扩散张量成像技术及各指标的初步应用与评价
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・影像技术学・
扩散张量成像技术及各指标的
初步应用与评价
胡军武 肖旭轩 李勇刚 史瑞华 夏黎明 王承缘
【摘要】 目的 探讨正常脑组织及脑肿瘤的扩散张量(DTI ) 成像技术及各种评价指标的变化规律及临床应用价值。方法 10例正常志愿者和19例脑肿瘤患者进行常规MRI 和DTI 扫描并重建参数图, 测量正常志愿者脑组织各主要白质束和神经核团的部分各向异性值(FA ) 、各向同性值(Is o ) 、衰减指数值(ExAt ) 和容积比异向性值(VrA ) , 肿瘤患者测量受累白质束及对侧正常白质束的上述各参数, 取值并进行统计学分析, 包括配对t 检验, 相关性分析及方差分析。结果 DTI 图上, 正常脑组织
FA 、Is o 、ExAt 、VrA 值按组织结构呈规律分布; 脑肿瘤病例则清楚显示肿瘤对周围结构的破坏、占位效
应及水肿所致的改变。各指标中, 患、健侧间差异有显著性意义(FA 组:t =91125, P
=51537, P
量值之间相关性较高(r =01922, P
Vra 的变化幅度与另3种指标间差异有显著性意义(P
无显著性意义。结论 DTI 能清楚显示正常脑组织结构特点, 亦能清楚显示并能定量评价脑肿瘤所致的损害情况, 能指导术前计划和术后评估, 各指标中, 可认为Vra 在评价肿瘤导致的损害中最敏感。
【关键词】 磁共振成像; 弥散张量成像; 脑肿瘤
The preliminary application and assessment of MR diffusion tensor im aging technique and metrics H U Jun 2wu , XIAO Xu 2xuan , LI Yong 2gang , SHI Rui 2hua , XIA Li 2ming , WANG Cheng 2yuan 1Department o f Radiology, Tongji Hospital , Tongji Medical College , Huazhong Univer sity o f Science &Technology , Wuhan 430030, China
【Abstract 】 Objective T o discuss the values of imaging technique of diffusion tens or imaging (DTI ) used in normal v olunteers and brain tum or patients , and to assess the changing regularity of several evaluating metrics of DTI 1Methods T en v olunteers and nineteen brain tum or patients underwent routine and DTI scan and then the parametric maps were reconstructed 1In ten v olunteers , the values of FA , Is o , VrA , and ExAt of the main white matter bundles and nerve nucleus were measured ; In nineteen patients , the data gathered from damaged white matter and contralateral intact areas were analyzed statistically , including paired T test , correlation analysis , and analysis of variance 1R esults In normal brain DTI maps , the values of each metrics distributed regularly according to tissues structure ; In brain tum or patients , the destroys of surrounding tissues and other various changes caused by tum ors , mass effect , and edema could be clearly dem onstrated 1F or each metric , the difference between lesion group and intact group was significant (P
【K ey w ords 】 Magnetic res onance imaging ; Diffusion tens or imaging ; Brain neoplasms
扩散张量成像(diffusion tens or imaging ,DTI ) 技术是目前惟一能在活体人脑组织显示白质纤维束的走行、方向、排列、紧密度、髓鞘化情况等信息的非侵入
作者单位:430030武汉, 华中科技大学同济医学院附属同济医院放射科
性手段[1]。DTI 能精确描述水分子在三维空间中的
扩散轨迹, 能对这种扩散作定量评价[1], 在此基础上形成的多种参数指标, 使评价更全面、更可靠[2]。脑部原发或继发肿瘤使脑局部组织结构和代谢发生改变, 这种改变可由DTI 清楚地显示出来。与MRI 的传统序列相比,DTI 有其不可比拟的诸多优势, 且评价指标较多。笔者对这些指标进行了初步分析和
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评价, 以充分发挥该技术在临床上的作用。
材料与方法
搜集10例正常自愿者, 男7例, 女3例, 年龄18岁～46岁, 平均33岁。脑肿瘤患者19例, 年龄26岁～64岁, 平均47岁, 男11例, 女8例; 胶质瘤15例, 脑膜瘤3例, 转移瘤1例。使用GE Signa H orizon LX 115T 超导磁共振扫描仪, 两组均行常规
兴趣区(ROI ) 值, 记录FA , 各向同性图(is otropic , Is o ) , 衰减指数图(exponential attenuation , ExAt ) ,VrA 图上相应ROI 内平均值及最高值。同时, 于健侧对应部位取相同大小ROI 的值作为对照组资料, 并进行统计学分析。
结
果
及全脑DTI 扫描, 肿瘤患者再行增强扫描。DTI 扫描序列为SE 单次激发回波平面成像(single 2shot SE EPI ) 序列, 双回波采集,TR 6000～10000ms ,TE 7911ms , 反转角90°, 层厚5mm , 层间距0mm , 视野(FOV ) 24cm ×24cm , 矩阵128×128, 激励次数2, 扩散因子b 值1000mm 2/s 。采样方向25个。另对1例志愿者
一、正常DTI 表现(见图1～4)
所有正常志愿者DTI 的重建图上FA 、Is o 、ExAt 及VrA 按结构特点呈规律分布, 左右对称。FA 及Vra 图上, 白质束结构、走行及相互关系显示清楚, 其测量值由联合纤维束至联系纤维依纤维束的大小和致密度逐渐减小, 其次为神经核团、灰质, 脑脊液最低, 灰白质FA 相差大, Is o 图上, 与FA 相反, 主要白质束Is o 依次减低, 灰质区最高, 神经核团与灰质相似。VrA 表现与FA 图类似, 灰白质对比较FA 图强烈, 但细小纤维的显示不如FA 图清晰。ExAt 各部值相差不大, 影像上对比不明显。
同一志愿者同一扫描序列中C NR 与C 在FA 图与VrA 图上(b =1000,25个方向) 的比较见表1
。
另做35个方向、b 值分别为1000与2000mm 2/s 的DTI 扫描, 以作同一个体不同b 值的部分各向异性图(fractional anis otropy ,FA ) , 并就图上相对应的2个
结构的对比度(contrast ,C ) 与对比噪声比(contrast 2to 2noise ratio ,C NR ) 进行计算与比较。另一志愿者选取同一层面内的不同结构, 以计算FA 图与容积比异向性图(v olume ratio anis otropy , VrA ) 的C 与C NR 的差别。取瘤体周围水肿带内形态正常的脑白质束感
图1～4 为FA 参数图; 图2为VrA 参数图; 图3为Is o 参数图; 图4为ExAt 参数图。可见FA 和Vra 图上白质束显示清晰, 结构对称, 呈明亮灰阶(测量值高) , 灰质与神经核团呈低灰阶(测量值低) ,Is o 图上白质束呈低灰阶, 而灰质和神经核团呈高灰阶; ExAt 图各结构区别不明显 图5～8 分别为肿瘤患者FA 、Is o 、VrA 、ExAt 参数图, 线圈标识的为瘤体部分, 可见在FA 、Vra 图上瘤体部位白质束消失, 周围水肿区白质束呈逐渐消融状;Is o 图上瘤体部分呈高灰阶, 水肿区呈低灰阶; ExAt 图上水肿范围显示清晰, 呈低灰阶
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表1 C NR 与C 在同一个体相同参数情况下FA 、
VrA 图上的比较
项目
CNR C
[1**********]5
FA
[1**********]
VrA
表3 27处受水肿浸润的白质纤维及对侧正常白质
纤维的测量值
测量项目
x ±s
测量项目x ±s
FA -N 013777±010911FA -L 013009±010867Is o -N 31917700±5912990Is o -L 35518800±5915200
ExAt -N 013479±010333ExAt -L 012892±010394VrA -N 011470±616980E 202VrA -L
011470±010670
注:N:正常值;L 患侧值
同一志愿者C NR 与C 在相同采集方向(35个方
向) 、不同b 值的FA 图上的比较见表2。
表2 C NR 与C 在同一个体内不同b 值FA
图上的比较
项目
CNR C
b =[***********]
b =[***********]
讨论
一、影响DTI 的因素
DTI 的基本原理是采集水分子在空间各个方向上的扩散运动所致的信号衰减强度, 并定量描述出其空间扩散的三维轨迹。在扩散成像中, 由于多个梯度脉冲的施加, 容易产生交叉对话现象, 因此, 往往通过在扩散编码梯度之后施加读出梯度和相位编码梯度的补偿梯度,90°层面选择梯度之后, 也可用同样的方法以使相位迅速重聚而稳定, 以达到防止交叉对话的产生, 降低相位方向上的变形程度[2,3]。
EPI 序列对磁场均匀性要求甚高, 因反转梯度不同于射频脉冲, 能使多种因素造成的去相位得以恢复, 易造成编码错误, 导致变形失真。但EPI 扩散序列能有效地冻结生理运动, 相对于其他扩散成像序列, 其信噪比更好, [2]EPI 序列的磁敏感伪影表现明显, 组织界面信号减低和几何变形较突出, 在头部扩散加权成像中, 以前颅窝表现明显, 双回波技术可以降低图像的变形程度。
在体内, 水的扩散速率是1个常数, 因此, 主要由b 值决定扩散衰减的信号强度, 通常通过调整b 值来调节信号强度, 一般情况下, 主要通过增加扩散梯度场强来提高b 值, 但扩散梯度的提高需更高的硬件条件, 以保持梯度场的均匀性, 否则, 涡流将随之而升高, 使梯度场变形[3]; 同时,b 值的升高会导致C NR 与C 的降低(表2) 。
表1、2显示, 在同一个体相同扫描参数的情况下(表1) , FA 图的CRN 远大于VrA 图, 将近高出6倍, 但对比度比VrA 低15%, 这与笔者肉眼观察时FA 图清晰度较好而Vra 图对比较高是一致的。在同一个体相同采集方向数而b 值不同(分别为b =1000,b =2000) 的情况下(表2) , b 值大的CRN 低, 且C 亦低。将2个个体比较, 相同b 值(b =1000) 情况下, 方向增加10个(分别以25个方向和35个方向扫描) 时CRN 下降了218倍, 由此可知, 增
二、肿瘤的DTI 表现(图5～8)
在FA 与VrA 图像上, 主要表现为瘤周水肿带对白质纤维束的损害(图5,7) , 白质纤维呈现程度不一的消融状, 水肿带中央区白质纤维可完全消失, 无一点残迹。ExAt 图(图8) 上表现为水肿区测量值降低, 能清楚显示瘤周水肿带的分布、范围及瘤体内坏死区, 瘤体实质依其组织成分和结构呈与灰质等或高的测量值。Is o 图上, 水肿区测量值升高, 重建图上呈较明亮的灰阶区, 但分界不如ExAt 图上清晰。此外, 在T 1增强扫描像上的强化区, 在Is o 上其值升高(图6) 。
对27处受水肿浸润的白质纤维及其对侧正常白质纤维分别取值进行统计学分析(表3) , 在测量值中, 除Is o 值的患侧平均值升高以外, 其他均表现为患侧值降低。其中,VrA 变化率(|患侧-健侧|/健侧) 最大。将上述几组值(健侧与患侧为一组) 做配对t 检验, 均显示差异有显著性意义。其中FA 组:t =91125, P
r =01922, P
关性。
加b 值和扫描方向都会导致CRN 和C 的降低。
DTI 成像中, 影响S NR 及图像质量的因素众多,
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扫描时应综合考虑, 以求获得最好的影像质量和适当的S NR 。有报道认为, 当S NR 50时, 增加平均次数噪声不会进一步降低, 分辨率也不会再增加[2]。
二、DTI 的临床应用
DTI 在多种组织器官都有应用, 但应用最广泛
价指标则无显著相关性, 这种现象可能与在肿瘤所
致的局部血管源性水肿范围内, 因细胞代谢障碍所致细胞膜对水的通透性呈阶段性变化, 从而使扩散值的变化不甚规则, 同时, 还与ExAt 本身含有T 2成分等因数有关; 另外, 在4种评价指标中, 肿瘤所致的VrA 值的变化幅度最大, 与其他3种指标的差异有显著性意义, 因此, 可认为VrA 为诸多评价指标中最敏感的指标。
DTI 另一大优势就是对白质束形态的直观显示, 包括肿瘤的直接侵犯破坏和占位效应所致的白质束的推压移位。DTI 能清楚地显示瘤周白质的异常位置, 计算出其偏移角度, 更能显示出远距离白质束因占位效应所致的位置异常, 显示了其在肿瘤瘤体与周围组织关系应用中的巨大价值, 是其他成像手段无法完成的。DTI 的这些特点, 可为肿瘤的术前计划、术后处理和评估提供重要的指导作用。
DTI 技术仍处在快速的发展之中, 随着更多更强大的相关数字化技术的出现(如三维DTI , 超微DTI 等) 和相关临床研究和应用的深入, 此技术必定会显示出更巨大的应用潜力并发挥更重要作用。
参
考
文
献
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(收稿日期:2004209208)
的还是在中枢神经系统, 如:脑白质疾病、缺血性疾病、脑的发育、功能性研究、头部外伤造成的白质束的损害, 以及遗传代谢疾病和感染性疾病。DTI 能够反映脑白质的发育过程, 随着髓鞘化进程, 脑白质的FA 呈现不断升高的动态变化过程, 可持续到20～30岁, 亦有报道认为白质束的FA 终生都处于不断变化之中[4]; 同时, 在同一年龄, 由于性别、个体差异,FA 亦有一定差别。
基于以上认识, 为了避免年龄和个体差异造成的误差, 本研究对照组数据均采自个体内对侧正常区域, 以提高分析的可靠性。
脑肿瘤在局部生长过程中, 使血脑屏障破坏, 可致瘤周出现广泛的血管源性水肿, 如成胶质细胞瘤可分泌致细胞外基质降解的胶原溶解酶Ⅳ, 导致组织支架及血管成分破坏。
脑水肿有沿着白质束和血管间隙扩散的特点, 不同部位的白质束对水的扩散有不同的阻挡作用, 依水肿程度的轻重, 依次发生:轻微者可侵犯联系纤维, 严重者才侵入联合纤维。
有研究显示, 转移瘤瘤周的平均扩散值较胶质瘤具有显著性升高, 而FA 无此差别, 据此认为平均扩散值可区别转移瘤和胶质瘤[5]。有人将DTI 与MR 波谱学结合起来, 认为更有利于肿瘤性质的诊断[6]。另有研究显示,DTI 示踪值(trace ) 在肿瘤坏死区最低, 在肿瘤强化区外围与水肿区DTI 示踪值差异有显著性意义, 据此认为可区别正常脑组织、水肿区与强化区外围[7]。
笔者的统计分析显示, 瘤周水肿所致的各测量值的变化均有极显著的改变;FA 与VrA 值之间表现出很好的相关性。因此, 可认为, 在对白质束损害的判断中,FA 与VrA 两者有较好的一致性, 与其他评
(本文编辑:薛爱华)