DTI

Posted 2021-02-09 oareii

磁共振弥散张量成像（diffusion tensor imaging）

均质介质中水分子的运动是无序随机运动，即向各方向运动的几率相同，各同向性isotropy

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不同，具有方向依赖性，各向异性anisotropy

1.脑白质中每一个体素的各向异性扩散过程可以用张量D表示，

2.均质介质中水分子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

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向一致的方向上，具有较高的各向异性，此时的弥散张量可表示为椭圆形，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向平行

3.二阶张量具有对称性，（二阶张量的对称性参见https://www.youtube.com/watch?v=f5liqUk0ZTw）因此只需要计算6个变量

Dxy=Dyx

Dxz=Dzx

Dyz=Dzy

方法：在至少6个不同非共线方向上施加敏感梯度，另外采集一幅具有同样参数而未施加敏感梯度的图像。从弥散加权像和非弥散加权像的信号强度衰减差异中可以得到6幅表观弥散系数图（ADC），得到一个六元一次方程组，最后求得每个体素的有效弥散张量D

4.理论上6次就可以，但是由于噪声的存在，方向越多，三维空间分布越均匀则数据越准确，目前最多可以在128个不同方向进行成像

5.研究方向：

*定量研究——常用的指标包括描述各向同性的平均弥散率（MD），以及描述各向异性程度的部分各向异性（FA）、相对各向异性（RA）等。

*纤维束追踪技术——在梯度场强下水分子的弥散存在会导致磁矩改变，而细胞外水分子运动对信号的改变起主导作用。在这一基础上，DTI利用弥散张量场中的各向异性扩散的方向信息来追踪神经通路的走行，从而得到脑白质中神经纤维和功能束的走形方向和立体形态

 6.量化参数

*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扩散系数（average diffusion coefficient，ADC），反应了水分子单位时间内扩散运动的范围，单位mm2/s（其值越大，说明水分子的扩散能力越强）

*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代表了假象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

*相对各向异性（relative anisotropy，RA）：RA为各向异性和各向同性成分的比例。取值在0-1之间，RA与FA的意义相似，越接近1说明水分子的各向异性程度越高。

*容积比（volume ratio，VR）：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。取值在0-1之间，越接近1说明水分子的弥散越趋于各同向性。

7.DTI的彩色弥散张量图

根据体素弥散的最大本征向量的方向决定白质纤维走行的原理，将XY轴方向的主要本征向量分别配以红、绿、蓝三种颜色（左右——红色 前后——绿色 上下——蓝色）

8.白质纤维束示踪成像（fiber tracto）

就是利用最大本征向量λ1对应纤维束传导方向将大脑中神经纤维束轨迹描出来，实现活体查看和研究中枢以及周围神经系统的神经通路的连接和连续性。

方法：从一个设置的种子位置开始追踪，直至遇到体素的FA值小于0.2

***不足：

“证实”：如何在活体证实DTI所追踪的白质纤维走行的精确度与人体是否符合？

DTI在成像过程中，由于可存在多群交叉或吻接的纤维束，不可能只有水分子单一的优势弥散方向，因而示踪结果不一定能代表纤维束真实走行方向