 在讨论扩散加权成像时我们已经提及，在很多扩散介质中，水分子在各个方向的扩散程度是不同的，而这种不同方向扩散程度的不同也可以在一定程度上反映组织的结构特点。扩散张量成像就是基于扩散加权成像的基础之上，采用更多方向的扩散加权梯度，从而能够更好地反映水分子在各个方向上扩散差异。通过对扩散张量成像所获得的图像进行某些定量分析，可以更好地反映组织结构所发生的变化。扩散张量成像的组织学基础：扩散张量成像的基本原理就是建立在水分子在组织中不同方向上的扩散行为存在着差别，而扩散张量成像也正是验证这种差别是否存在并依此来推断组织结构的内在变化。人的大脑由上百亿个神经元组成，而神经元又可分为细胞体和神经纤维。通常所说的大脑灰质就是神经元细胞体集中的区域，因为颜色较深故称为灰质；而大脑白质则是神经纤维聚集的区域，因为颜色浅而称为白质。神经纤维有很多分类的方法，既可以根据其功能区分，如传入神经纤维、传出神经纤维或躯体神经纤维、植物神经纤维等。而对于影像学评估而言，神经纤维的另一种分类方法更值得我们去了解：有髓神经纤维和无髓神经纤维。在扩散张量成像中，除了能够反映出神经纤维的排列和走行等信息，也能在一定程度上反映髓鞘的相关信息。对于有髓神经纤维而言，髓鞘除了对相应的神经纤维具有保护支撑外，同时，髓鞘也是保证神经纤维功能完整的一个重要结构。神经纤维可以简单地理解为电路传导中的电线，而髓鞘则是包在电线外周的绝缘物质。但是神经纤维并非完全为髓鞘所包绕，而是会有一个个节段式的裸露区域，这一个个裸露的区域就构成了有髓神经纤维的郎飞氏节。事实上有髓神经纤维的电传导正是通过这些郎飞氏节呈跳跃式传导，这种跳跃式的传导方式大大提升了神经冲动的传导速度。可以想象，任何原因导致有髓神经纤维的髓鞘脱落都会导致神经传导变慢甚至受阻，这就是通常所说的脱髓鞘病变。对于有髓神经纤维来说，我们很容易理解水分子沿着神经纤维走行方向的扩散会更自由，而在垂直于神经纤维方向的扩散就会受到神经纤维、相应的髓鞘结构等的阻挡，这就构成了扩散张量成像的组织学基础。  扩散张量成像的基本原理：如前所述，在人脑中水分子的扩散是一个三维扩散过程，而由于神经纤维等结构的存在导致水分子在各个方向的扩散行为是存在差别的。在一般的扩散成像中，关注更多的是表观扩散系数，而表观扩散系数不能很好的反映水分子在各个方向上的扩散差别。对于各向异性的组织而言，扩散系数取决于水分子走向和所施加的扩散梯度方向。扩散张量成像（Diffusion tensor imaging, DTI）和常规的扩散加权成像（Diffusion Weighted Imaging, DWI）的一个最主要区别就是在更多的方向上施加扩散加权梯度，从而能更充分的揭示水分子在各个方向上的扩散差别，通过这种扩散差别来进一步反映组织结构或可能发生的病理变化。关于DTI成像，有几个基本概念非常重要：DTI成像需要在多个方向施加扩散梯度但必须合理选择：为了能够反映出水分子在各个方向上的扩散差异，DTI需要在多个方向上施加扩散梯度，而且至少在六个方向上施加扩散梯度。在谈到DTI成像时，施加扩散梯度的方向数是一个最被关心的问题。显而易见，施加的扩散梯度方向越多，能够更精确的反映出组织的各向扩散异性。但是有一点必须清楚：扩散梯度的方向数也必须兼顾扫描时间和可行性因素。事实上，针对于一般的临床应用，扩散梯度方向在15到25个方向已经可以很好的解决临床问题了。施加的扩散梯度方向越多，所需要的扫描时间就越长。除非是一些科研的需求，或者为了更精准的显示脑纤维连接，一般没有必要施加更多的扩散梯度方向。施加的扩散梯度方向越多不仅扫描时间更长，而且对于整个成像设备特别是梯度系统的负荷都是非常大的。另一方面，强大的扩散梯度也会产生明显的扫描噪音，所以过长的扫描时间对于病人而言也是难以忍受的。各向异性分数（Fraction Anisotrophy,FA）:各向异性分数也称FA值，这是在DTI成像中最重要的一个定量参数。FA反映水分子的扩散受限程度：FA值为0时代表完全不受限，FA值为1时代表完全受限。对于走行于髓鞘内的水分子而言，在沿着髓鞘方向的扩散方向上受限程度就低，而垂直于髓鞘方向其受限程度就高。通常我们测量的FA值是在感兴趣区内的平均值，在白质区域这个值就高，而当白质结构受损如脱髓鞘病变时这个值就降低。因为神经纤维的走行方向是不同的，所以更准确的反映水分子扩散受限各向异性的FA值具有方向依赖性。FA值不仅能够作为神经纤维受损的一个判断指标，同时FA值也是进一步纤维束追踪的依据。本征向量值：理论上大脑白质中水分子各向异性扩散的模型是一个椭球形。所谓本征向量值就是描述这个椭球形的三个轴，就是通常所说的λ值。了解本征向量值这个概念非常重要。在这三个本征向量值中，主本征向量也就是椭球的长轴方向被认为是纤维的走行方向。FA值反映水分子的扩散受限程度，但有很多原因可以导致FA值变小。如在脱髓鞘类病变时，神经纤维的溶解、破环可以导致FA值的降低，而在一些转移瘤病变或炎性病变等所伴发的血管源性水肿时，这些水肿具有沿着神经纤维走行的指样分布，此时神经纤维之间的间距变大，这也会导致其中的水分子扩散受限程度减轻。所以，有时单纯根据FA值变低并不能准确判定其内在原因。这种情况下进一步的本征向量评估就显得更有意义：如果在FA降低的区域假设本征向量的方向是趋于一致的，那可能代表就是由于纤维间水肿导致其间隙变大；而如果本征向量图显示主本征向量的方向是杂乱的，则更提示是纤维的溶解、破环。可见，对于DTI后处理所得到的这个FA值还是要具体问题具体分析的。这时结合常规图像的改变也能给出更合理的解释。
图片说明：水分子扩散模型示意图。在扩散完全自由的环境中，水分子扩散是自由的，最后水分子的扩散轨迹是一个球体；而在白质纤维束这种环境中，水分子在各个方向上扩散存在差异，最后其扩散轨迹倾向于椭球体。 
图片说明：DTI成像基本原理。DTI成像最少需要在六个方向上施加扩散敏感梯度，从而计算出在不同方向上的扩散系数差别，并因此计算出FA值。 DTI成像中的各向同性分析：上面讨论了DTI成像中的各向异性分析，这是DTI成像的主要目的。但在DTI成像中也可以获得和扩散方向无关的平均扩散率（Meam Diffusivity,MD），这个平均扩散率和扩散方向无关，它能反映成像组织中自由水的含量。MD越大，代表自由水的含量越多。
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