正常人群弓状束双张量无损卡尔曼滤波与单张量线性纤维束示踪技术成像效果比较

阎 静，杜 伟，程敬亮，耿杰峰，郭翠萍，刘福荣

1)郑州大学第一附属医院磁共振科 郑州 450052 2)郑州大学第一附属医院神经外科 郑州 450052 3)郑州大学第一附属医院病案管理科 郑州 450052 4)杭州市儿童医院放射科 杭州 310014

弓状束(arcuate fasciculus, AF)是语言传导通路重要的纤维束，其损伤与传导性失语症密切相关[1]。AF扩散张量纤维束示踪技术已经广泛用于指导语言功能区神经外科手术[2-3]。然而传统的纤维束示踪技术基于单张量模型，即单张量线性纤维束示踪(streamline tractography，ST)技术，该模型存在的纤维交叉效应和部分容积效应等因素限制了AF示踪成像的效果。为了解决上述问题，本研究选取20例正常受试者，对比分析以双张量无损卡尔曼滤波(unscented Kalman filter, UKF)算法模型为基础的纤维束示踪(UKF tractography, UKFT)技术和单张量ST技术对AF的成像效果，探讨双张量UKFT技术AF显像的优势。

1 对象与方法

1研究对象20例正常受试者，爱丁堡利手量表评估为右利手。既往无任何神经系统疾病，无MRI扫描禁忌证。男、女各10例，年龄22～57(35.4±10.3)岁。

1.2MRI采集方案采用3.0 T术中磁共振(MAGNETOM Verio，Siemens AG，Germany)，配备8通道头部线圈进行扫描。所有受试者均行T1结构像和扩散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)。T1结构像采用三维磁化强度预备快速成像梯度回波序列(3D MPRAGE)，TR 1 900 ms，TE 2.93 ms，反转角9°，矩阵256×215，层厚1 mm。DTI采用单次激发平面回波序列，扩散敏感梯度方向数为30，b值为0和1 000 s/mm2，TR 9 900 ms，TE 90 ms，激励次数2，矩阵128×128，体素大小2.0×2.0×2.0 mm3，层厚2 mm，层间距0 mm。

1.3数据处理与分析①将采集到的DTI数据导入3D Slicer软件进行预处理，包括：数据格式转换、质量控制、全脑蒙板创建、FA彩色编码图创建和FA灰度图生成。②设置FA阈值0.15，分别应用单张量ST技术和双张量UKFT技术进行全脑白质纤维束的追踪重建。UKFT技术同时引入对纤维交叉存在敏感的总体各项异性值，阈值0.1。③以全脑白质纤维束数据为基础，采用双ROI追踪法重建左侧AF，包括直接通路“颞-额”段(深支)，间接通路“额-顶”段(前支)和“颞-顶”段(后支)。ROI的选择参考Catani等[4]的方案，由1名具有人脑白质纤维束解剖及影像学研究经验的MRI诊断医师基于FA彩色编码图确定，位置如图1。

1.4统计学处理采用SPSS 21.0进行数据分析。应用配对资料的t检验比较两种技术显示的左侧大脑半球AF各分支的纤维体积和条数的差异，检验水准α=0.05。

A、B：重建深支时，ROI 1置于轴面经前联合层面的侧脑室后角外侧区域，ROI 2置于冠状面经中央前回层面的蓝色放射冠的外侧区域；C、D：重建前支时，ROI 1位置同深支ROI 2，ROI 2置于矢状面顶下小叶Geschwind 区；E、F：重建后支时，ROI 1置于矢状面颞叶Wernicke区，ROI 2位置同前支ROI 2

图1纤维束示踪成像重建AF时ROI放置示意图

2 结果

2.1AF各分支的重建情况

2.1.1 单张量ST技术 见图2A、C。3例嘴部深支显像失败，终端均在半卵圆中心提早终止，未延伸至额叶区域；9例深支显像不完整，嘴部终端一部分纤维束在半卵圆中心提早终止，一部分延伸至额叶区域(图2C浅黄色圆形)。2例前支和1例后支显像完全失败。对于AF显像失败者，进一步降低FA值为0.05～0.10后重新进行纤维束追踪，仍未显像成功。

2.1.2 双张量UKFT技术 见图2B、D。20例深支、前支和后支均完整显像。

2.2AF各分支终端在大脑皮层的分布情况单张量ST技术重建时，AF各分支终端纤维多分布于单一脑回；而双张量UKFT技术重建时，终端分支纤维显示更完整，分布面积更广，常分布于多个脑回。具体见表1～3。

2.3两种纤维束示踪技术显示的AF各分支纤维体积和条数的比较见表4。由表4可知，与单张量ST技术相比，应用双张量UKFT技术重建的左侧AF深支、前支和后支的纤维体积更大、条数更多，差异有统计学意义(P均<0.001)。

表1两种技术重建的AF深支在大脑皮层的分布(n=20) 个

终端单张量ST双张量UKFT嘴部终端 前运动皮层95 额下回20 前运动皮层+额下回615 显像失败30尾部终端 颞中回111 颞中+颞下回41 颞上+颞中+颞下回218 显像失败30

表2两种技术重建的AF前支在大脑皮层的分布(n=20) 个

终端单张量ST双张量UKFT嘴部终端 前运动皮层176 额下回10 前运动皮层+额下回014 显像失败20尾部终端 缘上回122 角回42 缘上回+角回216 显像失败20

表3两种技术重建的AF后支在大脑皮层的分布(n=20) 个

终端单张量ST双张量UKFT嘴部终端 颞中回130 颞中+颞下回65 颞上+颞中+颞下回015 显像失败10尾部终端 缘上回30 角回134 缘上回+角回316 显像失败10

A：单张量ST技术重建AF各分支图，包括深支(红色)、前支(蓝色)和后支(绿色)；B：双张量UKFT技术重建的AF各分支图，终端在皮层分布的范围更广；C：单张量ST技术重建的AF深支嘴部终端部分纤维束在半卵圆中心提早终止，未达额叶区域；D：双张量UKFT技术重建的深支嘴部终端分支纤维显示更完整，同时位于额下回和前运动皮层区。A和B为同一男性受试者，36岁；C和D为同一女性受试者，35岁

图2正常受试者左侧AF重建图

表4 两种纤维束示踪技术显示的AF各分支纤维体积和条数的比较

3 讨论

基于单张量模型的ST技术可以显示脑白质纤维束的走行及其相互之间的连接，已广泛应用于临床和神经科学领域。传统的单张量模型使用Stejskal Tanner方程计算的二阶张量来描述体素内的扩散特性，认为体素内水分子的扩散运动呈高斯分布，且每个体素内只有一条神经纤维通过[5]。由于复杂结构区域内的神经纤维在同一体素内存在交叉、紧贴、分支或融合现象，因此单张量模型不能准确估算轴突的方向，应用此技术重建交叉纤维和分支纤维时存在一定的困难。此外，单张量模型采用体素内不同扩散成分的加权平均值作为纤维追踪的扩散张量，无法有效区分每个体素内的不均质扩散成分，即部分容积效应。此效应可导致白质纤维束5%～7%的追踪误差，FA值10%～20%的差异[6]。Kinoshita等[7]对胶质瘤患者应用DTI和术中电刺激定位纤维束的对比研究显示，ST技术重建的图像不能代表纤维束真实的大小，和术中电刺激的匹配度仅80%。这些缺陷在一定程度上限制了单张量ST技术的临床应用。

为解决上述问题，学者们不断探索新的方法来提高追踪复杂区域白质纤维束的能力。常用的方法有高角分辨率扩散成像[8]、Q球成像[9]和扩散频谱成像[10]。但这些方法扫描时间过长，临床应用受限。2010年Malcolm等[11]首次提出双张量UKF算法模型，对一例正常受试者分别应用双张量UKF算法模型、单张量模型和球谐函数模型的纤维束示踪技术重建胼胝体、扣带、上纵束和下额-枕束，将上述纤维束对比发现双张量UKFT技术在显像交叉纤维和分支纤维方面具有明显的优势。

双张量UKF算法模型将体素内水分子的运动过程描述呈混合高斯分布，可以识别多种纤维的方向，进行纤维跟踪时还可将脑脊液的信号分离，减少部分容积效应。以该模型为基础的UKFT技术采用递归估计：以原始的DWI信号数据为基础非线性构建一个双张量模型，采用无损卡尔曼滤波器对模型的相关参数进行估计，沿着扩散最一致的方向追踪一小步，到达一个新的位置，然后以先前的追踪信息为基础，将目前所在位置的局部信号重新构建双张量模型。这种递归估计的纤维束成像方式，提高了追踪方向的准确性，可以在交叉角度上精确分辨纤维束的方向，产生固有的光滑的纤维束。Rathi等[12]应用双张量UKFT技术在20例首发精神分裂症患者中追踪穿过交叉区域连接105个不同皮质和皮质下区域的神经纤维束，结果显示良好。

本研究分别应用单张量ST技术和双张量UKFT技术对正常人群左侧大脑半球的AF进行追踪重建。结果显示，应用单张量ST技术重建左侧AF时，12例AF深支嘴部终端的全部或部分纤维在半卵圆中心提早终止，未延伸至前运动皮层区和额下回，2例前支和1例后支完全显像失败，降低FA值重新进行纤维束追踪仍无法解决交叉纤维的问题。应用双张量UKFT技术重建左侧AF时，20例AF深支、前支和后支均成功完整显像，终端达到已知的解剖学部位，这表明双张量UKFT技术能够在复杂的纤维交叉的解剖区域精确分辨纤维束的方向，追踪到更完整的AF。本研究同时应用大脑白质纤维体积和条数这两个解剖学度量参数进一步量化脑白质的宏观结构，证实了与单张量ST技术相比，双张量UKFT技术显像AF的效果更佳。

作者的研究结果还显示，应用双张量UKFT技术可以成功显像AF的三个分支，终端分支纤维显示更完整，皮层分布范围更广，其中额叶终端主要同时位于额下回和前运动皮层区，颞叶终端主要同时位于颞上回、颞中回和颞下回，顶叶终端主要同时位于缘上回和角回。

总之，本研究结果表明双张量UKFT技术在显像交叉纤维和分支纤维方面较单张量ST技术具有明显的优势；但由于纤维束示踪技术本身存在重复性差的缺陷，双张量UKFT技术显像存在假阳性的可能，因此，其在神经外科术中语言功能保护的价值还需进一步研究验证。