dti的基本原理及其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、磁共振彌散張量成像的基本原理及其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用,,,前言,實(shí)現(xiàn)活體觀察組織結(jié)構(gòu)的完整性和連通性，利于對(duì)各種疾病的引起的白質(zhì)纖維束的損害程度及范圍的判斷。可用于顯示腦白質(zhì)內(nèi)神經(jīng)傳導(dǎo)束的走行方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)人的中樞神經(jīng)纖維精細(xì)成像。,磁共振彌散張量成像（diffusion tensor imaging, DTI）,DTI成像的基本原理,DWI的原理,組織T1、T2馳豫時(shí)間、H1的密度、分子彌散運(yùn)動(dòng)

2、 利用擴(kuò)散敏感梯度脈沖將水分子彌散效應(yīng)擴(kuò)大，來(lái)研究不同組織中水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的差異,,,MR圖像的信號(hào),DWI圖像,其方法就是在常規(guī)的MRI序列上施加對(duì)彌散敏感的梯度脈沖來(lái)獲得,通過(guò)兩個(gè)以上不同彌散敏感梯度值（ b值）的彌散加權(quán)象，可計(jì)算出彌散敏感梯度方向上水分子的表觀彌散系數(shù)（apparent diffusion coefficient ADC） ADC=In(S低/S高)/(b高-b低),DWI評(píng)估彌

3、散的參數(shù),ADC反映了水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的能力,指水分子單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的范圍，越高代表水分子擴(kuò)散能力越強(qiáng)。,組織內(nèi)影響水分子彌散的因素 細(xì)胞內(nèi)外的體積變化水分子通過(guò)細(xì)胞膜的滲透作用細(xì)胞外間隙形態(tài)的改變,然而DWI成像只在X、Y、Z軸三個(gè)方向上施加敏感梯度 ，不能完全、正確地評(píng)價(jià)不同組織在三維空間內(nèi)的彌散情況，組織各向異性程度往往被低估 。,DTI則可以在三維空間內(nèi)定量分析組織內(nèi)水分子的彌散的特性。,均質(zhì)介質(zhì)中水分子的運(yùn)動(dòng)是

4、無(wú)序隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，即向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的幾率是相同，即具有各向同性（isotropy）,DTI的基本原理,在人體組織中，水分子的運(yùn)動(dòng)由于受到組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響，在各個(gè)方向彌散程度是不同的，具有方向依賴性，即具有各向異性(anisotropy),兩個(gè)概念,要描述水分子的空間彌散情況 ，引入了張量的概念，腦白質(zhì)中每一個(gè)體素的各向異性擴(kuò)散過(guò)程就可以用張量D表示 。需要用一個(gè)二維矩陣表示 ：,,均質(zhì)介質(zhì)中可以水分子的自由運(yùn)動(dòng)為各向同性，即在各個(gè)方向上的

5、彌散強(qiáng)度大小一致，彌散張量D描述為球形，沿磁共振的三個(gè)主坐標(biāo)的特征值為 λ1=λ2=λ3,在腦白質(zhì)中由于髓鞘的阻擋，水分子的彌散被限制在與纖維走行一致的方向上，具有較高的各向異性，此時(shí)彌散張量可表示為橢球形，其特征值λ1>λ2>λ3，最大特征值對(duì)應(yīng)的方向與經(jīng)過(guò)該體素的纖維束走行平行,二階張量具有對(duì)稱性， Dxy＝Dyx Dxz=Dzx Dyz=Dzy 因此只要計(jì)算6個(gè)變量 方法：至少在6個(gè)不同

6、非共線方向上施加敏感梯度，另外再采集一幅具有同樣參數(shù)而未施加敏感梯度的圖像。從彌散加權(quán)像和非彌散加權(quán)像的信號(hào)強(qiáng)度衰減差異中可以得到6幅表觀彌散系數(shù)圖（ADC），得到一個(gè)六元一次方程組，最后利用這些圖可以求得每個(gè)體素的有效彌散張量D,理論上6次就可以，但是由于噪聲的存在，方向越多，三維空間分布越均勻則數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，目前最多可以在128個(gè)不同方向進(jìn)行成像,12個(gè)方向,42個(gè)方向,162個(gè)方向,642個(gè)方向,DTI的量化參數(shù),第一類是平均擴(kuò)散率

7、 指MR成像體素內(nèi)各個(gè)方向擴(kuò)散幅度的平均值，代表了某一體素內(nèi)水分子擴(kuò)散的大小或程度，通常所用的指標(biāo)就是平均彌散系數(shù)（average diffusion coefficient，ADC），反應(yīng)了水分子單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的范圍，單位是mm2/s，其值越大，說(shuō)明水分子擴(kuò)散能力越強(qiáng),正常的ADC圖,第二類是反映各向異性的參數(shù) 部分各向異性指數(shù)（fractional anisotropy， FA ） 分析各

8、向異性最常用的參數(shù)，指彌散的各向異性部分與彌散張量總值的比值，反應(yīng)了各向異性成分占整個(gè)彌散張量的比例，取值在0～1之間，0代表了最大各向同性的彌散，比如在完全均質(zhì)介質(zhì)中的水分子彌散，1代表了假想下最大各向異性的彌散 腦白質(zhì)中FA值與髓鞘的完整性、纖維的致密性及平行性呈正相關(guān),,,－水分子垂直于神經(jīng)纖維走向的彌散運(yùn)動(dòng)困難－水分子平行于神經(jīng)纖維走向的彌散運(yùn)動(dòng)容易,,在FA圖上，腦白質(zhì)為高信號(hào)，表現(xiàn)出比較高的各向異性，纖維排

9、列最大程度趨于一致時(shí),FA值也就越接近1，例如胼胝體，而腦灰質(zhì)與腦脊液因趨向各向同性表現(xiàn)為低信號(hào),胼胝體>內(nèi)囊后肢>內(nèi)囊前肢>外囊>半卵園中心,2、相對(duì)各向異性（relative anisotropy，RA）和容積比（volume ratio，VR） RA為各向異性和各向同性成分的比例。VR等于橢球體的體積與半徑為平均擴(kuò)散率的球體體積之比。 兩者的取值范圍亦在0～1之間 ，RA的意義與FA相似

10、，越接近1說(shuō)明水分子的各向異性程度越高。而VR越接近1說(shuō)明水分子的彌散越趨于各向同性 。,VR圖,DTI的彩色彌散張量圖,根據(jù)體素彌散的最大本征向量的方向決定白質(zhì)纖維走行的原理，通過(guò)將X、Y、Z軸方向的主要本征向量分別配以紅、綠、籃三種顏色,白質(zhì)纖維束示蹤成像（fiber tractography）,就是利用最大本征向量λ1對(duì)應(yīng)纖維束傳導(dǎo)方向?qū)⒋竽X中神經(jīng)纖維束軌跡描出來(lái)，實(shí)現(xiàn)活體查看和研究中樞以及周圍神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)通路的連接和連續(xù)性

11、。 其方法：從一個(gè)設(shè)置的種子位置開始追蹤，直至遇到體素的FA值小于0.2,胼胝體,扣帶回,內(nèi)囊,冠輻射,皮質(zhì)脊髓束,DTI在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的臨床應(yīng)用,大腦發(fā)育及衰老,出生后大腦仍繼續(xù)發(fā)育、髓鞘化 ，2歲左右基本完成遵循從下到上，從后到前，從中央到周圍的規(guī)律進(jìn)行髓鞘化膽固醇逐漸降低，磷脂逐漸增多，最后形成成熟的髓鞘在這個(gè)過(guò)程中，組織的各向異性不斷增加，利用DTI技術(shù)，可以定量分析不同部位腦組織的各向異性程度，顯示大腦的發(fā)育過(guò)程,在

12、新生兒和嬰幼兒的大腦白質(zhì)ADC值比成人大而空間各向異性比成人小，隨著大腦發(fā)育成熟，由于整體水份的減少和髓鞘化的進(jìn)程，許多區(qū)域的ADC值降低、而FA值增加 并且一些區(qū)域的改變要明顯早于傳統(tǒng)MRI的T1WI和T2WI的信號(hào)改變，被認(rèn)為是前髓鞘化的表現(xiàn),Schneider等學(xué)者對(duì)52名兒童（年齡段從1天－16歲）行DTI檢查，測(cè)量各個(gè)區(qū)域腦白質(zhì)的平均彌散率及FA值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)平均彌散率隨年齡增長(zhǎng)而下降，F(xiàn)A值則表現(xiàn)為增加,另外一些研究指出白質(zhì)

13、通路微結(jié)構(gòu)的完整性與人的認(rèn)知功能有關(guān)，F(xiàn)ilippi等對(duì)20名發(fā)育遲緩的兒童行DTI檢查，盡管常規(guī)序列上影像表現(xiàn)正常，但在DTI圖像上存在多處白質(zhì)纖維通路FA值下降而平均ADC增加,DTI在腦腫瘤中的應(yīng)用,定量分析腫瘤組織特點(diǎn)以鑒別腫瘤的級(jí)別，鑒別正常的白質(zhì)纖維、水腫及腫瘤區(qū)域。測(cè)量瘤周的水腫的平均ADC值和FA值以分析鑒別轉(zhuǎn)移瘤和膠質(zhì)瘤，但目前這些研究的結(jié)果尚沒有取得完全一致,3、顯示白質(zhì)纖維和腫瘤的相互關(guān)系，利于指導(dǎo)外科手術(shù)，這是

14、DTI技術(shù)最有臨床價(jià)值和應(yīng)用的前景。,目前有學(xué)者利用FA圖和彩色張量圖將腫瘤和白質(zhì)纖維的關(guān)系分為4種模式,模式I：患側(cè)纖維的FA值相對(duì)于對(duì)側(cè)正?；蜉p微降低（降低<25％）同時(shí)纖維的位置或/和方向發(fā)生改變。,模式II：患側(cè)纖維FA值相對(duì)于對(duì)側(cè)明顯降低（>25％），同時(shí)纖維位置和方向正常。,模式III：患側(cè)纖維FA值相對(duì)于對(duì)側(cè)明顯減低，同時(shí)纖維的走向發(fā)生改變,模式IV：患側(cè)纖維顯示各向同性或近似同性，無(wú)法看出走行方向。,模式1為

15、腫瘤擠壓周圍纖維移位，提示腫瘤為良性或侵襲性不強(qiáng)的惡性腫瘤。模式2提示瘤周發(fā)生水腫，但不排除有腫瘤侵入。模式3提示瘤周纖維被腫瘤侵入。模式4提示腫瘤破壞瘤周纖維，僅限于惡性腫瘤，但可以是高級(jí)別或低級(jí)別腫瘤。,模式I和 模式IV,腫瘤全切,模式I，功能改善模式IV 功能障礙不加重，生存期延長(zhǎng),,,,模式II和模式III,部分切除，加強(qiáng)輔助治療,提高生存質(zhì)量,,,這樣的分類對(duì)于臨床術(shù)前決定手術(shù)方案是十分有價(jià)值的。使臨床外科醫(yī)生可

16、以在術(shù)前、術(shù)中更清楚掌握腫瘤和白質(zhì)纖維的情況，使手術(shù)方案更加可靠安全目前已有學(xué)者報(bào)道了DTI在神經(jīng)外科腫瘤切除術(shù)中的有效性，認(rèn)為利用DTI指導(dǎo)手術(shù)可以提高手術(shù)全切率，降低術(shù)后的功能障礙,北京天壇醫(yī)院的戴建平等利用DTI技術(shù)對(duì)涉及錐體束的36例腦膠質(zhì)瘤患者術(shù)前進(jìn)行導(dǎo)航指導(dǎo)外科手術(shù)，結(jié)果認(rèn)為白質(zhì)纖維示蹤技術(shù)可以優(yōu)化手術(shù)方案，保護(hù)皮質(zhì)下重要功能的白質(zhì)纖維，并可預(yù)測(cè)患者臨床功能預(yù)后。,28，M，星形細(xì)胞瘤，未累及錐體束，術(shù)前雙側(cè)上下肢肌力均V

17、級(jí)，KSP評(píng)分90，術(shù)后肌力 仍為V級(jí)，KPS評(píng)分提高到100,F，27，星形細(xì)胞瘤，緊鄰錐體束并推壓錐體束，術(shù)前左側(cè)上下肢肌力III級(jí)，KPS評(píng)分60，術(shù)后肌力V級(jí)，KSP提高為100,M，22歲，多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，侵犯并破壞錐體束，術(shù)前左側(cè)上下肢肌力III級(jí)，KPS評(píng)分60，術(shù)后肌力仍為III級(jí)，KSP評(píng)分60,左側(cè)顳部腦膜瘤,57Y,M,考慮左頂葉膠質(zhì)瘤,53Y,F，膠質(zhì)瘤,F，28Y，考慮右側(cè)額顳葉膠質(zhì)瘤,DTI在腦梗塞中的運(yùn)

18、用,DWI有助于臨床診斷早期、超早期腦梗死的及時(shí)診斷，而DTI在檢測(cè)腦梗死后皮質(zhì)脊髓束損傷有著顯著優(yōu)勢(shì),梗死區(qū)域的FA顯著降低，早期平均ADC值降低，后期增高與梗死區(qū)相聯(lián)系的的同側(cè)內(nèi)囊、大腦腳和橋腦處的皮質(zhì)脊髓束FA較對(duì)側(cè)顯著降低，提示腦梗死后遠(yuǎn)端的皮質(zhì)脊髓束可能存在進(jìn)行性的Wallerian變性DTI在通過(guò)對(duì)梗死遠(yuǎn)端皮質(zhì)脊髓束FA計(jì)算判斷其變性程度，并預(yù)測(cè)患者的運(yùn)動(dòng)功能轉(zhuǎn)歸,46Y，F(xiàn)，突發(fā)右側(cè)無(wú)力十天，左側(cè)內(nèi)囊后肢梗塞,DTI不

19、僅可用于腦梗死后白質(zhì)纖維束，例如白質(zhì)纖維束變性的研究，還能用于顱內(nèi)灰質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)改變的研究。長(zhǎng)期DTI隨訪觀察有助于加深人們對(duì)卒中后臨床病理學(xué)演變過(guò)程的認(rèn)識(shí),腦白質(zhì)變性疾病,多發(fā)性硬化（MS ）急性期，ADC和FA均下降慢性期，ADC增加，F(xiàn)A值雖下降但比急性期高T2WI顯示正常的區(qū)域白質(zhì)也有改變，提示這是一種彌漫性的多發(fā)病變,45y，F(xiàn)，MS患者,T2,ADC,FA,缺血性白質(zhì)疏松（LA）主要表現(xiàn)為ADC升高和FA降低，與病理提

20、示的軸突減少和膠質(zhì)增生相符合FA值的減低程度及范圍與臨床認(rèn)知功能改變明顯相關(guān)，對(duì)于監(jiān)測(cè)LA的進(jìn)展演變有更大優(yōu)勢(shì),腦白質(zhì)變性疾病,肌萎縮性側(cè)索硬化癥（ALS） 該癥患者皮質(zhì)脊髓束區(qū)域，ADC值明顯升高而FA值明顯減少，表明DTI可發(fā)現(xiàn)ALS皮質(zhì)脊髓束的病理改變 阿爾茨海默氏病（AD） 利用DTI研究發(fā)現(xiàn)該癥患者的白質(zhì)聯(lián)合纖維傳導(dǎo)束的完整性明顯受損，輕度或早期的AD，顳葉白質(zhì)FA值降低，并且和臨床嚴(yán)重程度密切相關(guān)，而錐體束的完整性

21、無(wú)明顯受損，這一發(fā)現(xiàn)與該癥的臨床表現(xiàn)一致，突出癥狀是認(rèn)知功能下降而不是運(yùn)動(dòng)功能障礙,腦白質(zhì)變性疾病,F,47y,進(jìn)行性神志模糊二十天，意識(shí)障礙十五天,考慮脫髓鞘疾病，藥物性腦炎可能,其他,精神分裂癥，DTI可以顯示白質(zhì)纖維束通路上連通的異常，表現(xiàn)為病變部位的FA值的降低 慢性酒精中毒，在胼胝體膝部、壓部及半卵園中心FA值均有降低，且FA值與使用酒精的時(shí)間長(zhǎng)短有一定的相關(guān)性 彌漫性軸索損失，DTI可以顯示常規(guī)MRI不能顯示的剪切傷，一

22、些研究表明，彌散性軸索損傷后白質(zhì)的FA值顯著降低，而這些白質(zhì)在常規(guī)MRI24小時(shí)內(nèi)可顯示為正常,脊髓 由于脊髓體積小，周圍的骨質(zhì)結(jié)構(gòu)形成磁化率偽影，呼吸運(yùn)動(dòng)和腦脊液波動(dòng)偽影等因素為DTI在脊髓中的應(yīng)用帶來(lái)挑戰(zhàn)。但隨著技術(shù)的改進(jìn)，許多新序列和掃描方式使用使DTI得以應(yīng)用于脊髓,DTI的局限性及前景展望,可發(fā)現(xiàn)一些疾病的早期改變，了解主要傳導(dǎo)通路的損傷程度 ,腦腫瘤的術(shù)前計(jì)劃的制訂及指導(dǎo)手術(shù) 目前DTI最有前景的研究領(lǐng)域還在于將DT

23、I技術(shù)和血氧水平依賴功能fMRI的聯(lián)合應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)的研究方面，為神經(jīng)科學(xué)的研究開辟了更廣闊的前景。,局限性,“證實(shí)”問(wèn)題 ，即如何在活體證實(shí)DTI所追蹤的白質(zhì)纖維走行的精確度與人體是否符合就是當(dāng)前研究的一個(gè)關(guān)鍵 DTI結(jié)果具有操作者因素，例如興趣區(qū)的大小、位置、FA閾值、采用的算法以及對(duì)神經(jīng)解剖學(xué)知識(shí)的熟悉程度均影響示蹤成像結(jié)果的準(zhǔn)確性,硬件設(shè)施提高 3.0T