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1、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磁共振弥散张量成像 （diffusion tensor imaging, DTIdiffusion tensor imaging, 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MRMR图像的信号图像的信号DWIDWI
2、图像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（apparent diffusion coefficient ADC） ADC=In(S低/S高)/(b高-b低)DWI评估弥散的参数=&b=0 b=1000 ADC ADCADC反映了水分子的扩散运动的能力反映了水分子的扩散运动的能力, ,指水分指水分 子单位时间内扩散运动的范围，越高代表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。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
3、 运动受限的水分子-高信号A B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 。DTIDTI则可以在三维空间内定量分析组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。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） DTIDTI的基本原理的基本原理在人体组织中，水分子的运动由于受到组在人体组织中，水分子的运动由于受到组
4、织细胞结构的影响，在各个方向弥散程度是织细胞结构的影响，在各个方向弥散程度是 不同的，具有方向依赖性，即具有不同的，具有方向依赖性，即具有各向异性各向异性 ( (anisotropy) anisotropy) 两个概念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 1=2=3在脑白质中由于髓鞘的阻挡在脑白质中由于髓鞘的阻挡 ，水分子的弥散被限制在与纤，水分子的
5、弥散被限制在与纤 维走行一致的方向上，具有较维走行一致的方向上，具有较 高的各向异性，此时弥散张量高的各向异性，此时弥散张量 可表示为椭球形，其特征值可表示为椭球形，其特征值 1 1 2 2 3 3，最大特征值对应的，最大特征值对应的 方向与经过该体素的纤维束走方向与经过该体素的纤维束走 行平行行平行二阶张量具有对称性，DxyDyxDxz=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
6、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（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正常的ADC图第二类是反映各向异性的参数 部分各向异性指数（frac
7、tional 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01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
8、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01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 （fiber tractograph
9、y） 就是利用最大本征向量1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
10、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
11、值下降而平均ADC增加 DTI在脑肿瘤中的应用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。目前有学者利用目前有学者利用FAFA图和彩色张量图将肿瘤图和彩色张量图将肿瘤 和白质纤维的关系分为和白质纤维的关系分为4 4种模式种模式模式I：患侧纤维的FA值相对于对侧正常或轻微降 低（降低25）， 同时纤维位 置和方向正 常。模式III： 患侧纤维 FA值相对 于对侧明
12、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肿瘤全切肿瘤全切模式模式I I，功能改善，功能改善模式模式IV IV 功能障碍不功能障碍不 加重，生存期延长加重，生存期延长模式II和模式 III部分切除，加强辅部分切除，加强辅 助治疗助治疗提高生存质量提高生存质量这样的分类对于临床术前决定手术方
13、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
14、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 F，28Y28Y，考虑右侧考虑右侧 额颞叶胶质瘤额颞叶胶质瘤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
15、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
16、，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
