傳統(tǒng)DKI及快速DKI在急性缺血性腦卒中的研究進(jìn)展

吳鵬，韓雨璇，何曉寧，肖娟，楊超

擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion-weighted imaging，DWI)是臨床上廣泛應(yīng)用的擴(kuò)散加權(quán)成像技術(shù)，但DWI是以水分子高斯運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的成像技術(shù)，與實(shí)際水分子運(yùn)動(dòng)不符。由于生物組織中存在各向異性障礙，擴(kuò)散過(guò)程中固有的各向異性得到考慮，這時(shí)出現(xiàn)了擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)，其引入了二階擴(kuò)散張量，空間擴(kuò)散系數(shù)是一個(gè)橢球球面，但DTI依然解決不了纖維交叉時(shí)纖維走向問(wèn)題。擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)最先由Jensen JH于2005年最先提出，是一種新興的核磁共振成像方法，基于傳統(tǒng)DWI和DTI技術(shù)延伸的相同類(lèi)型的脈沖序列，通過(guò)在模型中擬合一個(gè)四階峰度來(lái)彌補(bǔ)二階張量的不足，來(lái)量化生物組織中水分子非高斯擴(kuò)散程度。

1 擴(kuò)散加權(quán)成像原理

2 DKI相關(guān)參數(shù)圖及其影響因素

DKI作為一種新興的評(píng)價(jià)水分子非高斯運(yùn)動(dòng)的成像序列，可以得到關(guān)于峰度的相關(guān)參數(shù)圖：平均峰度(mean kurtosis，MK)，MK為沿均勻擴(kuò)散方向的平均峰度，是整體峰度的測(cè)量，沒(méi)有任何方向特異性；軸向峰度(axial kurtosis，AK)，AK為平行于主擴(kuò)散方向的峰度；徑向峰度(radial kurtosis，RK)，RK為垂直于主擴(kuò)散方向的峰度[7]。還可以得到部分各項(xiàng)異性擴(kuò)散分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)、平均擴(kuò)散率(mean diffusion，MD)、軸向擴(kuò)散張量(axial diffusion，AD)、徑向擴(kuò)散張量(radial diffusion，RD) DTI參數(shù)圖[8]。采集DKI相關(guān)參數(shù)圖的同時(shí)受到多種因素影響，如b值、擴(kuò)散時(shí)間、重復(fù)時(shí)間及擴(kuò)散梯度磁場(chǎng)方向的個(gè)數(shù)等，其中主要受b值以及擴(kuò)散梯度磁場(chǎng)方向的影響。

2.1 擴(kuò)散敏感因子(b value)

b值是對(duì)水分子運(yùn)動(dòng)快慢檢測(cè)的指標(biāo)，在DWI中，使用1個(gè)非0 b值其設(shè)定范圍在800～1500 s/mm2，最為常用的標(biāo)準(zhǔn)b值約1000 s/mm2[4]。而使用更大的b值(b=2000、3000 s/mm2)較標(biāo)準(zhǔn)b值(b=1000 s/mm2)對(duì)急性腦卒中病灶有更高的檢出率，在犬的急性腦卒中模型實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)[9]。在臨床上對(duì)懷疑急性腦卒中患者的定性診斷中[4]，使用b=2000 s/mm2更有利于診斷輕度擴(kuò)散受限改變，Lettau等[10]認(rèn)為更高的b值(b=3000 s/mm2)對(duì)超急性缺血性腦卒中的病灶顯示更好。由此可見(jiàn)，隨著b值的升高，MRI對(duì)于水分子擴(kuò)散受限越敏感，更有利于急性腦卒中患者病灶的早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷。在DKI中，使用多個(gè)非0 b值，Jensen等[2]提出的傳統(tǒng)DKI使用6個(gè)b值。但b值的個(gè)數(shù)直接影響成像所需要的時(shí)間，b值越少越利于加速采集，因此為了迎合臨床的需要，將b值縮減為3個(gè)，其中2個(gè)為非0 b值。Chou等[11]研究發(fā)現(xiàn)，將2個(gè)非0 b值設(shè)為b1和b2，在最大b值一定的情況下，b1和b2越大，DKI的參數(shù)圖越準(zhǔn)確，b1和b2的差值越大，DKI的參數(shù)圖越穩(wěn)定。因此，通過(guò)減少b值的個(gè)數(shù)來(lái)減少成像時(shí)間的同時(shí)，要慎重選擇b值的組合，b值的組合將直接影響DKI參數(shù)圖的質(zhì)量。在正常人顱腦DKI成像研究中[12]，b值使用(b=0、1000和2500 s/mm2)對(duì)于顱腦的成像時(shí)長(zhǎng)與圖像的質(zhì)量的平衡為最佳。在人急性腦卒中研究中[12]，b值選擇(b=0、1000和2500 s/mm2)與等間距6個(gè)b值(b=0、500、1000、1500、2000和2500 s/mm2) DKI圖像準(zhǔn)確度相似。為進(jìn)一步減少成像時(shí)間，Hansen等[6]提出的快速DKI對(duì)人顱腦成像中同樣使用b值(b=0、1000、2500 s/mm2)可以取得較好的圖像準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性。多b值可以有更高的成像精準(zhǔn)度，相應(yīng)地增加了成像采集的時(shí)長(zhǎng)；b值過(guò)大，增加了對(duì)急性腦梗死灶的敏感性，但是圖像的信噪比下降不利于醫(yī)生對(duì)影像資料的觀察和診斷；b值過(guò)小，對(duì)于水分子的擴(kuò)散越不敏感，可能受到血管的影響，不利于急性腦卒中病灶檢出。目前認(rèn)為，b值(b=0、1000、2500 s/mm2)這個(gè)組合在正常人顱腦和急性腦卒中患者DKI成像中較適合。

2.2 擴(kuò)散敏感梯度磁場(chǎng)方向

擴(kuò)散敏感梯度磁場(chǎng)方向的個(gè)數(shù)是另一個(gè)可以影響DKI圖像準(zhǔn)確度的因素。因?yàn)橹挥兴肿友財(cái)U(kuò)散方向運(yùn)動(dòng)才能產(chǎn)生MRI信號(hào)，因此水分子的運(yùn)動(dòng)具有方向性。在DWI成像中，除應(yīng)用b=1000 s/mm2之外，還施加3個(gè)方向互相垂直擴(kuò)散敏感梯度磁場(chǎng)，并將3個(gè)方向上擴(kuò)散信號(hào)強(qiáng)度疊加進(jìn)行去平方根，以此能夠提供水分子擴(kuò)散方向上的擴(kuò)散信息。MK是目前最常采用診斷急性卒中的參數(shù)圖，為了較為準(zhǔn)確地測(cè)量MK，至少需要15個(gè)不同的擴(kuò)散敏感梯度磁場(chǎng)方向，傳統(tǒng)DKI使用30個(gè)擴(kuò)散敏感梯度磁場(chǎng)方向[2]。有研究發(fā)現(xiàn)[13]，擴(kuò)散梯度磁場(chǎng)方向的個(gè)數(shù)與圖像的準(zhǔn)確性有關(guān)，隨著擴(kuò)散梯度磁場(chǎng)方向個(gè)數(shù)的增多，圖像的像素錯(cuò)誤比(error-pixel ratio)越低，圖像準(zhǔn)確性越高越接近真實(shí)。傳統(tǒng)DKI成像使用30個(gè)擴(kuò)散梯度磁場(chǎng)方向，保證了圖像的準(zhǔn)確性及真實(shí)性，但是采集時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，傳統(tǒng)DKI成像采集時(shí)間接近10 min。為解決時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，F(xiàn)ukunaga等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在正常人顱腦DKI成像中使用20個(gè)擴(kuò)散梯度磁場(chǎng)方向可以在保證圖像準(zhǔn)確性的同時(shí)，適當(dāng)減少成像時(shí)間，滿(mǎn)足臨床使用，這與Yokosawa等[12]的研究相符。Yin等[15]在對(duì)急性腦卒中患者的研究中發(fā)現(xiàn)，急性期MK參數(shù)圖的病灶面積較一個(gè)月后隨訪的T2WI病灶面積有顯著的相關(guān)性，說(shuō)明在急性腦卒中患者中使用20個(gè)梯度磁場(chǎng)方向可以獲得較為理想的圖像準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性。有研究通過(guò)使用快速DKI評(píng)估大鼠的大腦中動(dòng)脈栓塞模型研究發(fā)現(xiàn)[16-17]，快速DKI較傳統(tǒng)DKI MK和MD病灶的大小有顯著的相關(guān)性，并且對(duì)急性腦卒中病灶的顯示有很好的敏感性，由此可見(jiàn)快速DKI在滿(mǎn)足臨床診斷的需求前提下即可滿(mǎn)足臨床對(duì)于時(shí)間的要求。擴(kuò)散梯度磁場(chǎng)方向的個(gè)數(shù)越多，MRI接收更多方向水分子運(yùn)動(dòng)信息，更加反映真實(shí)的水分子運(yùn)動(dòng)受限程度，但是采集時(shí)間相應(yīng)增加。綜上所述，對(duì)于傳統(tǒng)DKI成像，20個(gè)擴(kuò)散梯度磁場(chǎng)方向即可以滿(mǎn)足對(duì)急性腦卒中患者的診斷要求。

3 傳統(tǒng)DKI及快速DKI技術(shù)在急性缺血性腦卒中的應(yīng)用

3.1 MK參數(shù)圖

MK參數(shù)圖是目前應(yīng)用于臨床以及研究中診斷與評(píng)價(jià)急性缺血性腦卒中最常采用的參數(shù)圖。在大鼠的大腦中動(dòng)脈閉塞模型實(shí)驗(yàn)中[18]，病灶MK在梗死后持續(xù)7 d顯示不均勻高信號(hào)，信號(hào)隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低，但病灶信號(hào)仍高于對(duì)側(cè)正常腦組織信號(hào)，而病灶MD在梗死后1～2 d從低信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃盘?hào)，即出現(xiàn)假正?；?，這可能與MK相對(duì)于MD受到腦脊液體積變化的影響較小有關(guān)[19]，并且MK在顯示急性腦卒中梗死灶時(shí)較MD有更高的變化率[20-21]，提示MK較MD對(duì)于急性腦卒中梗死灶的顯示更為敏感。Wu等[16]研究發(fā)現(xiàn)，快速DKI MK在顯示急性腦卒中梗死灶的面積中與傳統(tǒng)DKI MK有顯著相關(guān)性，并且快速DKI成像MK較傳統(tǒng)DKI成像MK有更高的對(duì)比噪聲比(contrast-to-noise ratio，CNR)。Cheung等[22]在成年大鼠腦再灌注實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，MK在再灌注前后病灶的體積變化不大，而MD病灶體積明顯與MK之間存在不匹配區(qū)，即缺血半暗帶區(qū)。說(shuō)明MD/MK之間的不匹配區(qū)可能代表輕度損傷區(qū)域和潛在可挽救的缺血性損傷，而MK和MD同時(shí)存在的區(qū)域可能是病灶的核心梗死區(qū)，病變不可挽救。這與Wang等[23]的研究相符，MK對(duì)于急性腦卒中梗死灶的顯示更接近于真實(shí)的核心梗死灶[15]。MK對(duì)急性缺血性腦卒中水分子擴(kuò)散受限變化很敏感，與DWI在急性腦梗死病灶顯示均勻高信號(hào)相比，更接近于真實(shí)的腦梗死微觀結(jié)構(gòu)病理改變[24]，為溶栓治療恢復(fù)缺血半暗帶區(qū)的血供拯救盡可能多的腦組織提供了可能。

3.2 AK參數(shù)圖

因?yàn)樗肿釉谳S突方向擴(kuò)散基本不受限制，AK值較小，然而對(duì)于急性腦卒中患者由于缺血造成的白質(zhì)軸突靜脈曲張和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)改變，使得軸向水分子擴(kuò)散明顯受限，AK的變化率明顯上升。Guo等[25]對(duì)28例急性腦梗死的研究發(fā)現(xiàn)，AK更適合于高度各向異性腦區(qū)(具有強(qiáng)定向軸突束的病灶，即對(duì)側(cè)FA值較大)的急性缺血性病變?cè)\斷，如胼胝體和放射冠等，因?yàn)槟X組織梗死后組織變化可能主要是減小軸向的擴(kuò)散率[26]。MK可能更適用于低度各向異性腦區(qū)的急性缺血性病變?cè)\斷，如丘腦、皮質(zhì)下白質(zhì)、大腦皮質(zhì)等，這與Jensen等[20]的研究相符。

3.3 RK參數(shù)圖

在腦白質(zhì)中由于受到髓鞘等的影響，水分子的徑向擴(kuò)散受限較軸向明顯，RK值較高。DKI作為DWI的延伸序列，其參數(shù)圖AK和RK提供了MK所忽略的水分子擴(kuò)散的方向性，對(duì)AK、RK以及MK進(jìn)行分析的同時(shí)與DTI相關(guān)參數(shù)圖進(jìn)行比較，可以得到更加全面的微觀病理改變。

4 總結(jié)及展望

DKI作為新興的以水分子非高斯擴(kuò)散為基礎(chǔ)的成像技術(shù)，不僅可以得到MK、RK、AK等DKI相關(guān)參數(shù)圖，還可以得到FA、MD、RD、AD等DTI相關(guān)參數(shù)圖。在急性腦卒中的診斷中，對(duì)急性腦卒中的核心梗死灶的辨別有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，更加真實(shí)地反映細(xì)胞內(nèi)微觀變化?？焖貲KI成像的提出，解決了傳統(tǒng)DKI成像采集時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，而且提高了MK的CNR，更好地顯示腦卒中核心梗死區(qū)域和確定缺血半暗帶區(qū)域，在缺血半暗帶腦組織的挽救可能更具有優(yōu)勢(shì)。但當(dāng)下對(duì)快速DKI技術(shù)的研究還處于初級(jí)階段，其應(yīng)用于急性腦卒中患者的研究較少，還有更多的潛在價(jià)值。相信隨著快速DKI技術(shù)的成熟和發(fā)展，可以更為廣泛地應(yīng)用于急性腦卒中患者的診斷及個(gè)性化治療。

利益沖突：無(wú)。