磁共振彌散峰度成像對急性腦梗死分類的初步研究

陳芳，楊永貴，劉欣，郭崗

腦血管疾病是顱內血液循環障礙引起腦組織損傷的一組疾病。缺血性腦梗死是常見的腦血管病之一，發病率、病死率、致殘率及復發率高，嚴重危害人類健康和患者的生存質量。

缺血性腦梗死的發生和發展是一個動態、復雜而有序的過程。腦梗死通常發病突然，伴有偏癱、眩暈、意識障礙及失語等癥狀。臨床根據發病時間對腦梗死分期，分為超急性期(＜6 h)、急性期(6～72 h)、亞急性期(3～14 d)及慢性期(＞14 d)。

彌散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)是診斷腦梗死最常用的磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)技術，它通過表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient，ADC)反映組織內水分子的擴散情況。腦梗死時，主要發生細胞毒性水腫，超急性期，DWI呈高信號[1]，ADC值降低。急性期，腦細胞缺氧導致能量代謝障礙，鉀外流，鈉和水流入細胞，導致神經元細胞毒性水腫，彌散受限，ADC值持續降低。亞急性期，細胞壞死，細胞膜破裂，細胞內水分子游離出細胞外，細胞毒性水腫轉為血管源性水腫[2]，彌散不再受限，DWI高信號下降，ADC值升高[3]。慢性期，缺血組織含水量進一步增加，彌散不再受限，DWI呈低信號，ADC趨于正常，進入軟化期。

DWI及ADC值對早期發現腦梗死及臨床分期有一定意義，DWI是以水分子擴散呈高斯分布為理論基礎，研究表明，生物組織由于細胞間隔、細胞膜、細胞壞死等復雜微環境的存在，水分子的擴散偏離高斯運動[4]。彌散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)引入四階三維峰度張量[5-7]，反映生物組織內非高斯分布的擴散運動，量化水分子擴散受限程度及不均質性，衡量生物組織微結構[8-10]。DKI掃描得到彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)的參數，包括部分各向異性分數(fractional anisotropy，FA)、平均擴散系數(mean diffusivity，MD)、軸向擴散張量(axial diffusivity，Da)、垂直擴散張量(radial diffusivity，Dr)及DKI的參數，包括平均擴散峰度(mean kurtosis，MK)、軸向峰度(axial kurtosis，Ka)、徑向峰度(radical kurtosis，Kr)。

筆者搜集37例急性腦梗死患者共計46個急性腦梗死病灶，根據DKI參數分為四類。四類病灶的DKI參數進行統計學分析，每種類型選取1個病例分析其預后，旨在探討根據DKI參數對急性腦梗死分類的可行性及臨床價值。

1 材料與方法

1.1 病例資料

選取本院2013至2014年內急性腦梗死患者37例，包括男性25例及女性12例，共計46個急性腦梗死病灶(7例患者分別有2個病灶，1例患者有3個病灶)。病灶選取標準為DWI呈高信號，相應區域ADC值降低，病灶直徑大于1 cm。46個病灶中有18個位于側腦室旁，7個位于顳葉，5個位于小腦，4個位于枕葉，3個位于腦橋，2個位于丘腦，2個位于胼胝體，2個位于頂葉，2個位于內囊及1個位于額葉。

1.2 病灶分類

急性腦梗死病灶根據DKI參數分為四類。第Ⅰ類病灶MK、Ka及Kr范圍與DWI基本一致且均呈高信號。第Ⅱ類病灶MK、Ka及Kr范圍與DWI基本一致且均呈等高或低信號。第Ⅲ類病灶MK、Ka及Kr范圍一致且均呈混雜信號，包含部分高信號及部分等高或低信號。第Ⅳ類病灶MK、Ka及Kr范圍或信號不一致。共收集Ⅰ類病灶24個，Ⅱ類病灶6個，Ⅲ類病灶9個，Ⅳ類病灶7個。

1.3 掃描參數

采用GE 1.5 T磁共振儀，8通道頭顱線圈。掃描序列包括：T1加權成像(T1 weighted image，T1WI)、T2加權成像(T2 weighted image，T2WI)，T2加權液體衰減反轉恢復(T2 fluid attenuated inversion recovery，T2 FLAIR)成像、DWI及DKI。DWI序列b值為1000 s/mm2。DKI序列掃描參數如下：重復時間(repetition time，TR)為6000 ms，回波時間(echo time，TE)為最小值，層厚5 mm，層間距1.5 mm，視野( field of view，FOV)為240 mm×240 mm，矩陣為96×130，層數19，擴散方向15，b=0、1000、2000 s/mm2，掃描時間接近6 min 18 s。

1.4 圖像及數據后處理

DWI原始圖像采用GE后處理工作站(ADW 4.3)后處理得到ADC圖。本院2名高年資的放射科醫師根據DWI及ADC圖選取46個急性腦梗死病灶，選擇標準為：病灶DWI呈高信號，ADC值降低。使用GE公司提供的DKI后處理軟件對DKI序列進行后處理。在DWI圖像上選取病灶最大層面勾畫感興趣區域(region of interest，ROI)，測量病灶的FA、MD、Da、Dr、MK、Ka及Kr，在對側正常組織勾畫形狀大小盡量相同的ROI，測量FAnormal、MDnormal、Danormal、Drnormal、MKnormal、Kanormal及Krnormal，病灶參數值減去對側正常組織的參數值除以正常組織的參數值計算出FA%、MD%、Da%、Dr%、MK%、Ka%及Kr%。

第Ⅲ類病灶，MK、Ka及Kr均為混雜信號，在MK圖像上選取病灶的最大層面根據高信號范圍勾畫ROI，為ROI1；在MK圖像上選取病灶的最大層面根據等高或低信號范圍勾畫ROI，為ROI2。分別測量ROI1及ROI2的FA、MD、Da、Dr、MK、Ka及Kr，計算ROI1及ROI2的FA%、MD%、Da%、Dr%、MK%、Ka%及Kr%，數據詳見表1及表2。

1.5 統計學方法

采用SPSS 19.0軟件包進行統計學分析。四類急性腦梗死DKI參數(FA%、MD%、Da%、Dr%、MK%、Ka%及Kr%)的差異性分析采用單因素方差分析。第Ⅲ類病灶的ROI1及ROI2的DKI參數采用獨立樣本t檢驗進行比較。第Ⅰ類病灶與第Ⅲ類病灶的ROI1的DKI參數采用獨立樣本t檢驗進行比較。第Ⅱ類病灶與第Ⅲ類病灶的ROI2的DKI參數采用獨立樣本t檢驗進行比較。P＜0.05為差異有統計學意義。

圖1 Ⅰ類急性腦梗死的參數圖及預后分析 圖2 Ⅱ類急性腦梗死的參數圖及預后分析Fig.1 The parameters and prognosis of Type Ⅰ. Fig.2 The parameters and prognosis of Type Ⅱ.

2 結果

2.1 影像表現及預后分析

第Ⅰ類急性腦梗死的影像表現：DWI呈高信號，ADC值降低，MK、Ka及Kr均呈高信號。

2014年4月11日，患者首次進行MRI檢查，右側基底節可見急性腦梗死病灶，為Ⅰ類病灶(圖1)。超過“治療時間窗”，臨床采用降纖治療。2014年4月28日復查，MRI示右側基底節區大片狀長T1、長T2異常信號灶，DWI比首次檢查信號減低，ADC值升高。T1、T2、T2 FLAIR所示的亞急性腦梗死病灶較首次檢查范圍增大，病情進展(圖1)。

第Ⅱ類急性腦梗死的影像表現：DWI呈高信號，ADC值降低，MK、Ka及Kr均呈等高或低信號。

2014年4月17日，患者首次進行MR檢查，左側小腦半球見急性腦梗死病灶，為Ⅱ類病灶(圖2)。超過“治療時間窗”，臨床采用抗血小板聚集治療。2014年5月5日復查，DWI原高亮信號基本消失，ADC值未見減低，T1、T2及T2 FLAIR所示的亞急性腦梗死病灶較首次檢查范圍明顯減小，病情稍有好轉(圖2)。

表1 以MK參數圖上病灶高信號的范圍勾畫ROI1Tab.1 ROI1: The range of hyper-intensity in the MK map

表2 以MK參數圖上病灶低信號的范圍勾畫ROI2Tab.2 ROI2: The range of iso-intensity or hypo-intensity in the MK map

圖3 MK圖像上根據高信號范圍勾畫ROI1，根據等、低信號范圍勾畫ROI2Fig.3 ROI1 is drawn by the range of hyper-intensity and ROI2 is drawn by the range of iso-intensity or hypo-intensity in the MK map.

第Ⅲ類急性腦梗死的影像表現：DWI呈高信號，ADC值降低，MK、Ka及Kr均呈混雜信號(含部分高信號及部分等高或低信號)。在MK圖像上選取病灶的最大層面根據高信號范圍勾畫ROI1，根據等、低信號范圍勾畫ROI2(圖3)。

2014年4月17日，患者首次進行MRI檢查，右側小腦半球見急性腦梗死病灶，為Ⅲ類病灶(圖4)。超過“治療時間窗”，臨床采用抗血小板聚集治療。2014年5月5日復查，DWI原高亮信號基本消失，ADC值未見減低，T1、T2及T2 FLAIR所示的亞急性腦梗死病灶較首次檢查范圍明顯減小，范圍接近首次檢查MK圖上高信號區域(圖4)。

第Ⅳ類急性腦梗死的影像表現：DWI呈高信號，ADC值降低，MK、Ka及Kr信號或范圍不一致(圖5)。顯示急性腦梗死病灶MK圖像呈混雜信號，Ka圖像呈高信號，Kr圖像呈等低信號。第Ⅳ類病灶DKI各參數范圍或信號不同，原因尚不明確，沒有選取病例進行預后分析。

2.2 四類急性腦梗死DKI參數的差異性分析

四類急性腦梗死DKI參數(FA%、MD%、Da%、Dr%、MK%、Ka%及Kr%)進行單因素方差分析，結果顯示MK%、Ka%及Kr%有顯著性差異(P＜0.05)，其他參數無顯著性差異(P＞0.05)。四類病灶DKI參數的統計學分析結果見表3。

2.3 第Ⅲ 類急性腦梗死的統計學分析

第Ⅰ類與第Ⅲ類急性腦梗死DKI參數進行獨立樣本t檢驗，結果顯示MK%、Ka%及Kr%有顯著性差異(P＜0.05)，其他參數無顯著性差異(P＞0.05)。第Ⅱ類與第Ⅲ類急性腦梗死DKI參數進行獨立樣本t檢驗，結果顯示MK%及Ka%有顯著性差異(P＜0.05)，其他參數無顯著性差異(P＞0.05)。第Ⅲ類病灶的ROI1與ROI2的DKI參數進行獨立樣本t檢驗，結果顯示MK%、Ka%及Kr%有顯著性差異(P＜0.05)，其他參數無顯著性差異(P＞0.05)。第Ⅰ類病灶與第Ⅲ類病灶的ROI1的DKI參數進行獨立樣本t檢驗，結果顯示所有參數均無顯著性差異(P＞0.05)。第Ⅱ類病灶與第Ⅲ類病灶的ROI2的DKI參數進行獨立樣本t檢驗，結果顯示所有參數均無顯著性差異(P＞0.05)。統計分析結果詳見表4。

圖4 Ⅲ類急性腦梗死的參數圖及預后分析 圖5 Ⅳ類急性腦梗死的參數圖Fig.4 The parameters and prognosis of Type Ⅲ. Fig.5 The parameters of Type Ⅳ.

表3 四種類型病灶DKI參數的均值分析(±s)Tab. 3 Mean value analysis of DKI parameters of four types (±s)

表3 四種類型病灶DKI參數的均值分析(±s)Tab. 3 Mean value analysis of DKI parameters of four types (±s)

類型 病灶數(個) FA% MD% Da% Dr% MK% Ka% Kr%Ⅰ 24 -12.36±25.56 -44.48±11.12 -48.02±11.37 -39.77±14.18 78.22±38.62 121.71±52.06 51.34±36.25Ⅱ6 -27.64±20.63 -33.32±10.25 -34.36±14.48 -23.26±12.19 10.42±16.94 36.68±12.73 26.66±69.97Ⅲ9 -11.47±38.91 -41.13±11.19 -43.06±13.46 -38.56±15.45 25.87±9.18 60.61±17.51 -12.05±38.80Ⅳ7 3.49±47.07 -44.94±13.99 -47.39±11.69 -41.24±19.15 35.05±42.83 82.91±66.91 -3.00 ±73.86

表4 第Ⅲ類急性腦梗死病灶的統計學分析Tab. 4 Statistical analysis of Type Ⅲ of acute stroke lesions

3 討論

3.1 DKI參數對急性腦梗死分類的可行性分析

本文根據DKI參數MK、Ka及Kr將急性腦梗死病灶分為四類。對四類病灶的DKI參數進行單因素方差分析，結果顯示MK%、Ka%及Kr%值有顯著性差異，其他參數無顯著性差異，分類具有統計學意義。

對于第Ⅲ類病灶，MK、Ka及Kr呈混雜信號，結果顯示ROI1(高信號區)與ROI2(等低信號區)的MK%、Ka%及Kr%有顯著性差異，ROI1與Ⅰ類病灶的DKI各參數均無統計學差異，ROI2與Ⅱ類病灶的DKI各參數均無統計學差異，可見Ⅲ類病灶中MK高信號區域可歸為Ⅰ類病灶，MK等低信號區域可歸為Ⅱ類病灶，Ⅲ類病灶為Ⅰ類及Ⅱ類病灶的結合。

3.2 DKI參數對急性腦梗死分類的臨床價值

急性腦梗死在DWI上呈高信號，ADC值降低，但研究表明，DWI上所示的病灶并不代表不可逆的梗死核心區，即DWI上高信號區域通過自發性或干預性的再灌注，部分可以逆轉，稱為缺血半暗帶(ischemic penumbra，IP)。IP具有雙向改變的可能，既可通過改善腦血流量恢復功能，也可能由于腦血流量得不到改善發展為壞死[11-12]。溶栓治療是目前建立再灌注最有效的藥物治療手段，但需要在6 h的“治療時間窗”內，且存在并發性腦出血或身體其他部位出血的風險。因此，超早期診斷和評價IP的大小、范圍、缺血組織的可逆與否可幫助更準確地選擇溶栓適應證，減少并發癥的產生，也決定了溶栓的治療效果。

最常用于評估IP的方法是DWI-PWI的不匹配。然而有研究表明，DKI顯示的病灶范圍更接近梗死核心區，能早期預測病灶的最終轉變[13-14]。

Cheung等[15]用大腦中動脈閉塞的大鼠模型比較DKI和DWI，初步發現MK在梗死病灶內不均勻升高，急性期MK值升高的區域與最終梗死的面積相近。Zhang等[16]采用大腦中動脈閉塞的大鼠模型探討DKI的演變過程，也發現MK所示的病灶范圍與病灶最終范圍更為接近。

第Ⅰ類急性腦梗死MK、Ka及Kr均呈高信號，可能提示病灶不存在可逆的缺血腦組織，即便在“治療時間窗”內進行溶栓，治療效果可能不理想。或者可能提示病灶之前存在IP，但由于長時間血流量得不到改善，部分可逆缺血腦組織發展為不可逆組織，錯過最佳治療時間。圖1所示第Ⅰ類急性腦梗死復查病灶增大，病情進展。Ⅰ類病灶MK、Ka及Kr值高，可能提示細胞內質網改變，細胞骨架崩解，細胞微結構改變[17-18]，缺血組織不可逆，病灶預后較差，甚至可能進展。

第Ⅱ類急性腦梗死MK、Ka及Kr均呈等低信號，可能提示病灶存在部分可逆的缺血腦組織，在“治療時間窗”內進行溶栓，可能可以挽救部分甚至全部的缺血腦組織。即便超過“治療時間窗”，采用其他臨床干預手段，可能預后較好。圖2所示第Ⅱ類急性腦梗死復查范圍明顯減小，病情好轉。Ⅱ類病灶MK、Ka及Kr呈等低信號，可能提示細胞微結構未改變，部分組織可逆，病灶預后較好，應爭分奪秒，采用合適的臨床干預手段盡力挽救可逆的缺血腦組織。

第Ⅲ類急性腦梗死MK、Ka及Kr呈混雜信號，高信號范圍小于DWI高信號范圍，提示存在部分可逆的缺血腦組織，在“治療時間窗”內進行溶栓，可能可以挽救部分缺血腦組織。即便超過“治療時間窗”，采用其他臨床干預手段，可能預后較好。圖4所示第Ⅲ類急性腦梗死復查范圍明顯減小，范圍接近首次檢查MK高信號區域。第Ⅲ類病灶為Ⅰ類病灶(MK高信號區域)與Ⅱ類病灶(MK等低信號區域)的結合，病灶可能含部分可逆組織，MK高信號區域范圍接近不可逆腦梗死區域。

不同類型急性腦梗死的預后分析只通過單一病例，未進行統計學分析，將作為下一步研究方向。第Ⅳ類病灶DKI各參數范圍或信號不同，原因尚不明確，未做深入研究，可作為下一步研究方向。雖有不足，但相信本文的分類方法對急性腦梗死的診斷、治療方案選擇及預后評估有一定的臨床價值，未來將收集更多的病例驗證這一結論。

參考文獻 [References]

[1] Chong J, Lu D, Aragao F, et al. Diffusion-weighted MR of acute cerebral infarction: comparison of data processing methods. AJNR Am J Neuroradiol, 1998, 19(9): 1733-1739.

[2] Meng KL, Liu PH, Xu ZX, et al. Implications of the apparent diffusion coefficient (ADC) in periodization of the acute brain stroke. Hebei Med J, 2010, 32(20): 2849-2850.孟凱龍, 劉彭華, 許忠新, 等. 表觀彌散系數對腦梗死分期的指導意義. 河北醫藥, 2010, 32(20): 2849-2850.

[3] Kidwell CS, Saver JL, Mattiello J, et al. Thrombolytic reversal of acute human cerebral ischemic injury shown by diffusion/perfusion magnetic resonance imaging. Ann Neurol, 2000, 47(4):462-469.

[4] Veraart J, Van HW, Sijbers J. Constrained maximum likelihood estimation of the diffusion kurtosis tensor using a Rician noise model. Magn Reson Med, 2011, 66(3): 678-686.

[5] Jensen JH, Helpern JA, Ramani A, et al. Diffusional kurtosis imaging: the quantification of non-gaussian water diffusion by means of magnetic resonance imaging. Magn Reson Med, 2005, 53(6):1432-1440.

[6] Wu EX, Cheung MM. MR diffusion kurtosis imaging for neural tissue characterization. NMR Biomed, 2010, 23(7): 836-848.

[7] Hui ES, Cheung MM, Qi L, et al. Advanced MR diffusion characterization of neural tissue using directional diffusion kurtosis analysis. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc, 2008, 2008:3941-3944.

[8] Lanzafame S, Giannelli M, Garaci F, et al. Differences in Gaussian diffusion tensor imaging and non-Gaussian diffusion kurtosis imaging model-based estimates of diffusion tensor invariants in the human brain. Med Phys, 2016, 43(5): 2464.

[9] Shao HY. Investigating the effect of aging on the microstructure of brain with novel diffusion imaging techniques. Chin J Magn Reson Imaging, 2016, 7(3): 218-221.邵函鈺. 利用新型擴散成像技術研究年老對大腦微觀結構的影響. 磁共振成像, 2016, 7(3): 218-221.

[10] Guo YL, Li SJ, Zhang ZP, et al. Parameters of diffusional kurtosis imaging for the diagnosis of acute cerebral infarction in different brain regions. Exp Ther Med, 2016, 12(2): 933-938.

[11] Astrup J, Symon L, Branston N , et al. Cortical evoked potential and extracellular K+ and H+ at critical levels of brain ischemia. Stroke,1977, 8(1): 51.

[12] Sharp FR, LuA, Tang Y, et al. Multiple molecular penumbras after focal cerebral ischemia. J Cereb Blood Flow Metab, 2000, 20(7):1011-1032.

[13] Sun HZ, Zhang H, Ni HY, et al. The comparative study of ischemic stroke early DKI, DWI lesions predicted the ifnal transition. Chin J Magn Reson Imaging, 2016, 7(10): 732-737.孫海珍, 張慧, 倪紅艷, 等. 缺血性腦卒中早期DKI、DWI預測病灶最終轉變的對比研究. 磁共振成像, 2016, 7(10):732-737.

[14] He H, Gao PY. Comparative study of multi-band EPI diffusion kurtosis imaging and diffusion weighted imaging in identifying infarct lesion in acute ischemic stroke. Chin J Stroke, 2016, 11(3):184-190.何歡, 高培毅. 磁共振多層并采擴散峰度成像與傳統擴散加權成像識別急性缺血性卒中梗死核心的研究. 中國卒中雜志, 2016,11(3): 184-190.

[15] Cheung JS, Wang E, Lo EH, et al. Stratification of heterogeneous diffusion MRI ischemic lesion with kurtosis imaging: evaluation of mean diffusion and kurtosis MRI mismatch in an animal model of transient focal ischemia. Stroke, 2012, 43(8): 2252.

[16] Zhang S, Yao Y, Shi J, et al. The temporal evolution of diffusional kurtosis imaging in an experimental middle cerebral artery occlusion(MCAO) model. J Magn Reson Imaging, 2016, 34(7): 889-895.

[17] Jensen JH, Falangola MF, Hu C, et al. Preliminary observations of increased diffusional kurtosis in human brain following recent cerebral infarction. NMR Biomed, 2011, 24(5): 452-457.

[18] Spampinato MV, Chan C, Jensen JH, et al. Diffusional kurtosis imaging and motor outcome in acute ischemic stroke. AJNR Am J Neuroradiol, 2017, 38(7): 1328.