DTI和DKI在轻型创伤性脑损伤诊断中的若干问题研究进展

高鑫，张涛，高省，张桓，于建云，任康

（1.宣威市公安局刑事科学技术室，云南宣威 655400；2.嵩明县公安局，云南嵩明 651700；3.云南警官学院刑事侦查学院，云南昆明 650223；4.昆明医科大学法医学院，云南昆明 650500；5.长治医学院，山西长治 046000）

DTI和DKI在轻型创伤性脑损伤诊断中的若干问题研究进展

高鑫1，张涛2，高省3，张桓4，于建云4，任康5

（1.宣威市公安局刑事科学技术室，云南宣威 655400；2.嵩明县公安局，云南嵩明 651700；3.云南警官学院刑事侦查学院，云南昆明 650223；4.昆明医科大学法医学院，云南昆明 650500；5.长治医学院，山西长治 046000）

DKI（diffusion kurtosis imaging，DKI）是在DTI（diffusion-tensor imaging，DTI）技术基础上发展起来的一种新的fMRI技术，是DTI的进一步发展、提升和完善。轻度颅脑外伤（mild traumatic brain injury，mTBI）常规CT检查常表现为阴性，故临床准确评价困难，很容易造成部分患者漏诊，耽误早期积极治疗，而DKI是一种客观、准确和定量的评价轻度颅脑外伤的方法，运用DKI较常用的指标FA值、MD值和MK值可以较准确的诊断出脑损伤等疾病，能够对疾病进行早诊断早治疗。目前，DKI在许多疾病当中均有运用。综述了DKI在国内外脑损伤中的研究进展，并对DKI在诊断脑损伤中的应用进行探讨。

DTI；DKI；轻型创伤性脑损伤

随着社会经济的发展，交通事故、体育活动及意外所致的轻型颅脑外伤（mild traumatic brain injury，mTBI）在临床中越来越常见。mTBI若诊断治疗不及时，常会发展为脑震荡后综合征（post concussional syndrome，PCS）。中、重型颅脑外伤导致脑挫裂伤、颅内血肿的临床表现及CT等影像征象明确，易于诊断，而mTBI、PCS用常规CT或MRI检查技术常无法提供直接的影像学证据，故临床准确评价有一定困难，容易造成部分患者漏诊，延误早期积极治疗。因此，寻找一种客观、准确和定量评价mTBI的方法显得尤为重要。磁共振弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）可显示白质纤维束的走行，观察大脑白质的结构特征，检测脑组织的轻微损伤。磁共振弥散加权成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）作为扩散成像的新技术，可以量化真实水分子扩散与理想的高斯分布扩散的位移偏离大小，表征水分子扩散受限程度和扩散的不均质性，能更敏感地探测组织微观结构的改变。本文旨在阐述DTI和DKI的基本原理、主要参数及在轻型颅脑损伤中的应用，探讨DTI和DKI在轻型颅脑损伤患者诊断中的应用价值。

1 DTI、DKI基本原理及主要参数

1.1 DTI、DKI基本原理

DKI技术是DTI的延伸，是旨在探查非高斯分布的水分子扩散特性的方法，用扩散峰度描述水分子扩散分布偏移自由扩散高斯分布的程度，反映出水分子扩散遇到阻碍或者限制的情形，从而反映组织微观结构的变化，最早由Jensen教授提出[1]。研究表明[2]DKI对组织微结构的敏感度比传统DTI定量参数更好。DTI是利用一组3D矢量来描述固体物体内的张力，属二阶张量，而DKI为四阶三维完全对称张量[3-4]。尽管DTI能够提供常规MRI尚无法显示的脑组织微结构改变、无创性示踪脑白质纤维束走向，但所描述的分子弥散是将水分子运动是被假定为在单室模型内的自由的、非受限的运动[5]，这显然不符合人体组织内复杂的生物学环境。且DTI单指数衰减模型导致了其参数（表观弥散系数ADC）具有很高的b值依赖性[5]。而DKI技术很好地克服了DTI的上述不足，DKI采用多室模型[6]来表征复杂的生物组织结构中的非高斯分布水分子扩散，通过在DTI二阶张量公式基础上加入四阶张量修正项[7]，以更好地描述脑白质的多神经纤维交叉走形。另外，由于DKI所需的b值较以往用于测量扩散系数的成像技术b值要大[8]，因此DKI可提供更多组织细微结构的信息。

1.2 DTI、DKI主要参数

DTI的主要参数为平均弥散率（Mean Diffusivity，MD）和部分各向异性（Fractional Anisotropy，FA）。

MD值在弥散加权成像（diffusionweighted imaging， DWI）中又称为表观弥散系数ADC的近似参数，反映水分子弥散的速度和范围，与弥散方向无关；组织内水分子弥散越快，相应MD值越高。FA值描述弥散方向上的不一致性，反映水分子各向异性成分占整个弥散张量的比例，其范围从0~1，自由水为0，脑脊液接近于0，对于非常规则的大脑白质纤维FA值接近于1，其值在脑灰质中相对降低；FA是定量描述在不同方向上弥散变化的最常用指标，为与局部纤维方向无关的数量化范围值，其作为脑白质纤维束完整性指标值，可以相对客观、直接地对研究对象之间提供定量比较。

DKI主要参数包括：FA值、MD值、径向峰度（RK）值、峰度各向异性（KA）值、平均峰度（MK）值，其中较常用的指标是FA值、MD值和MK值[9]。

MK值被认为是一个复杂的微观指标，MK值的大小取决于感兴趣区内组织结构的复杂程度，结构越复杂，非正态分布水分子扩散受限越显著，MK值也越大[10]。反之，MK值减小，则说明组织结构的完整性可能有所破坏。MK值除了可用于描述脑白质结构，由于其不依赖于组织结构的空间方位，也可用于脑灰质结构的描述[1]。

RK数值越大，说明在其相对应方向上的非高斯分布水分子扩散受限越明显[9]。反之则表明扩散受限越弱。RK是个相对重要的参数，因为扩散受限主要在径向，故而峰度为非零且在径向表现得尤为突出。且相对于FA的变化，感兴趣区内RK增大得更为显著。

与FA相类似，KA是反映组织结构定向性和完整性的指标[11]，组织结构微环境的变化、纤维结构的完整性及致密度等的改变均可影响KA值的变化。越趋于各向同性的组织结构，其KA值越小；反之，组织结构排列越紧密，KA越大。KA在某种程度上类似于FA，可由峰度的标准偏差给出。KA与MK间不存在一定的比例关系；KA可以为零，但必须依据峰度的变化。

2 DTI、DKI在m TBI研究中的应用

2.1 DTI在m TBI研究中的应用

近期文献报道中，脑震荡已成为了DTI研究的热门方向。Smits等[12]对20例mTBI患者进行研究，发现下额枕束、上纵束、下纵束的MD值升高，与脑震荡后症状的严重程度相关；而钩突、下额枕束、内囊、胼胝体、顶叶和额叶皮层下白质等区域的FA值下降，亦与脑震荡的后症状的严重程度相关。Maruta等[13]研究了17例有慢性脑震荡后遗症状的患者，发现右侧前放射冠、左侧小脑上脚、胼胝体膝部FA值间存在显著相关性。李元斌等[14]运用DTI对88例诊断为mTBI的患者进行检查，初次CT和MRI颅内平扫未见异常，而对自述有较为明显头痛、头昏、眩晕，呕吐、精神不振等症状者进行头部DTI扫描，发现有73.86%的患者有异常，并被确诊为脑震荡。以上研究说明DTI可以很好地检测脑震荡患者脑组织的变化情况，将为临床上早期诊断、治疗提供一定的有益帮助。

DTI技术在其他mTBI中亦有广泛的研究应用。Zhang等[15]研究认为，mTBI患者的脑白质完整性没有明显变化，但是胼胝体膝部和体部的FA值存在较大变化，双侧背外侧前额叶皮质的ADC值亦有下降。柏根基等[16]研究证实利用DTI的FA值变化能够较敏感地检测出mTBI的白质纤维的损伤情况。樊秋菊等[17]研究显示，内囊、胼胝体膝部、胼胝体压部白质区的FA值正常对照组与伤侧比较，差异且有统计学意义，与文献报道相符；而正常组与镜像区对比，没有发现差异；尾状核头、壳核、丘脑、颞叶皮层的FA值在正常组与伤侧及正常组与镜像区之间对比都没有明显差异。Wilde等[18]曾报道10名青少年足球运动员mTBI后7 d内出现胼胝体区域FA值升高。Budde等[19]对比颅脑损伤动物模型的DTI与病理后发现，在受损周围皮质内胶原纤维酸性蛋白阳性的星形胶质细胞增生明显，其中胶质纤维酸性蛋白等相关蛋白增加，使受损灰质FA增加，星形胶质细胞数量的增加和方向粘着性改变导致了皮层灰质FA增加。Bouix等[20]研究表面灰质区域FA值升高提示灰质异常，可能与长期脑震荡后综合征关系密切，提示mTBI患者预后较差。李晋等[21]通过基于体素的分析方法（Voxel-basedanalysis，VBA）对mTBI患者DTI数据全脑FA图进行分析，发现视辐射、大脑脚、右侧胼胝体膝、左侧胼胝体膝、右侧额中回下白质、中央前回下白质纤维FA值下降，右侧小脑半球、右侧枕叶及小脑山坡、舌回、右侧额下回的三角部、楔前叶灰质FA值升高。以上研究证实，DTI检测mTBI患者脑组织变化较为敏感，可以精确诊断损伤情况。

2.2 DTI在弥漫性轴索损伤研究中的应用

此外，DTI在弥漫性轴索损伤（DAI）中也有研究应用。Huisman等[22]的研究显示20例DAI患者胼胝体压部的ADC明显下降（18%）、内囊和胼胝体压部的FA分别下降（14%，16%）。Hammoud等[23]研究结果同样表明DTI比常规MRI能更早、更准确地显示出创伤性病灶的轴索损伤信号。在TBI的小鼠模型中，DTI显示受损脑区白质弥散各向异性分数的下降与β淀粉样蛋白免疫组化发现的轴索密度下降存在相关性，这表明DTI对于DAI显微结构的改变非常敏感[24]。另外，DTI研究进一步支持DAI好发于轴索集中区，损伤越重，其部位越趋近于脑深部或中线结构的研究发现[25-26]。

2.3 DKI在其他各类脑损伤研究中的应用

目前，DKI技术在脑损伤中研究应用较多。魏璇等[27]利用DKI评价正常成人脑灰白质差异，结果显示MK及RK值可作为鉴别脑灰、白质的高度敏感指标，可为临床诊断脑部病变提供影像学依据。郑慧鑫等[28]应用DKI定量测定正常成人脑的MK值、FA值和MD值的变化，以反映脑微观结构随年龄增长的演变规律。Zhuo等[29]制作了大鼠创伤性脑损伤的模型，利用DTI和DKI技术探测在急性期（2h）和亚急性期（7 d）大鼠大脑皮层白质及灰质区域的变化，经分析表明DTI及DKI参数在皮质、海马、外囊和胼胝体均有明显改变。其中，MD和FA在脑损伤急性期时变化有意义，在亚急性期回归到基线水平；而MK无论在急性还是亚急性期都有明显变化，从而表明DKI技术对于神经胶质细胞反应性增生的相关微结构改变十分敏感，这是单独应用DTI技术所探测不到的。樊秋菊等[30]对40名正常人尾状核、内囊、丘脑、颞叶皮层、胼胝体膝部、胼胝体压部分别进行DTI和DKI检测，并对FA、FAk值及MD、MD k值作相关性分析，发现正常人各个区域的FA与FA k值、MD和MD k值都表现出良好的相关性，说明本研究采用的DKI扫描可以用来评价水分子的扩散，其衍生值不会导致独立、无意义的测量结果，且有研究指出，其FA k值、MDk值可代替FA值、MD值。正常对照组与伤侧对比，尾状核、内囊、壳核、丘脑、颞叶皮层、胼胝体膝部、胼胝体压部MK值升高，Ka值升高，尾状核、内囊、壳核、丘脑、颞叶皮层Kr值降低，差异具有统计学意义，说明DKI诊断轻度脑外伤的脑损害有肯定的意义[30]。mTBI伤侧Ka值升高，Kr值降低，这是因为轴突正常结构破坏，水分子轴向扩散能力受到限制，导致了Ka值升高[30]。Hall等[31]在对7 d内的脑挫裂伤患者研究时发现，双侧胼胝体及丘脑存在神经退变、变性的改变。本研究结果说明在mTBI发展过程中，双侧大脑半球脑组织都会发生损伤。损伤后的脑组织细胞肿胀，细胞膜通透性明显增大，轴突的填充密度减小，细胞外间隙的组织增多，更进一步加剧了Ka值升高。因为Ka值显著增加，减轻了Kr值的减少，所以部分白质区如胼胝体膝部及压部Kr值改变不明显，差异没有统计学意义。而Ka值升高在颞叶皮层、丘脑伤侧的镜像区域仍可以观察到，说明mTBI者在上述三个区域更容易受损。丘脑损伤可能会导致神经、心理功能的各种障碍。患者可具有各种创伤后症状，如:易怒、头痛、记忆障碍，四肢麻木等，而MK值、Ka值、Kr值却可以提示丘脑的损伤。更进一步说明了DKI对于轻度脑外伤后细胞内外水扩散状态的改变更为敏感。

3 展望

迄今为止，DTI主要限于白质区域的研究，鉴于DKI对探测灰质区域微观结构的改变也十分敏感，其在探讨全脑损伤病理形态学的改变有着越来越重要的意义。DTI和DKI对于创伤造成轴索损伤显微结构及mTBI造成的轻微颅脑损伤改变非常敏感，为进一步探究脑震荡后综合征的发病机理奠定了基础。因此，DTI和DKI可以为临床诊断轻型颅脑损伤提供参考依据，并为判断mTBI预后提供一定帮助。相信DTI和DKI将会与CT和常规MRI一样都可用来对急性期和慢性期的mTBI后PCS病人进行检查。

以上研究结果表明，DTI和DKI将为法医临床学鉴定工作提供科学证据，为法医学检查、鉴定脑震荡、mTBI及DAI提供更为直观、科学的影像学资料。相信随着DTI和DKI技术的发展，其分析脑微观组织的病变结构和机制的理论会更加成熟，在法医学中的应用将会更加广泛。

[1]Jensen JH，Helpern JA.MRIQuantification of Non-Gaussian Water Diffusion by Kutosis Analysis[J].NMR Biomed，2010，23（7）:698-710.

[2]焦志云，李澄，陈文娟.核磁共振全身弥散加权成像技术及其临床应用[J].生物医学工程与临床，2009，（13）:262.

[3]Han DR，Qi LQ，Wu EX.Extreme Diffusion Value for Non-GaussionDiffusions[J].JOptimization Methods＆Software，2008，（23）:7035.

[4]Qi LQ，Han DR，Wu EX.Principal Invariants and Inherent Parameters of Diffusion Kurtosis Tensors[J].JMath Anal Appl，2009，（349）:165.

[5]Yoshida S，Oishi K，Faria AV，et al.Diffusion Tensor Imaging of Normal Brain Development[J].Pediatric Radiology，2013，（43）:15-27.

[6]曾丁巳，肖新兰.扩散峰度成像（DKI）在中枢神经系统的应用[J].临床放射学杂志，2011，30（9）：1400-1402.

[7]Wu E X，Cheung M M.MR Diffusion Kurtosis Imaging for Neural Tissue Characterization[J].Neuroimage，2010，23（7）:836-848.

[8]Chuang TC，Wu MT，Huang SP，et al.Diffusion Tensor Imaging Study ofWhite Matter Fiber Tracts in Adolescent Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder[J].Psychiatry Research，2013，（211）:186-187.

[9]Raab P，Hattingen E，Franz K，et al.Cerebral Gliomas:Diffusional Kurtosis Iimaging Analysis of Microstructural Differences[J].Radiology，2010，254（3）:876-681.

[10]Wu E X，Cheung M M.MR Diffusion Kurtosis Imaging for Neural Tissue Characterization[J].Neuroimage，2010，23（7）:836-848.

[11]Chen Z，Lin F，Wang J，et al.Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging Reveals Visual Pathway Damage that Correlateswith Clinical Severity in Glaucoma[J].Clin Experiment 41 Ophthalmol，2013，（41）:43-49.

[12]Smits M，Houston GC，Dippel DW，et al.Microstructural Brain Injury in Post-concussion Syndrome after Minor Head Injury[J].Neuroradiology，2011，53（8）:553-563.

[13]Maruta J，Lee SW，Jacobs EF，et al.A unified Science of Concussion[J].Ann NY Acad Sci，2010，1208（1）:58-66.

[14]李元斌，姚小刚，郑小华，等.磁共振弥散张量成像对诊断脑震荡的价值探讨[J].现代临床医学，2012，38（4）:251-253.

[15]Zhang K，Johnson B，Pennell D，et al.Are Functional Deficits in Concussed Individuals Consistent with White Matter Structural Alterations:Combined FMRI&DTI study[J].Exp Brain Res，2010，204（1）:57-70.

[16]柏根基，郭莉莉，张辉.MR扩散张量成像在轻微创伤性脑损伤中的诊断应用[J].临床放射学杂志，2012，（31）: 1212-1214.

[17]樊秋菊，杨春华，哈若水，等.DKI与DTI技术对轻度脑外伤定量评估的研究[J].临床放射学杂志，2014，33（7）:976-981.

[18]Wilde EA，Mccauley SR，Hunter JV，et al.Diffusion Tensor Imaging of Acute Mild Traumatic Brain Injury in Adolescents[J].Neurology，2008，70（12）:948-955.

[19]Budde MD，Janes L，Gold E，et al.The Contribution of Gliosis to Diffusion Tensor Anisotropy and Tractography Following Traumatic Brain Injury:Validation in the Rat Using Fourier Analysis of Stained Tissue Sections[J].Brain: A Journal of Neurology，2011，134（Pt8）:2248-2260.

[20]Bouix S，Pasternak O，Rathi Y，et al.Increased Gray Matter Diffusion Anisotropy in Patients with Persistent Post-Concussive Symptoms Following Mild Traumatic Bbrain Injury[J].PloSone，2013，8（6）:66205.

[21]李晋，左超，刘云阳，等.磁共振扩散张量成像对轻型颅脑损伤患者评价的临床应用[J].磁共振成像，2015，6（4）: 271-276.

[22]Huisman TAGM，Schwamm LH，Schaefer PW，et al.Diffusion Tensor Iimaging as Potential Biomarker of White Matter Injury in Diffuse Axonal Injury[J].Am JNeur 0radiol，2004，25（3）:370-376.

[23]Hammou，Sundgren PC.Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging[J].JNeuroophthalmol，2006，26（1）:51-60.

[24]Macdonald CL，Dikranian K，Song SK，et al.Detection of Traumatic Axonal Injury with Diffusion Tensor Imaging in a Mouse Model Oftraumatic BrainInjury[J].Experimental Neurology，2007，205（1）:116-131.

[25]Pittella JE，Gusmao SN.The Conformation of the Brain Plays an Important Role in the Distribution of Diffuse Axonal Injury in Fatal Road Traffic Accident[J].ArqNeuropsiquiatr，2004，62（2B）:406-412.

[26]Inglese M，Makani S，Johnson G，et al.Diffuse Axonal Injury in Mild Traumatic Brain Injury:Adiffusion Tensor Imaging Study[J].JNeurosurg，2005，103（2）:298-303.

[27]魏璇，马金宇，哈若水，等.扩散峰度成像评价正常成人脑灰白质差异[J].中国医学影像技术，2013，29（12）:1941-1945.

[28]郑慧鑫，张辉，王效春，等.正常成人脑结构年龄相关性变化的扩散峰度成像研究[J].中西医结合心脑血管病杂志，2013，11（5）：564-567.

[29]Zhuo J，Xu S，Proctor JL，et al.Diffusion Kurtosis as an in Vivo Imaging Marker for Reactiven Astrogliosis in Traumatic Brain Injury[J].Neuroimage，2012，59（1）:467-477.

[30]樊秋菊，杨春华，哈若水，等.DKI与DTI技术对轻度脑外伤定量评估的研究[J].临床放射学杂志，2014，33（7）: 976-981.

[31]Hall ED，Sullivan PG，Gibson TR，et al.Spatial and Temporal Characteristics of Neurodegeneration After Controlled Cortical Impact Inmice:more Than a Focal Brain Injury[J].Neurotrauma，2005，（22）:252.

（本文编辑：夏文涛）

Progresses in Diffusional Kurtosis Imaging and Diffusion-tensor Imaging of Brain Injury

GAO Xin1,ZHANG Tao2,GAO Sheng3,ZHANGHuan4，YU Jian-yun4，REN Kang5
（1.Xuanwei Public Security Bureau,Xuanwei655400,China;2.Songming Public Security Bureau,Songming 651700,China; 3.Faculty of Criminal Investigation,Yunnan Police Officers'Institute,Kunming 650223,China；4.Departmentof Forensic Medicine,Kunming Medical University,Kunming 650500,China;5.ChangzhiMedical College,Changzhi 046000,China）

Diffusion kurtosis imaging（DKI）is a new fMRI technology based on the diffusion-tensor imaging（DTI）,a developed and improved technology of DTI.Mild traumatic brain injury（mTBI）often shows negative results by routine CT examination.It is difficult to assess in clinical practice,while easy to cause missed diagnosis and early active treatment. DKI is an objective,accurate and quantitative method for assessing mild traumatic brain injury.The commonly used DKI values,such as FA value,MD value and MK value aremore accurate diagnostic index of brain damage and other diseases, leading to early diagnosis and treatment of the disease.At present,DKI is used in the diagnosis ofmany diseases.This paper reviewed the progress of applying DKI in brain injury studies at home and abroad,and discussed the application of DKI in the diagnosis of brain injury.

DTI；DKI；mTBI

DF795.4

A

10.3969/j.issn.1671-2072.2017.02.005

1671-2072-（2017）02-0041-05

2016-02-29

国家自然科学基金（81360467）；云南省自然科学基金应用基础资助项目（2013FB104）

高鑫（1980—），男，主检法医师，主要从事法医病理及法医临床鉴定工作。E-mail:506924208@qq.com。

张桓（1981—），男，讲师，主要从事法医病理及脑损伤研究工作。E-mail：531629295@qq.com。

通信作者：于建云（1962—），男，教授，主要从事法医病理及脑损伤研究工作。E-mail：jianyuny@sina.com。