磁共振擴散峰度成像對大腦灰質(zhì)核團微觀結(jié)構(gòu)發(fā)育變化的檢測

孫親利，李賢軍，李夢軒，尚進(jìn)，劉哲，金超，張玉利，劉聰聰，魚博浪，楊健*

探究腦發(fā)育是腦科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點課題，磁共振擴散成像技術(shù)通過測量生物體內(nèi)水分子擴散運動情況來檢測組織微觀結(jié)構(gòu)的變化，成為在體無創(chuàng)研究腦發(fā)育的重要手段，但目前主要用于腦白質(zhì)的研究[1-2]，而對腦灰質(zhì)的研究較少。磁共振擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技術(shù)的理論基礎(chǔ)是假定水分子運動在單室模型內(nèi)，以自由、非受限的形式進(jìn)行擴散，擴散位移呈高斯分布，獲得的參量有各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)、平均擴散率(mean diffusivity，MD)、平行擴散率(axial diffusivity，AD)和垂直擴散率(radial diffusivity，RD)，分析水分子擴散程度和方向性的信息，可用于腦白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的評價[3-4]，而腦灰質(zhì)為各向同性結(jié)構(gòu)，其FA 較低，對灰質(zhì)變化的敏感度有限[5-6]。在生物體內(nèi)，水分子的運動因細(xì)胞間結(jié)構(gòu)、細(xì)胞內(nèi)外受限程度、細(xì)胞膜的滲透性以及游離、結(jié)合水的物理化學(xué)特性差異而表現(xiàn)復(fù)雜，并不真正處于隨機狀態(tài)[7-8]。磁共振擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)是一種新型磁共振擴散成像技術(shù)，是DTI技術(shù)的延伸，通過引入峰度(kurtosis)的概念來量化真實水分子擴散位移與理想的高斯分布水分子擴散位移間的偏離，以此來表示水分子擴散受限程度以及擴散的不均質(zhì)性，更加接近組織微環(huán)境中的水分子真實擴散模型[8-9]。DKI技術(shù)可同時獲得DTI的參量(如FA、MD、AD、RD)和DKI的參量，DKI參量包括平均擴散峰度(mean kurtosis，MK)、平行擴散峰度(axial kurtosis，AK)和垂直擴散峰度(radial kurtosis，RK)，通過測量水分子非高斯擴散特性，更為全面地檢測腦組織微觀結(jié)構(gòu)的變化[6，10-13]，觀察水分子在腦白質(zhì)內(nèi)交叉和發(fā)散神經(jīng)纖維的擴散優(yōu)于常規(guī)的DTI技術(shù)，尤其對水分子在腦灰質(zhì)內(nèi)相對各向同性的擴散其敏感性高于DTI，對腦灰質(zhì)不均質(zhì)性的顯示優(yōu)于DTI技術(shù)[13-16]。目前對腦發(fā)育成熟度的評價還沒有金標(biāo)準(zhǔn)，需要與成人的參量值去做比較[17]，因此，本研究以成人為參照，通過比較磁共振擴散張量參量和擴散峰度參量在檢測新生兒與成人間大腦灰質(zhì)核團微觀結(jié)構(gòu)變化率的差異，探討DKI技術(shù)對灰質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)變化的敏感性，評價其在腦灰質(zhì)發(fā)育研究中的意義。

1 材料與方法

1.1 研究對象

研究對象為22名足月新生兒(男女各11名；出生胎齡：38～41周，中位數(shù)39周；校正胎齡：39～44周，中位數(shù)40周)和22名成人(男女各11名；出生胎齡：37～40周，中位數(shù)39周；年齡：18～26歲，中位數(shù)22歲)。新生兒為臨床除外神經(jīng)系統(tǒng)疾病擬行MRI評估腦發(fā)育情況者，成人為健康大學(xué)生志愿者[18]。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，新生兒父母及成人本人均簽署了知情同意書。

新生兒組的納入標(biāo)準(zhǔn)：①足月出生，37周≤出生胎齡＜42周；②MRI檢查時日齡≤28 d；③頭顱MRI未見異常；④出生后1 min時Apgar評分≥7分。排除標(biāo)準(zhǔn)：①足月小樣兒或巨大兒；②先天性心臟??；③遺傳代謝性疾??；④有新生兒缺血缺氧性腦病、新生兒膽紅素腦病或新生兒低血糖腦病等腦病史；⑤有腦出血或腦外傷史；⑥有嚴(yán)重感染：敗血癥、腦炎或腦膜炎史；⑦有呼吸窘迫綜合征、呼吸衰竭或休克史。

成人組的納入標(biāo)準(zhǔn)：①足月出生，37周≤出生胎齡＜42周；②頭顱MRI未見異常；③神經(jīng)系統(tǒng)體格檢查正常。排除標(biāo)準(zhǔn)：①腦病史；②腦外傷史；③精神性疾病史。

1.2 掃描設(shè)備及方法

應(yīng)用3.0 T磁共振設(shè)備(Signa HDxt，General Electric Medical System，Milwaukee，WI，USA)、8通道相控陣頭線圈進(jìn)行MRI掃描。掃描序列包括3D T1WI、橫軸位T2WI及DKI序列。

應(yīng)用單次激發(fā)平面回波成像(single-shot echoplanar imaging，SSH-EPI)序列完成DKI數(shù)據(jù)采集，掃描參數(shù)：b值為0、500、1000、2000和2500 s/mm2，每個非零b值18個梯度磁場方向，采集次數(shù)(NEX)：1，TR：8000～11 000 ms，TE：91.7～126.1 ms，層厚：4 mm，無層間隔，層數(shù)：22～33層，視野(field of view，F(xiàn)OV)：新生兒為180 mm×180 mm，成人為240 mm×240 mm，采集矩陣：新生兒為128×128，成人為172×172，體素大小均為1.40 mm×1.40 mm×4 mm。

1.3 DKI后處理

DKI后處理過程包括以下7個步驟[19]：腦組織區(qū)域提取、b0參考圖像獲取、圖像校正(錯配、渦流以及其他畸變的校正)、運動偽影檢測、高斯平滑處理、張量估算及參量計算等。上述步驟的腦組織區(qū)域提取、b0參考圖像獲取、圖像校正使用MRI分析軟件(FMRIB's software library，F(xiàn)SL)來實現(xiàn)，運動偽影檢測、擴散率張量與擴散峰度張量估計、DKI 及其組織模型參量計算等部分在 MATLAB 7.11(Math Works, Natick, MA, USA)環(huán)境下實現(xiàn)，應(yīng)用約束條件下線性最小二乘法估計擴散率張量和擴散峰度張量。采用群組配準(zhǔn)目標(biāo)圖像的選擇方法，基于FA圖像分別對足月新生兒及成年人進(jìn)行腦模板的構(gòu)建，實現(xiàn)群組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。采用圖譜(Harvard Oxford-Subcortical圖譜，網(wǎng)址：https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl)仿射的方式分別選擇足月新生兒與成年人的丘腦、殼核、蒼白球和尾狀核4個大腦灰質(zhì)核團為感興趣區(qū)(圖1)。通過DKI模型計算出FA、MD、AD、RD、MK、AK和RK。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

應(yīng)用SPSS 18.0版進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。DKI參量結(jié)果用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(x ±s)表示。采用秩和檢驗(Mann-Whitney U檢驗)行各感興趣區(qū)各參量在新生兒與成人組間差異的比較。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。參量的相對變化率(%)=(成人參量的均值-新生兒參量的均值)/新生兒參量的均值。

圖1 平均FA圖感興趣區(qū)示例Fig. 1 ROIs overlap on the mean FA.

2 結(jié)果

2.1 新生兒與成人各部位參量均值的比較

與新生兒比較，成人4個大腦灰質(zhì)核團即丘腦、殼核、蒼白球和尾狀核的FA、MK、AK和RK值升高，MD、AD和RD值降低(圖2)。除了丘腦的AD (P=0.944)外，新生兒與成人4個灰質(zhì)核團的FA、MD、AD、RD、MK、AK和RK等7個參量值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05，表1)。

2.2 各部位各參量均值的相對變化率

丘腦、殼核、蒼白球和尾狀核各參量相對變化率見表1。比較各部位FA及MK相對變化率，F(xiàn)A值：蒼白球＞丘腦＞殼核＞尾狀核，MK值：蒼白球＞殼核＞丘腦＞尾狀核。

2.3 DTI參量與DKI參量變化率的比較

擴散峰度參量MK、AK、RK的相對變化率從82.86%(尾狀核AK)到210.81%(蒼白球RK)，而擴散張量參量FA、MD、AD、RD的相對變化率僅從1.45%(殼核AD)到70.59%(蒼白球FA)，擴散峰度參量MK、AK、RK的變化率均高于擴散張量參量的變化率。

3 討論

有關(guān)腦白質(zhì)發(fā)育DKI的研究證實DKI參量在檢測腦白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)變化方面較DTI參量有更高的敏感性。Grinberg等[2]比較了兒童與成人間腦白質(zhì)纖維DTI參量和DKI參量的變化率，發(fā)現(xiàn)DKI參量組間差異更大更廣泛，認(rèn)為DKI參量作為腦組織發(fā)育和區(qū)域異質(zhì)性的生物標(biāo)志物具有較高的敏感性。本研究將DKI技術(shù)應(yīng)用于腦灰質(zhì)研究中，比較新生兒與成人間大腦灰質(zhì)核團擴散張量參量變化率和擴散峰度參量變化率的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)擴散峰度參量相對變化率明顯大于擴散張量參量相對變化率，說明擴散峰度參量在檢測灰質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)變化的敏感性高于擴散張量參量；不同灰質(zhì)核團各參量變化率不同，提示DKI技術(shù)能反映灰質(zhì)核團的異質(zhì)性。

圖2 新生兒(上方)與成人(下方)FA、MD、AD、RD、MK、AK和RK圖Fig. 2 FA, MD, AD, RD, MK, AK and RK maps of the representative neonate (above) and adult (below) subjects.

表1 新生兒與成人大腦灰質(zhì)核團各參量的均值及相對變化率Tab. 1 The regional mean values and the relative change ratios of parameters in neonates and adults

3.1 DTI參量與DKI參量變化率的比較

腦灰質(zhì)的成熟過程包括基層樹突的增加、組織含水量的改變、細(xì)胞膜和細(xì)胞器的增殖、細(xì)胞密度和皮層細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化[6，20]。Falangola等[14]應(yīng)用DKI探測前額葉皮層微觀結(jié)構(gòu)與年齡相關(guān)性變化，發(fā)現(xiàn)從青春期過渡到成年期，大腦前額葉皮層MK隨之增加，這與腦區(qū)持續(xù)的髓鞘形成以及微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的整體增加相一致；隨著年齡進(jìn)一步增長，MK逐漸降低，這與退行性變化與神經(jīng)元萎縮有關(guān)；DKI所探測到腦組織非高斯擴散隨年齡的變化特點與組織病理學(xué)及形態(tài)學(xué)的研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果顯示，從新生兒期到成年，丘腦、殼核、蒼白球和尾狀核等灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的FA、MK、AK和RK值升高，MD、AD和RD值降低，這反映了隨著灰質(zhì)核團發(fā)育成熟，水分子擴散受限，各向異性增加。但擴散峰度參量MK、AK、RK的相對變化率(82.86%～210.81%)明顯高于擴散張量參量FA、MD、AD、RD的相對變化率(1.45%～70.59%)。有關(guān)腦發(fā)育DTI的研究表明，灰質(zhì)為各向同性結(jié)構(gòu)，其各向異性分?jǐn)?shù)FA值相當(dāng)?shù)牡停珼TI對灰質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的敏感度有限[5-6]。如本研究所示，擴散峰度參量變化率最低值為82.86%(尾狀核AK)，而擴散張量參量相對變化率最高值僅為70.59%(蒼白球FA)。

在擴散張量參量的變化中，本研究同時發(fā)現(xiàn)丘腦和蒼白球FA相對變化率高于殼核和尾狀核，這主要是因為雖然丘腦和蒼白球為灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，但含有白質(zhì)纖維，內(nèi)有各向異性成分[11]。而擴散峰度參量變化的原因主要是由于發(fā)育過程中灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的各向同性發(fā)生特殊變化。理論上，灰質(zhì)各向同性擴散受限可能是因為隨著灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的成熟，大分子物質(zhì)濃度逐漸增加和組織含水量的減少。另外，還有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化包括細(xì)胞膜和細(xì)胞器的增殖、放射狀的膠質(zhì)細(xì)胞向星形細(xì)胞神經(jīng)纖維網(wǎng)轉(zhuǎn)變、基底樹突的增加、細(xì)胞的包裝[21]。DTI的理論基礎(chǔ)是水分子呈高斯分布，很難檢測灰質(zhì)結(jié)構(gòu)各向同性的變化，而DKI技術(shù)通過引入峰度的概念來量化真實水分子擴散位移與理想的高斯分布水分子擴散位移間的偏離，檢測水分子擴散受限程度以及擴散的不均質(zhì)性，更為全面地反映組織微觀結(jié)構(gòu)的變化[15，22]。Paydar等[21]在應(yīng)用DKI研究腦發(fā)育(從出生到4歲7個月兒童)中，在分析腦白質(zhì)的同時，也對部分灰質(zhì)做了分析，包括丘腦、殼核的FA和MK兩個參量，結(jié)果表明DKI較DTI能提供更多有關(guān)腦發(fā)育微觀結(jié)構(gòu)變化的信息，不僅能反映各向異性白質(zhì)結(jié)構(gòu)的隨齡性變化，也能反映各向同性灰質(zhì)結(jié)構(gòu)隨齡性的變化。因此，與擴散張量參量比較，擴散峰度參量能更好地反映在細(xì)胞水平上所形成的各向同性微觀結(jié)構(gòu)受限而引起的灰質(zhì)組織的變化情況。

3.2 不同灰質(zhì)核團參量變化率的比較

不同灰質(zhì)核團各參量變化率不同，這與不同結(jié)構(gòu)之間原有的微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、各向異性、擴散系數(shù)及成熟速率各不相同有關(guān)[23]。比較各部位FA及MK相對變化率發(fā)現(xiàn)，其相對變化率均是蒼白球最高，其次是丘腦和殼核，再次是尾狀核。從新生兒到成人，灰質(zhì)核團擴散參量的變化，可能與軸突增加、細(xì)胞增殖以及鐵沉積等多種機制有關(guān)。在上述4個深部灰質(zhì)核團中，蒼白球的微觀結(jié)構(gòu)組成最為復(fù)雜，由垂直于有髓軸突的大圓盤狀神經(jīng)元構(gòu)成，且鐵濃度最高，有髓軸突、大細(xì)胞和鐵蛋白構(gòu)成一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，對水分子的自由擴散造成廣泛的阻礙，典型的有髓軸突是空間定向的，限制了分子沿纖維方向的擴散，并表現(xiàn)為高的各向異性FA；這些阻礙也導(dǎo)致質(zhì)子擴散偏離高斯分布，導(dǎo)致峰度MK增大。因此，上述4個灰質(zhì)核團中，蒼白球的FA及MK變化率最高。尾狀核和丘腦的微觀結(jié)構(gòu)組成相對簡單，主要由神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)構(gòu)成。與蒼白球相比，這種簡單、各向同性的微觀結(jié)構(gòu)具有較低的MK、FA。這些結(jié)構(gòu)中的鐵濃度水平也屬于最低之列。而殼核的微觀結(jié)構(gòu)組成也相對簡單，與尾狀核相似，但鐵濃度較高，鐵沉積速率高于尾狀核，擴散受阻，F(xiàn)A及MK變化率高于尾狀核。由此可見，DKI不僅能反映灰質(zhì)核團微觀結(jié)構(gòu)的變化，還能反映核團的異質(zhì)性。

3.3 本研究的不足

本研究不足之處在于新生兒與成人腦大小不同，掃描參數(shù)沒有做到完全一致，但其對DTI參量與DKI參量的影響同時存在，不影響本研究的結(jié)果；其次，本研究進(jìn)行的是兩個斷面的比較，下一步將擴大樣本量，進(jìn)行年齡段內(nèi)連續(xù)數(shù)據(jù)的分析，探索灰質(zhì)發(fā)育進(jìn)程的變化；另外，對灰質(zhì)核團各參量變化意義的解讀還有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，新生兒與成人大腦灰質(zhì)核團擴散峰度參量的變化率明顯大于擴散張量參量的變化率。磁共振擴散峰度成像可同時獲取擴散張量參量和擴散峰度參量，檢測分子微觀結(jié)構(gòu)的變化更為敏感和全面，具有探索灰質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的潛力，可作為研究灰質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)發(fā)育變化的生物指標(biāo)。

利益沖突：無。