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第六節(jié) MR擴(kuò)散加權(quán)成像技術(shù)

MR擴(kuò)散加權(quán)成像（diffusion-weighted imaging, DWI）是20世紀(jì)90年代初中期發(fā)展起來(lái)的MRI新技術(shù)，國(guó)內(nèi)于90年代中期引進(jìn)該技術(shù)并在臨床上推廣應(yīng)用。DWI是目前唯一能夠檢測(cè)活體組織內(nèi)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的無(wú)創(chuàng)性方法。

一、擴(kuò)散的基本概念

擴(kuò)散（diffusion）是指分子熱能激發(fā)而使分子發(fā)生一種微觀、隨機(jī)的平移運(yùn)動(dòng)并相互碰撞，也稱分子的熱運(yùn)動(dòng)或布朗運(yùn)動(dòng)。任何分子都存在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)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(kuò)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(shí)，宏觀的擴(kuò)散不再觀察得到，但實(shí)際上微觀的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)依然存在。通過(guò)一些特殊的技術(shù)可以檢測(cè)這種分子的微觀擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。DWI技術(shù)就是檢測(cè)這種微觀擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方法之一。由于一般人體MR成像的對(duì)象是質(zhì)子，主要是水分子中的質(zhì)子，因此DWI技術(shù)實(shí)際上檢測(cè)的是人體組織內(nèi)水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

如果水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)不受任何約束，我們把這種擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)稱為自由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。但在生物體中，水分子由于受周圍介質(zhì)的約束，其擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)將受到一定程度的限制，我們把這種擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)稱為限制性擴(kuò)散。在人體中，我們可以把腦脊液、尿液等的水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)視作自由擴(kuò)散，而人體一般組織中水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)屬于限制性擴(kuò)散。實(shí)際上DWI就是通過(guò)檢測(cè)人體組織中水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙物的排列和分布也不同，水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在各方向上受到的限制可能是對(duì)稱，也可能是不對(duì)稱的。如果水分子在各方向上的限制性擴(kuò)散是對(duì)稱的，我們稱之為各向同性擴(kuò)散（isotropic diffusion）。如果水分子在各方向上的限制性擴(kuò)散是不對(duì)稱的，我們稱之為各向異性擴(kuò)散（anisotropic diffusion）。各向異性擴(kuò)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(xì)胞膜和髓鞘沿著神經(jīng)軸突的長(zhǎng)軸分布并包繞軸突，水分子在神經(jīng)纖維長(zhǎng)軸方向上擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相對(duì)自由，而在垂直于神經(jīng)纖維長(zhǎng)軸的各方向上，水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)將明顯受到細(xì)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(jiǎn)單介紹。

MRI檢測(cè)到的信號(hào)最后都分配到每個(gè)像素中，每個(gè)像素實(shí)際上代表受檢組織的一個(gè)體素，我們就以一個(gè)體素為例，并結(jié)合目前最常用于DWI的SE-EPI序列來(lái)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(chǎng)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?cè)谀硞€(gè)方向上施加一個(gè)梯度場(chǎng)，實(shí)際上是人為在該方向上制造磁場(chǎng)不均勻，那么體素內(nèi)該方向上質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)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(hào)減弱。

如果我們?cè)赟E-EPI序列180°復(fù)相脈沖的兩側(cè)各施加一個(gè)梯度場(chǎng)，這兩個(gè)梯度場(chǎng)的方向、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間完全相同（我們稱之為擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)），那么前面所述的梯度場(chǎng)造成的失相位可以分為兩種情況。（1）在體素內(nèi)梯度場(chǎng)施加方向上位置沒有移動(dòng)的質(zhì)子，對(duì)于這些質(zhì)子，由于180°兩側(cè)施加的梯度場(chǎng)完全相同，可以認(rèn)為梯度場(chǎng)造成是一種恒定的磁場(chǎng)不均勻，180°復(fù)相脈沖可以剔除這種恒定的磁場(chǎng)不均勻引起的質(zhì)子失相位，那么實(shí)際上梯度場(chǎng)的施加并不會(huì)引起這些質(zhì)子的信號(hào)衰減。（2）在體素內(nèi)梯度場(chǎng)施加方向上有位置移動(dòng)的質(zhì)子。這些質(zhì)子在移動(dòng)過(guò)程中將經(jīng)歷磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，進(jìn)動(dòng)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(duì)于這些質(zhì)子，180°脈沖兩側(cè)的梯度場(chǎng)引起的就不是恒定的磁場(chǎng)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(chǎng)施加方向上的位置移動(dòng)將引起質(zhì)子信號(hào)的衰減。體素中水分子都存在一定程度的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，其方向是隨機(jī)的，而在擴(kuò)散梯度場(chǎng)方向上的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)將造成體素信號(hào)的衰減。

如果水分子在敏感梯度場(chǎng)方向上擴(kuò)散越自由，則在擴(kuò)散梯度場(chǎng)施加期間擴(kuò)散距離越大，經(jīng)歷的磁場(chǎng)變化也越大，則組織的信號(hào)衰減越明顯。反之，在DWI上組織的信號(hào)衰減越明顯則提示其中的水分子在梯度場(chǎng)方向上擴(kuò)散越自由。DWI通過(guò)測(cè)量施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)前后組織發(fā)生的信號(hào)強(qiáng)度變化，來(lái)檢測(cè)組織中水分子擴(kuò)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(diǎn)及其變化。

三、DWI的技術(shù)要點(diǎn)

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(diǎn)。

（一）DWI上組織信號(hào)衰減的影響因素

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

（1）擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)的強(qiáng)度，強(qiáng)度越大組織信號(hào)衰減越明顯；

（2）擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)持續(xù)的時(shí)間，時(shí)間越長(zhǎng)組織信號(hào)衰減越明顯；

（3）兩個(gè)擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)的間隔時(shí)間，間隔時(shí)間越長(zhǎng)，組織信號(hào)衰減越明顯；

（4）組織中水分子的擴(kuò)散自由度，在擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)施加方向上水分子擴(kuò)散越自由，組織信號(hào)衰減越明顯。

（二）b值及其對(duì)DWI的影響

上述影響DWI上組織信號(hào)衰減的因素中的前三項(xiàng)都與擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)有關(guān)。在DWI技術(shù)中，我們把施加的擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)參數(shù)稱為b值，或稱擴(kuò)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(chǎng)強(qiáng)度；δ代表梯度場(chǎng)持續(xù)時(shí)間；D代表兩個(gè)梯度場(chǎng)間隔時(shí)間。

b值對(duì)DWI的影響很大，b值越高對(duì)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)越敏感，b值增高也帶來(lái)一些問題：

（1）組織信號(hào)衰減越明顯，太高的b值得到的DWI信噪比（SNR）很低；

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

（3）即便機(jī)器硬件和圖像的信噪比許可，梯度脈沖對(duì)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(duì)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)不敏感，而且組織信號(hào)的衰減受其他運(yùn)動(dòng)的影響較大，如組織血流灌注造成水分子運(yùn)動(dòng)等，這些運(yùn)動(dòng)模式相對(duì)水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)要明顯得多。

因此b值的選擇對(duì)于DWI非常重要，但實(shí)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(kuò)散敏感梯度場(chǎng)方向上的運(yùn)動(dòng)才有相位的變化，因此DWI所反映的水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)具有方向性。DWI只能反映擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)方向上的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，其他方向上的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)則不能檢測(cè)出來(lái)。為了全面反映組織在各方向上的水分子擴(kuò)散情況，需要在多個(gè)方向上施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)。

在前面擴(kuò)散的基本概念中曾提到各向異性擴(kuò)散的概念，由于DWI具有方向性，所以可以很好的反映組織擴(kuò)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(kuò)散相對(duì)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(kuò)散敏感梯度場(chǎng)，則內(nèi)囊后肢的信號(hào)衰減比較明顯，表現(xiàn)為明顯低信號(hào)。如果在左右方向上施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)，由于內(nèi)囊后肢的水分子在此方向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)明顯受限，信號(hào)衰減很少，因而表現(xiàn)為相對(duì)高信號(hào)。

如果我們?cè)诙鄠€(gè)方向（6個(gè)以上方向）分別施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)，則可對(duì)每個(gè)體素水分子擴(kuò)散的各向異性作出較為準(zhǔn)確的檢測(cè)，這種MRI技術(shù)稱為擴(kuò)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(duì)于腦科學(xué)的研究將發(fā)揮很大的作用。

（四）擴(kuò)散系數(shù)和表觀擴(kuò)散系數(shù)

通過(guò)對(duì)施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)前后的信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)，在得知b值的情況下，我們可以計(jì)算組織的擴(kuò)散系數(shù)。需要指出的是，在DWI上造成組織信號(hào)衰減不僅僅是水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，水分子在擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)方向上各種形式的運(yùn)動(dòng)（或位置移動(dòng)）都將造成組織信號(hào)的衰減，如組織血流灌注中的水分子運(yùn)動(dòng)及其他生理運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，但無(wú)法消除血流灌注對(duì)組織信號(hào)的影響。

因此利用DWI上組織信號(hào)強(qiáng)度變化檢測(cè)到的不是真正的擴(kuò)散系數(shù)，而將會(huì)受到其他形式水分子運(yùn)動(dòng)的影響。正因?yàn)榇?，我們只能把檢測(cè)到的擴(kuò)散系數(shù)稱為表觀擴(kuò)散系數(shù)（apparent diffusion coeffecient，ADC）。其計(jì)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(hào)強(qiáng)度（b值可以是零）；SI高表示高b值DWI上組織的信號(hào)強(qiáng)度；b高表示高b值；b低表示低b值；ln表示自然對(duì)數(shù)。從式中可以看出，要計(jì)算組織的ADC值至少需要利用2個(gè)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(gè)強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和方向均相同的擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)，180°復(fù)相脈沖將產(chǎn)生一個(gè)自旋回波信號(hào)，其他MR信號(hào)利用EPI技術(shù)進(jìn)行采集。圖b為DWI原理示意圖。方框表示一個(gè)體素，圓圈表示其中的水分子，帶有箭頭者表示在擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)方向上具有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的水分子。由于180°兩側(cè)的梯度場(chǎng)完全相同，沒有位置移動(dòng)的水分子中質(zhì)子將不會(huì)因?yàn)樘荻葓?chǎng)而發(fā)生相位離散，而在擴(kuò)散梯度場(chǎng)方向上位置移動(dòng)的質(zhì)子相位將發(fā)生離散，從而引起組織信號(hào)信號(hào)衰減。

（一）單次激發(fā)SE-EPI DWI序列

場(chǎng)強(qiáng)在1.0 T以上的MRI儀目前多采用單次激發(fā)SE-EPI序列進(jìn)行DWI（圖50）。該序列如果不施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)，得到將是T2WI，在T2WI基礎(chǔ)上施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)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(kuò)散敏感梯度場(chǎng)，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(wú)窮大，因此剔除了T1弛豫對(duì)圖像對(duì)比的污染，根據(jù)需要和掃描機(jī)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(hào)采集方式有所不同。該技術(shù)主要用于低場(chǎng)強(qiáng)MRI儀，因?yàn)閱未渭ぐl(fā)SE-EPI序列在低場(chǎng)強(qiáng)掃描機(jī)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(kuò)散敏感梯度場(chǎng)。以顱腦橫斷面為例，先在上下方向施加層面選擇梯度場(chǎng)，在橫斷面施加90°脈沖，然后在左右方向施加另一個(gè)層面選擇梯度場(chǎng)，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(shí)接受了90°和180°脈沖，因而回波來(lái)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(hào)，相互疊加即成為一個(gè)平面。由于每個(gè)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(gè)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(lái)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(chǎng)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(gè)層面選擇梯度場(chǎng)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(gè)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(guò)矢狀面層面選擇梯度場(chǎng)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(dòng)，得到從左向右排列的許多條前后方向的線，組合起來(lái)就是一個(gè)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(xì)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(hào)。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(hào)異常。

需要注意的是，其他一些腦組織病變?cè)贒WI上也可能表現(xiàn)為高信號(hào)，如多發(fā)硬化的活動(dòng)病灶、部分腫瘤、血腫、膿腫等，在鑒別診斷時(shí)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(jìn)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(yàn)還不多，還需要進(jìn)一步研究。

利用DTI技術(shù)進(jìn)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(jià)值的信息，如腫瘤對(duì)周圍白質(zhì)束的影響、術(shù)前提示手術(shù)時(shí)應(yīng)該避免損傷的重要白質(zhì)纖維束等。