健康人脑组织DKI的可重复性研究及梯度方向数目对可重复性的影响

吴刘洋 韩雷 石慧娴 陈红日 张洪英

扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）是在扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）基础上延伸的弥散成像技术，能够敏感地反映组织微观结构的复杂程度，并定量描述组织中水分子扩散的非高斯特性[1]。DKI 主要参数包括平均扩散峰度（mean kurtosis，MK）、轴向扩散峰度（axial kurtosis，AK）和径向扩散峰度（radial kurtosis，RK），同时还包括DTI 参数，如各向异性分数(fractional anisotropy，FA)和平均弥散率(mean diffusivity，MD)[2]。DKI 参数作为生物学标志物，已经应用于中枢神经系统疾病如胶质瘤、多发性硬化、帕金森病等的研究，并且比DTI 更优越[3]。

限制DKI 应用的重要因素是其可重复性[4]，目前DKI 可重复性的研究很少。可重复性是一种群体水平的统计，指一个指标被测量多次时结果之间的一致性。理论上，DKI 成像至少需要3个不同的b 值和15个扩散梯度方向[1]。关于梯度方向数目对DTI的可重复性研究已有相关报道，例如Liu 等[5]发现增加梯度方向数量（number of gradient directions，NGD）可以提高DTI 测量结果的准确性和可重复性，而Ni 等[6]认为不同的NGD 序列不会改变感兴趣区（region of interest，ROI）的FA、MD 值。本研究分别采用15个和30个扩散梯度方向进行DKI 两次重复扫描，探讨健康成人脑组织DKI 参数值的可重复性，并研究NGD 对DKI 可重复性的影响。

方 法

1.临床资料

招募23例健康成人志愿者，10 名男性，13 名女性，年龄范围25 ～34岁，平均年龄（28.60±2.95）岁。本研究得到本单位伦理委员会批准，参与研究之前，获得参与者的书面知情同意。纳入标准：①认知正常；②无神经功能及精神障碍；③无颅脑器质性病变。排除标准：①有MRI 检查禁忌者；②有明显运动伪影的受试者。

2.检查方法

所有扫描均采用GE Discovery MR750 3.0T（美国，GE 公司）超导磁共振扫描仪，使用8 通道相控阵头线圈。所有健康受试者均在同一台机器上进行两次重复扫描，间隔时间6 ～30天（平均17天）。头部用海绵泡沫固定，每次成像先获取颅脑常规序列，包括T1WI、T2 FLAIR、DWI、3D-T1薄层扫描，用以排除颅脑器质性病变和作为解剖结构、位置的参考。然后采用单次激发自旋回波-平面回波序列（SE-EPI）分别进行15个和30个扩散梯度方向的DKI 扫描，扫描参数统一为：TR/TE=8000ms/92.4ms， 扫 描 野250mm×250mm，矩阵100×100，层厚2.5mm，层间距0mm，激励次数=1，启用3个扩散梯度场（b=0、1250、2500s/mm2），图像采集时间分别为4 分30 秒，8 分32 秒。

3.图像分析

将获得的DKI 图像导入FSL 软件进行预处理，包括头动、涡流矫正，去除颅骨。预处理后的DKI图像经DKE 软件进行重建，生成FA、MD、MK 参数图。使用SPM8 软件将DKI 参数图和3D-T1 图像进行匹配，之后对3D-T1 图像进行分割和标准化，标准化后的像素大小=3mm×3mm×3mm，然后将参数图写入3D-T1 标准化空间矩阵，并进行平滑(高斯核大小6mm)。最后在MATLAB 软件中，使用自动解剖模板（automated anatomical labeling，AAL）和MRIcron软件中的约翰霍普斯金大学（Johns Hopkins University，JHU）白质纤维束图谱，将大脑灰质和白质区域分别划分为90 和48个ROI，提取这些ROI 的FA、MD、MK 参数值。AAL 模板包含90个大脑灰质ROI，均为左右半球对称，JHU 白质图谱包含48个ROI，其中6个ROI(胼胝体的体部、膝部、压部和小脑中脚、脑桥小脑束、穹窿)是单侧的，其余42个白质ROI 左右对称；本文计算大脑半球对称ROI 的平均测量值，最终得到45个灰质和27个白质ROI 的DKI 参数值，用于后续统计分析。

4.统计分析

利用SPSS 16.0 统计软件进行数据处理和统计学分析，计量资料以均数±标准差表示。分别采用组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）和变异系数（coefficient of variation，CV）衡量DKI 参数值的可重复性。ICC 有多种计算模型，本研究采用绝对一致且单一度量的双向随机模型评估测量值之间的绝对一致性。CV 是受试者组内测量值的标准偏差除以平均值的百分比。参照MRI 生物测量标准[7-8]，要求参数指标CV ≤10%，且当ICC＜0.20 为重复性较差，0.21 ～0.40 为重复性一般，0.41 ～0.60 为重复性中等，0.61 ～0.80 为重复性较好，0.81 ～1.0 为重复性非常好。所有数据采用Kolmogorov-Smirnov 正态性检验，证实数据为正态分布后，进一步采用配对样本t 检验，评估NGD 对DKI 参数值（2 次重复扫描的平均测量值进行比较）以及可重复性的影响，以P＜0.05 为差异有统计学意义。

结 果

1.DKI 参数值的可重复性

FA在灰质区域的重复性中等，15个和30个NGD 序列的平均ICC 和CV 值分别为0.549、0.573和3.028%、3.222%。白质区域的FA 可重复性非常好，15个和30个NGD 序列的平均ICC 和CV 值分别为0.825、0.884 和1.685%、1.462%，其中上额枕束、小脑下脚的ICC 值相对较低，15个NGD 序列ICC值分别0.628、0.687，30个NDG 序列ICC 值分别为0.743、0.777。

MD 的可重复性非常好，15个和30个NGD 序列的灰质区域平均ICC 和CV 值分别为0.896、0.895和1.671%、1.676%，白质区域的平均ICC 和CV 值分别为0.884、0.887 和1.669%、1.670%，其中苍白球ICC 值最低，其在15个和30个NDG 序列的ICC值分别为0.586，0.434。

表1 不同NGD 序列之间的脑灰质和白质可重复性比较

MK 的可重复性较好，15个和30个NGD 序列的灰质区域的平均ICC 和CV 值分别为0.624、0.644和2.632%、2.575%，白质区域的平均ICC 和CV 值分别为0.694、0.717 和 2.098%、2.018%，白质区域中的大脑脚、胼胝体体部及灰质区域中的眶部额中下回、三角部额下回、颞极：颞中回等区域可重复性（ICC 均＜0.6）略低（脑灰白质ROI 的ICC 值分布图分别见图1、2 ）。

图1 45个脑灰质ROI 区域的FA(A)、MD(B)、MK（C）的ICC 值分布图。蓝色代表15个NGD 序列的ICC 值，红色代表30个NGD 序列的ICC 值。FA：各向异性分数；MD：平均弥散率；MK：平均扩散峰度；NGD：梯度方向数量；ICC：组内相关系数。

2.两种NGD 序列的DKI测量值及可重复性比较

在全脑灰白质ROI 中，与30个NGD 序列相比，15个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 测量值无明显差异（P＞0.05）；两个序列之间的MD 测量值差异无统计学意义（P＞0.05）。

两种NGD 序列的MD、MK 全脑灰白质ROI的ICC、CV 值差异无统计学意义（P＞0.05）。对于FA，在灰质区域的ICC、CV 值无显著性差异（P＞0.05），但在白质区域，较30个NGD 序列，15个NGD 序列的ICC 值减低(P＜0.05)，CV 值升高(P＜0.05)，提示30个NGD 序列脑白质的FA 可重复性较好(表1)。

图2 27个脑白质ROI 区域的FA(A)、MD(B)、MK（C）的ICC 值分布图。蓝色代表15个NGD 序列的ICC 值，红色代表30个NGD 序列的ICC 值。FA：各向异性分数；MD：平均弥散率；MK：平均扩散峰度；NGD：梯度方向数量；ICC：组内相关系数。

讨 论

可重复性对于科研结果评价至关重要。本文定量和系统地研究健康成人脑组织灰质和白质区域DKI参数图的可重复性，并评估NGD 对DKI 测量值和可重复性的影响。目前类似采用重复扫描测定的可重复性研究模型较少，以往大多局限于研究动物模型[9]或不同DKI 序列之间[10]的可重复性。

1.DKI 参数值的可重复性分析

本研究中，灰质区域的FA 可重复性低于白质区域，与之前的研究结果一致[7]。我们认为，相对于白质，皮质是扩散相对各向同性的组织构筑，拟合张量缺少一个大的主特征向量来指导局部扩散，所以FA 参数主要用于检查白质微观结构，而不适用于灰质区域的量化分析。脑白质FA 的可重复性非常好，本研究结果中FA 的ICC 值与以往Albi 等[11]在DTI 研究中报道的结果（ICC=0.87）相类似；个别脑区如小脑下脚、上额枕束的ICC 值相对较低，可能与ROI 体积较小引起图像配准过程的不完善和受部分容积效应的影响有关。因此，只要避免周围结构的污染，增加ROI 大小可以提高可重复性。

关于MD 参数值的可重复性，除了苍白球外，在其他的灰质和白质区域，两种成像方案的MD 可重复性较好或非常好。我们推测可能是由于脑组织中苍白球金属沉积量较高[12]，超顺磁性增加缩短T2 弛豫时间，导致信噪比降低，从而降低其可重复性。以往的DTI 研究中[5]，也发现MD 参数有很好的可重复性。

在灰质和白质区域MK 的可重复较好。与其他区域相比，靠近颅底的灰质区域（眶部额中下回、三角部额下回、颞极：颞中回）和具有高度方向的白质区域（胼胝体体部、大脑脚）可重复性较差（ICC 均＜0.6）。颅底区域容易受磁敏感伪影影响，而白质区域具有高度方向性，容易产生异常值[13]（表现为黑像素点或亮像素点），这些因素可能导致了较低的重复性。同时发现MK 的可重复性略低于MD、白质区域的FA，推测与低信噪比有关，因为相对于传统的DTI，DKI 随着扩散权重的增大，信噪比会迅速下降，噪声引入了显著的偏置，从而导致了MK 略低的可重复性，而传统的DTI 参数如FA、MD 主要是基于低b 值的数据，其信噪比较高，重复性受影响较小[14]。

2.NGD 对DKI 测量值和可重复性影响

以往的研究表明，NGD 对DTI 或DKI 测量值和可重复性的影响结果不一致，结论存在分歧[5-6]。本研究中，与30个NGD 序列相比，15个NGD 序列的大部分ROI 的FA 测量值升高，部分ROI 的MK 测量值降低；两个序列之间的MD 测量值差异无统计学意义。扩散方向数量对FA 的影响较为明显，其测量值的升高可能是由于随着NGD 的减少，信噪比降低，噪声会增加特征值，在计算与方向相关的FA 值中引入正偏置所致[15]。Chiang 等[9]在大鼠颅脑的DKI 成像中发现，相对于30个NGD 序列，6个NGD 序列提供了较高的FA 值和较低的MK 值，而MD 值无显著性差异，与当前研究结果相一致。我们发现，当梯度方向的数量从15 增加到30 时，可以显著改善白质区域的FA 可重复性，而对MD、MK 全脑灰白质的可重复性无显著性影响。Yokosawa 等[10]采用多个NGD 序列评估NGD 对DKI 参数图的影响，发现随着NGD 的增加，MK 的ICC 值略呈上升趋势，与本研究的结果不同。分析原因可能在于：第一，采用扫描方案模型不同，其采用的是一次扫描，而本研究是衡量两次重测扫描结果之间的一致性；第二，Yokosawa 等研究是采用全脑平均阈值方法，而本研究采用灰白质分割方法，深入细化脑解剖区域测量。

目前的研究存在一些局限性。首先，本研究为样本量较少的单中心研究，建议未来进行大规模的多站点的DKI 重复性研究。第二，本研究在健康志愿者中进行，尚不清楚结果是否适用于病理组织，未来的研究应该针对某种特定患者的DKI 参数进行可重复性研究。第三，一些脑区参数测量可能受到脑脊液的部分容积效应和颅底的磁敏感伪影的影响。

总之，在健康成人脑组织的DKI 成像研究中，全脑MD、MK 以及白质区域的FA 参数测量具有良好的可重复性，梯度方向数目的改变对DKI 参数测量值和可重复性有不同程度的影响。