磁共振弥散技术及临床科研热点分析

MR Diffusion：From Model to Clinical DWI/DTI/TDI/DSI/…
with more direction
扩散/弥散
什么是弥散及弥散系数？
弥散：水分子随机、无规律的热运动，即布
朗运动。

•图A：随机运动，各向同性扩散
•图B：不随机运动，各向异性扩散
弥散系数 (Diffusion Coefficience)：即衡
量分子弥散的程度
•弥散系数越大，单位时间内分子随机运动
距离越大
组织内的分子受限运动
a)自由扩散运动，纯液体
b)有阻碍的扩散运动，细胞外与细胞间
c)受限但是各向同性的扩散，分子在所有方
向上运动一致
d)受限扩散运动，纤维间
梯度对进动的影响
1 2 3
4 静止水分子
弥散水分子
射频场 梯度场
信号强度
900
1800
弥散梯度场对
弥散加权图像各参数之间的关系
SI = SI
× exp （－b × D）
是T2加权的信号强度（或者是b=0 sec/mm2），b代表弥
SI
散敏感因子，D代表弥散系数，其中b大小又等于
b =γ2G2δ2(δ–Δ/3)
γ是磁旋比，G是重力常量，δ是梯度脉冲的宽度，Δ是
两次梯度脉冲的重复时间。

什么是弥散模型？
弥散模型：
弥散程度随弥散时间变化的趋
势及规律。

反映了布朗运动的
受限制扩散状况
如表观弥散系数：
如：ADC Map：
Le Bihan提出基于单e指数模型的单次激发SS-EPI 的弥散加权成像模型。

Le Bihan提出双
e指数模型。

Bennett提出拉
伸指数模型。

Basser提出弥散张
量模型（DTI）。

Jensen提出弥散峰
度模型（DKI）。

Resolve分段读出
的EPI序列
segment-readout
EPI的弥散加权成
像模型。

pTX technique for
reduced FOV
DSI 弥散谱成像
TDI 纤维密度成像
弥散加权成像发展史
受限弥散模型：从组织结构
DWI ADC
Anisotropy
FA
ADC
弥散在脑梗塞的应用
正常组织
随机运动的水分子---低信号
细胞毒性水肿的组织
运动受限的水分子---高信号
A B
弥散成像在肿瘤的应用
肿瘤细胞由于失去了“接触抑制”。

导致细胞间的空间减小，位于细胞和细胞间的组织液弥散比正常细胞更加受限。

Diffusion弥散加权成像
广东省人民医院梁长虹教授，刘再毅博士团队比较肝
脏扩散加权成像, 自由呼吸，呼吸触发，膈肌导航，
及多次屏气呼吸等四种不同呼吸补偿技术和肝脏解剖
部位对ADC值测量可重复性的影响。

结论证实：自由
呼吸DWI技术ADC值可重复性最高，同时扫描时间
相对较短且稳定。

B=50 B=500 B=1000
不同组织灌注状况的影响
DWI
ADC
T2 Perfusion
ADC FA
+
Slow Fast
Anisotropy
IVIM(双指数弥散模型)
DWI
ADC
T2穿透效应
IVIM
灌注效应
双e指数模型弥散加权成像（IVIM）
IVIM模型是由Le Bihan 等人于1986年提出，其基于双e指数模型，可以同时获得灌注和扩散信息。

一个快扩散D*，一个慢扩散D，还有快扩散对应的比例系数f。

Sungmin Woo等研究显示对于肝细胞肝癌（HCC）
诊断，IVIM 中的D值相对于ADC值其对于区分高级别、低级别肝细胞肝癌更有价值。

3D VIBE 动脉期DWI b=800 ADC map
D map D* map f map
Sungmin Woo, et al. Radiology. 2014
IVIM前列腺肿瘤功能评估
南京医科大学第一附属医院施海彬教授团队使用IVIM技术针对前
列腺癌病理恶性度分级评估，认为D值能够更好地区分高级别与
低级别前列腺癌。

受限弥散模型：从方向性说起…
DWI
ADC
T2 Perfusion
ADC FA
+
Slow Fast
Anisotropy
Anisotropy
组织内扩散的各向异性
DWI ADC T2穿透效应
IVIM
灌注效应
DTI
各向异性
弥散模型的不断改进和拓展
从DWI
说起
神经纤维结构
A = exp(-bD)
DTI&DTT
图像中每个体素的弥散可以描绘一个空间的椭球体根据相邻体素的椭球体方向，可以将其连成一条线，
这条线就可以反映纤维束的方向
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Unrestricted © Siemens Healthcare GmbH, 2016 DTI 诊断化疗对于脑白质的影响
DTI fractional anisotropy measurements
chemo vs. no chemo
Brain region Chemo No chemo Cerebellothalamic tracts
0.484 ± 0.041 0.528 ± 0.048 Corpus callosum 0.654 ± 0.037 0.703 ± 0.034 Thalamocortical tracts
0.459 ± 0.049
0.469 ± 0.042
化疗前后脑白质内FA 值得变化
小脑丘脑束（红色）：连接齿状核核下丘脑。

丘脑皮质束（绿色）：连接丘脑和背外侧皮质。

胼胝体束（蓝色）。

ISMRM 2015: DTI-MRI may show chemo's side effects in kids.
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DTI 弥散张量成像
有效评估移植肾功能情况*
全新的磁共振架构，保证了磁共振系统的稳定性，特别是冠状位DTI 成像的稳定性。

实时反馈DTI 能够有效评估移植肾功能.
*WIP
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Unrestricted © Siemens Healthcare GmbH, 2016 组织复杂程度
Footer: <author / department HC XX>
DWI ADC
T2
Perfusion
Anisotropy
Complexity
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DKI （弥散峰度模型）
DWI ADC T2穿透效应
IVIM
灌注效应
DTI
各向异性 DKI
方向（组织）复杂程度
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Unrestricted © Siemens Healthcare GmbH, 2016 什么是峰度
理论上来说，人体内就没有完全正态分布的水弥散，其k 值大于、等于、小于正态分布曲线
峰度，又称峰态系数。

表征概率密度分布曲线在平均值处峰值高低的特征数。

直观看来，峰度反映了尾部的厚度。

弥散椭球张量
偏离峰度
DKI原理及应用
层面(轴位)K值显示芦笋汁更为复杂的弥散分布走向，ADC值无法反映
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科研成果：DKI 评估乳腺癌
T2W DWI ADC MK
MD
弥散峰度成像（Diffusional Kurtosis Imaging, DKI ）通过测量峰度的位移分布来表征非高斯弥散（non-Gaussian diffusion ）的特点。

现阶段研究热点，广泛应用于全身各器官，特别是肿瘤性疾病的评估，现有研究显示定量化非高斯弥散效应对于弥散受限非常敏感，更有助于鉴别肿瘤良恶性及分级。

西门子磁共振科研团队与上海瑞金医院严福华教授团队通过合作获得最新的乳腺癌DKI 研究成像并发表于2015年Radiology 杂志。

Radiology. 2015 May 4. 孙琨，严福华。

上海瑞金医院
DKI vs DTI
•DTI: S(b) / S(0) = exp( -bD)
•DKI: S(b) / S(0) = exp( -bD + 1/6b 2 D 2 K)
平均峰度（Mean Kurtosis）：一个复杂的微观指标，MK的大小取决于感兴趣区内组织的结构复杂程度，结构越复杂，非正态分布水分子扩散受限越显著，MK也即越大。

如肿瘤组织内细胞异型性、细胞核的多形性越明显，间质中血管增生越丰富，则MK越大。

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磁场中的水分子
组织中的水分子 Unrestricted © Siemens Healthcare GmbH, 2016 Footer: <author / department HC XX>
能够准确的追踪到纤维吗？
DTI模型假设纤维走形是这样的但实际纤维走形却是这样的
精细纤维、交叉纤维追踪
514 Directions with DSI For Human Connection Plan
MAGNETOM Prisma and Prisma fit
Advanced Neuro
Coil: Head/Neck 64, post-processing courtesy of TrackVis
DSI, b max=5000, TE: 80, TR: 8200 514 directions, 2 mm isotropic, iPAT 2
Diffusion Imaging –
Diffusion Spectrum Imaging
Ultra-high intra-voxel sensitivity, Up to 514 diffusion directions.
弥散成像技术方向
DWI
ADC
T2穿透效应
DTI
各向异性
IVIM
灌注效应
DKI
方向（组织）复杂程度
提高分辨率
DSI
解析复杂方向
4 scan trace
High b-value diffusion
b0
b1000
b2000
b4000 b6000 b10000
四维弥散梯度成像
Orthogonal 3-scan Trace 4-scan Trace 成像技术Diffusion Mode:
•4 diffusion direction
• up to 1.75 higher gradient amplitude
• furthuer TE reduction ~ more SNR
4-scan-trace模式表现出更低的ADC值及更高的SNR，拟合中矫正了灌注所带来的影响，较之其他编码模式更为精确
弥散成像技术方向
DWI
ADC
T2穿透效应
DTI
各向异性
IVIM
灌注效应
DKI
方向（组织）复杂程度
RESOLVE
提高分辨率
DSI
解析复杂方向
4 scan trace
RESOLVE
超清弥散
超高分辨率DWI：应用于更多部位。

消除颈部等部
位变形
有效评估更小区域病灶，减少磁敏感伪影带来的影
响
超高分辨率DTI 脑部及脊柱.
Dr. Cohen-Adad, Martinos Center for Biomedical Imaging, Boston, U.S.
1.读出方向上的分段EPI扫描
▪读出方向上使用串联的节段
▪更短的读出梯度脉冲和读出方向EPI长度减少
▪更短的读出时间减少磁敏感伪影
2. 2D导航回波
▪读出每次K空间中心数据▪满足Nyquist采样
▪非线性相位校正
Prisma New version: RESOLVE 超清弥散
Readout direction (k x )
Readout segments on one side of k -space are
omitted
k -space trajectory
P h a s e -e n c o d e d i r e c t i o n (k y )
1st shot
2nd shot
3rd shot
4th shot
5th shot
部分傅里叶读出
允许进一步降低k 空间读出数据的采集: •降低采集时间
•或者可进一步提高方向数及b 值
1
澳大利亚儿童医疗中心
RESOLVE 颅脑弥散
在小脑颅后窝等挑战部位依然清晰
12岁儿童，成神经细胞管瘤，转移灶
传统DWI
b-value 1000, GRAPPA 2, matrix 160
RESOLVE DWI
b-value 1000, GRAPPA 2, matrix 224
RESOLVE 颅脑超清弥散：显著去金属伪影
Tongji Hospital, Wuhan, China
ADC
b0
b1000
Conventional
RESOLVE
T2 TSE
Resolve超清弥散加权成像—评估乳腺癌
西门子科研团队与上海瑞金医院合作，相关文章发表在2015
SS-EPI Resolve
kurtosis showed significantly higher sensitivity (83.3% [20 of 24] vs 70.8% [17 of 24] and 70.8% [17 of 24], respectively) and specificity (96.8% [31 of 32] vs 84.4% [24 of 32] and 81.3% [26 of 32], respectively). Kurtosis
Resolve 超清弥散加权成像—评估直肠癌
RESOLVE科研成果(体部)
弥散成像技术方向
DWI
ADC
T2穿透效应
DTI
各向异性
IVIM
灌注效应
DKI
方向（组织）复杂程度
RESOLVE
提高分辨率
DSI
解析复杂方向
4 scan trace
ZOOMit
提高FOV
ZOOMit: 小视野内成像
ZOOMit
Shape
your
image。