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[PDF]§3 分形和分维3.1 分形的定义3.2 几何图形的维数3.3 规则 ...
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杂性往往是随机的，如蜿蜒曲折的海岸线；变换无穷的布朗运动轨迹等。这类曲线的自相似. 性是近似的或统计意义上的，这种自相似性只存在于标度不变区域，超出标 ...
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布朗运动的计算机模拟_中国论文网
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DTI在神经系统疾病诊断与治疗中的价值
2012-09-14 11:17 来源：丁香园 作者：wchjun
从上世纪七十年代后期获得了第一幅人体头部MR影像以来，MRI技术随着硬件设备的改进及软件技术的开发得到了日新月异的发展，特别是功能性磁共振成像技术近年来在医学研究和临床诊断中得到了越来越广泛的应用。
磁共振弥散成像技术是目前在活体上测量水分子弥散运动与成像的唯一方法，最常用的主要包括弥散加权成橡(diffusion weighted imaging，DWI)和弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)。DTI在中枢神经系统尤其对白质和灰质的区别以及白质纤维的走行有很好的成像效果，可了解病变造成的白质纤维束受压移位、浸润与破坏，为病变的诊断与鉴别诊断提供更多信息，为手术方案的制定，术后随访提供依据。DTI对于神经科学是一个新的突破，使得研究者得以了解活体的神经纤维走行，这不仅有助于深入了解人脑纤维的结构，而且在临床上有很大的价值，成为近期脑功能成像技术研究的最新热点之一。
一、概念
1. Diffusion 是指分子的随机移动，即布朗运动。
2. DWI 利用组织中水分子弥散运动的特性进行成像。通过对成像脉冲序列的设计，将弥散对MRI信号的作用放大化的一种新型功能性磁共振成像序列。DWI使MRI对人体的研究深入到细胞水平的微观世界。特点：是一种对急性组织变化比较敏感的磁成像模式；图像的信号强度随着组织的病理变化而变化；但它只是一种用来观察组织情况的定性工具。
一、概念
1. Diffusion 是指分子的随机移动，即布朗运动。
2. DWI 利用组织中水分子弥散运动的特性进行成像。通过对成像脉冲序列的设计，将弥散对MRI信号的作用放大化的一种新型功能性磁共振成像序列。DWI使MRI对人体的研究深入到细胞水平的微观世界。特点：是一种对急性组织变化比较敏感的磁成像模式；图像的信号强度随着组织的病理变化而变化；但它只是一种用来观察组织情况的定性工具。
3. DTI 利用组织中水分子弥散的各向异性(anisotropy)来探测组织微观结构的成像方法。脑白质的各向异性是由于平行走行的髓鞘轴索纤维所致，脑白质的弥散在平行神经纤维方向最大，即弥散各向异性FA最大，接近于1。这一特性用彩色标记可反映出脑白质的空间方向性，即弥散最快的方向指示纤维走行的方向。DTI是一种用于研究中枢神经系统解剖神经束弥散各向异性和显示白质纤维解剖的磁共振技术。
表观弥散系数(Apparent Diffusion Coefficient，ADC) 反映体内水分子向各个方向弥散的平均值，水分子弥散运动越明显，ADC值增高。
相对各向异性(Relative Anisotropy，RA)，各向异性比值(Fractional Anisotropy，FA) 均为目前最常用的描述弥散各向异性指数，其值具有一致性，代表了水分子在弥散主向量轴上的运动强度。RA、FA在0和1的范围内变化。如果结果为0，意味着各向同性存在；如果结果为1，代表各向异性的最大值。
二、DTI优缺点
二、DTI优缺点
（一）优点
弥散是一个矢量，不仅有大小也有方向。在DTI中，组织内水分子的位移情况至少在6个方向被测量，而diffusion只在一个或三个方向被测定，可能会造成关于组织结构的错误结论。DTI是一种更高级的弥散加权成像形式，是DWI基础上的新的MR成像技术，它利用多种参数和数据处理，从量和方向上反映成像体素内扩散的变化，可以定向定量地评价脑白质的各向异性。
另外，DTI图像可以经过特定的后处理软件用主要特征矢量图来显示，从而在图像中显示脑白质的方向和完整性，这就为研究脑白质的走行，揭示脑内各种脑病变包括脑梗死，脑肿瘤等病灶与脑白质纤维走行的关系提供了可能性，在显示脑白质纤维病变方面具有更大的优越性和潜力。纤维示踪图(fiber tractography)：是目前唯一能在活体、无创和个体化地提供人脑白质纤维结构位置和走行特点的影像学技术。可以直观地显示肿瘤与其周围的大脑白质纤维之间的关系，从而可以更好的指导手术，以求能够最大限度地切除肿瘤组织和保护正常脑组织。
弥散是一个矢量，不仅有大小也有方向。在DTI中，组织内水分子的位移情况至少在6个方向被测量，而diffusion只在一个或三个方向被测定，可能会造成关于组织结构的错误结论。DTI是一种更高级的弥散加权成像形式，是DWI基础上的新的MR成像技术，它利用多种参数和数据处理，从量和方向上反映成像体素内扩散的变化，可以定向定量地评价脑白质的各向异性。
另外，DTI图像可以经过特定的后处理软件用主要特征矢量图来显示，从而在图像中显示脑白质的方向和完整性，这就为研究脑白质的走行，揭示脑内各种脑病变包括脑梗死，脑肿瘤等病灶与脑白质纤维走行的关系提供了可能性，在显示脑白质纤维病变方面具有更大的优越性和潜力。纤维示踪图(fiber tractography)：是目前唯一能在活体、无创和个体化地提供人脑白质纤维结构位置和走行特点的影像学技术。可以直观地显示肿瘤与其周围的大脑白质纤维之间的关系，从而可以更好的指导手术，以求能够最大限度地切除肿瘤组织和保护正常脑组织。
（二）缺点
DTI也有其局限与不足，表现在：弥散梯度引起涡流，使纤维束方向确定不可*，磁场不均匀性使图像扭曲变形，影响DTI定量分析；较小纤维束显示不佳或不能显示；受水肿等因素影响受压与破坏判断不确切。DTI 的精度不仅依赖于成像中脉冲序列的设置、成像方法的设计，还依赖于图像后处理算法，改进DTI 的精度和数据可*性应该从这两方面入手。
三、DTI在神经系统疾病诊断与治疗中的价值
DTI也有其局限与不足，表现在：弥散梯度引起涡流，使纤维束方向确定不可*，磁场不均匀性使图像扭曲变形，影响DTI定量分析；较小纤维束显示不佳或不能显示；受水肿等因素影响受压与破坏判断不确切。DTI 的精度不仅依赖于成像中脉冲序列的设置、成像方法的设计，还依赖于图像后处理算法，改进DTI 的精度和数据可*性应该从这两方面入手。
三、DTI在神经系统疾病诊断与治疗中的价值
（一） DTI在神经系统疾病诊断方面的作用
1. 胶质瘤 Stanley等对于高级别胶质瘤和转移瘤的DTI研究表明：高级别胶质瘤水肿周边正常白质的ADC值明显高于转移瘤组，而FA值要低于后者。因此可以通过对水肿周边正常白质的ADC值和FA值的测量来区分高级别胶质瘤和转移瘤，尤其在单发转移瘤与高级别胶质瘤的鉴别诊断中可发挥作用。
2. 脑膜瘤 也是常见颅脑肿瘤之一，约占颅内肿瘤的15～20％，是一附着于硬脑膜缓慢生长的良性肿瘤，是由肿瘤性脑膜上皮（蛛网膜）细胞所构成，其中少数可为恶性。良恶性脑膜瘤的影像表现又是十分相似难以鉴别。有研究报道ADC值和FA值有助于脑膜瘤良恶性的鉴别，恶性脑膜瘤肿瘤实质区ACD值明显低于良性脑膜瘤实质区；恶性脑膜瘤瘤周白质FA值低于或轻度低于良性脑膜瘤瘤周白质。良性脑膜瘤瘤周白质表现为纤维束受压移位或无明显变化；恶性脑膜瘤瘤周水肿区、瘤周白质均出现较明显的纤维束缺失。
3. 肌萎缩性侧索硬化症（ALS） 是一种慢性渐发的疾病，是由各种神经元的损害及脊髓侧索硬化引起的肌肉萎缩疾病。病理和常规的影像学检查并不一定能观察到神经元的萎缩和丢失。有研究发现：在内囊后肢和大脑脚平面，ALS患者的FA 值下降，提示存在皮质脊髓束变性，DTI可以在活体无创性地对锥体束及其潜在病变进行检测和评价，对确定ALS的诊断及加深对该病的认识可提供有用的信息。
（二） DTI在神经系统疾病(尤其胶质瘤)治疗方面的作用
胶质瘤是最常见的颅脑肿瘤，约占颅内肿瘤的40％，是最难以治愈的一种脑部肿瘤，起源于星形神经胶质，在白质中浸润性生长是其特点，目前常用的影像学检查方法主要是CT和MR检查，治疗上一般在外科手术后辅以化疗或放疗。由于浸润性生长，外科手术不能完全切除肿瘤组织，放射治疗也难以杀死所有的浸润生长的肿瘤细胞，而CT和MRI等一些常规的影像学方法也不能准确的确定肿瘤的边界和范围，给其治疗带来了很大的困难，因此需要寻找新的途径来治疗胶质瘤。
DTI较常规MRI最大的优势是可以清楚的显示脑白质纤维结构，并可通过彩色张量图、纤维示踪图显示白质纤维的走行方向，在颅内发生病变时即可显示白质纤维与病变的关系。有研究报道颅内肿瘤所致白质纤维结构的异常主要有以下三种基本改变形式：I.推移型：是指与对侧相应部位的正常白质纤维比较，病侧白质纤维位置和形态发生改变，轻度受压时FA值变化不明显，明显受压时由于纤维排列更加紧密使得FA值有所上升，脑内肿瘤由于占位效应白质可出现受压推移表现。II.浸润型：是指与对侧相应部位的正常白质纤维比较，病侧白质纤维位置和形态异常，表现为FA值轻度下降。III.破坏型：是指肿瘤所在部位白质纤维消失，为肿瘤组织所占据，表现为FA值明显下降，在瘤周水肿与脑内肿瘤生长部位可以见到，但界定纤维破坏的FA值目前难以精确提出。
外科手术的原则是最大程度切除肿瘤，最小限度损伤脑功能，减少手术并发症，延长病人的生存时间，提高生存质量。DTI技术应用之前，医生主要是用fMRI或皮层电刺激进行灰质成像来达到手术定位的目的，不仅不能进行白质成像，准确性较差，而且手术时间长，术野暴露过大。DTI技术的应用，使外科医生可以在术前准确地辨认脑功能区，对肿瘤切除的范围进行评估，使手术定位更为准确，避免重要脑功能区和神经纤维束受损，减小手术的风险。
1. 术前评估 DTI可以清晰地界定脑肿瘤(尤其如胶质瘤)与正常脑组织、瘤周水肿的界限，对于术前确定手术切除范围具有重要的指导意义。常规的SE序列一般是通过肿瘤增强部分的边界来界定肿瘤边界，但对于没有强化的肿瘤(如低级别胶质瘤等)以及对瘤周有浸润的恶性肿瘤就很难准确判断其界限。Sinha等对9例高级别脑胶质瘤DTI研究表明：平均弥散率对于区分正常脑白质、瘤周水肿以及脑肿瘤是有价值的，可以对脑肿瘤范围进行较准确的确定，但是扩散各向异性对于各种组织间的区分缺乏特异性。DTI区分肿瘤与周围的血管源性水肿对于决定放疗的区域、手术的边缘以及穿刺活检的部位等均具有非常重要的价值。Mori等研究表明：DTI能准确评价脑肿瘤生长与临近白质纤维束间的空间解剖关系，对于白质纤维束受侵情况的评价将为手术计划的制定，以及对患者预后提供重要的指导作用。
2. 术中导航 亦有报道称通过对手术台和MR操作设备的联合设计实现在术中进行DTI,做到精确切除神经系统肿瘤残留组织，在术中起到了导航的作用。
3. 术后随访 脑肿瘤(尤其是胶质瘤)手术以及放化疗后状况的准确评估一直以来是个难题。脑肿瘤的术后复发或残留因具有较高的细胞密度和细胞外间隙小等原因，其ADC值低于术后残腔，而DWI信号增高。但是，DWI信号和ADC值对脑肿瘤放疗后损伤与肿瘤复发的鉴别价值并不象想像的那么明确。DTI可以清楚显示脑白质纤维的走向情况，因此术后患者可以通过3D DTI来进一步判断肿瘤切除术后脑组织的逐步恢复情况，对于肿瘤患者术后的生活质量能提供一种准确的评价手段。同时DTI研究也有助于脑肿瘤治疗过程中一些药物作用的监测与理解。
总之，DTI通过对脑功能区范围以及神经纤维束的精确描绘对于神经系统疾病的诊断和对于脑肿瘤患者实施手术及术后神经功能康复有指导性帮助，特别对于肿瘤边界及水肿范围的划定较常规MRI检查具有明显优势，为临床治疗提供更多的信息。
四、DTI前景
随着设备的普及以及性能的不断提高，今后大脑功能研究预计会朝着多波谱多对比度的方向发展，将BOLD、DTI、MRS 以及常规的T1、T2和质子密度结合起来，根据大脑认知活动时的各种改变综合评价大脑功能，从而获得神经系统疾病的正确诊断和实施合适的治疗，并在肿瘤治疗过程中进行监督。
DTI的发展非常迅速，虽然在成像方法和图像分析上还有许多需要改进和完善的地方，但在神经系统疾病的临床诊断和病理研究上具有广阔的应用前景，随着DTI 脑功能的研究逐步进入实用化，预示着人类对脑功能的认识将达到一个更高的水平。
2. 脑膜瘤 也是常见颅脑肿瘤之一，约占颅内肿瘤的15～20％，是一附着于硬脑膜缓慢生长的良性肿瘤，是由肿瘤性脑膜上皮（蛛网膜）细胞所构成，其中少数可为恶性。良恶性脑膜瘤的影像表现又是十分相似难以鉴别。有研究报道ADC值和FA值有助于脑膜瘤良恶性的鉴别，恶性脑膜瘤肿瘤实质区ACD值明显低于良性脑膜瘤实质区；恶性脑膜瘤瘤周白质FA值低于或轻度低于良性脑膜瘤瘤周白质。良性脑膜瘤瘤周白质表现为纤维束受压移位或无明显变化；恶性脑膜瘤瘤周水肿区、瘤周白质均出现较明显的纤维束缺失。
3. 肌萎缩性侧索硬化症（ALS） 是一种慢性渐发的疾病，是由各种神经元的损害及脊髓侧索硬化引起的肌肉萎缩疾病。病理和常规的影像学检查并不一定能观察到神经元的萎缩和丢失。有研究发现：在内囊后肢和大脑脚平面，ALS患者的FA 值下降，提示存在皮质脊髓束变性，DTI可以在活体无创性地对锥体束及其潜在病变进行检测和评价，对确定ALS的诊断及加深对该病的认识可提供有用的信息。
（二） DTI在神经系统疾病(尤其胶质瘤)治疗方面的作用
胶质瘤是最常见的颅脑肿瘤，约占颅内肿瘤的40％，是最难以治愈的一种脑部肿瘤，起源于星形神经胶质，在白质中浸润性生长是其特点，目前常用的影像学检查方法主要是CT和MR检查，治疗上一般在外科手术后辅以化疗或放疗。由于浸润性生长，外科手术不能完全切除肿瘤组织，放射治疗也难以杀死所有的浸润生长的肿瘤细胞，而CT和MRI等一些常规的影像学方法也不能准确的确定肿瘤的边界和范围，给其治疗带来了很大的困难，因此需要寻找新的途径来治疗胶质瘤。
DTI较常规MRI最大的优势是可以清楚的显示脑白质纤维结构，并可通过彩色张量图、纤维示踪图显示白质纤维的走行方向，在颅内发生病变时即可显示白质纤维与病变的关系。有研究报道颅内肿瘤所致白质纤维结构的异常主要有以下三种基本改变形式：I.推移型：是指与对侧相应部位的正常白质纤维比较，病侧白质纤维位置和形态发生改变，轻度受压时FA值变化不明显，明显受压时由于纤维排列更加紧密使得FA值有所上升，脑内肿瘤由于占位效应白质可出现受压推移表现。II.浸润型：是指与对侧相应部位的正常白质纤维比较，病侧白质纤维位置和形态异常，表现为FA值轻度下降。III.破坏型：是指肿瘤所在部位白质纤维消失，为肿瘤组织所占据，表现为FA值明显下降，在瘤周水肿与脑内肿瘤生长部位可以见到，但界定纤维破坏的FA值目前难以精确提出。
外科手术的原则是最大程度切除肿瘤，最小限度损伤脑功能，减少手术并发症，延长病人的生存时间，提高生存质量。DTI技术应用之前，医生主要是用fMRI或皮层电刺激进行灰质成像来达到手术定位的目的，不仅不能进行白质成像，准确性较差，而且手术时间长，术野暴露过大。DTI技术的应用，使外科医生可以在术前准确地辨认脑功能区，对肿瘤切除的范围进行评估，使手术定位更为准确，避免重要脑功能区和神经纤维束受损，减小手术的风险。
1. 术前评估 DTI可以清晰地界定脑肿瘤(尤其如胶质瘤)与正常脑组织、瘤周水肿的界限，对于术前确定手术切除范围具有重要的指导意义。常规的SE序列一般是通过肿瘤增强部分的边界来界定肿瘤边界，但对于没有强化的肿瘤(如低级别胶质瘤等)以及对瘤周有浸润的恶性肿瘤就很难准确判断其界限。Sinha等对9例高级别脑胶质瘤DTI研究表明：平均弥散率对于区分正常脑白质、瘤周水肿以及脑肿瘤是有价值的，可以对脑肿瘤范围进行较准确的确定，但是扩散各向异性对于各种组织间的区分缺乏特异性。DTI区分肿瘤与周围的血管源性水肿对于决定放疗的区域、手术的边缘以及穿刺活检的部位等均具有非常重要的价值。Mori等研究表明：DTI能准确评价脑肿瘤生长与临近白质纤维束间的空间解剖关系，对于白质纤维束受侵情况的评价将为手术计划的制定，以及对患者预后提供重要的指导作用。
2. 术中导航 亦有报道称通过对手术台和MR操作设备的联合设计实现在术中进行DTI,做到精确切除神经系统肿瘤残留组织，在术中起到了导航的作用。
3. 术后随访 脑肿瘤(尤其是胶质瘤)手术以及放化疗后状况的准确评估一直以来是个难题。脑肿瘤的术后复发或残留因具有较高的细胞密度和细胞外间隙小等原因，其ADC值低于术后残腔，而DWI信号增高。但是，DWI信号和ADC值对脑肿瘤放疗后损伤与肿瘤复发的鉴别价值并不象想像的那么明确。DTI可以清楚显示脑白质纤维的走向情况，因此术后患者可以通过3D DTI来进一步判断肿瘤切除术后脑组织的逐步恢复情况，对于肿瘤患者术后的生活质量能提供一种准确的评价手段。同时DTI研究也有助于脑肿瘤治疗过程中一些药物作用的监测与理解。
总之，DTI通过对脑功能区范围以及神经纤维束的精确描绘对于神经系统疾病的诊断和对于脑肿瘤患者实施手术及术后神经功能康复有指导性帮助，特别对于肿瘤边界及水肿范围的划定较常规MRI检查具有明显优势，为临床治疗提供更多的信息。
四、DTI前景
随着设备的普及以及性能的不断提高，今后大脑功能研究预计会朝着多波谱多对比度的方向发展，将BOLD、DTI、MRS 以及常规的T1、T2和质子密度结合起来，根据大脑认知活动时的各种改变综合评价大脑功能，从而获得神经系统疾病的正确诊断和实施合适的治疗，并在肿瘤治疗过程中进行监督。
DTI的发展非常迅速，虽然在成像方法和图像分析上还有许多需要改进和完善的地方，但在神经系统疾病的临床诊断和病理研究上具有广阔的应用前景，随着DTI 脑功能的研究逐步进入实用化，预示着人类对脑功能的认识将达到一个更高的水平。
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