脑MR弥散加权成像和弥散张量成像可比较图像参数的研究

李敬玉，刘贵霞，赵君禄，雷立存，郑立冬，谢晋东

1.河北医科大学第一医院 放射科，河北 石家庄 050031；2.河北医科 大 学 基 础 医 学 院 ， 河 北 石 家 庄050017 ； 3.泰 山 医 学 院 ， 山 东 泰 安271016

脑MR弥散加权成像和弥散张量成像可比较图像参数的研究

Research of Comparable Image Parameters between DWI and DTI in Normal Brain MRI

李敬玉1，刘贵霞2，赵君禄1，雷立存1，郑立冬1，谢晋东3

1.河北医科大学第一医院 放射科，河北 石家庄 050031；2.河北医科 大 学 基 础 医 学 院 ， 河 北 石 家 庄050017 ； 3.泰 山 医 学 院 ， 山 东 泰 安271016

在临床应用中，某些感兴趣区的表观扩散系数（ADC）的数值改变对某些疾病的诊断具有特异性[1-3]。ADC 的数值可应用弥散成像获得。弥散成像有弥散加权成像（diffusion weighted inaging，DWI） 和 弥 散 张 量 成 像（diffusion tensor imaging，DTI）。弥散加权成像所需时间短，接受射频少，但只能得到 X、Y、Z三个方向上的 ADC 及其平均 ADC ；弥散张量成像时间长，所需时间随弥散方向个数的增加而增加，不但可以得到某感兴趣区的多个方向的平均 ADC 和各个单弥散方向上的 ADC，而且还可以得到该感兴趣区的各项异性参数。本研究通过正常人的 DWI和 DTI技术，对正常人脑的多个感兴趣区的ADC值进行探讨。

1 材料与方法

1.1 设备及材料

美 国 GE Signa® EXCITETM Twinspeed 1.5T MRI系 统、相控阵接受线圈。 efilm Workstation 图像处理工作站、弥散张量分析软件 DtiStudio 2.4[4]。

1.2 磁共振检查方法

收集 27 例正常健康体检者，男 18 例，女 9 例，年龄

在 19～54 岁之间，平均年龄为（32.1±12.3）岁。所有研究对象均无神经系统症状和体征，无神经系统疾病史，并进行常规 T1、T2 磁共振检查且无异常。其中，15 例行 DWI，扫描参数为 ：TR=8000ms，TE=60.2ms (为最小回波时间 )，层厚 4mm，层间距 0mm，视野 (FOV)240mm×240mm， 矩阵 256×256，采集次数为 2，弥散敏感梯分别施加在层面选择（头 /足）、相位编码（前 /后）、频率编码（左 /右）3 个方向上，取 2 个弥敏感系数 (b 值 )：b=0s/mm2和b=1000s/mm2。6、15、25 个 弥 散 方向 的 DTI 各 15 例， 扫描参数为 ：TR=8000ms，TE=74.7ms（为最小回波时间），层厚 4mm，层间距 0mm，视野 (FOV)240mm×240mm， 矩阵 256×256，采集次数为 2，取 2 个弥敏感系数 b=0s/mm2和 b=1000s/mm2，其中，DTI成像时所加的弥散敏感梯度方向上在空间的分布矢量来自 MRI系统的 tensor.dat文件。

1.3 图像处理

图1 ①半卵圆中心，②内囊前肢，③内囊膝部，④内囊后肢，⑤胼胝体干，⑥胼胝体膝部，⑦胼胝体压部，⑧尾状核头部，⑨豆状核，⑩丘脑。

MRI 系统扫描获得的图像在 efilm workstation 图像处理工作站中，将 DWI和 DTI图像转换为 DTI分析软件方便处理的 DICOM 格式图像。使用 Jiang H.等人开发的 DTI分析软件 DtiStudio 2.4 进行处理、分析、测量 DWI和 DTI 的有关数据，通过该软件重建人脑各层面的平均 ADC 图像，特征值 λ1、λ2、λ3图。在各参数图像中测量大脑半球左侧 10 个位置的各参数值，这 10 个位置分别是半卵圆中心、胼胝体膝部、胼胝体干、胼胝体压部、内囊前肢、内囊膝部、内囊后肢、豆状核、尾状核头部、丘脑。感兴趣区域（Region of Interesting, ROI）位置的选择由 T2WI和 FA 图像为参考，测量时使用直径为6像素的圆形区域，如图1所示。所得数据应用 SPSS15.0 统计软件，对获得的数据进行统计学分析及处理。

2 结果

2.1 ADC比较结果

大脑 10 个解剖部位 ROI的 DWI和 6、15、25 个弥散方向时的 DTI的平均 ADC 比较结果，如表1 所示。

单因素方差分析结果显示 ： 无论是所有被试者的所有解剖区总体还是单个解剖区域而言，ADC值在不同的弥散方向个数时，在 α=0.05 水平无显著性差异（p =0.429）。

2.2 最大特征值λ1比较结果

DTI弥散方向个数分别为 6、15、25 个时，各 ROI的最大特征值 λ1比较结果，如表2 所示。

单因素方差分析结果显示 : 就所有被试者的 10 个解剖区域的总体而言，张量的最大扩散值λ1在不同的弥散方向个数时，在 α=0.05 水平，没有显著性差异（p=0.287）；对于单个解剖区来说，则不确定。

2.3 特征值λ2比较结果

表1 大脑各约定ROI平均ADC值（×10-3mm2/s）

表2 大脑各约定部位ROI的张量的特征值λ1（×10-3mm2/s）

表3 大脑各约定ROI的特征值λ2（×10-3mm2/s）

表4 大脑各约定ROI的特征值λ3（×10-3mm2/s）

DTI弥散方向个数分别为 6、15、25 个时，各 ROI的特征值 λ2比较结果，如表3 所示。

单因素方差分析结果显示 : 就所有被试者的 10 个解剖区域无论总体而言， 张量的主轴扩散值 λ2在不同的弥散方向个数时，在 α=0.05 水平，没有显著性 差异（p=0.475）。对于单个解剖区来说，则不确定。

2.4 最小特征值λ3比较结果

DTI弥散方向个数分别为 6、15、25 个时，各 ROI的最小特征值 λ3比较结果，如表4 所示。

单因素方差分析结果显示 : 就所有被试者的 10 个解剖区域的总体而言，张量的主轴扩散值λ3在不同的弥散方向时，在 α=0.05 水平，没有显著性差异（p=0.689）；对于单个解剖区域来说，则不确定。

2.5 平均扩散率MD比较结果

DTI弥散方向个数分别为 6、15、25 个时，各 ROI的平均扩散率（MD）比较结果，如表5 所示。

单因素方差分析结果显示 ：在 α=0.05 水平，无论就所有被试者的 10 个解剖区域的总体，还是单个解剖区域而言，张量的平均扩散率MD在不同的弥散方向数时，没有显著性差异 (P＞0.05)。

2.6 表观扩散系数ADC与平均扩散率MD的t检验比较结果

弥散张量成像各 ROI的表观扩散系数ADC与平均扩散率 MD的 t检验比较结果，如表6所示。

两独立样本 t检验结果显示 ：在 α=0.05 水平，无论就所有被试者的所有解剖区域的总体，还是单个解剖区域而言，张量的平均扩散率 MD 与表观扩散系数ADC，在不同的弥散方向数时，没有显著性差异（P＞0.05）。

3 讨论

由表1 可知，脑部 10 个 ROI中弥散梯度无论是加在实验坐标系的 X、Y、Z轴相互垂直的三个方向上的 DWI还是加在均匀分布的 6、15、25 个方向上的 DTI，所获取的 DWI图像经处理后，得到的平均 ADC没有显著性差异。饶晶晶等人[5]研究结果 ：b=1000 s/mm2，TR=5000ms，15、25、55 个弥散方向的 DTI时，三个扩散梯度上测定的 ADC也没有显著性差异。在理论上不考虑噪声影响时，ROI的ADC只由组织的微结构决定，而与梯度方向、弥散敏感系数的b值，甚至MRI的主磁场无关。不同机器、不同参数测量得到的 ADC 值可以比较，这一点可以和 X 线计算机断层的 CT 值在临床上的意义相媲美。但李德军等人[6]研究认为不同 b值下的ADC 值有显著性差异。因此，噪声对ADC的影响不可忽落，当把ADC作为临床定量测量时还是应该慎重，每次的扫描参数应该一致，并要求有足够大的信噪比。

表5 大脑各约定ROI的平均扩散率MD（×10-3mm2/s）

表6 大脑各约定ROI的ADC和MD（×10-3mm2/s）的t检验

由表2、3、4 可知，就所有被试者脑部选定 10 个解剖部位的 ROI的总体而言 ,张量的特征值 λ1、λ2、λ3在 3种梯度方向个数的 DTI中没有显著性差异 ；而就单个解剖部位而言又有不同的结果。这种单个解剖部位 ROI的张量的特征值在 3 种梯度方向个数的 DTI中的不同差异结果，反映了不同解剖部位的组织结构的差异，主要是白质纤维束的走行方向的差异。理论上，梯度方向个数越多测量值越精确。

由 表5、6 可 知， 由 DTI所 获 取 的 DWI图 像 经DtiStudio 处 理经计算 得 到各 ROI 的 MD，在 6、15、25 个弥散方向时，无显著性差异；而且，各单个解剖部位 ROI的 ADC 和 MD 比较也没有显著性差异。因此，就 ROI的ADC 而言，MD 完全可以替代 ADC，也就是说，MD 可以和 ADC 等价。但是这仅限于 ROI的评价各方向的平均扩散率，不能评价扩散在哪个方向具有优势，如果某个 ROI的扩散由于某种病变在几个方向扩散受限，而在其他方向弥散增加，则有可能MD不变。因此，对于特定方向的扩散系数的测定则必须进行 DTI成像，DTI成像具有更广泛的临床意义。而对于 ROI的组织结构扩散特征的评价正是DTI的优势。

水分子的扩散特性由组织的微结构决定的，在中枢神经系统中，灰质部分呈现扩散的各向同性，而白质-神经纤维的水分子扩散呈明显的各向异性，沿神经纤维走行的方向（对应张量主轴的最大值特征值）水分子扩散最快，与神经纤维垂直的方向（对应张量主轴的其它两个特征值）水分子扩散较慢。

4 结论

正常人脑部的各感兴趣区，就表观扩散系数ADC而言，DTI和 DWI完全可以相互替代，且其值可以作为成像参数一致时的正常临床参考值。

[1] Hamime T, Noriko K,Yoshio M,et al． How does water diffusion in human white matter change following ischemic stroke ? [J]．Magn Reson Med Sci, 2009, 8(3):121-134．

[2] Vite C H, Magnitsky S, Aleman D,et al． Apparent Diffusion Coefficient Reveals Gray and White Matter Disease, and T2 Mapping Detects White Matter Disease in the Brain in Feline Alpha-Mannosidosis[J]．AJNR Am J Neuroradiol,2008,29: 308-314．

[3] Stefan T．E, Stephan G．W,Leo H．B,et al．The clinical significance of diffusion-weighted MR imaging in stroke and TIA patients[J]．SWISS MED WKLY,2008,138(49-50): 729-740．

[4] Jiang H, van Zijl P, Kim J, et al．DtiStudio: Resource program for diffusion tensor computation and fiber bundle tracking[J]．Computer Methods and Programs in Biomedicine,2005,81(2): 106-116．

[5] 饶晶晶,漆剑频,王承缘．扩散张量成像扩散梯度方向与DTI图像质量的相关性研究[J]．放射学实践,2008,23(3):320-323．

[6] 何文胜．磁共振影像系统双梯度技术的发展和现状[J]．中国医疗设备,2010,25(11):51-53．

[7] 李德军,包尚联,马林．不同b值和扩散张量成像导出量的定量关系研究[J]．中华放射学杂志,2004,38(12):1238-1242．

LI Jing-yu1, LIU Gui-xia2, ZHAO Jun-lu1, LEI Li-cun1,ZHENG Lidong1, XIE Jin-dong3
1.Department of Radiology, the 1stHospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang Hebei 050031, China; 2. Basic Medicine College, Hebei Medical University, Shijiazhuang Hebei 050017, China; 3. Taishan Medical College, Taian Shandong 271016, China

目的研究正常人脑部弥散加权成像（DWI）的表观扩散系数(ADC)和不同弥散方向个数时的弥散张量成像(DTI)的平均扩散系数的异同。方法应用相控阵神经血管线圈，随机选择正常健康体检者进行DWI成像检查和6、15、25个梯度方向的DTI检查，各取得数据15例。对所有研究对象均进行了头颅常规MRI检查，均未发现异常。然后，用DTI分析软件DtiStiduo 2.4 对获得的弥散加权像和弥散张量图像进行处理，得到DWI的平均ADC图像，DTI的张量的导出量——张量的特征值λ1、λ2、λ3，各向同性指标ADC、Trace（MD）的图像。对得到的每个研究对象相应图像中选取10个感兴趣区进行测量，得到相应的参数数值。结果DWI（X、Y、Z三个方向正交扩散梯度）和6、16、25个扩散梯度方向的DTI所获得的ADC值没有显著性差异（P=0.579）；DWI、DTI的ADC值和MD值无显著性差异。结论弥散成像中DWI和DTI中得到的ADC值具有可比性，可作为临床正常参考值。

磁共振成像；弥散加权成像；弥散张量成像；表观扩散系数

ObjectiveTo compare ADC value of DWI and DTI in normal adult brain.MethodsThe routine MRI were performed in 27 healthy volunteers, in which 15 volunteers were performed with DWI or DTI with 6, 15, 25 diffusion gradient directions. Then analysed images of DWI and DTI with Dtistudio 2.4. ADC value of DWI , eigenvalues(λl, λ2, λ3) and Trace, ADC value of DTI are measured or calculated at 10 ROIs of all volvnteers image in DtiStudio 2.4 software. Statistical analysis was performed.ResultsADC value is not affected by diffusion gradient directions (p＞0.05).ConclusionThere is no significance differences of ADC value of normal adult brain between DWI and DTI.

magnetic resonance imaging; difusion weight imaging; diffusion tensor imaging; apparent difusion constant

R445.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.06.065

1674-1633(2011)06-0151-05

2010-11-04

2011-05-30

谢晋东，教授，研究生导师。

通讯作者邮箱：1049969144@qq．com