扩散峰度成像在颈髓的应用及与年龄相关性研究

李道伟，王晓明

扩散峰度成像在颈髓的应用及与年龄相关性研究

李道伟，王晓明*

目的 探讨正常成人的脊髓扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging， DKI）序列扩散参数值变化规律及其与年龄的相关性，为定量诊断脊髓疾病提供参考。材料与方法 选取2015年8月至2016年3月中国医科大学附属盛京医院患者36例，按年龄分组后，采用3.0 T MR进行DKI序列扫描，分别测定颈髓灰质和白质各向异性分数（fractional anisotropy， FA）、平均弥散系数（mean diffusivity， MD）、平均弥散峰度（mean kurtosis， MK）参数值。比较各间盘层面FA、MD及MK参数值差异性、变化趋势及各参数与年龄相关性。结果 颈髓头尾方向DKI参数总体趋势为：MD逐渐增高，FA和MK逐渐减低。C2-3层面FA-灰质（gray matter， GW）和MD-白质（white matter， WM）与其他层面存在显著性差异（F=10.01，P＜0.05；F=16.94，P＜0.05），C6-7层面MK-GM和MD-GM亦与其他层面存在显著性差异（F=10.11，P＜0.05；F=10.01，P＜0.05）。FA-WM年龄呈负相关（r=-0.507，P＜0.05）；MK-GM和MK-WM年龄呈正相关（r=0.436，P＜0.01；r=0.249，P＜0.05）；FA-WM和MK-GM各年龄组间存在显著性差异（P＜0.05）。结论 DKI能反映健康成人的脊髓灰、白质微观结构的改变，其参数值变化与年龄存在相关性，MK可能是反映神经系统复杂微观结构和损伤改变的高度敏感指标。

脊髓；磁共振成像；扩散峰度成像；年龄

脊髓由大量神经元、胶质细胞及血管等组织构成，其结构在发育过程中会随年龄增长出现不同程度的退化［1-2］。扩散张量成像（diffusion tensor imaging， DTI）虽然可以从微观上评估组织结构特性［3］，但对神经纤维较多且结构复杂的区域反映不够准确（如灰质）［4］。所以需要一种既能显示纤维束空间方向性又能反映其结构复杂性的影像学手段，来如实反映脊髓微观结构改变。

近年来出现的扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging， DKI）技术是以研究水分子受限状态下扩散的特性为基础的成像方法［5］，比DTI更真实地反映组织结构中水分子扩散受限的不均质性［6-7］。从而能更准确地评估脊髓灰质神经元、白质纤维素等微观结构及其损伤和再生修复的动态过程［8］。DKI在脊髓的应用研究国内外报道较少，本研究旨在探讨正常人颈髓DKI序列参数值变化规律及其与年龄相关性。

1 材料与方法

1.1 研究对象

选取2015年8月至2016年3月中国医科大学附属盛京医院36例成年志愿者（≥18岁），对其进行常规颈髓磁共振检查和DKI序列检查。其中男20例，女16例，年龄18～65岁，平均46岁。按年龄分为3组：30岁及以下为青年组（12例），31～50岁为中年组（12例）， 51岁及以上为老年组（12例）。入选标准：以往无中枢神经系统疾患和其他影响中枢神经系统的全身性疾患病史。常规MRI扫描图像质量满意，且颈髓形态和信号无异常者。检查前均签署知情同意书。

1.2 仪器设备及参数

使用GE 3.0 T超导型磁共振成像仪（GE Medical System， Healthcare Discovery MR750 MRI， USA），选用头颈联合线圈进行磁共振扫描。采取快速扰相梯度回波序列（fast spoiled gradient echo， FSPGR）进行定位扫描，最上层面达中脑水平，最下达胸1椎体水平。使用快速自旋回波技术序列（fast spin echo， FSE）行矢状面及横轴面T2WI扫描，反转恢复序列（fluid attenuated inversion recovery， FLAIR）行矢状面T1WI扫描，平面回波序列（echo-planar imaging， EPI）进行DKI扫描。

常规扫描：矢状位T1WI：TR=2100 ms，TE=2.8 ms；T2WI：TR=2500 ms，TE=124.8 ms；层厚6 mm，层间距0，FOV 240 mm，矩阵为256×256。横轴位T2WI：TR=3861 ms，TE=127.7 ms；层厚3 mm，FOV 200 mm，矩阵为512×512。DKI扫描：扩散加权系数（b值）分别为0、1000、2000 s/mm2，扩散敏感梯度取25个不同方向。TR=3600 ms，TE=108 ms，层厚3 mm，层间距0，FOV 200 mm，矩阵为512×512，共6个间盘层；采集时间约7 min。

1.3 数据处理及图像分析

数据全部存储在GE工作站内，ADW 4.6（Advantage Workstation；Sun Microsystems， Santa Clara， Calif），使用软件（Functool 9.4.05a software，GE Healthcare）进行DKI数据处理。依据常规正中矢状位T2WI来定位颈髓轴位C1～7间盘层面，每一个层面分别获得弥散各向异性分数（fractional anisotropy， FA）、平均弥散系数（mean diffusivity，MD）、平均弥散峰度（mean kurtosis， MK）参数图，并测量各参数值，同时生成伪彩图。图像评价由两位高年资的影像专家分别完成，并达成一致意见。采用设置感兴趣区（region of interest， ROI）法进行DKI参数值测定，分别将4个相同大小的ROI（面积3.4 mm2，约3个像素大小），放置于脊髓的双侧前角灰质（gray matter， GW）和侧索白质（white matter，WM），每个ROI重复测量3次，取平均值。

1.4 统计分析

2 结果

所选志愿者均获得满意的常规颈髓MRI图像及DKI图像。颈髓各间盘层面FA、MD及MK参数图及伪彩图见图1。伪彩图显示：FA为均匀的红色信号，MD为较均匀的淡绿色信号，MK为较均匀的淡红色信号。颈髓各层面DKI不同参数测量值见表1，不同层面参数值变化趋势见图2。从C1～2至C6～7间盘水平，GM和WM的DKI总体趋势为：MD逐渐增高，FA和MK逐渐减低。C2～3层面FA-GM和MD-WM与其他层面存在显著性差异（F=10.01，P＜0.05；F=16.94，P＜0.05），C6～7层面MK-GM和MD-GM亦与其他层面存在显著性差异（F=10.11，P＜0.05；F=10.01，P＜0.05），其他各参数在各节段层面无显著性差异（P＜0.05）。

图1 男，35岁，颈2-3间盘水平脊髓。A为轴位T2WI图，B～D为FA、MD、MK参数图，E～G为图B～D的伪彩图Fig.1 Male， 35 years old， Spinal on C2-3. A is T2WI axis image， B—D is the FA，MD， MK parameters image after scanning，E—G is pseudo color map of fgure B—D.

图2 颈段脊髓DKI不同参数值在各间盘层面变化趋势图Fig.2 Cervical spinal cord DKI different parameter values in every dish of level changes between the trends of average fgure

颈髓FA、MD及MK各年龄组参数值与年龄相关性见图3、表2，FA-WM年龄呈负相关（r=-0.507，P＜0.05），MK-GM和MK-WM年龄呈正相关（r=0.436，P＜0.01；r=0.249，P＜0.05）。

FA-WM和MK-GM在青年组、中年组、老年组间均有统计学意义（表2，P＜0.05），MK-WM在青年组与老年组、青年组与中年组间有统计学意义（表2，P＜0.05），而在中年组与老年组间无统计学意义。FA-GM相关性无统计学意义（P＜0.05），但均有随年龄增长而减少的趋势；MD-GW及MD-WM值与年龄的相关性无统计学意义（P＜0.05），但均有随年龄增长而增加的趋势。

3 讨论

3.1 DKI脊髓应用基本原理及技术

Jensen［8］于2005年首次提出DKI技术理论，该技术在非高斯模式（non-Gaussian diffusion model）测定水分子扩散运动的程度，比扩散加权成像（diffusion weighted imaging， DWI）和DTI更能准确反映水分子扩散的受限程度［6-8］，同时还能得到DTI相关参数，如表观扩散系数（apparent diffusion coefficient， ADC）、FA等［8-9］。而脊髓DKI技术能更好地反映更丰富的组织内水分子非正态分布特征，尤其是在灰质比DTI成像能显示更多的微观改变［7-8］。有研究显示［9］，使用3.0 T MR进行脊髓DKI扫描时，至少需要3个不同的b值和15个梯度方向（motion probing gradient， MPG）（30个MPG最佳）。本研究DKI序列采用了3个b值25个方向，得到了满意的颈髓DKI图像，与Hori等人［6］研究结构相一致。本研究扫描时间约7 min，低于Wheeler-Kingshott等［9］30 min的扫描时间，更易在临床得到推广。

3.2 DKI在正常人颈髓的应用

脊髓白质主要结构为纵行的神经纤维，其粗细差异很大，多数是有髓神经纤维，主要起传导作用。灰质主要由神经元的胞体构成，前角内大多是躯体运动神经元，胞体大小不等，其轴突较粗细不均，且走行方向比较复杂［1，10］。Raz等［11］认为DKI比DTI能够更全面地描述脊髓内正常结构及病变特征。因为DKI能敏感地反映脊髓轴突退变和脱髓鞘以及再髓鞘化过程中水分子扩散各向异性的改变，尤其是对灰质不均质性方面有明显优势［5，12］。

表1 正常人C1-C6椎间隙水平DKI参数测量值Tab.1 The volunteers in different segments of DKI parameter mean value

表1 正常人C1-C6椎间隙水平DKI参数测量值Tab.1 The volunteers in different segments of DKI parameter mean value

Note：※： P＜0.05.

Level of spina cord　GM WM FA　MD　MK　FA　MD　MK C1-2　0.633±0.112　1.043±0.176　0.863±0.167　0.580±0.156　1.096±0.389　0.675±0.218 C2-3　0.591±0.132※　1.092±0.178　0.802±0.113　0.583±0.144　1.189±0.404※　0.734±0.196 C3-4　0.671±0.121　1.174±0.173　0.674±0.233　0.673±0.110　1.238±0.297　0.624±0.250 C4-5　0.533±0.200　1.092±0.258　0.643±0.285　0.578±0.130　1.180±0.281　0.573±0.315 C5-6　0.617±0.124　1.093±0.258　0.702±0.303　0.568±0.130　1.297±0.342　0.590±0.303 C6-7　0.558±0.124　1.137±0.393※　0.617±0.333※　0.483±0.140　1.556±0.587　0.703±0.217

表2 健康志愿者各年龄组间颈部脊髓不同部位DKI参数值比较Tab.2 Each age group of the volunteers in different of the cervical spinal DKI parameter values

表2 健康志愿者各年龄组间颈部脊髓不同部位DKI参数值比较Tab.2 Each age group of the volunteers in different of the cervical spinal DKI parameter values

Note： P value for comparison between groups， P1value for comparison between young and middle-aged group， P2value for comparison between the young and the elderly group， P3value for comparison between middle-aged and elderly group.

Group　GM WM FA　MD　MK　FA　MD　MK Young group　0.613±0.260　1.136±0.210　0.665±0.249　0.645±0.333　1.208±0.401　0.737±0.295 Middle-aged group　0.652±0.087　1.048±0.182　0.570±0.113　0.750±0.247　1.177±0.240　0.674±0.317 Elderly group　0.589±0.121　1.114±0.199　0.610±0.142　0.785±0.200　1.307±0.275　0.572±0.265 F value　1.046　2.575　1.760　1.627　2.212　2.950 P 0.355　0.081　0.021　0.002　0.115　0.003 P1　0.484　0.161　0.013　0.004　0.052　0.018 P2　0.537　0.157　0.006　0.000　0.058　0.018 P3　0.194　0.080　0.017　0.001　0.527　0.073

图3 A～F分别为DKI不同参数值随年龄变化的散点图。FA-GM和FA-WM随年龄有下降趋势，且有相关性；MK-GM和MK-WM随年龄有增加趋势，且有相关性Fig.3 A—F are scatter diagram for different DKI parameter values change along with the age， respectively. FA-GM and FA-WM decline with age， MKGM and MK-WM tendency to increase with age.

本研究结果显示C2～3层面FA-GM和MD-WM与其他层面存在显著性差异（F=10.01，P＜0.05；F=16.94，P＜0.05），C6-7层面MK-GM和MD-GM亦与其他层面存在显著性差异（F=10.11，P＜0.05；F=10.01，P＜0.05），FA最大值在C2～3， MK最大值在C6～7，其他灰白质各参数在不同层面未见显著差异性。Wheeler-Kingshott 等［9］提出FA值随着脊髓位置而变化与本研究结果相一致，在C2～3水平达到最大值（图1，表1）且越向尾侧FA值越低（图1A、B）。由于灰质密度在不同部位下降速率也不尽相同，有研究显示白质和灰质的MK峰值会逐步减少［13］。本研究结果MK最大值在C1～2（MK-GM）、C2～3（MK-WM），且不同层面变化趋势性不明显，可能是受测量误差及年龄因素的影响［11］。

对于脊髓微观结构的改变与年龄的相关性，有研究［11］认为FA值与年龄负相关，与本研究结果相一致。可能与脊髓轴突、髓鞘变性退化时含水量减少，纤维方向性发生改变和结构复杂程度也随之减低有关。另有文献表明［7］，脊髓不同间盘水平的扩散值不完全一致，并且随着年龄的增加，但并未把脊髓白质和灰质分开评估。而本研究将脊髓灰质和白质分别进行测量，结果显示FA-GM和FA-WM年龄呈负相关（r=-0.507，P＜0.05），MK-GM和MK-WM年龄呈正相关（r=0.436，P＜0.01；r=0.249，P＜0.05）；虽然FA-GM也有随年龄增长而减少的趋势，但没有统计学意义。除原来可能的测量误差外，还可能是由于脊髓灰质本身结构相对复杂，纤维交叉成分较多造成。

MK是目前DKI技术最常用的参数，代表组织沿空间各方向弥散峰度的平均值，值越大表明弥散受限越严重［8］。Falangola等［10］认为不同的年龄阶段表现的MK值也不同，MK值与年龄之间有着明显的关联。可能是神经组织发育过程中，不同层面的白质和灰质比例与数量变化有关。本研究结果显示MK-GM和MK-WM年龄呈正相关（r=0.436，P＜0.01；r=0.249，P＜0.05），可能是由于随年龄增长，脊髓内水分子弥散受限程度会逐渐增加。MK-WM在青年组与老年组、青年组与中年组间有统计学意义（P＜0.05），而在中年组与老年组间无统计学意义。可能由于中年组变化幅度小于老年组，或样本量较少及测量误差所致，下一步将深入研究。

MK-GM年龄呈正相关强于MK-WM（图3），可能是由于MK对灰质复杂结构的敏感性高于纵行纤维的白质，但尚需加大样本量进一步研究。所以在对于脊髓白质和灰质的分析，需充分考虑年龄因素和脊髓不同节段DKI参数差异。虽然DKI在脊髓灰质方面的研究还比较少，但至少说明对于脊髓灰质损伤后的改变，其参数值会发生变化。

4 局限性

DKI技术虽然是在非高斯基础上研究水分子的扩散情况［3-6］，但还并没达到理想状态下测量水分子所有方向扩散的程度，描述水分子的扩散还不够全面［8］。

本研究所选取的样本量相对较少，均为成年人，且年龄跨度相对较窄，需增加样本量进一步研究。ROI选取方法也可能存在误差，拟进一步优化。

年龄及性别因素：随着社会发展，现在人们生活习惯发生改变，颈椎病的发生趋向年轻化，DKI参数与年龄相关趋势变化有待于进一步研究。有研究显示［14］，性别和扩散指标之间显著相关性，但有文献报道，DKI参数值与性别未见明显相关性。下一步研究将充分考虑性别因素［7］，并期待衡量DKI的客观标准出现［7，11］。

综上所述，DKI技术能反映出健康成人脊髓灰、白质微观结构的变化规律［11］，其参数值变化与年龄存在相关性，MK可能是反映神经系统复杂微观结构和损伤改变的高度敏感的指标，将为判断脊髓损伤程度及评估预后方面提供很大帮助。

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The study of correlation between diffusion kurtosis imaging on cervical spinal cord and age in healthy

LI Dao-wei， WANG Xiao-ming*
Department of Radiology， Sheng jing Hospital， China Medical University， Shenyang 110004， China
*

ACKNOWLEDGMENTS This work was part of Shengjing free researchers fund （No. 2008-02）.

Objective： To explore the change rule of the normal adult spinal cord diffusion kurtosis imaging （DKI） parameter values and its correlation with age， provide a reference for the quantitative diagnosis of spinal diseases. Materials and Methods：Gather 36 healthy adult volunteers with their age range from 18 to 65， Sheng jing Hospital， China Medical University， between August in 2015 and March in 2016. After divide into groups by age， carry out DKI sequence scanning on them and determine FA，MD and MK parameter values with MRI software ADW 4.6. Compare the differences of FA， MD and MK parameter value in different segments of intervertebral disc， and the correlation between above value and age change. Results： With the moving down of anatomic segment， the MD increased gradually， FA and MK gradually reduced. C2-3 level FA-GM and MD-WM with other level exists significant difference （F=10.01，P＜0.05； F=16.94， P＜0.05）， the C6-7 level MK-GM and MD-GM also exists signifcant difference with other level （F=10.11， P＜0.05； F=10.01， P＜0.05）. FA-WM negatively correlated with age （r=0.507， P＜0.05）； MK-GM and MK-WM age were positively correlated （r=0.436， P＜0.01 and r=0.249， P＜0.05）. FA-WM and MK-GM exists significant difference in different groups（P＜0.05）. Conclusion： DKI is capable of refect changes of the microstructure in healthy adult spinal cord grey and white matter，and correlation between age. MK may be the highly sensitive indexes to refect nervous system complex microstructure and change after damage.

Spinal cord； Magnetic resonance imaging； Diffusion kurtosis imaging；Age

盛京自由研究者基金（编号：2008-02）

中国医科大学附属盛京医院放射科，沈阳 110004

王晓明，E-mail：wangxm024@163. com

2016-03-24

接受日期：2016-04-21

R445.2；R744

A

10.12015/issn.1674-8034.2016.08.006

李道伟，王晓明. 扩散峰度成像在颈髓的应用及与年龄相关性研究. 磁共振成像， 2016， 7（8）： 587-592.