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1、前言 实现活体观察组织结构的完整性和连通性 ，利于对各种疾病的引起的白质纤维束的 损害程度及范围的判断。 可用于显示脑白质内神经传导束的走行方 向，实现对人的中枢神经纤维精细成像。 磁共振弥散张量成像磁共振弥散张量成像 （diffusion tensor imaging, DTIdiffusion tensor imaging, DTI） DTI成像的基本原理 DWI的原理 组织T1、T2驰豫时间、 H1的密度、分子弥散运动 利用扩散敏感梯度脉冲将 水分子弥散效应扩大，来研究不同组织 中水分子扩散运动的差异 MRMR图像的信号图像的信号 DWIDWI图像图像 其方法就是在常规的MRI序列上施加
2、对弥散 敏感的梯度脉冲来获得 通过两个以上不同弥散敏感梯度值（ b值） 的弥散加权象，可计算出弥散敏感梯度方向上 水分子的表观弥散系数（apparent diffusion coefficient ADC） ADC=In(S低/S高)/(b高-b低) DWI评估弥散的参数 =& b=0 b=1000 ADC ADCADC反映了水分子的扩散运动的能力反映了水分子的扩散运动的能力, ,指水分指水分 子单位时间内扩散运动的范围，越高代表水分子单位时间内扩散运动的范围，越高代表水分 子扩散能力越强。子扩散能力越强。 正常组织 随机运动的水分子-低信号 细胞毒性水肿的组织 运动受限的水分子-高信号 A
3、B 组织内影响水分子弥散的因素 细胞内外的体积变化 水分子通过细胞膜的渗透作用 细胞外间隙形态的改变 然而DWI成像只在X、Y、Z轴三个方向上 施加敏感梯度 ，不能完全、正确地评价 不同组织在三维空间内的弥散情况，组织 各向异性程度往往被低估 。 DTIDTI则可以在三维空间内定量分析组则可以在三维空间内定量分析组 织内水分子的弥散的特性。织内水分子的弥散的特性。 均质介质中水分子的运动是无序随机运 动，即向各个方向运动的几率是相同， 即具有各向同性（isotropy） DTIDTI的基本原理的基本原理 在人体组织中，水分子的运动由于受到组在人体组织中，水分子的运动由于受到组 织细胞结构的影响
4、，在各个方向弥散程度是织细胞结构的影响，在各个方向弥散程度是 不同的，具有方向依赖性，即具有不同的，具有方向依赖性，即具有各向异性各向异性 ( (anisotropy) anisotropy) 两个概念两个概念 要描述水分子的空间弥散情况 ，引入了 张量的概念，脑白质中每一个体素的各 向异性扩散过程就可以用张量D表示 。 需要用一个二维矩阵表示 ： 均质介质中可以水分子的 自由运动为各向同性，即在 各个方向上的弥散强度大小 一致，弥散张量D描述为球 形，沿磁共振的三个主坐标 的特征值为 1=2=3 在脑白质中由于髓鞘的阻挡在脑白质中由于髓鞘的阻挡 ，水分子的弥散被限制在与纤，水分子的弥散被限制
5、在与纤 维走行一致的方向上，具有较维走行一致的方向上，具有较 高的各向异性，此时弥散张量高的各向异性，此时弥散张量 可表示为椭球形，其特征值可表示为椭球形，其特征值 1 1 2 2 3 3 ，最大特征值对应的，最大特征值对应的 方向与经过该体素的纤维束走方向与经过该体素的纤维束走 行平行行平行 二阶张量具有对称性， DxyDyx Dxz=Dzx Dyz=Dzy 因此只要计算6个变量 方法：至少在6个不同非共线方向上施加敏感梯度， 另外再采集一幅具有同样参数而未施加敏感梯度的图 像。从弥散加权像和非弥散加权像的信号强度衰减差 异中可以得到6幅表观弥散系数图（ADC），得到一 个六元一次方程组，最
6、后利用这些图可以求得每个体 素的有效弥散张量D 理论上6次就可以，但是由于噪声的存在，方向越 多，三维空间分布越均匀则数据越准确，目前最 多可以在128个不同方向进行成像 12个方向42个方向162个方向 642个方向 DTI的量化参数 第一类是平均扩散率 指MR成像体素内各个方向扩散幅度的平 均值，代表了某一体素内水分子扩散的大 小或程度，通常所用的指标就是平均弥散 系数（average diffusion coefficient，ADC ），反应了水分子单位时间内扩散运动的 范围，单位是mm2/s，其值越大，说明水 分子扩散能力越强 正常的ADC图 第二类是反映各向异性的参数 1.部分各向
7、异性指数（fractional anisotropy， FA ） 分析各向异性最常用的参数，指弥散的各向异性 部分与弥散张量总值的比值，反应了各向异性成 分占整个弥散张量的比例，取值在01之间，0 代表了最大各向同性的弥散，比如在完全均质介 质中的水分子弥散，1代表了假想下最大各向异性 的弥散 脑白质中FA值与髓鞘的完整性、纤维的 致密性及平行性呈正相关 水分子垂直于神经纤维 走向的弥散运动困难 水分子平行于神经纤维 走向的弥散运动容易 在FA图上，脑白质 为高信号，表现出 比较高的各向异性 ，纤维排列最大程 度趋于一致时,FA值 也就越接近1，例如 胼胝体，而脑灰质 与脑脊液因趋向各 向同性
8、表现为低信 号 胼胝体内囊后肢内囊前肢外囊半卵园中心 2、相对各向异性（relative anisotropy，RA ）和容积比（volume ratio，VR） RA为各向异性和各向同性成分的比例。 VR等于椭球体的体积与半径为平均扩散 率的球体体积之比。 两者的取值范围亦在01之间 ，RA的意 义与FA相似，越接近1说明水分子的各 向异性程度越高。而VR越接近1说明水 分子的弥散越趋于各向同性 。 VR图 DTI的彩色弥散张量图 根据体素弥散的 最大本征向量的方 向决定白质纤维走 行的原理，通过将 X、Y、Z轴方向的 主要本征向量分别 配以红、绿、篮三 种颜色 白质纤维束示踪成像 （fib
9、er tractography） 就是利用最大本征向量1对应纤维束传 导方向将大脑中神经纤维束轨迹描出来 ，实现活体查看和研究中枢以及周围神 经系统的神经通路的连接和连续性 。 其方法：从一个设置的种子位置开始追 踪，直至遇到体素的FA值小于0.2 胼胝体 扣带回 内囊 冠辐射 皮质脊髓束 DTI在中枢神经系 统的临床应用 大脑发育及衰老 出生后大脑仍继续发育、髓鞘化 ，2岁左右基 本完成 遵循从下到上，从后到前，从中央到周 围的规律进行髓鞘化 胆固醇逐渐降低，磷脂逐渐增多，最后 形成成熟的髓鞘 在这个过程中，组织的各向异性不断增 加，利用DTI技术，可以定量分析不同部 位脑组织的各向异性程度
10、，显示大脑的 发育过程 在新生儿和婴幼儿的大脑白质ADC 值比成人大而空间各向异性比成人小 ，随着大脑发育成熟，由于整体水份 的减少和髓鞘化的进程，许多区域的 ADC值降低、而FA值增加 并且一些区域的改变要明显早于传统 MRI的T1WI和T2WI的信号改变，被 认为是前髓鞘化的表现 Schneider等学者对52名儿童（年龄 段从1天16岁）行DTI检查，测量 各个区域脑白质的平均弥散率及FA 值，结果发现平均弥散率随年龄增 长而下降，FA值则表现为增加 另外一些研究指出白质通路微结构的完整性 与人的认知功能有关，Filippi等对20名发育迟 缓的儿童行DTI检查，尽管常规序列上影像表 现
11、正常，但在DTI图像上存在多处白质纤维通 路FA值下降而平均ADC增加 DTI在脑肿瘤中的应用 1.定量分析肿瘤组织特点以鉴别肿瘤的级别 ，鉴别正常的白质纤维、水肿及肿瘤区域 。 2.测量瘤周的水肿的平均ADC值和FA值以 分析鉴别转移瘤和胶质瘤，但目前这些研 究的结果尚没有取得完全一致 3、显示白质纤维和肿瘤的相互关系，利 于指导外科手术，这是DTI技术最有 临床价值和应用的前景。 目前有学者利用目前有学者利用FAFA图和彩色张量图将肿瘤图和彩色张量图将肿瘤 和白质纤维的关系分为和白质纤维的关系分为4 4种模式种模式 模式I：患侧纤维的FA值相对于对侧正常或轻微降低 （降低25） ，同时纤维
12、位 置和方向正常 。 模式III：患 侧纤维FA值 相对于对侧 明显减低， 同时纤维的 走向发生改 变 模式IV：患 侧纤维显 示各向同 性或近似 同性，无 法看出走 行方向。 模式1为肿瘤挤压周围纤维移位，提示肿瘤 为良性或侵袭性不强的恶性肿瘤。 模式2提示瘤周发生水肿，但不排除有肿瘤 侵入。 模式3提示瘤周纤维被肿瘤侵入。 模式4提示肿瘤破坏瘤周纤维，仅限于恶性 肿瘤，但可以是高级别或低级别肿瘤。 模式I和 模式IV 肿瘤全切肿瘤全切 模式模式I I，功能改善，功能改善 模式模式IV IV 功能障碍不功能障碍不 加重，生存期延长加重，生存期延长 模式II和模式III 部分切除，加强辅部分切
13、除，加强辅 助治疗助治疗 提高生存质量提高生存质量 这样的分类对于临床术前决定手术方案是 十分有价值的。 使临床外科医生可以在术前、术中更清楚 掌握肿瘤和白质纤维的情况，使手术方案 更加可靠安全 目前已有学者报道了DTI在神经外科肿瘤切 除术中的有效性，认为利用DTI指导手术可 以提高手术全切率，降低术后的功能障碍 北京天坛医院的戴建平等利用DTI技术对 涉及锥体束的36例脑胶质瘤患者术前进 行导航指导外科手术，结果认为白质纤 维示踪技术可以优化手术方案，保护皮 质下重要功能的白质纤维，并可预测患 者临床功能预后。 28，M，星形细 胞瘤，未累及 锥体束，术前 双侧上下肢肌 力均V级，KSP
14、评分90，术后 肌力 仍为V级， KPS评分提高到 100 F，27，星 形细胞瘤， 紧邻锥体束 并推压锥体 束，术前左 侧上下肢肌 力III级， KPS评分60 ，术后肌力 V级，KSP提 高为100 M，22岁，多形 性胶质母细胞瘤 ，侵犯并破坏锥 体束，术前左侧 上下肢肌力III 级，KPS评分60 ，术后肌力仍为 III级，KSP评分 60 左侧颞部脑膜瘤 57Y,M,考虑左顶叶胶质瘤 53Y,F，胶质瘤 F F，28Y28Y，考虑右侧考虑右侧 额颞叶胶质瘤额颞叶胶质瘤 DTI在脑梗塞中的运用 DWI有助于临床诊断早期、超早期脑梗 死的及时诊断，而DTI在检测脑梗死后 皮质脊髓束损伤有
15、着显著优势 梗死区域的FA显著降低，早期平均ADC值降 低，后期增高 与梗死区相联系的的同侧内囊、大脑脚和桥 脑处的皮质脊髓束FA较对侧显著降低，提示 脑梗死后远端的皮质脊髓束可能存在进行性 的Wallerian变性 DTI在通过对梗死远端皮质脊髓束FA计算判 断其变性程度，并预测患者的运动功能转归 46Y，F，突发右侧无力十 天，左侧内囊后肢梗塞 DTI不仅可用于脑梗死后白质纤维束，例 如白质纤维束变性的研究，还能用于颅 内灰质微观结构改变的研究。长期DTI 随访观察有助于加深人们对卒中后临床 病理学演变过程的认识 脑 白 质 变 性 疾 病 多发性硬化（MS ） 急性期，ADC和FA均下降
16、 慢性期，ADC增加，FA值虽下降但比急性期 高 T2WI显示正常的区域白质也有改变，提 示这是一种弥漫性的多发病变 45y，F，MS患者 T2 ADC FA 缺血性白质疏松（LA） 主要表现为ADC升高和FA降低，与 病理提示的轴突减少和胶质增生相 符合 FA值的减低程度及范围与临床认知 功能改变明显相关，对于监测LA的 进展演变有更大优势 脑 白 质 变 性 疾 病 肌萎缩性侧索硬化症（ALS） 该症患者皮质脊髓束区域，ADC值明显升高而FA 值明显减少，表明DTI可发现ALS皮质脊髓束的 病理改变 阿尔茨海默氏病（AD） 利用DTI研究发现该症患者的白质联合纤维传导束 的完整性明显受损，
17、轻度或早期的AD，颞叶白 质FA值降低，并且和临床严重程度密切相关， 而锥体束的完整性无明显受损，这一发现与该 症的临床表现一致，突出症状是认知功能下降 而不是运动功能障碍 脑 白 质 变 性 疾 病 F,47y,F,47y,进行性神志模糊二十进行性神志模糊二十 天，意识障碍十五天天，意识障碍十五天, ,考虑脱考虑脱 髓鞘疾病，药物性脑炎可能髓鞘疾病，药物性脑炎可能 其他 精神分裂症，DTI可以显示白质纤维束通路 上连通的异常，表现为病变部位的FA值的降 低 慢性酒精中毒，在胼胝体膝部、压部及半卵 园中心FA值均有降低，且FA值与使用酒精的 时间长短有一定的相关性 弥漫性轴索损失，DTI可以显
18、示常规MRI不能 显示的剪切伤，一些研究表明，弥散性轴索 损伤后白质的FA值显著降低，而这些白质在 常规MRI24小时内可显示为正常 脊髓 由于脊髓体积小，周围的骨质结构形成 磁化率伪影，呼吸运动和脑脊液波动伪 影等因素为DTI在脊髓中的应用带来挑 战。但随着技术的改进，许多新序列和 扫描方式使用使DTI得以应用于脊髓 DTI的局限性及前景展望 可发现一些疾病的早期改变，了解主要传导 通路的损伤程度 , 脑肿瘤的术前计划的制订及指导手术 目前DTI最有前景的研究领域还在于将DTI技 术和血氧水平依赖功能fMRI的联合应用于神 经科学的研究方面，为神经科学的研究开辟 了更广阔的前景。 局限性 “证实”问题 ，即如何在活体证实DTI所追踪 的白质纤维走行的精确度与人体是否符合就 是当前研究的一个关键 DTI结果具有操作者因素，例如兴趣区的大 小、位置、FA阈值、采用的算法以及对神经 解剖学知识的熟悉程度均影响示踪成像结果 的准确性 硬件设施提高 3.0T 序列优化 成像方法改进 图象后处理的算法 提高成像的精度 提高空间分辨率提高空间分辨率 信噪比信噪比