild traumatic brain injury.The commonly used DKI values,such as FA value,MD value and MK value aremore accurate diagnostic index of brain damage and other diseases, leading to early diagnosis and treatment of the disease.At present,DKI is used in the diagnosis ofmany diseases.This paper reviewed the progress of applying DKI in brain injury studies at home and abroad,and discussed the application of DKI in the diagnosis of brain injury.

DTI；DKI；mTBI

DF795.4

A

10.3969/j.issn.1671-2072.2017.02.005

1671-2072-（2017）02-0041-05

2016-02-29

國家自然科學(xué)基金（81360467）；云南省自然科學(xué)基金應(yīng)用基礎(chǔ)資助項目（2013FB104）

高鑫（1980—），男，主檢法醫(yī)師，主要從事法醫(yī)病理及法醫(yī)臨床鑒定工作。E-mail:506924208@qq.com。

張桓（1981—），男，講師，主要從事法醫(yī)病理及腦損傷研究工作。E-mail：531629295@qq.com。

通信作者：于建云（1962—），男，教授，主要從事法醫(yī)病理及腦損傷研究工作。E-mail：jianyuny@sina.com。