醫(yī)療創(chuàng)新
Medical innovation
磁共振擴(kuò)散張量成像（DTI）技術(shù)，是近年來在擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種成像及后處理技術(shù)，是DWI的發(fā)展和深化，也是當(dāng)前唯一的一種能非侵入式追蹤大腦白質(zhì)纖維束的方法。
簡單地說，水分子在不同組織中的擴(kuò)散運(yùn)動，會受到各種組織特性的影響，如組織類型、完整性、結(jié)構(gòu)和組織屏障。DTI的基本概念就是通過對同一組織不同方向上水分子擴(kuò)散運(yùn)動的觀測，可以得到該組織水分子擴(kuò)散的各向異性（即不同方向速率不同），從而反應(yīng)測量組織的相關(guān)特性。比如說，腦白質(zhì)（WM）沿軸突方向的水分子擴(kuò)散受限較少，但是在徑向方向的擴(kuò)散存在較大限制，因此水分子沿軸突方向擴(kuò)散速率較高。基于此特點，使用DTI就能測量腦白質(zhì)中水分子擴(kuò)散的方向依賴特性，從而刻畫腦白質(zhì)纖維的走行方向，進(jìn)而追蹤整個大腦的白質(zhì)纖維束。而水分子在腦灰質(zhì)（GM）與腦脊液（CSF）中的擴(kuò)散行為趨于各向同性，在DTI各向異性分?jǐn)?shù)圖上表現(xiàn)為低信號。
DTI對組織微觀結(jié)構(gòu)特性所能提供的獨(dú)特的敏感性使其成為腦科學(xué)基礎(chǔ)研究、腦智發(fā)育研究以及腦科學(xué)重大疾病的精準(zhǔn)診療中的重要技術(shù)手段。已成功應(yīng)用于研究急性腦卒中以及輕度創(chuàng)傷性腦損傷的診斷、腦部腫瘤術(shù)前規(guī)劃和相關(guān)重大精神疾病的診療研究；評估腦智發(fā)育水平和腦認(rèn)知功能；運(yùn)動障礙如帕金森氏癥以及神經(jīng)發(fā)育和衰老中的白質(zhì)微結(jié)構(gòu)變化刻畫等。
DTI可用于檢測和評估新冠（COVID-19）患者大腦微結(jié)構(gòu)的變化。與非新冠肺炎志愿者相比，55%的COVID-19康復(fù)患者在嗅覺皮質(zhì)、海馬、腦島、顳橫回，中央溝蓋和扣帶回中雙側(cè)灰質(zhì)體積顯著增加，平均擴(kuò)散系數(shù)、軸向擴(kuò)散系數(shù)、徑向擴(kuò)散系數(shù)普遍下降，并伴有白質(zhì)部分各向異性的增加，尤其是右側(cè)輻射冠、外囊和額枕上束的擴(kuò)散系數(shù)。
DTI的成像質(zhì)量容易受到主磁場均勻性、梯度場性能、渦流等多種因素的影響，因此對磁共振硬件系統(tǒng)、成像序列及相關(guān)軟件系統(tǒng)均有著極高要求。但在萬東，DTI成像中的難題都被一一攻破。
無論是71cm的大孔徑系統(tǒng)還是60cm常規(guī)孔徑系統(tǒng)，我們把核心壓脂區(qū)域的磁場不均勻性控制在業(yè)界高水平。同時通過快速預(yù)掃描勻場技術(shù)，減少局部B0場不均勻性引起的幾何畸變和磁化率偽影。
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無論是71cm的大孔徑系統(tǒng)還是60cm常規(guī)孔徑系統(tǒng)，我們把核心壓脂區(qū)域的磁場不均勻性控制在業(yè)界高水平。同時通過快速預(yù)掃描勻場技術(shù)，減少局部B0場不均勻性引起的幾何畸變和磁化率偽影。
DTI一般采用回波平面成像（EPI）方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，EPI采集對渦流非常敏感，特別是短渦流會造成奈奎斯特偽影。另外渦流隨擴(kuò)散梯度的變化而變化，從而導(dǎo)致圖像失真（比如圖像收縮和/或整體位移和剪切）。萬東的極凈渦流補(bǔ)償技術(shù)可以在全空間和全時間尺度上將渦流盡量減少、減小DTI圖像偽影和失真。
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DTI一般采用回波平面成像（EPI）方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，EPI采集對渦流非常敏感，特別是短渦流會造成奈奎斯特偽影。另外渦流隨擴(kuò)散梯度的變化而變化，從而導(dǎo)致圖像失真（比如圖像收縮和/或整體位移和剪切）。萬東的極凈渦流補(bǔ)償技術(shù)可以在全空間和全時間尺度上將渦流盡量減少、減小DTI圖像偽影和失真。
采用全數(shù)字光纖射頻技術(shù)，讓DTI具有高信噪比，實現(xiàn)高分辨率成像，在1.5T超導(dǎo)系統(tǒng)上可以實現(xiàn)優(yōu)秀的各向同性體素成像（具有相同尺寸的平面內(nèi)分辨率和層厚，例如2×2×2.5mm3）。
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采用全數(shù)字光纖射頻技術(shù)，讓DTI具有高信噪比，實現(xiàn)高分辨率成像，在1.5T超導(dǎo)系統(tǒng)上可以實現(xiàn)優(yōu)秀的各向同性體素成像（具有相同尺寸的平面內(nèi)分辨率和層厚，例如2×2×2.5mm3）。
提供優(yōu)異的35mT/m的梯度場強(qiáng)和媲美3T的175mT/m/ms的梯度切換率，支持EPI采用較短的回波間隔，從而減低對運(yùn)動的敏感性，降低幾何畸變和圖像模糊的影響。
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提供優(yōu)異的35mT/m的梯度場強(qiáng)和媲美3T的175mT/m/ms的梯度切換率，支持EPI采用較短的回波間隔，從而減低對運(yùn)動的敏感性，降低幾何畸變和圖像模糊的影響。
采用相位編碼反轉(zhuǎn)和場圖校正相結(jié)合的全新并行成像采集模式，并配合高通道射頻線圈，能夠消除磁化率偽影和B0場不均勻性帶來的幾何畸變，從而獲得高質(zhì)量的DTI圖像。在數(shù)據(jù)處理方面，通過質(zhì)控及預(yù)處理進(jìn)一步去除圖像中的偽影和噪聲，為可靠的張量估計提供了一致性。
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采用相位編碼反轉(zhuǎn)和場圖校正相結(jié)合的全新并行成像采集模式，并配合高通道射頻線圈，能夠消除磁化率偽影和B0場不均勻性帶來的幾何畸變，從而獲得高質(zhì)量的DTI圖像。在數(shù)據(jù)處理方面，通過質(zhì)控及預(yù)處理進(jìn)一步去除圖像中的偽影和噪聲，為可靠的張量估計提供了一致性。
萬東的DTI數(shù)據(jù)分析功能可以提供所有的DTI參數(shù)指標(biāo)（圖1），如平均擴(kuò)散率（MD）或表觀擴(kuò)散系數(shù)（ADC）、指數(shù)化表觀擴(kuò)散系數(shù)（eADC）、軸向擴(kuò)散率（AD）、徑向擴(kuò)散率（RD）、容積比（VR）、分?jǐn)?shù)各向異性指數(shù)（FA）、彩色FA圖等。
萬東DTI數(shù)據(jù)分析處理后的參數(shù)圖：
（a）平均擴(kuò)散率MD （b）指數(shù)化表觀擴(kuò)散系數(shù)eADC （c）軸向擴(kuò)散率AD （d）分?jǐn)?shù)各向異性指數(shù)FA （e）彩色FA圖
DTI最大的挑戰(zhàn)之一是以直觀和易于理解的方式呈現(xiàn)張量信息，最典型的方法是形成三維纖維束追蹤圖，和彩色FA圖中類似，紅色代表從左到右的擴(kuò)散方向，綠色代表從后到前，藍(lán)色代表從下到上擴(kuò)散。萬東的DTI數(shù)據(jù)分析功能通過連續(xù)跟蹤定義的基于ROIs的特定解剖束來分配纖維，從而實現(xiàn)張量數(shù)據(jù)在整個大腦的全面探索性可視化。
經(jīng)過萬東DTI數(shù)據(jù)分析和處理后的冠狀位、矢狀位、軸狀位的神經(jīng)纖維束效果
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系生物醫(yī)學(xué)影像研究中心特別研究員，科研方向主要包括高時空分辨率磁共振神經(jīng)影像技術(shù)開發(fā)，基于磁共振影像活體組織病理信息定量成像等。
萬東的擴(kuò)散張量成像技術(shù)在1.5T磁共振超導(dǎo)系統(tǒng)上能夠做出高信噪比的圖像，圖像的幾何變形得到了非常好的校正；圖像有很不錯的分辨率，彩色FA中的細(xì)節(jié)纖維顯示準(zhǔn)確、清晰；神經(jīng)纖維束追蹤的可視化效果非常漂亮。
而這只是開始
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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