43-扩散峰度成像_DKI_在中枢神经系统的应用_曾丁巳

科研平台介绍：弥散峰度成像（DKI）背景：在上一期我们介绍了多b值弥散的体素不相干运动（IVIM）模型。

由于生物体内的组织结构复杂，包含多种组织成分，因此临床上常用的单e指数（mono-exponential）模型只能得到体素内的平均扩散系数，反映了扩散的一个总体情况。

为了获得更多的微观结构信息，出现了许多多b值弥散模型，从不同方面来揭示微观结构的弥散信息。

IVIM通过双e指数模型（bi-exponential）来计算得到快和慢两个弥散系数，能同时反映毛细血管灌注与组织弥散的信息。

本期我们将介绍另一个重要的多b值弥散模型：弥散峰度（DKI）模型。

DKI模型：DKI模型是有Jensen等人在2005年提出，其初始的目标是为了定量弥散偏离高斯分布的程度。

常规单e指数模型假设水分子弥散是不受阻碍的自由运动，如下图，水分子在随机运动的情况下其弥散运动位移满足高斯分布（Gaussiandistribution，即正态分布）。

而对于真实的生物组织，水分子的弥散实际上是在细胞间隙，细胞内运动，其运动必然不是自由运动，也因此真实的水分子弥散的运动位移是非高斯分布的。

水分子弥散的受周围环境的限制程度越大，体素内组织成分越混杂，弥散的非高斯性越显著。

本图为在不同弥散环境下的高斯与非高斯弥散位移分布。

图片源于文献（Andrew,2013）。

DKI模型的公式为Sb / S0 = exp(-b · D +1/6 · b2· D2· K)。

其中D为大家熟悉的表观弥散系数，K为弥散峰度（Kurtosis）系数，反映了弥散偏离高斯分布的程度，从而能反映组织结构的受限与组织成分混杂性的程度。

K= 0时弥散为高斯分布，K可以为任何值，但从多组分弥散模型的计算和经验上来看，K通常为非负值。

左图为峰度（kurtosis）对应的弥散位移概率分布。

右图弥散信号衰减曲线ln(S(b)/S(0))(蓝色圆圈),清楚显示衰减偏离线性弥散模型(绿线)，并且DKI模型能很好的拟合该曲线（黑线）。

磁共振扩散峰成像（DKI）技术在中枢神经系统的临床应用及研究进展作者：李双鑫鲍海华来源：《中西医结合心血管病电子杂志》2020年第30期【摘要】磁共振扩散峰度成像（diffusion kurtosis imaging， DKI）技术是一种采用非高斯水分子扩散运动原理的新型磁共振成像技术，可以更加敏感地反映组织微结构的复杂及特异程度，具有不使用对比剂、无创性等优点。

本文旨在就DKI技术的基本原理、在中枢神经系统的临床应用及研究进展予以综述。

【关键词】磁共振扩散峰成像;中枢神经系统;临床应用【中图分类号】R445 【文献标识码】A 【文章编号】ISSN.2095.6681.2020.30..011 DKI的基本原理及发展Jensen JH教授等人早在2005年就已经提出扩散峰度成像模型，以探测体内组织水分子扩散运动来提供组织的病理生理学改变和微观结构变化。

DKI技术是DWI和DTI技术的延伸和发展，与传统的DWI和DTI技术相比，DKI技术可以敏感地反映微结构的组织各向异性和组织异质性。

2 DKI的主要参数及意义DKI的参数包括峰度系数和扩散系数。

峰度系数包括：平均峰度（mean kurtosis，Kmean）、径向峰度（radial Kurtosis，Krad）、轴向峰度（axial kurtosis，Kax）;扩散系数包括：平均扩散系数（mean diffusivity，Dmean）、径向扩散系数（radial diffusivity ，Drad）、轴向扩散系数（axial diffusivity，Dax）及FA值。

再通过工作站对DWI图像进行分析测量得到ADC值。

2.1 平均峰度（Kmean）它是DKI最具代表性的参数，不依赖于组织的空间方向，因为它是多个b值且方向相同的扩散峰度平均值。

组织结构越复杂，非正态水分子扩散运动受限越显著，Kmean值就越大。

2.2 径向峰度（Krad）Krad值指垂直于主本征方向上的所有向量的扩散峰度平均值。

扩散峰度成像(DKI)在体部应用的研究进展周洋【摘要】扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)作为一种新兴的扩散磁共振技术,以非高斯分布模型为基础,相比传统弥散技术即弥散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)和扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI),对探测水分子在人体微环境内的扩散运动更加敏感,提供更丰富的扩散信息.DKI最初主要应用于中枢神经系统,近几年在体部应用方面也取得了初步结果.本文主要综述DKI 的原理及其在体部的应用现状和展望.【期刊名称】《复旦学报（医学版）》【年(卷),期】2018(045)006【总页数】6页(P911-915,920)【关键词】扩散峰度成像(DKI);非高斯扩散;峰度【作者】周洋【作者单位】上海市影像医学研究所上海 200032;复旦大学附属中山医院放射科上海 200032【正文语种】中文【中图分类】R445.2弥散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)和扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)是一种在临床已经广泛应用的、检测活体组织内水分子随机布朗运动的成像序列。

目前,DWI和DTI通过检测水分子的微观运动,提供细胞密度和细胞外基质的相关信息,主要运用于病变的检测及定性,特别是对于肿瘤的良恶性鉴别、恶性肿瘤分级和预后判断或预测都起着重要的作用[1]。

DWI和DTI假设水分子在随机运动情况下满足高斯分布,然而对于真实生物而言,水分子的弥散受到局部组织结构和病变区特殊细胞形态的影响,其运动必然是非高斯的,并且生物分子水平细胞微环境越复杂,水分子运动受到的限制越大,非高斯分布越明显[2]。

2005年Jensen等基于DTI技术上的延伸,提出了扩散峰成像(diffusion kurtosis imaging,DKI)技术[3]。

扩散加权成像（DWI ）是临床上广泛应用的扩散加权成像技术，但传统DWI 是以水分子高斯运动为基础的成像技术，与实际水分子运动不符。

由于生物组织中存在各向异性扩散的障碍，扩散过程中固有的各向异性需要得到考虑，从而出现了扩散张量成像（DTI ），引入二阶扩散张量，但DTI 依然解决不了纤维交叉时纤维走向问题。

针对这一特殊的运动状态，扩散峰度成像（DKI ）理论提出，并不断发展完善［1-2］。

DKI 是一种新兴的核磁共振成像方法，基于传统DWI 和DTI 技术延伸的相同类型的脉冲序列，通过在模型中拟合一个四阶峰度来弥补二阶张量的不足，更加准确地定量分析组织中水分子非正态扩散特性，来量化水分子非高斯扩散程度。

因此，DKI 能够更加敏感的反映复杂的组织微观结构，同时也可以反映疾病相应的病理生理改变，有利于疾病早期的精确诊断及临床对症治疗。

DKI 在扫描过程中通常需要高b 值，但随着b 值的增高，信噪比随之降低，图像质量变得不稳定，由于各研究机构在b 值的选择上缺乏统一的标准，如何在高信噪比和高b 值之间达到平衡也是目前面临的最主要问题，有待进一步研究探讨。

DKI 最早应用于中枢神经系统疾病，也是目前应用较为广泛和成熟的领域，本文结合近几年国内外研究现状，对其在脑损伤、脑梗死、脑退行性病变、脑肿瘤的临床应用以及未来前景等方面进行综述。

1DWI 原理及参数1.1基本原理磁共振扩散成像的物理基础是水分子自由扩散运Research progress of diffusion kurtosis imaging in central nervous system diseasesLI Qilin 1,YANG Liguang 1,WANG Ruru 1,ZHANG Jun 1,HOU Cong 1,LIU Xinjiang 1,21Department of Radiology,Affiliated Hospital of Binzhou Medical University,Binzhou 256603,China;2Department of Radiology,Shanghai Pudong Hospital (Pudong Hospital Affiliated to Fudan University),Shanghai 201399,China摘要：磁共振扩散峰度成像(DKI)是扩散张量成像(DTI)技术的延伸，其优势是可以量化组织内水分子非高斯扩散的特性，能够较扩散加权成像、DTI 技术提供更加真实、准确的组织微观结构信息。

磁共振扩散加权成像（DWI）基本原理及中枢神经系统应用综述到目前为止，磁共振扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)是能够在活体组织中进行水分子弥散测量的唯一方法。

DWI反映了水分子的微观扩散运动，是从细胞及分子水平研究疾病的病理生理状态的一种技术，可用于判断功能及定性诊断。

DWI主要用于脑缺血的早期诊断，近年来随着MR技术的飞速发展，DWI在中枢神经系统及全身各系统病变的应用日益广泛并受到重视。

1、DWI基本原理分子热能激发而使分子发生一种微观、随机的平移运动并相互碰撞，称为分子的热运动或布朗运动。

如果水分子的扩散运动不受任何约束，我们称为自由扩散。

事实上，生物组织内的水分子因受周围介质的约束，其扩散运动将受到不同程度的限制，称之为限制性扩散。

在人体中，脑脊液、尿液等水分子扩散运动所受到的限制相对小，被视为自由扩散，而一般组织中水分子的扩散运动则属于限制性扩散。

在人体组织中由于组织结构的不同，限制水分子扩散运动的阻碍物的排列和分布也不同，水分子的扩散运动在各方向上受到的限制可能是对称的，称为各向同性扩散；也可能是不对称的，称为各向异性扩散。

DWI技术就是检测人体组织内水分子的这种微观扩散运动的一种新型的MRI检查技术。

DWI是利用MRI对运动物质的敏感性，反映出移动状态的水所携带的质子在横向磁化产生的相位偏移。

当在DWI序列时，随着梯度强度的加大，增加局部磁场的非均匀性，使T2弛豫过程明显缩短，加大由弥散所导致的信号衰减程度，结果在图像上呈现低信号，信号的下降与ADC值的关系可用下面的公式表示：ADC=ln(S2/S1)/(b1-b2)，S2与S1是不同b值条件下弥散加权像的信号强度；b为弥散敏感系数，弥散加权的程度由b值来决定，b值越高产生的弥散梯度场越强，造成信号下降越大，对病灶显示越清晰。

通过结合至少两次以上的b 值可得到弥散加权图像。

DWI是平面回波成像(EPI)加自旋回波(SE)所产生的一种特殊T2加权图像，用于观察水分子的弥散过程，水分子弥散正常时，其图像显示为等信号，水分子弥散受限时DWI上就会出现异常高信号，EPI技术是目前公认的最快的空间信号采集成像方法，成像时间可达30ms，可以克服运动等伪影。

DKI的定义和原理和临床应用1. 定义Diffusion Kurtosis Imaging（DKI）是一种基于扩散加权成像的高级磁共振成像技术，它能够提供关于组织微结构的额外信息。

DKI通过对水分子在不同梯度方向上的扩散进行加权，可以获得比常规扩散加权成像更加精细的信息。

2. 原理DKI的原理基于扩散过程的非高斯性。

在正常情况下，水分子在组织中的扩散过程呈现高斯分布，即符合线性模型。

然而，在复杂组织结构中，例如神经纤维束交叉和沟通，水分子扩散会受到约束和限制，使得扩散过程呈现非高斯分布。

DKI通过使用非高斯分布参数Kurtosis（峰度）来量化非高斯性，并将这一参数应用到影像学上。

3. 临床应用3.1 癌症诊断DKI可以在癌症诊断中提供更全面的信息。

癌症组织的微结构通常与健康组织存在差异，通过DKI可以对癌症区域进行更准确的界定和识别。

此外，DKI还可以帮助评估癌症组织的侵袭性程度和治疗效果。

3.2 脑部疾病研究脑部疾病的研究中，DKI可用于探索脑部微结构的改变，例如白质损伤和神经退行性疾病。

通过观察扩散和非高斯性参数的变化，可以了解疾病的发展过程和影响。

3.3 神经系统疾病评估DKI可以用于神经系统疾病的评估，尤其是临床上涉及到神经轴突损伤的情况。

通过对非高斯性的定量测量，可以更详细地了解神经系统的病理变化，并提供治疗选择的依据。

3.4 神经发育研究DKI对神经发育研究也具有重要意义。

儿童和青少年的大脑发育过程中，DKI可以帮助观察神经纤维束的形成和连接变化，以及评估大脑发育的健康状况。

3.5 脑卒中管理在脑卒中的管理中，DKI可以提供更准确的病灶定位和评估。

通过对非高斯性参数的测量，可以检测到微小梗死灶和缺血区域，为脑卒中的治疗提供指导和评估。

3.6 神经精神疾病研究DKI可以应用于神经精神疾病的研究中，例如抑郁症和精神分裂症。

通过对非高斯性参数的测量，可以探索神经病理变化和疾病机制，为疾病的早期诊断和治疗提供参考。

医学影像学杂志2020年第30卷第11期J Med Imaging Vol.30No.112020扩散峰度成像在肾脏疾病中的研究进展曹金凤1综述，何兵林祥涛2审校1.山东省淄博市中心医院影像科山东淄博255036；2.山东第一医科大学附属省立医院医学影像科山东济南250021$摘要】扩散峰度成像(DKI)是一种以反映体内水分子非高斯分布扩散运动状态的功能磁共振新技术，与传统的扩散加权成像(DWI)及扩散张量成像(DTI)相比，能更准确地反映组织内水分子扩散的真实情况，从而提供生物体组织结构内更准确、更复杂的信息。

DKI最初主要应用于中枢神经系统,近年来在肾脏的应用也取得了初步成果。

本文主要综述DKI的基本原理及在肾脏疾病中的临床应用。

$关键词】肾脏疾病;磁共振成像;扩散峰度成像中图分类号：R692&R445.2文献标识码:A文章编号：10062011(2020)112110中3Research progress of diffusion kurtosis imaging in kidney lesionsCAO Jipeog1,HE Bing,LIN XiangtaO1.Department og Radiology,Zibo Central Hospital,Zibo255036,P.R.China2. Department g Medical Radiology,Shandoog Proincial Hospital OffiPahP to Shandong First MePical University,Joan250021,P.R.China,Abstract]Diffusion kurtosis imaging(DKI)is a new funcPonai magnetic resonance technipue that can reXect the non-Gaussi-an distribution and diffusion of water molecules in the pared with diffusion weighted imaging(DWI)and diffusion ten­sor imaging(DTI),DKI can reXect the true situation of water molecule diffusion in tissues and provide more accurate and com-p/x information in the t issue s/uctum of organism.DKI was o/gindly used in the central nervous system.In mcent years,the peeeomonaeyeesuetsaboutappeocatoon ooDKIon kodneyhaeebeen obtaoned.ThosaetoceemaoneyeeeoewsthebasocpeoncopeesooDKI and otsceonocaeappeocatoon on kodneyeesoons.,Key worls]Kidneg lesions；Magnetic resonance imaging；Diffusion kurtosis imaging随着MRI技术的迅速发展，扩散加权成像(diffusio weoghted omagong,DWI)扩量成像(do o usoon tensoeoma-ging,DTI)技术已比较成熟，但DWIDTI的理论前提是组织内水分子扩散呈高斯分布，实际上生物体内水分子的扩散因受到各种因素的影响呈非高斯分布⑴，所以DWI、DTI具有一定的局限性(扩散峰度成像(diffusio kurtosis imaging, DKI)模型是DTI技术上的延伸，是一种反映体内水分子非高斯分布扩散运动状态的功能磁共振新技术，能更准确地反映组水分子扩的实情况,而生物组结更准确、更复杂的信息⑵(DKI最初应用于中枢神经系统,近年来在腹部的应用逐渐增多，主要集中在前列腺⑶、肝脏 等⑷的研究，在肾脏的应用仍处于探索阶段。