维普资讯 http://www.cqvip.com 26卷5期 2007年10月 中 国 生物 医 学工 程学报 Chinese Journal of Biomedical Engineering Vo1.26 No.5 October 20o7 弥散张量成像对常规性临床应用的初步建立和实现 张 硕 强金伟 张康乐 (上海复旦大学附属金山医院,上海200540) The Primary Establishment and Implementation of Difusion Tensor Imaging for Clinical Routine Applications ZHANG Shuo QIANG Jin-Wei ZHANG Kang-I_e (Jin ShanHospital锄钉 edto Shanghai Fudan u /ty,Shangha/200540) 摘要:根据目前国际上被广泛认可的磁共振弥散张量成像(DT—MRI或DTI)处理和表达方法,自行开发出基于 Pc机的程序(DTI Toolbox based on MATLAB),有效结合第三方软件,为弥散张量成像在常规性临床诊断初步建立有 效和完整的测量与分析处理体系,主要包括数据获取、图像预处理、张量可视化、以及脑神经纤维成像。为DTI进 入常规性临床应用和检查提供了初步的方案和测量分析体系。 关键词:弥散张量成像:各向异性;可视化 Key words:difusion tensor imaging(DTI);anisotropy;visualization 中图分类号 R318 文献标识码D 文章编号0258—8021(2007)05—0796.05 引言 弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)技 术是近年来发展起来的基于磁共振技术(magnetic 开发完成,由图像预处理、弥散张量求解和张量可视 化等部分组成,可在普通PC机(Microsoft Windows XP系统,Intel Pentium 1,6GHz处理器,512MB内存. 60GB硬盘)上运行。整个工作流程如图1所示。 1.1数据获取及输入 所涉及的DTI数据由常规医用SIEMENS resonance imaging,MRI)的无创性医学成像新方法。 虽然经过近年来在自身数理模型、后续图像可视化 处理、生物学意义表达和硬件设备上的迅速发展,但 是因为其本身技术的复杂性、测量和分析手段的不 完善以及缺乏统一的标准,DTI在医学应用上的价 值虽被国内外广泛认可,但仍然处于研究领域,并未 MAGNETOM Sonata 1.5 Tesla超导高场全身磁共振成 像设备获取,梯度场强40 mT/m。六个非共线且非 共面的弥散加权图像以及非弥散加权图像(等同于 加权图)由Stejska1.Tanner序列…结合快速Echo. Plnara Imaging(EPI) 序列在各个层面上获得。 被引入临床常规性检查程序。为此,本研究旨在通 过常规医用磁共振设备获取相关数据,采用自行开 发基于普通Pc机的DTI图像处理程序,使其在一般 的软硬件条件下得以建立和实现,为其进入常规性 临床应用领域作初步尝试,并为医学诊断提供有效 的辅助信息。 扫描图像参数为:层厚5mm、无层间隙、无倾 斜,共l9个层面;TR/TE 4200/85ms;前后(A/P)向相 位编码以减少EPI造成的伪影;图像分辨率128× 128;每次扫描(6个方向)约43s,重复4次;弥散加 权图像b因子 (b-factor,或称b值,b-Value)取 1000s/mm2。 1 系统功能及实现方法 DTI数据分析和图像处理程序DTI Toolbox在 MATLAB(MathWorks,Inc.Natick,MA,USA)环境下 收稿日期:2006—02.24,修回日期:2007.07—20。 *通讯作者。 E-mail:zhangkangle1951@tom.corn 所开发程序DTI Toolbox以DICOM格式为数据 输入标准,这样不同磁共振生产厂商不同型号的设 备上获取的数据,均有统一途径进行分析处理。 维普资讯 http://www.cqvip.com
5期 张硕等:弥散张量成像对常规性临床应用的初步建立和实现 输入 输 出 数 蒺 扫描参数调节 取 弥散加权图 非弥散加权图 (b=0) 数 各个方向上的ADC 据 弥散梯擘场方向 b矩阵 处 弥散张量各分量 弥散张量特征向量 理 特 值 进一步处理分析 如:弥敞椭球l璺l像(Glyphs ofTensor) 纤维束成像(Fiber Tracking) 图l DTI数据获取和处理流程图 Fig.1 DTI data acquisition and processing diagram 1.2预处理 由于实验或测量坐标系下所施加弥散梯度场的 基于重复的4次图像采集,有两类方法可以在 坐标系(由磁共振设备决定)有别于弥散椭球本身坐 各个方向上由以下公式逐个像素的计算出ADC值 (individual ADCs): 标系,弥散张量被施与对角化处理(diagonali zation) 以除去非对角线分量并得到三个特征向量(8 ,8 , 8,)和三个对应的特征值(A。, :, ,),如图2所 长有关,物理学上则与弥散的方向和大小有关,即各 ADc=一丢.1n (1) 示,弥散张量的特征向量和特征值与椭球方向和轴 自三个正交方向上的弥散系数。其中最大特征值 (eigenvalue .)代表最大弥散率(principal difusivity),而相对应的主特征向量(eigenvector 8.)则 指向主要弥散方向(principal diffusion direction, PDD)。 最小二乘法拟合或求平均法。因为先前模拟试验表 明两种方法的结果基本相同 ,所以基于重复采集 图像的普遍性,本研究采取第二种方法。公式(1) 中,S(b)为衰减后信号(加权图),S(0)为非衰减信 号(非加权图)。 1.3弥散张量求解 结合弥散梯度场方向和顺序,将各个方向上的 ADC值通过关系矩阵求解¨ 并转换得到弥散张量 (Diffusion Tensor,D)的各个分量(Tensor Elements), 用3×3的对称矩阵表示: 1.4弥散张量可视化 根据所得的特征向量和特征值,可以导出一系 列旋转不变量(rotationally invariant),于弥散椭 球的方向、大小和形状,并可进行可视化处理,反映 脑部弥散特性,定量描述大脑中弥散各向异性的状 f D D v D 、 D=I D D D I D D D ) (2) 况。这些常见的旋转不变量有: 表现弥散椭球的大小特征的张量迹 (Trace): 维普资讯 http://www.cqvip.com 798 中 国 生物 医学 工 程学 报 26卷 一 / / ‘。\\ . 图2对称弥散椭球图示 Fig.2 A symmetric tensor ellipsoid scheme Trace( )=∑ = ,+ 2+ 3= (6) 表现各向异性程度(区分各向同性弥散与各向 异性弥散)的指标,如各向异性比值 (Fractional Anisotropy,FA): FA=^l 丽 (7) 其中,( )= 3 。 以及表现各向异性形态(弥散椭球形状)的指 标 ,如:线形弥散C。,即当 。》 :一 ,时,弥散 主要在最大特征量方向,弥散椭球呈扁长型;碟形弥 散C ,当 ,一 :》 ,时,弥散被在两个对应于 最大的两个特征值的特征向量所形成的平面内,弥 散椭球呈扁平型;球形弥散C ,当 。一 :一 ,时, 即各向同性弥散。 此外,为直观的表现水分子在脑部磁共振扫描 图像上各向异性的弥散,红绿蓝三种颜色分别赋予 对应于最大特征值的特征向量,以编码产生弥散张 量彩图(Color.encoded Map) 。 2 分析结果和应用实例 2.1健康人体实验分析 DTI脑部检查(健康男性,26岁)结果如下: 图3为DTI Toolbox计算所得用于描述弥散各向 异性形态指标的灰度图。其中图3a和图3c中的高 亮区域分别表示脑白质中的各向异性弥散和脑灰质 中的各向同性弥散。 图4为DTI Toolbox计算得到的弥散张量彩色编 码图。红色、绿色、蓝色(R,G,B)分别表示左右 (1eft.right,LR)、前后(anterior.posterior,AP)、上下 (a) (b) \II 图3弥散张量椭球形状(下)及其对应的灰度图(上)。 (a)线形;(b)碟形;(c)球形 Fig.3 Difusion tensor shape representations(below)and corresponding gray scale images(above).(a)linear case; (b)planer case;(c)sphere case (superior.inferior,SI)方向的弥散,即神经纤维大致 走向。若 方向上的向量明显大于Y和。方向上 的,则其颜色将接近于纯红;否则,其颜色将根据各 方向向量的长度显示为红绿蓝的混合色。色彩编码 方案也在图中以球体形象表示。此外,为防止因各 向同性弥散或碟形弥散对彩色编码造成错误表达, 图中红绿蓝颜色的饱和度用FA值进一步加权,以 得到更为精确的可视化结果。 图4对主要弥散张量特征向量赋予不同颜色的弥散张 量彩色编码图。(a J横截面;(b J矢状面;(c J冠状面 Fig.4 Color-encoded map of the principal diffusion tensor eigenvectors with diferent colors.(a)transversal plane; (b)sagitta ̄plane:(c)coronal plane 2.2纤维束成像结果 结合第三方软件dTV (Y MASUTANI,PhD, University of Tokyo Hospita1)完成。以感兴趣区域 (region of interest,ROI)为起始点,基于纤维束跟踪 算法 ,跟随主要弥散方向追踪神经走向,直到弥散 各向异性低于一个设定的初值(如FA<0.15) 。 在图5显示的成像结果中,横截面方向以脑胼胝体 压部和膝部为起始点,矢状面方向上则选择了脑胼 胝体中部为起始点。 2.3临床病例应用 将此分析处理方法初步应用于一例临床脑肿瘤 病人(男性,46岁)。图6为其在两个扫描层面上的 结果。因为张量迹于所施加的弥散梯度场和每 维普资讯 http://www.cqvip.com 5期 张硕等:弥散张量成像对常规性临床应用的初步建立和实现 799 图5纤维束成像结果。(a)横截面:(b)矢状面 Fig.5 Fiber tractography results.(a)transversal plane: (b)sagittal plane 个体素中的脑白质神经纤维走向 ,因而其在正常 哺乳动物脑实质中普遍高度均匀 “ ,本例中的高 亮区域(箭头所指)则显示了肿瘤周围组织因为水肿 或肿瘤浸润造成的弥散增加。相比之下,FA图像可 较容易的区别脑白质和灰质区域,尤其是高度各向 异性弥散的脑胼胝体。而在张量彩色编码图像中, 脑部水分子弥散情况和神经束的走向更加直观(例 如,呈蓝色的皮质脊髓束、呈绿色的前后脑白质以及 呈红色的胼胝体压部和膝部,分别说明了这些区域 的水分子弥散或神经走向为上下、前后、左右方向)。 但是,在对应张量迹灰度图像中信号高亮区域的位置 上,FA图和彩图信号明显降低(箭头所指),且彩图中 蓝色淡化(三角箭头所指),表明了因为正常组织被肿 瘤破坏(脱髓鞘)所造成的弥散各向异性的降低或非 正常各向异性弥散(可与对侧正常组织相对比)。 图6弥散张量成像在临床脑肿瘤的应用结果。从左到 右:弥散张量迹灰度图、FA灰度图、弥散张量彩色编码图 Fig.6 Clinical application resulst of DTI in a brain tumor patient.Left to right:Trace map,FA gray・scale image and color-encoded map of difusion tensor 3 结论 磁共振弥散张量成像对人体组织内水分子各向 异性弥散的描述与测量,对于临床和生物学应用具 有着重要的价值。虽然目前在医学领域尚缺乏脑部 微观环境弥散的真实物理模型,且对具体神经束位 置和情态缺乏深层次的认知,但是与常规性解剖成 像相比,其提供了大脑结构和功能信息,为大脑结构 的可视化研究提供了重要依据。 本研究描述和采用国际上被广泛采纳的DTI处 理方法,结合自行开发的图像处理程序,用普通PC 机对常规临床用磁共振设备所采集到的原始数据进 行分析,并反馈于临床真实环境,为DTI进入常规性 临床应用和检查提供了初步的方案和测量分析体 系。研究中涉及的对脑肿瘤病患的应用,标志其在 辅助临床放射诊断、选择合适治疗方案、术后评估治 疗效果方面的潜力。而对脑神经走向的重建尝试也 一 ~L r Ll 2 3 1 J 1_1 一 一表明了其重现因疾病(如脑肿瘤)所导致的大脑皮层 功能性连接创伤的可能。采用该方法在临床病理环 境下对各向异性弥散的应用与研究,对其它部位神 经重建的尝试(如丘脑放射、小脑脚、脑干、视神经 等),以及对程序进一步开发使之具有神经重建功能 从而不依附于第三方软件,将成为下一阶段的工作 重点和方向。 参考文献 Stejskal EO Use of spin ̄hoes in a pulsed magnetic-field gradient to study restricted diffusion and lfow[J].J Chem Phys,1965,43: 3597—36o6 Mansfield P.Multi-planar image formation using NMR spin echoes [J].J Phys C:Solid State Phys.1977.10:55—58 Stejskal E.Tanner J.Spin diffusion measurements:spin echoes in the presence of a time-dependent field gradient[J].J Chem Phys, l965.42:288—291. 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