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磁共振弥散加权成像（Diffusion Weighted MR Imaging，DWI）在显示急性脑梗死和与其他脑急性病变的鉴别上非常敏感，同时对于全身各部位的大部分肿瘤的鉴别也起着非常重要的作用，已成为常规MRI成像序列的重要补充。然而，传统DWI图像存在信噪比低、易产生磁敏感伪影、分辨率不高等问题，限制了弥散图像临床诊断应用和高级弥散模型研究的发展。为了突破这些限制，GE最新MR平台上推出了eDWI技术，主要的技术变革包括：引入3in1和Tetra弥散梯度模式，三个梯度线圈同时施加最大弥散梯度，显著降低TE值，提高信噪比的同时还能降低图像变形，且缩短扫描时间；单序列支持扫描多达40个b值，为了提高采集效率，可对不同b值单独设置重复采集次数NEX，方便进行高级弥散模型科研临床研究。自该技术推出以来，基于eDWI的弥散成像应用得到了极大的扩展，诸如DKI弥散峰度成像、AQP水通道蛋白成像、FOCUS DWI小视野弥散成像和High Resolution DWI超高清弥散成像等高级应用已取得丰硕成果。 一、DKI弥散峰度成像 峰度（Kurtosis）是用来形容曲线峰态的统计量。如图1所示弥散峰度为0时，水分子弥散位移分布曲线呈高斯型分布（实线），由于生物组织内细胞壁等结构对水分子的弥散限制作用，真实的位移分布偏离了高斯曲线（虚线），其偏离高斯分布的程度即称为弥散峰度（Diffusional Kurtosis）[1]。 DKI的数据采集需要b0和至少2个非零b值，且最大b值≥2000s/mm2 (Brain DKI要求)，至少15个非平面弥散方向。引入弥散峰度项以后，任一方向的弥散磁共振信号可以表示为： ln[S(b)]=ln[S(0)]-bDapp+1/6*b2Dapp2Kapp+O(b2) 其中Kapp是此方向上的弥散峰度，Dapp是弥散系数，高阶项忽略。在计算得到至少15个非同平面方向的Kapp和Dapp后，可以估算得到二阶弥散张量D和四阶弥散峰度张量W。基于这两个张量，可以计算出沿空间任一方向的Dapp和Kapp，包括弥散张量椭球体三个正交轴方向上的弥散峰度和弥散系数，以及平均弥散峰度和弥散系数。在GE AW工作站的Functool平台中，可通过DKI后处理软件得到12个测度，包括DKI模型推导的8个测度和4个用DTI模型计算出的参数，可与DKI模型推导参数作对比研究。8个测度的定义和意义如下： 1) FA (Fractional Anisotropy, 弥散各向异性)：DTI技术用三维椭球体来代表空间内水分子弥散的特征，沿椭球体三轴方向弥散系数之间的差异性称为FA，无量纲，反映组织结构的方向性，FA值越大，方向性越强。 2) MD (Mean Diffusivity, 平均弥散系数)：椭球体三轴方向弥散系数的平均值(单位μm2/ms)，反映水分子在组织空间内的平均弥散系数，与组织内水分含量有关。 3) Da (Axial Diffusivity or λ||, 轴向弥散系数)：沿椭球体主轴方向上的弥散系数(单位μm2/ms)，也就是水分子空间内弥散最快方向上的弥散系数，可反映轴突传导方向结构变化。 4) Dr (Radial Diffusivity or λ⊥, 径向弥散系数)：椭球体两个短轴方向上弥散系数的平均值(单位μm2/ms)，代表了弥散受限方向上的平均弥散系数，髓鞘损伤使得垂直方向上结构对弥散限制减弱，Dr会升高。 5) MK (Mean Kurtosis, 平均弥散峰度)：组织沿空间各方向弥散峰度的平均值，MK值越大表明弥散受限越严重，成分结构越复杂，它是目前DKI临床科研应用中最常用的弥散峰度参数。 6) Ka (Axial Kurtosis or K||, 轴向弥散峰度)：沿椭球体主轴方向上的弥散峰度值，因为此方向上水分子弥散最快，表明弥散受到的限制也相对较少，Ka值也比较小，灰白质之间对比不明显。 7) Kr (Radial Kurtosis or K⊥，径向弥散峰度)：垂直于主要弥散方向所有弥散峰度的平均值，这些方向上弥散受限最严重，因而Kr值较Ka值高。白质纤维径向上弥散受限明显，白质的Kr值高于灰质。 8) FAk (FA of Kurtosis，弥散峰度各向异性)：沿DTI椭球体三轴方向弥散峰度之间的各向异性，定义类似于FA，无量纲。 相比于DTI，DKI的优势在于能敏感探测大脑灰质等弥散各向同性组织的病变，以及准确描述白质纤维束交叉区域的结构特性。目前，DKI的应用越来广泛，已经从神经中枢的应用逐步发展到体部[2]，图3展示了GE MR的腹部DKI功能图像。我们团队和国内客户在头部和体部DKI方面的合作研究也取得了国内领先的成果[3, 4]。 二、 AQP水通道蛋白成像 水通道蛋白（aquaporin, AQP）细胞膜上选择性高效运转水分子的特异孔道，对水具有通透性作用。水分子通过细胞膜主要是通过AQP主导的主动转运机制，而不是传统的自由弥散（被动运输）。细胞膜上具有丰富的、不同亚型AQP分布，不同生理和病理状态下的细胞膜AQP表达、分布和水分子通过AQP转运速度不同[5]。研究发现，AQP与多种疾病发生、发展均有关系，一些自身免疫性疾病、肿瘤、神经中枢退行性疾病、心血管和脑血管疾病都与AQP有关。因而，利用磁共振影像技术探测AQP水通道蛋白表达和分布的变化，具有重要的潜在应用价值。 有研究表明，水分子在细胞膜AQP中主动转运速度大约是0.4x10-3 mm2/s，比水分子自由弥散速度2.5x10-3 mm2/s小了一个数量级，利用超高b值磁共振弥散成像可以捕捉到AQP水分子主动转运过程。为了更好地描述水分子AQP主动转运的特征，在IVIM体素内不相干运动理论双指数模型的基础上，我们提出了AQP三指数模型。如图4所示，在<2000 s/mm2的传统b值范围内水分子弥散信号呈双指数衰减特征，即<200 s/mm2小b值范围内弥散信号快速衰减，反映毛细血管血流情况，>200 s/mm2常规b值范围内弥散信号线性衰减，反映生物组织内的水分子真实弥散过程；在2000 – 5000 s/mm2的超高b值范围内，弥散信号也是线性衰减，但速度显著下降，曲线更为平缓，反映了相对弥散速度较低的AQP水分子转运过程。三指数模型的数学公式表达式为， 其中的D、D*和ADCuh分别代表水分子真实弥散系数、灌注相关弥散系数和AQP水分子主动转运弥散系数[6]，更全面地反映生物组织内的水分子运动情况。 由于AQP MRI需采集超高b值（~5000 s/mm2），而传统DWI中超高b值弥散图像易受到变形失真和信噪比低等问题干扰。要采集高质量的超高b值弥散图像，就需要高度磁场均匀性、超高梯度场线性和保真度，而eDWI技术中的3in1扫描模式则能显著提高信噪比和减轻变形，多值NEX独立设置特性可以在超高b值采集时单独设置高NEX来进一步增强图像信噪比，保证三指数模型计算的准确性。 自eDWI技术出现以后，我们和国内客户合作进行了广泛的AQP机理和科研临床研究，发表了众多成果。在原发性Parkinson疾病的AQP研究当中，我们发现病人组苍白球、壳核和黑质区域的ADCuh均显著低于正常对照组中对应区域的ADCuh，p值<0.001，而其他测度（f、D和D*）均无显著的组间差异，说明ADCuh对Parkinson疾病诊断具有更高的敏感性和特异性。降低的ADCuh反映了AQP水分子转运速度的减慢，可能与Parkinson病人多巴胺神经元含量减少有关，因为多巴胺神经元细胞膜上有AQP4和AQP9亚型的大量表达分布[6]。 三、FOCUS DWI小视野弥散成像 影响磁共振图像分辨率的因素是视野尺寸和采集矩阵。对于单次激发EPI序列来说，采集矩阵的大小直接决定了整体读出窗口的长度。采集矩阵越大，整体读出窗口的长度越长，单次激发EPI序列的伪影也越重。如果希望提高图像的分辨率，除了加大采集矩阵之外，还可以通过减小FOV实现。对于常规的DWI成像来讲，FOV不能任意的小，当FOV小于成像物体尺寸时，图像在相位编码方向会产生卷褶伪影。但如果在激发过程中，如果能保证 FOV 之外的物体不被激发，或者激发之后的信号不能会聚，那么即使FOV小于物体的尺寸，由于FOV之外的物体对最终的图像没有贡献，因此最后的图像上不会出现卷褶伪影。小 FOV 技术采用一种全新的射频进行激励[7]，即2D选择性激励（2DRF）, 射频脉冲的形状如图5所示。2DRF可以在选层激励时实现条状激励，图5示意了 2DRF在空间中选择性激励条状区域的结果。2DRF脉冲减小PE方向FOV，有效地克服图像卷折的问题，同时减小回波链长度，有效改善图像变形，提供了成像 的分辨率。另外，为了遏制化学位移伪影对EPI成像的困扰，FOCUS DWI使用窄带宽180度射频脉冲选择性激励，只激发既定扫描片层中的水信号。这一特殊射频脉冲的使用，也抑制了脂肪信号从而消除了化学位移伪影，改善体部和脊柱等部位的弥散成像质量，有利于微小病灶的检出，图6展示了FOCUS DWI技术得到的脊髓DTI图像，图3中的肾脏DKI图像则是FOCUS DWI的DKI扩展应用。 四、High Resolution DWI超高清弥散成像 传统DWI采集矩阵为128x128，由GE公司和美国Duke University联合研发的全脑超高清弥散成像技术，采集矩阵高达512x512，图像分辨率大幅提高16倍，清晰度可媲美高清解剖图像。如图7所示，左图为传统DWI图像，细节显示不清；右图为超高清弥散图像，显示更多细节。 全脑超高清弥散成像不只是一个扫描序列，而是一个需要特定软硬件配合的成像系统，包括三部分：96单元三维加速纳米成像相控阵线圈；超高清弥散成像序列；AIMS超快速数据处理系统。（1）96单元纳米成像相控阵靶线圈具有独特的三维曲面设计，在大脑皮层部位具有更高的灵敏度，并且大大缩短病人扫描时间。业内最高的96单元线圈配合三维加速技术可以捕获脑部功能活动时细微信号变化，是业内灵敏度最高、清晰度最高、分辨率最高的颅脑线圈。（2）超高清弥散成像序列使用多次激发EPI序列进行DWI信号采集，在一次脉冲激发后利用读出梯度线圈的连续反向切换采集多个梯度回波信号，填充部分K空间，通过多次重复激发和采集完成整个K空间的填充。此外还引入运动相位矫正算法，减轻DWI图像的运动伪影和变形。（3）超高清弥散成像在多次激发采集过程中，为了保证每次激发采集信号的相位编码差异，不同激发间的准备梯度存在差异，使得多次激发填充的K空间Ky方向上幅值和相位不连续，使得原始DWI图像有很多鬼影，需要后处理进行矫正。由于成像系统使用96单元线圈和多次激发EPI序列，产生了海量K空间数据，对图像后处理重建能力和速度提出了极高要求。AIMS 超快速处理系统拥有高端I7处理器，并行处理能力大大增强，处理速度相比以前提高近20倍。AIMS 系统运行自动图像管理系统，实现了自动数据传输、图像重建、数据归档以及后处理重建，无缝连接用户和超高清弥散成像系统。 得益于超高清弥散成像的超高分辨率，使得我们可以利用DWI观察微血管、微出血以及皮层纤维的精细结构。图8展示了两例病人的两种DWI图像对比，可以看到超高清弥散成像对微小病灶和皮层的刻画都更为精细，脑膜瘤中的微血管也清晰可见。 总结
参考文献： 1. Jensen, J.H., et al., Diffusional kurtosis imaging: the quantification of non-gaussian water diffusion by means of magnetic resonance imaging. Magn Reson Med, 2005. 53(6): p. 1432-40. 2. Jensen, J.H. and J.A. Helpern, Progress in diffusion-weighted imaging: concepts, techniques and applications to the central nervous system. NMR Biomed, 2010. 23(7): p. 659-60. 3. Gao, Y., et al., Diffusion abnormalities in temporal lobes of children with temporal lobe epilepsy: a preliminary diffusional kurtosis imaging study and comparison with diffusion tensor imaging. NMR Biomed, 2012. 25(12): p. 1369-77. 4. Huang, Y., et al., MRI quantification of non-Gaussian water diffusion in normal human kidney: a diffusional kurtosis imaging study. NMR Biomed, 2015. 28(2): p. 154-61. 5. Agre, P., S. Sasaki, and M.J. Chrispeels, Aquaporins: a family of water channel proteins. Am J Physiol, 1993. 265(3 Pt 2): p. F461. 6. Xueying, L., et al., Investigation of Apparent Diffusion Coefficient from Ultra-high b-Values in Parkinson's Disease. Eur Radiol, 2015. 25(9): p. 2593-600. 7. Saritas, E.U., et al., DWI of the spinal cord with reduced FOV single-shot EPI. Magn Reson Med, 2008. 60(2): p. 468-73. (作者：张忠平，赵周社，周振宇) |
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