弥散张量成像DTI规范化扫描方案

【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。

磁共振弥散张量成像（DTI）弥散张量成像(DTI)，是一种描述大脑结构的新方法，是磁共振成像(MRI)的特殊形式。

举例来说，如果说磁共振成像是追踪水分子中的氢原子，那么弥散张量成像便是依据水分子移动方向制图。

弥散张量成像图（呈现方式与以前的图像不同）可以揭示脑瘤如何影响神经细胞连接，引导进行大脑手术。

它还可以揭示同中风、多发性硬化症、精神分裂症、阅读障碍有关的细微反常变化。

扩散( diffusion)是指热能激发使分子发生的一种微观、随机运动，又称布朗运动。

人体组织结构不同会导致水分子扩散运动在各方向上所受限制的差异，如果水分子在各方向上的限制性扩散对称，就称之为各向同性扩散( isotropic diffusion)；若水分子在各方向上的限制性扩散不对称，则称之为各向异性扩散( anisotropic diffusion)。

各向异性扩散在人体组织中普遍存在，以脑白质神经纤维束最为典型，表现为沿神经纤维长轴方向的水分子扩散较自由，而在与神经纤维长轴垂直方向上的水分子的扩散则受细胞膜和髓鞘的限制。

如果在6个以上方向施加扩散敏感梯度场，则可检测每个体素水分子扩散的各向异性，该技术称扩散张量成像( diffusion tensor imaging，DTI)，可以反映白质纤维束走向在神经科学研究中发挥着重要的作用。

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

相关概念1、扩散系数（diffusion coefficient, DC）：表示单位时间内分子自由扩散的范围。

2、扩散敏感因子b值（b value）：是反映MRI各成像序列（如SE、FSE、EPI）对扩散运动表现的敏感程度，体现成像序列检测扩散的能力。

3、表观扩散系数（apparent diffusion coefficient, ADC）:描述磁共振扩散加权成像中不同方面水分子扩散运动的速度和范围。

磁共振规范化扫描方案（3.0T）---中华磁共振应用学院系列教材头部弥散张量成像Diffusion Tensor使用限制和提醒：1.磁共振临床应用的建议扫描方案，并不对诊断结果承担任何责任。

2.扫描方案仅用于内部学习目的，其中涉及的任何内容不作为机型性能、图像质量的判断依据。

3.由于磁共振系统配置上的差异，扫描方案中的内容并不作为系统所具有功能的具体实现。

4.扫描方案中涉及的任何图像内容、姓名等信息均认为以教学为目的，不涉及任何私有信息的泄露。

5.扫描方案中任何内容有不恰当或有疑问，请及时给予反馈，我们将尽快更正，同时，我们保留更改和解释的权利。

6.任何一个版面均有相关内部使用界限提醒，请勿外传。

1.采用标准头部成像体位，仰卧位，头先进，双手置于身体两侧，人体长轴与床面长轴一致。

2.头部扫描必须配带耳塞，听力保护。

3.摆位时，肩部必须靠近线圈，头顶部尽量向线圈内，左右居中，头部不能旋转，同时必须用海绵垫固定头部。

4.下颌一定要内收，必要时垫高枕后，这样可明显减少图像伪影。

5.定位中心位于鼻根或眉间，若是激光灯经过眼睛时必须闭眼。

6.婴幼儿因头颅较小，需在他们的枕背部加软垫，以确保患者头颅中心与线圈中心一致。

头部弥散张量DTI规范化扫描方案：1 3-pl Loc 三平面定位2 Asset Calibration 校准扫描3 Ax 3D T1FSPGR Loc 横断面三维T1FSPGR扫描4 Ax DTI 横断面DTI扫描5 Ax T1 Loc 横断面T1 Flair扫描3-pl Loc，三平面定位图像：定位线说明：•三平面定位图像上观察头颅位置既不能偏上也不能偏下，确保头颅位于线圈的中心。

•颅底范围要有足够的信号强度，否则影响颅底图像质量。

•功能成像要求定位线不能是斜位，因此摆位时头部不能旋转，大脑半球左右对称。

如果三平面定位头部位置不标准，可重新患者摆位。

•脑功能成像对头部运动非常敏感，因此对头部固定要求更高。

磁共振新技术应用之二：弥散张量成像DTI一、原理简介磁共振扩散张量成像(MR-DTI)技术是近年来在MR-DWI基础上发展起来的成像及后处理技术,它利用组织中水分子的自由热运动的各向异性的原理,探测组织的微观结构,达到研究人体功能的目的。

目前,DTI 是唯一可在活体显示脑白质纤维束的无创性成像方法。

在自然条件下，质子的弥散很少受到限制，如蓝墨水滴在纯水中的弥散。

这时的弥散速度在各个方向上是相等的，称为各向同性。

然而，生物体中由于某些屏障的阻碍，如存在的半透性和可通透的细胞膜等，质子的随机运动受到限制，这样就形成了对弥散的限制。

人体组织中的长纤维的存在亦使得质子的弥散在各个方向上不完全相同，一般说来，沿着长纤维走行弥散的质子要明显快于垂直其方向弥散的质子。

这就是所谓的各向异性，从而引出弥散张量成像。

DTI是在DWI基础上，在6-55个线性方向上施加射频脉冲，多采用单次SE-EPI序列，每个方向上均使用相同的较大b值，计算各个方向上的弥散张量而成像。

用DTI示踪白质纤维的走行，其基本原理是通过一个主本征值，寻找一个与其接近的体素，将这些体素联系起来，达到显示白质纤维的目的。

二、DTI在中枢神经系统的临床应用1.正常脑白质纤维的显示多数学者认为DTI能非常准确地显示主要的白质纤维束，与神经解剖学图谱的对照研究也显示了两者之间有良好的相关性。

Mamata 等研究证实DTI 可获得一系列完整的正常脑白质纤维图像。

可显示的纤维束包括：弓状束、上下纵行束、钩回束、视听辐射、前连合、胼胝体、锥体束、薄形束、楔形束、内侧束、红核脊髓束、顶盖脊髓束、中盖束、三叉神经丘脑背侧束、上中下大脑脚、动眼和三叉神经根部纤维等。

对于中枢神经系统发育性异常，如胼胝体发育不全等的显示也与以往的解剖学研究相似。

2.脑肿瘤脑肿瘤是DTI的研究热点之一。

肿瘤组织本身排列紊乱和其产生的占位效应致瘤体周围组织水肿及受压移位等，均可引起ADC值和FA 值改变。

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。

核磁共振成像中弥散张量成像技术的发展核磁共振成像( MRI) 是一种常见的医学成像方法，它通过利用磁场和无线电波产生的信号来制作图像，从而在内部观察人体和动物的构造和功能。

MRI 拥有许多不同的应用，如诊断和研究神经退行性疾病、癌症、器官损伤等。

随着 MRI 技术的发展，越来越多的新技术被开发出来，其中就包括了弥散张量成像技术( DTI)，这一技术可以在MRI 图像中显示出组织内分子运动的方向和速度，为研究神经系统和脑部结构提供了新的方法。

DTI 技术的原理是利用弥散张量估计组织中水分子的弥散情况。

水分子在某些情况下会因分子间力实现相互作用而受到限制，导致分子运动的自由度下降。

这种限制在生物体中可以反映出结构组分的微观结构，例如神经元的轴突、髓鞘和其他生物分子。

DTI 技术可以通过MRI造影图像显示出这些微观结构。

DTI 技术的特点是无创伤性、对生物组织没有伤害，可以很好地分辨不同微观结构，因此广泛应用于人类的神经系统、心脏系统、肌肉系统等。

弥散张量成像技术是 MRI 技术的一大新突破。

目前该技术已广泛应用于医疗领域，着重研究神经退行性疾病、心脏病、癌症、多发性硬化症等。

在神经退行性疾病研究中，通过 DTI 技术可以揭示人脑神经元系统的结构和连接方式，帮助寻找神经退行性疾病发生时的异常情况。

在心脏病研究中， DTI 技术可以测量心肌细胞的张力分布和纤维结构，用以研究心脏病时心肌肉纤维的变化与心肌变性之间的关系。

在癌症研究中， DTI 技术可以提供一个可视化的方法来评估肿瘤微环境和手术切除后的患者的治疗效果。

尽管 DTI 技术已在医学研究和临床应用中取得了成功，但它也存在一些局限性。

首先， DTI 技术需要更长的扫描时间，较低的分辨率和较低的信噪比。

其次， DTI 技术只有在组织中存在排列相对方向的水分子时才能成像，因此不能成像其他类型的生物分子。

此外， DTI 技术还不能有效地处理规模更大和更详细的成像数据集。

[DTI/DWI]DTI(弥散张量成像)简介及原理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.(引自%26lt;%26lt;医学影像学杂志%26gt;%26gt;2006年04期王海燕, 赵斌, 于富华) 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。

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）。