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北京快3白质纤维束示踪成像的原理及应用
发布时间发布时间:2020-12-04 13:54

  白质纤维束示踪成像的原理及应用_临床医学_医药卫生_专业资料。国外医学临床放射学分册Foreign Medical Sciences Clinical Radiological Fascicle 2005 Sep;28(5):294—297 神经放

  国外医学临床放射学分册Foreign Medical Sciences Clinical Radiological Fascicle 2005 Sep;28(5):294—297 神经放射edt, 白质纤维束示踪成像的原理及应用 天津市第一中心医院放射科(300192) 张龙江综述祁 摘要 吉审校 磁共振扩散张量成像最近已用于中枢神经系统疾病的研究中,目前利用扩散张量成像进行的白质纤 维束示踪成像可以显示脑内主要白质纤维柬的走行、方向及病理改变等信息。综述白质纤维束示踪成像的原理 及应用。 关键词磁共振成像;扩散张量成像;白质;脑肿瘤 扩散加权成像已成功地应用于临床检测超早期 状。从上述的6个参数中可获得体素内组织的结构 特征。每一个本征值与一个本征向量(v,、v:、1,,)有 关,最大的本征值入。对应于最大本征向量v。。通过 脑缺血及鉴别蛛网膜囊肿、皮样囊肿及表皮样囊肿,还 可用于鉴别肿瘤性坏死与脓肿旧。其原理主要是基于脑 组织中水质子的扩散。脑扩散张量成像(diffusion tensor 估计相邻体素本征向量的关系可以得到白质纤维 束的轨迹,这种通过估计张量来绘制体素内水分子 扩散过程的MR技术即为扩散张量成像131。 DTI中有2类量化参数。第1类是平均扩散率, 指MR成像体素内各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。第2类是 各向异性指数,反映水分子扩散的方向性。目前有 jIIl晒咯DTI)可更有效地显示脑组织各向异性扩散特 征并已成为目前脑科学的研究热点凹。本文描述脑白质 纤维束示踪成像怔Ict【准网蚵)的基本原理及应用。 一、扩散张量成像的基本原理 张量是一个物理学和工程学上的概念,用于表 示有一系列3D向量的实体内的张力。脑白质中每 一个体素的各向异性扩散过程就可用张量表示,它 容积比、相对各向异性及分数各向异性(fractional anisotropy,FA)等参数,其中以FA应用最为普遍。 FA指扩散张量的各向异性成分与整个扩散张量之 比。在完全各向同性的介质中,FA=0,在圆柱状对称 的各向异性介质中,FA接近1。由于各向异性指数 主要代表某一体素内水分子扩散的方向性,因此其 测量值的大小也反映组织的有序性[51。 是一个含有9个成分的二级3x3矩阵,由于对高斯 扩散来讲张量是对称分布的,因此有3个成分相 等,而剩余的6个成分,即沿对角线个非对角线成分,决定着扩散张量的特 征。张量D能完全显示分子各个方向的运动及这些 方向间的关系。张量D用式(1)表示: D)。【D)(Y D)(z I入1 I= 0 0 0 入2 0 0『 0 入3 二、白质纤维束示踪成像的原理 (1) (一)白质纤维束二维彩色编码示踪成像假 D=I DYx DYY D烈Dzy DYz D忍I 设一个体素内仅有一束排列有序的纤维束,而无其 他结构的参与,在这一体素内最大本征向量的方 向,即主轴的方向就代表了水分子扩散的方向,也 即代表纤维束走行的方向。这一假设已成功地应用 于白质纤维束成像【6._7】。扩散张量的本征值及本征向 在至少6个不同的非共线性方向(non—eolinear direction)应用扩散敏感梯度采样信号强度后可决 定上述6个成分,通过对角线化处理即可得到扩散 椭球体的特征,这一对角线化的过程意味着旋转实 验参照系,测量表观扩散系数,并将其分配到椭球 体的主要坐标系中。在这一计算过程中,可得到3 量可用于计算扩散张量的示踪图、FA及向量方向 图,通过将X、Y、Z轴上的主要本征向量方向成分描 绘入红、绿、蓝(RGB)颜色通道而获得,并利用FA 作色彩明暗度的加权[Sl。在DTI的彩色图上,每个体 素本征向量的3个主要向量成分均被分配以红(X 轴)、绿(Y轴)、蓝(Z轴)3种颜色。如果主要本征值 个本征向量(v。、"it:、1.t,),他们描述了坐标系内主轴 (即X、Y、Z轴)的方向;对角线个 参数是本征值(即入。、入:、入,),代表沿椭球体主要坐 标轴的平均扩散率,因此决定了扩散椭球体的形 294 万方数据 国外医学临床放射学分册Foreign Medical Sciences Clinical Radiological Fascicle 2005 Sep;28(5) 沿X轴排列,相应体素就被分配为红色,而如果沿 X轴与Y轴间成450排列,相应体素就被分配为黄 色。也可以这样表示纤维束的方向,绿色代表前后 生良好的局部纤维束方向[81。 全部能量最小化算法可在能量损耗最小的情 况下在预先决定的2个体素间发现一条通路,如快 走行纤维束的方向,红色代表左右走行纤维束的方 向,蓝色代表头尾方向走行纤维束的方向【9】。 速行进技术、模拟退火技术等[6,7,10,131。快速行进技术 可产生体素水平的连接图,定量评价每一体素与种 子点的关联程度,用于示踪分叉的纤维,能估计纤 (二)三维自质纤维束示踪成像目前应用于白 质纤维束示踪的技术主要有2种,即基于张量场的 算法及能量最小化的算法。前者最经典的算法是线 性延伸技术,也是目前应用于临床的白质纤维束示 踪成像的主要算法;后者则包括多种不同的算法, 如快速行进技术、模拟退火技术、解扩散方程及随 机走的算法等。 线性延伸技术直接利用每个体素内的张量信 息进行每一步的延伸【10l。简单的线性延伸技术是在 维束的长度,从而分类不同的纤维束;其不足在于 分辨力及信噪比差导致可能错误确定体素内纤维 束方向,从而可产生假阳性和假阴性的分支纤维, 不能区分传人和传出纤维束,病理学改变可产生相 邻体素主要本征向量间的部分容积效应,导致利用 快速进行技术连接值的错误量化以及结果解释的 困难【131。模拟退火技术产生的路径基于延伸线的僵 硬程度与能量最小化过程的平衡,这条延伸线与向 量场越匹配,能量损耗越小。此技术可使噪声的影 响降到最小川。解扩散方程利用染料在溶液中按浓 度梯度扩散的原理计算水分子在脑组织中的扩散, 离散编码场的基础上将每个体素连接起来,但其在 体素间的延伸仅限于相邻的8个体素,因而对白质 纤维束显示不利,不能产生光滑连续的纤维束轨 迹。其改进的算法,如通过向量场的线性内插、B放 样(B—spline)功能的张量场内插等方法建立连续的 编码场可使白质纤维束的显示更为光滑,这种方法 称为连续示踪纤维分配(fiber continuous assignment 其不足在于扩散是沿浓度梯度进行的,实际扩散在 开始一段时间后即达到平衡状态,扩散速度减缓, 这时需要进行相应的解决方法161。随机走算法的设 想是染料颗粒从既定位置沿随机方向进行短时间 by tracking,FACT)技术[6’7.-Ol。Gsssl等【111提出 的延伸,从沿此方向的扩散张量中可获得延伸步进 的扩散系数。每一步后再随机分配新的起点,颗粒 以这一新方向的扩散率继续延伸。这种方法可与神 经纤维束遵循平滑曲线的假设结合,并可产生伪彩 图,其中每一种色彩的权重和既定种子点与感兴趣 体素连接的可能性相对应。随机走的优势在于扩散 不依赖于染料浓度,然而当某一位置分子的数量太 低时,模型可能不能代表高斯扩散。从种子点出发 的实际颗粒数决定着纤维束成像的质量。这些方法 与线性延伸技术的不同在于其只有唯一的起点但 有多个终点,这很有利于示踪交叉的纤维161。 的线性状态空间模型采用内在平滑标准,可利用全 部扩散信息,使白质纤维束示踪更平滑,结果更可 靠。本文以FACT技术为例介绍其原理,它是目前临 床可用的白质纤维束示踪算法[11’121,这一技术通过 示踪每个体素的局部向量信息,从种子(seed)体素 开始以前后2个方向呈线性延伸来重建神经纤维 通路。首先确定种子体素,然后沿每个体素本征向 量11)。的前后方向呈线性延伸。这一步骤被不断重 复,直到示踪到达1个FA值小于0.25阈值的体 素,和(或)2个主要本征向量间的角度大于450时 示踪自动停止。利用这种算法有利于显示更加复杂 的纤维通路,其技术难点在于如何准确地将每个体 三、白质纤维束示踪成像的限度 如前述,目前白质纤维束示踪成像基于体素最 大的本征向量或本征值,实际上这仅是一种理想的 素内的离散向量信息变为连续的白质纤维束图。目 前FA阈值的选择尚不统一,但以选择O.2为多,理 情况。经常可以碰到的情况是一个体素由多种组织 成分构成,不可能只有水分子单一的优势扩散方 向,并且在同一体素内可存在多群纤维束,从而在 由是:①随FA降低,主要本征向量的方向变得不准 确,FA值小于0.2时对噪声更敏感。②灰质的FA 值在0.1~0.2之间,即当FA等于0.2时提示示踪已 达灰质,即使在这些部位有纤细交织的纤维束,由 于目前成像设备的空间分辨力及噪声的影响也不 能准确计算及示踪171。推荐在FA大于0.4的体素内 放置种子点可获得完整的纤维束轨迹,采用FA值 一个体素内可能出现2个大的本征值或完全各向 同性的情况,这时的扩散椭球体表现为薄饼形而非 雪茄形,因此不能进行下一步的延伸而必须终止示 踪过程。利用张量线技术、表面线技术及张量谱技 术可部分地解决这一问题。在张量谱技术中,由于 大于0.4来估计主要本征向量的方向可以准确地产 扩散加权所致的信号衰减可在3D空间内沿100多 295 万方数据 国外医学临床放射学分册Foreign Medical Sciences Clinical Radiological Fascicle 2005 Sep;28(5) 个间隔一致的轴进行测量以直接确定水分子沿每一 个轴的扩散程度。利用43个方向的高角分辨力采集 可直接确定各向异性的程度,而无需计算张量【141。有 学者认为利用高角分辨力采集可在3D空间内直接 决定水分子的扩散特征,通过直接示踪扩散率最大 的方向实现不以张量为基础的白质纤维束重组171。 织在进行解剖、冷冻、脱水、固定、切片及溶解等处 理过程都可以使纤维束的实际走行产生变化,产生 与DTI结果的不匹配。因此不是一种理想的标准。 利用化学示踪剂技术显示白质纤维束的方法虽然 被认为是金标准,但以下几点需注意:①化学示踪 剂技术显示的是细胞水平的连接,感兴趣的轴突可 与白质纤维束融合,并可能在一些点离开,因此其 示踪结果仅代表一小部分轴突,如果2种方法之间 DTI目前不能区分单个体素内的2束纤维是交叉的 还是吻接的,通常将交叉的纤维(×,crossing)以吻接 (><,kissing)的方式处理[81。这是因为在纤维交叉部 位的体素可能有2个主要本征向量,因此造成纤维 交叉处DTI的“扑粉效应”(powder averaging),导致 示踪沿同侧方向继续延伸,这时即使增加空间分辨 的结果不匹配也不足为奇。②白质纤维束示踪成像 的真正优势是能快速定性大体的白质结构,利用单 细胞水平的化学示踪剂技术实际上不能产生相似 的结果171。利用二价顺磁性Mn“作为白质纤维束示 踪剂进行鼠视神经的研究显示了从视网膜到外侧 力也无助于显示。 噪声对白质纤维束示踪成像的结果有明显的 膝状体的通路,但利用这一技术的不足在于:④Mn2+ 扩散的速度非常慢,每小时仅约2.2 mm;②其信号 衰减快,仅能维持3 d;⑧有限的突触传递限制其示 踪含有突触连接的白质纤维束的能力【q。综上所述, 目前还没有一种理想的方法能活体证实人脑的自 质纤维束。因此在DTI真正进入临床应用之前,必 须找出一种方法可以可靠地证实Drll的结果。 影响,尤其对于线性延伸技术。随着采集延伸的路 径越长,噪声错误积累越多【6’7】。利用平滑或内插技 术可降低噪声的影响,这些技术将相邻体素间的向 量或张量信息进行平均,但却降低了有效分辨力。 利用内插法时,延伸线以预先确定的小的步进延 伸,在延伸到一个新的坐标系时计算距离平均的向 量方向,最接近新坐标系的2个体素间的平均值可 在体素间画出一条平滑线条。更有效的方法是在每 个坐标系中内插扩散张量而非最大主轴的向量。此 外,降低噪声的方法有基于B放样匹配的张量场近 似法或基于低弯曲度假设的张量场规则化法。通过 四、目前的应用 (一)正常白质纤维束DTI二维彩色编码图及 三维影像上可显示联络纤维的扣带、上下枕额束、 钩束及上下纵束,投射纤维的皮质脊髓束、皮质延 髓束、皮质脑桥束及视辐射,联合纤维的胼胝体、前 连合【8,91,边缘系统的扣带、穹隆及终纹【9,闭,脑干的小 数学方法解决噪声对白质纤维束示踪成像结果影 响的方法称为规则化(regularization),已知的知识, 如主要白质纤维束或通路的直径、各向异性,可用 于此目的。但其在人脑及变异方面的相关知识有 限。Poupon等IlSl提出利用贝塞尔框架(Bayesian framework)的全部恢复技术首先计算一个规则化的 向量场,可在扩散张量数据与大多数纤维束低弯曲 脑上、中、下脚、皮质脊髓束及内侧丘系【8'91。需要注 意,大部分小脑上脚纤维在小脑上脚交叉处穿越中 线,但重建的白质纤维束依然保留在同侧,北京快3这是白 质纤维束成像的一个限制,当2支纤维交叉时倾向 于以吻接的方式处理。内囊纤维的分布(即前部投 射到额叶,后部投射到枕叶,外侧投射到皮层而内 侧投射到丘脑)也可能与此限制有关[91。 (二)脑肿瘤研究发现,肿瘤病人的三维白质 束成像能直观地显示肿瘤与邻近白质束的毗邻关 系,在指导神经外科手术中有潜在的应用价值,它 有助于神经外科医生决定应该在何处切除肿瘤组 织而不累及周围主要的白质纤维束,避免遗留永久 性的神经后遗症【18’201。脑肿瘤对白质纤维束的累及 有4种形式。第1种形式由于巨大肿瘤的推移使白 质纤维束位置及方向异常,但FA正常或略微降低。 这是临床最想得到的一种表现形式,提示瘤周纤维 束保持完整,术中可以保留。第2种形式白质纤维 束位置及方向正常,但FA明显降低。这种表现常在 度的假设之间做出全面的折中。利用基于扩散部分 微分方程(diffusive partial differential equations, PDEs)的改良算法可恢复主要的扩散方向。这种方 法的优点是保留了白质纤维束示踪结果的不连续 性,因为规则化的白质纤维束示踪很可能会在一些 异常的点产生人为连续的纤维束示踪结果,如果应 用过多的规则化或平滑处理,可使横断的纤维表现 为连续光滑纤维的机会很高,而最终结果是纤维表 现为计算机物体而失去线。 目前还没有真正的金标准用于评价白质纤维 束示踪成像的结果。目前认为与传统的脑解剖图谱 及组织标本对照而言其有良好的一致性【161。但是组 296 万方数据 国外医学临床放射学分册Foreign Medical Sciences Clinical Radiological Fascicle 2005 Sep;28(5) 血管源性水肿区域见到,具体机制未明。第3种形 式是FA明显降低,在彩色方向图上有异常的色彩, 可能由于侵袭性的肿瘤破坏了纤维束的方向性引 起方向图上色彩模式的改变。第4种表现是完全的 各向同性扩散,从而在彩色方向图上不能证实纤维 束,这代表肿瘤完全破坏了纤维束。这4种表现可 以单独存在也可以联合存在川。这些表现的临床意 均扩散率的改变,还在于可以我们未曾理解的方式 帮助理解神经功能调节与解剖学的关系,为理解生 命现象提供一条新途径。 参考文献 l Holodny AI。Ollenschlager M.Diffusion imaging in brain tumors. Neuroimaging Clin North 2 Dong Am,2002,12(1):107-1 19 Q,Welsh RC,Chenevert 11^et a1.Clinical applications of tensor diffusion 3 imaging.J Magn Reson Imaging,2004,19(1):6-18 tensor 义仍需要进一步阐明,需注意的是因肿瘤侵犯了白 质纤维束,致白质纤维束破坏,从而有可能使体素 内的扩散各向异性完全或部分丧失,其结果是体素 内有2个主要本征值或完全为各向同性扩散,从而 无法继续正确示踪白质纤维束方向,这是在解释白 5 4 Ito R。Mori S。Melhem ER.Diffusion tractography.Neuroimaging Lu S,Ahn D,Johnson Clin North brain imaging and Am,2002,12(1):1-19 intracranial neoplasia and associated 0efitumoral of the tulnor G’et a1.Dim商on-tensor MR imaging of edema:inmMucfi∞ O,et a1.MR diffusion tensor techniques for diflusion infiltration index.Radiology,2004,232(1):221—228 imaging: tensor new Masutani Y,Aoki S,Abe recent advance R, Acar and B, visualization.Eur J 6 Bammer Radi01.2003,46(1):53—66 Moseley ME. In vivo MR tractography 质纤维束示踪结果时需注意的一个问题。 (三)其他疾病DTI还可用于研究,bJL中枢神 经系统的先天性疾病,如胼胝体发育不全,DTI能直 using diffusion imaging.Eur J 7 Mori a Radiol,2003,45(3):223—234 S.van Zijl PCM.Fiber tracking:pfinciples and strategies- Biomed.2002.15(7—8):468-480 As,Medow J,et a1.Diffusion tensor imaging of a technical review.NMR BJ,Field 观显示胼胝体发育不全的部位及程度。胼胝体的部 分发育不全表现为来自全脑的纤维束汇集于部分 发育的很小的胼胝体膝部,并连接到对侧;胼胝体 完全未发育者来自大脑半侧的纤维不能越过中线 形成浓密的前后走行的纤维束,前连合也较正常粗 或细f2l】。对于前脑无裂畸形的儿童,DTI除了显示皮 质与深部灰质结构的连接外,还可显示异常的白质 纤维束。肾上腺脑白质营养不良者DTI可证实传统 MRI不明显的白质病变,鉴别可逆转及不可逆转的 白质束。根据扩散值的不同可将受累的白质分为3 个不同的区域,反映了轴突和髓鞘丢失的程度,而 且白质病变对联合纤维、投射纤维及联络纤维的影 8 Jellison cerebral white matteE pictorial review of physics,fiber tract 9 anatomy,and tumor imaging patterns.AJNR 2004,25(3):356-369 Wakana S,Jiang H,Nagae~Poetscher LM,et a1.Fibet tract— based atlas of human white matter anatomy. Radiology。2004. 230f1):77—87 10 Melhem ER,Moil s,Mukundan G,et a1.Diffl商on matttT tensor躲jfll硒嚷 2002,178(1):3_16 1l G6ssl C。Fahrmeir L,Piitz B.et a1.Fiber tracking from Un trsctography.AJR using linear state of the brain and white space models:detectability of the pyramidal tract.Neuroimage.2002.16(2):378—388 12 Witwer BP,Moftakhar R,Hasan K,et a1.Diffusion—tensor imaging of white matter tracts in patients with cerebral neoplasmd Neurosurg.2002.97(3):568—575 13 Guye M,Parker GJ,Symms M,et to a1.Combined functional MRI connectivity of the human and tractography primary motor 14 Frank LR. demonstrate the in cortex vivo.Neuroimage,2003,19(4):1349—1360 in high angular resolution diflusion— 响与神经学及神经心理学功能有关191。这些例子同 样可推及到其他的自质疾病。 DTI是目前唯一能活体绘制人类白质纤维束的 方法,尤其在脑肿瘤术前计划的制订及指导手术方 面有重要的应用潜力。需要指出,目前D,I'I还有很 多问题需要解决,如“证实”的问题即是一个关键性 的问题,这一问题的解决关系着后续研究的广泛开 展。未来,3.0 T 18 16 15 Anisotmpy weighted MRI.Magn Reson Poupon C。 Clark CA, Med,2001,45(6):935—939 V. et Frouin maps a1. Regularization of of brain white diffnsion—based direction Mark LP. for the tracking matter fascicles.Neuroimage,2000。12(2):184—195 Ulmer JL.The next step: anatomy of the white matter.AJNR.2004.25(5):667—668 17 Lehericy S.Ducros M,Moortele PF.et a1.Diffusion tracking shows distinct corticostriatal circuits in tensor fiber Ann human. Neur01.2004.55(4):522—529 Yamada K,Kizu O.Mori clinically feasible S,et a1.Brain fiber tracking MR with initial diffusion-tensor MRI的应用提高了空间分辨力及信 imaging: 噪比,也可能在更多梯度方向采集数据,可能改善 DTI的影像质量,提高白质纤维束示踪的准确性嘲。 与血氧水平依赖性功能MRI的联合应用是DTI最 experience.Radiology,2003,227(1):295-301 19 Barbofiak DP. Imaging of brain tumors with diffusion—weighted N and diffusion tensor MR imaging.Magn Reson Imaging Clin Am,2003,1 1(3):379-401 20 Sundgren PC,Dong imaging of the 有前景的研究领域,它能更准确地确定示踪起始的 种子点,在理论上更准确地示踪白质纤维束,这对 神经科学研究有重要意义,可使我们理解神经功能 2l Q,Gomez-Hassan brain: review D,et a1.Diflusion of clinical tensor applications. Neumradiology,2004,46(5):339—350 Lee SK,Mori S,Kim visualizes the altered DJ,et a1.Diffusion tensor MR in imaging callosal hemispheric fiber connection 与解剖学的关系,由此推断某些特殊脑功能通路及 关于人脑神经网络形成的假设15。2】。因此,DTI的研 究重点不仅在于确定某些疾病白质各向异性和平 22 dysgenesis.AJNR,2004,25(1):25—28 Jaermann T’Grelier G’Pruessmann KP.et a1.SENSE—IYl7 Magn Reson at 3 T. Med,2004,51(2):230—236 (收稿2005一09—16) 万方数据 297

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