2023年DTI的基本原理及其在中枢神经系统中的应用（教学课件）.ppt

磁共振弥散张量成像的磁共振弥散张量成像的根本原理及其在中枢神根本原理及其在中枢神经系统中的应用经系统中的应用 前言前言 实现活体观察组织结构的完整性和连通性，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。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。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 diffusion tensor imaging,DTI DTI成像的根本原理 DWI的原理的原理 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其方法就是在常规的MRI序列上施加对弥散序列上施加对弥散敏感的梯度脉冲来获得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评估弥散的参数评估弥散的参数=&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。正常组织正常组织 随机运动的水分子随机运动的水分子-低信号低信号 细胞毒性水肿的组织细胞毒性水肿的组织 运动受限的水分子运动受限的水分子-高信号高信号 A B 组织内影响水分子弥散的因素组织内影响水分子弥散的因素 细胞内外的体积变化细胞内外的体积变化 水分子通过细胞膜的渗透作用水分子通过细胞膜的渗透作用 细胞外间隙形态的改变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。DTI那么可以在三维空间内定量分析组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 DTI的根本原理的根本原理 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，水分子的弥散被限制在与纤维走行一致的方向上，具有较高的各向异性，此时弥散张量可表示为椭球形，其特征值123，最大特征值对应的方向与经过该体素的纤维束走行平行 二阶张量具有对称性，DxyDyx Dxz=Dzx Dyz=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那么数据越准确，目前最多可以在128个不同方向进行成像 12个方向个方向 42个方向个方向 162个方向个方向 642个方向个方向 DTI的量化参数的量化参数 第一类是平均扩散率第一类是平均扩散率 指指MR成像体素内各个方向扩散幅度的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大小或程度，通常所用的指标就是平均弥散系数散系数average diffusion coefficient，ADC，反响了水分子单位时间内扩散运，反响了水分子单位时间内扩散运动的范围，单位是动的范围，单位是mm2/s，其值越大，其值越大，说明水分子扩散能力越强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第二类是反映各向异性的参数 局部各向异性指数局部各向异性指数fractional anisotropy，FA 分析各向异性最常用的参数，指弥散的各分析各向异性最常用的参数，指弥散的各向异性局部与弥散张量总值的比值，反响向异性局部与弥散张量总值的比值，反响了各向异性成分占整个弥散张量的比例，了各向异性成分占整个弥散张量的比例，取值在取值在01之间，之间，0代表了最大各向同性代表了最大各向同性的弥散，比方在完全均质介质中的水分子的弥散，比方在完全均质介质中的水分子弥散，弥散，1代表了假想下最大各向异性的弥代表了假想下最大各向异性的弥散散 脑白质中脑白质中FA值与髓鞘的完整性、纤维的值与髓鞘的完整性、纤维的致密性及平行性呈正相关致密性及平行性呈正相关 水分子垂直于神经纤维水分子垂直于神经纤维走向的弥散运动困难走向的弥散运动困难 水分子平行于神经纤维水分子平行于神经纤维走向的弥散运动容易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的彩色弥散张量图的彩色弥散张量图 根据体素弥散的根据体素弥散的最大本征向量的方最大本征向量的方向决定白质纤维走向决定白质纤维走行的原理，通过将行的原理，通过将X、Y、Z轴方向的轴方向的主要本征向量分别主要本征向量分别配以红、绿、篮三配以红、绿、篮三种颜色种颜色 白质纤维束示踪成像白质纤维束示踪成像 fiber tractography 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 胼胝体胼胝体 扣带回扣带回 内囊内囊 冠辐射冠辐射 皮质脊髓束皮质脊髓束 DTI在中枢神经系在中枢神经系统的临床应用统的临床应用 大脑发育及衰老大脑发育及衰老 出生后大脑仍继续发育、髓鞘化，2岁左右根本完成 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值那么表现为增加 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名发育缓慢的儿童行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值下降而平均ADC增加 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，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。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测量瘤周的水肿的平均ADC值和值和FA值以值以分析鉴别转移瘤和胶质瘤，但目前这些研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，利显示白质纤维和肿瘤的相互关系，利于指导外科手术，这是于指导外科手术，这是DTI技术最有技术最有临床价值和应用的前景。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 模式模式I：患侧纤维的：患侧纤维的FA值相对于对侧正常或轻值相对于对侧正常或轻微降低降低微降低降低25，同时纤维位同时纤维位置和方向正置和方向正常。常。模式模式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。模式模式I I和和 模式模式IVIV 肿瘤全切肿瘤全切 模式模式I，功能改善，功能改善 模式模式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 模式模式IIII和模式和模式IIIIII 局部切除，加强辅局部切除，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平安 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100 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，KSP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，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，28Y，考虑右侧考虑右侧额颞叶胶质瘤额颞叶胶质瘤 DTI在脑堵塞中的运用在脑堵塞中的运用 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 46Y，F，突发右侧无力十天，左侧内囊后肢堵塞 DTI不仅可用于脑梗死后白质纤维束，例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病理学演变过程的认识 脑脑白白质质变变性性疾疾病病 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，F，MS患者 T2 ADC FA 缺血性白质疏松缺血性白质疏松LA 主要表现为主要表现为ADC升高和升高和FA降降低，与病理提示的轴突减少