1 、弥散现象与弥散的各向异性
弥散( diffusion )是指分子的随机不规则运动,是人体重要的生理活动,是体内的物质转运方式之一,又称布朗运动( brownian motion
)。弥散是一物理过程,其原始动力为分子所具有的热能。在溶液中,影响分子弥散的因素有:分子的重量、分子之间的相互作用(即粘滞性)和温度。弥散是一个三维过程,分子沿空间某一方向弥散的距离相等或不相等,我们可以将弥散的方式分为两种:一种是指在完全均匀的介质中,分子的运动由于没有障碍,向各个方向运动的距离是相等的,此种弥散方式称为各向同性(
isotropic )弥散,例如在纯水中水分子的弥散即为各向同性弥散,在人脑组织中,脑脊液及大脑灰质中水分子的弥散近似各向同性弥散。另一种弥散具有方向依赖性,在按一定方向排列的组织中,分子向各个方向弥散的距离不相等,则称为各向异性( anisotropic )弥散。
在磁共振成像中.组织的对比度不仅与每个像素内组织的 T1 、 T2 弛豫时间和质子密度有关,还与受检组织每个像素内水分子的弥散有关。 Hahn[1]
于 1956 年首次提出水分子弥散时对磁共振信号的影响。
弥散过程可以用弥散敏感梯度磁场来测量,在施加梯度磁场时水分子的随机运动可获得随机位移,导致重聚失相位,自旋回波信号衰减。 1965 年, Stejskal 和 Tanner[2]
设计出梯度磁场自旋回波技术,在自旋回波序列 180o 脉冲前后各施加一个弥散敏感梯度磁场,以检测水分子的弥散情况。 衡量弥散大小的数值称为弥散系数,用 D
表示,即一个水分子单位时间内自由随机弥散运动的平均范围,单位是 mm2/s 。 D 值越大,水分子弥散运动越强。可用公式 ln(S/S0)=-bD 来描述。
D 为弥散系数, S 和 S0 分别为施加和未施加梯度磁场的信号强度。 b 为弥散敏感系数, b= γ
G —梯度场强,δ—每个梯度脉冲施加时间,△—脉冲施加时间间隔。 b 值为常数,由施加的梯度场强的参数来控制。 b 值越大对水分子的弥散运动越敏感,可引起较大的信号衰减。
)来衡量水分子在人体组织环境中的弥散运动,即把影响水分子运动的所有因素(随机和非随机)都叠加成一个观察值,反映弥散敏感梯度方向上的水分子位移强度。根据 Stejiskal-Tanner 公式, b 值条件下的信号强度。磁共振
DWI 即利用 ADC 值分布成像。 ADC 值越高,组织内水分子弥散运动越强,在 DWI 图上表现为低信号,相反 ADC
值越低, DWI 图上表现为高信号。
然而,表观弥散系数 ADC 只代表弥散梯度磁场施加方向上水分子的弥散特点.而不能完全、正确地评价不同组织各向异性的特点。 Higano[4] 等在进行测定中风和脑肿瘤病人内囊和放射冠的弥散各向异性特点的研究时 ,
将弥散梯度磁场分别施加在 X 、 Y 、 Z 轴上。但是研究结果表明 , 三个方向弥散加权成像计算出的组织各向异性程度往往被低估,测得的数值往往是旋转变量
( 即值随弥散方向及磁场内被检查病人的体位和方向而改变 ) ,因为大部分的白质纤维通路常常倾斜于磁场坐标方向,所以单从一个或三个方向施加弥散梯度磁场不能正确评价具有不对称组织结构的各向异性特点。
3 、弥散张量概念及弥散张量特征值
准确的沿着纤维方向进行弥散各向异性评价需要弥散张量成像。于是,人们提出了弥散张量( diffusion tensor )的概念。“张量( tensor )”一词来源于物理学和工程学领域 [5]
,它是利用一组 3D 矢量来描述固体物质内的张力。弥散张量是由如下公式决定的 :
这个张量是对称的 (Dxy =Dyx , Dxz=Dzx , Dyz=Dzy) 。 为了形象地表述弥散张量,我们可以进一步将弥散张量视为一个椭圆球体(
ellipsoid )。本征值代表了沿弥散椭球最大和最小轴的弥散系数。弥散张量的三个本征值是最基本的旋转不变量 ( 即值不随弥散方向及磁场内被检查病人的体位和方向而改变 )
,它们是沿着三个坐标轴方向测量的主弥散系数。这三个坐标是组织固有的,每个本征值联系着一个主方向的本征向量,这个本征向量也是组织固有的。弥散张量的三个本征向量相互垂直,并构建了每个像素的局部参照纤维框架。在每个体素中,本征值从大到小排列: λ 1 =
最大弥散系数, λ 2 = 中级弥散系数, λ 3 = 最低弥散系数。 λ
1 代表平行于纤维方向的弥散系数, λ 2 和 λ 3 代表横向弥散系数。
4 、弥散张量成像的数据参数:
用来分析 DTI 所得数据的参数有三种 [6]
),为了对组织某一体素或区域的弥散状况进行全面的评价,必须要消除各向异性弥散的影响,并用一不变的参数来表示,也就是说这一参数的变化不依赖于弥散的方向。在弥散张量的几个元素中,弥散张量轨迹( the trace of the diffusion tensor )就是一个不变参数, )。
MD 反映分子整体的弥散水平(平均椭球的大小)和弥散阻力的整体情况。 MD 只表示弥散的大小,而与弥散的方向无关。 MD 越大,组织内所含自由水分子则越多。
( 2 )、各向异性程度,反映分子在空间位移的程度,且与组织的方向有关。用来定量分析各向异性的参数很多,有各向异性分数( fractional anisotropy , FA )、相对各向异性(
[6] 。这些指数均是通过弥散张量的本征值 ( 即 λ 1 、 λ 2
和 λ 3 ) 计算得出的。
① FA ;部分各向异性指数,是水分子各向异性成分占整个弥散张量的比例,它的变化范围从 0 ~ 1 。 0 代表弥散不受限制,
比如脑脊液的 FA 值接近 0 ;对于非常规则的具有方向性的组织,其 FA 值大于 0 ,例如大脑白质纤维 FA
FA 值的计算公式如下:
② RA :相对各向异性指数,是弥散张量的各向异性部分与弥散张量各向同性部分的比值,它的变化范围从 0( 各向同性弥散 ) 到 √ 2(
③ VR :容积比指数。是椭圆体与球体容积的比值。由 于它的变化范围从 1( 即各向同性弥散 ) 到 0
,所以,临床上更倾向于应用 1/VR 。
VR 的 计算公式如下 :
虽然反映各向异性的参数有很多,但目前临床上,应用较多的是 FA 值,其原因有:第一、由于 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;第二、
FA 值不随坐标系统旋转方向的改变而改变,且 FA 值是组织的物理特性,在同一对象不同时间、不同成像设备及不同对象间获得的数值具有可比性。
5 、弥散张量成像数据采集:
( 1 ) DTI 常用采集技术如下:
空间的原始数据。该方法成像时间明显短于一般的生理运动 ( 如:呼吸、心跳等 ) ,使运动伪影大为减少。但单次激发 EPI 的空问分辨率和信
噪比均较低,磁敏感性引起的变形较明显。为此, Bammer 等 [7 ] 提出了敏感编码 (sense — trinity
encoding , SENSE) 单次激发 EPI 方法,在与常规 EPI 相同的扫描时间内,图像的空问分辨率明显提高,而几何变 形显著减少。
Yamada 等 [8 ] 也报道使用 平行成像技术的单次激发 EPI ,可达到类似的效果。
多次激发 EPI ,与单次激发技术相比,其空间分辨率和信噪比更高,磁敏 感性所致的变形更少。但是采集时间 长,对呼吸、脑血管和脑脊液流动、眼球 运动和头的不自主运动引起的伪影更加敏感,为其主要缺点。由于经多次激发,该技术不连续填充