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第六節(jié) MR擴散加權(quán)成像技術(shù)

MR擴散加權(quán)成像（diffusion-weighted imaging, DWI）是20世紀90年代初中期發(fā)展起來的MRI新技術(shù)，國內(nèi)于90年代中期引進該技術(shù)并在臨床上推廣應(yīng)用。DWI是目前唯一能夠檢測活體組織內(nèi)水分子擴散運動的無創(chuàng)性方法。

一、擴散的基本概念

擴散（diffusion）是指分子熱能激發(fā)而使分子發(fā)生一種微觀、隨機的平移運動并相互碰撞，也稱分子的熱運動或布朗運動。任何分子都存在擴散運動。擴散在很多非平衡態(tài)系統(tǒng)中可以觀察到，如在一杯純水中加入一滴紅墨水，紅墨水在水中逐漸散開即是一種擴散現(xiàn)象。但當(dāng)平衡狀態(tài)建立后，如上述例子中紅墨水最后完全在水中散開，杯中各處紅墨水濃度完全一樣時，宏觀的擴散不再觀察得到，但實際上微觀的擴散運動依然存在。通過一些特殊的技術(shù)可以檢測這種分子的微觀擴散運動。DWI技術(shù)就是檢測這種微觀擴散運動的方法之一。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)實際上檢測的是人體組織內(nèi)水分子的擴散運動。

如果水分子擴散運動不受任何約束，我們把這種擴散運動稱為自由擴散運動。但在生物體中，水分子由于受周圍介質(zhì)的約束，其擴散運動將受到一定程度的限制，我們把這種擴散運動稱為限制性擴散。在人體中，我們可以把腦脊液、尿液等的水分子擴散運動視作自由擴散，而人體一般組織中水分子的擴散運動屬于限制性擴散。實際上DWI就是通過檢測人體組織中水分子擴散運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。

在人體組織中，由于組織結(jié)構(gòu)的不同，限制水分子擴散運動的阻礙物的排列和分布也不同，水分子的擴散運動在各方向上受到的限制可能是對稱，也可能是不對稱的。如果水分子在各方向上的限制性擴散是對稱的，我們稱之為各向同性擴散（isotropic diffusion）。如果水分子在各方向上的限制性擴散是不對稱的，我們稱之為各向異性擴散（anisotropic diffusion）。各向異性擴散在人體組織中普遍存在，其中最典型的是腦白質(zhì)神經(jīng)纖維束。由于神經(jīng)細胞膜和髓鞘沿著神經(jīng)軸突的長軸分布并包繞軸突，水分子在神經(jīng)纖維長軸方向上擴散運動相對自由，而在垂直于神經(jīng)纖維長軸的各方向上，水分子的擴散運動將明顯受到細胞膜和髓鞘的限制。

二、DWI的原理DWI的物理學(xué)原理比較復(fù)雜，這里我們僅作簡單介紹。

MRI檢測到的信號最后都分配到每個像素中，每個像素實際上代表受檢組織的一個體素，我們就以一個體素為例，并結(jié)合目前最常用于DWI的SE-EPI序列來介紹DWI的基本原理。

射頻脈沖使體素內(nèi)的質(zhì)子相位一致，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，如果我們在某個方向上施加一個梯度場，實際上是人為在該方向上制造磁場不均勻，那么體素內(nèi)該方向上質(zhì)子的進動頻率將出現(xiàn)差別，從而也造成體素內(nèi)質(zhì)子群失相位，最后也引起宏觀磁化矢量的衰減，MR信號減弱。

如果我們在SE-EPI序列180°復(fù)相脈沖的兩側(cè)各施加一個梯度場，這兩個梯度場的方向、強度和持續(xù)時間完全相同（我們稱之為擴散敏感梯度場），那么前面所述的梯度場造成的失相位可以分為兩種情況。（1）在體素內(nèi)梯度場施加方向上位置沒有移動的質(zhì)子，對于這些質(zhì)子，由于180°兩側(cè)施加的梯度場完全相同，可以認為梯度場造成是一種恒定的磁場不均勻，180°復(fù)相脈沖可以剔除這種恒定的磁場不均勻引起的質(zhì)子失相位，那么實際上梯度場的施加并不會引起這些質(zhì)子的信號衰減。（2）在體素內(nèi)梯度場施加方向上有位置移動的質(zhì)子。這些質(zhì)子在移動過程中將經(jīng)歷磁場強度的變化，進動頻率也隨之發(fā)生變化，從而造成相位離散。由于位置發(fā)生變化，對于這些質(zhì)子，180°脈沖兩側(cè)的梯度場引起的就不是恒定的磁場不均勻，180°脈沖將不可能剔除這種質(zhì)子失相位，因此這種在梯度場施加方向上的位置移動將引起質(zhì)子信號的衰減。體素中水分子都存在一定程度的擴散運動，其方向是隨機的，而在擴散梯度場方向上的擴散運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散越自由，則在擴散梯度場施加期間擴散距離越大，經(jīng)歷的磁場變化也越大，則組織的信號衰減越明顯。反之，在DWI上組織的信號衰減越明顯則提示其中的水分子在梯度場方向上擴散越自由。DWI通過測量施加擴散敏感梯度場前后組織發(fā)生的信號強度變化，來檢測組織中水分子擴散狀態(tài)（自由度及方向），后者可間接反映組織微觀結(jié)構(gòu)特點及其變化。

三、DWI的技術(shù)要點

為了在臨床上更好的應(yīng)用DWI技術(shù)，首先必需了解DWI的技術(shù)要點。

（一）DWI上組織信號衰減的影響因素

盡管DWI可以用多種序列進行，但影響其組織信號衰減的因素基本相同。與未施加擴散敏感梯度場的相應(yīng)序列相比，在DWI上各種組織的信號都在衰減，只是衰減的程度有所差別而已。DWI上組織信號強度的衰減主要與以下因素有關(guān)：

（1）擴散敏感梯度場的強度，強度越大組織信號衰減越明顯；

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

（二）b值及其對DWI的影響

上述影響DWI上組織信號衰減的因素中的前三項都與擴散敏感梯度場有關(guān)。在DWI技術(shù)中，我們把施加的擴散敏感梯度場參數(shù)稱為b值，或稱擴散敏感系數(shù)。在常用SE-EPI DWI序列中，b值＝g2G2δ2（D－δ/3），式中g(shù)代表磁旋比；G代表梯度場強度；δ代表梯度場持續(xù)時間；D代表兩個梯度場間隔時間。

b值對DWI的影響很大，b值越高對水分子擴散運動越敏感，b值增高也帶來一些問題：

（1）組織信號衰減越明顯，太高的b值得到的DWI信噪比（SNR）很低；

（2）在機器硬件條件一定的情況下，b值增高必然延長TE，進一步降低了圖像的SNR；

（3）即便機器硬件和圖像的信噪比許可，梯度脈沖對周圍神經(jīng)的刺激也限制了太高的b值。較小的b值得到的圖像信噪比較高，但對水分子擴散運動的檢測不敏感，而且組織信號的衰減受其他運動的影響較大，如組織血流灌注造成水分子運動等，這些運動模式相對水分子的擴散運動來說要明顯得多。

因此b值的選擇對于DWI非常重要，但實際上b值的合理選擇較為困難，在臨床上根據(jù)設(shè)備條件、所選用的序列以及臨床目的的不同，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整b值。在目前常用的MRI儀上，腦組織DWI的b值一般選擇在800~1500 s/mm2。

（三）DWI的方向性

由于只有在施加擴散敏感梯度場方向上的運動才有相位的變化，因此DWI所反映的水分子擴散運動具有方向性。DWI只能反映擴散敏感梯度場方向上的擴散運動，其他方向上的擴散運動則不能檢測出來。為了全面反映組織在各方向上的水分子擴散情況，需要在多個方向上施加擴散敏感梯度場。

在前面擴散的基本概念中曾提到各向異性擴散的概念，由于DWI具有方向性，所以可以很好的反映組織擴散的各向異性。如內(nèi)囊后肢的白質(zhì)纖維束是上下走向，上下方向水分子擴散相對自由，在顱腦橫斷面DWI，如果在層面選擇方向（上下方向）施加擴散敏感梯度場，則內(nèi)囊后肢的信號衰減比較明顯，表現(xiàn)為明顯低信號。如果在左右方向上施加擴散敏感梯度場，由于內(nèi)囊后肢的水分子在此方向擴散運動明顯受限，信號衰減很少，因而表現(xiàn)為相對高信號。

如果我們在多個方向（6個以上方向）分別施加擴散敏感梯度場，則可對每個體素水分子擴散的各向異性作出較為準確的檢測，這種MRI技術(shù)稱為擴散張量成像（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）擴散系數(shù)和表觀擴散系數(shù)

通過對施加擴散敏感梯度場前后的信號強度檢測，在得知b值的情況下，我們可以計算組織的擴散系數(shù)。需要指出的是，在DWI上造成組織信號衰減不僅僅是水分子的擴散運動，水分子在擴散敏感梯度場方向上各種形式的運動（或位置移動）都將造成組織信號的衰減，如組織血流灌注中的水分子運動及其他生理運動等。SE-EPI由于采集速度很快，基本可以凍結(jié)組織多數(shù)的生理運動，但無法消除血流灌注對組織信號的影響。

因此利用DWI上組織信號強度變化檢測到的不是真正的擴散系數(shù)，而將會受到其他形式水分子運動的影響。正因為此，我們只能把檢測到的擴散系數(shù)稱為表觀擴散系數(shù)（apparent diffusion coeffecient，ADC）。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上組織的信號強度（b值可以是零）；SI高表示高b值DWI上組織的信號強度；b高表示高b值；b低表示低b值；ln表示自然對數(shù)。從式中可以看出，要計算組織的ADC值至少需要利用2個以上不同的b值。

四、常用的DWI序列

用于DWI的序列很多，可以是GRE、SE、FSE、單次激發(fā)FSE序列等，可以是T1WI、T2WI或T2*WI序列。這里僅介紹目前臨床上最為常用的單次激發(fā)SE-EPI DWI序列和SE線掃描DWI序列。

圖50  SE-EPI DWI序列及其原理示意圖  圖a為序列結(jié)構(gòu)圖，90°脈沖激發(fā)后，在180°脈沖的前后各施加一個強度、持續(xù)時間和方向均相同的擴散敏感梯度場，180°復(fù)相脈沖將產(chǎn)生一個自旋回波信號，其他MR信號利用EPI技術(shù)進行采集。圖b為DWI原理示意圖。方框表示一個體素，圓圈表示其中的水分子，帶有箭頭者表示在擴散敏感梯度場方向上具有擴散運動的水分子。由于180°兩側(cè)的梯度場完全相同，沒有位置移動的水分子中質(zhì)子將不會因為梯度場而發(fā)生相位離散，而在擴散梯度場方向上位置移動的質(zhì)子相位將發(fā)生離散，從而引起組織信號信號衰減。

（一）單次激發(fā)SE-EPI DWI序列

場強在1.0 T以上的MRI儀目前多采用單次激發(fā)SE-EPI序列進行DWI（圖50）。該序列如果不施加擴散敏感梯度場，得到將是T2WI，在T2WI基礎(chǔ)上施加擴散敏感梯度場將得到DWI，b值一般選擇為1000 s/mm2左右，根據(jù)需要可在層面選擇方向上施加擴散敏感梯度場，也可在層面選擇、頻率編碼及相位編碼方向上都施加。該序列TR為無窮大，因此剔除了T1弛豫對圖像對比的污染，根據(jù)需要和掃描機的軟硬件條件，TE一般為50 ~ 100 ms。該序列成像速度很快，單層圖像的TA在數(shù)十到100毫秒。

（二）SE線掃描DWI序列

SE線掃描DWI的原理和SE-EPI DWI相同，僅采用的序列和MR信號采集方式有所不同。該技術(shù)主要用于低場強MRI儀，因為單次激發(fā)SE-EPI序列在低場強掃描機上效果較差。

SE線掃描DWI采用的是SE序列，也是在180°復(fù)相脈沖兩側(cè)施加擴散敏感梯度場。以顱腦橫斷面為例，先在上下方向施加層面選擇梯度場，在橫斷面施加90°脈沖，然后在左右方向施加另一個層面選擇梯度場，在矢狀面施加180°脈沖。由于施加90°激發(fā)的橫斷面和180°激發(fā)的矢狀面相互垂直，兩者相交的一條線上同時接受了90°和180°脈沖，因而回波來自于兩平面相交的一條線上的組織。保持90°激發(fā)的層面不變，而改變180°激發(fā)的矢狀面的位置，就采集到左右位置不同的許多條前后方向線狀組織的信號，相互疊加即成為一個平面。由于每個回波采集到的是一條線，因此稱為線掃描，線掃描采集的每個回波是一維的，只有頻率編碼（此處為前后方向），由于利用不斷變換位置的矢狀面激發(fā)來代替相位編碼，因而線掃描沒有相位編碼。

51 SE線掃描DWI序列示意圖 本示意圖以頭顱橫斷面為例。圖a示在層面選擇梯度場的作用下，90°脈沖施加在橫斷面上（兩條橫線之間的區(qū)域）。圖b示在另一個層面選擇梯度場的作用下，180°復(fù)相脈沖施加在矢狀面上（黑邊白色框區(qū)域），與90°脈沖激發(fā)的層面相交。圖c示90°脈沖和180°脈沖激發(fā)的兩個層面相交得到前后方向的一條線（黑邊灰色框區(qū)域）。在橫斷層面上不斷施加90°脈沖，而通過矢狀面層面選擇梯度場和180°脈沖頻帶的調(diào)整，180°脈沖施加在矢狀面位置從左向右不斷移動，得到從左向右排列的許多條前后方向的線，組合起來就是一個平面圖像。

五、DWI的臨床應(yīng)用

DWI在臨床上主要用于超急性腦梗塞的診斷和鑒別診斷，急性腦缺血缺氧造成的主要是細胞毒性水腫。在DWI上，超急性和急性梗塞的腦組織表現(xiàn)為高信號。與常規(guī)T1WI和T2WI相比，DWI可以更早的發(fā)現(xiàn)梗塞區(qū)的信號異常。

需要注意的是，其他一些腦組織病變在DWI上也可能表現(xiàn)為高信號，如多發(fā)硬化的活動病灶、部分腫瘤、血腫、膿腫等，在鑒別診斷時需要引起注意。

除腦部病變外，其他臟器如肝臟、腎臟、乳腺、脊髓、骨髓等也可進行DWI，將可能給這些部位病變的診斷和鑒別診斷提供信息，但目前在這些方面的經(jīng)驗還不多，還需要進一步研究。

利用DTI技術(shù)進行的腦白質(zhì)束成像不僅可用于腦科學(xué)的研究，在臨床上也能提供一些有價值的信息，如腫瘤對周圍白質(zhì)束的影響、術(shù)前提示手術(shù)時應(yīng)該避免損傷的重要白質(zhì)纖維束等。