DWI理论

1DWI理论一、基本理论：弥散加权成像(DiffusionWeightedImaging,DWI)是一种在分子运动水平上，分析病变内部结构及组织成分的无创性功能成像，是目前对微血管灌注和弥散效应进行活体定量研究的最佳方法，已成功应用于中枢神经系统。随着快速成像磁共振技术的发展，特别是基于单次激发平面回波技术(EPI)的磁共振弥散加权成像的应用，抑制或减弱了生理运动伪影，使弥散加权平面回波成像技术在腹部的临床应用成为可能，并且对肝脏疾病的诊断具有重要的作用。DWI是研究细胞和水分子不规则运动的成像方法。是在普通自旋回波序列基础上，在1800聚焦脉冲两侧施加两个对称弥散敏感梯度，在第一个弥散敏感梯度作用后，正常情况下，由于布朗运动，分子所处的位置发生变化，因此在第二个反向弥散敏感梯度作用下无法完全相位重聚，组织信号降低。将“弥散加权成像”简单的说，当水分子的布朗运动减弱，即在扩散受限或降低的情况时，ADC值降低，DWI图像上呈现为高信号，反之为低信号。DWI的信号强度除反映表观弥散系数值的大小外，还受组织的T2弛豫时间的影响，这种现象称为透过效应（shinethrough）。公式见下图：Signal•attenuation≈e-bD（1）式1中D为扩散系数，b为扩散加权或权重程度(扩散敏感系数)。B=γ2G2δ2(Δ-δ/3)（2）式2中G为梯度磁场强度，δ为梯度时间，Δ为梯度之间时间间隔，γ为旋磁比。旋磁比γ与T2驰豫时间大小有关。值得提醒的是由于DWI信号中有T2的影响(T2透过效应)，DWI高信号应该查看ADC图，ADC值下降才真正反应水分子移动受限。ADC能真实反映弥散情况。EDC和ADC两者的计算公式不同：ADC=In(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。重建的ADC图能如实反映质子的弥散情况。有些成像软件(如GE)提供了EDC值，其计算公式为：EDC＝2SI低/SI高。重建的EDC图消除了亮透效应，亦能真实反映组织的弥散情况。我做了一百多例脑肿瘤，发现ADC值价值比EDC值大，但EDC图在显示瘤周水肿方面优于ADC图。3在梯度磁场中运动的自旋都会产生去相位效应，无论是宏观的流动，还是微观的布朗运动，由于自旋的运动在梯度磁场的位置发生改变，进动频率也相应改变，因此，其相位也同样发生改变。在梯度磁场强度较小时，则微观运动产生的质子间的相位弥散较小，当梯度巨大时，则单位体素内的自旋质子间的相位弥散严重，使得聚焦梯度无法重聚其相位，所以体素内自旋质子去相位，导致单个体素的磁化矢量减小，所产生的MR信号幅度相应减小。在强弥散梯度磁场作用下，弥散系数越大的组织其信号越低，随着弥散梯度的增加，这种信号衰减现象越加明显。固态大分子的运动频率缓慢，可以视为静止，但在梯度磁场的作用下，会产生体素间自旋去相位，这种去相位效应在180°聚焦脉冲后，再次施加相同幅度及相同持续时间的弥散梯度，则产生相位重聚（回波），这与自旋回波形成时频率编码方向上的去相位梯度与读出梯度的关系一样，但对于具有弥散系数及流动的自旋质子，情况完全不一样，在第一个弥散敏感梯度作用下，由于分子的布朗运动，其所处的位置发生了改变，因此在第二个反向弥散敏感梯度作用下，无法完全重聚相位，所以这些组织的MR信号变低，但静态组织则无明显改变，这样便产生了由于弥散系数差异而形成的MR信号强度的差异，即弥散加权对比。物质的弥散特性通常以弥散系数D来描述。它是以一个水分子单位时间内自由随机弥散运动的平均范围（距离）来量度的，其单位是mm2/s。人体不同组织的弥散系数D不同。在室温下，自由水的D值是2.0×10-3mm2/s，正常脑组织的D值为（0.5～1.0）×10-3mm2/s。据推测，人体中约有20％～40％的水作为胞浆存在于细胞内，这种水的弥散系数比自由水的弥散系数小得多。在病理状态下，不仅病理组织的T1、T2弛豫时间发生变化，由于局部组织中水的分布状态也发生变化，所以水分子的弥散系数将发生变化，这是弥散成像的病理生理基础，只是这种变化在普通SE序列中无法充分表现出来。而MR弥散加权成像却最大限度的反应水分子的弥散程度。然而，弥散加权序列中的强弥散梯度脉冲不仅对弥散高度敏感，而且对其他形式的运动也很敏感，如病人的运动和血流。与此同时，这类序列对RF脉冲和梯度的非稳定性以及大弥散梯度脉冲导致的涡流都很敏感。温度也是弥散的重要影响因素，此外有些局部因素，如体液流动、细胞膜通透性、毛细血管灌注、呼吸及搏动等的变化也会波及所测的弥散系数D。考虑到上述因素对弥散系数的影响，在DWI中通常以表观弥散系数（apparentdiffusioncoefficient，ADC）描述组织中水分子弥散的快慢，而不直接采用弥散系数，其原因是DWI所观察到的弥散效应除反映水分子自身弥散运动之外，还与使用的b值、病人呼吸、脉搏等运动的影响有关。4b值的大小和数量影响弥散的测量，一个脉冲序列采取两种不同b值即可获得ADC值或拟合出ADC图，而b值越多、b值差越大，ADC值越精确，拟合的ADC图越真实。组织弥散快，信号衰减大，ADC值高，DWI上呈低信号，ADC图上呈高信号；组织弥散慢时则相反。DWI的信号强度除反映表观弥散系数值的大小外，还受组织的T2弛豫时间和质子密度的影响，这种现象称为透过效应（shinethrough）。而ADC图不受T2影响，较DWI能更真实反映弥散变化，但受到弥散敏感梯度方向的影响。常用的消除T2穿透效应的方法有两种，即指数图像（ExponentialImage）和ADC图。指数图像又称假弥散加权图像（pseudoDWI），是通过DWI除以SEEPIT2WI而获得。ADC图是通过公式加以运算并形成图像而得到的。这两种方法均消除了T2穿透效应，反映组织真正的弥散状况，而ADC值和ADC图在临床上更为常用。脑组织，尤其是脑白质的弥散运动是各向异性的。产生脑白质各向异性的原因尚未完全明确。可能与下述因素有关：轴索方向和髓鞘化程度；轴膜流；细胞外液流；细胞内液流；毛细管血流。各个方向上所施加的梯度脉冲大小相同，不同白质方向的信号强度受到梯度脉冲的作用，弥散运动发生变化。额、枕部白质纤维与Y轴（前、后）方向一致，在Y轴施加梯度脉冲后，该方向的弥散运动加强，在DWI图象上呈低信号。胼胝体白质纤维呈X（左、右）方向，在X轴施加梯度脉冲的DWI上呈低信号。长束神经纤维，即皮质脊髓束呈Z轴（头、尾）方向，在Z轴施加梯度脉冲的DWI上呈低信号。ADC图与DWI具有相同的意义和不同的信号表现，ADC图信号强度的高低与ADC值的大小相一致。弥散运动量大，ADC值大，ADC图的信号强度高。DWI信号表现与ADC相反，弥散运动量越大，DWI信号越低；弥散运动量越小，DWI信号越高。ADC所反映的脑灰、白质的对比度是T2WI对比度。DWI对分子弥散运动所引起的信号变化很敏感，尤其是弥散运动降低的部位。DWI结合ADC综合分析，不但能增加对病变显示的敏感性，而且能增加病变诊断的特异性。临床上DWI图像上表现为高信号病灶的原因有：细胞毒性水肿，尤其是神经元/胶质细胞细胞毒性水肿，如急性脑梗死、早期坏死灶(未液化者)、缺氧缺血性脑病、癫痫持续状态、脑外伤、脑炎、脑病(如线粒体性脑病等)、Reys综合征、透神经元性变性、轴索水肿等；弥漫性轴索损伤（DAI）；Wallerian变性，如髓鞘内（裂）水肿（神经髓鞘细胞水肿）；早期多发性硬化症；中毒性和代谢性脑病（包括氟和钾中毒等）；进行性多灶性脑白质病；Canavan病；氨基酸代谢异常（如苯丙酮尿症等）；渗压性髓质溶解症；高细胞密度和/或小细胞外间隙，如淋巴瘤、原始神经外5胚层肿瘤（PNET）；高粘度，如脓肿、表皮样囊肿等。比如大脑细胞毒性水肿为什么DWI显示高信号,ADC降低?而血管源性的水肿DWI却不成高信号?ADC稍高于正常呢??缺血区脑组织弥散受限的生理基础尚不完全明白，可能为下述几种因素综合作用所致：①缺血引起脑组织能量代谢中断，三磷酸腺苷酶泵和其他离子泵功能失调，离子梯度消失，引起水分子自细胞外向细胞内转移，出现细胞水肿。②细胞内粘度增加，胞浆的移动性下降。③细胞肿胀使细胞外间隙减小，细胞外水量减少。因此缺血的脑组织主要为细胞中毒性水肿，水分子弥散下降，DWI表现为明显高信号；ADC值减小表现为ADC图明显低信号。缺血后脑组织的ADC呈动态变化过程，缺血8～32小时ADC下降最多；两天时ADC可以达到正常水平，但脑组织缺血状态仍然存在，称ADC伪正常（Pseudonormalization）。细胞毒性水肿仍为主要的病理变化，但随着细胞肿胀的持续存在，部分细胞发生细胞膜中断，细胞内水分进入细胞外，细胞外水量逐渐增多，血管源性水肿出现。DWI的病灶信号强度逐渐下降，甚至呈等信号或轻度低信号。ADC图的信号强度也逐渐由低升高呈等信号或轻度高信号。事实上，缺血区内不同部位的ADC大小是不同的，说明缺血进展到梗塞具有不同的速度。缺血组织只要有早期ADC下降，最终总是会进展到梗塞。缺血性梗塞发生后脑组织水肿类别的变化，即细胞中毒性水肿为主的病理变化演变到血管源性水肿，以及由此而引起的ADC变化，使DWI和ADC影像发生特征性变化，DWI上梗塞病灶的高信号逐渐变为等信号或低信号，在ADC则由低信号变为等信号或高信号。所以，DWI可以用于鉴别梗塞的急、慢性期，其敏感性和特异性高于SET2WI和水抑制序列。如果梗塞病灶在灌注成像上明显大于DWI并维持较长时间，则预示预后较差；灌注成像上显示的病灶较小，预示预后较好。因此，DWI结合灌注成像对评价梗塞预后有一定的诊断作用。低氧性损害，包括新生儿窒息、一氧化碳中毒，是全身性的；在脑部所引进的病理改变就是缺血性变化，DWI能够很敏感的显示。6DWI技术在没有施加弥散梯度时,传统MRI序列弥散敏感性很低,甚至可忽略不计。弥散梯度可应用于任何序列,以使其对水分子的微观运动敏感。目前,骨髓DWI所采用的序列包括自旋回波DWI(spin-echoDWI,SE-DWI)、受激回波DWI(stimulated-echoDWI,STE-DWI)、稳态自由进动DWI(steady-statefreeprecessionDWI,SSFP-DWI)和回波平面DWI(echoplanarimagingDWI,EPI-DWI)。其中SE-DWI、STE-DWI及EPI-DWI均建立在Stejskal-Tanner成像序列的基础上,并可进行量化分析。1、SE-DWISE-DWI序列是在SE序列基础上附加弥散梯度所形成,即在180°射频(radiofrequency,RF)脉冲前后各施加一弥散梯度脉冲。本序列以Stejskal和Tanner的双极脉冲梯度为基础,不需要特别快和强的梯度硬件,磁敏感效应不明显,能提供较理想的信噪比(signal-noiseratio,SNR),也可进行表观弥散系数(apparentdiffusioncoefficient,ADC)计算,已被广泛应用于体模、动物模型和脑成像研究。主要缺陷是采集时间过长及对运动高度敏感,易导致图像伪影,不适于椎体骨折伴有剧痛的病人。2、STE-DWISTE-DWI序列是在回波前施加3个90°RF脉冲,在第一个和第三个RF脉冲后各施加一个弥散梯度脉冲。STE-DWI能取得与SE-DWI相同的信号变化,主要优点为T2扰射效应低、可与运动伪影校正技术相结合,有助于组织微结构研究和ADC值计算,缺陷是SNR较低和采集时间较长。3、SSFP-DWISSFP-DWI序列是将弥散梯度脉冲与SSFP序列相结合,利用RF脉冲作为激发和重聚脉冲,在次级激发脉冲之后获得自旋回波,其TE比TR(典型者小于50ms)长。本序列优点为SNR和对比噪声比(contrastnoiseratio,CNR)较好、采集时间较短,用中等梯度场强即可获得较高的弥散敏感性。由于本序列信号产生机制复杂,且b值不容