磁共振擴散峰度成像對大腦灰質核團微觀結構發育變化的檢測

孫親利，李賢軍，李夢軒，尚進，劉哲，金超，張玉利，劉聰聰，魚博浪，楊健*

探究腦發育是腦科學領域研究的熱點課題，磁共振擴散成像技術通過測量生物體內水分子擴散運動情況來檢測組織微觀結構的變化，成為在體無創研究腦發育的重要手段，但目前主要用于腦白質的研究[1-2]，而對腦灰質的研究較少。磁共振擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)技術的理論基礎是假定水分子運動在單室模型內，以自由、非受限的形式進行擴散，擴散位移呈高斯分布，獲得的參量有各向異性分數(fractional anisotropy，FA)、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，可用于腦白質微觀結構的評價[3-4]，而腦灰質為各向同性結構，其FA 較低，對灰質變化的敏感度有限[5-6]。在生物體內，水分子的運動因細胞間結構、細胞內外受限程度、細胞膜的滲透性以及游離、結合水的物理化學特性差異而表現復雜，并不真正處于隨機狀態[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，是DTI技術的延伸，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性，更加接近組織微環境中的水分子真實擴散模型[8-9]。DKI技術可同時獲得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構的變化[6，10-13]，觀察水分子在腦白質內交叉和發散神經纖維的擴散優于常規的DTI技術，尤其對水分子在腦灰質內相對各向同性的擴散其敏感性高于DTI，對腦灰質不均質性的顯示優于DTI技術[13-16]。目前對腦發育成熟度的評價還沒有金標準，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核團微觀結構變化率的差異，探討DKI技術對灰質微觀結構變化的敏感性，評價其在腦灰質發育研究中的意義。

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39周；校正胎齡：39～44周，中位數40周)和22名成人(男女各11名；出生胎齡：37～40周，中位數39周；年齡：18～26歲，中位數22歲)。新生兒為臨床除外神經系統疾病擬行MRI評估腦發育情況者，成人為健康大學生志愿者[18]。本研究經醫院倫理委員會批準，新生兒父母及成人本人均簽署了知情同意書。

新生兒組的納入標準：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。排除標準：①足月小樣兒或巨大兒；②先天性心臟病；③遺傳代謝性疾病；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。

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

1.2 掃描設備及方法

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

應用單次激發平面回波成像(single-shot echoplanar imaging，SSH-EPI)序列完成DKI數據采集，掃描參數：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(NEX)：1，TR：8000～11 000 ms，TE：91.7～126.1 ms，層厚：4 mm，無層間隔，層數：22～33層，視野(field of view，FOV)：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，FSL)來實現，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)環境下實現，應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。采用群組配準目標圖像的選擇方法，基于FA圖像分別對足月新生兒及成年人進行腦模板的構建，實現群組數據的標準化。采用圖譜(Harvard Oxford-Subcortical圖譜，網址：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個大腦灰質核團為感興趣區(圖1)。通過DKI模型計算出FA、MD、AD、RD、MK、AK和RK。

1.4 統計學方法

應用SPSS 18.0版進行統計學分析。DKI參量結果用均數±標準差(x ±s)表示。采用秩和檢驗(Mann-Whitney U檢驗)行各感興趣區各參量在新生兒與成人組間差異的比較。以P＜0.05為差異有統計學意義。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圖感興趣區示例Fig. 1 ROIs overlap on the mean FA.

2 結果

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個灰質核團的FA、MD、AD、RD、MK、AK和RK等7個參量值差異均有統計學意義(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，FA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

有關腦白質發育DKI的研究證實DKI參量在檢測腦白質微觀結構變化方面較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纖維DTI參量和DKI參量的變化率，發現DKI參量組間差異更大更廣泛，認為DKI參量作為腦組織發育和區域異質性的生物標志物具有較高的敏感性。本研究將DKI技術應用于腦灰質研究中，比較新生兒與成人間大腦灰質核團擴散張量參量變化率和擴散峰度參量變化率的差異，結果發現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微觀結構變化的敏感性高于擴散張量參量；不同灰質核團各參量變化率不同，提示DKI技術能反映灰質核團的異質性。

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

腦灰質的成熟過程包括基層樹突的增加、組織含水量的改變、細胞膜和細胞器的增殖、細胞密度和皮層細胞結構的變化[6，20]。Falangola等[14]應用DKI探測前額葉皮層微觀結構與年齡相關性變化，發現從青春期過渡到成年期，大腦前額葉皮層MK隨之增加，這與腦區持續的髓鞘形成以及微觀結構復雜性的整體增加相一致；隨著年齡進一步增長，MK逐漸降低，這與退行性變化與神經元萎縮有關；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及形態學的研究結果一致。本研究結果顯示，從新生兒期到成年，丘腦、殼核、蒼白球和尾狀核等灰質結構的FA、MK、AK和RK值升高，MD、AD和RD值降低，這反映了隨著灰質核團發育成熟，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%)。有關腦發育DTI的研究表明，灰質為各向同性結構，其各向異性分數FA值相當的低，DTI對灰質結構變化的敏感度有限[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，本研究同時發現丘腦和蒼白球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結構，但含有白質纖維，內有各向異性成分[11]。而擴散峰度參量變化的原因主要是由于發育過程中灰質結構的各向同性發生特殊變化。理論上，灰質各向同性擴散受限可能是因為隨著灰質結構的成熟，大分子物質濃度逐漸增加和組織含水量的減少。另外，還有細胞結構的變化包括細胞膜和細胞器的增殖、放射狀的膠質細胞向星形細胞神經纖維網轉變、基底樹突的增加、細胞的包裝[21]。DTI的理論基礎是水分子呈高斯分布，很難檢測灰質結構各向同性的變化，而DKI技術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性，更為全面地反映組織微觀結構的變化[15，22]。Paydar等[21]在應用DKI研究腦發育(從出生到4歲7個月兒童)中，在分析腦白質的同時，也對部分灰質做了分析，包括丘腦、殼核的FA和MK兩個參量，結果表明DKI較DTI能提供更多有關腦發育微觀結構變化的信息，不僅能反映各向異性白質結構的隨齡性變化，也能反映各向同性灰質結構隨齡性的變化。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胞水平上所形成的各向同性微觀結構受限而引起的灰質組織的變化情況。

3.2 不同灰質核團參量變化率的比較

不同灰質核團各參量變化率不同，這與不同結構之間原有的微觀結構復雜性、各向異性、擴散系數及成熟速率各不相同有關[23]。比較各部位FA及MK相對變化率發現，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，灰質核團擴散參量的變化，可能與軸突增加、細胞增殖以及鐵沉積等多種機制有關。在上述4個深部灰質核團中，蒼白球的微觀結構組成最為復雜，由垂直于有髓軸突的大圓盤狀神經元構成，且鐵濃度最高，有髓軸突、大細胞和鐵蛋白構成一個復雜的結構，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，并表現為高的各向異性FA；這些阻礙也導致質子擴散偏離高斯分布，導致峰度MK增大。因此，上述4個灰質核團中，蒼白球的FA及MK變化率最高。尾狀核和丘腦的微觀結構組成相對簡單，主要由神經元和神經膠質構成。與蒼白球相比，這種簡單、各向同性的微觀結構具有較低的MK、FA。這些結構中的鐵濃度水平也屬于最低之列。而殼核的微觀結構組成也相對簡單，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，FA及MK變化率高于尾狀核。由此可見，DKI不僅能反映灰質核團微觀結構的變化，還能反映核團的異質性。

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，不影響本研究的結果；其次，本研究進行的是兩個斷面的比較，下一步將擴大樣本量，進行年齡段內連續數據的分析，探索灰質發育進程的變化；另外，對灰質核團各參量變化意義的解讀還有待進一步研究。

綜上所述，新生兒與成人大腦灰質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，檢測分子微觀結構的變化更為敏感和全面，具有探索灰質結構變化的潛力，可作為研究灰質微觀結構發育變化的生物指標。

利益沖突：無。