基于扩散磁共振成像的大脑白质微结构检测研

基于扩散磁共振成像的大脑白质微结构检测研究进展

天津大学神经工程与康复实验室神经影像学小组

摘要：大脑白质由连接大脑灰质区域的神经纤维聚集而成，含白质纤维、神经轴突等多种细胞成分。白质纤维是大脑信息传递和编码的重要媒介，白质微结构检测对脑神经科学研究和中枢神经疾病诊断与治疗具有十分重要意义。利用组织中水分子扩散特性成像的扩散磁共振成像（diffusionmagneticresonanceimaging,dMRI）技术为组织微结构的无创在体检测提供了可能。本文首先介绍组织中水分子的扩散特性和基于dMRI的水分子扩散参数检测原理；然后重点综述近些年来基于dMRI技术在白质完整性、神经突密度和直径、白质纤维几何特征及走行等方面白质微结构检测的研究进展；最后简要讨论dMRI技术所存在问题并展望其未来发展，以期促进dMRI技术在白质微结构信息检测的研究与应用。

关键词：扩散磁共振成像；脑白质微结构；白质纤维；神经突密度

大脑白质（whitematter，又称髓质）指位于两侧大脑半球皮质和基底核之间区域的大脑组织，是由进出大脑半球和联络两侧半球的神经纤维聚集而成[1]。大脑剖面中的白质组织由大量髓磷脂（脂质）组成，在裸视观察下呈现白色，故称“白质”。白质不含胞体、只有神经纤维，其内部又有各种不同功能的神经束。故脑白质纤维是信息传递与编码的重要媒介，控制着神经元信号共享、协调脑区之间信息交流的正常运行，其发生病变或受到侵害将严重阻碍大脑认知功能发育或引起功能退化及病变。

大脑白质通常分为四种细胞成分：毛细血管床、神经胶质细胞、轴突、细胞外/轴突外基质；上述成分构成一种分层有序的组织：从轴突内的微管纤维到连接不同脑区的大型成簇的神经纤维，也造就了大脑白质的复杂微结构[2]；在大脑不同区域的脑白质会有结构的异质性，从而形成大脑多种多样的神经功能活动。图1是鼠胼胝体的局部电子显微图像[3]。尽管胼胝体被认为是最有序的白质结构之一，但从图1仍可看到明显的微结构异质性，如轴突大小不等、细胞外基质间隔不均、胶质细胞形状和大小不同等。对大脑白质微结构信息的检测不仅有助于理解大脑的生理机制，而且具有重要的临床应用价值。然而正是这种微结构异质性决定并影响着脑白质纤维参与大脑信息传递与编码的重要功能。

图1鼠胼胝体局部电子显微图像的白质微结构[3]

（1）大直径的轴突；（2）小直径的轴突；（3、4）神经胶质细胞。

从生物物理学的角度看，不同的白质组成成分和微观结构形态应有不同的物理性质。物理参数或特征如黏度、弹性、渗透率、密度以及扩散率都依赖于组织成分和结构形态。如，髓鞘数量会影响组织黏度；髓鞘缺失会使组织黏度、弹性和渗透性降低；随着组织内水容量的增加，组织的密度和黏度会发生改变。因此，组织微结构与其物理特性的密切关系可为通过脑白质微结构信息了解大脑神经功能提供科学依据。故脑白质微结构检测无论是对脑神经科学研究还是脑神经疾病诊断与治疗均为至关重要。

传统的组织微结构检测手段主要依靠组织形态学显微观察与测量，实验材料主要来源于尸体解剖及外科手术切除标本。其创伤性大、难于在活体上实施，更无法用于大脑灰、白质的微结构检测。现代医学成像技术则能提供活体内部组织解剖图象而无需手术且无创伤。磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）即是其中的佼佼者。常规MRI，如T1加权成像（T1-weightedimagingT1-WI）、T2加权成像（T2-weightedimagingT2-WI）等，可以得到清晰的大脑白质和灰质图象，但其分辨率为毫米量级，不能显示其中微观纤维结构和走行方向。

扩散磁共振成像（diffusionmagneticresonanceimaging，dMRI）技术是在常规磁共振成像（MRI）基础上发展起来的，它利用水分子扩散模式来显示组织微结构图象。其基本原理是通过施加不同参数的梯度脉冲来测量微米尺度的水分子扩散信息，从而给出关于细胞完整性和组织微结构信息[4]。dMRI为脑白质微结构研究提供了全新的无损活体检测手段，已成为脑成像研究领域常用的方法之一。自年LeBihan等人首先应用磁共振扩散加权成像（diffusionweightimaging，DWI）以来[5]，经过30多年的快速发展，dMRI由DWI发展到扩散张量成像（diffusiontensorimaging,DTI）[6]，再发展到扩散峭度成像（diffusionkurtosisimaging,DKI）[7]等一些新成像技术。这些成像技术的主要区别在于运用不同模型描述组织内水分子扩散方式，从高斯扩散发展到非高斯扩散，以及到更加复杂和接近组织微环境中水分子真实扩散模型，并向着探测更加精细组织微结构信息的方向快速发展着。这些dMRI方法主要包括临床普遍使用的扩散加权成像DWI，经典的扩散张量成像DTI及近年飞速发展的多种超越DTI的扩散峭度成像DKI，神经突方向分散度和密度成像（neuriteorientationdispersionanddensityimaging，NODDI）[8]，以及纤维跟踪新技术——高角度分辨扩散成像（highangularresolutiondiffusionimaging,HARDI）和扩散谱成像（diffusionspectrumimaging,DSI）等。

近年来dMRI技术已广泛应用于各种白质纤维微结构的检测研究中并有显著进展。例如，DKI通过量化组织中水分子的非高斯扩散行为以提取组织微结构信息，已应用于大脑皮层发育、神经退行性疾病研究[9、10]。DSI技术通过计算每个体素内的取向分布函数，再利用纤维跟踪技术可以得到更精细的纤维结构，解决纤维交叉、分叉的检测难题[11]。dMRI技术的不断发展不仅实现了非侵入的活体白质微结构检测，而且能够提供诸如白质完整性、神经突直径和密度、纤维取向分布函数等白质微结构信息。

鉴于dMRI技术在脑白质微结构检测的重要科学意义和研究价值，本文首先介绍组织中水分子的扩散特性和基于dMRI的水分子扩散参数检测原理；然后重点阐述基于dMRI技术在白质完整性、神经突密度和直径、白质纤维几何特征及走行等方面的白质微结构检测研究与进展；最后简要讨论dMRI技术所存在问题并展望其未来发展，以期促进dMRI技术在白质微结构信息检测的研究与应用。

1组织中水分子的扩散与测量

1.1组织中水分子的扩散特性

扩散是分子因热搅动所致的不规则随机运动（即布朗运动），可用运动的概率分布来描述。根据分子的扩散是否受到阻碍可将其分为自由扩散和限制性扩散两类[12]。其中，自由扩散的分子运动不受限制（多指在均匀介质中的扩散），运动概率服从高斯分布，扩散位移的平方与扩散时间呈线性关系。限制性扩散（亦称非高斯扩散）情况较为复杂，又可以分为两类：限制扩散和局部限制扩散。短时间内分子的扩散与自由扩散相似，随着时间延长，多数分子扩散到足够远时会遇到细胞膜而受阻，限制分子进一步运动。此时分子扩散与细胞膜的渗透性有关，若细胞膜无渗透性，分子会反射回来，不能向更远处扩散，导致扩散下降，即为限制扩散；若细胞膜有一定渗透性，则扩散距离会随扩散时间延长而有所增加，但两者不呈线性关系而是非线性关系，即为局部限制扩散。图2给出了不同扩散类型下水分子扩散位移函数（

X

2）与扩散时间（t）的关系[3]。在人体的脑脊液中，水分子扩散几乎不受限制，通常被视为自由扩散。在其它脑组织中，水分子通常限制在轴突或树突细胞膜包围的空间结构内，受到周围组织及其微结构（如细胞膜、细胞器、细胞内外的间隔等）的约束[13]，其扩散运动表现为限制性、非高斯模式。

图2生物组织中的水分子扩散位移函数与扩散时间的关系[3]

由于生物组织的结构不同，水分子扩散的受限制情况也不同。如果水分子在各个方向的扩散程度相同，则称为各向同性扩散，也称高斯扩散；如果水分子在各个方向上的扩散程度不同则称为各向异性扩散，也称非高斯扩散。在人体组织中，各向异性扩散普遍存在，其中最典型的是大脑白质纤维。扩散磁共振成像（dMRI）技术就是利用不同组织中水分子的扩散特性不同而成像的。图3定性地显示了dMRI技术检测到的大脑白质中水分子扩散的几种典型情况[14]。当无白质纤维时（图3-a），水分子在各个方向的扩散程度相同，表现为高斯分布；在一条白质纤维内（图3-b），水分子主要沿纤维方向扩散；在白质纤维交叉处（图3-c），水分子则会沿两条纤维方向扩散；最后在白质纤维束内（图3-d），dMRI图象显示水分子在各条纤维方向上的扩散情况相同，但是沿束径向的扩散速度发生变化，显示出纤维束的半径范围。图3-b～图3-d中，水分子的扩散都受到白质纤维的约束，偏离了无纤维时的高斯模型，表现为非高斯扩散[15、16]。在脑神经疾病状态下，白质纤维的结构会发生病理变化（例如，神经纤维束的髓鞘变性、轴突丢失等）。这些微结构变化会导致其中水分子扩散模式的改变。因此，大脑中水分子扩散模式及其参数变化可以作为脑白质微结构及其变化的检测依据。

图3dMRI技术检测到的脑白质中水分子扩散情况的示意图[14]

(a)无白质纤维；(b)一条白质纤维内；(c)白质纤维交叉处；(d)白质纤维束内

1.2基于dMRI的扩散参数检测

在生物组织磁共振成像时，水分子的扩散大小会影响磁共振信号强度，扩散磁共振成像技术就是利用这个特性来测量活体组织中水分子的扩散，从而显示组织的微结构信息。目前常规采用的成像技术是在已有的自旋回波（spinecho,SE）序列度重聚焦脉冲两侧对称的放置一对大小方向均相等的扩散敏感梯度脉冲，如图4所示。第一个脉冲引起质子自旋，当质子沿梯度场进行扩散运动时，其自旋频率将发生改变而失相位。在后一个脉冲使质子相位重聚时，由于在回波时间内相位分散不能完全重聚，进而导致信号下降。因此由于组织间的扩散系数不同而形成图像。

图4脉冲梯度自旋回波磁共振成像技术的原理图

设置不同dMRI脉冲序列参数和采集方案可获得不同的水分子扩散信息，其中最重要的参数为扩散敏感梯度方向和扩散敏感因子b值。扩散敏感梯度方向即为梯度脉冲方向，能够提供水分子扩散的方向信息；扩散敏感因子b值是水分子扩散过程对梯度磁场的敏感程度，表征了扩散磁共振信号对扩散的加权程度[17]。对于图4中的梯度脉冲自旋回波序列，b值的计算公式为：

(1)

式中γ是原子核的旋磁比，g为梯度磁场强度，它是由三个正交方向的梯度磁场合成的，δ是梯度磁场施加的时间，?表示两个梯度磁场间隔的时间。b值越高对水分子的随机扩散运动越敏感。然而，b值增高会降低图像的信噪比，而较小b值可得到质量较高的图像，但对水分子随机扩散运动的检测敏感度较低。因此，b值在磁共振成像中的选择十分重要。

为了描述成像体素内分子沿多方向空间扩散的复杂情况，有学者提出q空间的概念，以便将扩散信号衰减与分子的位移分布函数相联系[18]。q空间由大量采集所得扩散信号E(q)构成，其中q为扩散波矢，表达式为：

(2)

式中γ、δ和g参数意义与(1)式中相同。从(2)式可以看出，q空间包含了水分子扩散的方向信息和扩散运动能力b值信息，实际上，q空间的径向采集由b值决定。不同的q空间数据采样，将得到不同的水分子扩散信息。直观上，希望沿着所有的q方向采集扩散信号，如图5(a)，从而获得水分子位移分布函数的所有径向和角度信息。然而，由于采集时间过长，计算量相当大等原因，目前尚难用于活体检测，因此提出了几种简化的q空间数据采集方案[14]，如图5(b)-(e)，(b)为用于DTI的低角分辨率采样；(c)为高角分辨率采样；(d)是用于dMRI的径向采样；(e)为结合径向和角度的稀疏采样。

图5几种q空间数据采集方案示例，每一个点代表扩散波矢q[14]

(a)全采样；(b)低角分辨率采样；(c)高角分辨率采样；(d)径向采样；(e)径向和角度相结合稀疏采样

扩散信号的分析与q空间的采集方案有密切关系，因此形成了不同的扩散磁共振成像技术。例如，DTI技术应用的是低角分辨率采样方案，而HARDI采用的是高角分辨率采样等。实际采集和计算过程中使用的描述扩散序列的参数主要是扩散敏感因子b值，它能够影响磁共振信号对水分子扩散过程的加权程度，如低b值，扩散信号主要反映为灌注效应，表现为高斯分布；高b值，扩散信号逐渐反映为细胞内外的真实扩散且表现为非高斯。对于单个体素内只有一个纤维走向的情况，可以用高斯模型描述，而对于单个体素内有多个纤维交叉以及更复杂结构的情况，呈现的是非高斯扩散分布。同时，DWI图像采集时，对于同一b值，往往施加多个方向的扩散敏感梯度，以便进行高阶模型拟合，从而获得水分子扩散的三维信息以反映微结构。因此，多b值多方向的采集方案更有利于重建真实的扩散概率分布函数，得到更精细的组织结构信息。然而，为了能够适用于临床降低时间代价，采集合适的数量的梯度方向和b值数量是有必要的。

2脑白质微结构的检测

这些年来基于dMRI技术的大脑白质微结构检测研究已取得了长足进步并开始应用于脑神经疾病临床。其中主要体现在脑白质神经纤维完整性、神经细胞轴突密度与直径、神经纤维几何结构和空间走行等多个重要领域有显著进展。有关研究成果非常有利于加深理解大脑发育、老化及病变过程如何伴随着脑白质微结构的多方位、多层次渐进变化，对深入探讨相应的大脑神经生理、病理机制，推进神经科学和临床医学的发展有着重要的价值。

2.1白质纤维完整性

如前所述，白质由被髓鞘包覆着的神经轴突组成或由长树突集聚而成，其内部含有各种不同功能的神经纤维束，由此构成数百万条信息“沟通管线”，负责沟通不同脑区的灰质（神经元）、在神经元间传递动作电位。正常脑发育过程始于胚胎早期并持续到成年，其中妊娠后期至新生儿期脑发育速度最快，该阶段脑白质会发生髓鞘化的过程；人到约二十多岁成年时，白质才会在不同脑区逐渐发育完全，形成完整的白质纤维束结构。而白质纤维完整性即能反映大脑皮层发育、成熟程度，也可体现中枢神经老化、衰退或病变进程。换言之，高度完整的脑白质纤维构造在一定程度上为大脑高智商发展提供了神经生理学基本条件。另一方面，老年人大脑的正常老化会伴有轻度髓鞘脱损和轴突缺失发生，即引起年龄相关的认知衰减。此外，许多神经性和精神性疾病（如早老性痴呆、郁抑症、精神分裂症等）也与白质纤维完整性恶化有关。

相对于神经纤维微结构检测而言，脑白质纤维结构完整性研究是在较宏观层面上的定性或初步定量描述，其发展较早、模型方法稳定可靠、应用也较为广泛。所用主要工具为扩散张量成像（DTI）及其延伸技术扩散峭度成像（DKI）。

DTI技术于年Basser等人提出[19]，是最经典且应用最广泛的dMRI技术。DTI假设水分子扩散为高斯分布，利用扩散张量来描述组织内各个方向水分子的扩散程度，通过采集一个球体上均匀间隔的多个方向（至少6个）上的扩散信息来表示水分子的三维扩散过程[20]。在中枢神经系统中，水分子在灰质和脑脊液中的扩散近似各向同性，其张量表示为一个球体；而在白质纤维中，由于髓鞘的约束，扩散表现为高度各向异性，则张量表示为一个轴线分量比其它两个轴线分量大得多的椭球体，如图6(a)所示[3]。再通过提取扩散椭球相关的平均扩散系数MD（meandiffusivity）和各向异性分数FA（fractionalanisotropy）等参数，就可以定量显示大脑组织内白质结构信息。其中，FA是表征组织内水分子扩散各向异性程度的指标。对于病变的白质纤维，其结构异常引起水分子扩散性能变化，可由敏感的扩散张量参数变化来反映，如图6(b)[3]，图的右侧分别为正常白质结构和病变白质结构的显微图像，左侧为对应的沿着纤维方向的扩散椭球，正常的白质中髓鞘结构完好，对水分子有较强的束缚能力，因此扩散各向异性程度FA值较高，而病变的白质中有脱髓鞘病变过程，使得FA值降低，这是因为纤维脱髓鞘会减小对垂直纤维方向上水分子扩散的限制。近二十年间DTI技术已广泛用于白质发育、老化、病变等方面的研究，成功揭示了大脑在上述神经生理、病理发展过程中伴随的脑区白质纤维微结构变化[21-23]。例如，对大脑正常老化的研究发现，弓状纤维束、扣带回、下纵束、胼胝体等不同部位的FA值都随着年龄增长而降低，这与大脑老化过程中脱髓鞘过程相一致[23]；在对婴儿大脑的研究发现，在一些脑区FA值降低、MD值升高，与大脑发育过程中髓鞘化过程相符合[24]。另外，DTI与纤维跟踪技术相结合还成功描绘出脑白质纤维的走行和神经细胞间的连接，为探讨大脑神经生理、病理机制提供了结构性依据。

图6(a)大脑中不同部位的扩散椭球(CSF为脑脊液，Graymatter为灰质，Whitematter为白质)；(b)蛙的正常和病变的坐骨神经的电子纤维图及其对应的FA值[3]

尽管DTI技术在显示白质结构信息上取得了很大成功，但其结果会受到部分容积效应（同一体素中含灰质、白质或脑脊液等多种组织）、路径平均效应（同一体素中含多种纤维路径）和扩散非高斯分布等因素影响，而且对组织微结构特异性变化敏感度差（引起FA等参数变化的因素较多，但DTI尚难以确定其由何种微结构改变所导致）。因此需提出更复杂的扩散模型来更细致地定量描述水分子扩散特性。

如前所述，由于生物组织细胞成分的复杂性而导致其中水分子扩散特性会偏离高斯分布模型。因此，年Jensen提出了一种DTI的延伸技术——扩散峭度成像（DKI）[7]。DKI针对DTI的水分子扩散为高斯分布假设弱点，在考虑其扩散的非高斯分布特性基础上，建立了一种更为精确的扩散峭度模型，来拟合水分子的非高斯扩散行为，以便更好地反映组织结构的异质性、更完整地检测脑白质纤维的微结构信息。DKI中峭度（kurtosis）是表征水分子扩散偏离高斯分布程度的无量纲指标。扩散峭度值需要至少在15个不同方向上采集多个b值数据计算得到[25、26]。DKI运用DTI中的扩散张量结合其新提出的三维四阶峭度张量对水分子的限制性扩散过程进行更精确的描述。DKI中最常用参数为平均扩散峭度（meankurtosis，MK），表征水分子扩散偏离正常扩散的程度，是反映组织微结构复杂程度的指标[27、28]。与DTI相比，DKI技术在检测组织异质性扩散及组织微结构方面更为敏感且具有特异性[29、30]。有研究表明，与传统DTI参数（FA和MD）相比，DKI参数可以敏感检测出组织微结构变化、反映细胞内空间与细胞膜对水分子扩散的相互作用[31]。Yoshida等研究了多发性硬化症病人的DKI参数变化以检验DKI是否可以作为更敏感的疾病诊断指标，结果显示临床观察白质正常的病人与正常人对照组相比，病人白质的MK参数降低[16]。ElsFieremans和AndreanaBenitez等人分别研究了DKI对白质结构的微观建模及其在AD病理研究中的显著价值，充分说明DKI对于白质完整性的精确检测[32、33]。当然，DKI中检测参数指标与白质纤维微结构的关系及其生理机制还有待进一步深入研究。

2.2神经突密度与直径

神经突是指从神经细胞的胞体产生的任何突起，包括轴突和树突。神经突的形态学量化参数有突起直径、密度和方向分布。这些参数可为大脑功能相关的神经细胞结构基础研究和正常与疾病人群对照研究提供新的观察窗口及评价指标。例如，轴突直径大小和密度与其神经信号传递速度紧密相关[34]，通过测量树突直径和密度得到树突分支的复杂结构，并由此推测树突参与神经信息传递及运算的性能。突起的形态也是大脑发育和衰老的重要标志。例如，突起的取向分布与大脑发育相关，其取向分散度增加表明发育增长，而树突密度减少则预示大脑退化。另外，突起形态变化会涉及许多神经系统疾病，包括多发性硬化症、肌萎缩性侧索硬化症和阿尔茨海默症（早老性痴呆）等[35]。神经突起形态学参数的无损检测对研究大脑生理及病理机制具有重要价值。但传统依赖于尸检组织样品的神经突形态定量分析手段因样本获得困难、创伤性大，而不能广泛应用，更无法进行非常必要的神经突形态活体无创检测。目前只有依靠扩散磁共振成像（dMRI）技术才能实现。其检测基础源于不同微结构环境中水分子的扩散模式亦不同。虽然经典dMRI技术中DTI参数FA和MD已广泛用于测量正常大脑发育和老化或神经疾病发生和发展时脑白质纤维微结构变化，然而DTI参数对神经突起密度及突起取向分散度仍缺乏足够的特异性灵敏度。为此需发展能够更有效地区分组织成份的dMRI新方法，其关键仍是须开拓新的可用于所研究组织成份特殊微观结构中描述水分子特异扩散行为的生物物理模型。

上述方法是一类使用潜在组织结构模型来预测其中水分子扩散行为并用以区分组织成份的有效方法。所用最普遍的物理模型是含多种特定形式张量的扩散球棍模型（ball-and-stickmodel）[36、37]。该模型中自由扩散用各向同性均匀圆球表示，而轴突内特异扩散则用棍状模型表示。与DTI技术中扩散张量模型的扩散椭球不同，在球棍模型中，所有垂直于纤维方向上的扩散系数皆相同。

阻碍与限制复合扩散模型(the