小专题 | 磁共振扩散加权成像(DWI)基本原理及中枢神经系统应用综述(上）

来源：影像园

 导语 

到目前为止，磁共振扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)是能够在活体组织中进行水分子弥散测量的唯一方法。DWI反映了水分子的微观扩散运动，是从细胞及分子水平研究疾病的病理生理状态的一种技术，可用于判断功能及定性诊断。DWI主要用于脑缺血的早期诊断，近年来随着MR技术的飞速发展，DWI在中枢神经系统及全身各系统病变的应用日益广泛并受到重视。

1、DWI基本原理

分子热能激发而使分子发生一种微观、随机的平移运动并相互碰撞，称为分子的热运动或布朗运动。如果水分子的扩散运动不受任何约束，我们称为自由扩散。事实上，生物组织内的水分子因受周围介质的约束，其扩散运动将受到不同程度的限制，称之为限制性扩散。在人体中，脑脊液、尿液等水分子扩散运动所受到的限制相对小，被视为自由扩散，而一般组织中水分子的扩散运动则属于限制性扩散。在人体组织中由于组织结构的不同，限制水分子扩散运动的阻碍物的排列和分布也不同，水分子的扩散运动在各方向上受到的限制可能是对称的，称为各向同性扩散；也可能是不对称的，称为各向异性扩散。DWI技术就是检测人体组织内水分子的这种微观扩散运动的一种新型的MRI检查技术。

DWI是利用MRI对运动物质的敏感性，反映出移动状态的水所携带的质子在横向磁化产生的相位偏移。当在DWI序列时，随着梯度强度的加大，增加局部磁场的非均匀性，使T2弛豫过程明显缩短，加大由弥散所导致的信号衰减程度，结果在图像上呈现低信号，信号的下降与ADC值的关系可用下面的公式表示：ADC=ln(S2/S1)/(b1-b2)，S2与S1是不同b值条件下弥散加权像的信号强度；b为弥散敏感系数，弥散加权的程度由b值来决定，b值越高产生的弥散梯度场越强，造成信号下降越大，对病灶显示越清晰。通过结合至少两次以上的b值可得到弥散加权图像。DWI是平面回波成像(EPI)加自旋回波(SE)所产生的一种特殊T2加权图像，用于观察水分子的弥散过程，水分子弥散正常时，其图像显示为等信号，水分子弥散受限时DWI上就会出现异常高信号，EPI技术是目前公认的最快的空间信号采集成像方法，成像时间可达30ms，可以克服运动等伪影。

b值为施加的扩散敏感梯度场参数，或称扩散敏感系数。在常用的SE-EPI DWI序列中公式如下

b值=γ2G2δ2（Δ-δ/3）

式中γ代表旋磁比；G代表梯度场强度；δ代表梯度场持续时间；Δ代表两个梯度场间隔时间。

b值越高对水分子扩散越敏感，但太高的b值得到的DWI信噪比(SNR)可能很低，较小的b值得到的DWI信噪比较高，但对水分子扩散运动的检测不敏感，而且组织信号对水分子的扩散运动来说要明显的多，如组织血流灌注造成水分子运动等。这些运动模式相对水分子的扩散运动来说要明显的多。因此，扩散敏感梯度场参数(扩散敏感系数)b又称为弥散权重系数。

在DWI上造成组织信号衰减不仅仅是水分子的扩散运动，水分子在扩散敏感梯度场方向上各种形式的运动都造成组织信号的衰减，如组织血流灌注中水分子运动及其他生理运动等。SE-EPI由于采集速度很快，基本可以冻结组织多数的生理运动，但无法消除血流灌注对组织信号的影响。因此，通过对施加扩散敏感梯度场前后的信号强度检测，在得知b值的情况下可以计算组织的扩散系数，但不是真正的扩散系数，因其是受到其他形式水分子运动的影响的，所以只能把检测到的扩散系数称为表观扩散系数(Apparent diffusion coefficient，ADC)。MRI可对感兴趣区计算出每一像素的ADC值，根据各像素ADC值即可构成ADC图，使MR对水分子弥散变化的观察更直观，更精确。ADC图不是一个独立的检查序列技术，而是在DWI检查后，利用工作站处理而得到的、反映ADC高低的黑白灰节图

2、DWI在中枢神经系统的应用

             脑梗死              

DWI在中枢神经系统的应用中最为成熟而具有高度特异性的价值是用于检测超急性期脑梗死。由于脑缺血后导致局部缺血脑组织中水分子弥散降低，DWI能敏感地反映这种水分子的弥散状态的变化，其基本原理是：水分子中的氢质子受到弥散敏感梯度场作用下，不同部位的质子产生不同的共振频率，以致相位重聚时质子间失去相位的一致性(失相位)，从而在DWI上出现信号衰减。而水分子弥散运动减弱的区域(如缺血区)常无信号的衰减而呈高信号，在ADC图上为低信号区(ADC值降低)。生理机制尚不完全清楚，但可能存在的机制是：

1、脑缺血时发生的一系列病理生理变化导致细胞外水分子进入细胞内，产生细胞毒性水肿，细胞内水分子由于受到细胞膜、细胞器等水分子结构的限制，与细胞外水分子相比，其弥散降低；

2、缺血时细胞内大分子物质分解，黏稠度增加导致细胞内水分子弥散降低。

3、由于细胞外水分子进入细胞内，细胞外间隙变窄、迂曲，弥散降低。随着缺血的发展，大约在4h-6h后发生血管源性脑水肿，同时脑细胞发生坏死，使细胞外水分增多，此时在常规T2WI和FLAIR上也可出现高信号，进一步发展，则能在CT上表现为低密度灶。

因此，对于脑梗死，DWI反映的是细胞毒性水肿，T2WI反映的是血管源性水肿，CT反映的是脑组织的坏死和水肿。血管源性水肿的出现比细胞毒性水肿的出现晚6h-12h，所以对于超急性脑梗死（6h之内）的确诊，DWI明显优于常规MRI序列和头颅CT。常规MRI检查中以FLAIR发现脑梗死最敏感，但因其反映的仍是脑梗死的血管源性水肿，所以要在6h-12h左右方能发现，而DWI反映的是细胞毒性水肿，因此能更早发现脑梗死(在缺血发生2h即能发现)，这已经得到公认。

2.1.1 DWI对于新、旧梗死灶的鉴别

急性、亚急性、慢性梗死灶在常规MRI的T2WI上均表现为高信号，难以分辨新、旧梗死灶。DWI和ADC图像则不同，超急性、急性、亚急性期病灶在DWI图上呈高信号，在ADC图上呈低信号，而慢性期和恢复期病灶在DWI图呈低信号，ADC图呈高信号，根据这点可以鉴别新旧梗死灶。

        多发性硬化（MS）        

研究认为环形高信号是MS活动期病灶在DWI上的特征性表现，病灶中心主要是炎性细胞的渗出液和失去髓鞘的轴突，高信号的环代表急性脱髓鞘和炎症反应区，说明DWI可以在一定程度上反映MS病灶的病理改变。李郁欣等的研究中35个急性期病灶中仅2个(5.7%)呈等信号，33个(94.7%)均呈高信号(急性期炎症反应显著，以单核细胞和巨噬细胞浸润为主)；增强T1WI呈环形强化的病灶5个，在DWI上亦呈环形高信号；结节状、斑点状、弧线样及条片状强化病灶在DWI上大部分呈圆形或类圆形的高信号，131个慢性期病灶中呈高信号及稍高信号的79个(60.3%)，等信号43个(32.8%)，低信号9个(6.9%)，131例慢性期病灶中仍有79个（60.3%）呈高或稍高信号，说明MS病灶在DWI上可以长时间表现为高信号，也有作者认为由于MS在病变发展变化过程当中，新老病灶交替出现，慢性期DWI的高信号代表了新的活动性病灶的出现。

MS病灶的ADC值变化：急性期病灶和慢性期病灶的ADC值均升高。慢性期病灶的ADC值明显高于急性期病灶，急性期环形强化病灶的ADC值明显高于非环形强化的病灶，慢性期T1WI低信号病灶的ADC值明显高于T1WI等信号病灶，T1WI明显低信号病灶的ADC值最高。MS病灶内出现髓鞘脱失和轴索损伤，导致细胞外间隙扩大，水分子扩散增加，因此出现ADC值升高。组织病理学和DTI(扩散张量成像)的对照研究发现，髓鞘密度和轴索数目与ADC(平均扩散率图)值呈明显的负相关，与FA(部分各向异性图)值呈正相关。

        鉴别脑脓肿与坏死囊变性肿瘤        

典型脑脓肿与坏死囊变肿瘤的鉴别不难，但随着抗生素的大量应用以及各种继发性免疫缺陷人群的增多，隐源性脑脓肿发病率呈逐年上升趋势，临床缺乏典型感染中毒症状，导致二者鉴别困难。虽说囊壁有无结节是二者的鉴别之一，但是往往引起较大的争议。而DWI对其有较好的鉴别价值，其鉴别机理如下：脓腔内脓液是一种含有很多炎性细胞、细菌、坏死组织以及蛋白分泌物的黏稠液体，高黏稠度使脓液内水分子的弥散速度减慢，ADC值降低(ADC图上为低信号)，从而在DWI上表现为明显的高信号。此表现可作为脑脓肿的特征性表现，其诊断的特异度为90。91%，敏感度为93。33%，可作为与颅内囊变-坏死性肿瘤鉴别诊断的依据。也有个别报道脑脓肿的ADC值不仅不降低反而升高，于DWI上呈低信号或等信号。肿瘤的坏死囊变区以浆液性的坏死物为主，其黏稠度相对较低，较正常脑组织弥散加快，ADC值升高(在ADC图上为高信号)，从而在DWI上表现为低信号。

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