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扩散张量成像（diffusion tensor imaging,DTI）由Basser等［1］在1994年首次提出，是扩散成像（diffusion weighted imaging,DWI）的发展和深化，是无创性显示和分析白质纤维束的一项新技术。近几年来，DTI技术发展迅速，目前主要用于脑部肿瘤及癫痫、精神分裂症等脑神经功能方面的研究，对脑梗死的研究也正方兴未艾地进行着。
1 DTI基本概念简述
1.1 原理 在人体生理条件下，水分子的自由运动受细胞本身特征及结构的影响，在具有固定排列顺序的组织结构中，如白质纤维束，水分子在三维空间内各个方向上扩散运动的快慢不同，水分子通常更倾向于沿着白质纤维束走行的方向进行扩散，而很少沿着垂直于白质纤维束走行的方向进行扩散，这种具有方向依赖性的扩散即称为扩散的各向异性（anisotropic），其运动轨迹近似一个椭球体。椭球体的半径称为本征向量，其中最大半径称为主本征向量。因DWI主要反映三维方向扩散运动状况，不能反映各向异性，而DTI是在DWI基础上，正是利用水分子的这种扩散特征，在180°脉冲前后于GXGYGZ 3个梯度通道上施加2个对称的斜方形梯度脉冲，至少于6个方向（多则甚至上百个）依次施加扩散敏感梯度，每一方向上均使用相同较大b值（通常为1000 mm2/s），计算出各个方向上的扩散张量（即水分子扩散的各向异性），并对基础的T2WI-EPI像及DWI-EPI像进行多次采集，将其信号平均，并利用所得多种参数值进行成像来获得较高信噪比的扩散张量图像［2］。
1.2 DTI的量化
1.2.1 平均扩散率（mean diffusivity,MD） 反映扩散运动快慢而忽略各向异性，为各个方向扩散大小的平均值，常用表观扩散系数（apparent diffusion coefficient,ADC）与平均扩散系数（average diffusion coefficient,DCavg），实际上前者只代表扩散梯度磁场施加方向上水分子的扩散特点，不能完全、正确地评价不同组织各向异性的特点；后者能更全面反映扩散运动快慢，是扩散张量矩阵的主对角线元素之和的算术平均值，反应的是所有水分子在各个方向上的位移。
1.2.2 各向异性指标 包括部分各向异性（fractional anisotropy,FA）、相对各向异性（relative anisotropy,RA）及容积比（volume ratio,VR）等，FA值的范围为0～1，FA值实际是各向异性的扩散程度，0代表最大各向同性的扩散，1代表假想状态下最大各向异性的扩散；RA、VR均代表水分子扩散运动各向异性的大小，他们的范围亦为0～1，RA实际上是扩散椭圆标准化的离均差，其意义在于代表了扩散张量各向异性和各向同性之比；VR值是扩散张量椭圆体的体积与以r为半径的球体体积之比，现多采用1-VR，以便和FA相一致。将原始数据利用软件重建出FA、ADC等图，可以更直观显示病变，在ADC图中，信号强度与ADC值呈正相关，如扩散系数高的脑脊液为高信号，而扩散系数低的脑实质为低信号；在FA图中，各向异性最高的脑白质表现为高信号，而各向异性最低的脑脊液为低信号。有几种方法来计算FA值，最简单的是比率法：用最小的本征向量值除以最大的本征向量值，这种比率法是按大小来分类本征向量值，可独立测量、排序来避免误差，因FA简单的本征值和算法，故运用广泛［2,3］。
1.3 纤维束成像 通常情况下主本征向量与纤维走行方向一致，故根据主本征向量可显示脑和脊髓的白质纤维束。最初采用二维伪彩色编码图来表示纤维束的走行方向，如今已能用纤维束示踪成像技术来三维显示，即通过示踪每一体素的局部向量信息，从第一个体素主本征向量的方向寻找下一个与其最接近的体素，以前后2个方向呈线性延伸，以重建神经纤维通路，并在相应范围内的FA值、主要本征向量间的取值，将这些体素连接起来即为扩散张量纤维束成像（diffusion tensor tractography,DTT），也是在彩色编码扩散张量成像基础上，根据神经解剖学描述，用种子法标记纤维束走行，将二维白质纤维束信息经软件重组为三维立体结构的一种成像方法；目前多采用线性延伸技术的DTT算法（即连续示踪纤维分配技术），采用SE-EPI及STEAM等序列，在6个以上方向，b值用700～1500 s/mm2来进行成像，故可以用来追踪纤维束走行，评估组织结构完整性和连通性［4～6］。
2 脑梗死DTI成像的病理基础由于组织在生化特性、组织结构等方面可影响水的扩散能力，因此组织结构的病理改变可影响水的扩散及各向异性扩散特征，水分子扩散异常的确切机制尚不清楚，目前公认的学说是细胞毒性水肿学说：在梗死的超急性期（12 h）尤其在2～3 h，由于脑组织供血减少或中断，局部脑组织缺血缺氧，能量代谢紊乱，细胞的钠钾泵功能失调，大量水分子进入细胞内，引起细胞内水肿（包括细胞器的肿胀），细胞外间隙变小，由于此时细胞膜结构尚完整，所有细胞内外的水分子扩散下降，导致缺血区域总的水分子自由扩散程度下降，所以反映扩散程度的ADC值则减低；梗死区的白质纤维束可表现纤维肿胀，纤维束间隙变小和迂曲，垂直于纤维走行的水分子运动受限甚至突然停止，从而使扩散的各向异性增高，故反映各向异性大小的FA值则增高；急性期（12～24 h），大量神经细胞消失，炎性细胞浸润，脑组织明显水肿，由于细胞内细胞器的肿胀和细胞外间隙的减小，局部水分子扩散受限增加，在各个方向上的扩散速度下降,从而导致局部扩散各向异性增高，故ADC值则明显减低，FA值增高；亚急性期（1～7天），因细胞及细胞膜的正常结构破坏、丧失，组织处于血管源性水肿期，组织含水总量较前增加，水分子扩散程度较前增加，故ADC值逐渐恢复，FA值降低；亚急性晚期及慢性期（1周后），由于细胞膜完整性破坏，脑组织不可恢复损伤，病灶脑组织液化、坏死，水分子自由扩散程度进一步增加，故ADC值逐渐升高，FA值显著降低。正常白质组织排列紧密，各向异性较灰质高，且白质对缺血较灰质敏感，由于疏水的细胞膜和髓鞘的作用，水分子的扩散运动在与神经纤维走行一致的方向受限最小，运动最快，而在与神经纤维垂直的方向受限最大，运动最慢，水分子沿白质纤维束走行方向扩散最快，所以一旦白质缺血，扩散各向异性在脑白质纤维束表现最明显。在急性期灰、白质ADC值均显著下降，而灰质FA无明显变化，白质FA则增高，说明灰、白质各向异性改变程度不同，灰质各向异性改变轻于白质［2,7,8］。
3 DTI在脑梗死中的临床运用及进展
3.1 运用概述 目前国内外对脑梗死区的扩散张量数值（如ADC、FA等值）已进行了深入的研究，对一些重要白质纤维束的解剖结构亦进行了研究描述，对中风、沃勒变性等导致的功能障碍、纤维束损害、组织微观结构变化等情况也进行了研究，对新生儿脑产伤、脑病等导致的脑缺血性改变也有研究报道，亦有将功能磁共振与DTI联合运用的研究报道。通过DTI可以准确评价不同时期脑梗死区灰白质内水分子的扩散各向异性及纤维束的变化，并进行动态追逐观察，为神经轴突的完整性评价提供信息；可准确评价脑梗死后的治疗效果及功能恢复情况等［9～15］。
3.2 观测不同时期的脑梗死 通过对不同时期脑梗死的动态观察，有助于更进一步理解梗死的演变过程等。Hervé等［16］报道在9个患者大脑中动脉闭塞后，对丘脑旁梗死区的不同时期进行动态监测FA、ADC等值，发现ADC值在1个月时为0.766×10-3 mm2/s，3个月时0.792×10-3 mm2/s，6个月时为0.806×10-3 mm2/s，ADC值随时间延长而增加；而观察发现FA值几乎无明显变化。钟进等［17］对71例急性期脑梗死患者进行了研究，发现超急性、急性期缺血中心区与边缘区的ADC值由［（0.257±0.022）～（0.349±0.019）］×10-3 mm2/s，FA值由（0.565±0.064）～（0.302±0.044），均有明显差别，中心与边缘扩散受限程度不同，即缺血程度不同，边缘区可能存在半暗带；病程发展到亚急性期时其ADC、FA等值已无明显差异，提示边缘区可能存在的半暗带已逐渐发展为与中心区一样的不可逆缺血坏死组织；并且发现缺血区的白质ADC值较灰质低，ADC值在不同时期、不同位置有明显差异，且随时间的发展有逐渐升高的趋势。Mary等［18］在评价婴幼儿产伤引起的脑缺血时发现，在第一周内，FA值有明显减低，ADC值先有降低后又逐渐恢复至正常，DTI能够较精确地判断梗死的缺血时间。通过对梗死区FA、ADC等值的监测，结合常规MR图像分析，对异常缺血组织的微观结构变化情况能很好显示，能对脑梗死的演变过程进行较准确地观察。
3.3 白质纤维束成像 通过DTI对梗死区域纤维束的成像，可以对白质纤维束的损害情况和临床症状的相互关系及患者功能变化等进行评价。钟进等［17］对71例急性期脑梗死患者的白质纤维束损害和功能障碍的关系进行了研究，发现梗死区皮质脊髓束无中断、破坏者，其功能恢复较好；皮质脊髓束有中断、破坏者，其肢体症状无恢复。Lee等［7］对脑梗死后的白质纤维束受损情况与临床功能障碍的关系进行了研究，发现梗死区白质纤维束的损害情况与临床的症状有直接相关性，并通过DTI可以预测、具体定位纤维束损害对身体相应部位的影响；Thomalla等［19］报道DTI可以在中风数天后即发现沃勒变性，在脑梗死的急性或亚急性期发现早期椎体束的损害与运动功能障碍相一致，梗死区白质纤维束损害严重程度和脑梗死患者的恢复情况有明显的相关性。目前三维纤维束示踪技术可较清楚显示纤维束的受压变形、部分或完全中断等，结合功能磁共振用于检测大脑皮层功能分区间神经纤维束联络的变化，这对区分灰、白质病变的具体解剖部位，显示病变与白质纤维束的关系，白质纤维束损害程度对身体相应部位的功能障碍关系，以及判断临床的治疗效果、恢复、预后等都有较大的帮助，能进一步提高对梗死患者功能改变的认识［3,8,20］。
3.4 联合多种成像对脑梗死的研究 通过联合采用多种成像方法来对脑梗死兴趣区进行分析，对白质纤维束变化进行动态观察和如何更好地显示，为我们提供更多的信息。Irwan等［21］首次报道过联合运用DTI和MRS对梗死兴趣区进行成像分析，对DTI和MRS各值之间的相关性进行分析，他们在研究中发现DTI和MRS的各参数值之间有明显的相关性，如兴趣区的ADC值升高时则NAA值降低，他们呈负相关性，可以从梗死区的分子代谢水平来间接证实DTI各值的变化。也有学者采用DTI-FLAIR像、更高的场强及更多方向的DTI对梗死区进行成像分析等，发现可以更清楚地显示更多的细小病灶，如细小的白质纤维束损害等变化情况，这些均有助于更进一步加强对脑梗死的认识［20,22］。
4 DTI技术需解决的问题DTI为神经影像学开辟了广阔的前景，但目前仍需进一步解决以下问题：（1）因扩散梯度可能会引起涡流，这可能使沿着不同方向的扩散加权图像之间不匹配，导致纤维束方向的确定可能会不可靠，甚至在一些区域造成扭曲变形，如颅骨与脑组织之间的区域；（2）当一个像素内存在多个白质纤维交错或分支成角时，测出的扩散各向异性参数如FA值往往偏小，从而使FA值的测定不准确；而且由于目前MRI的空间分辨力仅为1～2 mm，这些体素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扩散方向，因而示踪结果并不一定能代表纤维束真实的走行方向；（3）许多组织特性在微观水平可影响水分子的扩散，如组织结构对水分子的限制阻碍、胞膜的通透性、各向异性或组织不同源性的影响等；已有学者对这些问题进行了初步的改进尝试，如增加DTI的空间分辨力以尽量减少像素内误差，采用更先进的软件对测出的扩散各向异性参数先进行标准化处理等，在科技日益发达的将来有望得到解决［2,8,18,23］。
5 展望DTI为脑梗死的研究发展提供了巨大空间，将为临床治疗及判断预后提供更多的帮助，是目前唯一无创地评价脑梗死对白质纤维束的影响的有效方法，在中枢神经系统中有着十分广阔的应用前景；此外，DTI在心脏、腹部、骨肌等系统中也逐渐应用起来。随着磁共振技术的进步及软件的开发，DTI必将成为一项成熟、高效的诊断工具，为临床提供重要帮助。
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作者单位： 650037 云南昆明，昆明医学院附属第一医院医学影像中心MRI室
（编辑：周 蕊）