磁共振弥散张量成像和纤维束密度成像在中枢神经系统的研究进展

金玮 ，李跃华，李斌，郭晓莉 上海交通大学 生物医学工程学院，上海市，0040 上海市第六人民医院，上海市，0033

0 引言

磁共振弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）是在弥散加权成像（Diffusion Weighted Imaging, DWI）基础上发展起来的一种在活体组织内进行无创成像的技术。常规磁共振成像对特定的中枢神经系统病变敏感性较低，在许多临床病变中如果仅运用常规磁共振成像，往往由于图像上的异常信号出现于病变晚期而无法进行及时治疗。DTI通过评价细胞内外水分子扩散方向可以清晰显示纤维束形态，能够在早期发现病变内部结构的细微变化。纤维束密度成像（Track Density Imaging, TDI）是最新基于DTI成像的重建技术，能够达到超高的空间分辨率，生成亚毫米级体素的图像，近些年来已经开始逐渐应用于某些中枢神经系统病变的检测和诊断。

1 基于MRI的几种中枢神经系统成像方法

1827年Robert Brown首先提出了布朗运动的概念，人体中的水分子没有规律的随机运动被称之为布朗运动[1]。DWI是目前应用较为广泛的通过观察水分子扩散的方式来对疾病进行评估的方法，其主要应用于诊断脑梗塞、颅内肿瘤、弥漫性轴索损伤、脊髓缺血、外伤及肿瘤等，DWI已经成为了包括超急性期脑梗塞等检查的常规技术。然而，DWI在本质上存在其局限性，DWI可以在微观上反映水分子的弥散，但水分子在各个方向运动的量并不相同，亦即DWI无法反映弥散各向异性。

由此，DTI应运而生。1994年首次提出的扩散张量的数学模型，为DTI提供了理论基础[2]。DTI在DWI基础上，引入了张量的概念。DTI在多个线性方向上施加弥散梯度，通常采用单激发平面回波成像技术，计算各个方向上的弥散张量从而成像。DTI较DWI能够更准确地在量和方向上反映成像体素内扩散的变化，可以定向定量地评价组织各向异性。

TDI是一种新兴的基于DTI的磁共振成像和后处理技术[3]。传统的DWI和DTI受制于扫描时间和序列参数设计，无法做到高分辨率成像，目前临床上最小的采集体素都在毫米量级。TDI能够生成亚毫米级体素的图像，达到超高的解剖分辨率，能够更加清晰敏感地显示出组织异常。

2 弥散张量成像（DTI）

2.1 弥散张量成像原理

在均质的介质中，水分子通常在各个方向上的运动是相同的，这种弥散方式就称为各向同性，其向量的分布轨迹是球形。而在非均一介质中，水分子在各个方向上的运动不同，水分子在各个方向上弥散的距离不相等，这就称为各向异性，其向量分布轨迹近似为椭圆形。这种各向异性在分子沿白质纤维通道方向的弥散最为典型，水分子垂直于神经纤维走行方向的弥散受到限制，弥散较慢；平行于神经纤维走行方向的弥散较为容易，速度较快。临床上常规的DWI不能反映出这种各向异性，但是DTI图像能够将弥散各向异性进行量化，通过扩散的各向异性分数（FA）和表观扩散系数（ADC）值等反映水分子在空间内向各个方向进行弥散运动的主导方向。

2.2 弥散张量成像在中枢神经系统病变的应用

2.2.1 弥散张量成像在颅脑病变中的研究进展

DTI在临床上最常用于急性脑梗死的诊断和预后[4]。在研究脑梗死的进程中，根据FA值和ADC值变化将脑梗死分为3个阶段：① FA值升高、ADC值降低；② FA值和ADC 值均降低；③ FA值降低，ADC值升高[5]。WOUTERS等[6]通过测量白质区域的FA 值得出结论，FA值在超急性期（发病后2～5 h内）升高，急性期（7～14 h内）及亚急性期（18～34 h内）FA值降低。除此之外，DTI近来还多用于脑梗死的预后以及康复效果的评估。周国庆等[7]借助弥散张量成像技术显示的锥体束受累程度为脑干梗死肢体功能康复结局的最有价值的预测因素。邵荣等[8]通过弥散张量纤维束成像技术分析脑梗死患者皮质脊髓束损伤，发现皮质脊髓束损伤程度、脑白质病变等级及入院卒中量表评分是影响运动功能评分的相关因素。

除了脑梗死，还有许多研究者将DTI运用到其它颅脑损伤和疾病的诊断当中。樊秋菊等[9]利用DTI敏感地检测到轻度颅脑外伤患者脑组织损伤后微观病理改变，发现正常对照组与轻度颅脑外伤组相比，后者伤侧白质区FA值降低。另有研究表明，脑出血发病后不同时间段血肿侧皮质脊髓束的FA值均低于对侧，相对FA值与患者随访时预后指标呈负相关，因此DTI也可以作为随访指标，评价脑出血患者的预后[10-11]。此外，还有学者将DTI应用于偏瘫型脑瘫和抑郁症的诊断[12]。

2.2.2 弥散张量成像在脊髓病变中的研究进展

脊髓是中枢神经系统在椎管内的延续，相当数量的研究显示，对于正常颈髓，DTI可以较清晰显示呈现颈髓内白质纤维束结构[13]。进一步定量研究发现，不同节段颈髓FA值及ADC值有统计学差异，C2/3椎间盘水平颈髓的FA值最高、ADC值最低，C6/7椎间盘水平颈髓FA值最低、ADC值最高[14]。

脊髓损伤会引起一系列复杂病理变化，常规磁共振成像对于严重的脊髓损伤，如出血和水肿等，能够在图像上显示明显的信号异常。但是对于早期损伤程度较轻且T2WI信号未发生明显变化的患者，无法准确评估其真实的损伤程度及范围。如上所述，DTI具有及时发现颅脑病变以及评估预后的价值，该项技术近年来开始被运用到评价脊髓损伤和检测早期脊髓病变。对于颈髓急性创伤患者，苏佳佳等[15]对颈髓创伤患者的研究发现无论创伤患者在T2加权像上是否有高信号，其FA值明显低于正常组，证明了FA值是颈髓外伤早期颈髓微结构改变的敏感指标。对于颈髓慢性损伤患者，国内有一部分研究[16-17]表明DTI 较常规MRI能够较早且准确地量化脊髓型颈椎病的颈髓微结构改变，反映颈髓受压迫造成缺血以及脊髓纤维束受压损伤的范围。

2.3 弥散张量成像的优点和缺点

DTI作为一种张量成像，其优点在于通过计算多个方向上的弥散张量，通过FA和ADC值等指标量化各向异性，能够更加直观地表现成像体素内扩散的变化，有助于临床医师更加准确地对病变进行诊断，DTI在中枢神经系统病变领域的应用已经相当广泛。DTI也有其缺点：受到成像速度的限制，DTI多利用单激发平面回波（EPI）序列进行原始数据采集，EPI对磁场不均匀性非常敏感，易造成形变，也会产生磁化率伪影；另外，单激发序列的EPI因子不能太大，否则会引起相位累积误差，影响图像质量，因此也限制了EPI采集得到的图像分辨率。

3 纤维束密度成像（TDI）

3.1 纤维束密度成像原理

纤维束密度成像最初在2010年由Calamante等提出，该报道指出当前磁共振神经影像的一个缺陷在于从图像中获取的空间信息不足。TDI是一种基于弥散纤维束追踪方法的后处理成像技术，能够获取比磁共振成像体素空间分辨率更高的图像。大脑作为磁共振成像的对象而言其本身是连续的，原始的磁共振图像只能反映出大脑离散的信息。通过生成大量的纤维束轨迹，TDI可以生成连续的大脑信息。主要步骤包括首先进行全脑纤维束追踪，然后统计每个网格里每个元素包含的纤维束数量，随后TDI利用相邻体素所包含的纤维束信息产生连续的信息，同时可以计算出密度值。由于网格尺寸可以远远小于磁共振成像的体素尺寸，TDI生成的图像可以比原始图像的空间分辨率要高得多。

3.2 纤维束密度成像在颅脑的研究进展

2011年CALAMANTE等[18]在之前的TDI方法基础上，优化了算法，提出了新的TDI形式体系。在新的TDI形式体系里，使用者被赋予更多选择，包括可选择对比机制，可调节临近体素权重等来获取质量更好的图像。随后，通过对大鼠大脑的实验[19]，评估了TDI的解剖对比度，认为TDI能够提供具有丰富和有意义的解剖细节。DAI[20]等利用TDI对树鼩大脑的细微结构，比如初级视觉皮层的Baillarger带和海马体CA3区苔状纤维进行了成像，得到了高分辨率的图像，同时报道如果仅仅利用DTI成像，无法达到上述目的，体现了TDI相较于常规DTI的优越性。JR等[21]运用TDI对多形性成胶质细胞瘤患者的图像进行分析，发现定量的纤维束密度值可以提供肿瘤渗入区域的信息，在肿瘤中心区域脑白质大量破坏，TD值降低，在肿瘤周围非强化区域，TD值升高，这种现象可能是由于肿瘤细胞沿完整白质向周边渗透，导致其各向异性程度升高，增加了纤维束示踪成像运算的数值。

此外，为了验证TDI显示脑白质的准确性，CALAMANTE等[22]在7 T超高场强的磁共振设备上对活体进行常规DWI扫描，通过插值处理后分辨率为体素各向同性0.8 mm。以此作为标准，同时将获取的原始数据降低采样率得到低分辨率2.4 mm各向同性体素后，再用TDI进行处理，比较经过处理后的图像与标准图像，验证TDI的有效性和可靠性。作为新兴的技术，TDI在国内的临床研究尚且不多，罗梦婷等[23]通过弥散张量成像和纤维束密度成像探讨了老年抑郁症患者脑白质的完整性被破坏，TDI作为高分辨率成像技术，可以清晰显示老年抑郁症患者多发脑区白质解剖结构，TD值较FA值能够更敏感地发现老年抑郁症患者的脑白质异常，证明了TDI在颅脑病变检测的临床应用价值。

由于现在临床上DTI技术大部分都用于颅脑检查，因此TDI也大多应用于研究颅脑病变。上文已有所述，DTI技术目前被广泛应用于非急性脊髓病变检查，而对于TDI而言，国内外现在尚未有将TDI技术开展颅脑之外的部位检查。

3.3 纤维束密度成像的优点和缺点

相较于DTI，TDI提供了更精确的解剖对比，以往的研究表明TD值比FA值对病变更敏感，更有利于早期病变的检出。与此同时，TDI可以根据图像网格大小和采集的轨迹数目来调整图像的空间分辨率和信噪比，更加灵活和具有可操作性，因此针对不同的病例，临床上可以设置不同的参数来得到更加有利于诊断的图像，一定程度上提高诊断的准确性。TDI同样有其缺点，TDI的原始输入数据基于DTI的图像，容易受到DTI信号好坏的影响，因此在TDI图像上观察到的某些细微结构可能会与噪声混叠在一起，需要通过标准差率计算等方法将噪声分离，增加了额外的工作量。

4 总结与展望

磁共振弥散张量成像和纤维束密度成像都是在磁共振弥散加权成像基础上发展而来的弥散成像技术。国内外已有大量研究证实了DTI在中枢神经系统病变中的临床应用价值。DWI现今在急性脑梗死、脑肿瘤和脊髓损伤等领域已成为临床常规扫描序列。由于DTI在DWI的基础上考虑到了各向异性，DTI也逐渐在上述领域得到更多的应用，并且对轴突和髓鞘的病变更加敏感。然而，DTI也存在着不足，主要在于其成像速度慢以及空间分辨率较低。TDI解决了DWI和DTI空间分辨率不够高的问题。目前TDI的临床应用在国内尚不常见，但随着TDI技术的不断发展和改进，TDI还可以与常规功能磁共振成像技术相结合，其在中枢神经系统疾病中的应用将越来越广泛，在不久的将来TDI可以运用到除颅脑之外的其它部位病变检查及诊断中。