磁共振弥散张量成像技术原理及临床应用
磁共振弥散加权成像原理及应用
磁共振弥散加权成像原理及应用磁共振成像简介磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一种医学成像技术，利用磁性共振现象和无线电波信号，对人体进行成像的方法。
它可以非侵入性地获取人体内部的高清图像，对于疾病的诊断、治疗和观察都具有重要的作用。
MRI技术的基本原理是通过利用医学应用中的高强度磁场使得人体内的原子发生共振，从而捕捉并分析自发放射的放射线。
MRI分为多种类型，如结构成像、功能成像、弥散成像等，其中弥散成像应用较为广泛。
弥散成像的概念弥散成像是指通过测量水分子扩散运动的速率和方向，来还原影像图像结果的过程。
水分子扩散运动的速率和方向取决于组织状态。
弥散成像的原理弥散成像通过特定的扫描序列和强度梯度对水分子进行编码，并记录其在空间过程中的移动和扩散。
机体中的水分子扩散在不同生理状态下的扩散系数也不同，因此可以对组织状态进行区分。
弥散成像中，常用的成像模式是弥散加权成像模式，即通过改变弥散梯度在空间上的分布来实现加权，在成像中强调不同的结构。
弥散梯度的方向和强度变化对应不同结构的成像。
弥散加权成像应用弥散加权成像目前应用较广泛，主要用于以下方面：1. 脑部疾病诊断脑部中白、灰物质的分布在MRI影像中很难区分，通过弥散加权成像，利用水分子通过灰色及白色物质所具有的不同的弥散系数，可以区分出正常情况下的脑部组织结构。
帮助医生更准确地进行疾病诊断，如肿瘤、卒中等。
2. 脑干横纹束成像脑干横纹束是连接脑干和大脑皮层的一束神经纤维，不同于其他成像技术如CT，弥散加权成像可以更加明显地显示脑干横纹束的位置和走向。
3. 心脏疾病的检测和评估弥散成像可以对心肌疾病进行评估，包括心肌梗塞和心肌水肿等。
弥散加权成像可见心肌内部分区域中水分子扩散受限，炎性细胞浸润的损伤区域，提高早期发现病变的概率。
弥散加权成像是一种重要的MRI成像技术，利用细微水分子扩散的情况，帮助医生更清晰地了解身体内部器官和组织的情况。
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
02
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
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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
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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
磁共振弥散张量成像的基本原理和临床应用
否作为判断组织损害的时间及程度的一项独立的新指标， 有待 进一步研究。 &%&%& 腔隙性脑梗塞 腔隙性脑梗塞常由深穿支动脉阻塞引 起， K.)F+2/2’+*’* 则是一种深穿支动脉进行性纤维玻璃样变引起 的弥漫性白质变性， 常伴有多发小的腔隙梗塞灶。 A< 图的特 征性表现为白质各向异性的明显丧失和 <&? 的中度增加， 这 与轴索丢失和胶质增生相一致。 A< 的白质各向异性丧失与临 床表现特别是认知能力的损害程度有一定的相关性。 &%’ 脑白质病 （ :)B7’=B. G>B./+*’*， &%’%! 多发性硬化 :G） :G 具有多种形式 的 &90、 由于血 <&? 和 A< 信号变化。在急性期有增强的斑块， 管源性水肿、 脱髓鞘、 轴索脱失， 弥散明显增加， 在慢性期无强 化的斑块， 组织丢失增加了平均弥散值， 同时神经胶质增生和 轻度炎性反应使弥散降低。因此，A< 在急性期的斑块中要低 于慢性期的斑块， 而且在急性期和慢性期的鉴别中更加精确。
・ 文献综述・
磁共振弥散张量成像的基本原理和临床应用
盛复庚综述
磁共振弥散张量成像 （ &’(()*’+, -.,*+/ 0123’,3， &-0）主要用 来评价组织结构的完整性， 是功能磁共振成像的一个重要组成 部分。 ! !%! "#$ 的基本原理 磁共振弥散加权成像 （ &’(()*’+,45.’367.8 ’123’,3， &90）
［%］ 值在缺血的脑白质有显著降低， 在脑灰质无明显变化 。 I2,3
磁共振弥散张量成像在临床中的应用
磁共振弥散张量成像在临床中的应用摘要】目前可对脑白质纤维束、骨豁肌和乳腺等组织器官行三维重建的新方法，首推磁共振弥散张量成像技术，它主要用来评价组织结构的完整性,是功能磁共振成像的一个重要组成部分。
经过近几十年的发展，已在临床工作中得到深入广泛使用。
本文就磁共振弥散张量成像在临床中的应用研究及前景做一综述。
【关键词】磁共振弥散张量成像；原理；临床应用；前景【中图分类号】R445.2 【文献标识码】A 【文章编号】2095-1752（2017）33-0189-01磁共振弥散张量成像（DTI）是近几十年来发展的一种水分子弥散成像技术，是在普通弥散加权成像(DWI)的基础上发展而来，除它之外，目前并没有其它可在体显示脑白质纤维束的无创成像方法，在如今临床科学各个领域应用广泛。
1.DTI简介弥散是自然界中的物质分子不停地进行的一种随机的运动, 即布朗运动，它是体内物质转运方式之一。
弥散的形式有两种，一是各项同性弥散，分子可随意进行热运动；二是各向异性弥散，分子弥散受到限制。
DTI的原理就是基于这种此种微观运动。
用来描述和分析各向异性程度的参数很多，例如表观弥散系数（ADC、平均弥散率（MD）以及各项异性分数(FA)等。
2.DTI在中枢神经系统的临床应用2.1 高血压脑出血高血压脑出血主要是指脑内小动脉破裂出血的一系列疾病，一般情况下出血部位为基底节区和丘脑。
据统计在高血压脑出血存活的患者中，50%～75%的患者有不同程度的残疾。
目前认为导致患者肢体残疾的主要原因来自于血肿对皮质脊髓束（CST）的损伤和压迫。
在临床工作中，脑出血常用的检查方法为CT、MRI，但这两种方法并不能精准地判断和区分皮质脊髓束损伤状况，而DTI可以把大脑中的白质纤维束的受损情况清楚显示出来，与DWI、MRI同时使用能够对脑内病变部位进行更准确的定位[1]。
Jang等将6名正常人和16例脑出血患者使用DTI进行检查，结果显示DTI能够清晰显示出发生病变的部分,同时可以根据其中感兴趣区的各向异性分析CST的修复情况[2]。
磁共振新技术应用之二：弥散张量成像DTI
磁共振新技术应用之二：弥散张量成像DTI一、原理简介磁共振扩散张量成像(MR-DTI)技术是近年来在MR-DWI基础上发展起来的成像及后处理技术,它利用组织中水分子的自由热运动的各向异性的原理,探测组织的微观结构,达到研究人体功能的目的。
目前,DTI 是唯一可在活体显示脑白质纤维束的无创性成像方法。
在自然条件下，质子的弥散很少受到限制，如蓝墨水滴在纯水中的弥散。
这时的弥散速度在各个方向上是相等的，称为各向同性。
然而，生物体中由于某些屏障的阻碍，如存在的半透性和可通透的细胞膜等，质子的随机运动受到限制，这样就形成了对弥散的限制。
人体组织中的长纤维的存在亦使得质子的弥散在各个方向上不完全相同，一般说来，沿着长纤维走行弥散的质子要明显快于垂直其方向弥散的质子。
这就是所谓的各向异性，从而引出弥散张量成像。
DTI是在DWI基础上，在6-55个线性方向上施加射频脉冲，多采用单次SE-EPI序列，每个方向上均使用相同的较大b值，计算各个方向上的弥散张量而成像。
用DTI示踪白质纤维的走行，其基本原理是通过一个主本征值，寻找一个与其接近的体素，将这些体素联系起来，达到显示白质纤维的目的。
二、DTI在中枢神经系统的临床应用1.正常脑白质纤维的显示多数学者认为DTI能非常准确地显示主要的白质纤维束，与神经解剖学图谱的对照研究也显示了两者之间有良好的相关性。
Mamata 等研究证实DTI 可获得一系列完整的正常脑白质纤维图像。
可显示的纤维束包括：弓状束、上下纵行束、钩回束、视听辐射、前连合、胼胝体、锥体束、薄形束、楔形束、内侧束、红核脊髓束、顶盖脊髓束、中盖束、三叉神经丘脑背侧束、上中下大脑脚、动眼和三叉神经根部纤维等。
对于中枢神经系统发育性异常，如胼胝体发育不全等的显示也与以往的解剖学研究相似。
2.脑肿瘤脑肿瘤是DTI的研究热点之一。
肿瘤组织本身排列紊乱和其产生的占位效应致瘤体周围组织水肿及受压移位等，均可引起ADC值和FA 值改变。
磁共振弥散量成像的基本原理及其在中枢神经系统中的应用
针对不同伪影来源，采取相应的技术优化措施， 如改进线圈设计、优化序列参数等。
后期处理算法
运用先进的图像处理算法，对采集到的图像数据 进行后处理，以消除或减轻伪影的影响。
提高信噪比和对比度方法研究
高性能硬件设备
采用高场强、高均匀度、高稳定性的磁体及梯 度系统，以提高图像信噪比和对比度。
弥散数据质量控制
开发智能算法对弥散数据进行质 量评估和控制，确保数据的可靠 性和一致性。
多模态数据融合分
析
结合多模态数据，利用人工智能 技术挖掘更深层次的信息，为神 经科学研究提供更全面的视角。
05
挑战与问题
伪影干扰问题解决方案探讨
伪影来源识别
通过对磁共振设备、患者及扫描环境的综合分析 ，识别出可能导致伪影的干扰源。
肿瘤与非肿瘤性病 变鉴别
弥散量成像可以帮助区分肿瘤性 病变和非肿瘤性病变，如脓肿、 炎症等。
02
肿瘤恶性程度评估
03
肿瘤复发监测
通过对肿瘤弥散系数的测量，可 以评估肿瘤的恶性程度，为治疗 方案制定提供参考。
弥散量成像可用于监测肿瘤治疗 后的复发情况，及时发现并处理 。
多发性硬化等脱髓鞘疾病检测
脱髓鞘病变检测
辨率和对比度。
弥散张量成像（DTI）
02
在多个方向上施加弥散梯度，获取组织内水分子的弥散张量信
息，更全面地描述组织的微观结构。
高角度分辨率弥散成像（HARDI）
03
采用多个不同方向的弥散梯度进行采样，以更准确地重建复杂
的纤维束结构。
多模态融合技术在弥散成像中的应用
弥散成像与结构成像融合
将弥散成像数据与高分辨率的结构成像数据融合，提供更准确的 解剖定位和纤维束追踪。
磁共振DWI的原理和临床应用
• 二、b值对DWI的影响： • DWI技术中把施加的扩散敏感梯度场参数称为b值 或称扩散敏感系数。在常用SE-EPI DWI序列中.
• b值代表扩散敏感系数；
• • • • r代表磁旋比； Gi和Gj分别为i轴和j轴上的磁场梯度强度； δ代表梯度场持续时间； Δ 代表两个梯度场间隔时间。
• b值的选择（表示应用的梯度磁场的时间、幅度、 形状） • b值越高，扩散的权重越重 • b值越高，信号越弱 • b值越高，信噪比越差 • b值越高，相同TR内可采集的层数越少 • 因会出现周围神经的刺激症状也限制了太高的b值。 • 较小的b值可得到的较高信噪比的图像，但对水 分子扩散运动的检测不敏感。
• 因此，b值的选择非常重要， 用小b值进行DWI， 在一定程度上反映了局部组织的微循环灌注，但 所测得的ADC值稳定性较差，且易受其他生理活 动的影响，不能有效反映水分子的弥散运动，用 大b值进行DWI，所测得的ADC值受局部组织的微 循环灌注影响较小，能较好反映水分子的弥散运 动，因此，大b值进行DWI称高弥散加权成像，用 小b值进行DWI称低弥散加权成像。b=0时产生无 弥散加权的t2wi。
• 【技术要点】 • 一、DWI上组织信号强度的衰减主要因素： • 尽管DWI可以用多种序列进行，但影响其组织信 号衰减的因素基本相同，与未施加扩散敏感梯度 场的相应序列相比，在DWI上各种组织的信号都 在衰减，只是衰减的程度有所差别而已。
• DWI上组织信号强度的衰减主要因素： • 1、扩散敏感梯度场的强度，强度越大组织信号衰 减越明显； • 2、扩散敏感梯度场持续的时间，时间越长组织信 号衰减越明显； • 3、两个扩散敏感梯度场的间隔时间，间隔时间越 长，组织信号衰减越明显； • 4、组织中水分子的扩散自由度，在扩散敏感梯度 场施加方向上水分子扩散越自由，组织信号衰减 越明显。
磁共振弥散张量成像（DTI）在颅脑疾病诊断中的应用
磁共振弥散张量成像（DTI）在颅脑疾病诊断中的应用磁共振弥散张量成像(DTI)在颅脑疾病诊断中的应用弥散张量成像(DTI)，是一种描述大脑结构的新方法，是磁共振成像(MRI)的特殊形式。
举例来说，如果说磁共振成像是追踪水分子中的氢原子，那么弥散张量成像便是依据水分子移动方向制图。
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。
它还可以揭示同中风、多发性硬化症、精神分裂症、阅读障碍有关的细微反常变化。
磁共振弥散张量成像( diffusion tensor imaging,DTI) 是弥散加权成像 ( diffusion weighted imaging,DWI)的发展和深化, 是当前惟一的一种能有效观察和追踪脑白质纤维束的非侵入性检查方法。
到2015年主要用于脑部尤其对白质束的观察、追踪, 脑发育和脑认知功能的研究, 脑疾病的病理变化以及脑部手术的术前计划和术后评估。
衡量弥散大小的数值称为弥散系数，用D表示，即一个水分子单位时间内自由随机弥散运动的平均范围，单位是mm2/s。
D值越大，水分子弥散运动越强。
表观弥散系数ADC只代表弥散梯度磁场施加方向上水分子的弥散特点．而不能完全、正确地评价不同组织各向异性的特点。
DTI是弥散成像的高级形式, 可以定量地评价脑白质的各向异性主要参数【平均弥散率】（mean diffusivity MD），MD反映分子整体的弥散水平（平均椭球的大小）和弥散阻力的整体情况。
MD只表示弥散的大小，而与弥散的方向无关。
MD 越大，组织内所含自由水分子则越多。
【各向异性程度】反映分子在空间位移的程度，且与组织的方向有关。
用来定量分析各向异性的参数很多，有各向异性分数（fractional anisotropy，FA）、相对各向异性（relative anisotropy ，RA）、容积比指数（volume ratio ，VR）等。
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FA
DEC
正 常 人 DTI 影 像
ADC
DWI
正常人DTI研究
• 同侧内囊后肢的FA值均大于内囊膝部和内 囊前肢，内囊前肢的FA值最低经显著性检 验有显著差异(t=3.12,P<0.05)。9例正常人双 侧感兴趣FA值采用配对t检验，无统计学差 异：双侧内囊前肢FA值比较，t＝ 2.29,P>0.05;双侧内囊膝部FA值比较，t＝ 2.12,P>0.05；双侧内囊后肢FA值比较，t＝ 2.09,P>0.05。
正 常 胼 胝 体 纤 维 束
胼 胝 体 周 视 像
正 常 扣 带 束
扣 带 束 周 视 像
正 常 锥 体 束
锥 体 束 周 视 像
临床应用
• 脑卒中病人的FA值图能区分发生在灰质或白质 的梗塞，DEC图能清楚显示梗塞部位对白质纤 维的直接影响 • 患侧皮质脊髓束因受梗塞不同程度的累及，表 现为连续性中断及解剖结构形态一致性的丧 失 ；皮质脊髓束损伤程度越重肌力的丧失越 明显 • 健侧皮质脊髓束解剖形态与正常人大致相吻合， 自中央前回下行至内囊并延续至脑桥和延髓， 每条纤维束连续，形态一致性良好
磁共振弥散张量成像技术 原理及临床应用
一、DTI原理和技术简介
• 目前描述脑白质纤维束各向异性特征的主要 参数是部分各向异性（fractional anisotropy, FA），其值的大小与髓鞘的完整性、纤维致 密性及平行性有密切关系，能够较真实全面
地反映白质纤维是否完整。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
各向异性图能真正区分正常人脑组织
的灰白质结构，全面反映脑组织的弥
散特性，显示出常规MRI所不能显示的
解剖细节，如内囊、胼胝体等解剖结
构由于其显著的水分子的扩散各向异
性特征而清晰的得到显示。
•用示踪技术三维显示白质纤维束的走 行，即弥散示踪图，通过第一个体素 主本征向量的方向寻找下一个主本征
向量与其最接近的体素，将这些体素
连接起来而获得弥散张量纤维束成像
0.55(0.13) 0.54(0.12) 0.48(0.11) 0.51(0.10) 0.52(0.12) 0.57(0.11) 0.61(0.10) 0.59(0.08) 0.60(0.10) 0.55(0.04)
注：正常组双侧感兴趣区FA值结果比较无显著差异(P> 0.05) ，相同部位 不同白质结构有显著差异(t=3.12,P<0.05)。
患者常规T2WI影像
DTI影像
ADC
DWI
FA
DEC
DTI测量结果
• • • • • • • • 患侧： So: 1887.00 - 2138.00 (2042.05/64.15) FA: 0.15 - 0.31 (0.24/0.05) ADC(x1k): 0.34 - 0.57 (0.41/0.06) 健侧对应部位： So: 1125.00 - 1502.00 (1226.11/120.82) FA: 0.14 - 0.46 (0.35/0.10) ADC(x1k): 0.71 - 0.94 (0.78/0.06)
表1、 9名正常人感兴趣区FA值结果比较
左侧感兴趣区FA值 例数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 内囊前肢 膝部 内囊后肢 0.64(0.07) 0.65(0.03) 0.58(0.06) 0.61(0.05) 0.62(0.09) 0.67(0.10) 0.60(0.09) 0.66(0.11) 0.63(0.08) 0.63(0.03) 右侧感兴趣FA值 内囊前肢 0.44(0.13) 0.51(0.02) 0.43(0.05) 0.46(0.09) 0.42(0.06) 0.48(0.09) 0.50(0.06) 0.49(0.11) 0.47(0.08) 0.47(0.03) 膝部 内囊后肢 0.60(0.11) 0.62(0.08) 0.54(0.10) 0.56(0.08) 0.61(0.06) 0.63(0.05) 0.67(0.09) 0.68(0.06) 0.62(0.11) 0.61(0.05)
(Diffusion Tensor Tractography，DTT）
二、DTI临床应用
主要显示脑白质功能柱的解剖结构
• • • • • • 大脑的发育 梗塞 变性性疾病 感染性病变 肿瘤性病变 其他：脑功能和精神改变
磁共振是目前在人体中进行水分子弥散测量与 成像的唯一方法
正常人DTI
• 正常人FA值图能清楚区分白质与灰质，方 向编码彩色图(Directionally Encoded Color, DEC)图通过不同的色彩显示不同方向走行的 纤维，清楚地显示了大脑白质纤维的正常 解剖及其走行（图1）。蓝色为上下走行纤 维，绿色为前后走行纤维，红色为左右走 行纤维。
0.50(0.09) 0.53(0.04) 0.43(0.07) 0.41(0.09) 0.47(0.06) 0.46(0.11) 0.42(0.09) 0.52(0.07) 0.48(0.11) mean±SD 0.47(0.04)
0.60(0.09) 0.62(0.08) 0.52(0.06) 0.51(0.12) 0.53(0.11) 0.55(0.06) 0.58(0.11) 0.61(0.10) 0.54(0.04) 0.56(0.04)
正常人DTT
• 正常大脑半球白质纤维束主要分为三类： • 连合纤维（commisural fibers）：是连接两侧 大脑半球皮质的纤维，如胼胝体（corpus callosum），左右走行在DEC图显示为红色。 • 联络纤维（association fibers）：是联系同侧半 球各部分皮质的纤维，如扣带束（cingulate tract），前后走行在DEC图显示为绿色。 • 投射纤维（projection fibers）：是联系大脑皮 层和皮层下结构的上、下行纤维，绝大部分经 过内囊，如椎体束（pyramidal tract），上下走 行在DEC图显示为蓝色。
脑梗塞病例
• 患 者：女性 71岁 右利手 • 主 诉：发作性右侧肢体麻木、力弱半月余， 加重1天 • 现病史：患者缘于半个月前无明显诱因开始出 现右侧肢体麻木、力弱，伴头昏、耳鸣，上述 症状反复发作，轻重不一，每次持续约1~5分 钟不等 。 • 体格检查：左侧肢体肌张力正常，肌力Ⅴ级； 右侧肢体肌张力较高，上肢肌力IV＋，下肢肌 力IV－。