DTI‑ALPS基本原理及其实现方法

1、算法背景

2、算法原理

3、算法实现

4、临床应用

1. 算法背景

在既往的动物实验中，可以通过鞘内注射示踪剂来研究类淋巴系统的活动。然而，由于注射钆造影剂(gadolinium-based contrast medium, GBCM) 对人是侵入性的。因此，在2017年，Toshiakia首次提出无创评估个体类淋巴系统活性的方法：DTI-ALPS (Diffusion tensor image analysis along the perivascular space)，并发表在Japanese Journal of Radiology中。

图1 DTI-ALPS原理文献

2. 算法原理

DTI-ALPS方法主要使用弥散张量法测量的水分子扩散率，来评估水分子在血管周围间隙（perivascular space, PVS）方向上的运动。

图像采集

建议b值选择: ；方向数按照常规DTI数据采集设置即可。

原理示意

图2 DTI-ALPS原理示意图

如图2所示，在侧脑室体部所在层面，髓静脉走向垂直于脑室壁（图2b中箭头）。在该位置附近，PVS的方向与髓静脉走向相同，沿左右（x轴）方向延伸（图2d）。在该方向上，依次分布以下三种纤维束：

● 投射（Projection）纤维主要在头足（z轴）方向上延伸，主要邻近于侧脑室。

●** 联络（Association）**纤维的上纵束（SLFs）主要沿前后（y轴）方向延伸，在投射纤维外部。

● 皮层下（Subcortical）纤维主要在皮层下区域沿左右方向延伸（x轴），在SLF之外。

当沿左右（x轴）方向发生组织学变化时，它将同样影响投射纤维和联络纤维。考虑到PVS内水分子扩散主要沿着x轴方向，因此当在这两个纤维束上同时观察到沿x轴方向的水分子扩散 和变化时，便可认为这种变化至少部分来自PVS的变化。此外，我们用垂直于纤维束主要扩散方向和PVS方向的扩散系数（投射纤维在y方向扩散系数 和联络纤维在z方向扩散系数 来衡量其它组织变化对水分子扩散的影响。综上所述，我们可以使用**投射纤维和联络纤维沿x轴的水分子扩散率 **和 与垂直于它们主方向的水分子扩散率 和 之间的差异来评估PVS内的水分子的扩散行为。

ALPS指数

其中 为投射纤维区域沿x方向的水分子扩散系数； 为联络纤维区域沿x方向的水分子扩散系数； 为投射纤维区域沿y方向的水分子扩散系数； 为投射纤维区域沿z方向的水分子扩散系数。

ALPS指数表示沿PVS方向水扩散能力，反映个体患者的类淋巴系统活性：较小的ALPS指数在某种程度上可以反映类淋巴系统的损害。

3. 算法实现

1. 数据预处理与DTI模型拟合

2. ROI勾画

打开DTI拟合后的FA_RGB图，在侧脑室体部附近进行ROI勾画

● 可以选择直径为5mm的圆形区域绘制ROI

● 保证同一层面的投射区域、联络区域、皮层下区域（可不勾画）的ROI在同一条水平线上

● 连续勾画三层ROI（参考文献 :根据SWI图像，找到三层图像，图像中包含垂直于脑室的，并在这三层进行勾画）

图3 DTI拟合结果-FA_RGB图

3. 统计并计算ALPS index

统计${filename}_DTI_tensor.nii.gz图像上ROI区域内的平均值并代入ALPS index计算即可（${filename}_DTI_tensor.nii.gz 包含6个 volume，其中第1、4、6分别代表x, y, z方向的扩散系数D）。

4. 临床应用

4.1 DTI-ALPS在阿尔兹海默病(AD)中的应用

主要研究结论:（对于 的数据集）

图4 在投射、联络和皮层下区域不同方向扩散率与MMSE评分相关性

图5 ALPS 指数与MMSE评分相关性

● 在投射区域，沿PVS方向（x轴）的扩散率与MMSE得分之间存在显著正相关，而沿投射纤维方向（z轴）显示与MMSE得分显著负相关，前后方向（y轴）的扩散率与MMSE评分没有相关性。

● 在联络区域，沿PVS（x轴）的扩散率与MMSE得分之间存在显著正相关，而沿联络纤维（y轴）扩散率显示与MMSE得分显著负相关。头足方向（z轴）上的扩散率与MMSE得分没有相关性。

● 在皮层下区域，三个方向的扩散率与MMSE评分之间未发现统计学上的显著相关性。

● ALPS-index 与MMSE得分之间存在显著正相关。

4.2 DTI-ALPS在帕金森疾病(PD)中的应用** **** **

主要研究结论：

图6 PDN、PD-MCI、PDD患者组(a)、早期PD和晚期PD患者组(b)与健康对照组ALPS指数的定量分析

图7 NC和PD组(a)和PD亚组(b)中ALPS指数、血浆DNA和认知功能之间的相关性

● 沿PVS的弥散率较低，表现为较低的ALPS指数，提示PD患者的类淋巴系统受损。与NC相比，PD-MCI和PDD患者组的ALPS指数明显较低，PD亚组间无显著差异（图6a）。与早期PD和晚期PD亚组相比，NC组也显示出明显更高的ALPS指数评分，早期和晚期PD亚组之间无显著差异（图6b）。ALPS指数可能是PD不同阶段，特征性脑类淋巴系统改变的主要标志。

● 较低的ALPS指数与较高的疾病严重程度和较低的MMSE和CASI评分相关。沿PVS的弥散度、MMSE、CASI评分与疾病严重程度之间存在显著相关性，表明水弥散度受损确实与PD严重程度相关。各组中ALPS指数与核DNA水平、线粒体DNA水平呈显著负相关，与MMSE、CASI呈显著正相关（图7a）。在PD亚组中，ALPS指数与UPDRS II、UPDRS III、UPDRS总分呈负相关（图7b）。

● 与NC、PDN和PD-MCI组相比，PDD组血浆核DNA水平较高；NC、PDN和PD-MCI组之间没有发现显著差异。血浆核DNA水平升高与ALPS指数降低之间的联系揭示，PD患者可能表现出氧化应激增加，可能与神经元损伤或死亡相关，从而导致广泛的类淋巴系统微观结构变化，这些变化通过DTI可见。在PD认知能力下降和严重疾病阶段，ALPS指数的改变与系统性氧化应激有关，系统性氧化应激在PVS的扩散中起着重要的致病作用。

备注：

Minimum Mental State Examination （MMSE）-简易精神状态检查表

Cognitive Ability Screening Instrument (CASI)

Unified Parkinson’s Disease Rating Scale (UPDRS)

Parkinson’s disease (PD)- 帕金森病

PD with normal cognition (PDN) -PD，认知正常

PD with mild cognitive impairment (PD-MCI)- 伴有轻度认知障碍的PD

PD with dementia (PDD)-伴有痴呆的PD

▎参考文献：

[1] Taoka, T., Masutani, Y., Kawai, H. et al. Evaluation of glymphatic system activity with the diffusion MR technique: diffusion tensor image analysis along the perivascular space (DTI-ALPS) in Alzheimer’s disease cases. Jpn J Radiol 35, 172–178 (2017). https://doi.org/10.1007/s11604-017-0617-z

[2] Chen HL, Chen PC, Lu CH, et al. Associations among Cognitive Functions, Plasma DNA, and Diffusion Tensor Image along the Perivascular Space (DTI-ALPS) in Patients with Parkinson's Disease. Oxid Med Cell Longev. 2021 Feb 16;2021:4034509. DOI: 10.1155/2021/4034509.

[3] M. F. Folstein, S. E. Folstein, and P. R. McHugh, ““Mini-mental state”. A practical method for grading the cognitive state of patients for the clinician,” Journal of Psychiatric Research, vol. 12, no. 3, pp. 189–198, 1975.

[4] E. L. Teng, K. Hasegawa, A. Homma et al., “The Cognitive Abilities Screening Instrument (CASI): a practical test for cross-cultural epidemiological studies of dementia,” International Psychogeriatrics, vol. 6, no. 1, pp. 45–58, 1994.