磁共振擴散張量成像

關(guān)于磁共振擴散張量成像彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）彌散張量成像（DTI）又稱擴散張量成像

1965年，StejskalEO等提出了測量擴散的梯度自旋回波序列的時序圖第2頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）擴散成像是目前最理想的測量擴散的方法。是目前唯一一種追蹤腦白質(zhì)纖維并反映其解剖連通性的方向。第3頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）

解剖成像組織的形態(tài)學(xué)研究分子水平(細(xì)胞內(nèi)外水分子跨膜運動)

目前已應(yīng)用于腦、心臟、脊髓微細(xì)結(jié)構(gòu)的研究第4頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）水分子的自由運動稱為彌散，在腦脊液和腦灰質(zhì)中的水分子的彌撒運動基本上是各項同性的。水分子在自由狀態(tài)下的彌散是各向同性的第5頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）在純水中，分子在所有方向的擴散一致，稱為各向同性（isotropicdiffusion）,可用擴散球形體表示。第6頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）如果分子擴散取決于方向，方向不一致，稱為各向異性的擴散（anisotropicdiffusion）,可用擴散橢圓體表示。第7頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）DTI就是一種用數(shù)學(xué)的方法來表示腦組織內(nèi)水分子彌散的各項異性

第8頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）擴散張量成像外加磁場內(nèi)沿著強梯度磁場方向自由運動水分子自旋去相位擴散系數(shù)定量可用自旋回波相位重聚前后信號的丟失，與未加擴散編碼時的參考信號強度對比而得出第9頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）擴散敏感性用b表示，b值是由持續(xù)時間（δ）、敏感脈沖梯度強度（G）和兩個脈梯度之間的間隔時間（Δ）決定。用公式表示為：

bvalue=γ2

G2

δ2（Δ–δ/3），是一個旋磁定量，所以，b值隨梯度強度（G）和長的梯度脈沖（Δ）或增加脈沖間隔時間（δ）而升高。第10頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）白質(zhì)纖維內(nèi)的ADC值白質(zhì)纖維束的形態(tài)類似于一個長橢圓形IIADC=1.2x10-5cm2/sADC=0.3x10-5cm2/sII第11頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）擴散張量成像

MR圖像的每一個體素內(nèi)提供水分子擴散3＊3擴散張量D分布，用高斯（Gaussian）分布表示6個方向標(biāo)量：

3個正交方向（X、Y，Z）沿四面體3個方向（XY，XZ，YZ）多個參數(shù)（FA、RA、RI等）能在活體上觀察腦白質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)及病理變化第12頁,共86頁，2024年2月25日，星期天張量值的計算采用3X3矩陣最低用六個方向的彌散梯度

Diagonal成分Off-diagonal成分彌散張量成像的計算Dt彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）第13頁,共86頁，2024年2月25日，星期天Diagonal成分Diagonal成分是計算FA值的基礎(chǔ)Dt彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）第14頁,共86頁，2024年2月25日，星期天Off-diagonal成分Off-diagonal成分是精確計算FA值的補充

Dt彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）第15頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散梯度的數(shù)量彌散梯度的方向在6-55之間選擇Di

=

gT.Dt.

gDi

=

B

Dk

gx22gxgy2gxgz

gy22gygzgz2B=彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）第16頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）正常組織結(jié)構(gòu)水分子各項異性擴散擴散病理組織結(jié)構(gòu)成分改變擴散張量成像的理論基礎(chǔ)第17頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）水分子擴散各向同性和各向異性

擴散：布朗運動（Brownianmotion）影響因素：分子質(zhì)量分子間相互作用溫度屏障或特異結(jié)構(gòu)第18頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）磁共振測量的擴散系數(shù)稱為表觀擴散系數(shù)（ADC）分子間的粘性屏障效應(yīng)成為表觀擴散系數(shù)第19頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）

處理軟件

DTI數(shù)據(jù)

纖維束擴散張量纖維束成像（diffusiontensorfibertractography,DT-FT）第20頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）場強對DTI的影響1.5T&3.0T擴散張量成像比較

1.5&3.0T有足夠的SNR的情況下，F(xiàn)A無明顯的差異。3.0T有40%高的SNR，可得到高的分辨率的圖像，雖然其代價是幾何變性增加因3.0T磁場的不均勻性。第21頁,共86頁，2024年2月25日，星期天3T的場強可以進(jìn)行高分辨率的DTI成像5mm層厚2mm層厚場強對DTI的影響彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）高分辨率采集常規(guī)采集第22頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散梯度依次加在三個編碼方向上，依據(jù)選擇的方向多少重復(fù)上述過程DiffusionLobesDTI脈沖序列剖面圖彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）第23頁,共86頁，2024年2月25日，星期天SplitDiffusionLobesDTI脈沖序列剖面圖DualSpinEcho可以減低圖像的扭曲，輕微降低SNR彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）第24頁,共86頁，2024年2月25日，星期天各項異性的測量因FA圖的灰白質(zhì)的對比度最好而最常使用FA各向異性分?jǐn)?shù)fractionalanisotropyRA相對各向異性relativeanisotropyVR容積比volumeratio彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）第25頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）橢圓體形狀、大小、方向本征值是擴散橢圓體內(nèi)分子沿三個正交方向上的擴散率，每個本征值與一個本征向量在空間方向上一致。在b值變化允許范圍，擴散張量反映的是組織結(jié)構(gòu)特性。本征值（eigenvalues）和本征向量（eigenvectors）第26頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）擴散張量成像中的本征值可表示每個體素的特征。各向異性指標(biāo)：部分各向異性（各向異性指數(shù)）AI

相對各向異性RA

容積比率VR

腦的參數(shù)定量圖第27頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）擴散各向異性：描述在3D空間內(nèi)一個橢圓體的特征。一個2列張量的特征是可被對角斜線化，僅剩下3個沿著張量的主對角線上非零元素，稱為本征值（λ1、λ2、λ3）。本征值（eigenvalues）反映擴散橢圓體的形狀或結(jié)構(gòu)，三個本征值的總合（trace=λ1、+λ2+λ3

）,反映橢圓體的大小。第28頁,共86頁，2024年2月25日，星期天相似性3D白質(zhì)纖維束圖FA2D彩色圖方向性本征值擴散橢圓體相鄰體素彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）第29頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）部分各向異性（FA）可由以下公式：FA=√3/2√√(λ1-D)2+(λ2-D)2+(λ3-D)2λ12+λ22

+λ32計算得出,

λ1,

λ2,和

λ3響應(yīng)代表最大、中等、最小本征值，D是本征值總和的1/3即（1/3）*（λ1+λ2+λ3）。第30頁,共86頁，2024年2月25日，星期天FA的影響因素因FA圖的灰白質(zhì)的對比度最好而最常使用

SNRB值層厚FA的范圍0-1影響因素彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）第31頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）FA像6axis9axis21axis55axis

第32頁,共86頁，2024年2月25日，星期天線掃描彌散張力成像

對運動不敏感對磁敏感性偽影不敏感

SNR高空間分辨率高掃描時間長優(yōu)點缺點LineScan技術(shù)可以清晰顯示腦干區(qū)域的纖維形態(tài)彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）第33頁,共86頁，2024年2月25日，星期天線性掃描彌散張力成像后處理分析彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）第34頁,共86頁，2024年2月25日，星期天第35頁,共86頁，2024年2月25日，星期天Simens彌散張量成像同時應(yīng)用三個互相垂直的彌散梯度再加上一個垂直梯度形成一個四面體梯度矢量，這種方法得出的DTI圖像具有較高的SNR(比常規(guī)的三方向的成像方法高31/2）主要用來評價off-diagnol成分

彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）第36頁,共86頁，2024年2月25日，星期天philips彌散張量成像GREtensor與SETensor比較SE-EPI彌散張量成像GRE-EPI彌散張量成像彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）第37頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）擴散張量的成像方法及纖維追蹤技術(shù)數(shù)據(jù)的獲取擴散張量成像是受敏感梯度的強度、數(shù)量和方向影響。

b值在0-1000s/mm2范圍，可減少b值因數(shù)量對定量值測量影響第38頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）圖像后處理

擴散張量成像數(shù)據(jù)定量分析、方向性定量指數(shù)都可反映生物組織內(nèi)水分子擴散的特征。既直觀又簡便的指標(biāo)是主要的擴散系數(shù)，測量沿橢圓體最長軸和其他的正交軸的擴散率的相對大小。第39頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）DTI后處理容積比率（Volumeratio）:是橢圓體的體積比上半徑為平均擴散率的球形體積，值范圍從0-1。相對各向異性（relativeanisotropy,RA）:本征值相對于他們的平均值的變異值。部分各向異性（fractionalanisotropy,FA）:是擴散張量中的各向異性成分與整個擴散張量的比值，值范圍從0-1。第40頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）每一個層面均可獲得：一個T2圖像一個擴散軌跡權(quán)重圖一個擴散軌跡表觀擴散系數(shù)圖一個計算得到的相對各向異性圖主要效應(yīng)擴散率（本征值λ1、λ2、λ3）本征向量X、Y、Z的計算應(yīng)用專用軟件就可將纖維的方向用最大本征值的本征向量疊加在解剖背景圖上顯現(xiàn)。為了突出灰質(zhì)和白質(zhì)，T2WIs常用著背景圖。第41頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）最大本征值（λ1

）的本征向量被認(rèn)為代表纖維的方向。腦白質(zhì)彩色圖的產(chǎn)生是基于每個體素的本征向量的3個相量元素向量元素的絕對值被賦予不同的顏色：紅（代表x元素）、綠（代表y元素）、蘭（代表z元素）。每個體素顏色強度由FA值大小校準(zhǔn)。第42頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）擴散加權(quán)成像(DWI):ADC:一方向或三個方向(X、Y、Z)

各項同性腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)：高度各項異性

第43頁,共86頁，2024年2月25日，星期天腦白質(zhì)水分子擴散的各向異性

是白質(zhì)纖維束方向性的表現(xiàn)受組織細(xì)微結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)影響組織細(xì)微結(jié)構(gòu)特征、軸突內(nèi)結(jié)構(gòu)在很大程度上影響擴散的各向異性，纖維的密度和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的包裹，髓鞘形成的程度及纖維的直徑大小。腦白質(zhì)纖維束在一個體素中方向的可變性影響體素內(nèi)各向異性的程度。第44頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）在腦白質(zhì)中，由于髓鞘的阻擋，水分子的彌撒被限制在與纖維走向一致的方向上，具有較高的各項異性，根據(jù)腦白質(zhì)中水分子沿神經(jīng)纖維方向運動快，垂直方向運動慢的特點，磁共振圖像顯示出神經(jīng)纖維的走向。第45頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）白質(zhì)纖維束成像線性傳播運算法則：是利用相應(yīng)傳播每一階段的局部張量信息。球體能量最小化去尋找預(yù)先確定的兩個體素間的軌跡。第46頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）線性傳播技術(shù)進(jìn)行纖維追蹤，稱為“fiberassignmentusingcontinuoustracking”.

纖維追蹤是從所選興趣區(qū)的“seed”開始，根據(jù)每個體素內(nèi)的主本征向量方向沿著線性傳播軌跡的順行和倒退方向進(jìn)行追蹤現(xiàn)實。纖維追蹤的延伸是基于與體素內(nèi)最大本征值一致的本征向量的方向。第47頁,共86頁，2024年2月25日，星期天彌散張量成像

（DiffusionTensorImaging,DTI）參數(shù)TR/TE8000/90msecMatrix=128*128FOV=240*240mm2層厚=2/5mm19層B值，0/900sec/mm26個以上的方向第48頁,共86頁，2024年2月25日，星期天臨床應(yīng)用擴散張量成像技術(shù)為臨床提供廣闊的應(yīng)用范圍和美好的應(yīng)用前景。DTI及DT-FT技術(shù)在臨床的應(yīng)用。第49頁,共86頁，2024年2月25日，星期天中樞神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)用顱內(nèi)腫瘤精神性疾病腦白質(zhì)病發(fā)育異常腦卒中認(rèn)知脊髓第50頁,共86頁，2024年2月25日，星期天正常人腦內(nèi)DTI分析FA圖參數(shù)的分析第51頁,共86頁，2024年2月25日，星期天中樞神經(jīng)系統(tǒng)纖維束成像的解剖基礎(chǔ)一、腦內(nèi)主要的聯(lián)合、連合纖維束1、橫向聯(lián)合纖維胼胝體前聯(lián)合海馬聯(lián)合第52頁,共86頁，2024年2月25日，星期天2、投射纖維向皮層投射的纖維皮層向下投射的纖維第53頁,共86頁，2024年2月25日，星期天3、聯(lián)合纖維束短聯(lián)合纖維第54頁,共86頁，2024年2月25日，星期天長聯(lián)合纖維束：弓狀束鉤狀束縱束額枕束扣帶第55頁,共86頁，2024年2月25日，星期天一、顱內(nèi)腫瘤方面顱內(nèi)腫瘤引起的神經(jīng)癥狀是因為腫瘤破壞腦組織的結(jié)構(gòu)和水的成分，細(xì)胞結(jié)構(gòu)的改變和完整性的破壞引起水分子擴散的量和方向性的改變，這些改變可由DTI測量。正常腦組織的平均擴散系數(shù)D低于、FA高于腫瘤組織和水腫組織，趨勢是腫瘤組織和瘤周水腫組織的自由水分增加（高D值）和正常結(jié)構(gòu)丟失（FA減少）第56頁,共86頁，2024年2月25日，星期天DT-FT與BOLD-fMRI的融合

目前主要是用于占位性病變與運動中樞的關(guān)系及占位與皮脂脊髓束的關(guān)系的研究，為手術(shù)時有效的保護(hù)重要的運動功能提供解剖依據(jù)。第57頁,共86頁，2024年2月25日，星期天將來可能要考慮的內(nèi)容語言功能的保護(hù)問題第58頁,共86頁，2024年2月25日，星期天近年大量DTI文獻(xiàn)報道主要集中在術(shù)前評價占位與主要神經(jīng)纖維束的關(guān)系和手術(shù)切除成都方面，研究腫瘤與白質(zhì)纖維束的關(guān)系，從而指導(dǎo)外科達(dá)到評估手術(shù)切除的程度。第59頁,共86頁，2024年2月25日，星期天二、精神性疾病方面精神分裂癥的胼胝體結(jié)構(gòu)異常已證實，F(xiàn)oongJ等對20例患者胼胝體膝部和壓部進(jìn)行DTI分析，表明胼胝體壓部Dcavg升高，而FA減少。胼胝體膝部的Daavg和FA與正常人無明顯差異，說明病變改變是局限性的，同時可排除藥物作用的影響。第60頁,共86頁，2024年2月25日，星期天BabakAA等對14例胼胝體壓部及雙側(cè)海馬旁回的DTI研究，表明FA值減少。近年報道用DTI發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者的腦白質(zhì)呈廣泛性的各向異性減低，特別是額葉前部白質(zhì)。KubickiM等DTI研究鉤狀束，發(fā)現(xiàn)正常人表現(xiàn)為左側(cè)鉤狀束各向異性大于右側(cè)，而慢性精神病患者的鉤狀束各向異性無這一特點，由此可見，精神病患者是聯(lián)系額葉和顳葉之間的纖維束異常。第61頁,共86頁，2024年2月25日，星期天三、脫髓鞘性病變DTI技術(shù)應(yīng)用在脫髓鞘病變方面主要是多發(fā)性硬化（MultiplesclerosisMS），尤其是研究錐體束與病灶的關(guān)系，評價錐體束的損傷程度及其與運動功能損傷相關(guān)功能區(qū)。作者使用相對各向異性（relativeanisotropy，RA）參數(shù)，發(fā)現(xiàn)患者錐體束RA減低，而且，錐體束追蹤的長度較正常人短，說明有錐體束損傷。第62頁,共86頁，2024年2月25日，星期天GuoAC等利用DTI對MS表現(xiàn)正常的白質(zhì)區(qū)研究，表明MS患者的所有白質(zhì)區(qū)的ADC值升高，而FA值減少，DTI在評價MS病灶邊緣優(yōu)于T2WI。第63頁,共86頁，2024年2月25日，星期天四、變性性病變Yoshikawa,K等選擇12例Parkinson`s病患者錐體外系的黑質(zhì)紋狀體投射通路，包括黑痣和豆?fàn)詈?尾狀核復(fù)合體的絕大多數(shù)多巴胺能神經(jīng)元的區(qū)域為興趣區(qū)，所有這些區(qū)域的FA值明顯減少，所以，F(xiàn)A值的改變可用于Parkinson`s病的早期診斷。第64頁,共86頁，2024年2月25日，星期天擴散張量成像用于比較Alzheimer`s病的主要白質(zhì)纖維束的完整性，表明患者的白質(zhì)間的纖維聯(lián)系完整性明顯降低，如胼胝體壓部、上縱形纖維束和扣帶的latticeindex減低，而錐體束相對未見明顯改變，與臨床表現(xiàn)以認(rèn)知能力減退明顯于運動功能障礙的特征一致。第65頁,共86頁，2024年2月25日，星期天五、腦白質(zhì)病對腎上腺腦白質(zhì)營養(yǎng)不良（adrenoleukodystrophy）,DTI可幫助分辨病變的白質(zhì)，同時區(qū)分白質(zhì)的可恢復(fù)和不可恢復(fù)性，并且根據(jù)邊界清楚的組織病理學(xué)進(jìn)行分類。第66頁,共86頁，2024年2月25日，星期天六、腦發(fā)育異常1、胼胝體發(fā)育異常第67頁,共86頁，2024年2月25日，星期天2、左側(cè)額葉后部腦裂畸形，伴右側(cè)偏癱患者運動通路的DTI纖維追蹤和運動區(qū)fMRI研究，結(jié)果表明CST纖維從右側(cè)半球運動中樞皮層發(fā)出，通過放射冠、內(nèi)囊后肢、大腦腳、腦橋前部和延髓前部。第68頁,共86頁，2024年2月25日，星期天七、脊髓的應(yīng)用DTI應(yīng)用于脊髓損傷程度的評價特別引人矚目。脊髓包含的纖維具有均一方向性，但脊髓體積小，同時DTI對腦脊液波動、心臟搏動及呼吸運動偽影敏感，從而給脊髓DTI研究帶來一些技術(shù)上的困難，所以這方面的研究才剛剛起步。第69頁,共86頁，2024年2月25日，星期天Agosta等利用DTI對62歲男性原發(fā)性進(jìn)行性多發(fā)硬化伴頸脊髓空洞癥患者DTI分析（彩色編碼矢狀位圖，藍(lán)色-Z軸方向纖維素，綠色-X軸的水分子運動方向，紅色-Y軸的水分子運動方向），T2WI顯示整條頸髓中央管擴大，中央管周圍白質(zhì)纖維束保留，這一結(jié)果與臨床上患者運動和感覺功能相對保留一致。第70頁,共86頁，2024年2月25日，星期天八、腦卒中方面1、缺血性腦卒中：擴散張量成像可提供軸突結(jié)構(gòu)完整性信息，并且它比擴散成像優(yōu)越是測量的擴散值可反映一系列不同方向上的擴散權(quán)重，特別是擴散張量是一個數(shù)學(xué)整體，可反映所有方向上完整的擴散特征信息。第71頁,共86頁，2024年2月25日，星期天主要是兩個方面：第一、通過測量3個正交方向上的平均ADC值，可得出代表方向性的diffusiontrace:第二、張量成分反映不同方向上的平均ADC變化的范圍或反映擴散方向性或各向異性的程度。第72頁,共86頁，2024年2月25日，星期天最常用的參數(shù)是FA及diffusiontrace.一些研究表明在缺血性腦白質(zhì)病變時，diffusiontrace呈中等程度升高，而FA明顯降低。FA改變的程度可能與臨床相應(yīng)的指標(biāo)有相關(guān)性，尤其是認(rèn)知障礙的程度。第73頁,共86頁，2024年2月25日，星期天監(jiān)測FA減少程度和Trace的升高也許可幫助評估病變的進(jìn)程和病程早期的病理生理學(xué)的改變。DTIFA和平均擴散值可觀察影像學(xué)上表現(xiàn)正常的白質(zhì)（normal-appearingwhitematter,NAWM）和皮層下白質(zhì)改變。室旁白質(zhì)的D升高，F(xiàn)A值下降，程度和認(rèn)知功能障礙有關(guān)。第74頁,共86頁，2024年2月25日，星期天早期缺血改變繼發(fā)性華勒變性第75頁,共86頁，2024年2月25日，星期天卒中后皮質(zhì)脊髓束順行性退行性改變-華勒變性。表明從CST遠(yuǎn)端向腦內(nèi)梗死灶方向的通路上，F(xiàn)A值減低，而平均擴散值相對保