磁共振弥散张量成像

北京医院张晨[e-mail]中华医学会北京分会放射技术专业委员会磁共振弥散张量成像弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）弥散张量成像（DTI）又称扩散张量成像1965年，StejskalEO等提出了测量扩散的梯度自旋回波序列的时序图弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）扩散成像是目前最理想的测量扩散的方法。是目前唯一一种追踪脑白质纤维并反映其解剖连通性的方向。弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）解剖成像组织的形态学研究分子水平(细胞内外水分子跨膜运动)目前已应用于脑、心脏、脊髓微细结构的研究弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）水分子的自由运动称为弥散，在脑脊液和脑灰质中的水分子的弥撒运动基本上是各项同性的。水分子在自由状态下的弥散是各向同性的弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）在纯水中，分子在所有方向的扩散一致，称为各向同性（isotropicdiffusion）,可用扩散球形体表示。弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）如果分子扩散取决于方向，方向不一致，称为各向异性的扩散（anisotropicdiffusion）,可用扩散椭圆体表示。弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）DTI就是一种用数学的方法来表示脑组织内水分子弥散的各项异性弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）扩散张量成像外加磁场内沿着强梯度磁场方向自由运动水分子自旋去相位扩散系数定量可用自旋回波相位重聚前后信号的丢失，与未加扩散编码时的参考信号强度对比而得出弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）扩散敏感性用b表示，b值是由持续时间（δ）、敏感脉冲梯度强度（G）和两个脉梯度之间的间隔时间（Δ）决定。用公式表示为：bvalue=γ2G2δ2（Δ–δ/3），是一个旋磁定量，所以，b值随梯度强度（G）和长的梯度脉冲（Δ）或增加脉冲间隔时间（δ）而升高。弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）白质纤维内的ADC值白质纤维束的形态类似于一个长椭圆形IIADC=1.2x10-5cm2/sADC=0.3x10-5cm2/sII弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）扩散张量成像MR图像的每一个体素内提供水分子扩散3＊3扩散张量D分布，用高斯（Gaussian）分布表示6个方向标量：3个正交方向（X、Y，Z）沿四面体3个方向（XY，XZ，YZ）多个参数（FA、RA、RI等）能在活体上观察脑白质复杂结构及病理变化张量值的计算采用3X3矩阵最低用六个方向的弥散梯度Diagonal成分Off-diagonal成分zzzyzxyzyyyxxzxyxxDDDDDDDDDD弥散张量成像的计算Dt弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）Diagonal成分zzzyzxyzyyyxxzxyxxDDDDDDDDDDDiagonal成分是计算FA值的基础Dt弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）Off-diagonal成分Off-diagonal成分是精确计算FA值的补充zzzyzxyzyyyxxzxyxxDDDDDDDDDDDt弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）弥散梯度的数量弥散梯度的方向在6-55之间选择Di=gT.Dt.gDi=BDkgx22gxgy2gxgzgy22gygzgz2B=弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）正常组织结构水分子各项异性扩散扩散病理组织结构成分改变扩散张量成像的理论基础弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）水分子扩散各向同性和各向异性扩散：布朗运动（Brownianmotion）影响因素：分子质量分子间相互作用温度屏障或特异结构弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）磁共振测量的扩散系数称为表观扩散系数（ADC）分子间的粘性屏障效应成为表观扩散系数弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）处理软件DTI数据纤维束扩散张量纤维束成像（diffusiontensorfibertractography,DT-FT）弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）场强对DTI的影响1.5T&3.0T扩散张量成像比较1.5&3.0T有足够的SNR的情况下，FA无明显的差异。3.0T有40%高的SNR，可得到高的分辨率的图像，虽然其代价是几何变性增加因3.0T磁场的不均匀性。3T的场强可以进行高分辨率的DTI成像5mm层厚2mm层厚场强对DTI的影响弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）高分辨率采集常规采集弥散梯度依次加在三个编码方向上，依据选择的方向多少重复上述过程DiffusionLobesDTI脉冲序列剖面图弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）SplitDiffusionLobesDTI脉冲序列剖面图DualSpinEcho可以减低图像的扭曲，轻微降低SNR弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）各项异性的测量因FA图的灰白质的对比度最好而最常使用FA各向异性分数fractionalanisotropyRA相对各向异性relativeanisotropyVR容积比volumeratio弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）椭圆体形状、大小、方向•本征值是扩散椭圆体内分子沿三个正交方向上的扩散率，每个本征值与一个本征向量在空间方向上一致。在b值变化允许范围，扩散张量反映的是组织结构特性。本征值（eigenvalues）和本征向量（eigenvectors）弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）扩散张量成像中的本征值可表示每个体素的特征。各向异性指标：部分各向异性（各向异性指数）AI相对各向异性RA容积比率VR脑的参数定量图弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）扩散各向异性：描述在3D空间内一个椭圆体的特征。一个2列张量的特征是可被对角斜线化，仅剩下3个沿着张量的主对角线上非零元素，称为本征值（λ1、λ2、λ3）。本征值（eigenvalues）反映扩散椭圆体的形状或结构，三个本征值的总合（trace=λ1、+λ2+λ3）,反映椭圆体的大小。相似性3D白质纤维束图FA2D彩色图方向性本征值扩散椭圆体相邻体素弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）部分各向异性（FA）可由以下公式：FA=√3/2√√(λ1-D)2+(λ2-D)2+(λ3-D)2λ12+λ22+λ32•计算得出,λ1,λ2,和λ3响应代表最大、中等、最小本征值，D是本征值总和的1/3即（1/3）*（λ1+λ2+λ3）。FA的影响因素因FA图的灰白质的对比度最好而最常使用•SNR•B值•层厚FA的范围0-1影响因素弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）FA像6axis9axis21axis55axis线扫描弥散张力成像•对运动不敏感•对磁敏感性伪影不敏感•SNR高•空间分辨率高扫描时间长优点缺点LineScan技术可以清晰显示脑干区域的纤维形态弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）线性扫描弥散张力成像后处理分析弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）Simens弥散张量成像同时应用三个互相垂直的弥散梯度再加上一个垂直梯度形成一个四面体梯度矢量，这种方法得出的DTI图像具有较高的SNR(比常规的三方向的成像方法高31/2）主要用来评价off-diagnol成分弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）philips弥散张量成像•GREtensor与SETensor比较SE-EPI弥散张量成像GRE-EPI弥散张量成像弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）扩散张量的成像方法及纤维追踪技术数据的获取扩散张量成像是受敏感梯度的强度、数量和方向影响。b值在0-1000s/mm2范围，可减少b值因数量对定量值测量影响弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）图像后处理扩散张量成像数据定量分析、方向性定量指数都可反映生物组织内水分子扩散的特征。既直观又简便的指标是主要的扩散系数，测量沿椭圆体最长轴和其他的正交轴的扩散率的相对大小。弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）DTI后处理容积比率（Volumeratio）:是椭圆体的体积比上半径为平均扩散率的球形体积，值范围从0-1。相对各向异性（relativeanisotropy,RA）:本征值相对于他们的平均值的变异值。部分各向异性（fractionalanisotropy,FA）:是扩散张量中的各向异性成分与整个扩散张量的比值，值范围从0-1。弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）每一个层面均可获得：一个T2图像一个扩散轨迹权重图一个扩散轨迹表观扩散系数图一个计算得到的相对各向异性图主要效应扩散率（本征值λ1、λ2、λ3）本征向量X、Y、Z的计算应用专用软件就可将纤维的方向用最大本征值的本征向量叠加在解剖背景图上显现。为了突出灰质和白质，T2WIs常用着背景图。弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）最大本征值（λ1）的本征向量被认为代表纤维的方向。脑白质彩色图的产生是基于每个体素的本征向量的3个相量元素向量元素的绝对值被赋予不同的颜色：红（代表x元素）、绿（代表y元素）、兰（代表z元素）。每个体素颜色强度由FA值大小校准。弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）扩散加权成像(DWI):ADC:一方向或三个方向(X、Y、Z)各项同性脑白质结构：高度各项异性脑白质水分子扩散的各向异性是白质纤维束方向性的表现受组织细微结构和宏观结构影响组织细微结构特征、轴突内结构在很大程度上影响扩散的各向异性，纤维的密度和神经胶质细胞的包裹，髓鞘形成的程度及纤维的直径大小。脑白质纤维束在一个体素中方向的可变性影响体素内各向异性的程度。弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）在脑白质中，由于髓鞘的阻挡，水分子的弥撒被限制在与纤维走向一致的方向上，具有较高的各项异性，根据脑白质中水分子沿神经纤维方向运动快，垂直方向运动慢的特点，磁共振图像显示出神经纤维的走向。弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）白质纤维束成像1.线性传播运算法则：是利用相应传播每一阶段的局部张量信息。2.球体能量最小化去寻找预先确定的两个体素间的轨迹。弥散张量成像（DiffusionTensorImaging,DTI）线性传播技术进行纤维追踪，称为“fiberassignmentusingcontinuoustra