MRI弥散张量成像DTI的基本原理及其在中枢神经系统中的应用PPT课件

磁共振弥散张量成像的基本原理及其在中枢神经系统中的应用 前言实现活体观察组织结构的完整性和连通性，利于对各种疾病的引起的白质纤维束的损害程度及范围的判断。可用于显示脑白质内神经传导束的走行方向，实现对人的中枢神经纤维精细成像。磁共振弥散张量成像磁共振弥散张量成像（ diffusion tensor imaging, DTI）DTI成像的基本原理DWI的原理组织 T1、 T2驰豫时间、H1的密度、分子弥散运动 利用扩散敏感梯度脉冲将水分子弥散效应扩大，来研究不同组织中水分子扩散运动的差异MR图像的信号图像的信号DWI图像图像其方法就是在常规的 MRI序列上施加对弥散敏感的梯度脉冲来获得 通过两个以上不同弥散敏感梯度值（ b值）的弥散加权象，可计算出弥散敏感梯度方向上水分子的 表观弥散系数 （ apparent diffusion coefficient ADC） ADC=In(S低 /S高 )/(b高 -b低 )DWI 评估弥散的参数=&b=0 b=1000 ADC ADC反映了水分子的扩散运动的能力反映了水分子的扩散运动的能力 ,指水分指水分子单位时间内扩散运动的范围，越高代表水分子单位时间内扩散运动的范围，越高代表水分子扩散能力越强。子扩散能力越强。正常组织随机运动的水分子 -低信号细胞毒性水肿的组织运动受限的水分子 -高信号A B组织内影响水分子弥散的因素 细胞内外的体积变化水分子通过细胞膜的渗透作用细胞外间隙形态的改变然而 DWI成像只在 X、 Y、 Z轴三个方向上施加敏感梯度 ，不能完全、正确地评价不同组织在三维空间内的弥散情况 ，组织各向异性程度往往被低估 。DTI则可以在三维空间内定量分析组则可以在三维空间内定量分析组织内水分子的弥散的特性。织内水分子的弥散的特性。均质介质中水分子的运动是 无序随机运动，即向各个方向运动的几率是相同，即具有 各向同性（ isotropy） DTI的基本原理的基本原理在人体组织中，水分子的运动由于受到组在人体组织中，水分子的运动由于受到组织细胞结构的影响，在各个方向弥散程度是织细胞结构的影响，在各个方向弥散程度是不同的，具有方向依赖性，即具有不同的，具有方向依赖性，即具有 各向异性各向异性(anisotropy) 两个概念两个概念要描述水分子的空间弥散情况 ，引入了 张量 的概念， 脑白质中每一个体素的各向异性扩散过程就可以用张量 D表示 。需要用一个二维 矩阵表示 ： 均质介质中可以水分子的自由运动为各向同性，即在各个方向上的弥散强度大小一致，弥散张量 D描述为球形，沿磁共振的三个主坐标的特征值为 1=2=3在脑白质中由于髓鞘的阻挡在脑白质中由于髓鞘的阻挡，水分子的弥散被限制在与纤，水分子的弥散被限制在与纤维走行一致的方向上，具有较维走行一致的方向上，具有较高的各向异性，此时弥散张量高的各向异性，此时弥散张量可表示为椭球形，其特征值可表示为椭球形，其特征值123，最大特征值对应的，最大特征值对应的方向与经过该体素的纤维束走方向与经过该体素的纤维束走行平行行平行 二阶张量具有 对称性 ，Dxy DyxDxz=DzxDyz=Dzy因此只要计算 6个变量方法： 至少在 6个不同非共线方向上施加敏感梯度，另外再采集一幅具有同样参数而未施加敏感梯度的图像。从弥散加权像和非弥散加权像的信号强度衰减差异中可以得到 6幅表观弥散系数图（ ADC），得到一个六元一次方程组，最后利用这些图可以求得每个体素的有效弥散张量 D 理论上 6次就可以，但是由于噪声的存在，方向越多，三维空间分布越均匀则数据越准确，目前最多可以在 128个不同方向进行成像 12个方向 42个方向 162个方向 642个方向DTI的量化参数 第一类是平均扩散率指 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正常的 ADC图第二类是反映各向异性的参数 部分各向异性指数（ fractional anisotropy， FA ）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，反应了各向异性成分占整个弥散张量的比例，取值在 0 1之间，0代表了最大各向同性的弥散，比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 脑白质中 FA值与髓鞘的完整性、纤维的致密性及平行性呈正相关 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 胼胝体 内囊后肢 内囊前肢 外囊 半卵园中心2、 相对各向异性（ relative anisotropy，RA）和容积比（ volume ratio， VR）RA为各向异性和各向同性成分的比例。 VR等于椭球体的体积与半径为平均扩散率的球体体积之比。 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 。VR图DTI的彩色弥散张量图 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、绿、篮三种颜色 白质纤维束示踪成像（ fiber tractography） 就是利用最大本征向量 1对应纤