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

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►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。磁共振弥散张量成像（diffusiontensorimaging,DTI）DTI成像的基本原理DWI的原理组织T1、T2驰豫时间、H1的密度、分子弥散运动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MR图像的信号DWI图像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►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（apparentdiffusioncoefficientADC）ADC=In(S低/S高)/(b高-b低)DWI评估弥散的参数=&b=0b=1000ADC►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。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AB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。►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）DTI的基本原理►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)两个概念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►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λ1λ2λ3，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＝DyxDxz=DzxDyz=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（averagediffusioncoefficient，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（fractionalanisotropy，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（relativeanisotropy，RA）和容积比（volumeratio，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。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（fibertractography）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胼胝体扣带回内囊冠辐射皮质脊髓束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►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.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。2.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。模式III：患侧纤维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。模式I和模式IV肿瘤全切模式I，功能改善模式IV功能障碍不加重，生存期延长模式II和模式III部分切除，加强辅助治疗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100F，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100M，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►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45y，F，MS患者T2ADCFA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脑白质变性疾病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。局限性►“证实”问题，即如何在活体证实DTI所追踪的白质纤维走行的精确度与人体是否符合就是当前研究的一个关键►DTI结果具有操作者因素，例如兴趣区的大小、位置、FA阈值、采用的算法以及对神经解剖学知识的熟悉程度均影响示踪成像结果的准确性硬件设施提高3.0T序列优化成像方法改进图象后处理的算法提高成像的精度提高空间分辨率信噪比