DTI弥散张量

弥散张量成像刘思成弥散张量成像（DTI）DTI是一种通过DWI技术改进和发展，以三维形式显示神经纤维束的走行方向一项技术。是无创性评价白质纤维束之间的联系及其病变的一种技术弥散是指分子的随机不规则运动，是人体重要的生理活动，是体内的物质转运方式之一，又称布朗运动。弥散是一物理过程，其原始动力为分子所具有的热能。DTI的价值DTI是目前唯一一种追踪脑白质纤维并反映其解剖连通性的方向的磁共振方式。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。DTI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。DTI和DWI的异同弥散张量成像是弥散加权成像的一种高级形式。相同点：DTI与DWI的成像基础相同，都是基于水分子在不同结构的扩散方向和速度差异。异同点：（1）两者所包含的信息量不同。DWI只用ADC一个参数描述，扩散程度的测量限于一个平面内，常低估组织的各向异性。DTI用多个参数描述，从三维立体空间定量地分析水分子的扩散运动及相关性。（2）两者主要应用方向不同，DWI早期用于脑缺血的诊断，现发展为应用于各系统的感染、肿瘤和肿瘤性病变，在提高早期诊断和确定肿瘤范围方面有特殊价值。DTI包含了方向信息的向量图，主要用于评价组织结构的完整性，主要应用于脑、脊髓、心脏、及骨骼肌等具有规律走形的纤维束结构。DTI的两个基本概念各向同性各向异性各向同性指在完全均匀的介质中，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例如在纯水中水分子的弥散即为各向同性弥散，在人脑组织中，脑脊液及大脑灰质中水分子的弥散近似各向同性弥散。水分子在自由状态下的弥散是各向同性的各向异性具有方向依赖性，在按一定方向排列的组织中，分子向各个方向弥散的距离不相等，则称为各向异性基本原理人体内的水分子同体外水分子的运动不同，它不仅受组织细胞本身特征的影响，而且还受细胞内部结构的影响。在具有固定排列顺序的组织结构中，如神经纤维束。水分子在三维空间内各个方向上扩散运动的快慢不同，水分子通常更倾向于沿着白质纤维束走行的方向进行扩散，而很少沿着垂直于白质纤维束走行的方向进行扩散，这种具有方向依赖性的扩散即称为扩散的各向异性，其运动轨迹近似一个椭球体。椭球体的半径称为本征向量，其中最大半径称为主本征向量。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：DTI就是一种用数学的方法来表示脑组织内水分子弥散的各项异性DTI量化参数平均弥散系数（ADC）部分各向异性指数（FA）相对各向异性（RA）容积比（VR）平均弥散系数（ADC）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，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。ADC自由水的ADC值大约为2.5x10-3mm2/S正常脑组织的ADC值为0.7-0.9x10-3mm2/S脑组织急性病变的ADC值多为降低脑组织亚急性或慢性病变的ADC值多为升高在ADC图中，信号强度与ADC值呈正比，因此脑脊液为高信号而脑实质为低信号。正常ADC部分各向异性指数（FA）FA值是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，例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FA图胼胝体内囊前肢扣带回额桥束皮丘束内囊后肢（皮质脊髓束，皮质球束,皮质桥脑束）外囊视放射扣带回胼胝体FA图上不能显示各神经束的走行方向彩色编码FA图胼胝体内囊前肢扣带回额桥束皮丘束内囊后肢（皮质脊髓束，皮质球束,皮质桥脑束）外囊视放射扣带回胼胝体彩色编码的FA图上能显示各神经束的走行方向，红色=左右走行，绿色=前后走行，蓝色=上下走行相对各向异性（RA）和容积比（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。评价参数将获得的数据经计算机后处理后转换成以下参数成像，包括平均弥散系数（ADC）、部分各向异性（FA）、相对各向异性（RA）、容积比（VR）根据各个方向的水分子运动信息，可观察脑白质纤维束的走行、完整性和方向性。因此应用FA、RA、VR值和FA、AR、VR图可以对每个体素水分子的弥散运动进行量化，又可描述大多数水分子的弥散方向。DTI弥散彩色图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、篮三种颜色分别代表了左右、前后、上下方向的纤维束。DTI弥散示踪图基本原理通过第一个体素主本征向量的方向寻找下一个主本征向量与其最接近的体素，将这些体素连接起来达到显示白质纤维束的目的。弥散张量的示踪图需要联合应用相应的示踪ADC和FA图进行评价。白质纤维束示踪成像技术应用DTI数据选择专用的软件可以建立扩散示踪图，来描述白质纤维束的走行形态交互式3D浏览窗口，用以显示解剖和纤维束信息。矩形浏览窗是作为位置参考，彩色线提示所显示矩形窗层面所在的位置。浏览窗矩形浏览窗彩色线界面简介从图像索引窗拖拉一组解剖数据到软件中，解剖图可以和FA图的颜色相融合图像融合浏览图像转动数据浏览单个感兴趣区纤维束示踪技术通过浏览图像找到最适合画感兴趣区的层面，执行单个感兴趣区纤维束追踪单个感兴趣区纤维束示踪技术手动画感兴趣区，画完后释放鼠标，感兴趣区的纤维束就会立刻重建出来。纤维束示踪图临床应用大脑发育及衰老脑肿瘤脑梗塞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脑肿瘤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.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％）同时纤维的位置或方向发生改变。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。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2提示瘤周发生水肿，但不排除有肿瘤侵入。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3提示瘤周纤维被肿瘤侵入。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。I型和IV型肿瘤全切I型，功能改善，IV型功能障碍不加重，生存期延长II型和III型部分切除，加强辅助治疗提高生存质量脑梗塞DWI有助于临床诊断早期、超早期脑梗死的及时诊断，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瓦氏变性（Wallerian变性）DTI通过对梗死远端皮质脊髓束FA值计算，可判断其变性程度，并预测患者的运动功能转归46YF突发右侧无力十天左侧内囊后肢梗塞（正常FA图）小结DTI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、影像医学乃至整个医学界的研究开辟更广阔的前景。谢谢