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影像新技术：弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）

2023-02-09作者：论坛报沐雨经验

非原创

导读

磁共振弥散成像技术是目前在活体上测量水分子弥散运动与成像的唯一方法，最常用的主要包括弥散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)和弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)。DTI在中枢神经系统尤其对白质和灰质的区别以及白质纤维的走行有很好的成像效果，可了解病变造成的白质纤维束受压移位、浸润与破坏，为病变的诊断与鉴别诊断提供更多信息，为手术方案的制定，术后随访提供依据。DTI对于神经科学是一个新的突破，使得研究者得以了解活体的神经纤维走行，这不仅有助于深入了解人脑纤维的结构，而且在临床上有很大的价值，成为近期脑功能成像技术研究的最新热点之一。

DTI原理与背景

弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是一种基于常规磁共振影像技术发展出的新兴影像表达方法。DTI是MRI的一种特殊形式，不仅可以显示每一个体素的信号强度，而且还能够计算3维空间中张量方向的具体数据。然后将每一个体素展现出的单个箭头根据神经束方向的差异进行整理，生成一组方向箭头。再经由图像数据的处理将每一组的方向箭头进行加工，形成神经束的线性图像。

大脑中的白质纤维束呈几何形式排列，由于弥散磁共振成像能够清晰显示大脑白质纤维束，可以据此对白质纤维束的排列形态展开多角度的研究。目前已经可以深入观察到白质纤维束中水分子运动的各向异性。白质束排列密度与该区域的各向异性呈正比。在脑实质中，脑白质与大脑皮质相比，其各向异性程度较高，而大脑皮质的各向异性程度相对较低。因存在细胞膜，所以分子在细胞内外及组织之间的移动过程中必须完成跨膜运动，而水分子在这一过程中则会发生弥散现象。

由于神经细胞膜的阻碍，水分子沿白质纤维的运动或扩散比垂直于水分子的运动或扩散快，水分子运动在各个方向上各不一致，因此形成各向异性。而平行运动和垂直运动之间水分子扩散的差异，构建出弥散张量成像的图像基础。各向异性分数（FA）数值以0~1范围表示，是水分子各向异性成分与整个弥散张量形成的比值。数值越小，表示弥散越不受限制；数值越大，则表示组织规则性不断增加且具有方向性，神经传导功能也随之加强。所以可以通过FA值推断大脑白质纤维束内细胞结构的排列程度以及组织结构的完整性。

DTI不仅通过各向异性分数（fractional anisotropy，FA）描述了组织内水分子扩散的方向性，同时也通过表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）、平均扩散率（mean diffusivity，MD）、轴向弥散系数（axial diffusivity，AD）、径向弥散系数（radial diffusivity，RD）来更加具体地描述组织中的水分子扩散的方向和大小。其中ADC 值衡量组织中水分子的弥散运动，反映水分子在弥散敏感梯度方向上的位移程度。ADC 受细胞内外水的温度、细胞膜通透性、黏滞度、比例的影响。

MD可以反映组织的总含水量，表达水分子的总弥散活动和分子置换；在平行轴位置用AD描述，体现在水分子的扩散与运动中所受阻碍最小的方向，即为张量中的最大数值显示。AD对于轴突的完整性和变性更为敏感。垂直轴位置用RD描述，数值取决于两个相对较低的张量数值计算的平均数值。RD能够表达髓磷脂的完整程度。DTI在皮层下水平的神经束识别和估计方面具有独特的优势，目前在临床诊疗与科研探索中均被广泛应用，同时也被应用于许多大脑疾病的研究，如脑卒中、阿尔茨海默病、大脑衰老等疾病。

DTI优点

弥散是一个矢量，不仅有大小也有方向。在DTI中，组织内水分子的位移情况至少在6个方向被测量^[3]，而diffusion只在一个或三个方向被测定，可能会造成关于组织结构的错误结论。DTI是一种更高级的弥散加权成像形式，是DWI基础上的新的MR成像技术，它利用多种参数和数据处理，从量和方向上反映成像体素内扩散的变化，可以定向定量地评价脑白质的各向异性。另外，DTI图像可以经过特定的后处理软件用主要特征矢量图来显示，从而在图像中显示脑白质的方向和完整性，这就为研究脑白质的走行，揭示脑内各种脑病变包括脑梗死，脑肿瘤等病灶与脑白质纤维走行的关系提供了可能性，在显示脑白质纤维病变方面具有更大的优越性和潜力。纤维示踪图(fiber tractography)：是目前唯一能在活体、无创和个体化地提供人脑白质纤维结构位置和走行特点的影像学技术。可以直观地显示肿瘤与其周围的大脑白质纤维之间的关系，从而可以更好地指导手术，以求能够最大限度地切除肿瘤组织和保护正常脑组织。

DTI缺点

DTI也有其局限与不足，表现在弥散梯度引起涡流，使纤维束方向不可确定，磁场不均匀性使图像扭曲变形，影响DTI定量分析；较小纤维束显示不佳或不能显示；受水肿等因素影响受压与破坏判断不确切。DTI的精度不仅依赖于成像中脉冲序列的设置、成像方法的设计，还依赖于图像后处理算法，改进DTI 的精度和数据可靠性应该从这两方面入手。

DTI应用展望

弥散张量成像(DTI)是一种描述大脑结构的新方法，是核磁共振成像(MRI)的特殊形式。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，引导医疗人员进行大脑手术。它还可以揭示同脑卒中、多发性硬化症、精神分裂症、阅读障碍等有关的细微反常变化。随着设备的普及以及性能的不断提高，今后大脑功能研究预计会朝着多波谱多对比度的方向发展，将BOLD、DTI、MRS 以及常规的T1、T2和质子密度结合起来，根据大脑认知活动时的各种改变综合评价大脑功能，从而获得神经系统疾病的正确诊断和实施合适的治疗，并在肿瘤治疗过程中进行监督。DTI的发展非常迅速，虽然在成像方法和图像分析上还有许多需要改进和完善的地方，但在神经系统疾病的临床诊断和病理研究上具有广阔的应用前景，随着DTI 脑功能的研究逐步进入实用化，预示着人类对脑功能的认识将达到一个更高的水平。

来源：神经科学论坛

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