磁共振扩散加权成像在脑部病变诊断中的应用

磁共振扩散加权成像在脑部病变诊断中的应用摘要：磁共振扩散加权成像（DiffusionWeightedImaging，DWI）是近年来发展起来的新技术，其依据不同组织间水分子扩散程度的差异性，提供一种与以往T1加权像、T2加权像不同的新的成像对比，当组织发生病变时，正常结构发生变化常可导致组织内的水分子扩散性质改变。DWI是目前在活体上进行水分子扩散测量与成像的唯一方法。现综述该技术的基本原理及其在脑梗塞、急性血肿、多发性硬化、脑部炎症、脑肿瘤等脑部病变中的应用价值。TheapplicationofMRDiffusionWeightedImaginginDiagnosingBrainLesionsAbstract:Diffusionweightedimagingisanewtechnologywhichdevelopsintheseyears.Itmakesuseofstrongdiffusiongradients,sothattheimagingobtainedarenotdependentontheT1andT2relaxationtimes,butaredependentonthediffusionofthewatermolecules.Diseaseprocessesaffectingnormalstructuresmightleadtoalterationofthewaterdiffusion.Diffusionweightedimagingistheonlytechniquethatcanmakediffusionmeasureofwatermoleculeandimaginginvivoatthesametime.Diffusionweightedimaginghasthereforebeenshowntobeusefulintheearlydetectingordiagnosingintracranialabnormalitiessuchasinfarction,acutehaematomas,multiplesclerosis,braininfection,intracranialtumor,etc.1扩散加权成像的基本原理扩散是分子在媒介中的一种随机热运动（布朗运动），在梯度磁场存在的情况下，水分子中的质子横向磁化发生相位位移，相位位移发生广泛扩散、相互干扰，导致MR信号衰减，这种衰减取决于扩散系数及梯度磁场强度，扩散系数（diffusioncoefficient,D）用来表示分子扩散的程度，D值越大，扩散速率越大，反之则变小。根据分子扩散是否受到阻碍将其分为自由扩散和限制性扩散两种。在自由扩散中，分子运动不受限制，扩散距离与扩散时间（t）呈线性比例关系。限制性扩散中情况就变得复杂，短t时分子的扩散与自由扩散相似，随着t延长，多数分子扩散足够远时会遇到细胞膜而受阻，限制分子进一步运动。分子的扩散效应非常弱，在常规脉冲序列上可忽略不计。因此必须在常规脉冲序列上加一对极性相反、强大的扩散敏感梯度才能得到DWI。DWI对梯度系统要求严格，必须具有较高的场强、线性好、升值快及无涡流干扰。DWI的程度主要取决于梯度脉冲的强度和持续时间，当梯度场足够大时，驰豫时间的T2的影响可以忽略不计。如在任一成像系列中加入强磁场梯度（扩散梯度）突出扩散效应即可行DWI，在DWI上，扩散加权的程度由扩散梯度因子（用b表示）决定，单位为s/mm2。振幅大、持续时间短的扩散敏感梯度可得到较大的b值，b值越大，对扩散的敏感性越高，常规T2加权像上的b值为0。必须使用不同的梯度场强度和b值获得多个DWI图像才能得到真正的D值。常规SE序列成像时间长，难以应用于临床，解决的办法包括应用心电门控、新的脉冲序列、快速梯度回波序列（STEAM、SSFP、HASTE及螺旋式MRI等）和回波平面成像（EPI）都能提高DWI的质量。其中EPI具有成像速度极快、切层效率极高的优点，能在极短的时间内进行多个不同b值的DWI，并可覆盖整个人脑，有效地避免了运动伪影的影响；另外b值增大，对扩散地敏感性明显增高，较大的b值具有较大的扩散权重，并引起较大的信号下降。EPI现已成为DWI的主要方法。但由于EPI化学位移伪影较大，用在颅底易产生磁敏感性伪影，用脂肪抑制技术，同时让成像层面与颅底平行即可改善这些情况。在DWI上，分子的扩散会受到诸多因素的影响，如血流、脑脊液的流动、宏观运动和细胞膜等因素的影响，所以在DWI上一般采用综合了上述因素的表观扩散系数（apparentdiffusioncoefficient,ADC）来代替真正的扩散系数D，前者明显大于后者。至少需要获得两帧不同的DWI图像通过Stejiskal-Tanner公式ADC=In(s2/s1)/(b1-b2)（s2与s1是不同扩散敏感系数（b）值条件下的扩散加权信号的强度，b为常数）计算方可得到有关参数，然后才能计算出一个ADC图像用于显示每个体素内的ADC值，ADC图像表示每个体素内水分子的扩散，与T1和T2驰豫无关。活体组织水分子的ADC值一般小于纯水的2－10倍，其原因是水分子在组织内会遇到纤维、细胞器和大分子的阻挡，使分子的运动发生扭曲，另外自由水分子与黏附于运动缓慢大分子上的水分子不停地交换也消耗了许多时间。在DWI图上，图像的对比主要取决于组织间的ADC值，扩散快（ADC值高）的结构由于信号衰减大呈灰黑色的低信号，扩散慢（ADC值低）的结构由于信号衰减小而呈白色的高信号；在ADC图上，扩散速率快的组织具有较高的ADC值，信号增高，而扩散速率慢的组织ADC值小，信号下降。2扩散加权成像在脑部病变诊断中的应用DWI产生的图像与以往的MR图像完全不同，现已逐渐应用于临床，尤其在中枢神经系统病变诊断中的应用教为广泛。2.1脑梗塞急性脑缺血后脑组织的ADC值在超急性期显著下降，并且在急性期数天内维持在低水平，平均较健侧下降74.03%±11.02%；以后ADC值逐渐升高，2周后较健侧明显升高，平均升高108.46%±20.88%，并在慢性期维持在高水平。在缺血性脑血管病的超急性期，尤其在发病5小时以内，DWI较常规T2WI有明显的优势,DWI最早能显示起病后2小时左右的新鲜梗塞灶。病理生理实验证明，中枢神经元在突然发生的完全缺血缺氧后几分钟即会出现细胞内代谢紊乱，由此引发细胞内环境异常，酶和膜系统发生功能障碍，细胞内离子浓度改变，水分增加。此时单位体积组织内水分子的ADC值开始下降，在DWI图像上即会出现异常的高信号。如果脑组织缺血缺氧情况得不到改善，那么ADC值很快下降，一般在几小时内达到最低水平。这时，局部组织的细胞内容积与细胞外容积的比值达到最大。以后，随着细胞毒性水肿的进展和血管源性水肿的出现，ADC值将维持在一个较低水平。当细胞损伤发展到细胞内甚至整个细胞的膜系统崩溃时，ADC值开始逐渐上升。最后，当组织内有形成分液化消失后，ADC值达到高峰,并将维持在高水平。在ADC值上升的过程中，会有一个恢复到原有基础水平的时期，也就是假正常化现象，一般出现在起病后5天。2.2急性期脑内血肿血肿在MRI上的信号是由氧合血红蛋白与红细胞膜的状态决定的。在急性阶段外渗血液中的红细胞仍可能保持为含有氧合血红蛋白的完整双凹形，但细胞膜会逐渐发生收缩变成棘红细胞，细胞内的氧合血红蛋白逐渐失氧而形成去氧血红蛋白。溶解后的红细胞ADC值较脑白质为高，完整的红细胞ADC值则低于脑白质。在DWI图上，急性期血肿呈三层结构。容积20ml的较大血肿，其中央区信号常欠均匀，高信号区可杂少许低信号区，这可能是由于在完整的红细胞内处于不同阶段的氧合血红蛋白混合存在，可能还包含有纤维和多种蛋白质；容积20ml的血肿，其中央区则成相对均匀的高信号；所有血肿的边缘都可见一低信号带环绕，但在T2加权像上一些较大的血肿边缘则见不到此低信号环；低信号环的外围为高信号带包围。急性后期血肿中央区的ADC值增高可能反映了液体成分增加、漏出的血清扩散率增加。血肿边缘的低信号环可能是与血肿边缘早期完整红细胞的去氧血红蛋白磁化率效应有关，此低信号环为急性期血肿的一个重要特征，据此可与梗塞灶相鉴别。2.3多发性硬化(MS)MS是最常见的脱髓鞘疾病，在DWI上可显示各种信号，急性期斑块内可见炎性细胞浸润、血管源性水肿、轴突上的髓鞘破坏，导致ADC值增加；但有时也见到ADC值降低而致斑块在DWI上呈高信号，这可能是由髓鞘内间隙发生的一种选择性细胞毒性水肿所致，也可能是因于少突神经胶质细胞内的细胞毒性水肿。慢性期斑块的神经胶质和轴突萎缩，或伴有囊性变，导致ADC值增加。2.4脑部炎症急性脑炎时，脑组织可因炎性细胞索、终末脑循环紊乱、血脑屏障破坏等因素发生损伤，而先出现细胞性脑水肿，DWI能较CT、常规MRI及FLARE等先发现病变区，而显示初较强的优越性。脑膜炎时，由于继发血管炎、血栓、蛛网膜炎、小脑扁桃体疝致脑内供血动脉受压等，成人患者10－20％出现脑梗塞，在婴幼儿则达30％左右。脑梗塞一般在炎症发生1－6天后即可出现。DWI能在出现脑梗塞症状后迅速查处梗塞灶，而有利于临床治疗。细菌性脑脓肿时，由于在脓腔内包含较多复杂的成分，如蛋白质、大量炎性细胞、坏死组织、渗出液等，因而粘滞性较强，脓腔内的水分子与羧基、羟基以及大分子上的氨基酸群相结合，导致水分子的扩散受限，ADC值下降，在DWI上产生高信号，在ADC图上则呈低信号。而一般情况下囊性、坏死性脑肿瘤则在DWI核ADC图上呈相反改变。脑结核瘤时，形成的干酪性肉芽肿与正常脑组织相比，其内水分子的扩散情况通常变化不甚明显，因此其在DWI和ADC图上一般都呈中等信号，与周围正常脑组织相仿，而不同于脑脓肿和囊性、坏死性脑肿瘤。文献认为，在因考虑脑部炎症而行MRI检查时，DWI应列为常规，这有利于早期发现和正确诊断病变。2.5脑部肿瘤胶质瘤：不同级别的胶质瘤由于其肿瘤细胞分化的程度不同，细胞间质间隙有有较大的差异，而对水分子的扩散产生不同的影响。恶性胶质瘤的ADC值较低，而偏良性的胶质瘤ADC值较高。低度恶性胶质瘤在DWI上与脑实质相比呈等或稍高信号，在ADC图上呈明显高信号，ADC值较低；恶性胶质瘤在DWI上与与脑实质相比呈高信号，在ADC图上呈明显低信号，ADC值较低；间变型胶质瘤呈较低的ADC值，但比恶性胶质瘤高。转移瘤：转移瘤较易出现坏死，和发生囊变、坏死的其它肿瘤一样，囊变、坏死区内包含一些细胞碎屑、少量炎性细胞、浆液，成分较简单，粘滞性低，水分子扩散无受限，甚至超过正常脑组织，因而ADC值升高，在DWI上形成低信号，在ADC图上则呈高信号。这些发生囊变、坏死的肿瘤之间在DWI和ADC图上较难鉴别。有报道说瘤周水肿组织ADC值在转移瘤的明显高于在胶质瘤或脑膜瘤的，这也许对转移瘤的诊断有所帮助。脑膜瘤：良、恶性脑膜瘤的ADC值有显著差异，良性脑膜瘤通常细胞密度较小，细胞外间隙较大，ADC值较高，平均为0.79±0.24mm2/s,间变性脑膜瘤的细胞密度较大，ADC值较低，平均为0.70±0.13mm2/s，ADC值定量有助于鉴别脑膜瘤的良恶性，但两组间的ADC值可有较多重叠，在单个病例并不能可靠地鉴别脑膜瘤地良恶性。脑膜瘤的DWI表现较不一致，可表现为高、等及低信号，良恶性脑膜瘤的DWI表现无显著差别。表皮样囊肿（胆脂瘤）与蛛网膜囊肿：胆脂瘤在CT和常规MRI上往往表现为和脑脊液相似的密度和信号，临床上很难和蛛网膜囊肿相鉴别。但胆脂瘤由于含有葱皮样排列的透明角质蛋白并富含胆固醇结晶，因而其粘滞度亦高，ADC值显著高于脑脊液，在DWI常表现为高或稍高信号，与蛛网膜囊肿的显著低信号成鲜明对比，能确切地予以鉴别。