DTI数据处理与分析——DTI概念

Posted 2022-11-22 芯魂

DTI概念

（来自百度百科）

摘要：弥散张量成像(DTI)，是一种描述大脑结构的新方法，是核磁共振成像(MRI)的特殊形式。举例来说，如果说核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，引导医疗人员进行大脑手术。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。

一、基本简介

        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，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。

二、弥散成像

        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=γ2G2δ2(△-δ/3)。γ—旋磁比，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。

        在人体生理环境中D值受多种因素影响，所以常用表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）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，ADC=ln(S2/S1)/(b1-b2) ，S2与S1是不同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。

        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。

        特征纤维追踪技术DTT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，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：λ1=最大弥散系数，λ2=中级弥散系数，λ3=最低弥散系数。λ1代表平行于纤维方向的弥散系数，λ2和λ3代表横向弥散系数。

三、数据参数

1、平均弥散率（mean diffusivity MD）

        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，Tr(D)=DXX+DYY+DZZ，

        平均弥散率 MD=1/3 Tr(D)=1/3（DXX+DYY+DZZ）。

        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（relative anisotropy ，RA）、容积比指数（volume ratio ，VR）等。这些指数均是通过弥散张量的本征值(即λ1、λ2和λ3)计算得出的。

3、弥散的主要方向（the main direction of diffusivities）

        也即弥散张量椭圆球的主轴，反映的是组织结构的空间方向。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。