皮質(zhì)下缺血性血管病的擴(kuò)散張量成像研究進(jìn)展

馮蒙蒙，戴慧

作者單位：

蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，蘇州 215000

皮質(zhì)下缺血性血管病(subcortical ischemic vascular disease，SIVD)是血管性認(rèn)知功能障礙(vascular cognitive impairment，VCI)的一種較均質(zhì)亞型，由小血管病變和低灌注引起，MRI特點(diǎn)為皮層下白質(zhì)和基底節(jié)區(qū)腔隙性梗死和腦白質(zhì)高信號(hào)。SIVD是引起認(rèn)知損傷和癡呆的主要原因[1]。早期診斷VCI的臨床意義很重要，因?yàn)檠懿∽兪强梢阅孓D(zhuǎn)的，可以阻止疾病的進(jìn)展，改善疾病的預(yù)后[1]。早期診斷SIVD主要表現(xiàn)為執(zhí)行功能障礙、語(yǔ)言功能紊亂及記憶力的減退[2]。

1 擴(kuò)散張量成像

1.1 DTI技術(shù)

擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)是一種非常有前景的描述微結(jié)構(gòu)變化影像技術(shù)，是一種可以在活體內(nèi)描述特異腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)的無(wú)創(chuàng)性方法。急性缺血和慢性缺血導(dǎo)致腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)的完整性發(fā)生改變，從而引起DTI參數(shù)發(fā)生改變。DTI的主要參數(shù)有平均擴(kuò)散率(mean diffusion，MD)、各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)及徑向擴(kuò)散系數(shù)(radial diffusivity，RD)等[3]。DTI由擴(kuò)散加權(quán)成像進(jìn)一步發(fā)展而來(lái)，DTI在至少六個(gè)非共線(xiàn)性方向上測(cè)量水的擴(kuò)散，從而提供水在三維方向的運(yùn)動(dòng)情況。MD表示水分子在所有空間方向上平均擴(kuò)散情況的參數(shù)；FA值大小描述了該體素中水分子的各向異性擴(kuò)散程度。

1.2 DTI技術(shù)應(yīng)用于SIVD研究的基礎(chǔ)

正常情況下軸突膜和髓磷脂對(duì)白質(zhì)中水的擴(kuò)散有限制作用，因此對(duì)軸突或者髓磷脂的破壞，可以導(dǎo)致MD值的增加；而軸索的損傷和髓磷脂的損傷可以共同引起FA值的減低。急性缺血可引起MD值的減小和FA值的升高；慢性缺血可引起MD值的升高和FA值的減小[4]。相對(duì)傳統(tǒng)的MRI技術(shù)來(lái)說(shuō)，DTI可以在只有T2加權(quán)上呈高信號(hào)時(shí)，對(duì)SIVD患者提供一種更加客觀(guān)的檢查方法[5]。高b值的DTI圖像，對(duì)腦白質(zhì)的病理改變有很高的敏感性，可以檢查到其他MRI技術(shù)檢查不到病理改變，預(yù)測(cè)到SIVD患者早期的認(rèn)知減退[6]。

2 SIVD的DTI分析方法進(jìn)展

2.1 基于感興趣區(qū)的分析方法

基于感興趣區(qū)(region of interests，ROI)的分析方法對(duì)特定的腦區(qū)進(jìn)行限定，只關(guān)注特定的腦區(qū)的擴(kuò)散參數(shù)變化。Tu等[7]通過(guò)應(yīng)用ROI發(fā)現(xiàn)SIVD在早期階段左側(cè)胼胝體輻射線(xiàn)枕部、左丘腦前輻射及胼胝體膝部的FA值和MD值變化的區(qū)域和程度有明顯差別，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)和正常老年人比起來(lái)，SIVD患者的FA值有整體的降低。通過(guò)運(yùn)用ROI，將特定腦區(qū)的FA值和MD值與簡(jiǎn)單智力狀態(tài)檢查(mini-mental state examination，MMSE)相關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)胼胝體體部與壓部的白質(zhì)完整性與機(jī)能亢進(jìn)、冷漠及精神錯(cuò)亂相關(guān)。除了胼胝體以外，左上縱束與機(jī)能亢進(jìn)相關(guān)；左鉤束與精神錯(cuò)亂有關(guān)；右上縱束與冷漠相關(guān)[8]。而ROI只能對(duì)有限的感興趣區(qū)進(jìn)行觀(guān)察，不能對(duì)全腦進(jìn)行研究。這是ROI存在的弊端。

2.2 繪制全腦擴(kuò)散張量直方圖

繪制整個(gè)大腦DTI參數(shù)直方圖這一方法被Della Nave等[9]應(yīng)用于研究腦白質(zhì)疏松癥與運(yùn)動(dòng)功能和認(rèn)知功能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)胼胝體和胼胝體周?chē)陌踪|(zhì)纖維束的MD值的增高與運(yùn)動(dòng)功能損傷相關(guān)性最強(qiáng)。通過(guò)繪制整個(gè)大腦的ADC值和FA值的直方圖，Zhou等[10]發(fā)現(xiàn)DTI參數(shù)直方圖可以監(jiān)測(cè)血管性認(rèn)知損傷的嚴(yán)重程度，并可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)MRI未發(fā)現(xiàn)的白質(zhì)異常和血管性認(rèn)知損傷不伴癡呆患者的白質(zhì)與表觀(guān)正常白質(zhì)損傷的嚴(yán)重性與認(rèn)知損傷嚴(yán)重性有相關(guān)性。Zhou等[11]也發(fā)現(xiàn)腦白質(zhì)和表觀(guān)正常白質(zhì)損傷嚴(yán)重性與血管性認(rèn)知損傷不伴癡呆患者的認(rèn)知障礙有相關(guān)性，而且通過(guò)DTI直方圖分析法可以對(duì)血管性認(rèn)知損傷不伴癡呆患者有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

2.3 基于圖譜的統(tǒng)計(jì)分析方法

Oishi等[12]于2009在研究中提出建立一種基于DTI技術(shù)的白質(zhì)圖譜，并已被證明在臨床研究中可以監(jiān)測(cè)到FA值的改變和腦白質(zhì)的改變。同年Lawes等[13]也在文章中表示白質(zhì)纖維圖譜可以提供非常詳細(xì)的解剖數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)是不可能由常規(guī)MRI提供的。通過(guò)基于圖譜的全腦白質(zhì)分析，Lin等[14]發(fā)現(xiàn)SIVD患者幕上白質(zhì)纖維束包括投射纖維、聯(lián)絡(luò)纖維和連合纖維有廣泛的異常；并且白質(zhì)纖維束的異常與認(rèn)知功能障礙相關(guān)。

2.4 基于體素的分析方法

相比較ROI手動(dòng)繪制感興趣區(qū)及只能對(duì)限定腦區(qū)進(jìn)行研究的缺點(diǎn)，基于體素的分析方法(voxel-based morphometry，VBA)可以對(duì)全腦進(jìn)行分析研究。Kim等[15]應(yīng)用VBA，對(duì)獲得的DTI參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)除了額葉-皮質(zhì)下環(huán)路與認(rèn)知功能相關(guān)外，后部腦白質(zhì)的損傷同樣可以導(dǎo)致不同的程度的認(rèn)知障礙，可能與長(zhǎng)聯(lián)合纖維如下額枕束和下縱束被破壞有關(guān)。然而VBA在實(shí)際運(yùn)用中依然存在噪音較大、部分容積效應(yīng)等問(wèn)題，導(dǎo)致VBA的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義較小。除此之外，Smith等[16]提出VBA最大的限制就在于需要空間平滑技術(shù)及如何確定選擇空間平滑的范圍。

2.5 基于纖維素示蹤的空間統(tǒng)計(jì)分析方法

基于纖維素示蹤的空間統(tǒng)計(jì)分析方法(tract-based spatial statistics，TBSS) 是一種通過(guò)對(duì)白質(zhì)的擴(kuò)散張量進(jìn)行以體素為基礎(chǔ)的分析方法，它省略了在進(jìn)行以體素為基礎(chǔ)的分析過(guò)程中必要的空間平滑步驟和改善了當(dāng)以體素為基礎(chǔ)的分析過(guò)程應(yīng)用于多個(gè)體擴(kuò)散數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)的敏感性和客觀(guān)性。TBSS與ROI這一方法比較，TBSS可以避免了不同個(gè)體在繪制感興趣區(qū)時(shí)會(huì)存在的個(gè)體差異[16]。TBSS還可以與多種分析方法相結(jié)合，增加了研究的靈活性。Chen等[17]通過(guò)DTI和TBSS證實(shí)了左前丘腦輻射和小鉗的擴(kuò)散張量改變可以發(fā)現(xiàn)血管性認(rèn)知損傷不伴癡呆患者。Yu等[18]通過(guò)TBSS對(duì)血管性輕度認(rèn)知障礙患者的研究，推測(cè)這些患者的認(rèn)知損傷主要是由于大的白質(zhì)纖維束的破壞。

3 SIVD的DTI表現(xiàn)

有學(xué)者發(fā)現(xiàn)額葉是SIVD患者改變最明顯的腦區(qū)域[19-20]。實(shí)際上腦白質(zhì)比灰質(zhì)對(duì)缺血更加敏感，經(jīng)常較灰質(zhì)損傷更加嚴(yán)重。Lin等[14]發(fā)現(xiàn)幕上白質(zhì)纖維束包括投射纖維、聯(lián)絡(luò)纖維和連合纖維有廣泛的異常。Chen等[21]通過(guò)應(yīng)用DTI技術(shù)發(fā)現(xiàn)SIVD患者的雙側(cè)側(cè)腦室前后角、雙側(cè)前額皮質(zhì)下區(qū)域和胼胝體膝部有明顯擴(kuò)散張量的改變。而前額部皮質(zhì)下區(qū)域的擴(kuò)散張量改變是SIVD患者的特異性表現(xiàn)。廣泛的側(cè)腦室旁白質(zhì)擴(kuò)散張量的改變也是SIVD患者的特征性表現(xiàn)。Tu等[8]發(fā)現(xiàn)SIVD和正常老年人比起來(lái)，SIVD患者的FA值有整體的降低。

4 DTI技術(shù)的進(jìn)展

4.1 擴(kuò)散波譜成像

近年來(lái)DTI技術(shù)被廣泛應(yīng)用于臨床，然而DTI仍然存在一些局限性。如不能準(zhǔn)確地描述單體素中低各向異性和復(fù)雜纖維結(jié)構(gòu)區(qū)域的擴(kuò)散過(guò)程[22]；不能顯示交叉纖維以及纖維束的皮層與皮層下的終端，導(dǎo)致纖維束有很大一部分會(huì)丟失，還會(huì)有偽影和假束形成[23]。

與DTI技術(shù)相比，擴(kuò)散波譜成像(diffusion spectrum imaging，DSI)對(duì)體素內(nèi)微觀(guān)結(jié)構(gòu)有更高的分辨率，對(duì)DTI技術(shù)的不足進(jìn)行了很大的改善。Wedeen等[24]通過(guò)引入概率密度函數(shù)的算法可以有效解決體素內(nèi)擴(kuò)散異質(zhì)性的問(wèn)題，可以追蹤到體素內(nèi)交叉纖維的走行，可以更加完整地顯示白質(zhì)纖維束。DSI技術(shù)首先定義了一個(gè)采樣三維空間，即q空間。q空間對(duì)應(yīng)特定的腦位置，可以用q向量來(lái)表示。應(yīng)用單個(gè)脈沖梯度SE序列產(chǎn)生一個(gè)擴(kuò)散加權(quán)圖像，該圖像對(duì)應(yīng)于q空間中的一個(gè)位置。應(yīng)用不同強(qiáng)度和方向的梯度回波對(duì)整個(gè)q空間進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，每個(gè)腦位置都可以得到一個(gè)由數(shù)百個(gè)值組成的q空間。常用術(shù)語(yǔ)“b值”來(lái)描述q空間所應(yīng)用的參數(shù)。b值與擴(kuò)散時(shí)間間隔與擴(kuò)散梯度強(qiáng)度的平方之積成正比。將q空間的原始數(shù)據(jù)與概率密度函數(shù)聯(lián)系起來(lái)，在q空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行傅里葉變換。每個(gè)腦位置的擴(kuò)散用位移分布或概率密度函數(shù)來(lái)描述，該函數(shù)提供了高度復(fù)雜光纖組織(包括光纖交叉)擴(kuò)散的詳細(xì)描述和極好的分辨率。因此DSI可以追蹤白質(zhì)纖維束從皮層、交叉到皮層或皮層下終點(diǎn)的完整過(guò)程[25]。

4.2 擴(kuò)散峰度成像

擴(kuò)散峰度成像(diffusional kurtosis imaging，DKI)是傳統(tǒng)擴(kuò)散加權(quán)成像的一種擴(kuò)展，需要使用更高的b值和經(jīng)過(guò)改進(jìn)的圖像后處理程序。水分子在均質(zhì)性的物質(zhì)中的擴(kuò)散符合高斯函數(shù)，然而生物組織中含有的不同細(xì)胞及它們的細(xì)胞膜使得高斯函數(shù)不再能描述水分子的運(yùn)動(dòng)。因此DKI相對(duì)DTI對(duì)生物組織的微結(jié)構(gòu)改變更為敏感[26]。DKI通過(guò)峰度值來(lái)表示這種非高斯運(yùn)動(dòng)。DTI常用參數(shù)包括平均擴(kuò)散峰度、徑向峰度和軸向峰度，由于偏離高斯分布的行為取決于水?dāng)U散的組織的復(fù)雜性，所以峰度值可以被看作是組織結(jié)構(gòu)的一種度量[27]。其他的參數(shù)還包括峰度各向異性參數(shù)(kurtosis fractional anisotropy，KFA)，KFA提供了和FA值完全不同但是互補(bǔ)的信息[28]。

5 結(jié)論

DTI技術(shù)的應(yīng)用對(duì)SIVD患者的白質(zhì)纖維束損傷起到了很好的觀(guān)察作用。DTI技術(shù)的進(jìn)步使得白質(zhì)纖維束的顯示更加準(zhǔn)確和清晰，這也將更有利于我們對(duì)SIVD患者臨床表現(xiàn)原因進(jìn)行更深入的探討。近年來(lái)應(yīng)用DTI技術(shù)對(duì)SIVD展開(kāi)的研究有很多，但是我們希望可以更多的將DSI及DKI技術(shù)的應(yīng)用于SIVD研究。到目前為止，關(guān)于DSI及DKI對(duì)SIVD的研究尚少，這也為我們之后的研究提供了方向。

利益沖突：無(wú)。