磁共振DTI弥散张量成像
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
磁共振和弥散张量成像课件
03 DTI在临床诊断中 的应用
脑部疾病的DTI表现
脑部肿瘤
DTI可以检测肿瘤对周围白 质纤维束的浸润和破坏， 有助于肿瘤的早期诊断和 分级。
脑卒中
DTI可以显示脑卒中后白质 纤维束的损伤程度，有助 于判断预后和制定康复计 划。
癫痫
DTI可以检测癫痫病灶对周 围白质纤维束的改变，有 助于癫痫灶的定位和手术 治疗。
DTI可以检测肌腱损伤后纤维排列和走向的变化， 有助于肌腱损伤的诊断和康复。
关节软骨损伤
DTI可以显示关节软骨损伤后纤维排列和走向的变 化，有助于关节软骨损伤的诊断和手术治疗。
肌肉萎缩
DTI可以检测肌肉萎缩后纤维排列和走向的变化， 有助于肌肉萎缩的诊断和治疗。
04 DTI与功能连接研 究
功能连接的概念与测量方法
脊髓疾病的DTI表现
脊髓肿瘤
DTI可以检测肿瘤对脊髓白质纤 维束的浸润和破坏，有助于肿瘤
的早期诊断和手术治疗。
脊髓损伤
DTI可以显示脊髓损伤后白质纤 维束的损伤程度，有助于判断预
后和制定康复计划。
脊髓炎
DTI可以检测炎症对脊髓白质纤 维束的改变，有助于炎症的诊断
和治疗。
肌肉骨骼疾病的DTI表现
肌腱损伤
02 弥散张量成像（ DTI）基础
DTI的概念与原理
DTI（弥散张量成像）是一种基 于磁共振的成像技术，用于研究 活体组织中水分子的扩散运动。
它通过测量多个方向的扩散敏锐 梯度，获取水分子的扩散系数和 方向性，从而反应组织的微观结
构和纤维排列。
DTI原理基于分子扩散的随机性 ，通过测量扩散系数和方向性， 可以反应组织的微观结构和纤维
通过DTI技术，可以研究白质纤维束的完整性、方向性以及各向异性扩散系数等参数 ，从而评估大脑功能连接的强度和方向性。
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。
dtidwi]dti(弥散张量成像)简介及原理
![dtidwi]dti(弥散张量成像)简介及原理](https://img.taocdn.com/s3/m/d4caad38561252d380eb6e70.png)
[DTI/DWI]DTI(弥散张量成像)简介及原理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.(引自%26lt;%26lt;医学影像学杂志%26gt;%26gt;2006年04期王海燕, 赵斌, 于富华) 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。
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DTI的基本原理
DTI是在DWI(Diffusion weighted imaging)技术基础上
发展起来
在三维空间内定时定量地分析组织内水分子弥散特
性
各向同性（isotropy） 各向异性 (anisotropy)
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DTI的基本原理
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DTI的基本原理
各向同性
各向异性
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DTI的基本原理
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BOLD-FMRI的原理
• 血红蛋白对磁场影响不同：脱氧血红蛋白属顺磁
物质，引起加权像信号减低。氧合血红蛋白是抗 磁性物质，可增加加权信号强度。
• 当氧合／脱氧血红蛋白的比例增加时，或说脱氧
血红蛋白含量减少，其T2缩短效应减弱，表现为 延长。在加权像上表现为信号增强， 故而神经元 活动区的加权像信号即高于非活动区。
术
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RS-FMRI和DTI联合应用
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RS-FMRI和DTI联合应用
• 观察脑功能皮层及与之相连的皮层下传导通路的关系 • 研究脑结构和功能的关系
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RS-FMRI和DTI联合应用
A：增强MRI显示右额后紧贴中央前同脑膜瘤。B：fMRI和DTI图像融 合，红色为双侧手运动区，彩棕色为双侧皮质脊髓束，黄色为脑膜 瘤。c—F：3D增强MRl、fMRI和DTI图像融合，右侧运动区与病变相 邻，功能区受压后移，右侧皮质脊髓柬受病变压迫外侧移位 26
RS-FMRI和DTI的原理及应 用
1
内容
1.静息态功能磁共振（RS-fMRI)的原理及应用。
2.弥散张量成像（DTI)的原理及应用。
3. RS-fMRI和DTI联合应用。
2
3
MRI VS. FMRI
MRI studies brain anatomy
fMRI studies brain function
ps：ASL-fMRI（脑血流变化）
6
BOLD-FMRI的优点
• 无创伤，无示踪剂 • 无电离辐射性，无需暴露于放射活性物质环境 • 空间分辨率及时间分辨率高 • 可将功能成像与解剖细节结合起来
7
BOLD-FMRI的原理
1.耗氧量增加—氧 含量减少
2.血流量增加—氧 含量增加
3.增加快于减少
4.氧合/脱氧血红蛋 白比例加大
4
广义的功能磁共振成像
弥散加权成像（DWI) 灌注加权成像（PWI) 磁共振波普成像（MRS) 血氧饱和水平依赖成像（BOLD）
5
狭义的功能磁共振成像
特指血氧饱和水平依赖成像（ blood oxygen level dependent ，BOLD） 静息态（活动）和任务态（激活）
• DTI利用弥散张量场中的各向异性扩散的方向信息来
追踪神经通路的走行，从而得到脑白质中神经纤维和 功能束的走行方向和立体形态
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DTI研究
• 定量研究—常用指标包括：ADC、MD、FA、RA、VR • 纤维束追踪技术—用于显示脑白质中神经系统纤维和
功能束的走行方向和立体形态
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DTI的定量研究
9
RS-FMRI应用
认知科学 神经科学 针灸 药物滥用 临床应用等。
10
RS-FMRI应用
• 数据处理分析方法： • ReHo（Regional Homogeneity ） • ALFF（Amplitude of Low Frequency Fluctuation ） • FC（Functional Connectivity）
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磁共振弥散张量成像
（DIFFUSION TENSOR IMAGING, DTI）
• 实现活体观察组织结构的完整性和连通性
• 利于白质纤维束的损害程度及范围的判断
• 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
• 目前唯一可在活体显示脑白质纤维束的无创成像方法
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14
SOFTWARE
• DiVa--diffusion imaging visualization and analysis
toolbox for matlab
• 3D-DOCTOR--三维重建
• VOLUME-ONE--fMRI和DTI融合
27
谢谢！
28
• 至少在6个不同非共线方向上施加敏感梯度 • 采集一幅具有同样参数而未施加敏感梯度的图像 • 差异而得到6幅表观弥散系数图（ADC） • 得到一个六元一次方程组，利用这些图可以求得每个
体素的有效弥散张量D
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DTI的基本原理
• 在梯度场强下水分子的弥散存在会导致磁矩改变，而
细胞外水分子运动对信号的改变起主导作用
ADC--平均弥散系数 MD--平均弥散率 FA--部分各向异性 RA--相对各向异性 VR--容积比
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纤维束追踪技术
• 利用最大本征向量λ1对应纤维束传导方向将大脑中
神经纤维束轨迹描出来，实现活体查看和研究中枢以 及周围神经系统的神经通路的连接和连续性
• 方法：从一个设置的种子位置开始追踪，直至遇到体