弥散张量成像的基本原理及其在中枢神经系统中的应用 山东省交通医院 CT室 阴祖栋

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。 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。

Normal Lesion

DTI成像的基本原理

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 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

ADC=In(S低/S高)/(b高-b低) 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) = & b=0 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。

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 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 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，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 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） 两个概念 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)

弥散敏感梯度的方向性 DWI DTI 脉冲序列在三个方向上施加弥散敏感梯度（上下，左右，前后） 三套弥散图像取其平均值，获得各向同性弥散图像 各向同性弥散图像不包含弥散的方向信息 DWI图像消除了各向异性的影响 DTI 在多个方向上施加弥散敏感梯度，分别感受不同方向的弥散运动，获得不同弥散方向的多个弥散图像 至少6个方向，最多55个方向，方向越多，感受到的弥散运动方向越多 图像后处理获得弥散的各向异性图像 DTI图像突出强调弥散的各向异性，图像的对比度反映了成像平面内水分子弥散的各向异性

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），反映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

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 第二类是反映各向异性的参数 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 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>半卵圆中心

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 。

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

临床应用 脑发育 脑梗塞 多发性硬化 脑发育，髓鞘形成的过程中，脑白质FA值逐渐增加 衰老时，脑白质FA值下降 早期脑梗塞，ADC值下降，FA值下降 中晚期，FA值升高，结合脑灌注成像，预测脑梗塞的预后 脑梗塞时，脑白质各向同性受损较灰质更为严重 多发性硬化 急性期，ADC和FA均下降 慢性期，组织丢失使ADC增加，神经胶质增生和炎性反应ADC升高，FA值虽下降但比急性期高 斑块内FA值最低，周围区域FA值逐渐升高 FA图像上异常信号大于T2W的高信号区 临床应用

Alzheimer病 癫痫 脑外伤 脑肿瘤 颞叶脑白质、胼胝体压部和扣带束的前后部FA值下降 颞叶、海马白质纤维束FA值明显下降 垂直于神经纤维轴突方向的弥散各向异性增加 脑外伤 辅助诊断闭合性脑外伤引起的颅内微环境的变化 ADC早期发现局部缺血脑白质改变 弥漫性轴索损伤，弥散各向异性下降 脑肿瘤 脑白质受压移位 完整性破坏

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

DTI在脑梗塞观察中的价值：

发病后36小时的常规磁共振

白质束成像 显示病侧神经束略少于对侧

同上病例9天后复查

白质束成像显示病侧神经束继续减少，明显少于对侧 9天前对照

36小时与9天后的对照

36小时与9天后的对照

血肿对神经纤维束的影响

左侧丘脑出血

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 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

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KPS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，KPS评分评分60

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

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