健康成人脑白质扩散峰度成像与年龄相关性变化的初步研究

谢铭飞，高思佳，胡文，苏宇，李丹

（中国医科大学附属第一医院放射科，辽宁沈阳110001）

健康成人脑白质扩散峰度成像与年龄相关性变化的初步研究

谢铭飞，高思佳，胡文，苏宇，李丹

（中国医科大学附属第一医院放射科，辽宁沈阳110001）

目的：应用扩散峰度成像（DKI）探讨健康成人脑白质组织微观结构与年龄的相关性变化。方法：对60例正常志愿者进行常规MRI和DKI扫描，志愿者按年龄分为3组：青年组（20～＜40岁）20例、中年组（40～＜60岁）20例、老年组（≥60岁）20例，经后处理得到DKI相关参数图。于外囊、内囊前肢和后肢、胼胝体膝部和压部、半卵圆中心、额叶选取感兴趣区测定相关参数值，包括各向异性分数（FA）、平均峰度（MK）、径向峰度（RK）、轴向峰度（AK）值，并作统计学分析。结果：内囊前肢、胼胝体膝部、压部、半卵圆中心、额叶FA值与年龄呈显著负相关（P＜0.05），其中，内囊前肢、额叶FA值表现为：青年组＞老年组（P＜0.017），胼胝体膝部、压部、半卵圆中心FA值表现为：青年组＞中年组，青年组＞老年组。各选取白质感兴趣区MK值与年龄呈显著负相关，其中，外囊、内囊后肢、胼胝体膝部、压部、半卵圆中心、额叶MK值表现为：青年组＞中年组＞老年组，内囊前肢MK值表现为：青年组＞中年组，青年组＞老年组。各选取白质感兴趣区RK值与年龄呈显著负相关。其中，内囊前肢、胼胝体膝部、压部、半卵圆中心、额叶RK值表现为：青年组＞中年组＞老年组，外囊、内囊后肢RK值表现为：青年组＞中年组，青年组＞老年组。AK值与年龄无显著相关。脑白质FA平均值、MK平均值、RK平均值与年龄呈显著负相关（r值分别为-0.775、-0.933、-0.946），脑白质AK平均值与年龄无显著相关。结论：较传统DTI，DKI能更全面、更敏感地探测健康成人脑白质组织微观结构与年龄的相关性变化。

脑；年龄因素；磁共振成像，弥散

扩散张量成像（Diffusion tensor imaging，DTI）已广泛地用于脑白质正常结构和病变的研究，理论前提为水分子呈正态分布，而扩散峰度成像（Diffusion kurtosis imaging，DKI）是近来发展的一项新的磁共振成像方法，基于DTI技术的扩展，描绘组织内非正态分布的水分子扩散，能更好地反映组织微观结构分布和扩散的变化[1]。DKI能同时导出标准DTI参数，包括各向异性分数（Fractional anisotropy，FA）、平均扩散张量（Mean diffusivity，MD）、径向扩散张量（Radial diffusivity，RD）、轴向扩散张量（Axial diffusivity，AD）以及DKI参数包括平均峰度（Mean kurtosis，MK）、径向峰度（Radial kurtosis，RK）、轴向峰度（Axial kurtosis，AK）。本研究通过测定DTI的主要参数FA值、DKI各参数值，探讨健康成人脑白质扩散峰度成像与年龄的相关性变化。

1 资料与方法

1.1 研究对象

于2014年5—12月收集60例志愿者，男28例，女32例，年龄24～82岁，平均（48.9±15.2）岁。按年龄分为三组：青年组（20～＜40岁）20例、中年组（40～＜60岁）20例、老年组（≥60岁）20例。入选标准：既往无神经系统疾病、无认知功能障碍、无脑外伤等病史，常规MRI检查无异常发现。本研究经医院伦理委员会批准，全部志愿者对本研究知情并均签署知情同意书。

1.2 检查方法

采用Siemens Verio 3.0T MR扫描仪，12通道头线圈，扫描前与被试者良好沟通，扫描期间将被试者头部用套垫固定。扫描序列包括常规头颅平扫（T1WI、T2WI、液体衰减反转恢复序列（FLAIR）T2WI）及DKI。DKI采用TRSE（Twice-refocused spin-echo）序列，扩散敏感梯度方向为30个，b=0、1 000、2 000 s/mm2，TR=8 500 ms，TE=98 ms，矩阵74×74，FOV 222×222 mm2，层厚3.0 mm，层间距0，b=0时NEX=9，b=1 000、2 000 s/mm2时NEX=1，扫描时间10分46秒。

1.3 DKI后处理及相关参数测定

体素分析-扩散数据经运行在Matlab基础上的DKE（Diffusional Kurtosis Estimator）[2]，采用线性最小二乘（LLS）拟合算法得到DKI相关参数图，使用ImageJ软件选定双侧外囊、内囊前肢和后肢、胼胝体膝部和压部、半卵圆中心、额叶作为感兴趣区（ROI），除胼胝体膝部和压部外，均对称测量ROI的FA、MK、RK、AK值，3次测量取平均值，测量时避开脑室脑沟等区域。

1.4 统计学方法

应用SPSS 19.0软件对各选取ROI的参数分别进行统计分析，数据以均数±标准差（x±s）表示，各年龄组间的比较采用方差分析（其中两两比较采用Bonferroni法，P＜0.017认为有统计学意义），每个选取部位DKI相关参数、每个研究对象脑白质DKI相关参数平均值与年龄相关性采用Pearson相关性分析，P＜0.05有统计学意义。

图1 男，42岁。图1a：各向异性分数（FA）图。图1b：平均峰度（MK）图。图1c：径向峰度（RK）图。图1d：轴向峰度（AK）图。Figure 1.Male,42 years old.Fractional anisotropy(FA),mean kurtosis(MK),radial kurtosis(RK)and axial kurtosis(AK)images were displayed respectively.

2 结果

2.1 脑白质纤维在DKI相关参数图上的信号特点

见图1。在FA、MK、RK图上脑白质纤维呈高信号，在AK图上表现为稍高信号，与灰质不易区分。

2.2 不同部位DKI相关参数值及其与年龄的相关性

见表1。内囊前肢、胼胝体膝部、压部、半卵圆中心、额叶FA值与年龄呈显著负相关（P＜0.05）。各选取白质感兴趣区MK值、RK值与年龄呈显著负相关。所有选取白质感兴趣区AK值与年龄无显著相关。

2.3 不同部位DKI相关参数值各年龄组的比较

2.3.1 FA值各年龄组间比较

见表2。除内囊后肢外，其他选取白质感兴趣区各组间的差异有统计学意义（P＜0.05）。其中，内囊前肢、额叶FA值表现为：青年组＞老年组（P＜0.017），胼胝体膝部、压部、半卵圆中心FA值表现为：青年组＞中年组，青年组＞老年组。

2.3.2 MK值各年龄组间比较

见表3。所有选取白质感兴趣区各组间的差异有统计学意义。其中，外囊、内囊后肢、胼胝体膝部、压部、半卵圆中心、额叶MK值表现为：青年组＞中年组＞老年组，内囊前肢MK值表现为：青年组＞中年组，青年组＞老年组。

2.3.3 RK值各年龄组间比较

见表4。所有选取白质感兴趣区各组间的差异有统计学意义。其中，内囊前肢、胼胝体膝部、压部、半卵圆中心、额叶RK值表现为：青年组＞中年组＞老年组，外囊、内囊后肢RK值表现为：青年组＞中年组，青年组＞老年组。

表1 不同部位DKI相关参数值及其与年龄的相关性

表2 不同部位FA值各年龄组间比较

表3 不同部位MK值各年龄组间比较

表4 不同部位RK值各年龄组间比较

2.3.4 AK值各年龄组间比较

见表5。所有选取白质感兴趣区各组间的差异无统计学意义。

2.4 FA、MK、RK和AK的平均值与年龄的关系

见图2。每个研究对象所有选取白质取FA平均值、MK平均值、RK平均值、AK平均值，结果发现FA、MK、RK值与年龄呈显著负相关（r值分别为-0.775、-0.933、-0.946），AK值与年龄无显著相关。

表5 不同部位AK值各年龄组间比较

图2 每个研究对象所有选取白质区FA平均值、MK平均值、RK平均值与年龄呈显著负相关（r值分别为-0.775、-0.933、-0.946），AK平均值与年龄无显著相关。Figure 2.The average FA,MK and RK values from all selected white matter areas were significant negative correlation with age(r values were-0.775,-0.933 and-0.946,respectively).The average AK values did not show age dependence.

3 讨论

扩散加权成像是一种能检测活体内水分子扩散运动的磁共振功能成像方法，现已被广泛应用于临床中。通过测量脑内水分子的微米级扩散运动，可以敏感地探测神经组织的微观结构，如髓鞘完整性、渗透性变化、细胞类型和细胞器的多样性等[3]。目前扩散加权技术使用最广泛的是DTI，但是DTI仅能提供扩散特征信息的一部分，其主要原因在于DTI的原理是基于正态分布近似值来模拟脑内水分子扩散运动的概率分布函数，已有报道人脑水分子的扩散分布是以非正态分布为主[4]。

DKI是一种描述组织内非正态分布水分子扩散新的磁共振成像方法，基于DTI技术上的扩展。DKI扫描能同时导出DTI-DKI参数。其中，FA值是DTI部分的一个主要参数，反映扩散异质性。DKI参数提供了水分子扩散的非正态分布信息，能更大程度地反映扩散异质性和微观结构复杂程度。MK指整体扩散的不均匀性，是反映微观结构复杂性（如细胞膜、轴突鞘、髓鞘等的密度、方向和完整性）的一个敏感指标[5]，但缺失了扩散的方向性，RK指垂直于轴突方向（如髓鞘）的扩散峰度平均值，AK指沿着轴突方向的扩散峰度值。RK和AK补充了DKI所提供的方向信息。较传统的DTI技术，DKI提供独特的和互补的参数指标，解决神经纤维交叉问题[6]，这些或能提高探测组织微观结构变化的敏感度。

随着年龄的增长，健康成年人脑组织的微观结构会发生一定的年龄相关性改变。DTI已广泛地用于脑白质正常结构和病变的研究。Grieve等[7]发现正常脑老化进程中额叶FA值每10年下降约3%，Madden等[8]发现年龄相关的脑白质变性有可能是老年人认知能力下降的重要机制。而目前国内外有关脑白质正常老化的DKI研究较少，有研究表明MK值随大鼠脑发育的不同阶段而变化[9-10]，在人脑额叶白质[11]及一些脑白质区域[5]MK值随年龄增长而下降。由于DKI是DTI技术的扩展，DKI在研究脑白质年龄相关性变化方面可能具有潜在的、更重要的应用价值。

本研究中，随着年龄的增长，内囊前肢、胼胝体膝部、压部、半卵圆中心、额叶白质感兴趣区表现为FA值下降，与之前的DTI研究结果一致[12-13]，在青年组与老年组间比较有显著差异。脑白质FA平均值随年龄增长也表现为下降，FA下降反映脑白质纤维束完整性下降。所有选取感兴趣区的MK值、脑白质MK平均值随年龄增长均下降，与FA比较可同样提示脑白质老化过程中微观结构的改变，如髓鞘脱失、轴突细胞膜通透性增加、轴突丢失或缩短等[14-15]。有研究指出[16]，正常老年人可经常见到神经元数目减少、脑容积减少。但同时MK值能更全面地显示脑白质区域（如外囊、内囊后肢）与年龄的相关性。在各年龄组间比较时，外囊、内囊后肢、胼胝体膝部、压部、半卵圆中心、额叶白质MK值均表现为青年组＞中年组＞老年组，内囊前肢MK值表现为：青年组＞中年组，青年组＞老年组，在组间比较有显著差异的白质部位数目及组间数目上均较FA值明显，脑白质MK平均值与年龄的相关性较FA平均值更大，这些都表明DKI在探测组织微观结构的变化方面更全面、更敏感。尤其是MK，或许可作为一些神经系统疾病的早期标记和预后指标[17]。所有选取感兴趣区的RK值、脑白质RK平均值随年龄增长均下降，且RK值表现为青年组＞老年组，补充说明了脑白质老化过程中髓鞘脱失改变明显。在本研究中所有选取白质感兴趣区AK值、脑白质AK平均值与年龄无显著相关性，这可能因AK值易受到非正态噪声分布的影响[5]。最近有证据表明在脑急性缺血时AK值增加较RK值明显，推测梗死发生后梗死区可能主要发生轴突的损伤，而垂直于轴突纤维束（如髓鞘）的扩散改变相对较轻[18-19]。RK值和AK值补充和丰富了DKI在研究脑白质纤维束方向上的变化。

综上所述，较传统DTI技术，DKI可提供更多的扩散信息，能更全面、更敏感地反映健康成人脑白质组织微观结构与年龄的相关性变化。DKI在脑胶质瘤级别判定[20]、精神分裂症[21]、视神经脊髓炎[22]、癫痫[23]、多发性硬化[24]等方面均取得了初步研究结果。DKI，作为一种新的磁共振成像方法，在大脑正常结构、神经系统疾病等研究方向具有广阔的应用前景。

[1]Hui ES,Cheung MM,Qi L,et al.Towards better MR characterization of neural tissues using directional diffusion kurtosis analysis[J].Neuroimage,2008,42(1):122-134.

[2]Tabesh A,Jensen JH,Ardekani BA,et al.Estimation of tensors and tensor-derived measures in diffusional kurtosis imaging[J].Magn Reson Med,2011,65(3):823-836.

[3]Beaulieu C.The basis of anisotropic water diffusion in the nervous system-a technical review[J].NMR Biomedicine,2002,15 (7-8):435-455.

[4]Fieremans E,De Deene Y,Delputte S,et al.The design of anisotropicdiffusionphantomsforthevalidationofdiffusion weighted magnetic resonance imaging[J].Phys Med Biol,2008,53 (19):5405-5419.

[5]Latt J,Nilsson M,Wirestam R,et al.Regional values of diffusional kurtosis estimates in the healthy brain[J].J Magn Reson Imaging,2013,37(3):610-618.

[6]Jensen JH,Helpern JA,Tabesh A.Leading non-Gaussian corrections for diffusion orientation distribution function[J].NMR Biomed, 2014,27(2):202-211.

[7]Grieve SM,Williams LM,Paul RH,et al.Cognitive aging,executive function,and fractional anisotropy:a diffusion tensor MR imaging study[J].AJNR,2007,28(2):226-235.

[8]Madden DJ,Bennett IJ,Burzynska A,et al.Diffusion Tensor Imaging of Cerebral White Matter Integrity in Cognitive Aging[J].Biochim Biophys Acta,2012,1822(3):386-400.

[9]Cheung MM,Hui ES,Chan KC,et al.Does diffusion kurtosis imaging lead to better neural tissue characterization?A rodent brain maturation study[J].Neuroimage,2009,45(2):386-392.

[10]BlockxI,DeGroofG,VerhoyeM,etal.Microstructural changes observed with DKI in a transgenic Huntington rat model: evidence for abnormal neurodevelopment[J].Neuroimage,2011, 59(2):957-967.

[11]Falangola MF,Jensen JH,Babb JS,et al.Age-related non-Gaussian diffusion patterns in the prefrontal brain[J].J Magn Reson Imaging,2008,28(6):1345-1350.

[12]Hsu JL,Leemans A,Bai CH,et al.Gender differences and age related white matter changes of the human brain:a diffusion tensor imaging study[J].Neuroimage,2008,39(2):566-577.

[13]Hugenschmidt CE,Peiffer AM,Kraft RA,et al.Relating imaging indices of white matter integrity and volume in healthy older adults[J].Cereb Cortex,2008,18(2):433-442.

[14]Bartzokis G.Age-related myelin breakdown:a developmental model of cognitive decline and Alzheimer’s disease[J].Neurobiol Aging,2004,25(1):5-18.

[15]Peters A.The effects of normal aging on myelin and nerve fibers:a review[J].J Neurocytol,2002,31(8-9):581-593.

[16]Andersen BB,Gundersen I-IJ,Pakkenberg B.Aging of the human cerebellum:a stereological study[J].J Comp Neurol,2003, 466(3):356-365.

[17]Grossman EJ,Ge Y,Jensen JH,et al.Thalamus and cognitive impairment in mild traumatic brain injury:a diffusional kurtosis imaging study[J].J Neurotrauma,2012,29(13):2318-2327.

[18]Hui ES,Du F,Huang S,et al.Spatiotemporal dynamics of diffusional kurtosis,mean diffusivity and perfusion changes in experimental stroke[J].Brain Res,2012,1451:100-109.

[19]张顺，朱文珍，姚义好，等.脑梗死不同时期的MR扩散峰度成像表现[J].中华放射学杂志，2014，48（6）：443-447.

[20]Van Cauter S,Veraat J,Sijbers J,et al.Gliomas:diffusion kurtosis MR imaging in grading[J].Radiology,2012,263(2): 492-501.

[21]Zhu J,Zhuo C,Qin W,et al.Performances of diffusion kurtosis imaging and diffusion tensor imaging in detecting white matter abnormality in schizophrenia[J].Neuroimage Clin,2014,7:170-176.

[22]Kimura MC,Doring TM,Rurda FC,et al.In vivo assessment of white matter damage in neuromyelitis optica:a diffusion tensor and diffusion kurtosis MR imaging study[J].J Neurol Sci,2014, 345(1-2):172-175.

[23]Lee CY,Tabesh A,Spampinato MV,et al.Diffuional kurtosis imaging reveals a distinctive pattern of microstructural alternations in idiopathic generalized epilepsy[J].Acta Neurol Scand, 2014,130(3):148-155.

[24]Yoshida M,Hori M,Yokoyama K,et al.Diffusional kurtosis imaging of normal appearing white matter in multiple sclerosis: preliminary clinical experience[J].Jpn J Radiol,2013,31(1): 50-55.

A preliminary study of age-related changes of healthy adult white matter with diffusion kurtosis imaging

XIE Ming-fei,GAO Si-jia,HU Wen,SU Yu,LI Dan
(Department of Radiology,First Affiliated Hospital of China Medical University,Shenyang 110001,China)

Objective:To explore age-related changes of healthy adult white matter microstructure with diffusion kurtosis imaging(DKI).Methods:Sixty volunteers were divided into three groups according to age:20 cases of young group(20～＜40 years),20 cases of middle-aged group(40～＜60 years),20 cases of elder group(≥60 years).Conventional MRI and DKI were performed.Fractional anisotropy(FA),mean kurtosis(MK),radial kurtosis(RK)and axial kurtosis(AK)were determined in the external capsule,the anterior limb of the internal capsule(ALIC),the posterior limb of the internal capsule(PLIC),the genu of the corpus callosum(CC),the splenium of the CC,the centrum semiovale,the frontal subcortical white matter(sWM).Parameter estimates were obtained and statistically analysed.Results:FA values in the ALIC,genu and splenium of the CC,centrum semiovale and frontal sWM were significant negative correlation with age(P＜0.05).FA values in the ALIC and frontal sWM were shown as follows:young group＞elder group(P＜0.017).FA values in the genu and splenium of the CC and centrum semiovale were shown as follows:young group＞middle-aged group,young group＞elder group.MK values in the all selected white matter areas were significant negative correlation with age.MK values in the external capsule,PLIC,genu and splenium of the CC,centrum semiovale and frontal sWM were shown as follows:young group＞middle-aged group＞elder group.MK values in the ALIC were shown as follows:young group＞middle-aged group,young group＞elder group.RK values in the all selected white matter areas were significant negative correlation with age.RK values in the ALIC,genu and splenium of the CC,centrum semiovale and frontal sWM were shown as follows:young group＞middle-aged group＞elder group.RK values in the external capsule and PLIC were shown as follows:young group＞middle-aged group,young group＞elder group.AK values in the all selected white matter areas did not show age dependence.The average FA,MK and RK values from all selected white matter areas were significant negative correlation with age(r values were-0.775,-0.933 and-0.946,respectively).The average AK values did not show age dependence.Conclusion:DKI can offer a more comprehensive and sensitive detection of age-related changes of healthy adult white matter microstructure compared with DTI.

Brain;Age factors;Diffusion magnetic resonance imaging

R338.25；R445.2

A

1008-1062（2016）10-0685-05

2016-01-18；

2016-03-21

谢铭飞（1989-），男，江西萍乡人。医师。现工作单位为华中科技大学同济医学院附属协和医院放射科。E-mail：xmfly1989@163.com

高思佳，中国医科大学附属第一医院放射科，110001。E-mail：scarlettgao@126.com