《Human Brain Mapping》：Reproducibility and Reliability of Free-Water-Corrected Diffusion Tensor Imaging of the Brain: Revisited
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本文通过回顾与扩展Albi等人(2017)的研究，系统评估了自由水校正扩散张量成像（FW-corrected DTI）在健康人脑白质中的可重复性、可靠性与可分离性。研究采用多种校正方案（包括单壳与多壳数据），分析了三个公开测试-重测数据库（内部扫描仪、纵向内部扫描仪和跨扫描仪场景），并对比了三种自由水体积分数（FWVF）估计与FW校正DTI参数的计算方法。研究发现，单壳FW校正可能无法提升DTI参数（如分数各向异性FA和平均扩散率MD）的可重复性，且FW-corrected MD在多壳方案中可重复性与可靠性降低；而组合校正方案（先通过多壳数据估计FWVF再校正DTI）可在保持一定可分离性的同时改善可重复性。该研究为临床实践中选择最优FW校正DTI方案提供了变异性-可靠性-可分离性权衡依据。
引言
扩散加权磁共振成像（DWI）是一种成熟的无创活体水分子随机运动探测技术，尤其适用于脑组织研究。扩散张量成像（DTI）通过一组定量参数（如分数各向异性FA和平均扩散率MD）总结水扩散过程。自由水校正DTI通过双张量模型将受限扩散（高斯型）与各向同性组分（代表脑脊液和细胞外间隙的自由水扩散）分离。这种校正可提高DTI参数的专一性，并已在多种临床场景中应用（如认知评估、神经退行性疾病建模、脑老化研究）。然而，单壳自由水校正方法是否准确捕捉白质扩散特性的真实变化仍存在争议，而多壳校正方案在脑年龄预测等方面展现出优势。尽管自由水校正DTI已有广泛应用，但其可重复性与可靠性尚未得到充分研究。本文重新审视Albi等人(2017)的结论，探究不同自由水校正DTI方案在不同数据采集场景下的表现。
材料与方法
研究结合合成数据与三个公开活体数据库（MICRA、Magdeburg、ZJU），涵盖单扫描仪内、单扫描仪纵向和跨扫描仪场景。数据处理包括去噪、Gibbs伪影校正、Rician偏置校正、畸变校正、头动校正等。自由水校正DTI基于双组分模型：包括受限扩散张量和自由水单指数衰减。研究采用三种估计方法：（1）单壳变分法（Bi-tensor-S），（2）多壳区域收缩法（Bi-tensor-M），（3）球面均值技术（SM）结合校正后DTI估计的自定义方案（FW-DTI）。DTI标准参数（FA、MD、轴向扩散率AD、径向扩散率RD）均在单壳和多壳数据中计算。评价指标包括变异性（变异系数CoV）、可靠性（基于组内与组间方差）和可分离性（衡量参数区分个体差异的能力），并采用扩散核密度估计（DiffKDE）进行密度图分析。
实验结果
合成数据实验表明，自定义FW-DTI方案在多壳数据中MD和FA的估计偏差小于Bi-tensor-M，而单壳Bi-tensor-S的FW-corrected MD趋于组织先验值（0.7 × 10?3mm2/s），呈现“扁平化”现象。活体数据中，所有自由水校正方案均导致白质区域FA升高，MD、AD、RD降低。变异性图显示，自由水体积分数（FWVF）的变异系数显著高于所有DTI相关参数；Bi-tensor-M估计的FWVF变异性最高。对于DTI参数，FA在白质区域变异性较低，MD、AD、RD在灰白质间较为均匀。多壳Bi-tensor-S在MD校正后变异性极低，但可靠性与可分离性差。密度图分析进一步揭示，自由水校正并未显著提升DTI参数的可重复性；Bi-tensor-M反而导致MD/AD/RD变异性增加。可靠性方面，自由水校正MD（无论采用何种方法）与FWVF本身均为可靠性最低的参数，而标准DTI的FA、AD、RD可靠性相对较高。可分离性分析显示，FWVF是可分离性最高的参数，自由水校正RD也具有较高可分离性，而自由水校正MD可分离性最低。
讨论
本研究对Albi等人(2017)提出的“单壳自由水校正可提升DTI参数可重复性”的结论进行了重新检验。结果表明，该结论可能具有数据与方法依赖性，并不适用于多壳校正方案。事实上，多壳Bi-tensor-M方法因优化自由度增加，导致可重复性与可靠性较标准DTI下降。值得关注的是，单壳Bi-tensor-S估计的自由水校正MD参数存在严重“扁平化”，本质上趋近于预设的组织先验值，而非反映真实生物学变异，因此其看似优异的可重复性并不可靠。相比之下，组合校正方案（FW-DTI）在维持参数可分离性的同时，能够改善可重复性，且对可靠性影响较小。总体而言，自由水校正DTI的价值不应仅在于追求可重复性的“提升”，更在于其能够揭示标准DTI所掩盖的组织微观结构信息。然而，校正方法的选择需谨慎，以避免损害DTI参数的准确性、可靠性与可重复性。
结论
本文系统评估了自由水校正DTI在健康人脑中的变异性、可靠性与可分离性。研究表明，选择自由水校正方案时，不应仅关注可重复性，还需综合考量可靠性和可分离性。单壳校正方法的表现具有数据依赖性，且其校正后的MD参数可能失去解剖学意义。多壳区域收缩法会降低参数的可靠性与可重复性。作为一种平衡方案，建议采用组合校正策略：即通过多壳数据独立估计FWVF，对扩散加权信号进行自由水校正，再使用标准DTI流程估计参数。该方法能在不显著牺牲可靠性的前提下，改善自由水校正DTI参数的可重复性，并为临床研究中选择基于变异性-可靠性-可分离性准则的最优方案提供指导。
