磁共振彌散張量成像講解

磁共振彌散張量成像DTI技術講解與應用

當前第1頁\共有67頁\編于星期五\20點前言

實現活體觀察組織結構的完整性和連通性，利于對各種疾病的引起的白質纖維束的損害程度及范圍的判斷?？捎糜陲@示腦白質內神經傳導束的走行方向，實現對人的中樞神經纖維精細成像。磁共振彌散張量成像（diffusiontensorimaging,DTI）當前第2頁\共有67頁\編于星期五\20點當前第3頁\共有67頁\編于星期五\20點DTI成像的基本原理當前第4頁\共有67頁\編于星期五\20點DWI的原理 組織T1、T2馳豫時間、H1的密度、分子彌散運動利用擴散敏感梯度脈沖將水分子彌散效應擴大，來研究不同組織中水分子擴散運動的差異MR圖像的信號DWI圖像當前第5頁\共有67頁\編于星期五\20點其方法就是在常規(guī)的MRI序列上施加對彌散敏感的梯度脈沖來獲得當前第6頁\共有67頁\編于星期五\20點

通過兩個以上不同彌散敏感梯度值（b值）的彌散加權象，可計算出彌散敏感梯度方向上水分子的表觀彌散系數（apparentdiffusioncoefficient

ADC）

ADC=In(S低/S高)/(b高-b低)

DWI評估彌散的參數=&b=0b=1000ADC

ADC反映了水分子的擴散運動的能力,指水分子單位時間內擴散運動的范圍，越高代表水分子擴散能力越強。當前第7頁\共有67頁\編于星期五\20點正常組織隨機運動的水分子---低信號細胞毒性水腫的組織運動受限的水分子---高信號AB組織內影響水分子彌散的因素

細胞內外的體積變化水分子通過細胞膜的滲透作用細胞外間隙形態(tài)的改變當前第8頁\共有67頁\編于星期五\20點然而DWI成像只在X、Y、Z軸三個方向上施加敏感梯度

，不能完全、正確地評價不同組織在三維空間內的彌散情況，組織各向異性程度往往被低估。

DTI則可以在三維空間內定量分析組織內水分子的彌散的特性。當前第9頁\共有67頁\編于星期五\20點均質介質中水分子的運動是無序隨機運動，即向各個方向運動的幾率是相同，即具有各向同性（isotropy）

DTI的基本原理在人體組織中，水分子的運動由于受到組織細胞結構的影響，在各個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)兩個概念當前第10頁\共有67頁\編于星期五\20點要描述水分子的空間彌散情況，引入了張量的概念，腦白質中每一個體素的各向異性擴散過程就可以用張量D表示。需要用一個二維矩陣表示：

當前第11頁\共有67頁\編于星期五\20點

均質介質中可以水分子的自由運動為各向同性，即在各個方向上的彌散強度大小一致，彌散張量D描述為球形，沿磁共振的三個主坐標的特征值為

λ1=λ2=λ3在腦白質中由于髓鞘的阻擋，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，此時彌散張量可表示為橢球形，其特征值λ1>λ2>λ3，最大特征值對應的方向與經過該體素的纖維束走行平行當前第12頁\共有67頁\編于星期五\20點二階張量具有對稱性，

Dxy＝DyxDxz=DzxDyz=Dzy

因此只要計算6個變量

方法：至少在6個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而未施加敏感梯度的圖像。從彌散加權像和非彌散加權像的信號強度衰減差異中可以得到6幅表觀彌散系數圖（ADC），得到一個六元一次方程組，最后利用這些圖可以求得每個體素的有效彌散張量D當前第13頁\共有67頁\編于星期五\20點理論上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據越準確，目前最多可以在128個不同方向進行成像12個方向42個方向162個方向642個方向當前第14頁\共有67頁\編于星期五\20點DTI的量化參數

第一類是平均擴散率指MR成像體素內各個方向擴散幅度的平均值，代表了某一體素內水分子擴散的大小或程度，通常所用的指標就是平均彌散系數（averagediffusioncoefficient，ADC），反應了水分子單位時間內擴散運動的范圍，單位是mm2/s，其值越大，說明水分子擴散能力越強當前第15頁\共有67頁\編于星期五\20點正常的ADC圖當前第16頁\共有67頁\編于星期五\20點第二類是反映各向異性的參數

部分各向異性指數（fractionalanisotropy，FA）

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

腦白質中FA值與髓鞘的完整性、纖維的致密性及平行性呈正相關

當前第17頁\共有67頁\編于星期五\20點－水分子垂直于神經纖維走向的彌散運動困難－水分子平行于神經纖維走向的彌散運動容易當前第18頁\共有67頁\編于星期五\20點在FA圖上，腦白質為高信號，表現出比較高的各向異性，纖維排列最大程度趨于一致時,FA值也就越接近1，例如胼胝體，而腦灰質與腦脊液因趨向各向同性表現為低信號胼胝體>內囊后肢>內囊前肢>外囊>半卵園中心當前第19頁\共有67頁\編于星期五\20點2、相對各向異性（relativeanisotropy，RA）和容積比（volumeratio，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說明水分子的各向異性程度越高。而VR越接近1說明水分子的彌散越趨于各向同性。當前第20頁\共有67頁\編于星期五\20點

VR圖當前第21頁\共有67頁\編于星期五\20點DTI的彩色彌散張量圖

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

當前第22頁\共有67頁\編于星期五\20點白質纖維束示蹤成像

（FIBERTRACTOGRAPHY）

就是利用最大本征向量λ1對應纖維束傳導方向將大腦中神經纖維束軌跡描出來，實現活體查看和研究中樞以及周圍神經系統的神經通路的連接和連續(xù)性。

其方法：從一個設置的種子位置開始追蹤，直至遇到體素的FA值小于0.2當前第23頁\共有67頁\編于星期五\20點胼胝體當前第24頁\共有67頁\編于星期五\20點當前第25頁\共有67頁\編于星期五\20點扣帶回內囊當前第26頁\共有67頁\編于星期五\20點冠輻射皮質脊髓束當前第27頁\共有67頁\編于星期五\20點當前第28頁\共有67頁\編于星期五\20點當前第29頁\共有67頁\編于星期五\20點DTI在中樞神經系統的臨床應用當前第30頁\共有67頁\編于星期五\20點大腦發(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，從中央到周圍的規(guī)律進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過程中，組織的各向異性不斷增加，利用DTI技術，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)育過程當前第31頁\共有67頁\編于星期五\20點

在新生兒和嬰幼兒的大腦白質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MRI的T1WI和T2WI的信號改變，被認為是前髓鞘化的表現當前第32頁\共有67頁\編于星期五\20點Schneider等學者對52名兒童（年齡段從1天－16歲）行DTI檢查，測量各個區(qū)域腦白質的平均彌散率及FA值，結果發(fā)現平均彌散率隨年齡增長而下降，FA值則表現為增加當前第33頁\共有67頁\編于星期五\20點當前第34頁\共有67頁\編于星期五\20點另外一些研究指出白質通路微結構的完整性與人的認知功能有關，Filippi等對20名發(fā)育遲緩的兒童行DTI檢查，盡管常規(guī)序列上影像表現正常，但在DTI圖像上存在多處白質纖維通路FA值下降而平均ADC增加當前第35頁\共有67頁\編于星期五\20點DTI在腦腫瘤中的應用定量分析腫瘤組織特點以鑒別腫瘤的級別，鑒別正常的白質纖維、水腫及腫瘤區(qū)域。測量瘤周的水腫的平均ADC值和FA值以分析鑒別轉移瘤和膠質瘤，但目前這些研究的結果尚沒有取得完全一致當前第36頁\共有67頁\編于星期五\20點3、顯示白質纖維和腫瘤的相互關系，利于指導外科手術，這是DTI技術最有臨床價值和應用的前景。

目前有學者利用FA圖和彩色張量圖將腫瘤和白質纖維的關系分為4種模式當前第37頁\共有67頁\編于星期五\20點模式I：患側纖維的FA值相對于對側正?；蜉p微降低（降低<25％）同時纖維的位置或/和方向發(fā)生改變。當前第38頁\共有67頁\編于星期五\20點模式II：患側纖維FA值相對于對側明顯降低（>25％），同時纖維位置和方向正常。當前第39頁\共有67頁\編于星期五\20點

模式III：患側纖維FA值相對于對側明顯減低，同時纖維的走向發(fā)生改變當前第40頁\共有67頁\編于星期五\20點模式IV：患側纖維顯示各向同性或近似同性，無法看出走行方向。當前第41頁\共有67頁\編于星期五\20點模式1為腫瘤擠壓周圍纖維移位，提示腫瘤為良性或侵襲性不強的惡性腫瘤。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，但可以是高級別或低級別腫瘤。

當前第42頁\共有67頁\編于星期五\20點模式I和模式IV腫瘤全切模式I，功能改善模式IV功能障礙不加重，生存期延長模式II和模式III部分切除，加強輔助治療提高生存質量當前第43頁\共有67頁\編于星期五\20點這樣的分類對于臨床術前決定手術方案是十分有價值的。使臨床外科醫(yī)生可以在術前、術中更清楚掌握腫瘤和白質纖維的情況，使手術方案更加可靠安全目前已有學者報道了DTI在神經外科腫瘤切除術中的有效性，認為利用DTI指導手術可以提高手術全切率，降低術后的功能障礙當前第44頁\共有67頁\編于星期五\20點北京天壇醫(yī)院的戴建平等利用DTI技術對涉及錐體束的36例腦膠質瘤患者術前進行導航指導外科手術，結果認為白質纖維示蹤技術可以優(yōu)化手術方案，保護皮質下重要功能的白質纖維，并可預測患者臨床功能預后。當前第45頁\共有67頁\編于星期五\20點28，M，星形細胞瘤，未累及錐體束，術前雙側上下肢肌力均V級，KSP評分90，術后肌力仍為V級，KPS評分提高到100當前第46頁\共有67頁\編于星期五\20點F，27，星形細胞瘤，緊鄰錐體束并推壓錐體束，術前左側上下肢肌力III級，KPS評分60，術后肌力V級，KSP提高為100當前第47頁\共有67頁\編于星期五\20點M，22歲，多形性膠質母細胞瘤，侵犯并破壞錐體束，術前左側上下肢肌力III級，KPS評分60，術后肌力仍為III級，KSP評分60當前第48頁\共有67頁\編于星期五\20點左側顳部腦膜瘤當前第49頁\共有67頁\編于星期五\20點57Y,M,考慮左頂葉膠質瘤當前第50頁\共有67頁\編于星期五\20點53Y,F，膠質瘤當前第51頁\共有67頁\編于星期五\20點F，28Y，考慮右側額顳葉膠質瘤當前第52頁\共有67頁\編于星期五\20點DTI在腦梗塞中的運用DWI有助于臨床診斷早期、超早期腦梗死的及時診斷，而DTI在檢測腦梗死后皮質脊髓束損傷有著顯著優(yōu)勢當前第53頁\共有67頁\編于星期五\20點梗死區(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)相聯系的的同側內囊、大腦腳和橋腦處的皮質脊髓束FA較對側顯著降低，提示腦梗死后遠端的皮質脊髓束可能存在進行性的Wallerian變性DTI在通過對梗死遠端皮質脊髓束FA計算判斷其變性程度，并預測患者的運動功能轉歸當前第54頁\共有67頁\編于星期五\20點46Y，F，突發(fā)右側無力十天，左側內囊后肢梗塞當前第55頁\共有67頁\編于星期五\20點DTI不僅可用于腦梗死后白質纖維束，例如白質纖維束變性的研究，還能用于顱內灰質微觀結構改變的研究。長期DTI隨訪觀察有助于加深人們對卒中后臨床病理學演變過程的認識當前第56頁\共有67頁\編于星期五\20點腦白質變性疾病多發(fā)性硬化（MS）急性期，ADC和FA均下降慢性期，ADC增加，FA值雖下降但比急性期高T2WI顯示正常的區(qū)域白質也有改變，提示這是一種彌漫性的多發(fā)病變

當前第57頁\共有67頁\編于星期五\20點45y，F，MS患者T2ADCFA當前第58頁\共有67頁\編于星期五\20點腦白質變性疾病缺血性白質疏松（LA）主要表現為ADC升高和FA降低，與病理提示的軸突減少和膠質增生相符合FA值的減低程度及范圍與臨床認知功能改變明顯相關，對于監(jiān)測LA的進展演變有更大優(yōu)勢當前第59頁\共有67頁\編于星期五\20點腦白質變性疾病肌萎縮性側索硬化癥（ALS）

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

利用DTI研究發(fā)現該癥患者的白質聯合纖維傳導束的完整性明顯受損，輕度或早期的AD，顳葉白質FA值降低，并且和臨床嚴重程度密切相關，而錐體束的完整性無明顯受損，這一發(fā)現與該癥的臨床表現一致，突出癥狀是認知功能下降而不是運動功能障礙當前第60頁\共有67頁\編于星期五\20點

F,47y,進行性神志模糊二十天，意識障礙十五天,考慮脫髓鞘疾病，藥物性腦炎可能當前第61頁\共有67頁\編于星期五\20點其他精神分裂癥，DTI可以顯示白質纖維束通路上連通的異常，表現為病變部位的FA值的降低慢性酒精中毒，在胼胝體膝部、壓部及半卵園中心FA值均有降低，且FA值與使用酒精的時間長短有一定的相關性