磁共振彌散張量成像的基本原理及其應(yīng)用

磁共振彌散張量成像(DTI)

基本原理及其應(yīng)用

影像醫(yī)學(xué)與核醫(yī)學(xué)李品雄

1、實(shí)現(xiàn)活體觀察組織結(jié)構(gòu)的完整性和連通性，利于對(duì)各種疾病的引起的白質(zhì)纖維束的損害程度及范圍的判斷。2、可用于顯示腦白質(zhì)內(nèi)神經(jīng)傳導(dǎo)束的走行方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)人的中樞神經(jīng)纖維精細(xì)成像。磁共振彌散張量成像（diffusiontensorimaging,DTI）DTI成像的基本原理DWI的原理 組織T1、T2馳豫時(shí)間、H1的密度、分子彌散運(yùn)動(dòng)利用擴(kuò)散敏感梯度脈沖將水分子彌散效應(yīng)擴(kuò)大，來(lái)研究不同組織中水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的差異MR圖像的信號(hào)DWI圖像其方法就是在常規(guī)的MRI序列上施加對(duì)彌散敏感的梯度脈沖來(lái)獲得，此梯度脈沖即水分子彌散的標(biāo)記物。平均擴(kuò)散率

指MR成像體素內(nèi)各個(gè)方向擴(kuò)散幅度的平均值，代表了某一體素內(nèi)水分子擴(kuò)散的大小或程度，通常所用的指標(biāo)就是平均彌散系數(shù)（averagediffusioncoefficient，ADC），反應(yīng)了水分子單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的范圍，單位是mm2/s，其值越大，說(shuō)明水分子擴(kuò)散能力越強(qiáng)通過(guò)兩個(gè)以上不同彌散敏感梯度值（b值）的彌散加權(quán)象，可計(jì)算出彌散敏感梯度方向上水分子的表觀彌散系數(shù)。（b值是反映附加梯度場(chǎng)性質(zhì)的參數(shù)）彌散圖像包含有T2、質(zhì)子和彌散程度變化的綜合信息

DWI評(píng)估彌散的參數(shù)=&b=0b=1000ADC

ADC反映了水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的能力,指水分子單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的范圍，越高代表水分子擴(kuò)散能力越強(qiáng)。T2spin彌散DWI正常組織隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的水分子---低信號(hào)細(xì)胞毒性水腫的組織運(yùn)動(dòng)受限的水分子---高信號(hào)AB組織內(nèi)影響水分子彌散的因素

細(xì)胞內(nèi)外的體積變化水分子通過(guò)細(xì)胞膜的滲透作用細(xì)胞外間隙形態(tài)的改變彌散的影響因素1、組織結(jié)構(gòu)2、生化特性3、溫度4、外加使局部組織運(yùn)動(dòng)的因素

表觀彌散系統(tǒng)的正常范圍自由水的ADC值大約為:2.5x10-3mm2/s正常腦組織的ADC值為:0.7-0.9x10-3mm2/s腦組織急性病變的ADC值多為降低腦組織亞急性或慢性病變的ADC值多為升高ADC異常變化的上下限為:0.4x10-3mm2/s—2.5x10-3mm2/s水分子彌散程度決定了信號(hào)降低的程度，通過(guò)測(cè)量信號(hào)降低的程度反算彌散系數(shù)；反之，水分子彌散受限的程度決定了信號(hào)增高的程度，通過(guò)測(cè)量信號(hào)降低的程度反算彌散系數(shù)；DWI然而DWI成像只在X、Y、Z軸三個(gè)方向上施加敏感梯度

，不能完全、正確地評(píng)價(jià)不同組織在三維空間內(nèi)的彌散情況，組織各向異性程度往往被低估。

DTIDTI則可以在三維空間內(nèi)定量分析組織內(nèi)水分子的彌散的特性。均質(zhì)介質(zhì)中水分子的運(yùn)動(dòng)是無(wú)序隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，即向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的幾率是相同，即具有各向同性（isotropy）

DTI的基本原理在人體組織中，水分子的運(yùn)動(dòng)由于受到組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響，在各個(gè)方向彌散程度是不同的，具有方向依賴性，即具有各向異性(anisotropy)基本概念要描述水分子的空間彌散情況，引入了張量的概念，腦白質(zhì)中每一個(gè)體素的各向異性擴(kuò)散過(guò)程就可以用張量D表示。需要用一個(gè)二維矩陣表示：

均質(zhì)介質(zhì)中可以水分子的自由運(yùn)動(dòng)為各向同性，即在各個(gè)方向上的彌散強(qiáng)度大小一致，彌散張量D描述為球形，沿磁共振的三個(gè)主坐標(biāo)的特征值為

λ1=λ2=λ3在腦白質(zhì)中由于髓鞘的阻擋，水分子的彌散被限制在與纖維走行一致的方向上，具有較高的各向異性，此時(shí)彌散張量可表示為橢球形，其特征值λ1>λ2>λ3，最大特征值對(duì)應(yīng)的方向與經(jīng)過(guò)該體素的纖維束走行平行二階張量具有對(duì)稱(chēng)性，

Dxy＝Dyx

Dxz=Dzx

Dyz=Dzy

因此只要計(jì)算6個(gè)變量

方法：至少在6個(gè)不同非共線方向上施加敏感梯度，另外再采集一幅具有同樣參數(shù)而未施加敏感梯度的圖像。從彌散加權(quán)像和非彌散加權(quán)像的信號(hào)強(qiáng)度衰減差異中可以得到6幅表觀彌散系數(shù)圖（ADC），得到一個(gè)六元一次方程組，最后利用這些圖可以求得每個(gè)體素的有效彌散張量D理論上6次就可以，但是由于噪聲的存在，方向越多，三維空間分布越均勻則數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，目前最多可以在128個(gè)不同方向進(jìn)行成像12個(gè)方向42個(gè)方向162個(gè)方向642個(gè)方向正常的ADC圖反映各向異性的參數(shù)

部分各向異性指數(shù)（fractionalanisotropy，F(xiàn)A）

分析各向異性最常用的參數(shù)，指彌散的各向異性部分與彌散張量總值的比值，反應(yīng)了各向異性成分占整個(gè)彌散張量的比例，取值在0～1之間，0代表了最大各向同性的彌散，比如在完全均質(zhì)介質(zhì)中的水分子彌散，1代表了假想下最大各向異性的彌散

腦白質(zhì)中FA值與髓鞘的完整性、纖維的致密性及平行性呈正相關(guān)

－水分子垂直于神經(jīng)纖維走向的彌散運(yùn)動(dòng)困難－水分子平行于神經(jīng)纖維走向的彌散運(yùn)動(dòng)容易在FA圖上，腦白質(zhì)為高信號(hào)，表現(xiàn)出比較高的各向異性，纖維排列最大程度趨于一致時(shí),FA值也就越接近1，例如胼胝體，而腦灰質(zhì)與腦脊液因趨向各向同性表現(xiàn)為低信號(hào)胼胝體>內(nèi)囊后肢>內(nèi)囊前肢>外囊>半卵園中心2、相對(duì)各向異性（RA）和容積比（VR）

RA為各向異性和各向同性成分的比例。VR等于橢球體的體積與半徑為平均擴(kuò)散率的球體體積之比。兩者的取值范圍亦在0～1之間，RA的意義與FA相似，越接近1說(shuō)明水分子的各向異性程度越高。而VR越接近1說(shuō)明水分子的彌散越趨于各向同性。DTI的彩色彌散張量圖

根據(jù)體素彌散的最大本征向量的方向決定白質(zhì)纖維走行的原理，通過(guò)將X、Y、Z軸方向的主要本征向量分別配以紅、綠、籃三種顏色

白質(zhì)纖維束示蹤成像

就是利用最大本征向量λ1對(duì)應(yīng)纖維束傳導(dǎo)方向?qū)⒋竽X中神經(jīng)纖維束軌跡描出來(lái)，實(shí)現(xiàn)活體查看和研究中樞以及周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)通路的連接和連續(xù)性。

其方法：從一個(gè)設(shè)置的種子位置開(kāi)始追蹤，直至遇到體素的FA值小于0.2胼胝體扣帶回內(nèi)囊冠輻射皮質(zhì)脊髓束DTI在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的臨

床應(yīng)用大腦發(fā)育及衰老出生后大腦仍繼續(xù)發(fā)育、髓鞘化，2歲左右基本完成遵循從下到上，從后到前，從中央到周?chē)囊?guī)律進(jìn)行髓鞘化膽固醇逐漸降低，磷脂逐漸增多，最后形成成熟的髓鞘在這個(gè)過(guò)程中，組織的各向異性不斷增加，利用DTI技術(shù)，可以定量分析不同部位腦組織的各向異性程度，顯示大腦的發(fā)育過(guò)程

在新生兒和嬰幼兒的大腦白質(zhì)ADC值比成人大而空間各向異性比成人小，隨著大腦發(fā)育成熟，由于整體水份的減少和髓鞘化的進(jìn)程，許多區(qū)域的ADC值降低、而FA值增加并且一些區(qū)域的改變要明顯早于傳統(tǒng)MRI的T1WI和T2WI的信號(hào)改變，被認(rèn)為是前髓鞘化的表現(xiàn)DTI在腦腫瘤中的應(yīng)用定量分析腫瘤組織特點(diǎn)以鑒別腫瘤的級(jí)別，鑒別正常的白質(zhì)纖維、水腫及腫瘤區(qū)域。測(cè)量瘤周的水腫的平均ADC值和FA值以分析鑒別轉(zhuǎn)移瘤和膠質(zhì)瘤，但目前這些研究的結(jié)果尚沒(méi)有取得完全一致3、顯示白質(zhì)纖維和腫瘤的相互關(guān)系，利于指導(dǎo)外科手術(shù)，這是DTI技術(shù)最有臨床價(jià)值和應(yīng)用的前景。

有學(xué)者利用FA圖和彩色張量圖將腫瘤和白質(zhì)纖維的關(guān)系分為4種模式模式I：患側(cè)纖維的FA值相對(duì)于對(duì)側(cè)正常或輕微降低（降低<25％）同時(shí)纖維的位置或/和方向發(fā)生改變。模式II：患側(cè)纖維FA值相對(duì)于對(duì)側(cè)明顯降低（>25％），同時(shí)纖維位置和方向正常。

模式III：患側(cè)纖維FA值相對(duì)于對(duì)側(cè)明顯減低，同時(shí)纖維的走向發(fā)生改變模式IV：患側(cè)纖維顯示各向同性或近似同性，無(wú)法看出走行方向。模式1為腫瘤擠壓周?chē)w維移位，提示腫瘤為良性或侵襲性不強(qiáng)的惡性腫瘤。模式2提示瘤周發(fā)生水腫，但不排除有腫瘤侵入。模式3提示瘤周纖維被腫瘤侵入。模式4提示腫瘤破壞瘤周纖維，僅限于惡性腫瘤，但可以是高級(jí)別或低級(jí)別腫瘤。

這樣的分類(lèi)對(duì)于臨床術(shù)前決定手術(shù)方案十分有價(jià)值的。使臨床外科醫(yī)生可以在術(shù)前、術(shù)中更清楚掌握腫瘤和白質(zhì)纖維的情況，使手術(shù)方案更加可靠安全目前已有學(xué)者報(bào)道了DTI在神經(jīng)外科腫瘤切除術(shù)中的有效性，認(rèn)為利用DTI指導(dǎo)手術(shù)可以提高手術(shù)全切率，降低術(shù)后的功能障礙DTI在腦梗塞中的運(yùn)用DWI有助于臨床診斷早期、超早期腦梗死的及時(shí)診斷，而DTI在檢測(cè)腦梗死后皮質(zhì)脊髓束損傷有著顯著優(yōu)勢(shì)梗死區(qū)域的FA顯著降低，早期平均ADC值降低，后期增高與梗死區(qū)相聯(lián)系的的同側(cè)內(nèi)囊、大腦腳和橋腦處的皮質(zhì)脊髓束FA較對(duì)側(cè)顯著降低，提示腦梗死后遠(yuǎn)端的皮質(zhì)脊髓束可能存在變性DTI不僅可用于腦梗死后白質(zhì)纖維束，例如白質(zhì)纖維束變性的研究，還能用于顱內(nèi)灰質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)改變的研究。長(zhǎng)期DTI隨訪觀察有助于加深人們對(duì)卒中后臨床病理學(xué)演變過(guò)程的認(rèn)識(shí)左側(cè)內(nèi)囊后肢梗塞腦白質(zhì)變性疾病多發(fā)性硬化（MS）急性期，ADC和FA均下降慢性期，ADC增加，F(xiàn)A值雖下降但比急性期高T2WI顯示正常的區(qū)域白質(zhì)也有改變，提示這是一種彌漫性的多發(fā)病變

缺血性白質(zhì)疏松（LA）主要表現(xiàn)為ADC升高和FA降低，與病理提示的軸突減少和膠質(zhì)增生相符合。FA值的減低程度及范圍與臨床認(rèn)知功能改變明顯相關(guān)。肌萎縮性側(cè)索硬化癥（ALS）

該癥患者皮質(zhì)脊髓束區(qū)域，ADC值明顯升高而FA值明顯減少，表明DTI可發(fā)現(xiàn)ALS皮質(zhì)脊髓束的病理改變阿爾茨海默氏?。ˋD）

利用DTI研究發(fā)現(xiàn)該癥患者的白質(zhì)聯(lián)合纖維傳導(dǎo)束的完整性明顯受損，輕度或早期的AD，顳葉白質(zhì)FA值降