追踪大脑的秘密

DTI到底是
什么神奇技术?

磁共振扩散张量成像(DTI)技术,是近年来在扩散加权成像(DWI)基础上发展起来的一种成像及后处理技术,是DWI的发展和深化,也是当前唯一的一种能非侵入式追踪大脑白质纤维束的方法。

简单地说,水分子在不同组织中的扩散运动,会受到各种组织特性的影响,如组织类型、完整性、结构和组织屏障。DTI的基本概念就是通过对同一组织不同方向上水分子扩散运动的观测,可以得到该组织水分子扩散的各向异性(即不同方向速率不同),从而反应测量组织的相关特性。比如说,脑白质(WM)沿轴突方向的水分子扩散受限较少,但是在径向方向的扩散存在较大限制,因此水分子沿轴突方向扩散速率较高。基于此特点,使用DTI就能测量脑白质中水分子扩散的方向依赖特性,从而刻画脑白质纤维的走行方向,进而追踪整个大脑的白质纤维束。而水分子在脑灰质(GM)与脑脊液(CSF)中的扩散行为趋于各向同性,在DTI各向异性分数图上表现为低信号。

DTI解析大脑神秘微观语言

DTI对组织微观结构特性所能提供的独特的敏感性使其成为脑科学基础研究、脑智发育研究以及脑科学重大疾病的精准诊疗中的重要技术手段。已成功应用于研究急性脑卒中以及轻度创伤性脑损伤的诊断、脑部肿瘤术前规划和相关重大精神疾病的诊疗研究;评估脑智发育水平和脑认知功能;运动障碍如帕金森氏症以及神经发育和衰老中的白质微结构变化刻画等。

DTI解析大脑神秘微观语言

DTI可用于检测和评估新冠(COVID-19)患者大脑微结构的变化。与非新冠肺炎志愿者相比,55%的COVID-19康复患者在嗅觉皮质、海马、脑岛、颞横回,*沟盖和扣带回中双侧灰质体积显著增加,平均扩散系数、轴向扩散系数、径向扩散系数普遍下降,并伴有白质部分各向异性的增加,尤其是右侧辐射冠、外囊和额枕上束的扩散系数。

纤毫必现!万东攻克高质量DTI成像

DTI的成像质量容易受到主磁场均匀性、梯度场性能、涡流等多种因素的影响,因此对磁共振硬件系统、成像序列及相关软件系统均有着极高要求。但在万东,DTI成像中的难题都被一一攻破。

  • 超高均匀性匀场技术

    无论是71cm的大孔径系统还是60cm常规孔径系统,我们把核心压脂区域的磁场不均匀性控制在业界高水平。同时通过快速预扫描匀场技术,减少局部B0场不均匀性引起的几何畸变和磁化率伪影。

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    超高均匀性匀场技术

    无论是71cm的大孔径系统还是60cm常规孔径系统,我们把核心压脂区域的磁场不均匀性控制在业界高水平。同时通过快速预扫描匀场技术,减少局部B0场不均匀性引起的几何畸变和磁化率伪影。

  • 极净涡流补偿技术

    DTI一般采用回波平面成像(EPI)方法进行数据采集,EPI采集对涡流非常敏感,特别是短涡流会造成奈奎斯特伪影。另外涡流随扩散梯度的变化而变化,从而导致图像失真(比如图像收缩和/或整体位移和剪切)。万东的极净涡流补偿技术可以在全空间和全时间尺度上将涡流尽量减少、减小DTI图像伪影和失真。

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    极净涡流补偿技术

    DTI一般采用回波平面成像(EPI)方法进行数据采集,EPI采集对涡流非常敏感,特别是短涡流会造成奈奎斯特伪影。另外涡流随扩散梯度的变化而变化,从而导致图像失真(比如图像收缩和/或整体位移和剪切)。万东的极净涡流补偿技术可以在全空间和全时间尺度上将涡流尽量减少、减小DTI图像伪影和失真。

  • 全数字光纤谱仪

    采用全数字光纤射频技术,让DTI具有高信噪比,实现高分辨率成像,在1.5T超导系统上可以实现优秀的各向同性体素成像(具有相同尺寸的平面内分辨率和层厚,例如2×2×2.5mm3)。

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    全数字光纤谱仪

    采用全数字光纤射频技术,让DTI具有高信噪比,实现高分辨率成像,在1.5T超导系统上可以实现优秀的各向同性体素成像(具有相同尺寸的平面内分辨率和层厚,例如2×2×2.5mm3)。

  • 高性能梯度链

    提供优异的35mT/m的梯度场强和媲美3T的175mT/m/ms的梯度切换率,支持EPI采用较短的回波间隔,从而减低对运动的敏感性,降低几何畸变和图像模糊的影响。 

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    高性能梯度链

    提供优异的35mT/m的梯度场强和媲美3T的175mT/m/ms的梯度切换率,支持EPI采用较短的回波间隔,从而减低对运动的敏感性,降低几何畸变和图像模糊的影响。 

  • 先进的数据采集和处理方法

    采用相位编码反转和场图校正相结合的全新并行成像采集模式,并配合高通道射频线圈,能够消除磁化率伪影和B0场不均匀性带来的几何畸变,从而获得高质量的DTI图像。在数据处理方面,通过质控及预处理进一步去除图像中的伪影和噪声,为可靠的张量估计提供了一致性。

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    先进的数据采集和处理方法

    采用相位编码反转和场图校正相结合的全新并行成像采集模式,并配合高通道射频线圈,能够消除磁化率伪影和B0场不均匀性带来的几何畸变,从而获得高质量的DTI图像。在数据处理方面,通过质控及预处理进一步去除图像中的伪影和噪声,为可靠的张量估计提供了一致性。

万东的DTI数据分析功能可以提供所有的DTI参数指标(图1),如平均扩散率(MD)或表观扩散系数(ADC)、指数化表观扩散系数(eADC)、轴向扩散率(AD)、径向扩散率(RD)、容积比(VR)、分数各向异性指数(FA)、彩色FA图等。

万东DTI数据分析处理后的参数图:

(a)平均扩散率MD (b)指数化表观扩散系数eADC (c)轴向扩散率AD (d)分数各向异性指数FA (e)彩色FA图

DTI最大的挑战之一是以直观和易于理解的方式呈现张量信息,最典型的方法是形成三维纤维束追踪图,和彩色FA图中类似,红色代表从左到右的扩散方向,绿色代表从后到前,蓝色代表从下到上扩散。万东的DTI数据分析功能通过连续跟踪定义的基于ROIs的特定解剖束来分配纤维,从而实现张量数据在整个大脑的全面探索性可视化。

经过万东DTI数据分析和处理后的冠状位、矢状位、轴状位的神经纤维束效果

神经纤维束视频

郭华 教授

清华大学医学院生物医学工程系生物医学影像研究中心特别研究员,科研方向主要包括高时空分辨率磁共振神经影像技术开发,基于磁共振影像活体组织病理信息定量成像等。

万东的扩散张量成像技术在1.5T磁共振超导系统上能够做出高信噪比的图像,图像的几何变形得到了非常好的校正;图像有很不错的分辨率,彩色FA中的细节纤维显示准确、清晰;神经纤维束追踪的可视化效果非常漂亮。

而这只是开始

参考文献

1 Soares JM, Marques P, Alves V and Sousa N (2013) A hitchhiker's guide to diffusion tensor imaging. Front. Neurosci. 7:31. doi: 10.3389/fnins.2013.00031

2 Yiping Lu, Xuanxuan Li, Daoying Geng, et al. Cerebral Micro-Structural Changes in COVID-19 Patients -- An MRI-based 3-month Follow-up Study. ECLINICALMEDICINE 25: 100484 (2020).

3 Xiong Y, Li G, Dai E, Wang Y, Zhang Z, Guo H. Distortion correction for high-resolution single-shot EPI DTI using a modified field-mapping method. NMR Biomed. 2019 Sep;32(9):e4124. doi: 10.1002/nbm.4124. Epub 2019 Jul 4. PMID: 31271491.

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