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MR Diffusion tensor imaging study of the normal adult human brain
Yuan Xiaoping，Zhang Rong，Yuan Jianpeng
Department of Radiology，The Second Affiliated Hospital of Sun Yat-Sen University，Guangzhou510120.
【Abstract】 Objective To obtain the diffusion tensor maps of the normal human brain，and assess intrinstic properties of water diffusion in quantitative parameters for an anatomic analysis.Methods Maps of isotropic apparent diffusion coefficient and various anisotropic maps were calculated in60healthy adults from seven diffusion imagings by using single-shot echo-planar diffusion-weighted sequence.Brain parenchyma anatomy was analyzed and ADCiso and various anisotropic index were measured.Results （1）Diffusion properties of different tissues and anatomic areas of normal adult human brain are different.Diffusion in white matter is anisotropic;diffusion in gray matter is isotropic.（2）Tissues diffusion doses not differ with age.（3）Diffusion-tensor tractography can display the direction and pathway of the major tract.Conclusion DTI can be obtained rapidly and demonstrate more subtle WM anatomy than conven-tional MR，the characteristics of the water diffusion and the different histologic types of WM were analyzed.This may be provide a new functional imaging for the study of neuro-anatomical fiber trace and neurologic desease.
【Key words】 Normal adult human brain diffusion imaging tensor
弥散张量成像（diffusion densor imaging，DTI）是弥散加权成像（diffusion-weighted imaging，DWI）的高级形式，可以提供描述组织弥散特点三个方面的信息:（1）水分子弥散受限的程度，通常用表现弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）表示。（2）弥散方向性的程度，通常用部分各向异性指数（fractioanl anisotropy，FA）或相对各向异性指数（relative anisotropy，RA）表示。（3）弥散的主方向性，这可以作为脑白质纤维束成像术的主要依据。目前国内少见采用这一新技术进行正常成人脑研究的文献报道。本文就我们近来做的有关活体成人脑DTI成像的初步观察、研究，进行探讨。
1 资料与方法
1.1 一般资料 随机选择我院2003年5月～2004年9月间60例不同年龄组的正常成人作为研究对象，所有研究对象均无神经系统症状及其它系统病史，常规磁共振检查脑内无异常发现。根据年龄将研究对象分为3组，每组20例。第一组年龄20～39岁，平均年龄34.1岁，其中男11例，女9例;第二组年龄40～59岁，平均年龄49.2岁，其中男9例，女11例;第三组年龄为60岁以上组，平均年龄70岁，其中男12例，女8例。
1.2 成像设备 Philips公司Intera Gyroscan1.5T（Philips Medical Systems，Netherlands）超导型磁共振扫描机，梯度场强度为30mT/m，梯度切换率为150mT/（m·ms），采用标准颅脑线圈。
1.3 检查方法 常规检查:首先选用自旋回波序列（spin e-cho，SE）和快速自旋回波序列（turbo spin echo，TSE）对研究对象进行颅脑常规横断面及冠状面扫描。弥散张量成像检查:DTI采用单次激发自旋回波平面回波成像（single shot spin echo echo-planar imaging，single shot SE-EPI）序列进行脑的横断面成像，扫描层面平行于前-后联合连线。弥散敏感梯度依次施加在P、M、S、MP、PS、MS（P为相位编码方向，M为测量方向，S为层面选择方向）六个不同的方向，TR5000ms，TE104ms，层厚5mm，层间距1mm，FOV230mm，采集矩阵为256×256，共20层，弥散加权系数（b值）分别为0及1000s/mm 2 ，信号采集次数为4次，每次扫描时间为2min30s。扫描结束后每一层面获得8幅图像，第一幅为b值等于0时的图像，第二到第七幅为b值等于1000s/mm 2 时来自P、M、S、MP、PS、MS六个不同方向的图像，第八幅为各向同性图，20个层面共获得160幅图像。
1.4 数据处理 数据处理采用Philips公司提供的弥散张量数据处理软件（Diffusion Tensor Tool V2），将扫描后获得的160幅图像进行在线处理，处理后的每一个层面分别获得表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）图、相对各向异性（relative anisotropy，RA）图、部分各向异性（fractional anisotropy，FA）图、1减容积比（1-Volume Ratio，1-VR）图、最大特征值（E 0 ）图、第二特征值（E 1 ）图及最小特征值（E 2 ）图，共7幅图像（FA、RA及1-VR为描述组织各向异性特点的指数，E 0 、E 1 及E 2 分别为弥散张量的三个特征值）。
2 结果
2.1 不同年龄组弥散参数测定结果 我们对不同年龄组脑内半卵圆中心、内囊后肢、胼胝体膝、胼胝体压部、丘脑及尾状核部测得的ADC值、FA值、RA值、E 0 值、E 1 值、E 2 值及MD值进行了测量。如半卵圆中心不同年龄组不同参数值见表1。我们发现脑内各个解剖部位的ADC值、FA值、RA值、E 0 值、E 1 值、E 2 值及MD值在各个年龄组之间无显著性差异（P>0.05）;脑内各个解剖部位的ADC值、FA值、RA值、E 0 值、E 1 值、E 2 值和MD值与年龄无相关性（Kendall's tau-b法）（P>0.05）。
表1 半卵圆中心不同年龄组不同参数值 （略）
2.2 脑内不同解剖部位的ADC值、RA值和FA值测定结果 正常成年人脑内不同部位测得的ADC值、RA值和FA值见表2。侧脑室内ADC值显著高于脑内的其它解剖部位值（P<0.01），而脑内灰白质之间的ADC值基本相同（P>0.05）。尾状核的RA值、FA值均显著低于脑白质纤维束、半卵圆中心及丘脑（P<0.01）。脑内胼胝体压部的RA值、FA值均显著高于脑内其它部位的相应值（P<0.01）。
表2 正常人体脑组织不同解剖部位测得的ADC值、FA值及RA值 （略）注:侧脑室内ADC值与脑内其它部位ADC值相比具有统计学差异（ * P<0.01）
3 讨论
3.1 弥散张量成像的基本原理 新的弥散成像方式—弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）由于可以准确评价脑组织内水分子运动及微结构的弥散特性，已成为研究脑组织发育与成熟的新的敏感成像方式 ［1，2］ 。因为它能早期探测到CNS的损伤和病变，这种位移用表面扩散系数（ADC）表示。扩散加权成像就是利用病变发生后短时间内水分子的扩散系数的改变而产生图像对比度的。ADC反映了某一时 刻、某一方向组织的扩散特点。在体外无限均匀的流体中或排列自由的微结构组织中，水分子的扩散是一种随机现象，在各个方向上的扩散能力相同，即ADC相同，这种现象称各向同性;而在人体生理条件下，水分子在空间各个方向上的扩散活动不同，受着组织内的细胞膜、细胞壁和大分子的影响，水分子在不同方向上扩散率不同，这就叫异向性扩散，具有很强的方向依赖性，如心肌和脑白质，单独一个ADC不能评价具有方向性的水分子运动，而扩散张力性成像（DTI）能观察到组织中各向异性的存在，ADCiso（Isotropic ADC）和各向异性指数可更好地评价各个方向水分子的扩散特点。扩散的各向异性特点提供了白质的解剖信息，对某些脑白质病更为敏感。在各向异性组织中，对三维各向异性扩散的测量，至少需要7幅DWIs（其中一幅是b=0的T 2 WI）进行7次测量之后进行多参数线性回归分析得到，有效的扩散张量［Trace（D）］代表了所有方向上的平均ADC，能够克服在计算中引入方向时产生的偏倚，Trace（D）的6个不同组分包含了所有方向上扩散特性的信息，通过这6个标量进行新的量化，即为旋转不变量ADCiso（≈Trace（D） * /3），意思是它的值不随质子扩散方向和扩散梯度场排列的方向以及磁体中个体方向的变化而变化，ADCiso是P、M、S三个方向上的平均ADC。3.2 弥散张量的图像特点 （1）ADCiso图中可见脑脊液的ADCiso高，表现为高信号，而脑实质中，灰白质的ADCiso均低，无明显差别，目前原因不清。ADCiso是由Trace（D）的6个不同组分进行新的量化得到的，它的值不随质子扩散方向和扩散梯度场排列的方向以及磁体中个体方向的变化而变化，是平均ADC。同一个体正常脑实质是高度均匀的，因此脑实质内偏离正常值的细微变化，都有重要的诊断意义。（2）各向异性指数RA、FA、1-VA是不变的量，用公式可以计算出。各向异性图能真正区分脑灰白质结构，全面反映组织的扩散特性，显示出常规MRI所不能显示的解剖细节，如内囊后肢的宽度、内囊前肢的形状（向前变尖）和外囊结构以及高度髓鞘化的视放射的延伸范围，在半卵圆中心、辐射冠、皮层下U形纤维及大脑脚、小脑脚也可见到明显的各向异性，灰白质的对比度明显增加。由于各向异性特点对方向的依赖性很强，所以不同层面同一解剖区域的各向异性特征会有明显的不同，在分析各向异性特点时，需要不同个体之间的层面的高度一致，本组资料均用CH-PC参考线来去除这种误差。在描述各向异性特征时，有RA、FA、1-VA三个指数做定量分析，均反映了各向异性的程度，FA和1-VA值的范围均在0～1之间，本组资料的结果显示在脑白质的不同区域，RA、FA及1-VA值明显不同，连合纤维>投射纤维、联络纤维。（3）白质纤维结构:大脑的白质由神经纤维聚集而成，根据有髓神经纤维走向和连接部位的不同分为三种:连合纤维、投射纤维、联络纤维。这三种纤维表现出不同的各向异性的特征，影响着各向异性指数，分析其原因，可能与神经纤维的微结构有关。中枢神经系统的有髓神经纤维是由少突胶质细胞形成的，一个少突胶质细胞伸出多个突起，分别包卷数条轴突，其包裹的密度以及神经纤维的髓鞘化程度、神经直径都会影响各向异性扩散，神经纤维越粗，结间体越长，髓鞘也越厚，胼胝体和视放射的神经胶质细胞（85，000～96，000cell/mm 2 ）的分布比内囊、锥体束高（37，000～48，000cell/mm 2 ）。胼胝体的各向异性比内囊、视放射高，笔者认为各白质区的不同各向异性特性是由解剖微结构等多种因素共同影响的结果，除此之外，还与白质纤维的排列走行有关，比如:胼胝体、内囊的纤维排列紧密，交叉纤维少，而视辐射走行较分散，在测量时会受到部分容积效应的影响。
3.3 不同年龄组正常成人的弥散特性研究 Englter等 ［3］ 采用DWI技术对38例研究对象进行研究发现，随着年龄的增长，额叶和枕叶皮层下脑白质内ADC值也显著增长，60岁以上年龄组研究对象的ADC值显著高于60岁以下组，其增长趋势与年龄呈正相关，这种表现在60岁以上的年龄组内更趋明显;丘脑的ADC值虽然也随着年龄增长，但没有达到显著统计学意义;脑内灰白质的ADC值无显著差异。其认为，随着年龄的增长，皮层下脑白质内轴突及髓磷脂含量不断减少，从而导致弥散的受限性减少，水分子弥散增加所致。但Helenius等 ［4］ 采用DWI技术对不同年龄组的成人脑组织进行研究时发现，除侧脑室内的ADC值随着年龄的增加而显著增加外，其它脑内主要结构的ADC值并不随年龄的改变而发生变化;但其研究发现，脑灰质的ADC值显著高于基底节及脑白质。本组病例发现脑内各个解剖部位的ADC值、FA值、RA值、E 0 值、E 1 值、E 2 值及MD值在各个年龄组之间差异无显著性（P>0.05）。
3.4 弥散各向异性图、彩色弥散张量图及脑白质纤维束图在本研究中，经过内囊后肢的白质纤维束（主要为皮质脊髓束）、经过胼胝体膝部和压部的白质纤维束均得到明确显示，这样，通过结合彩色张量图所提供的纤维束信息，不同白质纤维束的走行及与邻近神经结构的解剖关系即可得到明确显示。尽管弥散张量-脑白质纤维束成像术可以提供脑内白质纤维束的信息，但其影响因素却较多，这主要包括图像的分辨率、信噪比、磁敏感伪影及弥散敏感梯度施加方向和强度的影响。本研究早期扫描层厚较厚，直接影响了图像的分辨率，在后期我们采用薄层扫描，提高了图像的分辨率，使图像质量明显提高。
参考文献
1 KlingbergT，Vadidya CJ，Gzbrieli JD，et al.Myelination and organization of the frontal white matter in children:a diffusion tensor MRI study.Neuro Report，1999，10:2817-2821.
2 Neil JJ，Shiran SI，McKinstry RC，et al.Normal brain in human new-borns:apparent diffusion coefficient and diffusion anisotropy measured by using diffusion tensor MR imaging.Radiology，1998，209:57-66.
3 Engelter ST，Provenzale JM，Petrella JR，et al.The effect of aging on the apparent diffusion coefficient of normal-appearing white matter.AJR，2001，175:425-430.
4 Helenius J，Soinne L，Perkio J，et al.Diffusion-weighted MR1in nor-mal human brains in various age groups.AJNR，2002，23:194-199.
作者单位:510120广东广州中山大学附属第二医院放射科