弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是MRI的另一种应用方法，可以补充fMRI。它实际上不是功能成像，它的目的是为了看到脑解剖结构的一些特征。DTI方法测量的是水分子在脑内可以弥散多远。由热激动而引起水分子在溶液里面的自由位移（也即布朗运动），服从一个统计学定律，这是爱因斯坦（A. Einstein）在1905年加以描述的［2］。
在均匀介质中，分子自由移动距离与时间的平方根成正比而增加。在体温条件下，68%的水分子在50 ms内的运动距离应该短于17 μm。当有大分子或细胞膜存在时，水分子的移动距离还要缩短［2］。
人们早就知道，可以用MRI来测量水弥散程度的差别，这个方法叫作弥散性MRI，它依赖于脑的解剖学。弥散MRI最成功的临床应用是对中风的控制。M. Moseley在1990年发现，如果实验性地阻断脑血液流动几分钟以造成脑缺血，则缺血性脑组织里面的水弥散减少得相当明显。弥散性MRI现在已经成为一个标准的诊断手段，用来评价、监视中风病人的情况［2］。
P. J. Basser在1994年就认识到，MRI可以用来特征化（characterize）水弥散的非均向性，也就是不同方向上弥散的不同，这就导致DTI的发明。DTI可以用来特征化脑内白质每个部位神经纤维束的局部走向，因为脑的白质是由一束束轴突构成的，而在白质纤维束方向，水的弥散大约要比垂直方向快6倍［2］。
开始时，DTI测量跟MRI测量一样，让受试者处于强磁场之下，给予受试者以无线电频率脉冲，这样水分子质子在相同相位上互相摇晃（wobble）。然后沿着一个轴，在短时间再给予一个磁场梯度。如果我们假定，开始时给予的梯度是按照脑的前（嘴，rostral）-后（尾，caudal）方向给予的，那就是前面脑的磁场强，而后面脑的磁场弱，但是事实上我们可以看到，在一个实验中可以按次序应用几个梯度方向［2］。
由于磁场的梯度，前面脑的水质子进动（precession）速率比脑后面的水质子进动速率要快。事实上对于每个体素来讲，前面水质子比后面水质子的进动速率要快。当磁场梯度关闭以后，水质子失去位相，每个各有一定数量，依据它所处的前后位置［2］。
然后另给予一个相反方向的磁场梯度，其大小和时间都跟前一次一样，不过方向变了，也就是从尾侧到嘴侧方向，或者从后面到前面方向。如果说在这个前后方向上没有任何移动，那么这个相反方向的梯度将会给予所有水质子以完全新的相位，那也就是再一次完全同步的进动［2］。
然而由于弥散的缘故，每个水分子在第一梯度与相反（第二）梯度的给予之间，要移动一定距离。如果在一个方向（前-后）上，一个体素里面的弥散比另一个体素里的低，则其结果是弥散较少体素的MRI成像比较明亮，重新同步也较好。这里所讲的是前-后（嘴-尾）梯度情况，只有前-后方向的弥散是起作用的。如果一个水分子是向左或向右弥散，那么由两个梯度所引起的去相位和重新恢复相位，可以互相完全对消［2］。
几个方向上的每个方向都要重复测定，以此来特征化弥散的各向异性。按每个方向再另做一个脑成像图。白质中的一个体素典型地会展示，在纤维束方向上的弥散大（在相应的成像中呈现暗色），而在另一个方向上就弥散较少（较亮的成像）。把这些分别的成像结合起来，就可以显示水分子行走的各向异性（图10-9）［2］。
图10-9 弥散各向异性的MRI测量（彩图见图版此处）
白质中的水分子是各向异性（anisotropic）的，此各向异性可以用MRI检测。图中每个部位的颜色及其亮度，代表一个小体积体素的弥散。亮度代表弥散各向异性的程度，白质显得更亮，因为这里的弥散是高度各向异性的，而灰质和脑室比较暗，因为这里是各向同性（isotropic diffusion）弥散的。颜色代表占统治地位的白质束方向；红色表明从右到左的方向弥散最大，绿色表明从前到后的方向弥散最大，蓝色表明从上到下的方向弥散最大。（图引自［2］）
DTI最先进的应用是纤维束追踪。就现在所知，这是可以用来特征化脑内神经连接的唯一非侵入性方法。纤维束追踪就是对DTI的测定结果进行计算机分析，其基本看法是找到各向异性的通路，也就是从脑的一个点到脑的另一个点的纤维束（图10-10）［2］。
图10-10 根据弥散张量成像得出的白质纤维束重组（彩图见图版此处）
每个“虚拟纤维束”是根据DTI测量用计算机做出来的。从脑内某一点开始，沿着最大的各向异性路径走。现在显示的是被认为对于文字阅读重要的4条纤维束。黄纤维是上纵束，它连接颞-顶皮层［包括维尔尼克（Wernicke area）区，该区对于语言的了解是关键性的］与外侧额叶皮层［包括布罗卡区（Broca area），该区参与语言的产生］。紫纤维束经过腁胝体，它连接两侧枕叶以及两侧颞叶的几个区。蓝纤维束是放射冠（corona radiata）纤维束，它通过内囊后肢。最后，橘红色纤维连接枕-颞皮层（包括一个被认为与文字辨认有关的脑区）以及位于枕叶和颞叶边界的大脑皮层外侧面。（图引自［2］）
但是用DTI方法做纤维束追踪的时候，还有很重要的精确度和精密度方面的缺陷，与应用向前、向后的示踪剂不同（它们标记的是个别轴突所建立的联系）；而DTI所反映的是白质组织每个体素的弥散MRI成像值的统计学平均。具体地说，每个体素的每个弥散MRI成像的强度，依赖于这个体素里面所有水分子的平均弥散［2］。
因此，只有由大数目轴突所形成的那些白质束才能被看到。目前的方法还不能够辨别小于5 mm直径的束，而连接邻近脑区的许多细小连接不能够可靠地被检测到。还有，那些完全在灰质内的皮层连接，也不能够检测到。某些白质区的纤维束追踪是困难的，如果那里有不同纤维束的互相交叉，因为没有单一的优势弥散方向。在另一些脑区，不同纤维束互相在一起走一段路，它们还要分开，这可以致使纤维束追踪的软件发生误判［2］。
即使如此，现在经常可以把DTI跟fMRI联合起来应用，来特征化人脑连接程度的发育，来鉴定多种神经疾病情况下脑功能及脑联系的细微异常，比如多发性硬化症、阿尔茨海默病；也应用于脑的发育异常，例如阅读障碍；以及精神性疾病，例如精神分裂症［2］。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
