大脑白质纤维磁共振弥散张量纤维束成像初步研究

・论著・
作者单位:200040上海,复旦大学医学院附属华山医院放射科
(何光武现工作于上海市第一人民医院宝山分院放射科)
大脑白质纤维磁共振弥散张量纤维束成像
初步研究
何光武　沈天真　陈星荣
【摘要】　目的　利用磁共振弥散张量纤维束成像技术,研究大脑主要白质纤维束的正常形状、结构及脑内肿瘤所导致的异常改变。

方法　分别对10名正常志愿者(男5例,女5例。

年龄为24～
65岁,平均4019岁)和28例颅内肿瘤患者(男9例,女19例,年龄11岁～77岁,平均4310岁)进行
弥散张量成像,将所得数据输入个人计算机,应用日本东京大学附属医院放射科影像计算和分析实验室所研制的软件:Volu me 2one1156和diffusi on TE NS OR V isualizer 115(dT V )进行大脑白质纤维束成像。

结果　本研究成功的在活体显示大脑主要的白质纤维束,联络纤维有弓状纤维、扣带束、上纵束、下纵束和下额枕束;投射纤维则主要显示皮质脊髓束;连合纤维主要是胼胝体。

颅内肿瘤累及的白质纤维束有弓状纤维、上纵束、下纵束、扣带束、皮质脊髓束、外囊、视放射和胼胝体。

白质纤维束的异常改变分为4个类型:破坏+浸润7例、破坏+移位10例、浸润+移位3例、移位8例。

结论　弥散张量纤维束成像可以显示正常人大脑的主要白质纤维束、颅内肿瘤所造成的白质纤维的异常改变,为白质纤维束的研究开辟了一新的的广阔领域。

【关键词】　磁共振成像;　脑肿瘤;　弥散张量纤维束成像;　大脑白质纤维
D i ffusi on ten sor track i n g of cerebra l wh ite ma tter f i bers:a preli m i n ary study H
E Guang 2w u,SHEN T ian 2zhen,CHEN X ing 2rong .D epart m ent of Radiology,Huashan Hospital,Fudan U niversity,Shanghai 200040,China
【Abstract 】　O bjecti ve To study the efficacy of diffusi on tens or tracking (DTT )in study of the nor mal and abnor mal cerebral white matter fiber .M ethods Ten nor mal adult volunteers,5males and 5fe males,aged 40.9(24～65),and 28patients with cranial tu mors,9males and 19fe males,aged 43.0(11～77),under wentMR diffusi on tens or .The data thus obtained were transferred t o a pers onal computer and p r ocessed with dT V.Results The main cerebral white matter fiber path ways were successfully observed .A ss ociati on fibers,including arcuate fibers,cingulu m,superi or and inferi or l ongitudinal fasciculus,and inferi or fr ont o 2occi p ital fasciculus,comm issural fibers (cor pus call osu m ),and p r ojecti on fibers (corticos p inal tract )were revealed .The arcuate fibers,cingulu m,superi or and inferi or l ongitudinal fasciculus,corticos p inal tract,external cap sule,op tic radiati on,and cor pus call osu m were all involved by intracranial tu mors .The abnor mality of cerebral white matter could be classified int o 4gr oup s:disrup ti on +infiltrati on (7cases ),disrup ti on +dis p lace ment (10cases ),infiltrati on +dis p lace ment (3cases ),and dis p lace ment (8cases ).Conclusi on DTT is useful for showing the main nor mal and abnor mal cerebral white mater fiber tracts,thus opening a ne w field f oe research of cerebral white matter fiber in vitr o .
【Key words 】　Magnetic res onance i m aging;　B rain neop las m s;　D iffusi on tens or tracking;Cerebral white matter fiber
弥散张量纤维束成像(diffusi on tens or tracking,DTT )是新近应用的非创伤性研究活体大脑白质纤维的技术,它是弥散张量成像(diffusi on tens or i m aging,DTI )应用领域的拓宽,主要用于在活体研究大脑白质纤维的轨迹、形状、结构、位置、局部解剖
和它们之间的相互连接。

自从1999年Mori 等[1]
首
次报道了动物大脑白质纤维的DTT 研究以来,已有
不少关于DTT 研究的基础和临床应用报道[224]。

本研究使用Signa VH /i 3TMR 扫描仪(美国GE 公司)所得的DTI 数据,研究正常成人大脑白质纤维束的形态、走行和方向以及颅内肿瘤所引起的大脑白质纤维的异常改变。

对象与方法
11对象:肿瘤患者为上海华山医院2003年6
月至2004年3月手术病理证实者,共28例,男9例、女19例,年龄11～77岁,平均为4310岁。

10名正常志愿者,男5例,女5例,年龄范围为24～65岁,平均为4019岁。

所有志愿者均无任何脑部疾病和手术史。

所有志愿者及患者均被告知并同意此项研究。

21机器和扫描参数:采用Signa VH/i310T MR
扫描仪(美国GE公司)。

应用标准头部正交线圈,让志愿者及患者头部固定,并在他们耳内塞一适当大小的棉球,以减少噪音的影响。

全部志愿者及患者均行常规T
1
W I、T2W I、F LA I R,肿瘤患者最后给予
增强后T
1
W I扫描,正常志愿者不给予增强扫描。

首先进行平扫,T
1
W I扫描参数为TR/TE=360/15 m s,层厚8mm、层间距2mm,矩阵为384×192,F OV
为240×180mm,1次采集。

T
2
W I扫描参数为TR/ TE=2200/2213m s,层厚8mm、层间距2mm,矩阵为480×256,F OV为240×180mm,1次采集。

F LA I R扫描参数为T R/TE=10002/162m s,层厚8 mm、层间距2mm,矩阵为320×192,F OV为240×240mm,1次采集。

DTI扫描采用单次激发SE EP I 序列,扫描参数为TR/TE9999/8912m s,矩阵128×128,F OV240×240mm,1次采集,b值=1000s/ mm2,弥散敏感梯度方向数13个,层厚5mm、层间距0mm。

31图像后处理:将10名志愿者和28例患者扫描所得DTI的D I COM格式数据输入个人计算机,首先应用自动图像配准(aut omated i m age registrati on, A I R)软件对所有图像进行移动校正,以去掉在扫描过程中由于患者头部移动所导致的图像配准不良(m isregistrati on);其次利用高斯过滤技术(gaussian filtering)进行降噪处理,以提高图像的信躁比,从而使得大脑白质纤维、灰质和脑脊液之间具有更好的对比。

然后应用日本东京大学附属医院放射科影像计算和分析实验室所研制的软件:Volume2one1156和diffusi on TE NS OR V isualizer115(dT V)进行后处理,在z2轴方向进行插值计算,使每个体素呈立方形(大小约019×019×019mm),通过运算可以获得各向异性图(fracti onal anis otr opy,F A图)和方向编码彩色图(directi onally encoded col or,DEC图),在DEC图中红色代表左右走行的纤维束,绿色代表前后走行的纤维束,蓝色则代表上下走行的纤维束。

在F A图和DEC图像的基础上,根据蒋文华等[5]主编神经解剖学关于大脑白质纤维束的解剖描述,用“种子点(seed)”标记所要显示的白质纤维束和病灶累及的白质纤维,计算机自动追踪纤维束,获得大脑白质纤维束图像,为弥散张量纤维束成像图,本研究称之为DTT图。

本研究所用软件的纤维自动追踪终止的条件为:0118<F A值<1100、0100<ADC 值<0101、0100<S
<100010。

由3位熟悉DTI和DTT图像的神经放射医生利用F A图、DEC图和DTT图,辨识正常志愿者大脑的主要白质纤维束、占位病变与白质纤维束之间的关系。

正常大脑白质纤维,联络纤维主要显示弓状纤维、扣带束、上纵束、下纵束和下额枕束;投射纤维主要显示通过内囊的纤维,以显示皮质脊髓束为重点;联合纤维则着重显示胼胝体。

41颅内肿瘤所致白质纤维的异常有3种基本改变形式,分别是破坏、浸润和移位,其定义为:(1)破坏:是指肿瘤所在部位白质纤维消失,为肿瘤组织所占据或各向异性明显降低,不能辨认;(2)浸润:是指与对侧相应部位的正常白质纤维比较,病侧白质纤维的位置和形态异常,且信号降低;(3)移位:是指与对侧相应部位的正常白质纤维比较,病侧白质纤维位置和形态发生改变,但信号正常。

结果
10名志愿者均成功进行了DTI扫描,通过计算机进行后处理可以清晰显示大脑内的主要白质纤维束。

大脑白质纤维主要分为3类:联络纤维、投射纤维和连合纤维。

本研究成功的显示了扣带束(图1)、上纵束、下纵束、内囊(图2)和胼胝体(图3)的形态、走行和方向。

其中显示扣带束以正中矢状面较清楚,由于该纤维束为前后走行,在DEC图像上呈绿色,位于胼胝体上方,呈“新月状”,冠状面可上呈圆点状。

内囊是投射纤维在大脑的集中部分,通过内囊前后肢的纤维束的走行方向不一致,在F A 图上,内囊前后肢之间差别不大,前肢显示较短,但DEC图则明显不同,前肢纤维以前后走行纤维较多,呈绿色,而后肢主要容纳上下走行的纤维,则在DEC图上以呈蓝色为主,但由于可能混杂其它方向走行的纤维束,有的部位呈现紫色,这与经典的解剖结构相符合。

观察内囊在DEC图以横断面为最佳,在横断面上内囊呈“<”,两侧对称,而在DTT图上则以矢状面和冠状面较佳(图2)。

胼胝体主要含有左右走行的纤维束,在DEC图上呈现红色,易于辨认。

在大脑正中矢状面上略呈钩形,前端弯曲呈钩状者为嘴,弯曲部为膝部,中部为体,后端稍形膨大为压部。

进行DTT成像,在横断面、冠状面和矢状
图1　示扣带束　1A:DEC图,分别于矢状面、横断面、冠状面显示扣带束,尤以矢状面显示最全面,呈“新月状”;1B:DTT图 图2　示内囊　2A:DEC图,横断面可见内囊前肢呈绿色,提示纤维束的走行方向为前后走行,内囊后肢则呈蓝色,说明纤维束主要以上下走行为主,主要为皮质脊髓束;2B:DTT图的冠状面 图3　示胼胝体　3A:DEC图,3B:DTT图;横断面DTT图显示胼胝体呈“蜈蚣状”
面均可显示胼胝体,尤其在横断面可以显示胼胝体
全部(图3),呈“蜈蚣状”。

28例颅内肿瘤所累及的主要白质纤维束有弓
状纤维、扣带束、上纵束、下纵束、皮质脊髓束、外囊、
视放射、胼胝体,其所造成的白质纤维的改变(图4,
5)和肿瘤的病理类型如表1。

表1　28例颅内肿瘤所致白质纤维束的改变统计
白质纤维束改变类型病变例数病理类型
破坏+浸润7胶质母细胞瘤5例,恶性淋巴瘤2例
破坏+移位10星形细胞瘤6例,少枝胶质细胞瘤3例,胶质母细胞瘤1例
浸润+移位3脑膜瘤3例
移位8脑膜瘤8例
讨论
由于DTT是新近应用的磁共振弥散成像技术,其名称尚欠统一,例如有作者称为纤维跟踪技术(fiber tracking)或白质纤维束成像(tract ography)等,本文称为弥散张量纤维束成像,简称DTT。

DTT成像的基本原理是假设弥散张量成像中的最大本征值(λ1)代表局部占优势的纤维轴索的走行方向。

Mori等[1]最早于1999年利用动物进行试验,成功的显示了大脑白质纤维的3D结构。

目前,白质纤维束成像大致可分为两种方法[6]:
一种为线图4　左侧颞叶恶性淋巴瘤　4A:DEC图,4B:DTT图;该病灶位于左侧颞叶偏内侧,呈类圆形,周围水肿明显,增强后明显强化,由A 和B图可见左侧下纵束和外囊明显破坏
形扩展法(line p r opagati on techniques),该方法是将局部张量信息作为扩展的一个步骤;另一方法为能量最小法(energym ini m izati on techniques),其法为
图5　左侧顶部脑膜瘤　5A:DEC图,5B:DTT图;从图像上可见肿
瘤对周围白质纤维推压、移位,未见破坏征象;从B图上可见肿瘤
周围的白质纤维受压呈弧形,未见中断破坏
应用最小的能量发现两个预先设定的象素之间的最佳通道,又分为两种方法:快速行进法(fast marching technique,F MT)和模拟退火法(si m ulated annealing app r oach,S AA)。

本研究所用方法即为线形扩展法,首先设定“种子点”和纤维束追踪终止条件,而后计算机自动将标记的纤维束进行三维显示。

“种子点”是指欲要显示的白质纤维的起点,其实质为所感兴趣的白质纤维。

由于大脑白质纤维结构复杂,许多纤维相互交叉、重叠,在一个部位可以包含有多种纤维,比如在内囊部位就容纳了多束纤维。

因此“种子点”的选择非常重要,本研究在选择“种子点”时,遵循以下原则:(1)没有明确起点和终点的白质纤维,在DEC图像上,以显示与该纤维束走行相垂直的最清楚的断面为标志,选取“种子点”,如进行胼胝体三维成像时,就是以正中矢状面所显示的胼胝体为“种子点”,而进行扣带束三维成像时则在冠状面上选取“种子点”。

(2)如果所要显示的纤维有较多交叉纤维时,则再选择另一“种子点”,即选择一适当终点,以去除多余的交叉纤维。

纤维追踪终止的条件可有多项标准[7],比如扩展的步骤数(number of p r opagati on step s)、局部区域的F A值(l ocal anis otr opy measures)、相邻的扩展矢量之间的角度(angle bet w een adjacent p r opagati on directi on vect ors)、T2值等等。

有关F A值作为追踪终止条件的大小,各家报道有所不同,如Mori等[8]在研究白质纤维束时所用的追踪终止的F A值的大小为0125,而Hendler等[9]进行纤维束成像时所用F A阈值的大小则为0124。

改变F A值的阈值,将影响所要显示的白质纤维束的形态,这需要进一步的研究。

DTT除用于显示正常大脑白质纤维外,亦用于对病理状态的研究。

通过DTT可以显示病灶对周围白质纤维的破坏及其病灶与邻近白质纤维束之间的关系,有利于治疗方案的制定和患者预后的预测。

本组28例颅内肿瘤累及7条主要的白质纤维束,病灶位置不同所累及的纤维束亦不同,发生在额叶的肿瘤多累及上纵束和病灶局部的弓状纤维,当病灶位置较深时,则累及胼胝体膝部、内囊前肢、外囊等,本研究累及额叶白质纤维束的病灶共有18例。

发生在顶叶的肿瘤多累及上纵束和局部弓状纤维,当病灶位置较深时,累及胼胝体压部、内囊后肢、外囊,本研究有3例。

发生在枕叶的肿瘤累及上纵束后部和胼胝体压部,本研究有1例。

而发生在颞叶的肿瘤则往往累及下纵束,本研究有6例。

虽然颅内肿瘤所导致的白质纤维束的基本改变形式为破坏、浸润和移位,但是由于肿瘤大小、良恶性及周围水肿等因素的影响,某一种肿瘤所引起的白质纤维束的异常改变往往并不表现为一种形式,可能在同一病灶可以发现两种或两种以上的白质纤维束的异常改变。

本研究根据F A图、DEC图、DTT 图,将28例颅内肿瘤所引起的大脑白质纤维的异常改变分为4个类型:破坏+浸润、破坏+移位、浸润+移位、移位。

其中破坏+浸润型:主要见于高度恶性的肿瘤,本研究有7例,其中胶质母细胞瘤5例、恶性淋巴瘤2例。

破坏+移位型:主要见于低度恶性肿瘤,这是因为当肿瘤恶性程度较低时,其周围水肿往往不明显,因此,除病灶所在部位大脑白质纤维有破坏外,其周围的白质纤维呈现为移位改变,该类型本研究共有10例,其中星形细胞瘤6例,少枝胶质细胞瘤3例,胶质母细胞瘤1例。

W ieshmann 等[10]研究了1例胶质瘤的脑白质纤维的走行方向的变化,发现肿瘤旁边的白质纤维的走向发生了偏移,该作者认为这是由于占位效应所致,而非白质纤
维被破坏。

浸润+移位型:浸润既见于恶性肿瘤又见于部分良性病灶有明显水肿者,大多是由于病灶周围的水肿所致,本研究本类型有3例,均为脑膜瘤,病灶较大,其周围有大量水肿,除引起周围的白质纤维束移位外,还导致白质纤维束出现浸润改变。

移位型:主要见于脑膜瘤,本研究共有8例。

一般认为,脑膜瘤为轴外肿瘤,其所导致的白质纤维束的改变主要表现为移位,图5显示左侧顶部脑膜瘤,病灶呈圆形,周围未见明显水肿信号,增强后明显强化。

F A图及DEC图可见病灶推压周围白质纤维,DTT 图可见病灶与周围的白质纤维关系紧密,白质纤维移位呈弧形,未见到破坏征象。

洪迅宁等[11]认为脑膜瘤所致白质纤维的改变并不是预想的那么简单,在良性脑膜瘤,病灶生长缓慢,周边脑实质受压向内侧移位,白质纤维束的改变分为3种形式:轻度受压、受压明显、和周围水肿明显而F A值轻度下降。

W it w er等[12]利用彩色编码DT(col or2coded DT i m aging)图像研究9例颅内肿瘤的白质纤维束的改变,其将白质纤维束的改变分为4种:移位、水肿、浸润和破坏。

该作者通过分析不同类型的脑内肿瘤所导致的大脑白质纤维的改变及其与肿瘤的关系,认为DTI技术可以直观显示大脑白质纤维束通道,对于外科手术方案的制定和手术过程中避免损伤周围重要白质纤维束具有很大的帮助。

DTT是新近应用的一种白质纤维的显示方法,具有广阔的应用前景,且可以与其它磁共振技术联合应用,如有部分作者将DTT和DTI技术与功能磁共振(functi onal magnetic res onance i m aging f M R I)相结合来研究病灶与周围白质纤维和功能区的关系,以指导手术[9,13]的进行。

参考文献
1Mori S,Crain BJ,Chack VP,et al.Three2di m ensi onal tracking of
axonal p r ojecti ons in the brain by magnetic res onance i m aging.Ann Neur ol,1999,45:2652269.
2Contur o TE,Lori NF,Cull TS,et al.Tracking neur onal fiber pathways in the living human brain.Pr oc Natl Acad Sci US A,1999, 96:10422210427.
3Basser PJ,Pajevic S,Pier paoli C,et al.I n vivo fiber tract ography using DT2MR I data.Magn Res on Med,2000,44:6252632.
4Mori S,Frederiksen K,van Zijl PC M,et al.B rain white matter anat omy of tumor patients evaluated with diffusi on tens or i m aging.
Ann Neur ol,2002,51:3772380.
5J iang WH,eds.Neur ol ogy.Shanghai:Fudan University Publishing house,2002.3462355.
　蒋文华,主编.神经解剖学.上海:复旦大学出版社,2002.3462 355.
6Mori S,van Zijl PC M.Fiber tracking:p rinci p les and strategies2a technical revie w.NMR B i omed,2002,15:4682480.
7Masutani Y,Aoki S,Abe O,et al.MR diffusi on tens or i m aging:recent advance and ne w techniques f or diffusi on tens or visualizati on.Eur J Radi ol,2003,46:53266.
8Mori S,Kauf mann W E,Davatzikos C,et al.I m aging cortical ass ociati on tracts in the human brain using diffusi on2tens or2based axonal tracking.Magn Res on Med,2003,47:2152223.
9Hendler T,Pianka P,Sigal M,et al.Delineating gray and white matter involve ment in brain lesi ons:three2di m ensi onal alignment of functi onal magnetic res onance and diffusi on2tens or i m aging.J Neur osurg,2003,99:101821027.
10W ieshmann UC,Sy mm s MR,Parker GJ,et al.D iffusi on tens or
i m aging de monstrates deviati on of fibres in nor mal appearing white
matter adjacent t o a brain tumour.Journal of neur ol ogy,neur osurgery and p sychiatry,2000,68:5012503.
11Hong XN,Shen TZ,Chen XR.D iffusi on MR i m aging in the evaluati on of meningi oma.Chin Comput Med I m ag,2003,9:2122 219.
　洪迅宁,沈天真,陈星荣.磁共振弥散成像在脑膜瘤诊断中的应用.中国医学计算机成像杂志,2003,9:2122219.
12W it w er BP,Moftakhar R,Hasan K M,et al.D iffuai on2tens or i m aging of white matter tracts in patientswith cerebral neop las m.J Neur osurg, 2002,97:5682575.
13Krings T,Reinges MH,Thiex R,et al.Functi onal and diffusi on2 weighted magnetic res onance i m ages of s pace2occupying lesi ons affecting the mot or syste m:i m aging the mot or cortex and pyram idal tracts.J Neur osurg,2001,95:8162824.
(收稿日期:2005202220)
(本文编辑:刘雪松)
・出版信息・
《显微外科技术基础》(VCD)出版发行
《显微外科技术基础》(VCD)已由中华医学电子音像出版社出版发行。

本片由广州南方医院制作,分别介绍了显微外科的应用范围、手术适应证的选择原则、常用的显微外科手术器材、显微外科基本操作技术(包括显微血管吻合术、显微神经缝合术等)及术前准备与术后处理等知识,适用于骨外科、整形外科、脑外科、泌尿外科、妇产科、耳鼻喉科、眼科、试验外科等专业的住院医生、研究生和进修生学习之用。

联系地址:北京东四西大街42号中华医学会电子音像出版社邮政编码:100710。

联系人:郝秀萍,电话:0102 65133608,传真:010*********。