DTI--弥散张量成像
【基础理论】弥散张量成像（DiffusionTensorImage,DTI）
【基础理论】弥散张量成像（DiffusionTensorImage,DTI）展开全文弥散张量成像（Diffusion tensor image, DTI），是通过测量水分子的弥散过程来评价生物组织结构和生理状态，被公认为当前最有吸引力的无创性检查方法。
使用这种方法可获得检测脑白质组织的完整性的量化图，以及辨别脑纤维束三维宏观结构图（如，脑皮层下灰质核的投射区及皮层间的纤维连接）。
最近，有报道使用DTI 评价脑白质的解剖结构和病变进程，虽然这种方法在研究脑白质方面具有很大潜力，但要成为一种临床上常规使用方法仍有一些困难。
本部分将讲述如何计算有效弥散张量（D eff），并讨论数据采集、计算及图象产生的相关问题，同时也将展示一些经验，包括使用量化图和白质束图来评价脑白质和鼠大脑发育过程中的形态改变。
DTI测量中的基本概念矢量通常可以用箭头表示，如对于速度，箭头的方向描述运动的方向，而箭头的长度可以描述运动的速率(m/s)。
这种箭头在数学的描述就可以有3个独立的数字来代表：长度或两个角度，或是三维坐标 (x, y和z轴)。
流动的液体能够通过各个位置上速度矢量进行描述，每一点上的矢量在空间上分布将构成矢量场。
1各向异性和各向同性组织内水分子的随机位移通常受到介质组织结构和生理因素的影响，如果在介质组织中水分子的弥散在所有的方向都是相同的，经过一定时间的弥散后水分子的弥散轨迹将成一个球形，此种弥散过程称为各向同性；相反，如果各方向的弥散相互独立，则称为各向异性，这种情况下水分子经过一段时间的弥散会在空间分布上形成一个椭球（图1）。
扩散的特性能够通过三维椭球图来描述，这需要6个独立的数字来定义方向和椭球轴的长度。
水分子在脑白质中的弥散在三维空间上是各向异性的，主要是由于脑白质神经纤维束在宏观和微观上的结构特点，如髓鞘、轴突和纤维束等对水分子弥散的限制作用，使水分子的弥散过程在空间上表现为椭球形。
通过评估椭球的特点，即可获得有关脑白质的生理和结构（如解剖和组织病理学）信息。
DTI弥散张量成像
神经内科：用 于脑卒中、帕 金森病等神经 系统疾病的诊 断和治疗
精神科：用于 精神分裂症、 抑郁症等精神 疾病的诊断和 治疗
康复医学：用 于脑损伤、脊 髓损伤等疾病 的康复治疗
3
技术进步与创新
更高分辨率：提高图像质量，更清
01
晰地显示组织结构 更快扫描速度：缩短扫描时间，提
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高检查效率 更精确定量分析：对组织结构进行
DTI弥散张量 成像可以帮 助医生确定 肿瘤的侵袭 范围，为放 疗和化疗提 供准确的信 息。
DTI弥散张量 成像可以帮 助医生确定 肿瘤的复发 和转移情况， 为后续治疗 提供准确的 信息。
01
02
03
04
其他医学领域应用
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
神经外科：用 于脑肿瘤、脑 血管病变等疾 病的诊断和治 疗
提高成像速度：通过并行计算和分布式计算 技术，缩短成像时间
降低成像成本：通过优化成像设备和算法， 降低成像成本，提高成像效率
提高成像质量：通过优化成像设备和算法， 提高图像质量，减少伪影和噪声
03
更精确的定量分析 更广泛的应用领域：拓展DTI弥散
04
张量成像在更多疾病和领域的应用
临床应用拓展
神经系统疾 病：如脑卒 中、阿尔茨 海默病、帕
金森病等
肿瘤学：如 脑肿瘤、乳 腺癌、前列
腺癌等
心血管疾病： 如心肌梗死、 心律失常等
运动医学： 如运动损伤、 康复治疗等
提高成像精度与速度
提高成像精度：通过优化算法和硬件设备， 提高图像分辨率和信噪比
优势：能够提供更精确的脑组织结构信息，有 助于早期诊断和治疗
技术原理：通过测量水分子扩散方向和速度， 构建脑组织结构图
弥散张量成像（DTI）
弥散张量成像（DTI）弥散张量成像（DTI）2010-06-17 02:11 P.M.弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging）是磁共振（MRI）领域发展最迅速的技术之一1，不同于其他磁共振技术，它计量的是组织内水分子的随机运动方向的特性，并以此作为判断组织结构和功能部分特性的依据。
DTI也是第一种有提取软纤维组织中纤维轨迹潜力的活体、非侵入式的成像方法。
已经证明，该技术在中风后早期变化方面比常规MRI的T1和T2影像更加的敏感。
由于弥散张量成像的特性，该技术通常应用在脑皮层中水分子各向异性比较明显的区域——脑白质结构的检查中。
第一张DTI影像出现在上世纪90年代早期，自此该技术在科研和临床应用上都迅速的发展起来。
在早期的研究工作中，Basser等人对DTI影像的原理，特征提取和纤维素追踪的理论作出了突出的贡献，由此建立了DTI研究的理论体系。
Basser因而在2008年被授予国际磁共振医学协会（International Society for Magnetic Resonance in Medicine，ISMRM）金质奖章。
在1994年的论文2中，Basser等人首次系统的描述了DTI的基本成像原理，并提出了弥散椭圆的重建方法。
至今该论文已经被引用1143次。
在1996年的论文3中，Basser等人首次提出DTI的特征参数平均弥散率（Mean Diffusivity，MD）和分数各向异性（Fractional Anisotropy，FA）计算方法。
至今该论文被引用1052次。
2000年，Basser等人提出了一种可靠的使用DTI数据进行纤维素追踪的方法4，至今该论文被引用730次。
在DTI理论基础之上，人们进行了许多应用性的科学研究。
这些研究主要使用DTI的特征参数，比如MD，FA等进行特定神经疾病的分析。
这种研究比较通用的操作方法是，通过DTI扫描得到原始图像，然后计算出MD图和FA图，再对得到的MD图和FA图进行统计分析。
DTI（弥散张量成像）简介及原理（转）
DTI（弥散张量成像）简介及原理（转）磁共振弥散张量成像技术是利用水分子的弥散各向异性进行成像,可用于脑白质纤维研究,常用扫描技术包括单次激发平面回波成像(EPI),线阵扫描弥散成像, 导航自旋回波弥散加权成像(LSDI),半傅立叶探测单发射快速自旋回波成像等.每种成像技术各有其优缺点,EPI扫描时间短,图像信噪比高,但存在化学位移伪影、磁敏感性伪影、几何变形;LSDI精确度高,几乎无伪影及变形,但扫描时间过长;导航自旋回波弥散加权成像运动伪影少,但扫描时间长;半傅立叶探测单发射快速自旋回波成像扫描时间短,但图像模糊.综合比较,单次激发平面回波成像是用于临床研究较适宜的方法.1827 Robert Brown 首次发现弥散现象1950 Hanh 从理论上提出用自旋回波测量水分子弥散过程的方法1985 Taylor 和 Bushel 首次实现磁共振弥散成像1986 Denis LeBihan 首次将磁共振弥散成像应用于活体1990 Michael Moseley 发现弥散成像在早期脑缺血诊断中的价值1996 首次实现人脑弥散张量成像1999首次实现人脊髓弥散张量成像一、弥散张量成像的基本原理弥散张量成像(DTI)是利用弥散加权成像技术改进和发展的一项新技术，弥散张量不是平面过程，以三维立体角度分解，量化了弥散各向异性的信号数据，使组织微结构更加精细显示，弥散需要用张量显示，扫描应用多个梯度场方向，现用6-55个方向。
DTI：弥散具有方向依靠性，分子向各个方向弥散的距离不相等，则成为各向异性(anistrophic)。
而DWI则为水分子弥散的方向相一致，即相同性。
弥散张量成像的原理：在完全均质的溶质中，分子向各方向的运动是相等的，此种弥散方式为各向同性(isotrophic)，其向量分布轨迹成一球形，而另一种弥散是在非均一状态中，分子向各方向运动具有方向依靠性，分子向各方向弥散的距离不相等，称为各向异性（anisotrophic）,其向量分布轨迹成一椭圆形。
磁共振弥散张量成像(DTI)在脑梗死前期诊断中的应用
摘要：目的：研究磁共振弥散张量成像技术（DTI）在脑梗死前期中的应用。
方法：对9例受检者进行FA、RA、ADC值测量。
结果：FA值、RA值、ADC值比较差异均有统计学意义（P＜0.05）。
结论：在脑梗死前期的影像诊断中，DTI技术能够敏感地发现病变，客观地测量FA、RA、ADC值，将病变的量化，从而为临床治疗和预后评价提供有价值的资料。
关键词：磁共振弥散张量成像（DTI）；脑梗死；诊断应用在早期发现脑梗死方面，脑MRI检查对于脑干及小脑的病灶尤为有效。
MRI弥散成像DWI能够较直观地反映出新的梗死病变。
在缺血性脑梗死早期诊断中的作用十分突出，鉴别诊断优势明显，随着超高场强超导磁共振设备投入临床应用，磁共振弥散加权成像（DWI）的应用更加广泛，在每个体素中利用DTI获取的数据构造一个弥散张量，通过弥散张量的特征值以及特征向量来反映水分子的弥散特性[1]。
这对于提高患者的生存质量，减少脑梗死并发症，具有重要作用，为临床治疗以及预后评价提供非常有价值的影像学资料。
1 资料与方法1.1 一般资料：受检者共有9例，其中男5例，女4例，年龄46～72岁，平均61岁。
所选患者均伴有不同程度的头痛和头晕症状，其中有3例伴有一侧肢体麻木无力的症状。
在MRA发现一侧大脑中动脉重度狭窄6例，一侧大脑中动脉闭塞3例。
进行常规了MRI扫描检查，T1W/SE序列，DWI序列，双侧大脑半球均未发现明显病变。
1.2 检查方法1.2.1 工作原理：在脑白质中，因为髓鞘的阻挡，水分子的弥散与纤维走行因受限性而是一致的，具有很高的各向异性[2-3]。
DTI是检测白质纤维内水分子扩散的各向异性和扩散的程度再通过后处理技术计算得出FA值（各向异性分数）以及ADC值（表观弥散分数），利用图像重建，能够比较清楚的显示白质纤维束的走形方向和分布以此评价纤维束的完整性，DTI也是当前唯一一种无创性描绘神经纤维走向的技术。
1.2.2 扫描准备：在检查前称量所有人员体重，询问并检查其体内是否有金属物体，询问能否耐受较长时间的检查，排除幽闭恐惧症。
DTI弥散张量资料讲解
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 ：
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
DTI量化参数
平均弥散系数（ADC） 部分各向异性指数（FA） 相对各向异性（RA） 容积比（VR）
DTI弥散张量
弥散张量成像（DTI）
DTI是一种通过DWI技术改进和发展，以三维形式显示神经纤维束的走行方向 一项技术。 是无创性评价白质纤维束之间的联系及其病变的一种技术
弥散
是指分子的随机不规则运动，是人体重要的生理活动，是体内的物质转运方 式之一，又称布朗运动。弥散是一物理过程，其原始动力为分子所具有的热 能。
FA 图
额桥 束 皮丘 束
外囊
胼胝 体
扣带回
扣带回 胼胝体 内囊前肢 内囊后肢（皮质脊髓束， 皮质球束,皮质桥脑束）
视放射
FA 图上不能显示各神经束的走行方向
彩色编码FA图
额桥 束 皮丘 束
外囊
胼胝 体
扣带回
扣带回 胼胝体 内囊前肢
内囊后肢（皮质脊髓束， 皮质球束,皮质桥脑束）
视放射
彩色编码的FA 图上能显示各神经束的走行方向， 红色=左 右走行，绿色=前后走行，蓝色=上下走行
基本原理
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。
在具有固定排列顺序的组织结构中，如神经纤维束。水分子在三维空间内各个方向上扩散运 动的快慢不同，水分子通常更倾向于沿着白质纤维束走行的方向进行扩散，而很少沿着垂直 于白质纤维束走行的方向进行扩散，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弥散张量成像
血管源性水肿 脑梗死亚急性期 升高 eADC图 亚急性或慢性病变
MD
MD—平均弥散率
MD=(λ1+λ2+λ3)/3（等于平均ADC？？） 特征值对应特征向量
大小、方向
平行于纤维走向的MD>垂直的MD
FA
•
FA优势
各向异性的参数有很多，目前临床上，应 用较多的是 FA 值
FA 图像可以提供较好的灰白质对比，易选 择感兴趣区，使得所测量的 FA 值较准确
FA 值不随坐标系统旋转方向的改变而改变
FA 值是组织的物理特性，在同一对象不同
RA
•
RA、FA比较
FA值（图像）运用最为广泛，灰白质对比 度高
大脑不同白质区、年龄、性别差异会导致 FA值不同
RA可以减少个体生理因素差异
RA值相对于FA，能表现出各向同异性对比
VR
•
正常人和脊髓损伤
DTI运用
脑梗死 脑肿瘤 脑白质病 变性性疾病 感染性病变 大脑发育过程
脑梗塞 脑肿瘤
胶质瘤 脑膜瘤
ADC降低， FA升高
ADC,FA均降低 ADC升高， FA降低
正常白质：低ADC值，高FA值
肿瘤组织和周围水肿：高ADC值，低FA值
良性：ADC值较正常ADC高，FA值轻度降低
恶性：ADC值较正常ADC低，FA值轻度降低
ADC
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 ADC：0.4x10-3mm2/S —— 2.5x10-3mm2/S
病变
ADC值变化 高信号 所属类型
FrontiersinNeuroscience：弥散张量成像（DTI）研究指南
FrontiersinNeuroscience：弥散张量成像（DTI）研究指南弥散张量成像（DTI）的研究越来越受到临床医⽣和研究⼈员的欢迎，因为它们提供了对脑⽹络连接的独特见解。
然⽽，为了优化DTI的使⽤，必须考虑到⼏个技术和⽅法⽅⾯的问题，因为这些问题会影响到DTI研究结果的准确性和可重复性。
本⽂由葡萄⽛学者发表在Frontiers in Neuroscience杂志。
这些⽅⾯包括：采集协议、伪影处理、数据质量控制、张量重建算法、可视化⽅法和定量分析⽅法。
此外，研究⼈员和/或临床医⽣还需要考虑并决定DTI分析流程每个阶段最适合的软件⼯具。
在此，本⽂作者提供了⼀个简单的流程指南，涵盖了弥散张量成像数据处理⼯作流的所有主要阶段。
本指南的⽬的是帮助新⽤户解决分析中最关键的障碍，并进⼀步⿎励使⽤DTI⽅法进⾏研究。
背景介绍：弥散加权成像（DWI）是基于不同组织的⽔扩散速率不同的常规磁共振成像的变体。
它是⼀种⾮侵⼊性的⽅法，对组织结构内的⽔运动具有⽆与伦⽐的敏感性，该⽅法只需使⽤现有的核磁共振技术，不需要新设备、造影剂或化学⽰踪剂。
扩散张量模型的引⼊使⼈们能够间接测量扩散张量成像（DTI）的各向异性程度和结构⽅向。
DWI是指采集图像的对⽐度，DTI则是DWI数据集的⼀种特殊的建模⽅法（这是两个最基本的概念，⼀般来说我们的图像采集就是DWI图像，如果采⽤DTI⽅法进⾏扩散张量重建，就会说DTI）。
DTI原理和基本概念在已有⽂献中已经得到了⼴泛的描述和回顾。
概括地说，DTI背后的基本概念是⽔分⼦在不同组织中的扩散是不同的，这取决于该组织的类型、完整性、结构和组织屏障的存在，通过对⽔分⼦弥散运动的观测可以给出了它所在组织的⽅向和数量，从⽽得出各向异性的信息。
通过DTI分析，可以推断出每个体素的分⼦扩散速率[平均扩散率（MD）或表观扩散系数（ADC）]、扩散⽅向[分数各向异性（FA）]、轴向（沿扩散主轴的扩散速率AD）和径向扩散率（RD）。
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变性性疾病
肌萎缩侧索 硬化ALS
感大约为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 ADC：0.4x10-3mm2/S —— 2.5x10-3mm2/S
病变
细胞毒性水肿 脑梗死急性期
Outline
DTI原理 DTI参数
ADC—表观弥散系数 MD—平均弥散率 FA—部分各向异性 RA—相对各向异性 VR—容积比 AI—各向异性指数
DTI的基本原理
3
DTI参数及其应用
ADC
eADC的图的信号对比度较ADC图高 病变部位的边界显示清晰 表现与DWI图像一致，符合临床观察习惯
血管源性水肿 脑梗死亚急性期 升高 eADC图 亚急性或慢性病变
ADC值变化 高信号 所属类型
降低 ADC图 急性病变
MD
MD—平均弥散率
MD=(λ1+λ2+λ3)/3（等于平均ADC？？）
特征值对应特征向量
大小、方向 平行于纤维走向的MD>垂直的MD
FA
FA优势
各向异性的参数有很多，目前临床上，应用较多的 是 FA 值
VR
正常人和脊髓损伤
DTI运用
脑梗死 脑肿瘤 脑白质病 变性性疾病 感染性病变 大脑发育过程
脑梗塞 胶质瘤
ADC降低， FA升高
ADC,FA均降低
ADC升高， FA降低
正常白质：低ADC值，高FA值
脑肿瘤
脑膜瘤 多发性硬化 脑白质病 脑白质 营养不良 阿尔茨海默病 AD
肿瘤组织和周围水肿：高ADC值，低FA值 良性：ADC值较正常ADC高，FA值轻度降低 恶性：ADC值较正常ADC低，FA值轻度降低 高ADC值，低FA值 高ADC值，低FA值 高ADC值，低FA值 高ADC值，低FA值 HIV的患者胼胝体的FA值最低和皮层下白质的 ADC值最高;额叶白质和内囊区FA值可出现异常 改变,ADC值则无显著性差异 新生儿：ADC 值高于成人， FA值低于成人 儿童：ADC下 降，FA上升 40以后：ADC 升高，FA降低
FA 图像可以提供较好的灰白质对比，易选择感兴趣 区，使得所测量的 FA 值较准确 FA 值不随坐标系统旋转方向的改变而改变 FA 值是组织的物理特性，在同一对象不同时间、不 同成像设备及不同对象间获得的数值具有可比性
RA
RA、FA比较
FA值（图像）运用最为广泛，灰白质对比度高
大脑不同白质区、年龄、性别差异会导致FA值 不同 RA可以减少个体生理因素差异 RA值相对于FA，能表现出各向同异性对比度