1、磁共振新技术应用之二：弥散张量成像 DTI http:/ 广东三九脑科医院影像诊断中心 欧阳兵 时间：2010-03-30 编辑： 韩雪媚 阅读： 2146 摘要 :磁共振扩散张量成像 (MR-DTI)技术是近年来在 MR-DWI 基础上发展起来的成像及后处理技术 ,它利用组织中水分子的自由热运动的各向异性的原理 ,探测组织的微观结构 ,达到研究人体功能的目的。目前 ,DTI 是唯一可在活体显示脑白质纤维束的无创性成像方法。 一、原理简介 磁共振扩散张量成像 (MR-DTI)技术是近年来在 MR-DWI基础上发展起来的成像及后处理技术 ,它利用组织中水分子的自由热运动的各向异性的原理 ,探测组
2、织的微观结构 ,达到研究人体功能的目的。目前 ,DTI 是唯一可在活体显示脑白质纤维束的无创 性成像方法。 在自然条件下，质子的弥散很少受到限制，如蓝墨水滴在纯水中的弥散。这时的弥散速度在各个方向上是相等的，称为各向同性。然而，生物体中由于某些屏障的阻碍，如存在的半透性和可通透的细胞膜等，质子的随机运动受到限制，这样就形成了对弥散的限制。http:/ 人体组织中的长纤维的存在亦使得质子的弥散在各个方向上不完全相同，一般说来，沿着长纤维走行弥散的质子要明显快于垂直其方向 弥散的质子。这就是所谓的各向异性，从而引出弥散张量成像。 DTI 是在 DWI 基础上，在 6-55 个线性方向上施加射频脉冲
3、，多采用单次 SE-EPI 序列，每个方向上均使用相同的较大 b 值，计算各个方向上的弥散张量而成像。 用 DTI 示踪白质纤维的走行，其基本原理是通过一个主本征值，寻找一个与其接近的体素，将这些体素联系起来，达到显示白质纤维的目的。 二、 DTI 在中枢神经系统的临床应用 http:/ 1.正常脑白质纤维的显示 多数学者认为 DTI 能非常准确地显示主要的白质纤维束，与神经解剖学图谱的对照研究也显示了两者之间有良好的相关性。 Mamata 等研究证实 DTI 可获得一系列完整的正常脑白质纤维图像。可显示的纤维束包括：弓状束、上下纵行束、钩回束、视听辐射、前连合、胼胝体、锥体束、薄形束、楔形束
4、、内侧束、红核脊髓束、顶盖脊髓束、中盖束、三叉神经丘脑背侧束、上中下大脑脚、动眼和三叉神经根部纤维等。对于中枢神经系统发育性异常，如胼胝体发育不全等的显示也与以往的解剖学研究相似。 2.脑肿瘤 http:/ 脑肿瘤 是 DTI 的研究热点之一。肿瘤组织本身排列紊乱和其产生的占位效应致瘤体周围组织水肿及受压移位等，均可引起 ADC值和 FA值改变。 DTI通过测定肿瘤不同部位的参数变化有助于鉴别不同类型和级别的肿瘤。 DTI 可更精确地反映肿瘤与白质纤维束的位置关系，指导术前方案的制定，避免术中移位纤维的损伤，降低手术并发症，提高患者生活质量，并可观察术后纤维束变化，为评价疗效提供依据。 DTI
5、 与纤维束重建的重要性： （ 1）显示传导纤维的位置以及肿瘤之间的关系； （ 2）传导纤维的改变与临床神经症状之间的关系； （ 3）有利于设计手术进路以减少神经纤维的损伤； http:/ （ 4）有助于病人及其家人对手术风险进行评估； （ 5）神经纤维的完整性与术后神经功能改变之间的关系。http:/ 3.脑缺血性病变 DTI 可显示纤维束的迂曲、受压、变形，也可显示梗死区与纤维束的关系，如接近、穿行（部分、完全）、中断，对区分灰、白质病变的具体解剖部位，显示与纤维束的关系 以及判断临床预后具有较大意义。 4.多发性硬化 DTI 可以充分显示神经纤维脱髓鞘后扩散各向异性的异常，为临床诊断提供更
6、加充足的影像学信息。 DTI 将有助于 MS的诊断，同时还可对 MS 进行更准确的临床分期，对病情进展及转归进行预测及随访。 三、存在问题与研究展望 http:/ DTI 是目前惟一能无创绘制活体大脑白质神经纤维通路的方法 , 它能够从若干特征性参数变化反映中枢神经系统正常或异常改变 , 其在中枢神经系统中的应用得到越来越多的关注。但 DTI 也有其局限及不足之处，主要表现为以下方面：弥散梯度引起涡流，使纤维束方向确定不可靠；磁场不均匀性使图像扭曲变形，影响 DTI 定量分析；较小纤维束显示不佳或不能显示；受水肿等因素影响，受压与破坏不确切；只能作为病变诊断与鉴别诊断补充信息。随着技术方法的提
7、高，后处理软件的进展开发， DTI 必将在科研和临床中展示更多特殊的应用，其应用前景十分广阔。 弥散张量成像 开放分类： HOT 医学术语 应用科学 科学 编辑词条 分享 新知社 新浪微博 人人网 腾讯微博 移动说客 网易微博 开 心 001 天涯 MSN 弥散张量成像 (DTI)，是一种描述大脑结构的新方法，是核磁共振成像 (MRI)的特殊形式 。举例来说，如果说核磁共振成像是追踪水分子中的氢原子，那么弥散张量成像便是依据水分子移动方向制图。弥散张量成像图 (呈现方式与以前的图像不同 )可以揭示脑瘤如何影响神经细胞连接，引导医疗人员进行大脑手术。它还可以揭示同中风、多发性硬化症、精神分裂症、
8、阅读障碍有关的细微反常变化。 编辑摘要 目录 1 基本简介 2 弥散成像 3 特征值 4 数据参数 5 数据采集 弥散张量成像 - 基本简介 这张图便是医疗人员在研究精神 分裂症患者时，利用弥散张量成像技术制作出来的。 弥散（ diffusion）是指分子的随机不规则运动，是人体重要的生理活动，是体内的物质转运方式之一，又称 布朗运动 （ brownian motion）。弥散是一物理过程，其原始动力为分子所具有的热能。在溶液中，影响分子弥散的因素有：分子的重量、分子之间的相互作用（即粘滞性）和温度。 弥散是一个三维过程，分子沿空间某一方向弥散的距离相等或不相等，可以将弥散的方式分为两种：一种
9、是指在完全均匀的介质中，分子的运动由于没有障碍，向各个方向运动的距离是相等的，此种弥散方式称为各向同性（ isotropic）弥散，例如在纯水中水分子的弥散即为各向同性弥散，在人脑组织中， 脑脊液 及 大脑灰质 中水分子的弥散近似各向同性弥散。另一种弥散具有方向依赖性，在按一定方向排列的组织中，分子向各个方向弥散的距离不相等，则称为各向异性（ anisotropic）弥散。 弥散张量成像 - 弥散成像 弥散过程可以用弥散敏感梯度磁场来测量 在 磁共振 成像中组织的对比度不仅与每个像素内组织的 T1、 T2 弛 豫时间和质子密度有关，还与受检组织每个像素内水分子的弥散有关。 Hahn 于 195
10、6 年首次提出水分子弥散时对磁共振信号的影响。 弥散过程可以用弥散敏感梯度 磁场 来测量，在施加梯度磁场时水分子的随机运动可获得随机位移，导致重聚失相位，自旋回波信号衰减。 1965年， Stejskal 和 Tanner 设计出梯度磁场自旋回波技术，在自旋回波序列 180o 脉冲前后各施加一个弥散敏感梯度磁 场，以检测水分子的弥散情况。衡量弥散大小的数值称为弥散系数，用 D 表示，即一个水分子单位时间内自由随机弥散运动的平均范围，单位是 mm2/s。 D值越大，水分子弥散运动越强。可用公式 ln(S/S0)=-bD来描述。 D 为弥散系数， S和 S0分别为施加和未施加梯度磁场的信号强度。b
11、为弥散敏感系数， b=2G22( -/3) 。 旋磁比， G 梯度场强， 每个 梯度脉冲施加时间， 脉冲施加时 间间隔。 b 值为常数，由施加的梯度场强的参数来控制。 b 值越大对水分子的弥散运动越敏感，可引起较大的信号衰减。 在人体生理环境中 D 值受多种因素影响，所以常用表观弥散系数（ apparent diffusion coefficient， ADC）来衡量水分子在人体组织环境中的弥散运动，即把影响水分子运动的所有因素（随机和非随机）都叠加成一个观察值，反映弥散敏感梯度方向上的水分子位移强度。根据 Stejiskal-Tanner 公式， ADC=ln(S2/S1)/(b1-b2)
12、， S2与 S1 是不同 b 值条件下的信号强度。磁共振 DWI 即利用 ADC 值分布成像。 ADC 值越高，组织内水分子弥散运动越强，在DWI 图上表现为低信号，相反 ADC 值越低， DWI图上表现为高信号。 表观弥散系数 ADC 只代表弥散梯度磁场施加方向上水分子的弥散特点而不能完全、正确地评价不同组织各向异性的特点。 Higano 等在进行测定中风和脑肿瘤病人内囊和放射冠的弥散各向异性特点的研究时 ,将弥散梯度磁场分别施加在 X、 Y、 Z轴上。但是研究结果表明 ,三 个方向弥散加权成像计算出的组织各向异性程度往往被低估，测得的数值往往是旋转变量（即值随弥散方向及磁场内被检查病人的体
13、位和方向而改变），因为大部分的白质纤维通路常常倾斜于磁场坐标方向，所以单从一个或三个方向施加弥散梯度磁场不能正确评价具有不对称组织结构的各向异性特点。 弥散张量成像 - 特征值 准确的沿着纤维方向进行弥散各向异性评价需要弥散张量成像。于是，人们提出了 弥散张量 （ diffusion tensor）的概念。 “ 张量（ tensor） ” 一词来源于物理学和工程学领域，它是利用一组 3D 矢量来描述固体物质内的张力。弥散张量是由如下公式决定的： 这个张量是对称的 (Dxy =Dyx ， Dxz=Dzx ， Dyz=Dzy)。为了形象地表述弥散张量，我们可以进一步将弥散张量视为一个椭圆球体（ e
14、llipsoid）。本征值代表了沿弥散椭球最大和最小轴的弥散系数。弥散张量的三个本征值是最基本的旋转不变量 (即值不随 弥散方向及磁场内被检查病人的体位和方向而改变 )，它们是沿着三个坐标轴方向测量的主弥散系数。这三个坐标是组织固有的，每个本征值联系着一个主方向的本征向量，这个本征向量也是组织固有的。 弥散张量的三个本征向量相互垂直，并构建了每个像素的局部参照纤维框架。在每个体素中，本征值从大到小排列： 1= 最大弥散系数， 2= 中级弥散系数， 3= 最低弥散系数。1 代表平行于纤维方向的弥散系数， 2 和 3 代表横向弥散系数。 弥散张量成像 - 数据参数 用来分析 DTI 所得数据的参数
15、有三种： 用来分析 DTI 所得数据的参 数有三种 （ 1）、平均弥散率（ mean diffusivity MD），为了对组织某一体素或区域的弥散状况进行全面的评价，必须要消除各向异性弥散的影响，并用一不变的参数来表示，也就是说这一参数的变化不依赖于弥散的方向。在弥散张量的几个元素中，弥散张量轨迹（ the trace of the diffusion tensor）就是一个不变参数， Tr(D)=DXX+DYY+DZZ，平均弥散率 MD=1/3 Tr(D)=1/3（ DXX+DYY+DZZ）。 MD 反映分子整体的弥散水平（平均椭球的大小）和弥散阻力的整体情 况。 MD只表示弥散的大小，而
16、与弥散的方向无关。 MD 越大，组织内所含自由水分子则越多。 （ 2）、各向异性程度，反映分子在空间位移的程度，且与组织的方向有关。用来定量分析各向异性的参数很多，有各向异性分数（ fractional anisotropy， FA）、相对各向异性（ relative anisotropy ， RA）、容积比指数（ volume ratio ， VR）等。这些指数均是通过弥散张量的本征值 (即 1 、 2 和 3) 计算得出的。 FA ；部分各向异性指数，是水分子各向异性成分占整个弥散张量的比例 ，它的变化范围从 0 1。 0代表弥散不受限制，比如脑脊液的 FA 值接近 0；对于非常规则的具有
17、方向性的组织，其 FA值大于 0，例如 大脑白质 纤维 FA 值接近 1。 FA 值的计算公式如下： FA = 3(1 - )2 + （ 2 - ） 2 + （ 3 - ） 2 / 2 (12 +22 +32) =(1+2+3)/3 RA ：相对各向异性指数， 是弥散张量的各向异性部分与弥散张量各向同性部分的比值，它的变化范围从 0(各向同性弥散 )到 2( 无穷各向异性 )。 RA 的计算公式为： RA = (1 - ) 2 + （ 2 - ） 2 + （ 3 - ） 2 /3 VR ：容积比指数。是椭圆体与球体容积的比值。由于它的变化范围从 1(即各向同性弥散 )到 0，所以，临床上更倾向于应用 1/VR。 VR 的计算公式如下： VR=（ 123 ） / 3 （ 3）、弥散的主要方向（ the main direction of diffusivities），也即弥散张量椭圆球的主轴，反映的是组织结构的空间方向。 虽然反映各向异性的参数有很多，但目前临床上，应用较多的是 FA 值，其原因有：第一、由于 FA 图像可以提供较好的灰白质对比，易选择感兴趣区，使得所测量的 FA 值较准确；第二、 FA 值不随坐标系统旋转方向的改变而改变，且 FA 值是组织的物理特性，在同一对象不同时间、不同成像设备及不同对象间获得的数值具有可比性。
