X- Brain 第二十课:扩散峰度成像DKI的崛起

神经外科杨艺

2016-06-13

在磁共振成像领域中,扩散张量成像( diffusion tensorimaging,DTI) 作为一项磁共振功能成像技术,可以从微观领域评估组织结构的完整性,目前最主要应用于脑组织各方向白质纤维及纤维束的评价。

扩散加权成像( DWI) 及 DTI的理论前提为水分子扩散呈正态分布; 而扩散峰度成像( diffusion kurtosis imaging,DKI) 是基于 DTI 技术上的延伸,为描绘组织内非正态分布水分子扩散的一种新的磁共振成像方法,较传统的 DTI 技术,DKI 更适合把握组织微观结构的变化。

DKI 技术的产生历经一个对组织内水分子扩散非正态分布的认识、四阶张量应用于磁共振成像的转变过程。扩散为人体重要的生理活动,组织内水分子的扩散可被看作是一个随机的过程也即布朗运动,因此,在一定时期内某一特定水分子从一个位点到另一个位点扩散的机率受概率分布支配。在一简单的模型中,这一分布具有正态分布形式,它的宽度( 即标准差) 与扩散系数成比例。然而,就在以几十毫秒的时间间隔下,大多数组织的复杂结构( 如各类型的细胞、细胞膜和组织的生化特性) 能够导致水分子扩散位移概率分布实际上偏离正态分布。而超值峰度( excess kurtosis) 则能够量化这一偏离。因此超值峰度可被视为衡量组织结构复杂性的一种“度”。

曾有报道人脑水分子的扩散分布是以非正态分布为主。通过 pulsed-field-gradient MRI 序列去评估活体组织中水分子扩散峰度超额量,这一方法即为DKI。该方法是基于在传统 DWI 的基础上采用同一类型的脉冲序列,但所需要的 b 值较以往用于测量扩散系数的往往要略大。对于脑组织,b 值约 2000 s/mm2就足够,对 b 值的要求在现代临床磁共振成像系统中可以较为容易获得满足。

因此,DKI 成为一个量化非正态分布水分子扩散、探查生物组织的微观结构的实用性临床技术。此外,DKI 扩散敏感梯度场施加的方向至少得 15 个; 当然提高到 30 个,那么所采集到的数据的可靠性也可相应得到提高。源自物理和工程学领域的“张量”一词,利用的是一组3D 矢量来描述固体物体内的张力。DKI 为四阶三维完全对称张量。

扩散张量为二阶张量,由此 DKI 技术的产生必定要历经一个由二阶张量到四阶张量的转变。二阶张量其空间扩散系数为椭球球面,椭球的主轴为主特征向量方向且吻合于脑神经纤维走向,而次特征向量方向则垂直于纤维走向。二阶张量的椭球面无法与多纤维走向吻合,因而 DTI 无法解决多神经纤维交叉问题,DKI 则是通过在成像公式上加入一个四阶张量修正项来弥补二阶张量的不足。张量的分量为变量而不能直接应用,只有不变量如特征值才可用为诊疗判断参数。而解决这一问题的方法就是引入高阶张量特征值这一概念。因为高阶扩散张量的扩散系数形成一个多刺的凸面可吻合多纤维走向,而这些凸刺即为高阶张量的特征向量方向。这一理论突破奠定了高阶张量应用于磁共振成像的基础。

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图片引自原文献。