扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)可对水分子在三维立体空间的扩散能力进行全面的测定。为了易于应用，研究者开发了很多参数，包括各向同性参数、各向异性参数以及向量参数等。本研究以正常人脑投射纤维为例，对DTI的常用参数图部分各向异性(fractional anisotropy，FA)、平均扩散系数(mean diffusivity，MD)和T2-weighted trace的表现特点和意义进行分析。

1　材料与方法

1.1　一般资料

       受试对象为31名右利手青年健康志愿者，均为在校医学本科生、研究生，平素无中枢神经系统症状及体征，无心、肝、肾、内分泌等重要脏器疾病，常规MRI未见异常，无金属内置物(如动脉瘤夹、起搏器、假牙等)。所有志愿者知情并签署同意书，且经我院医学道德伦理委员会讨论通过。

       1名女性志愿者因成像时出现严重的运动伪影，退出本研究，以30名志愿者作为研究对象，年龄24~38岁，平均28.2岁，其中男16名，平均年龄29.1岁，女14名，平均年龄27.2岁。

1.2　设备及参数

       采用GE Signa Excite HD 3T MR成像仪，梯度场强度40 mT/m，梯度切换率150 mT/m/ms，标准8通道头部正交线圈，用海绵垫将志愿者头部固定。

       志愿者均先行颅脑常规MRI检查，包括：轴位T1WI：TR/TE 530 ms/15 ms；T2-FLAIR：TR/TE/TI 10000 ms/130 ms/2400 ms；轴位和矢状位FSE propeller T2WI：TR/TE 5100 ms/120 ms，层厚/层间距6 mm/1.3 mm，FOV 24 cm×24 cm，采集范围覆盖全脑，扫描时间约12分钟。

       DTI采用单次激发梯度脉冲自旋回波-回波平面成像(SS-GSE-EPI)序列，即Stejskal-Tanner序列和EPI高速采集序列组成的复合序列，轴位扫描，平行于前-后联合(AC-PC)连线，覆盖范围：半卵圆中心至桥脑下部，层厚/层间距4 mm/0 mm，共19层，扩散敏感梯度(MPG)方向数：21个，TR/TE 5000 ms/104 ms，NEX 2，FOV 24 cm×24 cm，矩阵128×128，b值采用0和1000 s/mm²，扫描时间为3分50秒。

       DTI有22组共418幅图像，第一组为b=0 s/mm²时的图像，相当于用EPI采集的T2WI，其余21组为b=1000 s/mm²的21个方向的DWI图像。

1.3　图像处理及分析

       所有图像传到ADW 4.2工作站，由一名工作30年的放射科主任医师对常规MRI进行阅片，30名志愿者常规头颅MRI均无异常。

       应用工作站Functool软件，对DTI数据后处理，经EPI校正、设定重建范围，尽量包括全脑并去除非脑组织，计算机自动计算，在工作站可切换得到不同的参数图，选择FA图、MD图和T2-weighted trace图进行观察研究。

       30名志愿者的DTI数据重建得到的FA参数图显示灰质与主要白质束对比明显，主要脑白质束边界清楚，DTI彩色编码图显示白质束的走行方向与解剖学描述一致。

       在FA图上设置兴趣区(region of interest，ROI)，并参照T2WI和DTI彩色编码图进行定位(见图1)，在投射纤维的以下4个层面设置6对ROI：桥脑下部层面、大脑脚与视交叉层面、内囊层面和半卵圆中心(侧脑室顶上一层)层面，ROI在内囊膝部和桥脑呈圆形，在大脑脚、内囊前肢、内囊后肢和半卵圆中心呈椭圆形，桥脑和半卵圆中心ROI设置参照DTI彩色编码图，置于纤维上下走行的区域(DTI图像显示为蓝色)，ROI采用镜像对称方式置于双侧，尽量使兴趣区位于FA图显示的投射纤维边界内，以避免邻近组织的影响，观察并测定以上三种参数图上投射纤维每个兴趣区的参数值，记录并定量分析。

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图1  投射纤维兴趣区设置，FA图：A、B、C、D；MD图：E、F、G、H；T2-weighted trace图：I、J、K、L。FA图上，投射纤维边界清楚，肉眼可分辨，投射纤维在大脑脚FA值最高，内囊后肢次之，半卵圆中心FA值最低；MD图上，脑脊液(MD高)与脑组织对比明显，肉眼无法分辨投射纤维的主体及边界；T2-weighted trace图上，大脑脚(J)层面和内囊层面(K)，有铁质沉积的灰质核团——红核、黑质、豆状核，T2-weighted trace值很低，边界清楚

1.4　统计学分析

       采用SPSS 16.0软件进行统计学分析，根据统计学方法需要对数据进行正态性检验和方差齐性检验，左右侧比较采用配对t检验，性别间比较采用两独立样本t检验，部位平均值间差别的比较，按正态性检验和方差齐性检验结果，决定方差分析或非参数秩变换分析，并对三种参数值之间行偏相关分析；检验标准为：双侧α=0.05，P<0.05有统计学意义。

2　结果

2.1　DTI参数图肉眼观(见图1)

       FA图：投射纤维边界清楚，FA值较高，与灰质(FA值低)对比明显，投射纤维在大脑脚FA值最高，内囊后肢次之，半卵圆中心最低，左右侧差别不明显；在DTI彩色编码图上，半卵圆中心层面投射至中央前回的纤维、内囊后肢大部及桥脑的投射纤维呈上下走行(蓝色)，内囊前肢呈前后走行(绿色)，内囊膝部和大脑脚投射纤维走行方向不单一(混合色)。

       MD图：所有兴趣区投射纤维与周围脑组织对比不明显，无法分辨投射纤维的主体及边界，脑沟、脑池和侧脑室MD值较脑组织明显高。

       T2-weighted trace图：无法分辨投射纤维与周围脑组织的边界，与投射纤维相邻的有铁质沉积的灰质核团，如豆状核、黑质和红核T2-weighted trace值很低，边界清楚，内囊和大脑脚的兴趣区与上述核团有重叠；T2-weighted trace值在脑沟、脑池和侧脑室很低，皮层则较高。

2.2　三种参数对投射纤维测定值的性别差异

       对男性和女性间所有测定值行独立样本t检验，所有兴趣区，三种参数测定值(略)的差别无统计学意义，t检验概率值为MD：P=0.085~0.841，FA：P=0.062~0.989，T2-weighed trace：P=0.052~0.488。

2.3　三种参数对投射纤维测定值的侧别差异

       投射纤维左右侧6对兴趣区，FA、MD、T2-weighted trace三组测定值共36组数据，经Kolmogorov-Smirnov检验，36组数据呈正态分布，P>0.05，左右侧比较行配对t检验，结果见表1。

       FA值：桥脑左右侧投射纤维的FA值差别有统计学意义(P=0.011)，左侧大于右侧，其余部位左右差别无统计学意义，P=0.086~0.994。

       MD值：所有兴趣区双侧MD值差别无统计学意义，P=0.223~0.761。

       T2-weighed trace值：桥脑、大脑脚、内囊前肢和半卵圆中心左右侧比较，左侧大于右侧，差别有统计学意义，P=0.000~0.017，内囊膝部和后肢双侧T2-weighed trace值差别无统计学意义。

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表1  投射纤维六对兴趣区DTI参数测定值的左、右侧配对t检验结果

2.4　三种参数显示投射纤维不同部位的差异

       对6部位三种参数双侧测定值取平均值，得到18组平均值，经正态性检验和方差齐性检验，按α=0.05标准，皆属正态分布，FA组方差不齐，行秩变换分析，MD和T2-weighed trace组行单因素方差分析，结果FA秩次组：F=79.211，P=0.000；MD组：F=21.593，P=0.000；T2-weighed trace组：F=9.553，P=0.000，三种参数值在投射纤维不同部位之间均有差别，两两比较使用LSD法，结果见表2。

       平均FA值顺序：大脑脚>内囊后肢>内囊膝部>内囊前肢，桥脑>半卵圆中心，内囊前肢和桥脑FA值差别无统计学意义(P=0.400)。

       平均MD值顺序：大脑脚最高，内囊前肢和内囊膝部次之，内囊后肢、桥脑、半卵圆中心最低。

       平均T2-weighed trace值顺序：由高到低为半卵圆中心、桥脑、内囊后肢、大脑脚、内囊膝和内囊前肢，其中半卵圆中心、桥脑和内囊后肢最高，大脑脚次之，内囊膝和内囊前肢T2-weighed trace值最低。

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表2  投射纤维不同部位之间三种参数平均测定值的两两比较概率值

2.5　相关性分析

       对投射纤维所有兴趣区三种DTI参数两两画散点图(见图2)，三者之间无直线相关关系，对三种参数MD、FA和T2-weighted trace测量值两两进行偏相关分析，第三种参数值作为控制变量，结果显示，FA与T2-weighted trace存在负相关，r=-0.169，P=0.024；MD与T2-weighted trace存在负相关，r=-0.149，P=0.047；FA与MD存在正相关，r=0.222，P=0.003。

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图2  投射纤维FA、MD、T2-weighted trace测定值两两之间散点图

3　讨论

       投射纤维(projection fibers)是联络大脑皮质与脑干、脊髓和小脑间的上、下行纤维束，大部分经过内囊^[1,2]，内囊前肢含有丘脑前辐射和额桥束，膝部主要是皮质脑干束，后肢主要有皮质脊髓束、视辐射、听辐射和丘脑中央辐射。皮质脊髓束和皮质延髓束合称锥体系，是运动系统的重要组成，始于额叶的运动区和运动前区，集中通过放射冠，走向内囊后肢，紧密排列后，按躯体定位顺序通过内囊，进入大脑脚中部，向下走行皮质延髓束逐渐从锥体束分出，稍向背侧，至桥脑下部和延髓，皮质脊髓束单独下行，位于脑干的腹侧。

       Basser^[3]等于上世纪90年代中期首次介绍了扩散张量成像技术，该技术不仅能测量组织中水分子的扩散系数，还可提供水分子在三维空间扩散的情况，之后学者们陆续报道了很多DTI的参数，其中最常用的为MD和FA，在临床应用和研究中，理解和掌握DTI参数的意义和特点，有助于充分利用DTI这一较新技术对解剖结构和疾病进行分析，除FA和MD外，本文选择了另一种参数T2-weighted trace进行分析，该参数应比DWIiso更易于分析且与MD有更好的相关关系。

       (1)FA代表扩散张量的各向异性部分占整个扩散张量的比率^[4,5]。FA值在0~1之间，FA在各向同性扩散时为0，在最大各向异性扩散时趋向于1。FA图上，白质纤维聚集且走行一致的部位FA值高，如本研究中所见。由于神经纤维的直径(μm级)远远小于磁共振的分辨率(mm级)，单个体素内的部分容积效应或纤维交叉，会造成各向异性的降低，如在半卵圆中心FA值较低。

       DTI彩色编码图是在FA图基础上结合DTI数据中的方向信息，以色彩显示纤维束的走行方向，红色代表左右，绿色代表前后，蓝色代表上下，本研究中DTI彩色编码图与解剖描述以及Wakana^[6]等提供的人脑DTI白质纤维图谱一致。

       (2) MD为平均扩散系数，等于扩散张量三个本征值的平均值，代表体素或兴趣区内水分子的平均扩散能力，常用单位×10^-3mm²/s。

       肉眼观察本研究中MD图，不能辨别投射纤维各部位间的差别，侧脑室、脑池、脑裂等脑脊液聚集的部位MD值很高，与脑组织形成鲜明的对比，数值测定显示各部位双侧对称。

       (3)各向同性扩散加权像(isotropic DWI，DWIiso)：DWIiso是各方向DWI信号强度的几何平均值^[7]，DWIiso值Siso=(S1×S2×S3×···SN)^1/N，与单个方向的DWI比较，DWIiso消除了扩散方向性的影响，扩散能力减低时，信号增高，扩散增加时，信号减低。这一参数类似于常用的三相同性扩散加权像，对DWIiso评价时也需考虑T2透过效应。

       文献检索未找到T2-weighted Trace参数的相关介绍，笔者在GE 3T MR设备ADW工作站进行测定时发现，T2-weighted trace图上测定的值约等于DWIiso减去b=0时的DWI信号值，b=0时的DWI相当于用EPI采集的T2WI，因此笔者推理，该参数图可理解为去掉T2透过效应的DWIiso，但这一推理需要进一步的验证。

       投射纤维在发育和老化过程中的各向异性会发生较显著的变化，而且在脑干的不同水平，各向异性会有较明显的差别^[8,9]，MD与FA对脑脊液的影响都很敏感^[10]，在选择兴趣区时应避开脑脊液的干扰，本研究对受试对象的年龄和对兴趣区设置进行了较为严格的控制，以利于分析。

       本研究中30名健康志愿者，常规MRI未见异常，FA、MD测量值与以往文献中的报道^[11,12]一致，而T2-weighted trace测量值在桥脑、大脑脚、内囊前肢和半卵圆中心四个部位的侧别差异有统计学意义，原因有待进一步深入探讨和验证。笔者初步分析，不能排除以下因素：①在这些部位，T2-weighted trace测量值显示的都是左侧值更高，可能与研究对象都是右利手有关；②T2-weighted trace也如DWIiso一样会受到扩散能力、血流灌注、磁敏感性(如铁磁性物质、气体)等的影响^[7]；③T2-weighted trace图上，在内囊和大脑脚的层面，有铁质沉积的灰质核团——豆状核、红核、黑质显示为很低的灰度，按照FA图所设置的投射纤维ROI，在T2-weighted trace图上与这些核团有的可能会有部分重叠，造成测量结果的不稳定。鉴于以上原因，T2-weighted trace应该与FA、MD等参数图以及常规MRI对照，综合判断和分析，其应用价值有待进一步探索。

       对投射纤维三种参数测定值的相关分析发现，三者之间无直线相关关系，不能相互代替，人脑投射纤维MD和FA存在正相关，T2-weighted trace与MD、FA存在负相关，这种相关关系只适用于本研究所纳入的年轻人脑投射纤维。MD和FA是DTI最重要的参数，分别反映组织水分子扩散的不同方面，理论上讲，二者的变化无稳定的对应关系，如MD固定时，FA值仍可在0~1之间变化，反之FA固定时，MD也可在一定范围内变化。脑缺血动物实验模型表现为二者的相关关系具有时间依赖性^[4,13]，人类脑生理和病理状态下的表现会更复杂^[14]。

       FA图对投射纤维显示清楚，不同部位各向异性值有显著的差别^[15]，本研究结果中投射纤维的FA值高低与以往研究^[11,12]结论基本一致，如脑干部位，大脑脚的FA大于桥脑，在幕上部分，投射纤维的FA由大到小顺序是：内囊后肢大于内囊膝部和内囊前肢，半卵圆中心各向异性最小，不同之处在于本研究中桥脑投射纤维的FA值显示了左侧优势。这与早年Virta^[12]的研究得到的双侧无差别似有矛盾。扩散张量纤维束示踪成像(DTT)测量的是整个皮质脊髓束的FA值，近年应用DTT对人脑白质的研究^[16]显示皮质脊髓束FA值存在左侧优势。对照解剖^[2]和扩散张量纤维束彩色编码图谱^[6]显示，桥脑下部投射纤维ROI为上下走行的皮质脊髓束，笔者分析可能与DTI成像和后处理技术的进步使得测量更加精确，以及本研究中30名志愿者均为右利手者有关。

       综上所述，对30名健康右利手年轻人脑投射纤维DTI的三种参数的研究表明，FA和MD反映水分子扩散的不同方面，T2-weighed trace图的应用价值有待进一步探索，应与FA、MD图以及常规MRI进行综合分析。