中枢神经系统疾病MR扩散峰值成像李传亭教授

1、中枢神经系统疾病MR扩散峰值成像,扩散成像,布朗运动 影响因素：组织结构，生化特性，温度 外加使局部组织运动的因素 体素内不相干运动（IVIM) 扩散加权成像 扩散张量成像 高斯分布 扩散峰度成像：非高斯分布,扩散加权成像和扩散张量成像,假定生物组织内水分子的扩散呈高斯分 布，可提供沿扩散张量受限方向上的微结构信息 不同b值下扩散信号的衰减呈线性,3 3 tensor matrix with three eigenvectors oriented along the three principal axes of the diffusion ellipsoid,扩散加权成像,ADC (Appa

2、rent diffusion coefficient),两个不同b值计算出来 消除了 “T2 shine-through” 效应 单位为 (mm2/sec) 肿瘤细胞结构 “Tumor cellularity” Cellularity Diffusion restriction ADC,ADC,扩散张量成像,水分子在组织中的自由进动 表现为: 正常，受限和增加 各向异性anisotropic和各向同性isotropic,扩散张量成像,DWI 三个方向 DTI, 至少6个方向 显示主要的神经纤维束,MD (Mean diffusivity): 平均扩散率 FA (Fractional Aniso

3、tropy) (0-1): 各向异性系数,Courtesy Prof A Rossi, Genoa, Italy,Courtesy Prof A Rossi, Genoa, Italy,扩散峰度成像Diffusion kurtosis imaging,DKI技术最早于2005年由纽约大学Jensen教授提出 探查非高斯分布的水分子扩散特性的方法，反映组织微观结构的变化 当b1000 s/mm2，水分子扩散信号的衰减开始偏离线性，呈非高斯分布 理论上DKI模型最大b值至少需大于2000 s/mm2。 DKI能同时推导出扩散系数和峰度系数，可定量分析水分子扩散受限情况和组织复杂度,DKI,DKI指

4、标,平均峰度(mean kurtosis, MK)，表示沿所有扩散方向的扩散峰度平均值，反映水分子扩散受限的程度 径向峰度(radial kurtosis,RK)是MK的垂直分量，为非零的扩散受限，其扩散受限主要在径向方向 峰度各向异性(kurtosis anisotropy, KA)指为测量组织不均匀度的各向异性指数，在某种程度上类似于FA,DKI,DKI至少施加15个扩散敏感梯度场方向 数据采集需要收集多b值沿着不同扩散方向的DWI图像,至少三个,3 3 3 3 tensor matrix representsa more complex spatial distribution,DKI临

5、床应用：脑肿瘤,胶质瘤的分级：MK值随胶质瘤级别的增高而增大，而各向异性分数(fractional anisotropy, FA)值无明显改变，平均扩散率(mean diffusivity, MD)值在两者中并无显著差异 DKI 能够显示胶质瘤组织微观结构的变化，可以帮助区分胶质瘤的分级,脑胶质瘤： MK升高,Radiology2012 May;263(2):492-501,脑胶质瘤,compared with the conventional diffusion metrics, the kurtosis metrics were more promising imaging markers

6、 in distinguishing high-grade from low-grade gliomas and distinguishing among grade II, III and IV gliomas; the kurtosis metrics also showed great potential in the prediction of Ki-67 expression.,Jiang R ,et al.Oncotarget 2015,MK,MD,FA,DKI参数在鉴别胶质瘤分级,Jiang R ,et al. Oncotarget 2015,脑损伤的早期诊断,白质异常情况：急性

7、脑损伤后，发生细胞肿胀(细胞毒性水肿)、细胞外间隙减小等一系列改变，表现为MD值减小和/或FA值升高； 而在慢性脑损伤后，随着细胞膜的裂解、细胞凋亡，血管源性水肿，导致细胞外间隙增宽，MD值增加和/或FA值降低 灰质的扩散分布被认为主要是各向同性的，对其不敏感,DWI脑损伤,脑损伤的诊断大鼠模型,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 MK无论在急性还是亚急性期都有着明显变化,DKI技术对于神经胶质细胞反应性增生的 相关微结构的改变十分敏感 这是单独应用DTI技术所探测不到的,脑外伤：40岁，外伤2天,Extremely high degrees of MK may i

8、ndicate formation of glial scars around lesions (yellow arrows),急性缺血性脑卒中,MD与MK不匹配的区域可能为轻度受损，随再灌注的进程有恢复的可能性 MD和MK图像显示受损范围随灌注的进行而始终一致的区域则受损较为严重 DKI能为判断急性脑卒中缺血损伤区域提供较为精准的信息,Stroke2012 Nov;43(11):2968-73,急性缺血性卒中,NMR Biomed2016 Feb 26,脑积水,脑积水患者大部分脑区各扩散峰值参数显著减低，脑积水越重胼胝体扩散峰值减低越明显mean diffusivity (MD),radia

9、l diffusivity (RD), axial diffusivity (AD), fractional anisotropy (FA), mean kurtosis (MK), radial kurtosis (RK) and axial kurtosis (AK),Magnetic Resonance Imaging 33 (2015) 531536,脑积水患者脑室周围纤维束的变化,帕金森氏病,DKI检测PD患者的脑白质的变化比传统DTI更敏感。 DKI有助于评估交叉纤维 DKI可以提高疾病进展的监测DKI,Radiology 2011 Oct;261(1):210-7,PD 病人与正

10、常人比较 A FA 减低（蓝） B MK减低（红）,脑灰白质的年龄性退变,MK与扩散系数结合可以更全面地描述微观结构成分和年龄相关的变化 结合适当的模型,它有助于神经生物学变化的解释,Neurobiol Aging 2014 Oct;35(10):2203-16.,脑发育,所有脑白质区均显示有Fractional anisotropy 和 mean kurtosis 年龄相关性增高 Mean kurtosis 更能反映脑灰质的成熟特性 Fractional anisotropy 较mean kurtosis更有助于评价脑白质和脑灰质年龄相关性微结构变化,AJNR Am J Neuroradio

11、l 2014 35(4):808,FA,MK,MK,FA,脊髓多发性硬化,扩散峰度成像对脊髓MS的脊髓病变特征，正常形态的脊髓白质和受损的灰质损伤可以提供一个更全面的描述 扩散峰度成像可以对DTI显示的脊髓病理改变提供额外互补的信息,AJNR 2013 34(9):1846-52,脊髓创伤,Neuroimage Clin2016 Jan,颈椎病脊髓病变,颈椎病是常见的脊柱退行性疾病，脊髓的压迫可以导致不同类型和不同程度的运动和功能障碍. 扩散峰值成像(DKI) 较扩散张量成像DTI更有利于评价神经组织的微观结构和病理改变. 扩散峰值成像(DKI)在脊髓病变的应用文献报道较少.,颈椎病脊髓病变的

12、DKI,21例颈椎病患者 DKI 成像参数: repetition time/echo time, 3000/91ms;number of excitations, 2; slice thickness/gap, 4/0 mm; number of slices, 17; field of view, 230 230 mm; spatial resolution，1.31.34.0; three b-values (0, 1000, and 2000 s/mm2) with diffusion encoding in 20 directions for each b-value. 测量受累脊髓

13、和周围未受累脊髓的fractional anisotropy (FA), apparent diffusion coefficient (ADC), and mean diffusional kurtosis (MK),颈椎病脊髓病变的DKI,In all patients MK was significantly lower in normal appearing spinal cord near affected cervical spinal cords than in normal cervical spinal cords (0.701 0.183 vs. 0.936 0.157,

14、P 0.05). The affected cervical spinal cords had lower MK (0.610 0.162), FA and ADC than normal cervical spinal cords (p0.01),RESULTS,MALE 33Ys,TSE T2WI SAG,TSE T1WI SAG,TSE FS-T2WI,RESULTS,ADC,DWI,FA,RESULTS,Color -FA,MK,RESULTS,F ,42 YEARS Cervical spondylosis, C3-4 intervertebral disc protrusion,TSE T2WI SAG,TSE T2WI SAG,FFE SPIR TRA,RESULTS,DWI,FA,Color FA,RESULTS,MK,MF fused T2WI,RESULTS,M ,40 YEARS