MR弥散张量成像技术及其临床应用

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润性特征不明显, 其大 多不增 强, 也没 有水肿, 对 周围 脑组 织所造成的形响较少。肿瘤本身和其周 围的水肿造 成脑组织 细胞结构和完整性改变, 从而 导致水分 子的弥 散方向 和幅度 的变化。同肿瘤组织 和其周 围的 水肿相 比较, 正 常大脑 白质 组织表现为低 ADC值和 高 FA 的 值, 这是由 于在 肿瘤组 织和 其周围的水肿区域, 自 由水成 分增 加 ( 导致 高 A DC 值 ) 和正 常组织结构的丢失 (导致低 FA 值 )所致 [ 10]。 4. 2. 2 脑膜瘤: 脑膜瘤为较局限的脑外肿瘤, 质地较硬, 边 缘 光整, 略呈分叶状。良性脑膜瘤不 侵蚀脑实质, 但可 使灰质受 压变形。非典型及间 变性脑 膜瘤 易复发、并 具有 侵袭性 生长 的特性。良性脑膜瘤 ADC值较高, 往往 等于或 高于对 侧正常 脑组织的 ADC 值; 恶性脑膜 瘤 ADC 值较低, 等于或 低于对侧 正常脑组织的 ADC 值, 在 DW I上为 高信 号。虽然 良、恶 性脑 膜瘤 ADC值范围有较大的重叠, 但 ADC值的测定仍然有助于 临床良、恶性脑膜 瘤的 鉴 别。良、恶性 脑膜 瘤水 肿区 ADC 值 相近, 均表现为 ADC 值降低, 无显著性差异 [ 11] 。 4. 3 脑白质病 4. 3. 1 多发性硬化 (M ultip le Sclero sis, M S) : M S具有多种形 式的 DW I、ADC和 FA 信号变化。在急性 期有增 强的斑 块, 由 于血管源性水肿、脱髓鞘、轴索脱失, 弥散明显 增加, 在慢性期 无强化的斑块, 组织丢失增加了平 均弥散值, 同时神 经胶质增 生和轻度炎性反应使弥散降低。因此, FA 在 急性期的 斑块中 要低于慢性期的斑块, 而 且在急 性期 和慢性 期的 鉴别中 更加 精确。但在超急性期, 再髓鞘化、炎细胞浸 润和髓鞘 崩解产物 可导致弥散减 低。在 白 质 M R 表现 正 常的 多 发 性硬 化 患者 中, 存在 微弱的 组织学 变化, 如弥 漫的星形 细胞增 生, 斑片状 水肿, 血 管周围 炎性浸 润, 胶质增 生, 髓 鞘异常 变薄及 轴索脱 失等, 故有较 高的 ADC 值。 FA 图中 白质束 显示 欠佳能 反映 组织完整性的广泛改变, FA 值 降低的范围 要比传统 M R 序列 所见的异常信号的范围更加广泛 [ 12]。 4. 3. 2 脑白质 营养 不良 ( L eukodystropies) : DT I可 以很 好地 评价髓鞘 发 育 不良 或 脱 髓 鞘的 疾 病。 在白 质 受 累 的 区 域, A DC和 FA 都有显著异 常, 病变的核 心和周 边部位 的 A DC和 FA 也有一定的差别, 其变化与病理组织 学相一致 [ 12] 。 4. 4 变性性疾病 4. 4. 1 阿尔 茨海默 病 ( A lzhe im er D isease , AD ): AD 是 大脑 最常见的变性病, 是成人痴呆的 一个主要 原因, 传统 M R 表现 为颞叶前部和海马区 的萎缩 和异 常高信 号, 但其 对早期 发现 A D 病的敏感性和特异性 不高。在 轻度 或早 期 AD, 颞叶 脑白 质的 FA 值可以有明显降 低, 并与临 床的严重 程度 密切相 关。 颞叶脑白质早期的轴索膜或髓鞘破坏和 脱失造成纤 维密度降 低, 被认为是 FA 降 低的 可能 原因。海 马体的 ADC 值变 化未 见显著性差异 [ 12] 。 4. 4. 2 肌萎缩侧索硬化 ( Am yotroph ic L atera l Sclerosis, AL S): A LS是一类进行性肌肉无力, 伴有球麻 痹症状的 疾病, 通常在 发病后 6年 内死亡, T2W I可 在内 囊后 肢、大脑 脚等 皮质 脊髓 束走行区发现异常高信号。 DT I则对皮 质脊髓 束变性 的范围 和严重程度有很大帮助, 并利于早期发现。在 T2W I信号变化 之前即可获得 ADC的升 高和 FA 的降低, 这 些微 小变化 反映
吉林医学 2008 年 11月第 29 卷第 21期
液各向异性最低则为 低信号。 2. 6 ADC 图: 在 DW I常用参数为 D、b, 其中 D 为扩散系数, b 值为扩散梯度因子 ( diffusion gradient factor) 。 D 值反 映水分 子的扩散运动能力, 指 水分 子单位 时间 内自由 随机 扩散 运动 的范围, 单位 mm2 /s。 D 值越大, 水分 子的扩散 能力越强, 信 号下降越多。在活体中, 扩散是 多种因 素的综 合作用, 因此 , 所测 D 值不 完 全 代表 扩 散, 所 以 用 表 观扩 散 系 数 ( apparent d iffusion coefficient, ADC ) 来 表 示人 体中 所 测得 的 D 值, 用 ADC 来描述每个 体素 内分 子 的综 合微 观 运动。 之所 以加 上 表观 二字是由于影响水 分子运 动 ( 随机与 非随机 ) 的 所有 因素都被叠加成一个 观察值。 以 ADC ( A pparent d iffus ion co e fficien t )值为图像信号强度可以拟 合出 ADC 图, 直接反 映组 织水扩散的 快慢。故 扩散 速 率快, ADC 值 越大 , ADC 图信 号 越强, 灰度高 (越亮 ) , 如脑脊液为高信号, 而脑白质为低信号 , 与 FA 图信号 相反。临 床上 ADC 图常与 FA 图联合应用。 2. 7 DT I用其他参 数: 成 像的图 有各向 同性图、容 积比 异向 性图、衰减指数图、最大特征值 图等 [ 1]。
4 DTI临床应用价值 4. 1 脑梗死: DW I在 急性 期脑 梗死的 诊断 中具 有其 他影 像 学检查方法, 比如 CT、常 规 M R I无 法比 拟的 优 势。 DT I可 以 定量分析梗死区域及 其周围脑组织 的水分 子弥散 的改变, 并 利用弥散张量所得 数据 可以进 行大 脑白质 束成 像, 可以 获得 大脑白质纤维通道 的方 向和完 整性 的信息 , 可 立体 直观 梗塞 灶与白质纤维之间的可以帮助 临床更好地治 疗患者和 预测预 后 [ 2] 。 Y angQ 等发现急性中风患者的 AD C值和 FA 会 随时间 有不同的 变化 , 主要 有三 种情 况: ∀ A DC 降低, FA 升 高; # ADC、FA 均降低; ∃ ADC 升高, FA 降低。 FA 的变化与 缺血损 伤的严重程度 有关, 并能 预测 中风的 结果。 笔者 推测, FA 的 水平可以反映细胞肿胀、胞膜降解的程 度, 即 缺血性损 伤的严 重程度 [ 9] 。 4. 2 脑肿瘤: 由于 脑肿 瘤可 使脑 组织 的细 胞结 构和 水成 分 发生变化, 包括自由水的增加和组织结 构的丧失, 及肿 瘤间质 内细胞外水分子运 动的受 限, 从 而可 以用 DT I 来评 价肿 瘤组 织和肿瘤周围脑组织 病理改变。直观显示肿 瘤与周围 的大脑 白质纤维的关系, 构画肿瘤的边界, 观察肿瘤 与白质纤 维通道 之间的关系, 以更好地指导手术 [2] 。 4. 2. 1 胶质瘤: 胶质瘤是发 生在脑 组织的最 常见的 肿瘤, 高 级别胶质瘤浸润性生 长明显, 往往 表现为 明显的 强化和 肿瘤 周围的水肿, 从而对周围 组织造 成破坏, 而低 级别 胶质 瘤浸
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1 DTI基本原理 DT I是在 DW I( D iffusion w e ighted im ag ing )技 术基 础上 发
展起来的一种新的 磁共 振成像 技术, 其 可以在 三维 空间 内定 时定量地分析组织内 水分子弥散特性。活体 组织中结 构的不 同从而影响水 分子 自由 弥散 的方 向和 速率, 这 种差 异是 DT I 成像的基础, 并为 其所 检测 并转 为图 像和 各参 数值。 DT I 为 三维信息的 采 集, 因 此 至 少要 在 6 个 方向 施 加 弥 散敏 感 梯 度 [ 1] 。 1. 1 弥散的 概念: 弥散是人 体重要 的生理 活动, 分子的 弥散 运动表现为随机平移 运动, 即布朗运动 ( Brow nian m otion)。弥 散的方式分为两种: 一种是指在完全均 质的溶液 中, 分 子的运 动由于没有障碍, 向各个方向运动的距 离是相等 的, 此 种弥散 方式称为各 向同性 ( iso trop ic )弥 散, 例 如在 纯水溶 液、脑脊 液 及大脑灰质中, 水分子的弥散呈现为各 向同性, 各向同 性用扩 散张量的踪迹 ( trace of diffusion tensor)来描述, 与各个方向平 均 A DC( A pparent d iffusion co efficient )值成正比。另一种弥散 具有方向依赖性, 如在 其障 碍物是 具有 高度按 方向 排列 的组 织 中, 分子 向各 个方 向弥 散的 距离 不相 等, 则称 为各 向异 性 ( an isotropic) 弥散 [2] , 在神 经纤 维组 织, 水 分子 因受 髓鞘、轴 索排列方式等影响, 表 现为 沿纤维 走行 方向的 扩散 比与 其垂 直的方向更容易。在脑内不同 结构的神经纤 维其各向 异性不 同, 如胼胝体、锥体束、内囊前肢、半卵圆中心的各向 异性依次 降低 [ 3] 。弥散的各向异性与脑白质内神经 纤维的直 径、密度 、 神经胶质细胞的密 度和 磷脂化 程度 有关, 主要 与神 经纤 维的
方向和结构有关 [ 4] 。 1. 2 弥散张量 : 张量 ( tenso r) 一词来源于物理学和工程学 领域 [ 5], 它是利用一组 3D 矢量来描述固体物质内的张力。由 于组织弥散的各向异性, 弥散不能 用单一参数 表述, 需要用弥 散张量 D 来表述。 D 可以完全反 映分子沿各个方向 的弥散及 其之间的相互关系。弥散张量可用以下公式来表达 [ 6] :
[ 收稿日期: 2008- 03- 10 编校: 李晓飞 郑英善 ]
MR 弥散张量成像技术及其临床应用
赵庆雪 综述, 谷艳英 审校 (吉林大学 第一医院放射线科, 吉林 长春 130021)
[关键词 ] M R 弥散张量成像; 临床应用 M R 弥 散张量 成像 ( d iffusion tenso r im ag ing , DT I) 是 近 年来迅速发展 的一种 M R 新的检 查技 术, 可 从微 观的 领域 评 价组织结构的完整 性, 是功 能磁共 振成 像的一 个重 要组 成部 分。目前, 主要应用于 脑各 方向白 质纤 维和白 质纤 维束 的评 价, 且逐 渐扩展到 人体的 其他部 位, 可以为疾 病的诊 断、治疗 及预后提供更 多信 息。本文 将对 DT I成像 的基 本原 理、应 用 范围及临床应用价值 进行综述。
2 DT I分析的常用参数 2. 1 部分 各向 异性 ( fraction an iso tropy, FA ): 是 指 水分 子各 向异性成分占整个弥 散张量 的比 例, 表现为 各向 异性的 扩散 系数的一小部 分。为 定量 分析 各向 异性 的 最常 用 参数。 FA 的值为 0~ 1, 0代 表最大各向同 性的弥 散, 1代 表假想 下最大 各向异性的弥散。在脑白质中 FA 值与髓鞘的完整性、纤维的 致密性及平行性呈正相关。 2. 2 相对各向异 性 ( relative an isot ropy, RA ): 为各向异 性和 各向同性成分的比例。 2. 3 各向异性指数 ( an iso t ropy index, A I): 等于 1- VR , 因 此随各向异性的增加而增加。 2. 4 最大特征值: 代表平 行于纤 维束走 行方向 上的扩 散率, 它随 b值的增加而降低, 随 着 b 值的 增加灰 白质 间最大 特征 值的差别缩小。 2. 5 FA 图: DT I 最常用图, 以 FA 值为 图像信 号强度 可以拟 合出 FA 图, 直接反 映各向异性的比例 (程度 ), 间接反 映组织 水扩散的快慢。故扩散 速率 快, FA 值 越大, FA 图信 号越 强, 灰度高。在 FA 图中, 脑 白质各 向异性 最高为 高信 号, 而 脑脊
3 DTI的应用范围 DT I 技术 是 目前 惟一 能 在活 体中 显 示神 经纤 维 束的 走
行、方向、排列、髓鞘等信息 [ 7] , 被广泛应用于 中枢神经 系统的 组织形态学 和病理学研究。 FA 图 FA 值在 T1、T2加权正常时 , 就能发现白质早期损 伤的病理 改变。 DT I还可为 临床治 疗和 预后提供重要参考价 值。 DT I还 有能精确了解心肌、骨骼肌的 纤维显微结构 [ 8], 是目前活体内惟一显示肌纤维 的方法, 还有 助于解开心脏电传导 结构之谜 [ 1]。
D xx Dxy Dx z D = D yx D yy Dy z
D zx D zy D zz Dxx 、D yy、D zz代表 X、Y、Z 三个方向分子弥 散运动, 非对角量 Dxy、Dx z、Dy z表示某一方向的 弥散与垂 直方向 分子位 移的关 系。由于 Dxy = Dyx , Dx z = D zx , Dy z = D zy , 所以在定量测 量时, 只要得到其中 6个不同成分就可以计算出弥散数值 [ 2]。
[ 21] Cow an M J, K ogan H, Burr R, et a .l Pow er spectra l ana ly sis o fHRV after b io feedback tra ining[ J]. J E lec trocardio,l 1990, 23: 85. [ 22] Y usu f S, Pe to R, L ew is J, e t a.l Beta blockade during and afte r myocardia l in farc tion[ J] . Prog Ca rdiovasc D is, 1985, 27: 335. [ 23] 张国伟. 心率变异在老年心脏病诊断中的应 用 [ J] . 吉 林医学, 2006, 9: 1049 [ 24] 胡 桃 红. 心 率 变 异性 [ J]. 临床 心 电 学 杂 志, 1995, 4 ( 1) : 23