健康人腦組織DKI的可重復(fù)性研究及梯度方向數(shù)目對(duì)可重復(fù)性的影響

吳劉洋 韓雷 石慧嫻 陳紅日 張洪英

擴(kuò)散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）是在擴(kuò)散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）基礎(chǔ)上延伸的彌散成像技術(shù)，能夠敏感地反映組織微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，并定量描述組織中水分子擴(kuò)散的非高斯特性[1]。DKI 主要參數(shù)包括平均擴(kuò)散峰度（mean kurtosis，MK）、軸向擴(kuò)散峰度（axial kurtosis，AK）和徑向擴(kuò)散峰度（radial kurtosis，RK），同時(shí)還包括DTI 參數(shù)，如各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)和平均彌散率(mean diffusivity，MD)[2]。DKI 參數(shù)作為生物學(xué)標(biāo)志物，已經(jīng)應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病如膠質(zhì)瘤、多發(fā)性硬化、帕金森病等的研究，并且比DTI 更優(yōu)越[3]。

限制DKI 應(yīng)用的重要因素是其可重復(fù)性[4]，目前DKI 可重復(fù)性的研究很少?？芍貜?fù)性是一種群體水平的統(tǒng)計(jì)，指一個(gè)指標(biāo)被測(cè)量多次時(shí)結(jié)果之間的一致性。理論上，DKI 成像至少需要3個(gè)不同的b 值和15個(gè)擴(kuò)散梯度方向[1]。關(guān)于梯度方向數(shù)目對(duì)DTI的可重復(fù)性研究已有相關(guān)報(bào)道，例如Liu 等[5]發(fā)現(xiàn)增加梯度方向數(shù)量（number of gradient directions，NGD）可以提高DTI 測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，而Ni 等[6]認(rèn)為不同的NGD 序列不會(huì)改變感興趣區(qū)（region of interest，ROI）的FA、MD 值。本研究分別采用15個(gè)和30個(gè)擴(kuò)散梯度方向進(jìn)行DKI 兩次重復(fù)掃描，探討健康成人腦組織DKI 參數(shù)值的可重復(fù)性，并研究NGD 對(duì)DKI 可重復(fù)性的影響。

方 法

1.臨床資料

招募23例健康成人志愿者，10 名男性，13 名女性，年齡范圍25 ～34歲，平均年齡（28.60±2.95）歲。本研究得到本單位倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，參與研究之前，獲得參與者的書面知情同意。納入標(biāo)準(zhǔn)：①認(rèn)知正常；②無(wú)神經(jīng)功能及精神障礙；③無(wú)顱腦器質(zhì)性病變。排除標(biāo)準(zhǔn)：①有MRI 檢查禁忌者；②有明顯運(yùn)動(dòng)偽影的受試者。

2.檢查方法

所有掃描均采用GE Discovery MR750 3.0T（美國(guó)，GE 公司）超導(dǎo)磁共振掃描儀，使用8 通道相控陣頭線圈。所有健康受試者均在同一臺(tái)機(jī)器上進(jìn)行兩次重復(fù)掃描，間隔時(shí)間6 ～30天（平均17天）。頭部用海綿泡沫固定，每次成像先獲取顱腦常規(guī)序列，包括T1WI、T2 FLAIR、DWI、3D-T1薄層掃描，用以排除顱腦器質(zhì)性病變和作為解剖結(jié)構(gòu)、位置的參考。然后采用單次激發(fā)自旋回波-平面回波序列（SE-EPI）分別進(jìn)行15個(gè)和30個(gè)擴(kuò)散梯度方向的DKI 掃描，掃描參數(shù)統(tǒng)一為：TR/TE=8000ms/92.4ms， 掃 描 野250mm×250mm，矩陣100×100，層厚2.5mm，層間距0mm，激勵(lì)次數(shù)=1，啟用3個(gè)擴(kuò)散梯度場(chǎng)（b=0、1250、2500s/mm2），圖像采集時(shí)間分別為4 分30 秒，8 分32 秒。

3.圖像分析

將獲得的DKI 圖像導(dǎo)入FSL 軟件進(jìn)行預(yù)處理，包括頭動(dòng)、渦流矯正，去除顱骨。預(yù)處理后的DKI圖像經(jīng)DKE 軟件進(jìn)行重建，生成FA、MD、MK 參數(shù)圖。使用SPM8 軟件將DKI 參數(shù)圖和3D-T1 圖像進(jìn)行匹配，之后對(duì)3D-T1 圖像進(jìn)行分割和標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化后的像素大小=3mm×3mm×3mm，然后將參數(shù)圖寫入3D-T1 標(biāo)準(zhǔn)化空間矩陣，并進(jìn)行平滑(高斯核大小6mm)。最后在MATLAB 軟件中，使用自動(dòng)解剖模板（automated anatomical labeling，AAL）和MRIcron軟件中的約翰霍普斯金大學(xué)（Johns Hopkins University，JHU）白質(zhì)纖維束圖譜，將大腦灰質(zhì)和白質(zhì)區(qū)域分別劃分為90 和48個(gè)ROI，提取這些ROI 的FA、MD、MK 參數(shù)值。AAL 模板包含90個(gè)大腦灰質(zhì)ROI，均為左右半球?qū)ΨQ，JHU 白質(zhì)圖譜包含48個(gè)ROI，其中6個(gè)ROI(胼胝體的體部、膝部、壓部和小腦中腳、腦橋小腦束、穹窿)是單側(cè)的，其余42個(gè)白質(zhì)ROI 左右對(duì)稱；本文計(jì)算大腦半球?qū)ΨQROI 的平均測(cè)量值，最終得到45個(gè)灰質(zhì)和27個(gè)白質(zhì)ROI 的DKI 參數(shù)值，用于后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析。

4.統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS 16.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。分別采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（intraclass correlation coefficient，ICC）和變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）衡量DKI 參數(shù)值的可重復(fù)性。ICC 有多種計(jì)算模型，本研究采用絕對(duì)一致且單一度量的雙向隨機(jī)模型評(píng)估測(cè)量值之間的絕對(duì)一致性。CV 是受試者組內(nèi)測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差除以平均值的百分比。參照MRI 生物測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)[7-8]，要求參數(shù)指標(biāo)CV ≤10%，且當(dāng)ICC＜0.20 為重復(fù)性較差，0.21 ～0.40 為重復(fù)性一般，0.41 ～0.60 為重復(fù)性中等，0.61 ～0.80 為重復(fù)性較好，0.81 ～1.0 為重復(fù)性非常好。所有數(shù)據(jù)采用Kolmogorov-Smirnov 正態(tài)性檢驗(yàn)，證實(shí)數(shù)據(jù)為正態(tài)分布后，進(jìn)一步采用配對(duì)樣本t 檢驗(yàn)，評(píng)估NGD 對(duì)DKI 參數(shù)值（2 次重復(fù)掃描的平均測(cè)量值進(jìn)行比較）以及可重復(fù)性的影響，以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.DKI 參數(shù)值的可重復(fù)性

FA在灰質(zhì)區(qū)域的重復(fù)性中等，15個(gè)和30個(gè)NGD 序列的平均ICC 和CV 值分別為0.549、0.573和3.028%、3.222%。白質(zhì)區(qū)域的FA 可重復(fù)性非常好，15個(gè)和30個(gè)NGD 序列的平均ICC 和CV 值分別為0.825、0.884 和1.685%、1.462%，其中上額枕束、小腦下腳的ICC 值相對(duì)較低，15個(gè)NGD 序列ICC值分別0.628、0.687，30個(gè)NDG 序列ICC 值分別為0.743、0.777。

MD 的可重復(fù)性非常好，15個(gè)和30個(gè)NGD 序列的灰質(zhì)區(qū)域平均ICC 和CV 值分別為0.896、0.895和1.671%、1.676%，白質(zhì)區(qū)域的平均ICC 和CV 值分別為0.884、0.887 和1.669%、1.670%，其中蒼白球ICC 值最低，其在15個(gè)和30個(gè)NDG 序列的ICC值分別為0.586，0.434。

表1 不同NGD 序列之間的腦灰質(zhì)和白質(zhì)可重復(fù)性比較

MK 的可重復(fù)性較好，15個(gè)和30個(gè)NGD 序列的灰質(zhì)區(qū)域的平均ICC 和CV 值分別為0.624、0.644和2.632%、2.575%，白質(zhì)區(qū)域的平均ICC 和CV 值分別為0.694、0.717 和 2.098%、2.018%，白質(zhì)區(qū)域中的大腦腳、胼胝體體部及灰質(zhì)區(qū)域中的眶部額中下回、三角部額下回、顳極：顳中回等區(qū)域可重復(fù)性（ICC 均＜0.6）略低（腦灰白質(zhì)ROI 的ICC 值分布圖分別見圖1、2 ）。

圖1 45個(gè)腦灰質(zhì)ROI 區(qū)域的FA(A)、MD(B)、MK（C）的ICC 值分布圖。藍(lán)色代表15個(gè)NGD 序列的ICC 值，紅色代表30個(gè)NGD 序列的ICC 值。FA：各向異性分?jǐn)?shù)；MD：平均彌散率；MK：平均擴(kuò)散峰度；NGD：梯度方向數(shù)量；ICC：組內(nèi)相關(guān)系數(shù)。

2.兩種NGD 序列的DKI測(cè)量值及可重復(fù)性比較

在全腦灰白質(zhì)ROI 中，與30個(gè)NGD 序列相比，15個(gè)NGD序列 的84.722%（61/72）ROI 的FA 值升高(P＜0.05)，41.667%（30/72)ROI 的MK 值降低(P＜0.05)，其余ROI 測(cè)量值無(wú)明顯差異（P＞0.05）；兩個(gè)序列之間的MD 測(cè)量值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

兩種NGD 序列的MD、MK 全腦灰白質(zhì)ROI的ICC、CV 值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。對(duì)于FA，在灰質(zhì)區(qū)域的ICC、CV 值無(wú)顯著性差異（P＞0.05），但在白質(zhì)區(qū)域，較30個(gè)NGD 序列，15個(gè)NGD 序列的ICC 值減低(P＜0.05)，CV 值升高(P＜0.05)，提示30個(gè)NGD 序列腦白質(zhì)的FA 可重復(fù)性較好(表1)。

圖2 27個(gè)腦白質(zhì)ROI 區(qū)域的FA(A)、MD(B)、MK（C）的ICC 值分布圖。藍(lán)色代表15個(gè)NGD 序列的ICC 值，紅色代表30個(gè)NGD 序列的ICC 值。FA：各向異性分?jǐn)?shù)；MD：平均彌散率；MK：平均擴(kuò)散峰度；NGD：梯度方向數(shù)量；ICC：組內(nèi)相關(guān)系數(shù)。

討 論

可重復(fù)性對(duì)于科研結(jié)果評(píng)價(jià)至關(guān)重要。本文定量和系統(tǒng)地研究健康成人腦組織灰質(zhì)和白質(zhì)區(qū)域DKI參數(shù)圖的可重復(fù)性，并評(píng)估NGD 對(duì)DKI 測(cè)量值和可重復(fù)性的影響。目前類似采用重復(fù)掃描測(cè)定的可重復(fù)性研究模型較少，以往大多局限于研究動(dòng)物模型[9]或不同DKI 序列之間[10]的可重復(fù)性。

1.DKI 參數(shù)值的可重復(fù)性分析

本研究中，灰質(zhì)區(qū)域的FA 可重復(fù)性低于白質(zhì)區(qū)域，與之前的研究結(jié)果一致[7]。我們認(rèn)為，相對(duì)于白質(zhì)，皮質(zhì)是擴(kuò)散相對(duì)各向同性的組織構(gòu)筑，擬合張量缺少一個(gè)大的主特征向量來指導(dǎo)局部擴(kuò)散，所以FA 參數(shù)主要用于檢查白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，而不適用于灰質(zhì)區(qū)域的量化分析。腦白質(zhì)FA 的可重復(fù)性非常好，本研究結(jié)果中FA 的ICC 值與以往Albi 等[11]在DTI 研究中報(bào)道的結(jié)果（ICC=0.87）相類似；個(gè)別腦區(qū)如小腦下腳、上額枕束的ICC 值相對(duì)較低，可能與ROI 體積較小引起圖像配準(zhǔn)過程的不完善和受部分容積效應(yīng)的影響有關(guān)。因此，只要避免周圍結(jié)構(gòu)的污染，增加ROI 大小可以提高可重復(fù)性。

關(guān)于MD 參數(shù)值的可重復(fù)性，除了蒼白球外，在其他的灰質(zhì)和白質(zhì)區(qū)域，兩種成像方案的MD 可重復(fù)性較好或非常好。我們推測(cè)可能是由于腦組織中蒼白球金屬沉積量較高[12]，超順磁性增加縮短T2 弛豫時(shí)間，導(dǎo)致信噪比降低，從而降低其可重復(fù)性。以往的DTI 研究中[5]，也發(fā)現(xiàn)MD 參數(shù)有很好的可重復(fù)性。

在灰質(zhì)和白質(zhì)區(qū)域MK 的可重復(fù)較好。與其他區(qū)域相比，靠近顱底的灰質(zhì)區(qū)域（眶部額中下回、三角部額下回、顳極：顳中回）和具有高度方向的白質(zhì)區(qū)域（胼胝體體部、大腦腳）可重復(fù)性較差（ICC 均＜0.6）。顱底區(qū)域容易受磁敏感偽影影響，而白質(zhì)區(qū)域具有高度方向性，容易產(chǎn)生異常值[13]（表現(xiàn)為黑像素點(diǎn)或亮像素點(diǎn)），這些因素可能導(dǎo)致了較低的重復(fù)性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)MK 的可重復(fù)性略低于MD、白質(zhì)區(qū)域的FA，推測(cè)與低信噪比有關(guān)，因?yàn)橄鄬?duì)于傳統(tǒng)的DTI，DKI 隨著擴(kuò)散權(quán)重的增大，信噪比會(huì)迅速下降，噪聲引入了顯著的偏置，從而導(dǎo)致了MK 略低的可重復(fù)性，而傳統(tǒng)的DTI 參數(shù)如FA、MD 主要是基于低b 值的數(shù)據(jù)，其信噪比較高，重復(fù)性受影響較小[14]。

2.NGD 對(duì)DKI 測(cè)量值和可重復(fù)性影響

以往的研究表明，NGD 對(duì)DTI 或DKI 測(cè)量值和可重復(fù)性的影響結(jié)果不一致，結(jié)論存在分歧[5-6]。本研究中，與30個(gè)NGD 序列相比，15個(gè)NGD 序列的大部分ROI 的FA 測(cè)量值升高，部分ROI 的MK 測(cè)量值降低；兩個(gè)序列之間的MD 測(cè)量值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。擴(kuò)散方向數(shù)量對(duì)FA 的影響較為明顯，其測(cè)量值的升高可能是由于隨著NGD 的減少，信噪比降低，噪聲會(huì)增加特征值，在計(jì)算與方向相關(guān)的FA 值中引入正偏置所致[15]。Chiang 等[9]在大鼠顱腦的DKI 成像中發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于30個(gè)NGD 序列，6個(gè)NGD 序列提供了較高的FA 值和較低的MK 值，而MD 值無(wú)顯著性差異，與當(dāng)前研究結(jié)果相一致。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)梯度方向的數(shù)量從15 增加到30 時(shí)，可以顯著改善白質(zhì)區(qū)域的FA 可重復(fù)性，而對(duì)MD、MK 全腦灰白質(zhì)的可重復(fù)性無(wú)顯著性影響。Yokosawa 等[10]采用多個(gè)NGD 序列評(píng)估NGD 對(duì)DKI 參數(shù)圖的影響，發(fā)現(xiàn)隨著NGD 的增加，MK 的ICC 值略呈上升趨勢(shì)，與本研究的結(jié)果不同。分析原因可能在于：第一，采用掃描方案模型不同，其采用的是一次掃描，而本研究是衡量?jī)纱沃販y(cè)掃描結(jié)果之間的一致性；第二，Yokosawa 等研究是采用全腦平均閾值方法，而本研究采用灰白質(zhì)分割方法，深入細(xì)化腦解剖區(qū)域測(cè)量。

目前的研究存在一些局限性。首先，本研究為樣本量較少的單中心研究，建議未來進(jìn)行大規(guī)模的多站點(diǎn)的DKI 重復(fù)性研究。第二，本研究在健康志愿者中進(jìn)行，尚不清楚結(jié)果是否適用于病理組織，未來的研究應(yīng)該針對(duì)某種特定患者的DKI 參數(shù)進(jìn)行可重復(fù)性研究。第三，一些腦區(qū)參數(shù)測(cè)量可能受到腦脊液的部分容積效應(yīng)和顱底的磁敏感偽影的影響。

總之，在健康成人腦組織的DKI 成像研究中，全腦MD、MK 以及白質(zhì)區(qū)域的FA 參數(shù)測(cè)量具有良好的可重復(fù)性，梯度方向數(shù)目的改變對(duì)DKI 參數(shù)測(cè)量值和可重復(fù)性有不同程度的影響。