一、擴散張量成像（DTI）腦白質纖維束成像簡介
1 DTI技術簡介
DTI在DWI技術基礎上進行改進, 通過水分子擴散運動的各向異性進行成像, 反映纖維束的完整性等微觀特性。擴散即布朗運動, 擴散的方式可分為各向同性擴散和各向異性擴散。各向同性擴散是指分子在各個方向上的運動距離相等, 不受限制。而各向異性擴散方式則在各個方向運動距離是參差不齊的, 具有方向依賴性[2]。DTI常用描述圖像特征的參數有FA、ADC及平均擴散率 (mean diffusivity, MD) 。由于FA值表示組織的實體特性, 測量相對更為準确, 且FA圖像的灰白質對比較明顯, 可以更加直覺地選擇ROI, 是以在臨床得到較為普遍的應用。
2 正常人腦白質老化特征和DTI表現
腦老化是大腦有關部位表現出來的與年齡相關的正常組織生理退行性變化。人腦的諸多功能在腦老化過程中會出現不同程度的衰退, 腦皮質和白質的退行性改變對腦功能的衰退有關鍵影響。腦白質位于大腦深部, 由神經纖維聚集而成, 連接配接不同腦區, 構成了複雜的腦神經網絡。有研究通過對比健康老年人與青年人的腦體積發現, 相比灰質區, 白質區體積的減少量更加明顯, 達到11%左右, 約為灰質區體積減少量的3倍。且研究發現腦白質體積變化規律呈現非線性的倒“U”型的曲線軌迹。在40歲之前全腦白質體積随着年齡增長逐漸增加并達到峰值, 40~50歲之間腦白質體積略有波動, 幾乎無明顯變化, 而50歲之後全腦白質體積及品質逐漸下降, 約以每10年5%的速率減少, 與年齡具有高度的相關性。正常的腦老化不但與腦白質體積減少有關, 還與某些局部相關區域的萎縮有關。有研究發現正常腦老化過程中存在明顯萎縮的區域位于大腦三角部額下回、海馬、後扣帶回。而通過對比老年人與青年人的腦體積發現, 額葉和胼胝體是發生萎縮的主要區域, 且額葉萎縮在Grieve等[7]的有關研究中已經得到證明。Schmidt等通過縱向實驗研究腦萎縮與腦白質改變之間的變化關系發現, 正常老年人腦白質發生改變的年齡要早于腦體積減少的年齡。
目前國内外主要從功能學上基于DTI等技術對腦白質老化進行研究。有研究[9]表明, 腦組織退行性改變DTI主要表現為ADC值的升高及FA值的降低, 并認為這種改變主要是在增齡過程中神經纖維數量、長度和排列緊密程度發生改變, 髓鞘脫失以及細胞外間隙擴大等原因造成的。前額葉是最早被證明老年人腦白質FA值下降最顯著的部位。倪建明等通過對腦組織擴散各向異性在正常腦老化過程中變化規律的研究, 發現額葉白質FA值随着年齡的增長而逐漸下降。Damoiseaux等通過與青年組對比, 發現健康老年組FA值的減少區域主要集中在額葉、頂葉和皮層下。在之後的有關研究中, 有學者發現正常腦老化的DTI異常區域除額葉白質外, 前扣帶回和胼胝體膝部等區域也有異常。Bendlin等發現胼胝體壓部FA值與年齡無相關性, 而胼胝體膝部FA值與年齡的相關系數非常高。該現象有學者解釋為胼胝體膝部與兩側大腦半球的前額葉皮質之間有許多重要的纖維束相聯系。此外, 還有學者發現随着年齡增長FA值下降的腦區還包括内囊後肢和腦室旁後部, 提示這幾個部位的退行性改變與年齡具有很高的相關性。值得一提的是, Sala等和Groves等的研究結果一緻表明, 除右側胼胝體和兩側鈎回FA值随年齡增長呈線性增加外, 其他所有腦白質在随年齡增長的過程中FA值均呈線性減少, ADC值呈線性增加。
二、部分源代碼
% Example of the FT.m Fiber Tracking function.
% Clean everything
clear all; close all; clc% Load the DTI fractional anistropy (FA) and Fiber VectorField
% First you have to run the DTI_test.m script !
load(‘FT_data’,‘FA’,‘VectorF’);% Read the Roi, through which all fibers must go (corpus callosum)
info = gipl_read_header(‘corpus_callosum.gipl’);
Roi = gipl_read_volume(info)>0;% Fiber Tracking Constants
parametersFT=[];
parametersFT.FiberLengthMax=600;
parametersFT.FiberLengthMin=6;
parametersFT.DeviationAngleMax=1;
parametersFT.Step=0.4;
parametersFT.FiberTrackingComputationTreshold=0.125;
parametersFT.Sampling=2;
parametersFT.textdisplay=true;% Perform fiber tracking
fibers=FT(FA,VectorF,Roi,parametersFT);% Show FA
showcs3(FA*2.5), set(gcf, ‘Renderer’,‘OpenGL’); hold on;% Plot all the fibers
for i=1:length(fibers),
fiber=fibers{i};
h=plot3t(fiber(1:2:end,1),fiber(1:2:end,2),fiber(1:2:end,3),0.2,‘r’);
set(h, ‘FaceLighting’,‘phong’,‘SpecularColorReflectance’, 0, ‘SpecularExponent’, 50, ‘DiffuseStrength’, 1);
end
view(3);
camlight;
material shiny 三、運作結果
四、matlab版本及參考文獻
1 matlab版本
2014a