颅脑磁共振弥散张量成像应用进展

医学影像学杂志2005年第15卷第10期　J M ed Imaging V ol. 15N o. 102005

・综　　述・

颅脑磁共振弥散张量成像应用进展

王海燕1　综述, 赵　斌2　审校

(1. 泰山医学院　山东　泰安　271000;2. 山东省医学影像学研究所　山东　济南　250021)

　　【摘　要】　磁共振弥散张量成像技术是利用水分子的弥散运动各向异性进行成像, 是目前唯一反映人体活体组织空间

组成信息及病理状态下各组织成分之间水分子交换功能状况的检查方法, 可以从细胞及分子水平来研究疾病状况。本文回顾DTI 的原理和潜在的临床应用, 如脑缺血性疾病、脑发育、脑肿瘤、外伤性脑损伤和癫痫、多发性硬化、代谢性疾病等。

【关键词】　磁共振成像; 弥散张量成像; 颅脑

中图分类号:R445.2;R 　　　文献标识码:A　　　文章编号:1006-9011(2005) 10-0908-04

MR diffusion tensor im aging of brain :progressof clinical application 　WANG Hai 2yan , ZH AO Bin. Shandong Medical Image lnsti 2tute , Jinan 250021, China

【Abstract 】　Review the theory of diffusion tens or imaging (DTI ) and s ome of its comm on clinical application , such as cerebral ischemi 2

a , cerebral tum ors , brain maturation and traumatic brain injury , als o review the potential application of DTI in s ome diseases such as epilepsy , multiple sclerosis. The value of DTI in the investigation of metabolic dis orders is assessed.

【K ey w ords 】　Magnetic res onance imaging ;diffusion tens or imaging ;Brain 　　磁共振弥散张量成像技术(diffusion tens or imaging ,DTI ) 是利用水分子的弥散运动各向异性进行成像, 是目前唯一反映人体活体组织空间组成信息及病理状态下各组织成分之间水分子交换的功能状况的检查方法, 可以从细胞及分子水平来研究疾病状况。近年来,DTI 逐渐应用于临床, 在许多脑部疾病, 如脑缺血性疾病、多发性硬化、外伤性疾病、脑肿瘤和高血压性脑病等方面具有非常广泛的应用前景。

1　弥散张量成像基本原理与方法1. 1　基本原理

1. 1. 1　弥散现象与弥散各向异性　弥散是物质的运动方式

有效弥散张量D 来描述, 即:

D xx

D =D xy

D xz

D xy D yy D yz

D xz D yz D 　　矩阵对角线上的元素D xx 、D yy 、D zz 体现了弥散梯度和成像方向平行时分子运动的相互作用, 非对角线的元素D xy 、

D xz 、D yz 则体现了弥散梯度和成像方向垂直时分子运动的相

关性。张量一般是对称的, 即:Djk=Dkj 。

1. 1. 2　DTI 数据处理及表达指标　①表观弥散系数(apparent diffusion coefficient ,ADC ) 活体中水分子运动受各种屏障的影

之一, 是分子等微观颗粒由高浓度向低浓度随机的微观运动, 即布朗(Browian ) 运动。DTI 是利用水分子的弥散运动特性进行成像的。MRI 可以通过氢质子的磁化来标记分子而不干扰它的弥散过程, 是一种理想的研究分子弥散的方法。在体外均质流体中, 分子的弥散运动完全是随机的, 即向各个方向运动概率几乎相同, 称为弥散的各向同性(is otropic ) 。在活体组织中, 水分子的弥散不表现为各向同性, 例如水分于在有髓神经纤维垂直于轴突的方向比沿着轴突的方向所受的弥散限制更大[1]。这种具有方向依赖性的弥散称为弥散的各向异性(anis otropy ) , 其空间物理状态用数学模式表达即为弥散椭圆体。DTI 技术可以量化水分子的各向异性, 观察组织微观结构信息。各向异性弥散运动在理论上可以用

作者简介:王海燕(1972-) , 女, 山东省潍坊市人, 毕业于山东大学医学院, 泰山医学院在读硕士研究生, 主要从事影像学诊断工作

响, 总是小于自由水分子的弥散度, 通常用表观弥散系数来表示; ②张量的轨迹(trace ) 弥散张量轨迹图像是将x 、y 、z 方向上的弥散图像进行平均, 计算三个方向的平均扩散率。弥散张量轨迹的计算公式为trace (D ) =Dxx +Dyy +Dzz 。根据λλBasser 等[2,3]的研究, 可以求出D 的特征值λ1、2、3。特征值λ与trace (D ) =Dxx +Dyy +Dzz =λ ; ③各向异性分1+λ2+λ3=3量(freactional anis otropy ,FA ) 表示组织纤维的各向异性张量的各向异性值与各向同性部分之比。变化范围从0(各向同性弥散) 到1(无穷各向异性) 。在FA 图中, 脑白质为高信号, 表现高的各向异性, 而脑灰质与脑脊液因趋向各向同性表现为低信号[4]; ④相对各向异性值(relative anis otropy ,RA ) 是弥散的各向异性部分与弥散张量总值的比值, 它的范围从0(各向同性弥散) 到(无穷各向异性) ; ⑤容积比指数(VR ,v olume , RA ) 是椭圆体与球体容积的比值。由于它的变化范围从1

(各向同性弥散) 到0, 所以临床上倾向于应用12VR ; ⑥b 值即

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弥散敏感因子,DTI 是在某一b 值下测得的信号强度成像。随着b 值的增加, 图像的弥散权重加大, 病变组织和正常组织之间对比度增高, 提高了DTI 的敏感性; 但是高b 值会使图像信噪比降低; ⑦3D 白质纤维束,3D 白质纤维束可以由

DTI 数据重建获得, 可以形象直观的观察颅脑的神经纤维联

2. 2　脑发育、成熟与衰老

DTI 可用来评价脑发育, 水的ADC 值与弥散各向异性随

年龄变化[9～21]。新生儿与成人相比, 具有显著的高ADC 值和低FA 值[22]。儿童ADC 值在脑白质明显高于灰质[19,20]。

Mukherjee 等研究显示早产儿半卵圆中心白质ADC 值达到210×10-3mm 2/s 。随着年龄增长,ADC 值降低, 各向异性尤

系, 分析功能纤维与病灶的空间关系, 帮助制定治疗方案与预测预后。

1. 2　成像方法

Hahn 于1950年首次提出水分子弥散对磁共振信号的影

其是RA 非线性增长直到达成年人水平, 成人ADC 值平均为

017×10-3mm 2/s [19,20]。ADC 变化主要发生在出生后头六个

月, 据研究可能与总含水量降低、髓鞘形成及白质结构有关[23～25]。

DTI 也可用于研究衰老过程, 观察与年龄相关的变性。

响。1965年S tskal 和T anner 设计出脉冲梯度磁场自旋回波

(DW ) 技术, 以检测水分子的弥散。S tejskal 2T anner 序列是最

[5]

早研究弥散效果的SE 序列。

回波平面成像(echo planar imaging , EPI ) 技术是目前临床应用中最快的扫描技术, 能够在几十秒时间内获得原始空间数据。整个空间的原始数据可以在一次激发后通过在读出梯度方向上连续变换梯度场来产生梯度回波。由于EPI 技术成像快速的优点, 由运动而引起的伪影可以被基本去除。而且, 不同b 值的图像容易获得, 成为弥散成像的首选序列。另外其他许多序列也应用于弥散成像研究, 如稳态自由进动

(SSFP ) , 快速F LASH (Turbo 2F LASH ) 及MP 2BAGE 序列等2　DTI 在颅脑的临床应用

[6,7]

脑白质ADC 值在40岁后成年人高于40岁以下成年人[26]。

20岁以后各向异性会有所降低; 与年龄相关FA 值在脑白质

纤维密集区域会降低, 尤其是胼胝体膝和半卵圆中心[21]。

2. 3　脑肿瘤

对于脑肿瘤的影像学诊断, 常规MRI 可以确定肿瘤位置和范围。但是对于定性和分期仍有局限性。DWI 和DTI 可用于识别肿瘤的不同构成, 鉴别肿瘤浸润和脑水肿。

ADC 图已证明在确定液体、强化肿瘤、非强化病变、瘤周

。

水肿、坏死和囊变区域具有重要价值。囊变和坏死区具有高

ADC 值而肿瘤强化部分具有较囊变或坏死区域及水肿区低

　　DTI 并没有常规应用于临床, 然而, 它在许多疾病诊断方面具有潜在价值, 其临床应用越来越受关注, 综述DTI 在颅脑疾病中的临床应用如下。

2. 1　脑缺血性疾病、脑白质炎和沃勒氏变性

的ADC 值[41～43]。特征性的高平均弥散率和低FA 值被描述位于胶质瘤和转移瘤周围。转移瘤的平均弥散率比胶质瘤明显升高而FA 相似, 提示FA 变化既可见于瘤周水肿也可见于肿瘤浸润。

利用DWI 和DTI 进行肿瘤定性和分期己有一些学者进行研究。低级星型细胞瘤具有更高ADC 值而高级恶性星型细胞瘤具有更低ADC 值, 反映随着细胞密度升高而弥散更加受限[42,45]。然而有一项新的研究显示FA 值在肿瘤中时常下降, 提示结构紊乱, 对于鉴别组织没有额外价值[43]。但可用于帮助理解肿瘤对白质纤维的影响, 这可能对外科手术具有重要价值。也可以重建3D 白质纤维束, 观察与肿块的空间关系以帮助制定手术方案及预测预后。

获得肿瘤对治疗反应的可靠信息是对治疗及其重要的, 从动物模型和对人类的研究提示弥散图像对肿瘤治疗反应是敏感的[46]。治疗中ADC 值早期升高可能与治疗导致的细胞坏死有关。继发降低提示肿瘤再生。因此DTI 也可用于观察肿瘤治疗反应。

2. 4　多发性硬化

脑缺血急性期为细胞毒性水肿, 在常规MRI 难以观测到, 缺血的范围仅能在出现血管源性脑水肿时才能观察到。

DWI (diffusion weighted imaing ) 和DTI 能观察到常规MRI 不能

观察到的急性脑缺血[8～11], 而且可以鉴别急性和慢性脑缺血性改变。在急性期, 局部缺血区的ADC 值可在30min 内降低

30%～50%[8～11], 在急性和早期亚急性梗死, 脑白质的各向

同性比脑灰质受损更严重[12,13]。在慢性脑卒中, 与对侧脑组织相比,ADC 值的再正常化和随后的升高可以观察到, 梗死区弥散的各项异性明显降低, 甚至在2～6月后仍如此[14]。

ADC 值对于预测组织生存力和脑卒中转归是有价值的[12,15],

结合ADC 和FA 能够预测脑卒中的转归[12]。

脑白质炎是一种非特异性改变, 可见于不同疾病, 包括慢性脑缺血性疾病、Alzheimer ’s 病等, 组织病理学表现为轴突髓鞘缺失和神经胶质细胞增生[16]。在缺血性脑白质炎,

DTI 显示T 2WI 高信号区平均弥散率升高,FA 值降低。但平

很多研究显示多发性硬化T 2WI 显示的病灶区在DTI 可见平均弥散率增高, 增高程度与病变临床病程有关, 病理破坏越明显, 弥散率越高[30～33]。多发性硬化病人的正常表现白质也可见弥散率增高, 显示这是一种弥漫性多发性病变。另一方面也可能提示这些白质存在沃勒氏变性[31～33]。一项新的研究显示, 多发性硬化的灰质亦可见弥散率增高, 提示灰质同时具有病理改变[35]。也有研究显示多发性硬化白质异常中FA 较ADC 更敏感[32,35,36]。

2. 5　癫痫

均弥散率在脑白质病变明显低于腔隙性脑梗塞, 这可能由于前者胶质细胞增生, 影响了水的弥散[17]。

沃勒氏变性(Wallerian degeneration ,W D ) 是指继发于邻近轴突损伤或细胞死亡的神经纤维的脂肪变性, 常继发于同侧颅脑损伤的皮层纤维束的变性。DTI 对于W D 的诊断较T 2WI 更加敏感[18]。弥散各向异性在原发病变和继发W D 均降低, 然而ADC 值在W D 仅轻度升高, 而在原发病变则明显升高。因此ADC 值有望用于鉴别沃勒氏变性与其原发病变[19]。

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最常见的病因是海马硬化。高分辨力MRI 也用于识别特殊征象如海马体积变小和SE 或F LAIR 、T 2WI 高信号[37,38]。最近的研究显示DTI 对于慢性癫痫和海马硬化患者可见弥散率增高和各向异性降低, 在硬化的海马区, 提示组织结构丧失和细胞外腔隙增大[39,40]。高分辨率技术可以用于识别皮层错构。

2. 6　阿尔茨海默病(Alzheimer ’s disease ,AD )

AD 的主要病理改变是脑皮质的变性和萎缩。但颞叶脑

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白质、胼胝体膝和压部、扣带回前后部肌值降低, 表明白质中轴突数量减少和轴浆流的变化

2. 7　弥漫轴突损伤

[41]

。DTI 也可用于其他与认

[42]

识力有关的病变, 如成年人阅读困难等。

局限性脑损伤除了脑卒中外,DTI 并未进行广泛研究, 不知其过程是否类似于缺血性脑中。外伤性脑损伤可分为局限性和弥漫性。局限性脑损伤可由于直接冲击伤造成, 如血肿和脑挫伤。而弥散性脑损伤可由剪切伤或者邻近于颅骨的脑组织由于旋转或减速而受伤。DTI 可以显示SE 或

F LAIR 序列不能显示的剪切伤[27]。在一项研究中, 所有患者

做了ADC 图,65%DTI阳性区显示弥散率降低[27]。在局限性脑病变如脑挫伤和血肿周围, 有一个“风险组织带”可见弥散率降低。这个条带对于颅脑外伤的救治方案是重要的[28]。很多组织学异常可以改变内囊和胼胝体的各项异性。弥散轴突损伤后白质的各向异性显著降低在常规MRI 24h 内可以为正常表现[29]。在此领域需要更多研究以充分评价脑损伤范围、最适MRI 显示时间和预测转归。

2. 8　新陈代谢病

DTI 对于新陈代谢病研究方面有很多进展, 可用于研究

肌萎缩侧索硬化、遗传性疾病、感染性疾病如HI V 、K rabbe 病等。

最近的DTI 研究显示DTI 是唯一可无创研究活体脑微结构的方法。DTI 己经显示在神经解剖学、纤维联系、脑发育方面具有价值。在探索不同病理改变如脑缺血、外伤、多发性硬化、痴呆和认识力损伤、癫痫、肿瘤和代谢性疾病具有重要意义。然而需要提高技术和稳定的后处理分析以提高DTI 在研究与临床应用中的价值。参考文献:

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(收稿日期:2005-08-16　修回日期:2005-09-01)

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