MRI弥散张量成像(DTI)的基本原理及其在中枢神经系统中的应用_精品医学影像学课件

脊髓
由于脊髓体积小，周围的骨质结构形成 磁化率伪影，呼吸运动和脑脊液波动伪 影等因素为DTI在脊髓中的应用带来挑 战。但随着技术的改进，许多新序列和 扫描方式使用使DTI得以应用于脊髓
DTI的局限性及前景展望
► 可发现一些疾病的早期改变，了解主要传导
通路的损伤程度 , ► 脑肿瘤的术前计划的制订及指导手术 ► 目前DTI最有前景的研究领域还在于将DTI技 术和血氧水平依赖功能fMRI的联合应用于神 经科学的研究方面，为神经科学的研究开辟 了更广阔的前景。
&
b=0
►பைடு நூலகம்
=
b=1000 ADC
ADC反映了水分子的扩散运动的能力,指水分 子单位时间内扩散运动的范围，越高代表水分 子扩散能力越强。
A
B
正常组织 随机运动的水分子---低信号
细胞毒性水肿的组织 运动受限的水分子---高信号
组织内影响水分子弥散的因素
► 细胞内外的体积变化 ► 水分子通过细胞膜的渗透作用 ► 细胞外间隙形态的改变
正常的ADC图
第二类是反映各向异性的参数
1.
部分各向异性指数（fractional anisotropy， FA ）
分析各向异性最常用的参数，指弥散的各向异性 部分与弥散张量总值的比值，反应了各向异性成 分占整个弥散张量的比例，取值在0～1之间，0 代表了最大各向同性的弥散，比如在完全均质介 质中的水分子弥散，1代表了假想下最大各向异性 的弥散
胼胝体>内囊后肢>内囊前肢>外囊>半卵园中心
2、相对各向异性（relative anisotropy，RA） 和容积比（volume ratio，VR） RA为各向异性和各向同性成分的比例。 VR等于椭球体的体积与半径为平均扩散 率的球体体积之比。 两者的取值范围亦在0～1之间 ，RA的意 义与FA相似，越接近1说明水分子的各 向异性程度越高。而VR越接近1说明水 分子的弥散越趋于各向同性 。
DTI成像的基本原理
DWI的原理
MR图像的信号 组织T1、T2驰豫时间、 H1的密度、分子弥散运动
DWI图像 利用扩散敏感梯度脉冲将 水分子弥散效应扩大，来研究不同组织 中水分子扩散运动的差异
其方法就是在常规的MRI序列上施加对弥散 敏感的梯度脉冲来获得
DWI评估弥散的参数 ► 通过两个以上不同弥散敏感梯度值（ b值） 的弥散加权象，可计算出弥散敏感梯度方向上 水分子的表观弥散系数（apparent diffusion coefficient ADC） ADC=In(S低/S高)/(b高-b低)
理论上6次就可以，但是由于噪声的存在，方向越 多，三维空间分布越均匀则数据越准确，目前最 多可以在128个不同方向进行成像
12个方向
42个方向
162个方向
642个方向
DTI的量化参数
► 第一类是平均扩散率
指MR成像体素内各个方向扩散幅度的平 均值，代表了某一体素内水分子扩散的大 小或程度，通常所用的指标就是平均弥散 系数（average diffusion coefficient， ADC），反应了水分子单位时间内扩散运 动的范围，单位是mm2/s，其值越大，说 明水分子扩散能力越强
3、显示白质纤维和肿瘤的相互关系，利 于指导外科手术，这是DTI技术最有 临床价值和应用的前景。
目前有学者利用FA图和彩色张量图将肿瘤 和白质纤维的关系分为4种模式
模式I：患侧纤维的FA值相对于对侧正常或轻微降低
（降低<25％）同时纤维的位置或/和方向发生改变。
模式II：患侧
纤维FA值相对 于对侧明显降 低（>25％）， 同时纤维位置 和方向正常。
F,47y,进行性神志模糊二十 天，意识障碍十五天,考虑脱 髓鞘疾病，药物性脑炎可能
其他
► 精神分裂症，DTI可以显示白质纤维束通路上
连通的异常，表现为病变部位的FA值的降低 ► 慢性酒精中毒，在胼胝体膝部、压部及半卵 园中心FA值均有降低，且FA值与使用酒精的 时间长短有一定的相关性 ► 弥漫性轴索损失，DTI可以显示常规MRI不能 显示的剪切伤，一些研究表明，弥散性轴索 损伤后白质的FA值显著降低，而这些白质在 常规MRI24小时内可显示为正常
胼 胝 体
内囊
扣带回
冠辐射
皮质脊髓束
DTI在中枢神经系 统的临床应用
大脑发育及衰老
出生后大脑仍继续发育、髓鞘化 ，2岁左右基 本完成
► 遵循从下到上，从后到前，从中央到周
围的规律进行髓鞘化 ► 胆固醇逐渐降低，磷脂逐渐增多，最后 形成成熟的髓鞘 ► 在这个过程中，组织的各向异性不断增 加，利用DTI技术，可以定量分析不同部 位脑组织的各向异性程度，显示大脑的 发育过程
侧纤维FA值 相对于对侧 明显减低， 同时纤维的 走向发生改 变
模式III：患
模式IV：患
侧纤维显 示各向同 性或近似 同性，无 法看出走 行方向。
► 模式1为肿瘤挤压周围纤维移位，提示肿瘤
为良性或侵袭性不强的恶性肿瘤。 ► 模式2提示瘤周发生水肿，但不排除有肿瘤 侵入。 ► 模式3提示瘤周纤维被肿瘤侵入。 ► 模式4提示肿瘤破坏瘤周纤维，仅限于恶性 肿瘤，但可以是高级别或低级别肿瘤。
VR图
DTI的彩色弥散张量图
根据体素弥散的 最大本征向量的方 向决定白质纤维走 行的原理，通过将 X、Y、Z轴方向的 主要本征向量分别 配以红、绿、篮三 种颜色
白质纤维束示踪成像 （fiber tractography）
就是利用最大本征向量λ1对应纤维束传 导方向将大脑中神经纤维束轨迹描出来， 实现活体查看和研究中枢以及周围神经 系统的神经通路的连接和连续性 。 其方法：从一个设置的种子位置开始追 踪，直至遇到体素的FA值小于0.2
在新生儿和婴幼儿的大脑白质ADC 值比成人大而空间各向异性比成人小， 随着大脑发育成熟，由于整体水份的 减少和髓鞘化的进程，许多区域的 ADC值降低、而FA值增加 ►并且一些区域的改变要明显早于传统 MRI的T1WI和T2WI的信号改变，被 认为是前髓鞘化的表现
►
Schneider等学者对52名儿童（年龄 段从1天－16岁）行DTI检查，测量 各个区域脑白质的平均弥散率及FA 值，结果发现平均弥散率随年龄增 长而下降，FA值则表现为增加
46Y，F，突发右侧无力十 天，左侧内囊后肢梗塞
DTI不仅可用于脑梗死后白质纤维束，例 如白质纤维束变性的研究，还能用于颅 内灰质微观结构改变的研究。长期DTI 随访观察有助于加深人们对卒中后临床 病理学演变过程的认识
脑 白 质 变 性 疾 病
多发性硬化（MS ）
► 急性期，ADC和FA均下降
北京天坛医院的戴建平等利用DTI技术对 涉及锥体束的36例脑胶质瘤患者术前进 行导航指导外科手术，结果认为白质纤 维示踪技术可以优化手术方案，保护皮 质下重要功能的白质纤维，并可预测患 者临床功能预后。
28，M，星形细 胞瘤，未累及 锥体束，术前 双侧上下肢肌 力均V级，KSP 评分90，术后 肌力 仍为V级， KPS评分提高到 100
57Y,M,考虑左顶叶胶质瘤
53Y,F，胶质瘤
F，28Y，考虑右侧 额颞叶胶质瘤
DTI在脑梗塞中的运用
DWI有助于临床诊断早期、超早期脑梗 死的及时诊断，而DTI在检测脑梗死后 皮质脊髓束损伤有着显著优势
► 梗死区域的FA显著降低，早期平均ADC值降
低，后期增高 ► 与梗死区相联系的的同侧内囊、大脑脚和桥 脑处的皮质脊髓束FA较对侧显著降低，提示 脑梗死后远端的皮质脊髓束可能存在进行性 的Wallerian变性 ► DTI在通过对梗死远端皮质脊髓束FA计算判 断其变性程度，并预测患者的运动功能转归
然而DWI成像只在X、Y、Z轴三个方向上 施加敏感梯度 ，不能完全、正确地评价 不同组织在三维空间内的弥散情况，组织 各向异性程度往往被低估 。
DTI则可以在三维空间内定量分析组 织内水分子的弥散的特性。
DTI的基本原理
两个概念
► 均质介质中水分子的运动是无序随机运
动，即向各个方向运动的几率是相同， 即具有各向同性（isotropy）
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
－水分子垂直于神经纤维 走向的弥散运动困难 －水分子平行于神经纤维 走向的弥散运动容易
在FA图上，脑白质 为高信号，表现出 比较高的各向异性， 纤维排列最大程度 趋于一致时,FA值也 就越接近1，例如胼 胝体，而脑灰质与 脑脊液因趋向各向 同性表现为低信号
► 慢性期，ADC增加，FA值虽下降但比急性期
高 ► T2WI显示正常的区域白质也有改变，提 示这是一种弥漫性的多发病变
T2
ADC
FA
45y，F，MS患者
脑 白 质 变 性 疾 病
缺血性白质疏松（LA）
► 主要表现为ADC升高和FA降低，与
病理提示的轴突减少和胶质增生相 符合 ► FA值的减低程度及范围与临床认知 功能改变明显相关，对于监测LA的 进展演变有更大优势
脑 白 质 变 性 疾 病
肌萎缩性侧索硬化症（ALS）
该症患者皮质脊髓束区域，ADC值明显升高而FA 值明显减少，表明DTI可发现ALS皮质脊髓束的 病理改变
阿尔茨海默氏病（AD）
利用DTI研究发现该症患者的白质联合纤维传导束 的完整性明显受损，轻度或早期的AD，颞叶白 质FA值降低，并且和临床严重程度密切相关， 而锥体束的完整性无明显受损，这一发现与该 症的临床表现一致，突出症状是认知功能下降 而不是运动功能障碍
模式I和 模式IV
模式II和模式III
肿瘤全切
部分切除，加强辅 助治疗
模式I，功能改善 模式IV 功能障碍不 加重，生存期延长
提高生存质量
这样的分类对于临床术前决定手术方案是 十分有价值的。
► 使临床外科医生可以在术前、术中更清楚
掌握肿瘤和白质纤维的情况，使手术方案 更加可靠安全 ► 目前已有学者报道了DTI在神经外科肿瘤切 除术中的有效性，认为利用DTI指导手术可 以提高手术全切率，降低术后的功能障碍
►在脑白质中由于髓鞘的阻挡，
水分子的弥散被限制在与纤维 走行一致的方向上，具有较高 的各向异性，此时弥散张量可 表示为椭球形，其特征值 λ1>λ2>λ3，最大特征值对应的 方向与经过该体素的纤维束走 行平行
►
二阶张量具有对称性， Dxy＝Dyx Dxz=Dzx Dyz=Dzy 因此只要计算6个变量 方法：至少在6个不同非共线方向上施加敏感梯度， 另外再采集一幅具有同样参数而未施加敏感梯度的图 像。从弥散加权像和非弥散加权像的信号强度衰减差 异中可以得到6幅表观弥散系数图（ADC），得到一 个六元一次方程组，最后利用这些图可以求得每个体 素的有效弥散张量D
磁共振弥散张量成像的基本原理 及其在中枢神经系统中的应用
前言
磁共振弥散张量成像 （diffusion tensor imaging, DTI）
► 实现活体观察组织结构的完整性和连通性，
利于对各种疾病的引起的白质纤维束的损 害程度及范围的判断。 ► 可用于显示脑白质内神经传导束的走行方 向，实现对人的中枢神经纤维精细成像。
另外一些研究指出白质通路微结构的完整性 与人的认知功能有关，Filippi等对20名发育迟 缓的儿童行DTI检查，尽管常规序列上影像表 现正常，但在DTI图像上存在多处白质纤维通 路FA值下降而平均ADC增加
DTI在脑肿瘤中的应用
1. 2.
定量分析肿瘤组织特点以鉴别肿瘤的级别， 鉴别正常的白质纤维、水肿及肿瘤区域。 测量瘤周的水肿的平均ADC值和FA值以 分析鉴别转移瘤和胶质瘤，但目前这些研 究的结果尚没有取得完全一致
►在人体组织中，水分子的运动由于受到组
织细胞结构的影响，在各个方向弥散程度是 不同的，具有方向依赖性，即具有各向异性 (anisotropy)
要描述水分子的空间弥散情况 ，引入了 张量的概念，脑白质中每一个体素的各 向异性扩散过程就可以用张量D表示 。 需要用一个二维矩阵表示 ：
►
均质介质中可以水分子的 自由运动为各向同性，即在 各个方向上的弥散强度大小 一致，弥散张量D描述为球 形，沿磁共振的三个主坐标 的特征值为 λ1=λ2=λ3
F，27，星 形细胞瘤， 紧邻锥体束 并推压锥体 束，术前左 侧上下肢肌 力III级， KPS评分60， 术后肌力V 级，KSP提 高为100
M，22岁，多形 性胶质母细胞瘤， 侵犯并破坏锥体 束，术前左侧上 下肢肌力III级， KPS评分60，术 后肌力仍为III 级，KSP评分60
左侧颞部脑膜瘤