磁共振(MRI)的弥散加权成像(DWI)是通过施加梯度脉冲观察细胞内外水分子跨细胞膜移动(即水分子扩散运动引起的信号变化)并以图像显示的成像技术。DWI序列发明于上世纪90年代,被应用于神经系统疾病和其它系统疾病的影像诊断和鉴别诊断。经过20余年的发展,我们对于DWI的应用和认知也越来越成熟。本文主要列举磁共振DWI序列在中枢神经系统疾病的应用。
说到DWI序列,不得不提著名植物学家罗伯特·布朗(Robert·Brown),布朗对物理学的贡献是发现了著名的布朗运动。1827年布朗在用显微镜观察悬浮在水中的花粉颗粒时,发现花粉颗粒在水中不停地作无规则运动。自由水分子不停的随机运动,即布朗运动,因此,自由水的弥散是不受限制的。相反,细胞微环境内的水分子运动被包括细胞壁、细胞膜和细胞器在内的细胞分隔间的相互作用所阻碍,而在不同的组织中,水分子的弥散情况不同,通过特定的运动敏感序列,DWI凸显出了这种弥散对比。
图1. 布朗与布朗运动
DWI序列上的高信号包括两种原因,一种是真性弥散受限,对应的ADC值降低;另一种是假性弥散受限,对应ADC值不降低,主要是因为T2透射效应。真正弥散受限的病理生理机制主要包括三大类:一是细胞毒性水肿,二是细胞密集度与核浆比的增加,三是液体的粘稠度增高。 图2. 弥散受限原理
T2透射效应是由于T2的延长导致的DWI的高信号,其对应ADC值不降低。因此DWI上的高信号病灶可能反应了强T2透射效应,而不是真正的弥散受限(图3)。磁共振DWI高信号常见于脑梗死、脑脓肿、脑肿瘤等神经系统疾病,也见于脱髓鞘疾病、代谢中毒性疾病、CJD等。
图3. T2透射效应(多发性硬化患者)
一、脑梗死 急性脑梗死是神经内科最常见的疾病,DWI序列是诊断脑梗死的重要影像方法。在脑梗死最初几分钟内,脑组织能量代谢受到破坏,Na+-K+/ATP酶和其他离子泵发生衰竭,使细胞内外的离子失去平衡,大量的细胞外水进入到细胞内,形成细胞毒性水肿。整个梗死区的含水量并未增加,只是细胞内、外的含水量发生了变化。此时,CT、T2WI、T1WI和FLAIR都不能显示病灶,只在能显示水分子弥散运动的DWI才能显示病灶。
图4. 脑梗死MRI表现(发病2小时)
细胞毒性水肿,细胞内水分子增加,引起细胞肿胀,造成细胞外间隙变小,细胞外水分子减少,细胞外间隙扭曲变形,梗死区水分子弥散运动减低,ADC值变小,DWI显示为高信号,ADC图显示为低信号。最早在30分钟内即可显示DWI高信号。随着时间的延长,DWI信号逐渐减低。
图5.脑梗死DWI信号的演变 二、脑脓肿 在此先放两张环形强化的图,大家可以猜猜那那个是脑脓肿,哪个是脑肿瘤。 图6. 环形强化病灶对比
DWI序列是鉴别脑脓肿与高级别胶质瘤、转移瘤等良好手段。对于上图两个病例,其实加做一个DWI序列的话,就很好区分。左图患者DWI明显高信号,ADC图低信号,是脑脓肿;右图患者DWI低信号,ADC图高信号,是脑肿瘤。 图7. 环形强化对比(脑脓肿vs 胶质母细胞瘤)
脑脓肿主要是血源性感染,额、顶叶最常见,后颅窝小于15%,多位于灰白质交界处。一般为单发,多发少见(免疫抑制状态多见)。脓液表现为长T1长T2,FLAIR低信号,DWI高信号,ADC低信号;脓壁则包含了纤维成分,T1呈等/稍高信号,T2等/稍低信号,均匀环形强化(较光滑,深部薄,浅部厚);可以有子灶(卫星灶),破裂后形成小脓肿。脓肿壁光滑程度:化脓性>结核性>真菌性。DWI均匀程度:化脓性、结核性较均匀,真菌性较不均匀。临床上有时较难与转移瘤等疾病鉴别。
图8. 脑脓肿(弥散受限)
三、脑肿瘤 脑肿瘤的DWI信号主要取决于ADC值(细胞密度)与T2信号。低ADC值反应了高细胞密度、高核浆比和减少的细胞外间隙;高ADC值反应了低细胞密度、低细胞核浆比和增多的细胞外基质(如图9)。高级别胶质瘤(包括间变性胶质瘤、间变性少突胶质细胞瘤、胶质母细胞瘤等)、淋巴瘤、转移瘤、髓母细胞瘤、中枢神经细胞瘤、原始神经外胚层肿瘤PNET等脑肿瘤,通常表现为DWI高信号、低ADC值,即真正的弥散受限。相对ADC值比较:淋巴瘤<高级别胶质瘤<转移瘤。
图9. 脑肿瘤细胞密度与ADC值的相关研究
对于胶质瘤而言,低级别的胶质瘤细胞密度稍低,其DWI呈等或稍高信号,高级别的胶质瘤则细胞密度较高,其DWI呈高信号,ADC值降低。这不是绝对的,因为DWI高信号还包含了T2信号,因此,有些肿瘤DWI高信号部分同时包含ADC低信号(弥散受限的部分)和等/高信号(T2投射效应的部分)。
图10. 毛细胞星形细胞瘤(DWI等信号) 图11. 胶质母细胞瘤(DWI高、ADC低)
图12. 肺癌脑转移(DWI信号、ADC降低)
图13. 淋巴瘤(肿瘤细胞密集,DWI高、ADC低)
图14.髓母细胞瘤(DWI高、ADC低) 图15.中枢神经细胞瘤(肿瘤细胞密集,DWI高、ADC低) 不同疾病DWI高信号的机制不同,本文主要探讨了脑梗死、脑脓肿和脑肿瘤的DWI高信号机制,脑梗死急性期主要因为细胞毒性水肿,脑脓肿主要因为脓液内富含细菌、白细胞、纤维蛋白成分使得粘稠度增加,脑肿瘤则主要因为肿瘤细胞密集程度增加与核浆比的增加。后续文章会继续探讨脱髓鞘疾病等其它神经科疾病的DWI表现。
参考文献
工作再忙也别忘了学习! 生活再累也别忘了看书! 在此献上一首木心先生的诗! 从前慢 木心 记得早先少年时 大家诚诚恳恳 清早上火车站 从前的日色变得慢 |
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