皮质下缺血性血管病的扩散张量成像研究进展

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查看322 | 回复0 | 2020-2-24 15:35:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
       皮质下缺血性血管病(subcortical ischemic vascular disease,SIVD)是血管性认知功能障碍(vascular cognitive impairment,VCI)的一种较均质亚型,由小血管病变和低灌注引起,MRI特点为皮层下白质和基底节区腔隙性梗死和脑白质高信号。SIVD是引起认知损伤和痴呆的主要原因。早期诊断VCI的临床意义很重要,因为血管病变是可以逆转的,可以阻止疾病的进展,改善疾病的预后。早期诊断SIVD主要表现为执行功能障碍、语言功能紊乱及记忆力的减退。
1.扩散张量成像
1.1 DTI技术
       扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)是一种非常有前景的描述微结构变化影像技术,是一种可以在活体内描述特异脑白质结构的无创性方法。急性缺血和慢性缺血导致脑白质微结构的完整性发生改变,从而引起DTI参数发生改变。DTI的主要参数有平均扩散率(mean diffusion,MD)、各向异性分数(fractional anisotropy,FA)及径向扩散系数(radial diffusivity,RD)等。
       DTI由扩散加权成像进一步发展而来,DTI在至少六个非共线性方向上测量水的扩散,从而提供水在三维方向的运动情况。MD表示水分子在所有空间方向上平均扩散情况的参数;FA值大小描述了该体素中水分子的各向异性扩散程度。
1.2 DTI技术应用于SIVD研究的基础
       正常情况下轴突膜和髓磷脂对白质中水的扩散有限制作用,因此对轴突或者髓磷脂的破坏,可以导致MD值的增加;而轴索的损伤和髓磷脂的损伤可以共同引起FA值的减低。急性缺血可引起MD值的减小和FA值的升高;慢性缺血可引起MD值的升高和FA值的减小。
       相对传统的MRI技术来说,DTI可以在只有T2加权上呈高信号时,对SIVD患者提供一种更加客观的检查方法。高b值的DTI图像,对脑白质的病理改变有很高的敏感性,可以检查到其他MRI技术检查不到病理改变,预测到SIVD患者早期的认知减退。
2. SIVD的DTI分析方法进展
2.1 基于感兴趣区的分析方法
       基于感兴趣区(region of interests,ROI)的分析方法对特定的脑区进行限定,只关注特定的脑区的扩散参数变化。Tu等通过应用ROI发现SIVD在早期阶段左侧胼胝体辐射线枕部、左丘脑前辐射及胼胝体膝部的FA值和MD值变化的区域和程度有明显差别,同时也发现和正常老年人比起来,SIVD患者的FA值有整体的降低。
       通过运用ROI,将特定脑区的FA值和MD值与简单智力状态检查(mini-mental state examination,MMSE)相关联,发现胼胝体体部与压部的白质完整性与机能亢进、冷漠及精神错乱相关。除了胼胝体以外,左上纵束与机能亢进相关;左钩束与精神错乱有关;右上纵束与冷漠相关。而ROI只能对有限的感兴趣区进行观察,不能对全脑进行研究。这是ROI存在的弊端。
2.2 绘制全脑扩散张量直方图
       绘制整个大脑DTI参数直方图这一方法被Della Nave等应用于研究脑白质疏松症与运动功能和认知功能之间的关系,发现胼胝体和胼胝体周围的白质纤维束的MD值的增高与运动功能损伤相关性最强。通过绘制整个大脑的ADC值和FA值的直方图,Zhou等发现DTI参数直方图可以监测血管性认知损伤的严重程度,并可以发现传统MRI未发现的白质异常和血管性认知损伤不伴痴呆患者的白质与表观正常白质损伤的严重性与认知损伤严重性有相关性。
       Zhou等也发现脑白质和表观正常白质损伤严重性与血管性认知损伤不伴痴呆患者的认知障碍有相关性,而且通过DTI直方图分析法可以对血管性认知损伤不伴痴呆患者有进一步的认识。
2.3 基于图谱的统计分析方法
       Oishi等于2009在研究中提出建立一种基于DTI技术的白质图谱,并已被证明在临床研究中可以监测到FA值的改变和脑白质的改变。同年Lawes等也在文章中表示白质纤维图谱可以提供非常详细的解剖数据,而这些数据是不可能由常规MRI提供的。通过基于图谱的全脑白质分析,Lin等发现SIVD患者幕上白质纤维束包括投射纤维、联络纤维和连合纤维有广泛的异常;并且白质纤维束的异常与认知功能障碍相关。
2.4 基于体素的分析方法
       相比较ROI手动绘制感兴趣区及只能对限定脑区进行研究的缺点,基于体素的分析方法(voxel-based morphometry,VBA)可以对全脑进行分析研究。Kim等应用VBA,对获得的DTI参数进行分析,发现除了额叶-皮质下环路与认知功能相关外,后部脑白质的损伤同样可以导致不同的程度的认知障碍,可能与长联合纤维如下额枕束和下纵束被破坏有关。然而VBA在实际运用中依然存在噪音较大、部分容积效应等问题,导致VBA的统计学意义较小。除此之外,Smith等提出VBA最大的限制就在于需要空间平滑技术及如何确定选择空间平滑的范围。
2.5 基于纤维素示踪的空间统计分析方法
       基于纤维素示踪的空间统计分析方法(tract-based spatial statistics,TBSS) 是一种通过对白质的扩散张量进行以体素为基础的分析方法,它省略了在进行以体素为基础的分析过程中必要的空间平滑步骤和改善了当以体素为基础的分析过程应用于多个体扩散数据库时的敏感性和客观性。TBSS与ROI这一方法比较,TBSS可以避免了不同个体在绘制感兴趣区时会存在的个体差异。TBSS还可以与多种分析方法相结合,增加了研究的灵活性。
       Chen等通过DTI和TBSS证实了左前丘脑辐射和小钳的扩散张量改变可以发现血管性认知损伤不伴痴呆患者。Yu等通过TBSS对血管性轻度认知障碍患者的研究,推测这些患者的认知损伤主要是由于大的白质纤维束的破坏。
3. SIVD的DTI表现
       有学者发现额叶是SIVD患者改变最明显的脑区域。实际上脑白质比灰质对缺血更加敏感,经常较灰质损伤更加严重。Lin等发现幕上白质纤维束包括投射纤维、联络纤维和连合纤维有广泛的异常。Chen等通过应用DTI技术发现SIVD患者的双侧侧脑室前后角、双侧前额皮质下区域和胼胝体膝部有明显扩散张量的改变。而前额部皮质下区域的扩散张量改变是SIVD患者的特异性表现。广泛的侧脑室旁白质扩散张量的改变也是SIVD患者的特征性表现。Tu等发现SIVD和正常老年人比起来,SIVD患者的FA值有整体的降低。
4. DTI技术的进展
4.1 扩散波谱成像
       近年来DTI技术被广泛应用于临床,然而DTI仍然存在一些局限性。如不能准确地描述单体素中低各向异性和复杂纤维结构区域的扩散过程;不能显示交叉纤维以及纤维束的皮层与皮层下的终端,导致纤维束有很大一部分会丢失,还会有伪影和假束形成。与DTI技术相比,扩散波谱成像(diffusion spectrum imaging,DSI)对体素内微观结构有更高的分辨率,对DTI技术的不足进行了很大的改善。Wedeen等通过引入概率密度函数的算法可以有效解决体素内扩散异质性的问题,可以追踪到体素内交叉纤维的走行,可以更加完整地显示白质纤维束。
       DSI技术首先定义了一个采样三维空间,即q空间。q空间对应特定的脑位置,可以用q向量来表示。应用单个脉冲梯度SE序列产生一个扩散加权图像,该图像对应于q空间中的一个位置。应用不同强度和方向的梯度回波对整个q空间进行数据采样,每个脑位置都可以得到一个由数百个值组成的q空间。常用术语“b值”来描述q空间所应用的参数。b值与扩散时间间隔与扩散梯度强度的平方之积成正比。将q空间的原始数据与概率密度函数联系起来,在q空间数据基础上进行傅里叶变换。每个脑位置的扩散用位移分布或概率密度函数来描述,该函数提供了高度复杂光纤组织(包括光纤交叉)扩散的详细描述和极好的分辨率。因此DSI可以追踪白质纤维束从皮层、交叉到皮层或皮层下终点的完整过程。
4.2 扩散峰度成像
       扩散峰度成像(diffusional kurtosis imaging,DKI)是传统扩散加权成像的一种扩展,需要使用更高的b值和经过改进的图像后处理程序。水分子在均质性的物质中的扩散符合高斯函数,然而生物组织中含有的不同细胞及它们的细胞膜使得高斯函数不再能描述水分子的运动。因此DKI相对DTI对生物组织的微结构改变更为敏感。DKI通过峰度值来表示这种非高斯运动。DTI常用参数包括平均扩散峰度、径向峰度和轴向峰度,由于偏离高斯分布的行为取决于水扩散的组织的复杂性,所以峰度值可以被看作是组织结构的一种度量。其他的参数还包括峰度各向异性参数(kurtosis fractional anisotropy,KFA),KFA提供了和FA值完全不同但是互补的信息。
5.结论
       DTI技术的应用对SIVD患者的白质纤维束损伤起到了很好的观察作用。DTI技术的进步使得白质纤维束的显示更加准确和清晰,这也将更有利于我们对SIVD患者临床表现原因进行更深入的探讨。近年来应用DTI技术对SIVD展开的研究有很多,但是我们希望可以更多的将DSI及DKI技术的应用于SIVD研究。到目前为止,关于DSI及DKI对SIVD的研究尚少,这也为我们之后的研究提供了方向。
       来源:冯蒙蒙,戴慧.皮质下缺血性血管病的扩散张量成像研究进展[J].磁共振成像,2019(09):699-702.

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