磁共振弥散张量成像教材课件.ppt

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1、北京医院北京医院张晨张晨ZZ中华医学会北京分会放射技术专业委员会磁共振弥散张量成像弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）l弥散张量成像（DTI）又称扩散张量成像 1965年，Stejskal EO等提出了测量扩散的梯度自旋回波序列的时序图弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）扩散成像是目前最理想的测量扩散的方法。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。弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）解剖成像组织的形态学研究分子水平分子水平(细胞内外水分子跨膜运动细胞内外水分子跨膜运动)目前

2、已应用于目前已应用于脑、心脏、脊髓脑、心脏、脊髓微细微细结构的研究结构的研究弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）n水分子的自由运动 称为弥散，在脑脊 液和脑灰质中的水 分子的弥撒运动基 本上是各项同性的。水分子在自由状态下的弥散是各向同性的水分子在自由状态下的弥散是各向同性的弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）在纯水中，分子在所有方向的扩散一致，称为各向同性（isotropic diffusion）,可用扩散球形体表示。弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）如果分子扩散取决于方向，方向不一

3、致，称为各向异性的扩散（anisotropic diffusion）,可用扩散椭圆体表示。弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）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 弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）l扩散张量成像外加磁场内沿着强梯度磁场方向自由运动水分子自旋去相位扩散系数定量可用自旋回波相位重聚前后信号的丢失，与未加扩散编码时的参考信号强度对比而得出弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）扩散敏感性用b表示，b值

4、是由持续时间（）、敏感脉冲梯度强度（G）和两个脉梯度之间的间隔时间（）决定。用公式表示为：b value=2 G2 2（/3），是一个旋磁定量，所以，b值随梯度强度（G）和长的梯度脉冲（）或增加脉冲间隔时间（）而升高。弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）白质纤维内的白质纤维内的ADCADC值值白质纤维束的形态类似于一个长椭圆形白质纤维束的形态类似于一个长椭圆形IIADC =1.2 x 10-5 cm2/sADC =0.3 x 10-5 cm2/sII弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）扩散张量成像 MR图像的每一个体素内提

5、供水分子扩散33扩散张量D分布，用高斯（Gaussian）分布表示6个方向标量：3个正交方向（X、Y，Z）沿四面体3个方向（XY，XZ，YZ）多个参数（FA、RA、RI等）能在活体上观察脑白质复杂结构及病理变化 张量值的计算采用张量值的计算采用张量值的计算采用张量值的计算采用3X33X3矩阵矩阵矩阵矩阵 最低用六个方向的弥散梯度最低用六个方向的弥散梯度最低用六个方向的弥散梯度最低用六个方向的弥散梯度 Diagonal Diagonal 成分成分成分成分 Off-diagonal Off-diagonal 成分成分成分成分弥散张量成像的计算弥散张量成像的计算Dt弥散张量成像（Diffusion

6、Tensor Imaging,DTI）Diagonal 成分成分Diagonal成分是计算成分是计算FA值的基础值的基础 Dt弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）Off-diagonal 成分成分Off-diagonal成分是精确计算成分是精确计算FA值的补充值的补充 Dt弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）弥散梯度的数量弥散梯度的数量弥散梯度的方向在弥散梯度的方向在6-55之间选择之间选择Di=gT.Dt.g Di=B Dk gx2 2gxgy 2gxgz gy2 2gygz gz2B=弥散张量成像（Diffusion

7、Tensor Imaging,DTI）弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）正常组织结构正常组织结构水分子各项异性扩散扩散扩散扩散病理病理组织结构成分改变组织结构成分改变扩扩散散张张量量成成像像的的理理论论基基础础弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）水分子扩散各向同性和各向异性 扩散：布朗运动（扩散：布朗运动（Brownian motionBrownian motion）影响因素：分子质量影响因素：分子质量 分子间相互作用分子间相互作用 温度温度 屏障或特异结构屏障或特异结构弥散张量成像（Diffusion Tensor I

8、maging,DTI）磁共振测量的扩散系数称为表观扩散系数（ADC）分子间的粘性屏障效应 成为表观扩散系数弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）处理软件 DTI数据 纤维束扩散张量纤维束成像扩散张量纤维束成像（diffusion tensor fiber diffusion tensor fiber tractography,DTtractography,DT-FT-FT）弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）场强对场强对DTI的影响的影响1.5T1.5T&3.0T3.0T扩散张量成像比较扩散张量成像比较 1.5&3.0T有足

9、够的SNR的情况下，FA无明显的差异。3.0T 有40%高的SNR，可得到高的分辨率的图像，虽然其代价是几何变性增加因3.0T 磁场的不均匀性。3T的场强可以进行高分辨率的的场强可以进行高分辨率的DTI成像成像5mm层厚层厚2mm层厚层厚场强对场强对DTIDTI的影响的影响弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）高分辨率采集高分辨率采集常规采集常规采集弥散梯度依次加在三个编码方向上，依据选择的方向多少重复上述过程弥散梯度依次加在三个编码方向上，依据选择的方向多少重复上述过程Diffusion LobesDTIDTI脉冲序列剖面图脉冲序列剖面图弥散张量成像（Dif

10、fusion Tensor Imaging,DTI）Split Diffusion LobesDTIDTI脉冲序列剖面图脉冲序列剖面图Dual Spin Echo 可以减低图像的扭曲，轻微降低可以减低图像的扭曲，轻微降低SNR弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）各项异性的测量各项异性的测量因因FA图的灰白质的对比度最好而最常使用图的灰白质的对比度最好而最常使用FA各向异性分数 fractional anisotropyRA相对各向异性 relative anisotropyVR容积比 volume ratio弥散张量成像（Diffusion Tensor I

11、maging,DTI）弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）椭圆体形状、大小、方向本征值是扩散椭圆体内分子沿三个正交方向上的扩散率，每个本征值与一个本征向量在空间方向上一致。在b值变化允许范围，扩散张量反映的是组织结构特性。本征值（eigenvalues）和本征向量（eigenvectors）弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）扩散张量成像中的本征值可表示每个体素的特征。各向异性指标：各向异性指标：部分各向异性（各向异性指数）部分各向异性（各向异性指数）AIAI 相对各向异性相对各向异性 RARA 容积比率容积比率 VRVR

12、 脑的参数定量图脑的参数定量图弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）扩散各向异性：描述在3D空间内一个椭圆体的特征。一个2列张量的特征是可被对角斜线化，仅剩下3个沿着张量的主对角线上非零元素，称为本征值（1、2、3）。本征值（eigenvalues）反映扩散椭圆体的形状或结构，三个本征值的总合（trace=1、+2+3）,反映椭圆体的大小。相似性3D白质纤维束图FA2D彩色图方向性本征值扩散椭圆体相邻体素弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）部分各向异性（

13、FA）可由以下公式：FA=3/23/2(1-D)2+(2-D)2+(3-D)21 2+2 2+3 2计算得出,1,2,和 3响应代表最大、中等、最小本征值，D是本征值总和的1/3即（1/3）*（1+2+3）。FAFA的影响因素的影响因素因因FA图的灰白质的对比度最好而最常使用图的灰白质的对比度最好而最常使用 SNRSNRB B值值层厚层厚FA的范围的范围 0-1影响因素影响因素弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）FA像6axis 9axis 21axis 55axis 线扫描弥散张力成像

14、线扫描弥散张力成像 对运动不敏感对运动不敏感 对磁敏感性伪影不敏感对磁敏感性伪影不敏感 SNR高高 空间分辨率高空间分辨率高扫描时间长扫描时间长优点优点缺点缺点Line Scan 技术可以清晰显示脑干区域的纤维形态技术可以清晰显示脑干区域的纤维形态弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）线性扫描弥散张力成像后处理分析弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）SimensSimens 弥散张量成像弥散张量成像同同时时应应用用三三个个互互相相垂垂直直的的弥弥散散梯梯度度再再加加上上一一个个垂垂直直梯梯度度形形成成一一个个四四面面体体梯梯

15、度度矢矢量量，这这种种方方法法得得出出的的D DT TI I图图像像具具有有较较高高的的S SN NR R(比比常常规规的的三三方方向向的的成成像像方方法法高高3 31 1/2 2）主要用来评价主要用来评价off-off-diagnoldiagnol成分成分 弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）philipsphilips 弥散张量成像弥散张量成像 GRE tensor 与与SE Tensor 比较比较SE-EPI SE-EPI 弥散张量成像弥散张量成像GRE-EPI GRE-EPI 弥散张量成像弥散张量成像弥散张量成像（Diffusion Tensor I

16、maging,DTI）弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）扩散张量的成像方法及纤维追踪技术数据的获取 扩散张量成像是受敏感梯度的强度、数量和方向影响。b值在0-1000s/mm2范围，可减少b值因数量对定量值测量影响弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）图像后处理 扩散张量成像数据定量分析、方向性定量指数都可反映生物组织内水分子扩散的特征。既直观又简便的指标是主要的扩散系数，测量沿椭圆体最长轴和其他的正交轴的扩散率的相对大小。弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）DTI后处理p容积比率（容积

17、比率（Volume ratioVolume ratio）:是椭圆体的体积比上半是椭圆体的体积比上半径为平均扩散率的球形体积，值范围从径为平均扩散率的球形体积，值范围从0-10-1。p相对各向异性（相对各向异性（relative anisotropy,RArelative anisotropy,RA）:本征值相本征值相对于他们的平均值的变异值。对于他们的平均值的变异值。p部分各向异性（部分各向异性（fractional anisotropy,FAfractional anisotropy,FA）:是扩散是扩散张量中的各向异性成分与整个扩散张量的比值，值张量中的各向异性成分与整个扩散张量的比值，值

18、范围从范围从0-10-1。弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）每一个层面均可获得：一个T2图像 一个扩散轨迹权重图 一个扩散轨迹表观扩散系数图 一个计算得到的相对各向异性图主要效应扩散率（本征值1、2、3）本征向量X、Y、Z的计算应用专用软件就可将纤维的方向用最大本征值的本征向量叠加在解剖背景图上显现。为了突出灰质和白质，T2WIs常用着背景图。弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）最大本征值（1 1）的本征向量被认为代表纤维的方向。脑白质彩色图的产生是基于每个体素的本征向量的3个相量元素向量元素的绝对值被赋予不同的颜色：红

19、（代表x元素）、绿（代表y元素）、兰（代表z元素）。每个体素颜色强度由FA值大小校准。弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）扩散加权成像(DWI):ADC:一方向或三个方向(X、Y、Z)各项同性脑白质结构：高度各项异性 脑白质水分子扩散的各向异性是白质纤维束方向性的表现是白质纤维束方向性的表现受组织细微结构和宏观结构影响组织细微结构特征、轴突内结构在很大程度上影响扩散的各向异性，纤维的密度和神经胶质细胞的包裹，髓鞘形成的程度及纤维的直径大小。脑白质纤维束在一个体素中方向的可变性影响体素内各向异性的程度。弥散张量成像（Diffusion Tensor Imagi

20、ng,DTI）n在脑白质中，由于髓鞘的阻挡，水分子的弥撒被限制在与纤维走向一致的方向上，具有较高的各项异性，根据脑白质中水分子沿神经纤维方向运动快，垂直方向运动慢的特点，磁共振图像显示出神经纤维的走向。弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）白质纤维束成像1.线性传播运算法则：是利用相应传播每一阶段的局部张量信息。2.球体能量最小化去寻找预先确定的两个体素间的轨迹。弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）线性传播技术进行纤维追踪，称为“fiber assignment using continuous tracking”.纤维追踪

21、是从所选兴趣区的“seed”开始，根据每个体素内的主本征向量方向沿着线性传播轨迹的顺行和倒退方向进行追踪现实。纤维追踪的延伸是基于与体素内最大本征值一致的本征向量的方向。弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）l参数TR/TE 8000/90msecMatrix=128*128FOV=240*240mm2层厚=2/5mm19层B值，0/900sec/mm26个以上的方向临床应用扩散张量成像技术为临床提供广阔的应用范围和美好的应用前景。DTI及DT-FT技术在临床的应用。中枢神经系统的应用颅内肿瘤精神性疾病脑白质病发育异常脑卒中认知脊髓正常人脑内DTI分析FA图参

22、数的分析中枢神经系统纤维束成像的解剖基础一、脑内主要的联合、连合纤维束1、横向联合纤维 胼胝体 前联合 海马联合2、投射纤维向皮层投射的纤维皮层向下投射的纤维3、联合纤维束短联合纤维长联合纤维束：弓状束 钩状束 纵束 额枕束 扣带一、颅内肿瘤方面颅内肿瘤引起的神经症状是因为肿瘤破坏脑组织的结构和水的成分，细胞结构的改变和完整性的破坏引起水分子扩散的量和方向性的改变，这些改变可由DTI测量。正常脑组织的平均扩散系数D低于、FA高于肿瘤组织和水肿组织，趋势是肿瘤组织和瘤周水肿组织的自由水分增加（高D值）和正常结构丢失（FA减少）DT-FT与BOLD-fMRI的融合 目前主要是用于占位性病变与运动中

23、枢的关系及占位与皮脂脊髓束的关系的研究，为手术时有效的保护重要的运动功能提供解剖依据。将来可能要考虑的内容语言功能的保护问题近年大量DTI文献报道主要集中在术前评价占位与主要神经纤维束的关系和手术切除成都方面，研究肿瘤与白质纤维束的关系，从而指导外科达到评估手术切除的程度。二、精神性疾病方面精神分裂症的胼胝体结构异常已证实，FoongJ等对20例患者胼胝体膝部和压部进行DTI分析，表明胼胝体压部Dcavg升高，而FA减少。胼胝体膝部的Daavg和FA与正常人无明显差异，说明病变改变是局限性的，同时可排除药物作用的影响。Babak AA等对14例胼胝体压部及双侧海马旁回的DTI研究，表明FA值减

24、少。近年报道用DTI发现精神分裂症患者的脑白质呈广泛性的各向异性减低，特别是额叶前部白质。Kubicki M等DTI研究钩状束，发现正常人表现为左侧钩状束各向异性大于右侧，而慢性精神病患者的钩状束各向异性无这一特点，由此可见，精神病患者是联系额叶和颞叶之间的纤维束异常。三、脱髓鞘性病变DTI技术应用在脱髓鞘病变方面主要是多发性硬化（Multiple sclerosis MS），尤其是研究锥体束与病灶的关系，评价锥体束的损伤程度及其与运动功能损伤相关功能区。作者使用相对各向异性（relative anisotropy，RA）参数，发现患者锥体束RA减低，而且，锥体束追踪的长度较正常人短，说明有锥

25、体束损伤。Guo AC 等利用DTI对MS表现正常的白质区研究，表明MS 患者的所有白质区的ADC值升高，而FA值减少，DTI在评价MS病灶边缘优于T2WI。四、变性性病变Yoshikawa,K等选择12例Parkinsons病患者锥体外系的黑质纹状体投射通路，包括黑痣和豆状核-尾状核复合体的绝大多数多巴胺能神经元的区域为兴趣区，所有这些区域的FA值明显减少，所以，FA值的改变可用于Parkinsons病的早期诊断。扩散张量成像用于比较Alzheimers病的主要白质纤维束的完整性，表明患者的白质间的纤维联系完整性明显降低，如胼胝体压部、上纵形纤维束和扣带的lattice index减低，而锥

26、体束相对未见明显改变，与临床表现以认知能力减退明显于运动功能障碍的特征一致。五、脑白质病对肾上腺脑白质营养不良（adrenoleukodystrophy）,DTI可帮助分辨病变的白质，同时区分白质的可恢复和不可恢复性，并且根据边界清楚的组织病理学进行分类。六、脑发育异常1、胼胝体发育异常2、左侧额叶后部脑裂畸形，伴右侧偏瘫患者运动通路的DTI纤维追踪和运动区fMRI研究，结果表明CST纤维从右侧半球运动中枢皮层发出，通过放射冠、内囊后肢、大脑脚、脑桥前部和延髓前部。七、脊髓的应用DTI应用于脊髓损伤程度的评价特别引人瞩目。脊髓包含的纤维具有均一方向性，但脊髓体积小，同时DTI对脑脊液波动、心脏

27、搏动及呼吸运动伪影敏感，从而给脊髓DTI研究带来一些技术上的困难，所以这方面的研究才刚刚起步。Agosta等利用DTI对62岁男性原发性进行性多发硬化伴颈脊髓空洞症患者DTI分析（彩色编码矢状位图，蓝色-Z轴方向纤维素，绿色-X轴的水分子运动方向，红色-Y轴的水分子运动方向），T2WI显示整条颈髓中央管扩大，中央管周围白质纤维束保留，这一结果与临床上患者运动和感觉功能相对保留一致。八、脑卒中方面1、缺血性脑卒中：扩散张量成像可提供轴突结构完整性信息，并且它比扩散成像优越是测量的扩散值可反映一系列不同方向上的扩散权重，特别是扩散张量是一个数学整体，可反映所有方向上完整的扩散特征信息。主要是两个方

28、面：第一、通过测量3个正交方向上的平均ADC值，可得出代表方向性的diffusion trace:第二、张量成分反映不同方向上的平均ADC变化的范围或反映扩散方向性或各向异性的程度。最常用的参数是FA及diffusion trace.一些研究表明在缺血性脑白质病变时，diffusion trace呈中等程度升高，而FA明显降低。FA改变的程度可能与临床相应的指标有相关性，尤其是认知障碍的程度。监测FA减少程度和Trace的升高也许可帮助评估病变的进程和病程早期的病理生理学的改变。DTI FA 和平均扩散值可观察影像学上表现正常的白质（normal-appearing white matter,

29、NAWM）和皮层下白质改变。室旁白质的D升高，FA值下降，程度和认知功能障碍有关。早期缺血改变继发性华勒变性卒中后皮质脊髓束顺行性退行性改变-华勒变性。表明从CST远端向脑内梗死灶方向的通路上，FA值减低，而平均扩散值相对保留，与原发梗死灶的定量值不同。DTI可区分原发梗死灶和继发性华勒变性。Kunimatsu A 3D纤维显示CST与病灶关系分析，认为有助于预测预后。2、出血性脑卒中九、脑内多发海绵状血管瘤1、DTI对病灶的分析2、DT-FT对病灶的分析十、HIV脑内改变的DTI分析HIV是亲神经系统性病毒，绝大多数患者在实验证实HIV阳性以后的整个病程中均有神经精神方面的损伤，从与HIV有

30、关的轻度的认知活动的异常到与HIV有关的痴呆等不同程度的损伤。有学者认为神经影像学能监测早期的中枢神经系统的损伤和认知的损伤。H1MRS近期的研究表明，可监测HIV感染的脑内代谢的改变。脑内病理改变主要是皮层下的白质，常规MRI信号正常的白质，其各向异性减低。胼胝体的减低最为明显。有学者对HIV感染者全脑DTI研究发现，HIV阳性患者的全脑的FA减低，并且减低的程度与痴呆程度呈正相关的关系。认为FA对痴呆的预后评估比ADC敏感。十一、治疗相关的脑白质改变髓母细胞瘤治疗，包括手术、放疗、化疗等。发现脑内广泛的白质 FA减少，包括常规MRI显示白质信号正常的范围。MD升高，但升高的数值与对侧的统计

31、学意义不明显，说明MD的敏感性不如FA。十二、认知方面的研究语言功能方面的研究原发性进行性失语失写症扩散张量及扩散张量纤维束成像在心脏方面的研究DTI在心脏方面的研究 心肌纤维的方向性与心肌的关系 DT-FT在心脏方面的研究DTI的前景D T I 提供了一种无创显示活体大脑白质神经纤维通路的方法,反应的是水分子的弥散运动，可以对组织的弥散的各向异性进行定量描述，在临床上有广阔的运用前景，是传统M R I 方法的有力补充。同时D T I 成像存在一定局限性，如部分容积效应导致分辨率过低，扩散梯度导致的涡流从而引起对纤维束方向确定的不可靠，另外，目前还没有一个纤维束示踪的金标准,相信随着M R I 软硬件的不断进步这些问题会逐渐解决。