DTI--弥散张量成像

【基础理论】弥散张量成像（DiffusionTensorImage,DTI）展开全文弥散张量成像（Diffusion tensor image, DTI），是通过测量水分子的弥散过程来评价生物组织结构和生理状态，被公认为当前最有吸引力的无创性检查方法。

使用这种方法可获得检测脑白质组织的完整性的量化图，以及辨别脑纤维束三维宏观结构图（如，脑皮层下灰质核的投射区及皮层间的纤维连接）。

最近，有报道使用DTI 评价脑白质的解剖结构和病变进程，虽然这种方法在研究脑白质方面具有很大潜力，但要成为一种临床上常规使用方法仍有一些困难。

本部分将讲述如何计算有效弥散张量（D eff），并讨论数据采集、计算及图象产生的相关问题，同时也将展示一些经验，包括使用量化图和白质束图来评价脑白质和鼠大脑发育过程中的形态改变。

DTI测量中的基本概念矢量通常可以用箭头表示，如对于速度，箭头的方向描述运动的方向，而箭头的长度可以描述运动的速率(m/s)。

这种箭头在数学的描述就可以有3个独立的数字来代表：长度或两个角度，或是三维坐标 (x, y和z轴)。

流动的液体能够通过各个位置上速度矢量进行描述，每一点上的矢量在空间上分布将构成矢量场。

1各向异性和各向同性组织内水分子的随机位移通常受到介质组织结构和生理因素的影响，如果在介质组织中水分子的弥散在所有的方向都是相同的，经过一定时间的弥散后水分子的弥散轨迹将成一个球形，此种弥散过程称为各向同性；相反，如果各方向的弥散相互独立，则称为各向异性，这种情况下水分子经过一段时间的弥散会在空间分布上形成一个椭球（图1）。

扩散的特性能够通过三维椭球图来描述，这需要6个独立的数字来定义方向和椭球轴的长度。

水分子在脑白质中的弥散在三维空间上是各向异性的，主要是由于脑白质神经纤维束在宏观和微观上的结构特点，如髓鞘、轴突和纤维束等对水分子弥散的限制作用，使水分子的弥散过程在空间上表现为椭球形。

通过评估椭球的特点，即可获得有关脑白质的生理和结构（如解剖和组织病理学）信息。

弥散张量成像（DTI）弥散张量成像（DTI）2010-06-17 02:11 P.M.弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging）是磁共振（MRI）领域发展最迅速的技术之一1，不同于其他磁共振技术，它计量的是组织内水分子的随机运动方向的特性，并以此作为判断组织结构和功能部分特性的依据。

DTI也是第一种有提取软纤维组织中纤维轨迹潜力的活体、非侵入式的成像方法。

已经证明，该技术在中风后早期变化方面比常规MRI的T1和T2影像更加的敏感。

由于弥散张量成像的特性，该技术通常应用在脑皮层中水分子各向异性比较明显的区域——脑白质结构的检查中。

第一张DTI影像出现在上世纪90年代早期，自此该技术在科研和临床应用上都迅速的发展起来。

在早期的研究工作中，Basser等人对DTI影像的原理，特征提取和纤维素追踪的理论作出了突出的贡献，由此建立了DTI研究的理论体系。

Basser因而在2008年被授予国际磁共振医学协会（International Society for Magnetic Resonance in Medicine，ISMRM）金质奖章。

在1994年的论文2中，Basser等人首次系统的描述了DTI的基本成像原理，并提出了弥散椭圆的重建方法。

至今该论文已经被引用1143次。

在1996年的论文3中，Basser等人首次提出DTI的特征参数平均弥散率（Mean Diffusivity，MD）和分数各向异性（Fractional Anisotropy，FA）计算方法。

至今该论文被引用1052次。

2000年，Basser等人提出了一种可靠的使用DTI数据进行纤维素追踪的方法4，至今该论文被引用730次。

在DTI理论基础之上，人们进行了许多应用性的科学研究。

这些研究主要使用DTI的特征参数，比如MD，FA等进行特定神经疾病的分析。

这种研究比较通用的操作方法是，通过DTI扫描得到原始图像，然后计算出MD图和FA图，再对得到的MD图和FA图进行统计分析。

DTI（弥散张量成像）简介及原理（转）磁共振弥散张量成像技术是利用水分子的弥散各向异性进行成像,可用于脑白质纤维研究,常用扫描技术包括单次激发平面回波成像(EPI),线阵扫描弥散成像, 导航自旋回波弥散加权成像(LSDI),半傅立叶探测单发射快速自旋回波成像等.每种成像技术各有其优缺点,EPI扫描时间短,图像信噪比高,但存在化学位移伪影、磁敏感性伪影、几何变形;LSDI精确度高,几乎无伪影及变形,但扫描时间过长;导航自旋回波弥散加权成像运动伪影少,但扫描时间长;半傅立叶探测单发射快速自旋回波成像扫描时间短,但图像模糊.综合比较,单次激发平面回波成像是用于临床研究较适宜的方法.1827 Robert Brown 首次发现弥散现象1950 Hanh 从理论上提出用自旋回波测量水分子弥散过程的方法1985 Taylor 和 Bushel 首次实现磁共振弥散成像1986 Denis LeBihan 首次将磁共振弥散成像应用于活体1990 Michael Moseley 发现弥散成像在早期脑缺血诊断中的价值1996 首次实现人脑弥散张量成像1999首次实现人脊髓弥散张量成像一、弥散张量成像的基本原理弥散张量成像(DTI)是利用弥散加权成像技术改进和发展的一项新技术，弥散张量不是平面过程，以三维立体角度分解，量化了弥散各向异性的信号数据，使组织微结构更加精细显示，弥散需要用张量显示，扫描应用多个梯度场方向，现用6-55个方向。

DTI：弥散具有方向依靠性，分子向各个方向弥散的距离不相等，则成为各向异性(anistrophic)。

而DWI则为水分子弥散的方向相一致，即相同性。

弥散张量成像的原理：在完全均质的溶质中，分子向各方向的运动是相等的，此种弥散方式为各向同性(isotrophic)，其向量分布轨迹成一球形，而另一种弥散是在非均一状态中，分子向各方向运动具有方向依靠性，分子向各方向弥散的距离不相等，称为各向异性（anisotrophic）,其向量分布轨迹成一椭圆形。

摘要：目的：研究磁共振弥散张量成像技术（DTI）在脑梗死前期中的应用。

方法：对9例受检者进行FA、RA、ADC值测量。

结果：FA值、RA值、ADC值比较差异均有统计学意义（P＜0.05）。

结论：在脑梗死前期的影像诊断中，DTI技术能够敏感地发现病变，客观地测量FA、RA、ADC值，将病变的量化，从而为临床治疗和预后评价提供有价值的资料。

关键词：磁共振弥散张量成像（DTI）；脑梗死；诊断应用在早期发现脑梗死方面，脑MRI检查对于脑干及小脑的病灶尤为有效。

MRI弥散成像DWI能够较直观地反映出新的梗死病变。

在缺血性脑梗死早期诊断中的作用十分突出，鉴别诊断优势明显，随着超高场强超导磁共振设备投入临床应用，磁共振弥散加权成像（DWI）的应用更加广泛，在每个体素中利用DTI获取的数据构造一个弥散张量，通过弥散张量的特征值以及特征向量来反映水分子的弥散特性[1]。

这对于提高患者的生存质量，减少脑梗死并发症，具有重要作用，为临床治疗以及预后评价提供非常有价值的影像学资料。

1 资料与方法1.1 一般资料：受检者共有9例，其中男5例，女4例，年龄46～72岁，平均61岁。

所选患者均伴有不同程度的头痛和头晕症状，其中有3例伴有一侧肢体麻木无力的症状。

在MRA发现一侧大脑中动脉重度狭窄6例，一侧大脑中动脉闭塞3例。

进行常规了MRI扫描检查，T1W/SE序列，DWI序列，双侧大脑半球均未发现明显病变。

1.2 检查方法1.2.1 工作原理：在脑白质中，因为髓鞘的阻挡，水分子的弥散与纤维走行因受限性而是一致的，具有很高的各向异性[2-3]。

DTI是检测白质纤维内水分子扩散的各向异性和扩散的程度再通过后处理技术计算得出FA值（各向异性分数）以及ADC值（表观弥散分数），利用图像重建，能够比较清楚的显示白质纤维束的走形方向和分布以此评价纤维束的完整性，DTI也是当前唯一一种无创性描绘神经纤维走向的技术。

1.2.2 扫描准备：在检查前称量所有人员体重，询问并检查其体内是否有金属物体，询问能否耐受较长时间的检查，排除幽闭恐惧症。

FrontiersinNeuroscience：弥散张量成像（DTI）研究指南弥散张量成像（DTI）的研究越来越受到临床医⽣和研究⼈员的欢迎，因为它们提供了对脑⽹络连接的独特见解。

然⽽，为了优化DTI的使⽤，必须考虑到⼏个技术和⽅法⽅⾯的问题，因为这些问题会影响到DTI研究结果的准确性和可重复性。

本⽂由葡萄⽛学者发表在Frontiers in Neuroscience杂志。

这些⽅⾯包括：采集协议、伪影处理、数据质量控制、张量重建算法、可视化⽅法和定量分析⽅法。

此外，研究⼈员和/或临床医⽣还需要考虑并决定DTI分析流程每个阶段最适合的软件⼯具。

在此，本⽂作者提供了⼀个简单的流程指南，涵盖了弥散张量成像数据处理⼯作流的所有主要阶段。

本指南的⽬的是帮助新⽤户解决分析中最关键的障碍，并进⼀步⿎励使⽤DTI⽅法进⾏研究。

背景介绍：弥散加权成像（DWI）是基于不同组织的⽔扩散速率不同的常规磁共振成像的变体。

它是⼀种⾮侵⼊性的⽅法，对组织结构内的⽔运动具有⽆与伦⽐的敏感性，该⽅法只需使⽤现有的核磁共振技术，不需要新设备、造影剂或化学⽰踪剂。

扩散张量模型的引⼊使⼈们能够间接测量扩散张量成像（DTI）的各向异性程度和结构⽅向。

DWI是指采集图像的对⽐度，DTI则是DWI数据集的⼀种特殊的建模⽅法（这是两个最基本的概念，⼀般来说我们的图像采集就是DWI图像，如果采⽤DTI⽅法进⾏扩散张量重建，就会说DTI）。

DTI原理和基本概念在已有⽂献中已经得到了⼴泛的描述和回顾。

概括地说，DTI背后的基本概念是⽔分⼦在不同组织中的扩散是不同的，这取决于该组织的类型、完整性、结构和组织屏障的存在，通过对⽔分⼦弥散运动的观测可以给出了它所在组织的⽅向和数量，从⽽得出各向异性的信息。

通过DTI分析，可以推断出每个体素的分⼦扩散速率[平均扩散率（MD）或表观扩散系数（ADC）]、扩散⽅向[分数各向异性（FA）]、轴向（沿扩散主轴的扩散速率AD）和径向扩散率（RD）。

磁共振弥散成像的基本原理及临床磁共振弥散成像的基本原理及临床顾雅佳一、磁共振弥散成像的基本概念1．弥散（diffusion）：是描述小分子在组织中微观运动的物理概念，是分子等微观颗粒由高浓度向低浓度弥散的微观移动，即布朗运动，单位为mm2/s。

2．受限弥散：弥散在生物体内的表现。

弥散运动将使溶液系统中的浓度梯度逐渐消失。

但是，在生物体中细胞内外或小器官内外却能保持不同的化学环境，这是由细胞膜的屏障作用决定的，也就是说，膜有阻碍分子自由通过的功能，从而使有些分子的跨膜弥散受到限制。

受限弥散构成了弥散成像的基础。

3．弥散加权成像（diffusion-weighted MR imaging，DWI）：人体中70%是水，通常所说的弥散主要指水分子或含水组织的弥散。

MR通过氢质子的磁化来标记分子而不干扰它的弥散过程。

在任一常规MR成像序列中加入弥散梯度突出弥散效应即可行弥散加权成像，可以对组织中水分子的弥散行为直接进行检测。

人体内水分子弥散运动速率与状态呈微米数量级的运动变化，与人体组织细胞的大小处于同一数量级。

因此，弥散加权成像使MRI对人体的研究深入到细胞水平的微观世界，反映着人体组织的微观世界几何结构以及细胞内外水分子的转运等变化。

4．弥散张量成像（difussion tensor imaging，DTI）：在均质的水中，水分子的弥散运动是一个三维的随机运动，在不同的方向上弥散程度相同，称为各向同性（isotropic）。

而在人体组织中，水分子在三维空间的弥散要受多种局部因素如细胞膜及大分子物质的影响。

尤其在有髓鞘的神经纤维中，水分子沿轴突方向的弥散速度远大于垂直方向的弥散，此种有很强方向依赖性的弥散，即弥散的各向异性(anisotropic)，即水分子的活动在各个方向上其弥散规律不是随机均等的，而是有弥散方向的不均匀性。

这个现象在脑白质、骨骼肌、心肌等多种组织中均可见到。

各向异性的程度用量化指标来测定，并用向量图或彩色编码来表示即为弥散张量成像。

磁共振弥散张量成像（DTI）在颅脑疾病诊断中的临床应用摘要：目的：评价磁共振弥散张量成像（Diffusion Transformation Imaging, DTI）对颅脑疾病的诊断意义。

方法：参与到本次研究的患者均是来自我院在2020年12月-2023年12月收治的颅脑损伤患者，共计70例患者，所有患者的检查方式均是DTI，同时选取同期进行体检的70位健康检查者作为对照分析。

结果：观察组的各数值明显优于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）。

结论：磁共振弥散张量成像在颅脑疾病的诊断中具有操作简便，无创，准确率高等特点，是一种值得在临床中广泛使用的方法。

关键词：磁共振弥散张量成像；颅脑疾病；临床应用引言在功能磁共振成像中磁共振弥散张量成像是非常关键的技术，其利用水分子的弥散食物特性，实现对体素内中不同方位的弥散特性的定量检测，从而实现对体素内组织中水分子扩散行为的定量检测。

弥散张量成像技术可对病变部位的结构完整性、病理变化以及结构与功能的相关性进行评估。

本文着重介绍了弥散张量成像技术在颅脑疾病中的应用。

1资料和方法1.1一般资料本文选取本院在2020年12月-2023年12月间住院的颅脑损伤病人70名作为观察组，同时选取同期进行健康体检的70名人员作为对照组。

观察组45名男性，25名女性；患者年龄21-60岁，平均年龄为（32.36±11.58）岁。

对照组中36名男性和34名女性；患者年龄20-59岁，中位（31.29±12.08）岁。

两组病人都是处于昏迷状态，受伤后持续6小时以上，并且排除严重脏器疾病，内分泌疾病，代谢疾病，器质性脑病，且没有任何一位患者有过颅脑疾病手术的经历。

经过对比分析两组间的性别，年龄方面并没有明显差异，具有可比性，本研究经过本院伦理委员会审批通过，所有患者及其家属均对本研究知晓且签署知情同意书。

1.2方法应用磁共振弥散张量成像技术对70例颅脑损伤病人和70名正常体检者进行检测并对其结果进行对照分析。