傳統(tǒng)DKI及快速DKI在急性缺血性腦卒中的研究進展

吳鵬，韓雨璇，何曉寧，肖娟，楊超

擴散加權(quán)成像(diffusion-weighted imaging，DWI)是臨床上廣泛應用的擴散加權(quán)成像技術(shù)，但DWI是以水分子高斯運動為基礎(chǔ)的成像技術(shù)，與實際水分子運動不符。由于生物組織中存在各向異性障礙，擴散過程中固有的各向異性得到考慮，這時出現(xiàn)了擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)，其引入了二階擴散張量，空間擴散系數(shù)是一個橢球球面，但DTI依然解決不了纖維交叉時纖維走向問題。擴散峰度成像(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)延伸的相同類型的脈沖序列，通過在模型中擬合一個四階峰度來彌補二階張量的不足，來量化生物組織中水分子非高斯擴散程度。

1 擴散加權(quán)成像原理

2 DKI相關(guān)參數(shù)圖及其影響因素

DKI作為一種新興的評價水分子非高斯運動的成像序列，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為沿均勻擴散方向的平均峰度，是整體峰度的測量，沒有任何方向特異性；軸向峰度(axial kurtosis，AK)，AK為平行于主擴散方向的峰度；徑向峰度(radial kurtosis，RK)，RK為垂直于主擴散方向的峰度[7]。還可以得到部分各項異性擴散分數(shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)、平均擴散率(mean diffusion，MD)、軸向擴散張量(axial diffusion，AD)、徑向擴散張量(radial diffusion，RD) DTI參數(shù)圖[8]。采集DKI相關(guān)參數(shù)圖的同時受到多種因素影響，如b值、擴散時間、重復時間及擴散梯度磁場方向的個數(shù)等，其中主要受b值以及擴散梯度磁場方向的影響。

2.1 擴散敏感因子(b value)

b值是對水分子運動快慢檢測的指標，在DWI中，使用1個非0 b值其設定范圍在800～1500 s/mm2，最為常用的標準b值約1000 s/mm2[4]。而使用更大的b值(b=2000、3000 s/mm2)較標準b值(b=1000 s/mm2)對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驗中得到證實[9]。在臨床上對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散受限改變，Lettau等[10]認為更高的b值(b=3000 s/mm2)對超急性缺血性腦卒中的病灶顯示更好。由此可見，隨著b值的升高，MRI對于水分子擴散受限越敏感，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，使用多個非0 b值，Jensen等[2]提出的傳統(tǒng)DKI使用6個b值。但b值的個數(shù)直接影響成像所需要的時間，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，其中2個為非0 b值。Chou等[11]研究發(fā)現(xiàn)，將2個非0 b值設為b1和b2，在最大b值一定的情況下，b1和b2越大，DKI的參數(shù)圖越準確，b1和b2的差值越大，DKI的參數(shù)圖越穩(wěn)定。因此，通過減少b值的個數(shù)來減少成像時間的同時，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)對于顱腦的成像時長與圖像的質(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b值(b=0、500、1000、1500、2000和2500 s/mm2) DKI圖像準確度相似。為進一步減少成像時間，Hansen等[6]提出的快速DKI對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確度及穩(wěn)定性。多b值可以有更高的成像精準度，相應地增加了成像采集的時長；b值過大，增加了對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)生對影像資料的觀察和診斷；b值過小，對于水分子的擴散越不敏感，可能受到血管的影響，不利于急性腦卒中病灶檢出。目前認為，b值(b=0、1000、2500 s/mm2)這個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 擴散敏感梯度磁場方向

擴散敏感梯度磁場方向的個數(shù)是另一個可以影響DKI圖像準確度的因素。因為只有水分子沿擴散方向運動才能產(chǎn)生MRI信號，因此水分子的運動具有方向性。在DWI成像中，除應用b=1000 s/mm2之外，還施加3個方向互相垂直擴散敏感梯度磁場，并將3個方向上擴散信號強度疊加進行去平方根，以此能夠提供水分子擴散方向上的擴散信息。MK是目前最常采用診斷急性卒中的參數(shù)圖，為了較為準確地測量MK，至少需要15個不同的擴散敏感梯度磁場方向，傳統(tǒng)DKI使用30個擴散敏感梯度磁場方向[2]。有研究發(fā)現(xiàn)[13]，擴散梯度磁場方向的個數(shù)與圖像的準確性有關(guān)，隨著擴散梯度磁場方向個數(shù)的增多，圖像的像素錯誤比(error-pixel ratio)越低，圖像準確性越高越接近真實。傳統(tǒng)DKI成像使用30個擴散梯度磁場方向，保證了圖像的準確性及真實性，但是采集時間相對延長，傳統(tǒng)DKI成像采集時間接近10 min。為解決時間過長的問題，F(xiàn)ukunaga等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在正常人顱腦DKI成像中使用20個擴散梯度磁場方向可以在保證圖像準確性的同時，適當減少成像時間，滿足臨床使用，這與Yokosawa等[12]的研究相符。Yin等[15]在對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月后隨訪的T2WI病灶面積有顯著的相關(guān)性，說明在急性腦卒中患者中使用20個梯度磁場方向可以獲得較為理想的圖像準確度及穩(wěn)定性。有研究通過使用快速DKI評估大鼠的大腦中動脈栓塞模型研究發(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，并且對急性腦卒中病灶的顯示有很好的敏感性，由此可見快速DKI在滿足臨床診斷的需求前提下即可滿足臨床對于時間的要求。擴散梯度磁場方向的個數(shù)越多，MRI接收更多方向水分子運動信息，更加反映真實的水分子運動受限程度，但是采集時間相應增加。綜上所述，對于傳統(tǒng)DKI成像，20個擴散梯度磁場方向即可以滿足對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用

3.1 MK參數(shù)圖

MK參數(shù)圖是目前應用于臨床以及研究中診斷與評價急性缺血性腦卒中最常采用的參數(shù)圖。在大鼠的大腦中動脈閉塞模型實驗中[18]，病灶MK在梗死后持續(xù)7 d顯示不均勻高信號，信號隨時間延長而降低，但病灶信號仍高于對側(cè)正常腦組織信號，而病灶MD在梗死后1～2 d從低信號轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃盘枺闯霈F(xiàn)假正常化，這可能與MK相對于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較MD有更高的變化率[20-21]，提示MK較MD對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有更高的對比噪聲比(contrast-to-noise ratio，CNR)。Cheung等[22]在成年大鼠腦再灌注實驗中發(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對于急性腦卒中梗死灶的顯示更接近于真實的核心梗死灶[15]。MK對急性缺血性腦卒中水分子擴散受限變化很敏感，與DWI在急性腦梗死病灶顯示均勻高信號相比，更接近于真實的腦梗死微觀結(jié)構(gòu)病理改變[24]，為溶栓治療恢復缺血半暗帶區(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

因為水分子在軸突方向擴散基本不受限制，AK值較小，然而對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，使得軸向水分子擴散明顯受限，AK的變化率明顯上升。Guo等[25]對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)(具有強定向軸突束的病灶，即對側(cè)FA值較大)的急性缺血性病變診斷，如胼胝體和放射冠等，因為腦組織梗死后組織變化可能主要是減小軸向的擴散率[26]。MK可能更適用于低度各向異性腦區(qū)的急性缺血性病變診斷，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所忽略的水分子擴散的方向性，對AK、RK以及MK進行分析的同時與DTI相關(guān)參數(shù)圖進行比較，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，對急性腦卒中的核心梗死灶的辨別有獨特的優(yōu)勢，更加真實地反映細胞內(nèi)微觀變化。快速DKI成像的提出，解決了傳統(tǒng)DKI成像采集時間過長的問題，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。但當下對快速DKI技術(shù)的研究還處于初級階段，其應用于急性腦卒中患者的研究較少，還有更多的潛在價值。相信隨著快速DKI技術(shù)的成熟和發(fā)展，可以更為廣泛地應用于急性腦卒中患者的診斷及個性化治療。

利益沖突：無。