基于水分子彌散MRI研究進(jìn)展

駱訓(xùn)容，榮 康，李祥林

(濱州醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，山東 煙臺 264003)

MR彌散成像技術(shù)通過定量測定組織內(nèi)水分子的彌散信息來反映組織的微觀結(jié)構(gòu)，可用于觀察異常彌散灌注等疾病早期生理病理變化；進(jìn)一步對彌散圖像進(jìn)行計(jì)算和處理，可獲得纖維走向結(jié)構(gòu)圖，顯示精細(xì)的組織結(jié)構(gòu)[1]。MR彌散成像技術(shù)已成為常用科研和臨床診斷方法。本文對基于水分子彌散的MRI及其臨床應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 彌散灌注成像

目前常用MR彌散灌注成像技術(shù)為體素內(nèi)不相干運(yùn)動(intravoxel incoherent motion， IVIM)。IVIM是在彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging, DWI)基礎(chǔ)上采用多b值雙指數(shù)模型，可同時(shí)獲得組織彌散及微循環(huán)灌注信息[2]。

1.1 DWI 細(xì)胞外及細(xì)胞間水分子運(yùn)動和灌注是活體組織DWI信號衰減的主要原因[3]。目前DWI研究集中在參數(shù)優(yōu)化方面，如高b值DWI、小視野DWI(reduced field of view DWI， rFOV-DWI)及全身DWI(whole body DWI， WB-DWI)等，以期提高圖像分辨率。VERMA等[4]發(fā)現(xiàn)高b值DWI可提高前列腺癌檢出率。ZHANG等[5]采用WB-DWI評價(jià)硼替佐米治療多發(fā)性骨髓瘤(multiple myeloma， MM)的效果，發(fā)現(xiàn)WB-DWI可較準(zhǔn)確地評估彌漫性浸潤型MM患者對誘導(dǎo)治療的反應(yīng)程度。受人體內(nèi)磁場分布不均造成的偏共振偽影及各組織磁化率不同產(chǎn)生的磁敏感效應(yīng)影響，目前DWI圖像分辨率仍較低。

1.2 IVIM IVIM可分離和提取水分子的真性彌散運(yùn)動及微循環(huán)灌注形成的假性彌散運(yùn)動，更準(zhǔn)確地反映組織的生理和病理狀態(tài)[6]，早期主要用于神經(jīng)系統(tǒng)研究。近年來，隨著呼吸門控技術(shù)的發(fā)展，有學(xué)者[7]將IVIM用于檢查肝臟疾病，如肝纖維化分期、肝硬化分級及鑒別肝臟局部病灶良惡性等，發(fā)現(xiàn)其敏感性和特異性均較高。謝瑜等[6]及CHEN等[8]分別通過確定最佳b值，分離灌注和彌散效應(yīng)以區(qū)分乳腺良惡性腫瘤，發(fā)現(xiàn)b值為300 s/mm2時(shí)可準(zhǔn)確評估乳腺組織的彌散和灌注參數(shù)，認(rèn)為IVIM有望成為鑒別乳腺良惡性腫瘤的重要技術(shù)。但I(xiàn)VIM-DWI參數(shù)的可重復(fù)性易受多種因素影響，相同成像條件下不同參數(shù)的可重復(fù)性也不盡相同，且對于最佳b值數(shù)目及大小的選擇尚無定論[7]。另外，相對于1.5T MR系統(tǒng)，3.0T MR設(shè)備更易產(chǎn)生磁敏感偽影，增加圖像的不均勻性[8]。

2 微觀結(jié)構(gòu)成像

顯示組織微觀結(jié)構(gòu)的MR技術(shù)主要有彌散峰度成像(diffusion kurtosis imaging， DKI)和神經(jīng)突起方向離散度和密度成像(neurite orientation dispersion and density imaging， NODDI)。DKI可通過檢測組織的真實(shí)彌散狀況來反映組織微觀結(jié)構(gòu)，NODDI可直接檢測神經(jīng)元的軸突和樹突分布情況。

2.1 DKI DKI在DWI基礎(chǔ)上施加更多彌散敏感梯度方向，b值更大，更適于檢測組織微觀結(jié)構(gòu)變化，主要以平均峰度(mean kurtosis， MK)表示總體水分子彌散偏離高斯分布程度[9]，可用于探查腦微觀結(jié)構(gòu)改變、認(rèn)知損害等及其量化指標(biāo)與肺、肝、腎纖維化等分期的關(guān)系。ZHANG等[10]觀察一氧化碳中毒后腦微觀結(jié)構(gòu)損害程度、精神狀態(tài)與DKI參數(shù)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)DKI參數(shù)能為量化認(rèn)知損害提供重要補(bǔ)充信息。LI等[11]比較DKI和18F-FDG PET檢測單側(cè)輸尿管梗阻(unilateral ureteral obstruction， UUO)所致大鼠腎纖維化模型的α平滑肌肌動蛋白表達(dá)，結(jié)果表明采用DKI進(jìn)行無創(chuàng)評估更具優(yōu)勢。目前DKI圖像的空間分辨力可達(dá)1～3 mm，而神經(jīng)纖維直徑約為0.1～100 μm，故其測量精確度有限；神經(jīng)系統(tǒng)DKI最大b值范圍設(shè)定在2 000～3 000 s/mm2時(shí)，可兼顧測量精確度和成像準(zhǔn)確性，對其他系統(tǒng)b值合適范圍尚待研究。

2.2 NODDI NODDI主要運(yùn)用三室模型模擬組織的三種微環(huán)境結(jié)構(gòu)，包括神經(jīng)突內(nèi)、外水分子受限彌散運(yùn)動及腦脊液中水分子自由彌散運(yùn)動[12-13]，需高b值，其噪聲較大，信噪比(signal to noise ratio， SNR)較低，可用于定量評估體內(nèi)樹突和軸突微觀結(jié)構(gòu)，監(jiān)測正常大腦發(fā)育狀況，評價(jià)多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病。BARNETT等[14]采用NODDI定量測量大鼠大腦微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)不同性別大鼠DISC1基因外顯子2的定向破壞與神經(jīng)突起密度及腦白質(zhì)完整性相關(guān)。PARKER等[15]用NODDI定量測量阿爾茲海默病(Alzheimer disease， AD)患者腦灰質(zhì)微結(jié)構(gòu)改變，并采用其參數(shù)——神經(jīng)突密度指數(shù)(neurite density index， NDI)和方向離散度(orientation dispersion index， ODI)的平均值來量化這種改變，結(jié)果表明AD患者皮質(zhì)中的NDI和ODI存在明顯差異，提示NODDI可成為實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)病理水平檢查的新技術(shù)。

3 彌散張量成像

彌散張量成像(diffusion tensor imaging， DTI)可根據(jù)水分子彌散的各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy， FA)檢測腦白質(zhì)纖維束走行，但不能顯示交叉的神經(jīng)纖維及復(fù)雜的纖維結(jié)構(gòu)。彌散光譜成像(diffusion spectrum imaging， DSI)和高角度分辨率彌散成像(high angular resolution diffusion imaging， HARDI)可較清晰地顯示復(fù)雜纖維束及纖維交叉。

3.1 DTI DTI在DWI基礎(chǔ)上應(yīng)用多個(gè)梯度場方向掃描，目前所用為6～55個(gè)方向[16]，可顯示活體中神經(jīng)纖維束的走行、排列及髓鞘完整性等信息，廣泛用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的組織形態(tài)學(xué)和病理學(xué)研究。QIU等[17]觀察DTI在監(jiān)測胎兒期、嬰兒期腦白質(zhì)發(fā)育及早產(chǎn)兒神經(jīng)認(rèn)知發(fā)育的作用，認(rèn)為DTI是研究早期大腦發(fā)育有價(jià)值的方法。KASSUBEK等[18]采用DTI分析證實(shí)肌萎縮側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis， ALS)的TDP-43病理模式，可檢測出ALS不同病理階段損害的肌纖維束。目前DTI質(zhì)量主要受以下兩方面因素的影響：磁場不均勻易使圖像在一些磁敏感性變化較大區(qū)域發(fā)生扭曲、變形而失真；渦流可造成不同方向彌散張量圖像之間不匹配，導(dǎo)致判斷纖維束方向不準(zhǔn)確。

3.2 DSI DSI在DTI基礎(chǔ)上采用更大b值(2000～10000 s/mm2)，是不依賴于模型的q空間成像技術(shù)，利用概率密度函數(shù)描述彌散運(yùn)動完整的空間分布，以優(yōu)異的角分辨率精確辨別局部復(fù)雜交錯(cuò)的纖維走行[13，19]，可對神經(jīng)微結(jié)構(gòu)解剖領(lǐng)域的某些猜想加以驗(yàn)證，并闡明大腦各部分之間的連接機(jī)制。WEIP等[20]觀察8例受試者的DSI圖像，并以來自人類連接組項(xiàng)目的數(shù)據(jù)闡明了邊緣環(huán)路的功能成像特點(diǎn)。SUN等[21]應(yīng)用DSI和廣義Q采樣重建基于模板對特定對象進(jìn)行分析，觀察丘腦-前額葉皮層神經(jīng)通路的連接機(jī)制及分割模式，顯示其在人腦中的軌跡和空間關(guān)系，并確定了前額葉皮質(zhì)的連接區(qū)域。DSI可識別并定向重建復(fù)雜的腦白質(zhì)纖維束及纖維交叉。YOUNG等[22]比較顱內(nèi)腫塊的壓縮彌散光譜成像(compression diffusion spectrum imaging， CS-DSI)及DTI，發(fā)現(xiàn)CS-DSI較DTI更適用于評估顱內(nèi)腫塊所致運(yùn)動和語言腦白質(zhì)纖維束受損，對于術(shù)前規(guī)劃更有價(jià)值。DSI序列梯度方向常超過200個(gè)，最大b值要求在8 000 s/mm2以上，掃描時(shí)間長達(dá)1 h[23]，使其臨床應(yīng)用受限。

3.3 HARDI HARDI在DTI基礎(chǔ)上利用球面采樣模型采集更多梯度方向、更大b值的彌散加權(quán)信號[13，24]。YANG等[25]采用高場MRI和概率HARDI追蹤圖系統(tǒng)評估小兒癲癇術(shù)中腦白質(zhì)纖維束移位，發(fā)現(xiàn)其靈敏度及精確度均較高。MOHAMMADIAN等[26]以HARDI技術(shù)觀察102例輕度創(chuàng)傷性腦損傷患者，發(fā)現(xiàn)利用該技術(shù)可顯示創(chuàng)傷性腦損傷后腦白質(zhì)異常，其參數(shù)FA可用于判斷患者預(yù)后與年齡及損傷后掃描時(shí)間的相關(guān)性。HARDI數(shù)據(jù)獲取難度較大，掃描時(shí)間較長，運(yùn)算量亦較大，目前尚未廣泛應(yīng)用于臨床。HAINLINE等[27]將深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法用于HARDI數(shù)據(jù)運(yùn)算，可減少運(yùn)算量，縮短處理時(shí)間。

4 小結(jié)與展望

DWI是MR彌散成像的基礎(chǔ)方法，通過優(yōu)化DWI序列參數(shù)，應(yīng)用rFOV-DWI、WB-DWI等技術(shù)，可顯著提高DWI的圖像分辨率；應(yīng)用NODDI可提高定量評估組織微觀結(jié)構(gòu)改變的水平。在DWI基礎(chǔ)上，通過增加b值數(shù)目和優(yōu)化數(shù)學(xué)模型提出的IVIM、三指數(shù)模型及拉伸指數(shù)模型等，能更真實(shí)地反映人體彌散狀況；通過增加梯度方向在DTI基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步優(yōu)化，DKI、DSI、HARDI和q空間球面成像等技術(shù)可更精細(xì)顯示人體內(nèi)神經(jīng)纖維的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。以上技術(shù)的最大區(qū)別在于采樣的數(shù)學(xué)模型，見圖1。

圖1 基于水分子彌散MR技術(shù)路徑圖

彌散圖像的SNR較低，變形嚴(yán)重，需要更先進(jìn)的成像序列或重建方法。目前主要針對不同疾病探究合適的b值大小和數(shù)量以及梯度方向，以優(yōu)化水分子彌散MRI；未來將與神經(jīng)科學(xué)相結(jié)合，運(yùn)用DTI等序列重建不同維度、不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)腦網(wǎng)絡(luò)并對其進(jìn)行分析，以更深入地闡述疾病機(jī)制；與人工智能結(jié)合，提取各種彌散圖像的紋理特征并進(jìn)行分析，可更好地診斷疾病。隨著相關(guān)硬件技術(shù)和圖像處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，將會出現(xiàn)更具有廣泛實(shí)用性和應(yīng)用價(jià)值的研究成果，為臨床診治決策提供重要依據(jù)。