一、DWI的概念

1.定義：

彌散又稱擴(kuò)散，是指分子從周圍環(huán)境的熱能中獲取運(yùn)動能量而使分子發(fā)生的一連串的、小的、隨機(jī)的位移現(xiàn)象并相互碰撞，也稱分子的熱運(yùn)動或布朗運(yùn)動。

2.DWI技術(shù)就是檢測擴(kuò)散運(yùn)動的方法之一，由于一般人體MR成像的對象是質(zhì)子，主要是水分子中的質(zhì)子，因此DWI技術(shù)實(shí)際上是通過檢測人體組織中水分子擴(kuò)散運(yùn)動受限制的方向和程度等信息間接反映組織微觀結(jié)構(gòu)的變化。

3.生物組織內(nèi)的水分子的擴(kuò)散分為三大類：細(xì)胞外擴(kuò)散，細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散，跨膜擴(kuò)散，且擴(kuò)散運(yùn)動受到組織結(jié)構(gòu)、細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器和組織大分子的影響。

4.影響水分子彌散的因素：膜結(jié)構(gòu)的阻擋，大分子蛋白物質(zhì)的吸附，微血管內(nèi)流動血液的影響（？）。

5.DWI中的水分子：

1）

無創(chuàng)探測活體組織中水分子擴(kuò)散的唯一方法

2）

信號來源于組織中的自由水

3）

結(jié)合水盡管運(yùn)動受限，但仍不能產(chǎn)生信號

4）

不同組織對自由水?dāng)U散限制程度不同

5）

產(chǎn)生DWI對比

6）

檢測組織中自由水限制性擴(kuò)散的程度

6.常規(guī)DWI，主要對細(xì)胞外自由水運(yùn)動敏感

T2WI基礎(chǔ)上，施加擴(kuò)散梯度，組織信號衰減

1）

自由水?dāng)U散越自由=信號丟失多，DWI信號越低

2）

自由水?dāng)U散越受限=信號丟失少，DWI信號越高

7.在均勻介質(zhì)中，任何方向的彌散系數(shù)都相等，這種彌散稱為各向同性擴(kuò)散（eg.腦脊液）；在非均勻介質(zhì)中，各方向的彌散系數(shù)不等，這種彌散稱為各向異性擴(kuò)散（eg.腦白質(zhì)纖維素）。

各向異性擴(kuò)散在人體組織中是普遍存在的，其中最典型的是腦白質(zhì)神經(jīng)纖維束。水分子在神經(jīng)纖維長軸方向上擴(kuò)散運(yùn)動相對自由，而在垂直于神經(jīng)纖維長軸的方向上，水分子的擴(kuò)散運(yùn)動將明顯受到細(xì)胞膜和髓鞘的限制。

二、DWI的原理

1.以SE-EPI序列來介紹DWI的基本原理。

射頻脈沖使體素內(nèi)質(zhì)子的相位一致，射頻脈沖關(guān)閉后，由于組織的T2弛豫和主磁場不均勻?qū)⒃斐少|(zhì)子逐漸失相位，從而造成宏觀橫向磁化矢量的衰減。

除了上述兩種因素以外，我們在某個方向上施加一個擴(kuò)散梯度場，人為在該方向上制造磁場不均勻，造成體素內(nèi)質(zhì)子群失相位，然后在施加一個強(qiáng)度與持續(xù)時間完全相同的反向擴(kuò)散梯度場，則會出現(xiàn)兩種情況:在該方向上沒有位移的質(zhì)子不會受兩次梯度場強(qiáng)的影響而失相位，而移動的質(zhì)子因兩次梯度場引起的相位變化不能相互抵消，而失相位信號衰減。

2.DWI通過測量施加擴(kuò)散敏感梯度場前后組織發(fā)生的信號強(qiáng)度變化，來檢測組織中水分子擴(kuò)散狀態(tài)（自由度及方向），后者可間接反映組織微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其變化。

體素中水分子都存在一定程度的擴(kuò)散運(yùn)動，其方向是隨機(jī)的，而在擴(kuò)散梯度場方向上的擴(kuò)散運(yùn)動將造成體素信號的衰減，如果水分子在敏感梯度場方向上擴(kuò)散越自由，則在擴(kuò)散梯度場施加期間擴(kuò)散距離越大，經(jīng)歷的磁場變化也越大，組織信號衰減越明顯。

三、技術(shù)要點(diǎn)

1.DWI上組織信號強(qiáng)度的衰減主要因素：

1）擴(kuò)散敏感梯度場的強(qiáng)度，強(qiáng)度越大組織信號衰減越明顯；

2）擴(kuò)散敏感梯度場持續(xù)的時間，時間越長組織信號衰減越明顯；

3）兩個擴(kuò)散敏感梯度場的間隔時間，間隔時間越長，組織信號衰減越明顯；

4）組織中水分子的擴(kuò)散自由度，在擴(kuò)散敏感梯度場施加方向上水分子擴(kuò)散越自由，組織信號衰減越明顯。

2.b值對DWI的影響：DWI技術(shù)中把施加的擴(kuò)散敏感梯度場參數(shù)稱為b值或稱擴(kuò)散敏感系數(shù)。

1）

b值代表擴(kuò)散敏感系數(shù)；r代表磁旋比；Gi和Gj分別為i軸和j軸上的磁場梯度強(qiáng)度；δ代表梯度場持續(xù)時間；Δ代表兩個梯度場間隔時間。

2）

b值的選擇（表示應(yīng)用的梯度磁場的時間、幅度、形狀）

b值越高，擴(kuò)散的權(quán)重越重

b值越高，信號越弱

b值越高，信噪比越差

b值越高，相同TR內(nèi)可采集的層數(shù)越少

因會出現(xiàn)周圍神經(jīng)的刺激癥狀也限制了太高的b值。

較小的b值可得到的較高信噪比的圖像，但對水分子擴(kuò)散運(yùn)動的檢測不敏感。

3）因此，b值的選擇非常重要，用小b值進(jìn)行DWI，在一定程度上反映了局部組織的微循環(huán)灌注，但所測得的ADC值穩(wěn)定性較差，且易受其他生理活動的影響，不能有效反映水分子的彌散運(yùn)動；用大b值進(jìn)行DWI，所測得的ADC值受局部組織的微循環(huán)灌注影響較小，能較好反映水分子的彌散運(yùn)動，因此，大b值進(jìn)行DWI稱高彌散加權(quán)成像，用小b值進(jìn)行DWI稱低彌散加權(quán)成像。b=0時產(chǎn)生無彌散加權(quán)的t2wi。

4）擴(kuò)散圖像的b值的選擇主要應(yīng)滿足以下三個條件：

（1）能夠清晰顯示和分辨被檢組織。

（2）有效抑制t2透射效應(yīng)對擴(kuò)散圖像的影響。

（3）應(yīng)用盡可能高的b值，使被檢組織的ADC值更接近組織的真實(shí)D值。

三、DWI的方向性：

DWI是反映擴(kuò)散敏感梯度場方向上的擴(kuò)散運(yùn)動，為了全面反映組織在各方向上的水分子擴(kuò)散情況，需要在多個方向上施加擴(kuò)散敏感梯度場。如果在多個方向（6個以上方向）分別施加擴(kuò)散敏感梯度場，則可對每個體素水分子擴(kuò)散的各向異性作出較為準(zhǔn)確的檢測，這種MRI技術(shù)稱為擴(kuò)散張量成像（diffusion

tensor

imaging，DTI）。利用DTI技術(shù)可以很好地反映白質(zhì)纖維束走向，對于腦科學(xué)的研究將發(fā)揮很大的作用。

四、擴(kuò)散系數(shù)和表觀擴(kuò)散系數(shù)

1.分子布朗運(yùn)動的方向是隨機(jī)的，其在一定方向上的彌散距離與相應(yīng)彌散時間的平方根之比為一個常數(shù)，這個常數(shù)稱為擴(kuò)散系數(shù)D。表示一個水分子單位時間內(nèi)隨機(jī)彌散運(yùn)動的平均范圍，其單位為mm2/s。通過對施加擴(kuò)散敏感梯度場前后的信號強(qiáng)度檢測，在得知b值的情況下，我們可以計算組織的擴(kuò)散系數(shù)，需要指出的是造成組織信號衰減不僅僅是水分子的擴(kuò)散運(yùn)動，水分子在擴(kuò)散敏感梯度場方向上各種形式的運(yùn)動（或位置移動）還將造成組織信號的衰減。

2.影響因素：

1）微觀因素：體液流動、細(xì)胞的滲透性和溫度、毛細(xì)血管灌注、細(xì)胞內(nèi)外水的黏滯度、膜通透性的方向。

2）宏觀因素：呼吸、搏動、蠕動等。

3.因此利用DWI上組織信號強(qiáng)度變化檢測到的不是真正的擴(kuò)散系數(shù)，它還會受到其他形式水分子運(yùn)動的影響。我們把檢測到的擴(kuò)散系數(shù)稱為表觀擴(kuò)散系數(shù)（apparent

diffusion

coeffecient，ADC）。

實(shí)際工作中用表觀擴(kuò)散系數(shù)(ADC)

來代替真正的擴(kuò)散系數(shù)，前者常明顯大于后者。

ADC

值的大小取決于成像物質(zhì)及其內(nèi)部分子的空間分布，b值的選擇，場強(qiáng)……

4.計算組織的ADC值至少需要利用2個以上不同的b值，其計算公式如下：

ADC=

ln（SI低/SI高）/（b高－b低）

式中SI低表示低b值DWI上組織的信號強(qiáng)度（b值可以是零）；SI高表示高b值DWI上組織的信號強(qiáng)度；b高表示高b值；b低表示低b值；ln表示自然對數(shù)。

五、（一）T2透射效應(yīng)（T2

shine

through）

1.DWI序列是在SE序列基礎(chǔ)上施加了彌散梯度的長TR長TE序列，無法消除T2WI效應(yīng)影響，這樣也使DWI信號強(qiáng)度的變化與ADC的變化并不一致。

2.由于t2延長作用使DWI上出現(xiàn)高信號，但ADC值升高，稱為T2透射效應(yīng)。

（二）T2廓清效應(yīng)（Washout）

ADC值升高和t2WI高信號的綜合結(jié)果造成DWI成等信號。

常見于血管源性水腫。

（三）T2暗化效應(yīng)

由于t2低信號而造成的DWI低信號。

多見于出血性病變。

通常發(fā)生順磁性磁敏感偽影。

六、偽影：

渦漩電流偽影，磁敏感偽影，N/2鬼影，化學(xué)位移偽影，運(yùn)動偽影

七、臨床應(yīng)用：

（一）急性期腦梗死

病理生理：

1、急性期：

血供中斷，細(xì)胞缺血、缺氧，Na-K

ATP酶，大量Na離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)

細(xì)胞水腫（細(xì)胞毒性水腫）。細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)腫脹，擴(kuò)散受限，細(xì)胞內(nèi)能量代謝障礙導(dǎo)致細(xì)胞器裂解，產(chǎn)生大量碎片，造成細(xì)胞內(nèi)粘度增加，胞漿流動減慢，導(dǎo)致擴(kuò)散進(jìn)一步受限細(xì)胞外間隙縮小，擴(kuò)散受限。

正常組織，水分子隨機(jī)運(yùn)動，呈低信號。

細(xì)胞毒性組織，水分子運(yùn)動受限，呈高信號。

2.MRDWI檢查，則在發(fā)病后20～30min，即可見到局部的擴(kuò)散作用增加，呈現(xiàn)相應(yīng)的病理MR信號（高信號）。因此DWI序列又稱為中風(fēng)序列。

3.DWI反映的是細(xì)胞毒性水腫。

T2WI反映的是血管源性水腫。CT反映的是腦組織的壞死和水腫。