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什么是DTI?

diffusion tensor imaging(DTI)

DTI即磁共振弥散张量成像,可实现活体观察组织结构的完整性和连通性,利于对各种疾病的引起的白质纤维束的损害程度及范围的判断。也可用于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。

DTI的基本原理

两个概念

一、均质介质中水分子的运动是无序随机运动,即向各个方向运动的几率是相同,即具有各向同性(isotropy)。

二、在人体组织中,水分子的运动由于受到组织细胞结构的影响,在各个方向弥散程度是不同的,具有方向依赖性,即具有各向异性(anisotropy) 。 要描述水分子的空间弥散情况 ,引入了张量的概念,脑白质中每一个体素的各向异性扩散过程就可以用张量D表示 。需要用一个二维矩阵表示 :

(正常的ADC图)

(1)均质介质中可以水分子的自由运动为各向同性,即在各个方向上的弥散强度大小一致,弥散张量D描述为球形,沿磁共振的三个主坐标的特征值为 λ1=λ2=λ3。




(2)在脑白质中由于髓鞘的阻挡,水分子的弥散被限制在与纤维走行一致的方向上,具有较高的各向异性,此时弥散张量可表示为椭球形,其特征值λ1>λ2>λ3,最大特征值对应的方向与经过该体素的纤维束走行平行。




DTI的量化参数

第一类是平均扩散率

指MR成像体素内各个方向扩散幅度的平均值,代表了某一体素内水分子扩散的大小或程度,通常所用的指标就是平均弥散系数(average diffusion coefficient,ADC),反应了水分子单位时间内扩散运动的范围,单位是mm2/s,其值越大,说明水分子扩散能力越强。

第二类是反映各向异性的参数

(1)部分各向异性指数(fractional anisotropy, FA )

分析各向异性最常用的参数,指弥散的各向异性部分与弥散张量总值的比值,反应了各向异性成分占整个弥散张量的比例,取值在0~1之间,0代表了最大各向同性的弥散,比如在完全均质介质中的水分子弥散,1代表了假想下最大各向异性的弥散。脑白质中FA值与髓鞘的完整性、纤维的致密性及平行性呈正相关 。

(2)相对各向异性(relative anisotropy,RA)和容积比(volume ratio,VR)RA为各向异性和各向同性成分的比例。VR等于椭球体的体积与半径为平均扩散率的球体体积之比。两者的取值范围亦在0~1之间 ,RA的意义与FA相似,越接近1说明水分子的各向异性程度越高。而VR越接近1说明水分子的弥散越趋于各向同性 。

在中枢神经系统的临床应用

一、大脑发育及衰老

出生后大脑仍继续发育、髓鞘化 ,2岁左右基本完成。发育遵循从下到上,从后到前,从中央到周围的规律进行髓鞘化胆固醇逐渐降低,磷脂逐渐增多,最后形成成熟的髓鞘。在这个过程中,组织的各向异性不断增加,利用DTI技术,可以定量分析不同部位脑组织的各向异性程度,显示大脑的发育过程。在新生儿和婴幼儿的大脑白质ADC值比成人大而空间各向异性比成人小,随着大脑发育成熟,由于整体水份的减少和髓鞘化的进程,许多区域的ADC值降低、而FA值增加并且一些区域的改变要明显早于传统MRI的T1WI和T2WI的信号改变,被认为是前髓鞘化的表现 。

MRI观察髓鞘化进程只能限于2岁左右,2岁以后髓鞘化的情况就不能分辨,而DTI在评价缺氧缺血性脑损伤(如脑瘫)后脑内主要白质纤维束变化方面有较高的应用价值。DTI能提示纤维束的髓鞘化进程的延迟,可反映儿童发育中脑白质微观结构的变化,在PVL的随访观察中有较大的潜力。

MRS能敏感地反映小儿脑瘫发育的代谢变化,观察大脑不同部位代谢产物浓度的变化,发现尚未出现形态学异常的早期改变,测定出神经元轴图丧失或损害最大的部位。

二、脑肿瘤

定量分析肿瘤组织特点以鉴别肿瘤的级别,鉴别正常的白质纤维、水肿及肿瘤区域。测量瘤周的水肿的平均ADC值和FA值以分析鉴别转移瘤和胶质瘤,但目前这些研究的结果尚没有取得完全一致。DTI使临床外科医生可以在术前、术中更清楚掌握肿瘤和白质纤维的情况,使手术方案更加可靠安全。目前已有学者报道了DTI在神经外科肿瘤切除术中的有效性,认为利用DTI指导手术可以提高手术全切率,降低术后的功能障碍。

(胶质瘤)

二、脑梗塞

DWI有助于临床诊断早期、超早期脑梗死的及时诊断,而DTI在检测脑梗死后皮质脊髓束损伤有着显著优势。

脑梗死区域的FA显著降低,早期平均ADC值降低,后期增高。与梗死区相联系的的同侧内囊、大脑脚和桥脑处的皮质脊髓束FA较对侧显著降低,提示脑梗死后远端的皮质脊髓束可能存在进行性的Wallerian变性。

DTI在通过对梗死远端皮质脊髓束FA计算判断其变性程度,并预测患者的运动功能转归。DTI不仅可用于脑梗死后白质纤维束,例如白质纤维束变性的研究,还能用于颅内灰质微观结构改变的研究。长期DTI随访观察有助于加深人们对卒中后临床病理学演变过程的认识。

(左侧内囊后肢梗塞)

三、脑白质变性疾病

(1)多发性硬化(MS)

●急性期,ADC和FA均下降

●慢性期,ADC增加,FA值虽下降但比急性期高

T2WI显示正常的区域白质也有改变,提示这是一种弥漫性的多发病变。

(2)缺血性白质疏松(LA)

主要表现为ADC升高和FA降低,与病理提示的轴突减少和胶质增生相符合。

FA值的减低程度及范围与临床认知功能改变明显相关,对于监测LA的进展演变有更大优势。

(3)肌萎缩性侧索硬化症(ALS)

该症患者皮质脊髓束区域,ADC值明显升高而FA值明显减少,表明DTI可发现ALS皮质脊髓束的病理改变

(4)阿尔茨海默氏病(AD)

利用DTI研究发现该症患者的白质联合纤维传导束的完整性明显受损,轻度或早期的AD,颞叶白质FA值降低,并且和临床严重程度密切相关,而锥体束的完整性无明显受损,这一发现与该症的临床表现一致,突出症状是认知功能下降而不是运动功能障碍 。

(5)精神分裂症

DTI可以显示白质纤维束通路上连通的异常,表现为病变部位的FA值的降低。

(6)慢性酒精中毒

在胼胝体膝部、压部及半卵园中心FA值均有降低,且FA值与使用酒精的时间长短有一定的相关性 。

(7)弥漫性轴索损失

DTI可以显示常规MRI不能显示的剪切伤,一些研究表明,弥散性轴索损伤后白质的FA值显著降低,而这些白质在常规MRI24小时内可显示为正常。