磁共振DWI的原理和应用

• 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。
• 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（apparent diffusion coeffecient，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……
扩散加权成像术
Diffusion Weighted Imaging
• 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，Le Bihan等首次将DWI应用在生物组织 中。
• 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。
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。
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-EPI DWI序列 • 场强在1.0T以上的MRI仪目前多采用单次激发SEEPI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。
扩散加权梯度与SE序列融合时
90° RF 扩散梯度 Gs 扩散梯度 180°
两个扩散敏感梯 度位于180°的两 侧．
φs φm
扩散加权梯度与GRE序列融合时
α
RF 扩散梯度 Gs 扩散梯度
两个扩散敏感梯 度场极性相反， 互相抵消．
φs φm
• 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。
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（diffusion tensor imaging，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。
• 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。
• 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、Blade DWI技术 GE公司称为Propeller DWI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
• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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-EPI DWI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。
• 二、SE线扫描DWI序列 • LS DWI的原理与SE-EPI DWI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。 • LS DWI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。
• 【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。
• 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＝0 s/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。