定量研究人脑投射纤维扩散张量成像与年龄的关系

李翠宁 刘怀军 耿左军 贾林 池琛 崔彩霞 黄勃源

磁共振扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)属于广义脑功能成像范畴，是一种较复杂的扩散成像技术，临床对DTI的应用是对其后处理参数评价，最基本的后处理参数(以下简称参数)是分数各向异性(fractional anisotropy，FA)和平均扩散系数(mean diffusivity，MD)。本研究通过对健康人脑投射纤维FA、MD参数图的定量分析，进而研究这两种参数图与年龄的关系，有利于临床推广和利用DTI这一较新技术。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择2007年12月至2008年4月，健康右利手志愿者58例，年龄22～76岁，按年龄分为年轻组(≤40岁)30例，男16例，女14例;年龄24～38岁，平均年龄(28±4)岁;中老年组(＞40岁)28例，男15例，女13例;年龄41～76岁，平均年龄(56±9)岁;无中枢神经系统症状及体征，无心、肝、肾、内分泌等重要脏器疾病，无金属内置物，所有志愿者知情并签署同意书，且经我院伦理道德委员会讨论通过。2组志愿者的性别组成匹配。

1.2 设备及成像参数 应用GE signa 3.0T MRI仪，梯度场强度40 mT/m，梯度切换率 150 mT·m－1·ms－1，标准 8 通道头部正交线圈，仰卧位，头部置于线圈中央，用海绵垫固定志愿者头部;颅脑常规MRI包括轴位T1WI:TR/TE 530 ms/15 ms;T2 FLAIR:TR/TE/TI 1 000 ms/130 ms/2 400 ms;propeller T2包括轴位和矢状位:TR/TE 5 100 ms/120 ms，层厚6 mm，层间距1.2 mm，FOV 230 mm，采集矩阵为256×256。

DTI采用单次激发梯度脉冲自旋回波-回波平面成像(SSGSE-EPI)序列，轴位平行于前-后联合(AC-PC)连线，范围包括桥脑下部至半卵圆中心，层厚4 mm，层间距0 mm，共19层，扩散敏感梯度(MPG)方向数:21，TR/TE 5 000 ms/104 ms，FOV 24 cm ×24 cm，矩阵 256×256。b值 =0，1 000 s/mm2，扫描时间239 s。

1.3 数据处理及分析 所有图像数据传至ADW4.2工作站，由影像科主任医师及主治医师各一名对所有常规MRI阅片。应用工作站Functool软件，对DTI图像数据后处理，经EPI校正，设定重建范围，计算机自动计算，获得FA、MD两种参数图，均转化为灰度图，采用兴趣区(region of interest，ROI)的方法对FA图(参照彩色编码图)投射纤维以下6个部位定位:桥脑(皮质脊髓束)、大脑脚、内囊前肢、膝部、后肢、半卵圆中心，记录各部位左右侧的参数值。

1.4 统计学分析应用SPSS 17.0统计软件，计量资料以±s表示，对所有数据进行正态性检验及方差齐性检验，左右侧比较采用配对t检验，年龄组间比较采用两独立样本u检验，参数值与年龄的相关性行Pearson相关分析，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 常规MRI 中老年组与年轻组比较，常规MRI均显示不同程度的双侧侧脑室对称性扩大，脑沟变深，T2WI上豆状核信号减低，60岁以上老年人可见白质内点状T2WI高信号，侧脑室周围T1WI低信号T2WI高信号带，T2 FLAIR上最明显。

2.2 DTI参数图的特点 肉眼观察所有受试者投射纤维在DTI的两种参数图上左右对称，中老年人侧脑室增大，部分中老年人的FA图表现为脑室周围白质束变细。见图1。

图1 不同年龄FA图比较

2.3 DTI参数值与年龄的关系 (1)左右侧差异:年轻组FA值在桥脑左侧＞右侧，差异有统计学意义(t=2.714，P=0.011)，其余部位FA值及所有部位MD值左右侧差异无统计学意义(FA:t= －1.500～1.777，P=0.086 ～0.994;MD:t=－1.271 ～ －0.307，P=0.214 ～0.761)。中老年组:在所有部位的两种参数值左右侧差异无统计学意义(P＞0.05)。(2)DTI参数值与年龄的关系桥脑的投射纤维FA值与年龄呈负相关关系(r=－0.57，P=0.000)，其余部位FA值与年龄无相关关系(r= －0.214 ～0.124，P=0.107 ～0.972)。MD 值在半卵圆中心与年龄呈正相关关系(r=0.338，P=0.009)，其余部位MD值与年龄无相关关系(r=0.260～0.338，P=0.106～0.975)。FA、MD参数值随年龄的变化趋势明显的部位见图2。

图2 DTI参数值随年龄的变化趋势

3 讨论

DTI是20世纪90年代初中期发展起来的MRI新技术，通过检测组织中水分子扩散运动受限的方向和程度，可对水分子在三维立体空间的扩散能力进行测定，间接反映组织微观结构的变化;DTI的原始图像数量庞大，临床应用主要是对其后处理参数进行评价，包括各向同性参数和各向异性参数以及向量参数等，最常用的是分数各向异性FA和平均扩散系数MD。FA代表扩散张量的各向异性部分占整个扩散张量的比率，白质纤维聚集且走行一致的部位FA值高;MD代表体素或兴趣区内水分子的平均扩散能力，主要反映组织中自由水含量的变化。

由介绍扩散技术的早期文献，不难得出，DTI不仅具有弥散加权成像(DWI)的所有功能，而且还可提供组织的各向异性信息，FA和 MD两种参数提供了 DTI优于 DWI的基本信息［1，2］。在临床实践中，对患者来讲，DTI和 DWI的价格相同，如果参数设计合理，DTI不需要花费很长时间，应逐步推广加以充分利用。

人脑生理性老化表现为渐进性脑重量减少和脑动脉硬化，脑组织容积减少，白质中的有髓神经纤维髓鞘脱失，神经原皱缩，胶质细胞增生，细胞外间隙增大，锥体外系核团铁质沉积增多。研究表明，人脑的体积在19岁时达到最大，其后每10年人脑体积减少1.3% ～1.6%，灰质的体积随着年龄的增加逐渐缩小，白质的体积变化则很小，但60岁以后以每年2%的速度减少［3］。本研究中这种生理性老化在常规MRI上表现为，脑室、脑沟和脑池的弥漫均匀性扩大，侧脑室周围T1WI低信号T2WI高信号(T2FLAIR更明显)带，皮质下白质和基底节区点状和小片状T2WI高信号灶。这些表现在DTI参数图上可部分得到表现，如MD图显示脑室、脑沟和脑池扩大(MD值高表现为白色)，FA图显示脑室周围白质束变细。

投射纤维是联络大脑皮质与脑干、脊髓和小脑间的上下行白质纤维束，大部分经过内囊，其中皮质脊髓束和皮质核束组成锥体系，起始于额叶的运动区和运动前区，在半卵圆中心逐渐集中，通过放射冠走向内囊后肢，紧密排列后，进入大脑脚中部，向下皮质脊髓束单独下行，位于脑干的腹侧，本研究中桥脑的投射纤维兴趣区即设置在皮质脊髓束的走行区，在DTI的彩色张量图上显示为上下走行(蓝色)，前期研究显示，健康右利手年青人桥脑投射纤维(皮质脊髓束)的各向异性FA存在左侧优势，可能与研究对象均为右利手有关［3］;右利手者右侧肢体活动较左侧灵活而有力，解剖学研究也证实由于延髓椎体交叉的存在，支配右侧肢体的左侧皮质脊髓束比右侧粗大［4］。

本研究通过对不同年龄的右利手健康人脑投射纤维FA、MD的定量研究发现，年青人桥脑皮质脊髓束的FA值存在左侧优势，投射纤维在桥脑的FA值随着年龄的增加而降低，中老年人脑投射纤维的FA参数值双侧对称，不存在侧别差异，因此临床和科研中对人脑进行DTI定量评估时要考虑到年龄因素的影响。FA、MD随年龄的变化趋势与人脑的生理性老化有关，即有髓神经纤维的髓鞘脱失，神经细胞皱缩，细胞外间隙增大可导致扩散的方向性(各向异性)降低和平均扩散能力增加，表现为FA的降低和MD的升高，这在很多文献中都有详细论述。

DTI测量正常人大脑白质结构的研究较多，受扩散成像技术及研究对象的影响，不同的磁共振仪、成像参数、后处理软件，不同的年龄组成人群乃至左右利手，其结果会有一定的差异。

本研究的受试对象相对较少，未对受试者的头型进行严格控制。对两名相同体型和头型的女性受试者的观察，老年人脑白质的各向异性FA值的变化可无明显差异，但在脑室周围白质束，可观察到为白质束的变细，这在一定程度上证明，人脑白质的生理性老化，白质纤维束的体积变化可能要比各向异性值变化更明显。

1 Beaulieu C.The basis of anisotropic water diffusion in the nervous system-a technical review.NMR Biomed，2002，15:435-455.

2 Ulug AM.Monitoring brain development with quantitative diffusion tensor imaging.Developmental Science，2002，5:286-292.

3 李翠宁，刘怀军，贾林毅，等.健康右利手年轻人脑投射纤维各向异性研究.中国全科医学，2010，13:1501-1513.

4 White LE，Park HJ，Hulette C，et al.Structure of the human sensorimotor system.Ⅱ.lateral symmetry.Cereb Cortex，1997，7:31-47.