皮質下缺血性血管病的擴散張量成像研究進展

馮蒙蒙，戴慧

作者單位：

蘇州大學附屬第一醫院放射科，蘇州 215000

皮質下缺血性血管病(subcortical ischemic vascular disease，SIVD)是血管性認知功能障礙(vascular cognitive impairment，VCI)的一種較均質亞型，由小血管病變和低灌注引起，MRI特點為皮層下白質和基底節區腔隙性梗死和腦白質高信號。SIVD是引起認知損傷和癡呆的主要原因[1]。早期診斷VCI的臨床意義很重要，因為血管病變是可以逆轉的，可以阻止疾病的進展，改善疾病的預后[1]。早期診斷SIVD主要表現為執行功能障礙、語言功能紊亂及記憶力的減退[2]。

1 擴散張量成像

1.1 DTI技術

擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)是一種非常有前景的描述微結構變化影像技術，是一種可以在活體內描述特異腦白質結構的無創性方法。急性缺血和慢性缺血導致腦白質微結構的完整性發生改變，從而引起DTI參數發生改變。DTI的主要參數有平均擴散率(mean diffusion，MD)、各向異性分數(fractional anisotropy，FA)及徑向擴散系數(radial diffusivity，RD)等[3]。DTI由擴散加權成像進一步發展而來，DTI在至少六個非共線性方向上測量水的擴散，從而提供水在三維方向的運動情況。MD表示水分子在所有空間方向上平均擴散情況的參數；FA值大小描述了該體素中水分子的各向異性擴散程度。

1.2 DTI技術應用于SIVD研究的基礎

正常情況下軸突膜和髓磷脂對白質中水的擴散有限制作用，因此對軸突或者髓磷脂的破壞，可以導致MD值的增加；而軸索的損傷和髓磷脂的損傷可以共同引起FA值的減低。急性缺血可引起MD值的減小和FA值的升高；慢性缺血可引起MD值的升高和FA值的減小[4]。相對傳統的MRI技術來說，DTI可以在只有T2加權上呈高信號時，對SIVD患者提供一種更加客觀的檢查方法[5]。高b值的DTI圖像，對腦白質的病理改變有很高的敏感性，可以檢查到其他MRI技術檢查不到病理改變，預測到SIVD患者早期的認知減退[6]。

2 SIVD的DTI分析方法進展

2.1 基于感興趣區的分析方法

基于感興趣區(region of interests，ROI)的分析方法對特定的腦區進行限定，只關注特定的腦區的擴散參數變化。Tu等[7]通過應用ROI發現SIVD在早期階段左側胼胝體輻射線枕部、左丘腦前輻射及胼胝體膝部的FA值和MD值變化的區域和程度有明顯差別，同時也發現和正常老年人比起來，SIVD患者的FA值有整體的降低。通過運用ROI，將特定腦區的FA值和MD值與簡單智力狀態檢查(mini-mental state examination，MMSE)相關聯，發現胼胝體體部與壓部的白質完整性與機能亢進、冷漠及精神錯亂相關。除了胼胝體以外，左上縱束與機能亢進相關；左鉤束與精神錯亂有關；右上縱束與冷漠相關[8]。而ROI只能對有限的感興趣區進行觀察，不能對全腦進行研究。這是ROI存在的弊端。

2.2 繪制全腦擴散張量直方圖

繪制整個大腦DTI參數直方圖這一方法被Della Nave等[9]應用于研究腦白質疏松癥與運動功能和認知功能之間的關系，發現胼胝體和胼胝體周圍的白質纖維束的MD值的增高與運動功能損傷相關性最強。通過繪制整個大腦的ADC值和FA值的直方圖，Zhou等[10]發現DTI參數直方圖可以監測血管性認知損傷的嚴重程度，并可以發現傳統MRI未發現的白質異常和血管性認知損傷不伴癡呆患者的白質與表觀正常白質損傷的嚴重性與認知損傷嚴重性有相關性。Zhou等[11]也發現腦白質和表觀正常白質損傷嚴重性與血管性認知損傷不伴癡呆患者的認知障礙有相關性，而且通過DTI直方圖分析法可以對血管性認知損傷不伴癡呆患者有進一步的認識。

2.3 基于圖譜的統計分析方法

Oishi等[12]于2009在研究中提出建立一種基于DTI技術的白質圖譜，并已被證明在臨床研究中可以監測到FA值的改變和腦白質的改變。同年Lawes等[13]也在文章中表示白質纖維圖譜可以提供非常詳細的解剖數據，而這些數據是不可能由常規MRI提供的。通過基于圖譜的全腦白質分析，Lin等[14]發現SIVD患者幕上白質纖維束包括投射纖維、聯絡纖維和連合纖維有廣泛的異常；并且白質纖維束的異常與認知功能障礙相關。

2.4 基于體素的分析方法

相比較ROI手動繪制感興趣區及只能對限定腦區進行研究的缺點，基于體素的分析方法(voxel-based morphometry，VBA)可以對全腦進行分析研究。Kim等[15]應用VBA，對獲得的DTI參數進行分析，發現除了額葉-皮質下環路與認知功能相關外，后部腦白質的損傷同樣可以導致不同的程度的認知障礙，可能與長聯合纖維如下額枕束和下縱束被破壞有關。然而VBA在實際運用中依然存在噪音較大、部分容積效應等問題，導致VBA的統計學意義較小。除此之外，Smith等[16]提出VBA最大的限制就在于需要空間平滑技術及如何確定選擇空間平滑的范圍。

2.5 基于纖維素示蹤的空間統計分析方法

基于纖維素示蹤的空間統計分析方法(tract-based spatial statistics，TBSS) 是一種通過對白質的擴散張量進行以體素為基礎的分析方法，它省略了在進行以體素為基礎的分析過程中必要的空間平滑步驟和改善了當以體素為基礎的分析過程應用于多個體擴散數據庫時的敏感性和客觀性。TBSS與ROI這一方法比較，TBSS可以避免了不同個體在繪制感興趣區時會存在的個體差異[16]。TBSS還可以與多種分析方法相結合，增加了研究的靈活性。Chen等[17]通過DTI和TBSS證實了左前丘腦輻射和小鉗的擴散張量改變可以發現血管性認知損傷不伴癡呆患者。Yu等[18]通過TBSS對血管性輕度認知障礙患者的研究，推測這些患者的認知損傷主要是由于大的白質纖維束的破壞。

3 SIVD的DTI表現

有學者發現額葉是SIVD患者改變最明顯的腦區域[19-20]。實際上腦白質比灰質對缺血更加敏感，經常較灰質損傷更加嚴重。Lin等[14]發現幕上白質纖維束包括投射纖維、聯絡纖維和連合纖維有廣泛的異常。Chen等[21]通過應用DTI技術發現SIVD患者的雙側側腦室前后角、雙側前額皮質下區域和胼胝體膝部有明顯擴散張量的改變。而前額部皮質下區域的擴散張量改變是SIVD患者的特異性表現。廣泛的側腦室旁白質擴散張量的改變也是SIVD患者的特征性表現。Tu等[8]發現SIVD和正常老年人比起來，SIVD患者的FA值有整體的降低。

4 DTI技術的進展

4.1 擴散波譜成像

近年來DTI技術被廣泛應用于臨床，然而DTI仍然存在一些局限性。如不能準確地描述單體素中低各向異性和復雜纖維結構區域的擴散過程[22]；不能顯示交叉纖維以及纖維束的皮層與皮層下的終端，導致纖維束有很大一部分會丟失，還會有偽影和假束形成[23]。

與DTI技術相比，擴散波譜成像(diffusion spectrum imaging，DSI)對體素內微觀結構有更高的分辨率，對DTI技術的不足進行了很大的改善。Wedeen等[24]通過引入概率密度函數的算法可以有效解決體素內擴散異質性的問題，可以追蹤到體素內交叉纖維的走行，可以更加完整地顯示白質纖維束。DSI技術首先定義了一個采樣三維空間，即q空間。q空間對應特定的腦位置，可以用q向量來表示。應用單個脈沖梯度SE序列產生一個擴散加權圖像，該圖像對應于q空間中的一個位置。應用不同強度和方向的梯度回波對整個q空間進行數據采樣，每個腦位置都可以得到一個由數百個值組成的q空間。常用術語“b值”來描述q空間所應用的參數。b值與擴散時間間隔與擴散梯度強度的平方之積成正比。將q空間的原始數據與概率密度函數聯系起來，在q空間數據基礎上進行傅里葉變換。每個腦位置的擴散用位移分布或概率密度函數來描述，該函數提供了高度復雜光纖組織(包括光纖交叉)擴散的詳細描述和極好的分辨率。因此DSI可以追蹤白質纖維束從皮層、交叉到皮層或皮層下終點的完整過程[25]。

4.2 擴散峰度成像

擴散峰度成像(diffusional kurtosis imaging，DKI)是傳統擴散加權成像的一種擴展，需要使用更高的b值和經過改進的圖像后處理程序。水分子在均質性的物質中的擴散符合高斯函數，然而生物組織中含有的不同細胞及它們的細胞膜使得高斯函數不再能描述水分子的運動。因此DKI相對DTI對生物組織的微結構改變更為敏感[26]。DKI通過峰度值來表示這種非高斯運動。DTI常用參數包括平均擴散峰度、徑向峰度和軸向峰度，由于偏離高斯分布的行為取決于水擴散的組織的復雜性，所以峰度值可以被看作是組織結構的一種度量[27]。其他的參數還包括峰度各向異性參數(kurtosis fractional anisotropy，KFA)，KFA提供了和FA值完全不同但是互補的信息[28]。

5 結論

DTI技術的應用對SIVD患者的白質纖維束損傷起到了很好的觀察作用。DTI技術的進步使得白質纖維束的顯示更加準確和清晰，這也將更有利于我們對SIVD患者臨床表現原因進行更深入的探討。近年來應用DTI技術對SIVD展開的研究有很多，但是我們希望可以更多的將DSI及DKI技術的應用于SIVD研究。到目前為止，關于DSI及DKI對SIVD的研究尚少，這也為我們之后的研究提供了方向。

利益沖突：無。