磁共振扩散张量成像在显示正常人脑白质纤维中的应用

磁共振扩散张量成像在显示正常人脑白质纤维中的应用
王海燕 3 ,赵 斌 ,王光彬
(山东省医学影像学研究所 ,山东 济南 250021)
[摘 要 ] 目的 应用 D TI 技术显示正常人脑白质纤维 ,探讨其与解剖学描述的一致性 。方法 20 名健康志愿者行颅脑 MRI 与颅脑单次激发回波平面扩散张量成像扫描 (b 值 = 0 ,500 s/ mm2 ) ,在 Siemens Leo nardo 工作站应用纤维束跟踪软件 (Siemens Standar 12 dirs) 进行后处理重建出白质纤维束 。结果 对主要白质纤维如皮质脊髓束 、皮质核束 、胼胝体 、扣带 、 上纵束 、下纵束 、上枕额束 、下枕额束 、钩束进行模拟显示 ,不同纤维需要选择适合的感兴趣区 、各向异性阈值 、角度阈值 、步 长和体素内采样数目等参数 ,显示结果与解剖学描述具有较好的一致性 。结论 利用扩散张量成像技术可模拟显示正常 人脑白质纤维 ,与解剖学描述具有较好的一致性 ,是在活体中研究人脑白质纤维的一种较可靠的方法 。 [ 关键词 ] 磁共振成像 ; 扩散张量成像 ; 纤维跟踪技术 ; 白质 [ 中图分类号 ] R322. 81 ; R445. 2 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 100323289 (2006) 0921325205
W A N G H ai2y an 3 , Z H A O B i n , W A N G Guang2bi n
( S han don g Me dical I m a gi n g Resea rch I nstit ute , J i nan 250021 , Chi na)
[ Abstract] Objective To visualize t he matter fibers of human brain by diff usion tenso r MR imaging , and to investigate t he co nsistency between t he imaging and anatomic descriptio ns. Methods Twenty healt hy volunteers were examined by MRI and single shot echo2planar diff usio n tensor imaging (b = 0 , 500 s/ mm2 ) , po st p rocessing were made in SIEM ENS Leonardo wo rkstation using SIEM ENS Standar 12 dirs software to reco nst ruct t he white matter fibers. Results Visualizing t he white matter fibers of human brain such as , co rtico spinal t ract , co rtico bulbar t ract , corp us callo sum , cingulum , superior longitu2 dinal fasciculus , inferior longit udinal fasciculus , superio r f ronto2occipital fasciculus , inferior f ro nto2occipital fasciculus , unci2 nate fasciculus. Each fiber need selecting app reciative regions of interest ( RO I) and FA t hreshold , angle t hreshold , step lengt h and number of sampling in a voxel size. The images shown on diff usion tenso r t ractograp hy was well consistent wit h t he anato mic feat ures. Conclusion The white matter of human brain could be visualized by diff usio n tensor imaging in vit ro , wit h t he imaging feat ures being well consistent wit h anatomic descriptions. Diff usion tenso r imaging is a reliable met hod to st udy t he white matter fibers of human brain. [ Key words] Magnetic reso nance imaging ; Diff usion tenso r imaging ; Tractograp hy ; White matter
中国医学影像技术 2006 年第 22 卷第 9 期 Chin J Med Imaging Technol ,2006 ,Vol 22 ,No 9
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Visualizing white matter f iber structure in human brain using diff usion tensor imaging
[ 作者简介 ] 王海燕 (1972 - ) ,女 ,山东潍坊人 ,硕士 ,主治医师 。 [ 通讯作者 ] 王海燕 ,山东省医学影像学研究所 ,250021 。 E2mail : whyott @163. com [ 收稿日期 ] 2006202224 [ 修回日期 ] 2006207230
某些颅脑疾病诊断中有意义[124] ,但观察 FA 彩色编码图需要 对脑白质三维结构知识的充分掌握 。由 D TI 原始数据可以 进行三维白质纤维束重建 ,可以直观观察 、分析纤维束的方向 性及完整性 。 1 资料与方法 1. 1 一般资料 健康志愿者 20 名 ,其中男 12 名 ,女 8 名 ,平 均年龄 31 岁 (22～40 岁) ,所有志愿者均无任何神经系统症 状与体征 ,无长期用药史 ,均为右利手 。MRI 检查均无异常 。 1. 2 扩散张量图像获得及扫描参数 应 用 西 门子 1. 5 T Magneto m Sonata Maest ro Class 超导磁共振扫描仪 ,头部八 通道相控阵线圈 ,首先行颅脑 MRI 扫描 ,取得颅脑 MRI 图像 作为定位识别参照 ,SE 序列行横断面 T1WI ( TR 560 ms , TE 14 ms ) 和 T2WI ( TR 5000 ms , TE 96 ms ) 、FL A IR ( TR
图 1 钩束
图 2 上 1. 2 上纵束 ( superior longit udinal fasciculus , SL F) 上纵 束纤维是联络纤维中最大的一支 ,位于豆状核与岛叶的上方 , 连接额 、顶 、颞 、枕叶皮质 ,纤维在额叶 、顶叶呈纵行前后走行 , 至枕叶弯曲向下至颞叶 (图 2) 。种子点取在内囊上行纤维外 侧前后走行纤维 ,FA 阈值 0. 1 ,角度阈值 65°,步长 0. 5 ,体素 内采样数目 4 。显示率为 20/ 20 。 2. 1. 3 下纵束 (inferior longit udinal fasciculus , IL F) 下纵 束发出纤维连接颞叶与枕叶皮质 。起自枕极附近 ,沿侧脑室 下角与后角外侧壁前行至颞叶 (图 3) 。种子点选取在经乳头 体横断面 FA 阈值 0. 1 ,角度阈值 40°,步长 0. 5 ,体素内采样 数目 4 。显示率为 20/ 20 。 2. 1. 4 扣带 (cingulum) 起自胼胝体嘴下方的嗅旁区皮质 , 沿扣带回的内面走行 ,然后呈弓形围绕整个胼胝体 ,向前延伸 至海马旁回和钩 。扣带连接额叶 、顶叶 、及颞叶 。扣带环绕在 胼胝体上方 ,是大脑半球内侧面的主要联络纤维 (图 4) 。种 子点选取在正中矢状面胼胝体体部上方前后走行纤维 , FA 阈值 0. 1 ,角度阈值 45°,步长 0. 5 ,体素内采样数目 5 。显示率
磁共振扩散张量成像 (diff usion tensor imaging , D TI) 是 利用水分子的扩散运动各向异性进行成像 ,反映活体组织空 间组成信息及病理状态下各组织成分之间水分子交换功能状 况的检查方法 。目前没有其他形态学方法能够提供活体白质 纤维特性 ,因此 D TI 技术对研究脑解剖与诊断白质病变具有 重要意义 。FA 彩色编码图 (orientationbased color coding) 可 以反映脑白质纤维走行 ,对观察白质有一定意义 ,已经证明在
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中国医学影像技术 2006 年第 22 卷第 9 期 Chin J Med Imaging Technol ,2006 ,Vol 22 ,No 9
9000 ms , TE 108 ms) 及 T2WI 矢状面扫描 ,层厚 5 mm ,层间 隔 0. 5 mm 。然后利用 EPI ( single shot echo2planar diff usion tensor imaging) 序列 ,进行 D TI 原始数据扫描 ,梯度场为 40 m T/ m , 切换率为 200 m T/ m/ ms ,采用轴位扫描 ,扫描平面平 行于前后联合间线 ,矩阵 128 ×128 ,层厚 3 mm ,层间距 0 ,层 数 36 层 ,取 b 值为 0 s/ mm2 与 500 s/ mm2 ,除 b 值为 0 的基准 图像外 ,在 12 个方向上施加扩散梯度 ,扫描时间为 4 分 52 秒。 1. 3 纤维束的显示 将采集的扩散张量成像数据传至工作 站 (Siemens Leonardo) ,利用 Siemens 公司配备的纤维束跟踪 软件 ( Siemens Standar 12 dirs) 进行处理 ,利用后处理软件可 以清楚地显示脑 FA 图 、FA 彩色编码图 ,在 FA 彩色编码图 的基础上进行纤维束追踪成像 。彩色编码图可以清晰显示白 质纤维分布情况 , (红色代表左右走行纤维 ,绿色代表前后走 行纤维 ,蓝色代表上下走行纤维) 。在 FA 彩色编码图的基础 上选择恰当的感兴趣区 ,各向异性阈值 、角度阈值 、步长和体 素内采样数目等参数 ,确定种子区后进行纤维束成像 ,利用纤 维束跟踪软件包来进行处理 ,经张量域线性内插建立一个连 续张量域 ,然后自一个种子点开始在最大本征向量方向上向 前 、后方向各延伸一个步长 ,计算步长末端的最大本征向量 , 沿新方向再延伸一个步长 ,多次重复步骤直至符合终止条件 。 利用扩散张量纤维跟踪技术清楚地模拟显示了脑内主要白质 如皮质脊髓束 、皮质核束 、胼胝体 、扣带 、上纵束 、下纵束 、上枕 额束 、下枕额束 、钩束等的走行及起止 。 2 结果 为了提高显示率及最大程度的与解剖学知识取得一致 , 在追踪不同白质纤维时 ,需要不同的后处理阈值 ,如不同纤维 需要 选 择适 合 的 种 子点 、各向 异 性 (f ractional anisot ropy , FA) 阈值 、角度阈值 、步长和体素内采样数目等参数 ,分述于 下。 2. 1 联络纤维 2. 1. 1 钩束 ( uncinate fasciculus , UNC) 连接额叶的额中 、 下回 、眶回与颞叶前部皮质 ,经外侧沟底时弯曲呈钩状 。钩束 前部的纤维与上枕额束前部纤维平行 ,且正好位于其正下方 。 其中间部分纤维在进入颞叶前与下枕额束中间部分纤维毗邻 (图 1) 。在经前联合横断面选取胼胝体前钳外侧前后走行纤 维作为种子点 ,FA 阈值 0. 1 ,角度阈值 65°,步长 0. 5 ,体素内 采样数目 4 。显示率为 20/ 20 。