MRI弥散张量成像（DTI）带你走进多彩大脑序列介绍（一）

DTI弥散张量成像

弥散张量成像(Diffusion Tensor Imaging， DTI)由 Basser等在1996年首次提出，是对水分子的自由热运动的各向异性进行量化分析，利用彩色图像显示白质纤维束的走行、方向、排列、紧密度、髓鞘化情况等信息，是目前唯一能在活体人脑组织的定量研究脑白质纤维束的非侵入性手段。

DTI和DWI的异同

DTI是在DWI基础上的一种MRI成像技术，所以在认识DTI之前，我们先来了解一下扩散加权成像（Diffusion Weighted Imaging, DWI），DWI是指分子在介质中从周围环境获取热能而使分子发生的随机的、无规则的、相互碰撞的运动过程，也称分子的热运动或布朗运动。DWI可以显示水分子由细胞外向细胞内转移、细胞膜通透性的变化、细胞膜去极化功能受损等产生的影像变化，还可以反映组织内细胞的密度。

扩散张量成像（Diffusion tensor imaging, DTI）和常规的扩散加权成像（Diffusion Weighted Imaging, DWI）相同点是两者成像基础相同，都是基于水分子在不同结构的扩散方向和速度差异。

两者最主要区别就是DWI只用ADC一个参数描述，扩散程度的测量限于一个平面内，常低估组织的各向异性。DTI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，用多个参数描述，从三维立体空间定量地分析水分子的扩散运动及相关性。

两者临床应用方向不同，DWI用于脑缺血的诊断，感染性病变，肿瘤、肿瘤性病变，在提高早期诊断,鉴别和确定肿瘤范围方面有特殊价值。DTI包含了方向信息的向量图，主要用于评价组织结构的完整性，主要应用于脑、脊髓、心脏、及骨骼肌等具有规律走形的纤维束结构。

 DTI里几个重要的概念

各向同性：水分子在自由状态下的弥散是各向同性的，各方向弥散运动的向量轨迹为球形。

  

各向异性：人体内的水分子同体外水分子的运动不同，它不仅受组织细胞本身特征的影响，而且还受细胞内部结构的影响。这种具有方向依赖性的扩散即称为扩散的各向异性，其运动轨迹近似一个椭球体。椭球体的半径称为本征向量，其中最大半径称为主本征向量。

 

DTI图像反映脑白质纤维素的走行方向，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。DTI在多个方向上施加弥散敏感梯度，分别感受不同方向的弥散运动，获得不同弥散方向的多个弥散图像，方向越多，感受到的弥散运动方向越多。

 

DTI图像反映了水分子在脑实质空间内向各个方向进行弥散运动的主导方向。

DTI成像的基本原理

张量（tensor）一词来源于物理学和工程学领域，它是利用一组 3D 矢量来描述固体物质内的张力。为了形象地表述弥散张量，我们可以进一步将弥散张量视为一个椭圆球体。张量的矩阵是9个非0因素，其中3个分量是相同的（对称性），而其余6个因素（Dxx,Dyy,Dzz ,Dxy,Dxz,Dyz）决定弥散张量的特征。3个非0因素沿着张量的主对角线，称为本征值(eigevalue)λ1,λ2,λ3, 本征值反应出椭圆形的外形，大小与方向无关。而其数学关系代表方向为3个本征向量（eigevector）V1,V2,V3。

DTI相关参数

DTI量化参数包括平均弥散系数（ADC）、部分各向异性（FA）、相对各向异性（RA）、容积比（VR）

1、平均弥散率（mean diffusivity,MD）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。自由水的ADC值大约为2.5x10-3mm2/S，正常脑组织的ADC值为0.7-0.9x10-3mm2/S，脑组织急性病变的ADC值多为降低，脑组织亚急性或慢性病变的ADC值多为升高。

2. 部分各向异性指数（fractional anisotropy, FA ）：是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。反映细胞膜，髓鞘的完整性，对纤维束的方向及一致性敏感，取值在0～1之间，0代表了最大各向同性的弥散，例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。

FA值的计算公式：FA = √3[(λ1-<λ>)2 + （λ2-<λ>）2 + （λ3-<λ>）2 ]/ √2 (λ12 +λ22 +λ32)

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 。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（左右）、绿（前后）、篮（头足）三种颜色 。

3．相对各向异性（relative anisotropy，RA）：相对各向异性指数，是弥散张量的各向异性部分与弥散张量各向同性部分的比值，它的变化范围从0(各向同性弥散)到√2(无穷各向异性)。

RA的计算公式：RA = √(λ1-<λ>) 2 + （λ2-<λ>）2 + （λ3-<λ>）2 /√3<λ>

4. 容积比（volume ratio，VR）：是椭球体的体积与半径为平均扩散率的球体体积之比。由于它的变化范围从 1(即各向同性弥散)到0，所以，临床上更倾向于应用1/VR。

VR的计算公式：VR=（λ1×λ2×λ3）/<λ>3

RA和VR两者的取值范围亦在0～1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。

 

文献Clinical application of diffusion tensor imaging

37岁男性，左额顶叶多发脑脓肿。轴位T2W图像（A）显示清晰的高信号病灶（箭头）和低信号壁（箭头）。病变在轴位T1W图像（B）上呈低信号（箭头），壁呈等信号（箭头）。增强后T1W图像（C）显示病灶增强（箭头）。MD图（D）显示低强度不均匀分布。FA（E）和彩色编码FA与MD（F）图融合显示脓肿腔的方向（箭头），与在对侧放射冠纤维束（箭头）中观察到的方向相似。

飞利浦设备DTI后处理步骤

DTI通过单个ROI纤维束后处理步骤

1.选择原始序列，右键选择Diffusion Registration

2.弹出对话框之后点OK，Diffusion Registration目的是去除梯度震动及病人本身造成的轻微运动

 

3.选择Diffusion Registration处理之后的图像，右键选择FiberTrak，进入后处理

4.选择st1w_3D_TFE拖入后处理软件；

5.右键选择Track Single ROI Fibers画感兴趣区；

6.得到通过该ROI的纤维束；

 

DTI通过多个ROI纤维束后处理步骤

5.右键选择Define Multiple ROIs画两个以上感兴趣区；

6.工具栏选择  进行纤维束追踪，最终得到通过这几个ROI的纤维束；

7.右键选择Change Color可改变纤维束颜色，Fixed是固定某种颜色，Directional带有纤维束走行方向信息（左右走行为红色，前后走行为绿色，头足走行为蓝色）；

8.选择Directional得到带有方向信息的纤维束；

9.右键调整位置是纤维束充分显示；

10.右键选择Opacity可以是解剖像透明化，更充分显示纤维束；

11.右键选择Algorithm可以对显示纤维束的最小FA、最大改变角度、最小纤维束长度进行设置。

 

ISP后处理步骤

1.选择患者，点击MR diffusion 软件

2.进入后处理软件，左侧信息栏会显示后处理的步骤,根据需要勾√号，生成图

 

3.进入纤维束追踪界面

 

4.在分析之前，先做一个手动矫正

5. 选择参考底图和覆盖

 

6.选择ROI(g根据需要选择单个或多个)

7.点击追踪纤维束追踪

 

8.可以选择画ROI的方式

9. 右键可以隐藏ROI,使用纤维束定向颜色，改变纤维束颜色，删除ROI,重新命名等

 

10.显示统计数据结果

  

11.最后保存结果

 

对比一下MR主机和ISP后处理的异同