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扩散加权成像术DiffusionWeightedImaging•1950年，Hahn提出弥散对MR信号强度的影响。•1954年，Carr和Purcell以SE序列为基础取得水的弥散系数。•1961年，Woessner扩展到利用受激回波序列的测量。•1965年，Stejskal和Taaner引入脉冲梯度进行弥散敏化。•1986年，LeBihan等首次将DWI应用在生物组织中。原理•【弥散的概念】•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。•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。•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。•DWI是建立在MR成像要素之一——流动效应上的一种成像方法。在宏观图像中反映活体组织水分子的微观运动。MRA观察的是宏观的血流流动现象，而弥散加权成像观察的是微观的水分子流动扩散现象。•自由扩散运动：水分子扩散运动不受任何约束。如尿液、脑脊液等中的水分子。•限制性扩散运动：水分子由于受周围介质的约束，其扩散运动受到一定程度的限制。人体一般组织中的水分子属于限制性扩散。•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；•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。•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。•【DWI原理】•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。•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。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。•【技术要点】•一、DWI上组织信号强度的衰减主要因素：•尽管DWI可以用多种序列进行，但影响其组织信号衰减的因素基本相同，与未施加扩散敏感梯度场的相应序列相比，在DWI上各种组织的信号都在衰减，只是衰减的程度有所差别而已。•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。•二、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。在常用SE-EPIDWI序列中.•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。•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。•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。•扩散成像的理想状态是在能够满足病变与周围组织器官清晰分辨识别的基础上获得准确反应组织扩散特性的扩散图像，因此扩散图像的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。b值对信号强度的影响•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（diffusiontensorimaging，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。•以颅脑横断面DWI为例，如果在层面选择方向（上下方向）施加扩散敏感梯度场，则内囊后肢的信号衰减比较明显，表现为明显低信号。如果在左右方向上施加扩散敏感梯度场，则内囊后肢的水分子在此方向扩散运动明显受限，信号衰减很少，因而表现为相对高信号。•四、扩散系数和表观扩散系数•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，•其影响因素众多，原理尚不明确：•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•宏观因素：•呼吸、搏动、蠕动等•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（apparentdiffusioncoeffecient，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……•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。•在弥散加权成像中，组织的D越高，则其在图像上的信号越低；弥散敏感度b越高，其信号也越低；而在弥散系数像上，组织的D越高，其在图像上的信号越高。目前主要是用EPI或快速梯度回波序列进行弥散成像。在医学成像中经常用表面弥散系数ADC代替D表示弥散运动的强弱。•当分子弥散正常时，DWI成等信号改变，•当弥散受限时，DWI会出现异常高信号，•弥散快的结构衰减为低信号。•【序列设计】•现在临床应用的DWI、DTI序列大部分为Stejskal－Tanner自旋回波成对梯度序列的扩展序列。•测量过程分为两步：先不使用线性梯度进行第一次测量（b值＝0s/mm²）作为参照，再在施加线性梯度场G的情况下进行第二次测量。扩散加权梯度与SE序列融合时90°180°RFφsGs扩散梯度扩散梯度φm两个扩散敏感梯度位于180°的两侧．扩散加权梯度与GRE序列融合时αRFφsGs扩散梯度扩散梯度φm两个扩散敏感梯度场极性相反，互相抵消．•各向同性：•弥散成像在x、y、z三个方向上加载梯度回波，立体测量三个方向的总的回波。•各向异性：•从6~55个方向加载梯度测量水分子的弥散。•【序列选择】•用于DWI的序列很多，可以是GRE、SE、FSE、单次激发FSE序列等，可以是T1WI、T2WI、T2*WI序列。这里仅介绍目前临床上最为常用的单次激发SE-EPIDWI序列和SE线扫描DWI序列。从式中可看出，要计算组织的ADC值，至少需要利用2个不同值算得。•SE弥散加权成像：•信号的衰减与弥散系数有关。•GRE弥散加权成像：•信号的衰减与弥散系数、组织的T1、T2时间、翻转角有关，因此很难测出弥散系数的精确值，活体研究中，GRE弥散加权成像的图像计算的ADC值比真正的弥散系数大，GRE扫描很快，不能加载幅度过大、时间过长的梯度。•一、单次激发SE-EPIDWI序列•场强在1.0T以上的MRI仪目前多采用单次激发SE-EPI序列进行DWI。该序列如果不施加扩散敏感梯度场，得到将是t2wi，在t2wi基础上施加扩散敏感场将得到DWI，b值一般选择为1000s/mm2左右，根据需要可在层面选择方向上施加扩散敏感梯度场，也可在层面选择、频率编码及相位编码方向上都施加。该序列TR为无穷大，因此剔除了t1弛豫对图像对比的污染，根据需要和扫描机的软硬件条件，TE一般为50~100ms。该序列成像速度很快，单层图像的TA在数10到100毫秒。•二、SE线扫描DWI序列•LSDWI的原理与SE-EPIDWI相同，仅采用的序列和MR信号采集方式有所不同。该技术主要用于低场强MRI仪，因为单次激发SE-EPI序列在低场强扫描机上效果较差。•LSDWI采用的是SE序列，也是在180度复相位脉冲两侧施加扩散敏感梯度场，以颅脑横断面为例，先在上下方向施加层面选择梯度场，在横断面施加90度脉冲，然后在左右方向施加另一个层面选择梯度场，在矢状面施加180度脉冲。•由于施加90度激发的横断面和180度激发的矢状面相互垂直，两者相交的一条线上同时接受了90度和180度脉冲，因而回波来自于两平面相交的一条线上的组织。保持90度激发的层面不变，而改变180度激发的矢状面的位置，就采集到左右位置不同的许多条前后方向线状组织的信号，相互叠加即成为一个平面，由于每个回采集到的是一条线，因此称为线扫描，线扫描采集的每个回波是一维的，只有频率编码（此处为前后方向），由于利用不断变换位置的矢状面激发来代替相位编码，因而线扫描没有相位编码。•优点：•1.对场强的依赖性低，低场设备也能获得较好的效果；•2、由于采用SE序列，因此不易产生磁敏感伪影•缺点：•1、图像信噪比相对较低；•2、图像的空间分辨率较低；成像速度太慢•三、BladeDWI技术GE公司称为PropellerDWI技术•优点：•1、采用FSE序列，可明显减轻磁敏感性伪影；•2、图像信噪比较高；•3、图像空间分辨率较高•缺点：•成像速度明显低于单次激发SE-EPI序列DWIADC图右侧尾状核头0.7×10-3mm2/s，左侧尾状核头0.9×10-3mm2/s•【缺陷与伪影】•一、T2透射效应（T2shinethrough）•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。•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。•若同时ADC值下降，更增加DWI上高信号。•若采用幂图像（eADC）则能消除t2影响。•当b＝0s/mm2时，是SE-EPIT2WI，是T2对比的T2透射效应多发性硬化T2shinethroughT2W-EPIDWI