磁共振弥散张量成像基本原理及其在中枢神经系统中应用
67页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 (diffusion 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,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,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,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
2、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。,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的基本原理,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(anisotropy),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=
3、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(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
4、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 tractography),就是利用
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