彌散張量成像（DTI）

彌散^量成像(DTI)彌散張量成像(DTI)2010-06-1702:11F.M.彌散張量成像(DiffusionTensorImaging)是磁共振(MRI)領(lǐng)域發(fā)展最迅速的技術(shù)之一1，不同于其他磁共振技術(shù)，它計(jì)量的是組織內(nèi)水分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的特性，并以此作為判斷組織結(jié)構(gòu)和功能部分特性的依據(jù)。DTI也是第一種有提取軟纖維組織中纖維軌跡潛力的活體、非侵入式的成像方法。已經(jīng)證明，該技術(shù)在中風(fēng)后早期變化方面比常規(guī)MRI的T1和T2影像更加的敏感。由于彌散張量成像的特性，該技術(shù)通常應(yīng)用在腦皮層中水分子各向異性比較明顯的區(qū)域——腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)的檢查中。第一張DTI影像出現(xiàn)在上世紀(jì)90年代早期，自此該技術(shù)在科研和臨床應(yīng)用上都迅速的發(fā)展起來(lái)。在早期的研究工作中，Basser等人對(duì)DTI影像的原理，特征提取和纖維素追蹤的理論作出了突出的貢獻(xiàn)，由此建立了DTI研究的理論體系。Basser因而在2008年被授予國(guó)際磁共振醫(yī)學(xué)協(xié)會(huì)(InternationalSocietyforMagneticResonanceinMedicine，ISMRM)金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?。?994年的論文2中，Basser等人首次系統(tǒng)的描述了DTI的基本成像原理，并提出了彌散橢圓的重建方法。至今該論文已經(jīng)被引用1143次。在1996年的論文3中，Basser等人首次提出DTI的特征參數(shù)平均彌散率(MeanDiffusivity，MD)和分?jǐn)?shù)各向異性(FractionalAnisotropy，F(xiàn)A)計(jì)算方法。至今該論文被引用1052次。2000年，Basser等人提出了一種可靠的使用DTI數(shù)據(jù)進(jìn)行纖維素追蹤的方法4，至今該論文被引用730次。在DTI理論基礎(chǔ)之上，人們進(jìn)行了許多應(yīng)用性的科學(xué)研究。這些研究主要使用DTI的特征參數(shù)，比如MD，F(xiàn)A等進(jìn)行特定神經(jīng)疾病的分析。這種研究比較通用的操作方法是，通過DTI掃描得到原始圖像，然后計(jì)算出MD圖和FA圖，再對(duì)得到的MD圖和FA圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在具體操作是，由于各種疾病的特殊性，步驟會(huì)有些許不同。比如在對(duì)顳葉癲癇的研究中，通常要在T2加權(quán)影像上畫出ROI，然后將繪制的區(qū)域返回到對(duì)應(yīng)的MD圖和FA圖上，在計(jì)算區(qū)域內(nèi)的平均MD值和平均FA值，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析5，6。在研究時(shí)，使用（同側(cè)ROI譜平均參數(shù)值-對(duì)側(cè)ROI平均參數(shù)值）/ROI整體參數(shù)均值或者2x（同側(cè)ROI譜平均參數(shù)值-對(duì)側(cè)ROI平均參數(shù)值）/（同側(cè)ROI譜平均參數(shù)值+對(duì)側(cè)ROI平均參數(shù)值）來(lái)描述參數(shù)的不對(duì)稱性。以量化比較12。國(guó)內(nèi)的研究組也有使用類似的方法進(jìn)行視神經(jīng)炎7、多發(fā)性硬化8等疾病9的分析。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，為提高研究結(jié)果的魯棒性，部分使用了SPM工具進(jìn)行配準(zhǔn)，并考察在MRI中表現(xiàn)正常的腦組織的MD和FA直方圖的平均值、直方圖峰高、和直方圖峰位置等特性10-11。通過比較病人組和控制組的這些特性的差異，發(fā)現(xiàn)了顯著性的差異，這說(shuō)明在表現(xiàn)正常腦組織中也有隱性的損傷。在表現(xiàn)正常腦組織中法相的顯著性差異說(shuō)明，使用ROI方式分析而把差異限制在特定的區(qū)域是有局限性的，病變可能在其他區(qū)域也造成了隱性的損傷。于是，人們引入了VBM（Voxel-basedmorphometry）的方法來(lái)擴(kuò)大比較研究的區(qū)域至全腦。這一變化對(duì)數(shù)據(jù)分割配準(zhǔn)提出了高的要求，因?yàn)橹灰獙?shù)據(jù)配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)空間上才能進(jìn)行有效的比較，分割配準(zhǔn)的結(jié)果直接影響著最終統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果。VBM式的DTI數(shù)據(jù)研究已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于顳葉癲癇13-14、毒品成癮15、發(fā)展發(fā)育16等方面的研究中。操作工具一般使用SPM。但是VBM式分析有其固有的缺陷，即在平滑處理的過程中，使得每一的體素都包含了鄰近體素的信息；操作者無(wú)法保證處理之后的某一體素的信息包含的正是對(duì)應(yīng)解剖結(jié)構(gòu)處的信息。為克服或緩解這一缺陷造成的影響，倫敦大學(xué)的FMRIB中心提出了基于纖維素的空間統(tǒng)計(jì)分析17(Tract-BasedSpatialStatistics)方法。該方法在配準(zhǔn)FA或MD等圖到標(biāo)準(zhǔn)空間之后，提取FA或MD等的骨架——該骨架對(duì)應(yīng)于腦中的白質(zhì)纖維素，再將FA或MD等數(shù)據(jù)投射到對(duì)應(yīng)骨架上，這樣就不需要進(jìn)行空間平滑，能有效的較小平滑對(duì)結(jié)果的影響。使用該方法在配準(zhǔn)時(shí)?？梢赃x擇配準(zhǔn)到自定義模板、最具代表性被試和推薦模板FMRIB_58FA，配準(zhǔn)的效果由模板影像的質(zhì)量影響比較大。目前使用該種方法進(jìn)行研究的論著不多，但是該種方法有很強(qiáng)的通用性，具有很大的發(fā)展空間。該方法的內(nèi)在缺點(diǎn)是，統(tǒng)計(jì)的結(jié)構(gòu)投射到骨架上，這樣差異就局限到骨架上，也就是對(duì)應(yīng)的白質(zhì)纖維素上，其他區(qū)域的差異則被忽略了。fMRI與DTI分析的結(jié)合也是研究的一個(gè)趨勢(shì)，fMIR通過研究血氧信息，對(duì)腦功能的測(cè)試具有獨(dú)到之處。而DTI則能有效的檢測(cè)白質(zhì)纖維素的形狀。將這兩種方法結(jié)合后，不僅能有效的指導(dǎo)臨床實(shí)踐，也能促進(jìn)研究方法的改進(jìn)。國(guó)內(nèi)研究者將該方法應(yīng)用于腦腫瘤對(duì)對(duì)運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)的影響18，通過VOLUME—ONE軟件，將三維重建的腦瘤、激活M1區(qū)、CST(皮質(zhì)纖維素)融合在解剖像上。觀察手術(shù)前后患側(cè)腦瘤、CST、M1區(qū)三者之間的關(guān)系，觀察腦瘤側(cè)M1區(qū)Bold信號(hào)的改變。以功能性磁共振成像為基礎(chǔ)的彌散示蹤技術(shù)成像可顯示CST纖維全程走行至M1區(qū)對(duì)腦瘤患者，尤其對(duì)于M1區(qū)受壓移位遠(yuǎn)離了腫瘤，但CST卻走行于腫瘤鄰近區(qū)域者。利用融合技術(shù)可顯示腦瘤以及與其鄰近的功能區(qū)及白質(zhì)纖維束受壓移位。利用Bold—IMRI與DTl融合技術(shù)，術(shù)前可直觀地觀察腦瘤、M1區(qū)、CST三者問的關(guān)系。了解M1區(qū)和CST的受累程度.有助于手術(shù)方案制定。術(shù)后觀察M1區(qū)和CST變化情況，并同術(shù)前進(jìn)行比較，為評(píng)估手術(shù)效果提供依據(jù)。另有研究者對(duì)腦室旁白質(zhì)軟化癥(periventricularleukomalacia,PVL)患兒腦性視覺損傷的fMRI和DTI進(jìn)行了研究19。發(fā)現(xiàn)PVL患兒ICPL和PTR的FA值與視覺區(qū)激活像素?cái)?shù)目存在正相關(guān)關(guān)系，即隨著FA值降低，視覺區(qū)激活像素?cái)?shù)目也逐漸減少，這說(shuō)明了視覺皮層的激活需要有完整的皮層下視放射纖維的傳導(dǎo)通路的支持，而視放射白質(zhì)纖維的損傷程度與視覺皮層的激活情況相關(guān)。此外，視覺激活區(qū)與而相應(yīng)腦白質(zhì)纖維束同時(shí)移位的原因可能與視覺系統(tǒng)的功能重組有關(guān)，視覺最大激活區(qū)移位可能是由于皮層下視覺通路的重塑，向上輸入的纖維在失去靶神經(jīng)元（神經(jīng)元細(xì)胞死亡或損傷周圍神經(jīng)元功能性抑制）后和原靶神經(jīng)元的鄰近神經(jīng)元建立新