DWI原理和应用

一、DWI的概念

1.定义：

弥散又称扩散，是指分子从周围环境的热能中获取运动能量而使分子发生的一连串的、小的、随机的位移现象并相互碰撞，也称分子的热运动或布朗运动。

2.DWI技术就是检测扩散运动的方法之一，由于一般人体MR成像的对象是质子，主要是水分子中的质子，因此DWI技术实际上是通过检测人体组织中水分子扩散运动受限制的方向和程度等信息间接反映组织微观结构的变化。

3.生物组织内的水分子的扩散分为三大类：细胞外扩散，细胞内扩散，跨膜扩散，且扩散运动受到组织结构、细胞内细胞器和组织大分子的影响。

4.影响水分子弥散的因素：膜结构的阻挡，大分子蛋白物质的吸附，微血管内流动血液的影响（？）。

5.DWI中的水分子：

1）

无创探测活体组织中水分子扩散的唯一方法

2）

信号来源于组织中的自由水

3）

结合水尽管运动受限，但仍不能产生信号

4）

不同组织对自由水扩散限制程度不同

5）

产生DWI对比

6）

检测组织中自由水限制性扩散的程度

6.常规DWI，主要对细胞外自由水运动敏感

T2WI基础上，施加扩散梯度，组织信号衰减

1）

自由水扩散越自由=信号丢失多，DWI信号越低

2）

自由水扩散越受限=信号丢失少，DWI信号越高

7.在均匀介质中，任何方向的弥散系数都相等，这种弥散称为各向同性扩散（eg.脑脊液）；在非均匀介质中，各方向的弥散系数不等，这种弥散称为各向异性扩散（eg.脑白质纤维素）。

各向异性扩散在人体组织中是普遍存在的，其中最典型的是脑白质神经纤维束。水分子在神经纤维长轴方向上扩散运动相对自由，而在垂直于神经纤维长轴的方向上，水分子的扩散运动将明显受到细胞膜和髓鞘的限制。

二、DWI的原理

1.以SE-EPI序列来介绍DWI的基本原理。

射频脉冲使体素内质子的相位一致，射频脉冲关闭后，由于组织的T2弛豫和主磁场不均匀将造成质子逐渐失相位，从而造成宏观横向磁化矢量的衰减。

除了上述两种因素以外，我们在某个方向上施加一个扩散梯度场，人为在该方向上制造磁场不均匀，造成体素内质子群失相位，然后在施加一个强度与持续时间完全相同的反向扩散梯度场，则会出现两种情况:在该方向上没有位移的质子不会受两次梯度场强的影响而失相位，而移动的质子因两次梯度场引起的相位变化不能相互抵消，而失相位信号衰减。

2.DWI通过测量施加扩散敏感梯度场前后组织发生的信号强度变化，来检测组织中水分子扩散状态（自由度及方向），后者可间接反映组织微观结构特点及其变化。

体素中水分子都存在一定程度的扩散运动，其方向是随机的，而在扩散梯度场方向上的扩散运动将造成体素信号的衰减，如果水分子在敏感梯度场方向上扩散越自由，则在扩散梯度场施加期间扩散距离越大，经历的磁场变化也越大，组织信号衰减越明显。

三、技术要点

1.DWI上组织信号强度的衰减主要因素：

1）扩散敏感梯度场的强度，强度越大组织信号衰减越明显；

2）扩散敏感梯度场持续的时间，时间越长组织信号衰减越明显；

3）两个扩散敏感梯度场的间隔时间，间隔时间越长，组织信号衰减越明显；

4）组织中水分子的扩散自由度，在扩散敏感梯度场施加方向上水分子扩散越自由，组织信号衰减越明显。

2.b值对DWI的影响：DWI技术中把施加的扩散敏感梯度场参数称为b值或称扩散敏感系数。

1）

b值代表扩散敏感系数；r代表磁旋比；Gi和Gj分别为i轴和j轴上的磁场梯度强度；δ代表梯度场持续时间；Δ代表两个梯度场间隔时间。

2）

b值的选择（表示应用的梯度磁场的时间、幅度、形状）

b值越高，扩散的权重越重

b值越高，信号越弱

b值越高，信噪比越差

b值越高，相同TR内可采集的层数越少

因会出现周围神经的刺激症状也限制了太高的b值。

较小的b值可得到的较高信噪比的图像，但对水分子扩散运动的检测不敏感。

3）因此，b值的选择非常重要，用小b值进行DWI，在一定程度上反映了局部组织的微循环灌注，但所测得的ADC值稳定性较差，且易受其他生理活动的影响，不能有效反映水分子的弥散运动；用大b值进行DWI，所测得的ADC值受局部组织的微循环灌注影响较小，能较好反映水分子的弥散运动，因此，大b值进行DWI称高弥散加权成像，用小b值进行DWI称低弥散加权成像。b=0时产生无弥散加权的t2wi。

4）扩散图像的b值的选择主要应满足以下三个条件：

（1）能够清晰显示和分辨被检组织。

（2）有效抑制t2透射效应对扩散图像的影响。

（3）应用尽可能高的b值，使被检组织的ADC值更接近组织的真实D值。

三、DWI的方向性：

DWI是反映扩散敏感梯度场方向上的扩散运动，为了全面反映组织在各方向上的水分子扩散情况，需要在多个方向上施加扩散敏感梯度场。如果在多个方向（6个以上方向）分别施加扩散敏感梯度场，则可对每个体素水分子扩散的各向异性作出较为准确的检测，这种MRI技术称为扩散张量成像（diffusion

tensor

imaging，DTI）。利用DTI技术可以很好地反映白质纤维束走向，对于脑科学的研究将发挥很大的作用。

四、扩散系数和表观扩散系数

1.分子布朗运动的方向是随机的，其在一定方向上的弥散距离与相应弥散时间的平方根之比为一个常数，这个常数称为扩散系数D。表示一个水分子单位时间内随机弥散运动的平均范围，其单位为mm2/s。通过对施加扩散敏感梯度场前后的信号强度检测，在得知b值的情况下，我们可以计算组织的扩散系数，需要指出的是造成组织信号衰减不仅仅是水分子的扩散运动，水分子在扩散敏感梯度场方向上各种形式的运动（或位置移动）还将造成组织信号的衰减。

2.影响因素：

1）微观因素：体液流动、细胞的渗透性和温度、毛细血管灌注、细胞内外水的黏滞度、膜通透性的方向。

2）宏观因素：呼吸、搏动、蠕动等。

3.因此利用DWI上组织信号强度变化检测到的不是真正的扩散系数，它还会受到其他形式水分子运动的影响。我们把检测到的扩散系数称为表观扩散系数（apparent

diffusion

coeffecient，ADC）。

实际工作中用表观扩散系数(ADC)

来代替真正的扩散系数，前者常明显大于后者。

ADC

值的大小取决于成像物质及其内部分子的空间分布，b值的选择，场强……

4.计算组织的ADC值至少需要利用2个以上不同的b值，其计算公式如下：

ADC=

ln（SI低/SI高）/（b高－b低）

式中SI低表示低b值DWI上组织的信号强度（b值可以是零）；SI高表示高b值DWI上组织的信号强度；b高表示高b值；b低表示低b值；ln表示自然对数。

五、（一）T2透射效应（T2

shine

through）

1.DWI序列是在SE序列基础上施加了弥散梯度的长TR长TE序列，无法消除T2WI效应影响，这样也使DWI信号强度的变化与ADC的变化并不一致。

2.由于t2延长作用使DWI上出现高信号，但ADC值升高，称为T2透射效应。

（二）T2廓清效应（Washout）

ADC值升高和t2WI高信号的综合结果造成DWI成等信号。

常见于血管源性水肿。

（三）T2暗化效应

由于t2低信号而造成的DWI低信号。

多见于出血性病变。

通常发生顺磁性磁敏感伪影。

六、伪影：

涡漩电流伪影，磁敏感伪影，N/2鬼影，化学位移伪影，运动伪影

七、临床应用：

（一）急性期脑梗死

病理生理：

1、急性期：

血供中断，细胞缺血、缺氧，Na-K

ATP酶，大量Na离子进入细胞内

细胞水肿（细胞毒性水肿）。细胞内结构肿胀，扩散受限，细胞内能量代谢障碍导致细胞器裂解，产生大量碎片，造成细胞内粘度增加，胞浆流动减慢，导致扩散进一步受限细胞外间隙缩小，扩散受限。

正常组织，水分子随机运动，呈低信号。

细胞毒性组织，水分子运动受限，呈高信号。

2.MRDWI检查，则在发病后20～30min，即可见到局部的扩散作用增加，呈现相应的病理MR信号（高信号）。因此DWI序列又称为中风序列。

3.DWI反映的是细胞毒性水肿。

T2WI反映的是血管源性水肿。CT反映的是脑组织的坏死和水肿。