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。
磁共振弥散张量成像技术的应用与拓展
磁共振弥散张量成像技术的应用与拓展磁共振弥散张量成像技术（DTI）是一种常用于研究生物组织中水分子纤维方向和弥散状态的成像技术。
近年来，DTI技术已经逐渐成为神经科学研究领域的重要工具。
在脑科学研究中，DTI 技术可以用于研究各种神经疾病和脑损伤的影响，以及人类大脑的结构和功能。
磁共振成像是利用磁场和辐射场相互作用的物理现象，通过测量组织中水分子的弥散性和方向性来显示组织的结构。
DTI技术利用了这一原理，利用弥散张量计算水分子在组织中的方向和弥散状态。
通过在三维空间中显示弥散张量，可以获得影像中各种生物组织的纤维方向、纤维束的大小，以及组织的整体弥散性信息。
DTI技术通过测量水分子的弥散性和方向性，可以研究各种神经疾病和脑损伤的影响。
例如，DTI技术可用于研究脑白质的变化和神经元损伤。
这种损伤可能与脑损伤、老年痴呆症、多发性硬化症和其他神经退行性疾病有关。
DTI技术还可以用于研究神经元与非神经元细胞之间的连接。
这些连接对于大脑功能至关重要，因此DTI技术可以被应用于神经功能的研究。
DTI技术的应用不仅局限于脑科学领域。
例如，DTI技术也可以用于心脏等其他生物组织的研究。
研究人员利用DTI技术对心脏组织中的纤维束进行研究，以评估心脏的功能和疾病状态。
DTI 技术在癌症研究中也有应用，例如DTI技术可以用于调查乳腺癌细胞在大约5毫米的范围内的弥散状态，以及乳腺癌的生长和扩散方式。
尽管DTI技术已经成为一种常用的成像技术，但它仍然存在一些限制和挑战。
首先，DTI技术依赖于脑组织中的弥散系数，因此骨头或其他不弥散的组织会对DTI图像产生干扰。
此外，DTI技术还需要高自由度的渐进算法，对于数据处理的信噪比要求较高。
为了解决这些问题，研究人员已经开始将DTI技术与其他成像技术结合使用。
例如，DTI技术和fMRI技术可以结合使用，以研究神经元活动时的网络连接情况。
DTI技术也可以与脑电图（EEG）和磁脑电图（MEG）等技术结合使用，以研究大脑事件的时空动态。
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
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
dti成像流程
dti成像流程
弥散张量成像（DTI）是一种基于布朗运动的水弥散现象的成像技术，用于评估脑组织中的微观结构，特别是脑白质纤维束的完整性。
以下是DTI成像的主要流程：首先，选定需要进行DTI成像的应用领域，例如脑部研究。
接着，进行人工伪影的了解和避免，以及复杂的MRI采集参数定义。
这些参数包括扫描序列、扫描时间、层厚、层间距、b值等，它们对DTI图像的质量和分辨率有重要影响。
然后，进行图像采集。
在此过程中，MRI机器会生成一系列反映水分子在脑组织中的弥散情况的图像。
这些图像反映了水分子在各个方向上的运动性，从而揭示了脑组织的微观结构。
采集完图像后，进入处理过程。
首先进行图像格式转换，以便进行后续的分析。
接着进行头动和形变校正，以消除由于患者头部移动或扫描机器不稳定等因素引起的图像畸变。
然后，进行剥头皮处理，以去除头皮对图像的影响。
接下来，对图像进行弥散张量重建和纤维追踪。
这一步骤是DTI成像的核心，通过对图像中水分子的弥散情况进行建模和计算，可以得到脑组织中纤维束的走向和完整性等信息。
最后，使用ROI、全脑基于体素分析（VBA）以及TBSS等分析方法对图像进行进一步的分析和解释。
这些分析方法可以帮助研究人员更好地理解脑组织中的结构和功能关系。
在完成单模态分析后，还可以进行多模态综合研究，例如将DTI图像与fMRI、sMRI等其他类型的图像进行融合研究，以获得更全面、更深入的信息。
以上就是DTI成像的主要流程。
需要注意的是，DTI成像是一个复杂的过程，需要专业的知识和技能。
因此，在实际操作中，应该由专业的医生或研究人员来执行。
磁共振弥散张量成像（DTI）
磁共振弥散张量成像（DTI）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。
扩散( diffusion)是指热能激发使分子发生的一种微观、随机运动，又称布朗运动。
人体组织结构不同会导致水分子扩散运动在各方向上所受限制的差异，如果水分子在各方向上的限制性扩散对称，就称之为各向同性扩散( isotropic diffusion)；若水分子在各方向上的限制性扩散不对称，则称之为各向异性扩散( anisotropic diffusion)。
各向异性扩散在人体组织中普遍存在，以脑白质神经纤维束最为典型，表现为沿神经纤维长轴方向的水分子扩散较自由，而在与神经纤维长轴垂直方向上的水分子的扩散则受细胞膜和髓鞘的限制。
如果在6个以上方向施加扩散敏感梯度场，则可检测每个体素水分子扩散的各向异性，该技术称扩散张量成像( diffusion tensor imaging，DTI)，可以反映白质纤维束走向在神经科学研究中发挥着重要的作用。
通过DTI分析，可以推断出每个体素的分子的平均扩散率（MD）或表观扩散系数（ADC）、分数各向异性（FA）、轴向扩散率（沿扩散主轴的扩散速率AD）和径向扩散率（RD）。
相关概念1、扩散系数（diffusion coefficient, DC）：表示单位时间内分子自由扩散的范围。
2、扩散敏感因子b值（b value）：是反映MRI各成像序列（如SE、FSE、EPI）对扩散运动表现的敏感程度，体现成像序列检测扩散的能力。
3、表观扩散系数（apparent diffusion coefficient, ADC）:描述磁共振扩散加权成像中不同方面水分子扩散运动的速度和范围。
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。
核磁弥散张量成像弥散系数
核磁弥散张量成像弥散系数核磁弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）是一种用于研究人体及动物组织水分子流动方向和速度的成像技术。
它能够提供组织的微观结构信息，包括纤维束的定向、连接性以及弥散系数等。
弥散系数是DTI中的一个重要参数，它用来描述组织内水分子运动的速度。
弥散系数包括线性弥散系数（LD）、平均弥散系数（AD）和各向异性弥散系数（FA）。
（1）线性弥散系数（LD）：线性弥散系数是水分子在组织内沿束状结构（如纤维束）方向移动的速度。
它可以通过计算DTI分析得到，LD值越大，说明水分子沿着该方向迁移的速度越快。
（2）平均弥散系数（AD）：平均弥散系数是水分子在所有方向上的平均移动速度。
它也可以通过计算DTI分析得到，AD 值描述了组织内水分子的平均扩散速度。
（3）各向异性弥散系数（FA）：各向异性弥散系数是衡量水分子沿不同方向扩散差异的参数，其取值范围在0到1之间。
FA越接近1，说明水分子扩散越向着某一主导方向，表示组织结构更有序；反之，FA值越接近于0，说明水分子扩散更加均匀，组织结构更加均匀。
此外，还有一些相关的参考内容可以用来进一步了解弥散系数的含义和应用：1. Basser, P. J., Mattiello, J., & LeBihan, D. (1994). Estimation of the effective self-diffusion tensor from the NMR spin echo. Journal of Magnetic Resonance Series A, 103(3), 247-254.这篇经典论文提出了估计自我弥散张量的方法，为DTI成像奠定了基础。
2. Le Bihan, D., & Johansen-Berg, H. (2012). Diffusion MRI at 25: exploring brain tissue structure and function. Neuroimage, 61(2), 324-341.该综述文章回顾了核磁弥散张量成像技术的发展历程和应用场景，介绍了弥散系数的定义和意义，并探讨了其在研究脑组织结构和功能方面的潜力。
核磁共振成像中弥散张量成像技术的发展
核磁共振成像中弥散张量成像技术的发展核磁共振成像( MRI) 是一种常见的医学成像方法，它通过利用磁场和无线电波产生的信号来制作图像，从而在内部观察人体和动物的构造和功能。
MRI 拥有许多不同的应用，如诊断和研究神经退行性疾病、癌症、器官损伤等。
随着 MRI 技术的发展，越来越多的新技术被开发出来，其中就包括了弥散张量成像技术( DTI)，这一技术可以在MRI 图像中显示出组织内分子运动的方向和速度，为研究神经系统和脑部结构提供了新的方法。
DTI 技术的原理是利用弥散张量估计组织中水分子的弥散情况。
水分子在某些情况下会因分子间力实现相互作用而受到限制，导致分子运动的自由度下降。
这种限制在生物体中可以反映出结构组分的微观结构，例如神经元的轴突、髓鞘和其他生物分子。
DTI 技术可以通过MRI造影图像显示出这些微观结构。
DTI 技术的特点是无创伤性、对生物组织没有伤害，可以很好地分辨不同微观结构，因此广泛应用于人类的神经系统、心脏系统、肌肉系统等。
弥散张量成像技术是 MRI 技术的一大新突破。
目前该技术已广泛应用于医疗领域，着重研究神经退行性疾病、心脏病、癌症、多发性硬化症等。
在神经退行性疾病研究中，通过 DTI 技术可以揭示人脑神经元系统的结构和连接方式，帮助寻找神经退行性疾病发生时的异常情况。
在心脏病研究中， DTI 技术可以测量心肌细胞的张力分布和纤维结构，用以研究心脏病时心肌肉纤维的变化与心肌变性之间的关系。
在癌症研究中， DTI 技术可以提供一个可视化的方法来评估肿瘤微环境和手术切除后的患者的治疗效果。
尽管 DTI 技术已在医学研究和临床应用中取得了成功，但它也存在一些局限性。
首先， DTI 技术需要更长的扫描时间，较低的分辨率和较低的信噪比。
其次， DTI 技术只有在组织中存在排列相对方向的水分子时才能成像，因此不能成像其他类型的生物分子。
此外， DTI 技术还不能有效地处理规模更大和更详细的成像数据集。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
细胞毒性水肿 脑梗死急性期 降低 ADC图 急性病变
新生儿：ADC 儿童：ADC下 值高于成人， 降，FA上升 FA值低于成人
40以后：ADC 升高，FA降低
谢谢！
脑白质病
变性性疾病 感染性病变 大脑发育过程多发性硬化高ADC源自，低FA值脑白质 营养不良
高ADC值，低FA值
阿尔茨海默病 AD
高ADC值，低FA值
肌萎缩侧索 硬化ALS
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
DTI
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