[转载]DWI的基本原理及技术
2018-09-06 00:14阅读：
弥散是物质的转运方式之一，是分子等微观颗粒由高浓度向低浓度区随机的微观移动，即布朗运动，单位为mm2／s或cm2／s。
MR DWI是利用水分子的弥散运动特性进行成像的。DWI使MRI对人体的研究深入到细胞水平的微观世界，反映着人体组织的微观几何结构以及细胞内外水分子的转运等变化。
Hahn首先于1950年在关于自旋回波序列设计的报道中阐明了水弥散对磁共振信号的影响作用。
Stejskal和Tanner于1965年最早描述了
DW序列，将其发展成为可测量的磁共振技术。
目前常规采用的成像技术是在SE序列中180°脉冲两侧对称地各施加一个长度、幅度和位置均相同的对弥散敏感的梯度脉冲，当质子沿梯度场进行弥散运动时，其自旋频率将发生改变，结果在回波时间内相位分散不能完全重聚，进而导致信号下降。
用相同的成像参数两次成像，分别使用和不用对弥散敏感的梯度脉冲，两次相减就剩下做弥散运动的质子在梯度脉冲方向上引起的信号下降的成分，即由于组织间的弥散系数不同而形成的图像，故称DWI。
弥散系数（diffusion
coefficient，D）的公式为：LnS(TE,G)/S(TE,0)＝－bD
S(TE,G)为用梯度脉冲的图像上的信号强度，S(TE,0)为不用梯度脉冲的图像上的信号强度；b为弥散敏感因子，公式为b＝γ2G2δ2（Δ－δ/3）其中γ为旋磁比，δ是梯度脉冲持续时间，G是梯度脉冲的强度， Δ为两个梯度脉冲的间隔时间。
影响DWI信号的相关因素
表观弥散系数(apparent diffusion
coefficient，ADC)：由公式得知，DWI的信号与弥散系数(D)呈负指数关系，即D值增大，DWI信号下降。
在活体内，DWI信号除受弥散的影响外，还可能对一些生理活动，（如心脏搏动、呼吸、灌注、肢体移动等）敏感，所测得的弥散系数并不仅仅反映水分子的弥散状况，基于以上原因，Le Bihan 提出用ADC来描述活体DWI中的弥散状况。DWI中的信号降低与ADC值的关系表示如下：ADC＝Ln（S2/S1）/（b1－b2）。S1、S2是不同弥散敏感系数（b1、 b2）条件下DWI的信号强度。ADC值增大，代表水分子弥散增加，而DWI信号降低，反之亦然。
ADC具有代表性的关键特性是它的定量化。因此，ADC可以被用作肿瘤的诊断和评价，对群体的横向比较，或对正在接受治疗的个体的纵向比较。
影响DWI信号的相关因素
各向异性(anisotropy)：弥散是一个矢量，不仅有大小，也有方向。各向异性是水分子弥散矢量的重要体现，即水分子在某个位置上可以向任意一个方向运动，但是其向各个方向运动的量并不相同。
研究弥散的定向性或“各向异性”是弥散成像的一个重要的研究领域。
即弥散张量成像(diffusion
tensor imaging，DTl)。
DTI是利用组织中水分子弥散的各向异性来探测组织微观结构的成像方法，是通过观察随弥散梯度脉冲方向改变而发生波动的弥散值大小来标记和描绘水分子的各向异性。
脑白质的各向异性是由于平行走行的髓鞘轴索纤维所致，脑白质的弥散在平行神经纤维方向要比垂直纤维走向的更快一些，这一特性用彩色标记可反映出脑白质的空间方向性，即弥散最快的方向指示纤维走行的方向。
目前，利用DTI对脑白质纤维的研究日益增多。
各向异性的存在一定程度上影响着脑肿瘤的ADC值和DWI信号，因此，在讨论和分析脑肿瘤DWI的结果时，必须要明确有无各向异性的影响。
Figure . Anisotropic nature of diffusion in the brain. Transverse
DW MR images (b = 1,000 sec/mm2; effective gradient, 14 mT/m;
repetition time, 7,500 msec; minimum echo time; matrix, 128 x 128;
field of view, 200 x 200 mm; section thickness, 6 mm with 1-mm gap)
with the diffusion gradients applied along the x (Gx, left), y (Gy,
middle), and z (Gz, right) axes demonstrate anisotropy. The signal
intensity decreases when the white matter tracts run in the same
direction as the DW gradient because water protons move
preferentially in this direction. Note that the corpus callosum
(arrow on left image) is hypointense when the gradient is applied
in the x (right-to-left) direction, the frontal and posterior white
matter (arrowheads) are hypointense when the gradient is applied in
the y (anterior-to-posterior) direction, and the corticospinal
tracts (arrow on right image) are hypointense when the gradient is
applied in the z (superior-to-inferior) direction.
影响DWI信号的相关因素
T2穿透效应(T2
shine-through effect)：DWI上的信号强度不仅与受检组织ADC值有关系，而且与组织的T2值相关，即DWI的信号正比于T2值。当受检组织的T2值明显增高，在DWI上有明显的T2图像对比存在时，称之为T2穿透效应。
由于T2穿透效应的影响，可能造成弥散受限的假阳性表现，即DWI高信号有T2穿透效应的影响，而并非仅仅是ADC降低或弥散受限的结果。因此，在脑肿瘤等疾病的DWI诊断中，消除T2穿透效应是十分重要的。
常用的消除T2穿透效应的方法有两种，即指数图像(exponential
image)和ADC图。
消除T2穿透效应的方法一：指数图像(exponential image)
Figure . Removal of T2-weighted contrast. To remove the T2-weighted
contrast in the isotropic transverse DW image (b = 1,000 sec/mm2;
effective gradient, 14 mT/m; repetition time, 7,500 msec; minimum
echo time; matrix, 128 x 128; field of view, 200 x 200 mm, section
thickness, 6 mm with 1-mm gap), the transverse DW image (DWI) is
divided by the transverse echo-planar spin-echo T2-weighted (EP
SET2) image. The resultant image is called the exponential image
because its signal intensity is exponentially related to the
ADC.
消除T2穿透效应的方法二：ADC图
Figure . Creation of an ADC map. One method of creating an ADC map
is to mathematically manipulate the exponential (Exp.) image. The
appearances on the transverse DW image (DWI), exponential image,
and ADC map, as well as the corresponding mathematic expressions
for their signal intensities, are shown. Image parameters are b =
1,000 sec/mm2; effective gradient, 14 mT/m; repetition time, 7,500
msec; minimum echo time; matrix, 128 x 128; field of view, 200 x
200 mm; section thickness, 6 mm with 1-mm gap. SI = signal
intensity, SIo = signal intensity on T2-weighted image.
DWI的临床应用
脑缺血超早期的定性与定量诊断。
ME Moseley于1990年应用弥散成像来观察猫大脑中动脉闭塞（MCAO）模型，发现弥散加权像可以在MCAO后14分钟显示病灶，而T2
