磁共振弥散成像的基本原理及临床
顾雅佳
一、磁共振弥散成像的基本概念
1．弥散（diffusion）：
是描述小分子在组织中微观运动的物理概念，是分子等微观颗粒由高浓度向低浓度弥散的微观移动，即布朗运动，单位为mm2/s。
2．受限弥散：
弥散在生物体内的表现。弥散运动将使溶液系统中的浓度梯度逐渐消失。但是，在生物体中细胞内外或小器官内外却能保持不同的化学环境，这是由细胞膜的屏障作用决定的，也就是说，膜有阻碍分子自由通过的功能，从而使有些分子的跨膜弥散受到限制。受限弥散构成了弥散成像的基础。
3．弥散加权成像（diffusion-weightedMRimaging，DWI）：
人体中70%是水，通常所说的弥散主要指水分子或含水组织的弥散。MR通过氢质子的磁化来标记分子而不干扰它的弥散过程。在任一常规MR成像序列中加入弥散梯度突出弥散效应即可行弥散加权成像，可以对组织中水分子的弥散行为直接进行检测。人体内水分子弥散运动速率与状态呈微米数量级的运动变化，与人体组织细胞的大小处于同一数量级。因此，弥散加权成像使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世界几何结构以及细胞内外水分子的转运等变化。
4．弥散张量成像（difussiontensorimaging，DTI）：
在均质的水中，水分子的弥散运动是一个三维的随机运动，在不同的方向上弥散程度相同，称为各向同性（isotropic）。而在人体组织中，水分子在三维空间的弥散要受多种局部因素如细胞膜及大分子物质的影响。尤其在有髓鞘的神经纤维中，水分子沿轴突方向的弥散速度远大于垂直方向的弥散，此种有很强方向依赖性的弥散，即弥散的各向异性(anisotropic)，即水分子的活动在各个方向上其弥散规律不是随机均等的，而是有弥散方向的不均匀性。这个现象在脑白质、骨骼肌、心肌等多种组织中均可见到。各向异性的程度用量化指标来测定，并用向量图或彩色编码来表示即为弥散张量成像。
二、弥散加权成像的原理及临床应用基础
在梯度磁场的情况下，弥散水分子中的质子其横向磁化发生相位位移，相位位移广泛扩散、相互干扰导致MR信号衰减，这种衰减取决于弥散系数及磁场梯度强度。
弥散系数是组织的内部特征，常用D表示。与自由弥散系数相比，组织弥散系数减小，那是因为组织水与自由水虽然以相同的速率进行弥散，但组织水遇到障碍（细胞内或细胞间）后的持续碰撞使分子的位移速度变慢，弥散系数变小；另外组织水的表面分布着水化物和（或）排列着大分子，形成体积较大的团块，这种团块本身就不自由，使弥散运动的速度减慢，弥散系数变小。病理情况下组织的弥散系数将发生变化，这是弥散加权成像的病理生理基础。
水分子在细胞外间隙的移动，受诸多因素的影响，如：液压、浓度、渗透压、温度及细胞外间隙的几何形状等。在活体中，还受呼吸、脉搏搏动、脑脊液搏动等生理活动影响。故常用一个能反映整体组织结构特征的“扩散常数”，即表观弥散系数（apparentdiffusioncoefficient，ADC）来表示活体测到的弥散。在生物体内弥散系数D受多种因素影响,很难精确测量,在用弥散加权成像测量分子运动时，常用表观弥散系数ADC代替弥散系数D。
在弥散加权成像上，弥散加权的程度由弥散敏感因子（用b表示）决定，单位为s/mm2。弥散敏感因子b=Γ2G2δ2(Δ-δ/3)。Γ代表旋磁比，G、δ、Δ分别代表脉冲梯度的振幅、宽度和间隔。梯度脉冲的强度与分子的位移成正比，快速移动的分子有较大的位移，最终体素的信号强度包含移动质子的T2信号及与弥散相关的信号下降。SI=SIo×EXP(-b×D)，SIo代表b=0或T2WI时的信号强度值，b为弥散敏感因子的取值，D为弥散系数。由于D值难精确测量，进一步用ADC值代替D值，则公式衍变为SI=SIo×EXP(-b×ADC)。ADC值与信号强度及b值的关系可用以下公式表示：ADC=Ln(S2-S1)/(b1-b2)，S1、S2是不同为弥散敏感因子（b1、b2）下的信号强度，Ln为自然对数。ADC值增大，代表水分子弥散增加，而DWI信号降低，反之亦然。
三、弥散加权成像的序列
Stejskal与Tanner在年最早描述了DWI序列，他们应用一个自旋回波序列加上一个对称的梯度脉冲，这个序列可测量在一段时间一个方向上的水分子位移。这个序列成像时间长（6~8min）并需心电门控，仅能研究一个方向上的弥散。如果要获取人体的功能信息，或彻底消除运动（包括各种生理运动、自主或非自主运动）对图像的影响，则需要30~50ms范围内的毫秒级成像。回波平面成像（echoplanarimaging，EPI）是目前临床实际应用中最快的扫描技术，能够在几十秒的时间内获得图像重建所需要的原始空间数据，可以在30ms之内采集一幅完整的图像，使每秒钟获取的图像达到20幅。如此高的成像速度，就不仅能使运动器官“冻结”，以便于清晰地观察胆囊、呼吸器官等的断层图像，而且不同b值的图像容易获得，这是进行弥散定量计算的基础。
与一般磁共振成像系统相比较，对允许进行EPI成像的磁共振成像系统有以下要求:①单次激发采集时间30～ms，梯度场强15～25mT/m，梯度切换时间为0.1～0.3ms。②能将梯度产生的涡流减小的特殊射频线圈。③相位编码读出时间≤0.6ms。④强烈的化学移动伪影，需拥有良好的脂肪抑制技术来消除。⑤强烈的磁化伪影，通过薄层扫描、缩短TE时间、应用SE-EPI等来改善。
典型的扫描参数如下:TR/TE00-/ms，b=0s/mm2，b=0s/mm2，1次采集，矩阵×64～×，FOV～mm，层厚5～8mm，成像时间1～2min，分辨率约1～2mm。快速成像减少了搏动伪影,并可更精确测量ADC值。
四、影响弥散加权成像信号的因素
1．b值
即弥散敏感因子，DWI是在某一b值下测得的信号强度成像。随着b值的增加，图像的弥散权重加大，病变组织和正常组织之间的对比度增加，提高了DWI的敏感性；但是，高b值会使图像信噪比降低，这是因为b值的增加主要是通过延长由梯度脉冲持续时间（δ）和梯度脉冲的间隔时间(Δ)来完成的，这样使回波时间（TE）增加，而长TE使信号衰减。不同脏器组织的b值的选择是不同的，主要取决于组织的TE时间。b值越大，越偏重于弥散像；b值越小，偏重于T2像。
2．ADC值
活体组织的ADC值受细胞内外水的粘滞度、比例、膜通透性、温度的影响。评价病变时，同时测量病变及对侧相应部位的ADC，用rADC可部分消除对ADC值的个体差异。ADC值增大，代表水分子弥散增加，而弥散加权图像(DWI)信号降低，反之亦然。ADC值的计算至少要有2个不同的b值，一般来说，采用的b值越多，并且最大和最小b值间的差别越大，系统误差越小，测得的ADC值越准确。
3．各向同性和各向异性
弥散是一个矢量，具有方向，弥散过程为三维过程，在不同的方向上弥散程度相同，称为各向同性。各向异性指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。如水分子在平行于神经纤维的方向上较垂直方向上更易弥散。这点在脑白质中尤为明显。MRI上弥散信号是通过弥散梯度来编码的，只有弥散位移通过梯度编码的方向才能采集到信号，可通过改变弥散梯度的方向来观察弥散的各向异性。
4．T2透过效应
DWI的MR表达方式甚多，如DWI，T2纠正过的DWI，ADC图和eADC图等。大多数DWIMR都用SE-EPIT2WI序列图像，故这种序列形成的DWI的图像对比，除具有因组织的ADC值不同而形成的图像对比之外，还可能存在组织T2时间不同所形成的T2图像对比。在DWI图像上如有较明显的T2图像对比存在时，称为T2透过效应。组织的ADC值降低时，即存在弥散受限或降低的情况时，DWI图像上这些组织呈现为高信号。如果同时还有T2对比存在，即存在T2透过效应时，这些弥散受限组织在DWIMR图像上信号更高，在急性脑梗死之类疾病作DWI检查时，如存在T2透过效应，则图像上梗死区的高信号更为突出，不但不影响疾病的诊断，可能还有利于疾病的显示。然而在肿瘤等疾病中，由于肿瘤组织与正常组织ADC值差别本身就不甚明显，T2透过效应的影响就可能影响疾病的诊断，形成弥散受限或降低的假阳性表现，也即DWI高信号是T2透过效应所造成，而并不存在ADC值降低或弥散受限。因此，在肿瘤等疾病的DWI诊断和鉴别诊断中，消除T2效应是十分重要的。常规的消除T2透过效应的方法有两种：即ADC值（图）和eADC值（图）。ADC图是将ADC值按灰阶排列（可加上伪彩）形成的图像。eADC值图，即指数弥散系数（图），是通过DWI信号除以SE-EPIT2WI信号而获得。
五、弥散加权成像常见的伪影
多是由于采用平面回波（EPI）造成的。
1．运动伪影：
EPI对运动十分敏感，因此，在扫描过程中严格控制受检者的运动是非常必要的。
2．N/2*影：
是由于图像强度的周期性波动而引起的。如果EPI系统提供的读出梯度波形不理想、梯度开关诱发产生涡流、流动、场不均匀，以及奇偶回波的编码梯度不准确,都会导致傅里叶转换后的空间定位错误。最后使奇偶数回波相位编码错误，表现为沿相位编码梯度存在的双影，又称N/2*影。保证梯度的稳定性是避免N/2*影所必须的，也可用相位校正法来尽量去除。
3．磁敏感性伪影：
EPI对磁敏感性与磁场不均匀性非常敏感。敏感性伪影出现在相位编码方向，多出现在颅底近副鼻窦处、接近含气肠管处、眶前部等磁感应性非常不同的组织间。磁敏感性伪影可通过匀场、薄层扫描、短TE等来进一步减少。
4．化学位移伪影：
由于编码频带较窄，因而有明显的化学位移伪影。如腹壁脂肪重叠于肝,可遮掩病变。
六、弥散加权成像的临床应用
（一）神经系统：
由于脑组织成分均匀，比其他部位发生的运动伪影少，因而DWI首先在脑部应用。弥散成像已用于脑梗塞、脑肿瘤、多发性动脉硬化症以及其他病理变化的研究中。
1.脑梗塞：
在出现细胞*性水肿的情况时，从弥散加权像中能比T2W像更早的发现脑损害变化。弥散加权成像对于急性脑缺血相当敏感，尤其是超急性脑缺血。急性脑缺血早期的细胞*性水肿时，局部三磷酸腺苷（ATP）下降造成钠-钾泵失去正常功能，细胞外水进入细胞内，细胞内水增加，但其弥散又受细胞膜及细胞器等的限制，导致缺血区的弥散系数下降，在DWI上表现为高信号。超急性脑梗死的ADC下降主要与细胞*性水肿有关，要比反映血管源性水肿的T2WI高信号早得多。血管源性水肿是由于血脑屏障破坏，血浆由血管内漏出进入细胞外间隙引起的。
在临床超急性脑梗死患者MRI检查中，弥散成像和灌注成像的联合应用可以帮助确定缺血半影区：弥散异常和灌注异常两种异常信号范围不重叠的现象常见，并且大多数情况下灌注异常信号范围比弥散异常信号范围大，这种不重叠区域即缺血半影区，也即可逆性缺血脑组织区，这个区域是溶栓剂和神经保护剂的治疗靶区，它的存在是溶栓治疗的最主要依据。
2．脑肿瘤的定性诊断：
常规MRI对脑肿瘤的定性诊断有很大的帮助，但仍存在一些难题无法解决，DWI在这方面可以提供更多的参考信息。
①蛛网膜囊肿与表皮样囊肿：常规MR通常不能可靠地鉴别二者，在普通SE序列上均表现为T1加权像上的低信号和T2加权像上的高信号改变，并且增强后没有强化。表皮样囊肿为实质性肿块，主要由上皮细胞构成，具有特殊的层状空间排列，导致水分子弥散受限；而且表皮样囊肿的T2值非常长，有T2透过效应的存在，在DWI图像上表现为明显的高信号，在ADC图上类似脑灰白质而低于CSF信号。相反，蛛网膜囊肿充满液体，弥散不受限，呈现为非常高的ADC，在DWI图像上类似CSF。
②脑脓肿和囊变或坏死的脑肿瘤：包囊期的脑脓肿和囊变坏死的脑肿瘤在普通的MR序列上也可有相同或相近的影像学表现，鉴别起来有一定的困难。DWI对于两者的鉴别具有重要价值。脑脓肿的脓液是一种含有很多炎性细胞、细菌、坏死物以及蛋白分泌物的粘稠液体，明显限制其内的水分子的弥散速度、故ADC值明显下降，DWI为高信号。脑肿瘤内囊变或坏死区通常仅包含少许坏死细胞碎屑、少量炎性细胞及清亮的浆液成分，其ADC值及DWI信号与脑脊液相似。
③脑淋巴瘤和原始神经外胚层（PNET）的辅助诊断：DWI对二者的诊断有一定的帮助。淋巴瘤的ADC值和DWI信号分别明显低于和高于其他常见的成人肿瘤，其ADC值低的原因很可能与其细胞密度较高等因素有关，PNET同样由于细胞密度高，细胞外间隙小和肿瘤细胞的核浆比例较大等引起水分子弥散受限。
④脑肿瘤组织的细胞密度及肿瘤分级与ADC值有很高的相关性。通常高度恶性肿瘤细胞密度较高，ADC值较低。胶质瘤的细胞构成与ADC值具有良好的相关性、并能指导肿瘤的分级。DWI对鉴别良、恶性脑膜瘤也具有意义。ADC值低倾向于恶性或高度非典型性脑膜瘤，而非常高的ADC值是由于某种特殊的亚型（微囊肿型、分泌型、血管瘤样）或有相关的病理异常（梗死样坏死、出血）所致。
3．脑肿瘤边界判断：
普通的SE序列一般是通过肿瘤增强部分的边界来界定肿瘤边界，但是，对于没有强化的肿瘤（如低级别胶质瘤）以及对瘤周有浸润的恶性肿瘤就很难准确判断其界限。故DWI在判断脑肿瘤界限上有一定的帮助，对放射治疗的设野来说相当重要。
4．脑肿瘤治疗疗效评价：
对脑肿瘤手术以及放、化疗后状况的准确评估一直以来是个难题。脑肿瘤的术后复发或残留因具有较高的细胞密度和细胞外间隙小等原因，其ADC值低于术后残腔，而DWI信号增高。但是就目前的研究来说，DWI信号和ADC值对脑肿瘤放疗后损伤与肿瘤复发的鉴别价值尚在进一步的探讨中。
（二）腹部：
目前DWI在上腹部的临床应用主要集中在肝脏。肝脏DWI根据肝脏正常组织与病变组织（如肝癌、血管瘤、囊肿）的TE长短不同而选择较多b值。
1、肝脏弥漫性病变：
硬化肝组织的平均ADC值与正常肝组织相比明显为低，ADC值的测量一定程度上能反映肝硬化的程度。但肝脏炎症组织与纤维化组织的ADC值并无差别，DWI应用于脂肪肝或肝炎等弥漫性肝疾病的报道甚少。
2、肝脏局灶性占位：
MR平扫甚至增强扫描鉴别肝恶性肿瘤（包括肝癌和实性转移瘤）与良性含水肿块（血管瘤及囊肿）有时尚存在困难。根据T1WI、T2WI的分析，约有20%～40%的病变难以鉴别。DWI及ADC值能在微观水平上反映组织的结构特点，有助于肝局灶性病变的鉴别。在DWI上弥散快的组织ADC值大，信号衰减大，呈低信号；弥散慢的组织ADC值小，信号衰减小，呈高信号。
肝囊肿由于水分含量多和相对游离，其ADC值较肝血管瘤和肝癌大，随着b值增大，DWI上信号变暗甚至消失；海绵状血管瘤虽然主要由液体成分构成，水分子的运动相对自由，但血管瘤内常有纤维间隔、瘢痕及出血，肝血窦中所含的血液黏滞度高于囊肿内的囊液，因而其ADC值又低于囊肿，但要高于实性的恶性肿瘤，DWI上信号介于两者之间；而肝癌ADC值在三者中最小，与肝癌内血液黏滞度较高以及其内间隔、出血、坏死等因素限制了分子弥散运动有关。肝恶性实性肿块与海绵状血管瘤及肝囊肿三者之间ADC值有明显的差异，而且少有重叠。这样分子功能状态的表达就达到量化的程度，使人们不仅能通过表达组织成分的MR信号来判断组织成分,而且还能通过ADC这一量化指标来反映组织分子运动状态。
（三）前列腺：
前列腺癌外周带癌灶ADC值大大低于正常前列腺组织，同时亦低于良性前列腺增生的增生结节灶。前列腺癌癌灶T2WI呈短T2，DWI呈低ADC值。Song等认为可能与其紧紧包裹的腺体成分有关，腺体内粘液几乎无运动空间，因此这种包裹成了水分子弥散运动的障碍；而增生结节灶呈长T2，上皮细胞和基质细胞增生，基质-上皮细胞的相互作用致前列腺腺体大量增殖，上皮细胞的分泌增加、腺体内液性成分明显增多致水分子弥散运动增强，故前列腺癌DWI呈非常低的ADC值，低于增生结节灶和正常前列腺组织，从而可对两者进行鉴别。另外DWI对前列腺癌是否侵犯周围组织，尤其是对精囊腺的累及有很好的鉴别作用。
（四）骨髓：
由于正常红、*骨髓成份明显不同，前者以造血组织为主，后者以脂肪组织为主，而红、*骨髓的分布与年龄、性别、不同骨骼及同一骨骼的不同部位有关。因此，导致体内骨髓具有不同的MRI表现和DWI表现。Ward等研究显示：健康者红骨髓ADC值高于*骨髓，而且弥散上具有方向性（各向异性弥散），多沿骨小梁的纵轴走向。脊柱骨髓DWI研究相对较多，尽管所用方法不同，但结果均显示正常椎体骨髓弥散值较小，说明正常脊柱骨髓组织间隙中自由水成份较少。椎体DWI检查则往往采用低b值。
1．骨髓创伤：
传统放射学容易显示骨折，但不能显示骨挫伤与创伤后骨髓水肿，常规MRI及DWI可对其进行评价。骨髓创伤的平均ADC值明显高于正常骨髓。
1．脊柱感染性病变(如椎间盘炎和骨髓炎)：
在DWI上，椎体脓肿和硬脊膜外脓肿与周围正常组织相比呈显著高信号，ADC图上脓肿呈暗区。异常改变与脓肿内容物的物理和生化成份有关。脓腔内的脓汁常包含炎性细胞、细菌、坏死组织和富含蛋白的高粘稠液体，其水分子的运动速率明显减低，微观弥散运动也因此减低，导致ADC值减低，DWI上表现为信号强度增高，ADC图上呈暗区。
2．白血病骨髓：
MRI已成为白血病诊断、鉴别诊断及治疗效果监测的重要方法之一，DWI研究也有少量报道。Ballon等研究发现：治疗前骨髓的平均ADC值无显著性差别，达最大疗效时，骨髓平均ADC值为治疗前三倍左右。因此可将DWI视为监测白血病疗效的无创性检查手段。
4、髓恶性淋巴瘤：
恶性淋巴瘤是原发于淋巴结和结外淋巴组织的恶性肿瘤，部分病例晚期可有骨髓受累，对其分型、分期及治疗依赖于骨髓评价。因此，淋巴瘤治疗前的骨髓成份分析非常重要。Yasumoto等研究发现淋巴瘤骨髓浸润在DWI上呈高信号。有学者认为，恶性淋巴瘤骨髓浸润时，瘤细胞代替骨髓中的脂肪细胞，导致骨髓水含量增加，T2透过效应似乎是高信号的主要原因。
5、脊椎病理性压缩骨折：
脊椎压缩性骨折常见，良、恶性压缩性骨折的鉴别诊断一直是临床诊断的难点之一。传统放射学及常规MR成像缺乏特异性，DWI已成为其鉴别诊断的重要方法，目前有关这方面的研究越来越多。Baur等对急性良、恶性椎体压缩骨折进行的前瞻性研究：骨质疏松骨折与邻近正常骨髓相比呈等或低信号，而转移性椎体压缩骨折呈高信号。作者认为，DWI可对急性良性和肿瘤性椎体压缩骨折进行可靠的鉴别诊断，具有高度的敏感性和特异性。良、恶性椎体压缩骨折的病理改变不同：急性良性椎体压缩骨折由于水肿和出血引起骨髓内自由水增加，导致细胞外容积(细胞间质间隙)增加，引起骨折椎体内水分子运动增加，因此其ADC值增高，在DWI上呈低信号。恶性椎体压缩骨折由于肿瘤组织密集填塞，导致细胞外容积(细胞间质间隙)相对减少，水分子运动相对减弱，因此其ADC值低于急性良性椎体压缩骨折，在DWI上呈高信号。借此可区分良、恶性椎体压缩骨折。
（五）乳腺病变：
乳腺良性病变的ADC值要高于乳腺癌，那是因为乳腺良性病变的细胞外空间明显大，这可能是良恶性病变ADC值差异的机理。另外在腋淋巴结阳性的而其他影像检查阴性的隐匿性乳腺癌中对病灶的检出DWI也有一定的作用；对局部进展期乳腺癌新辅助化疗的评价也有一定的作用。
七、弥散成像的缺陷及不足
1．DWI图像分辨率较低，矩阵多为×，肿瘤组织与周围组织的对比均不如增强后的T1WI，在分析DWI图像时应结合常规MRI。
2．血液灌注对ADC值的影响不能忽视，根据CT及MRI动态增强表现，将实性肿块分为富血供与乏血供两类。发现在用小b值差(30s/mm2、s/mm2)检测病灶ADC值时，富血供病变ADC值高于乏血供病变；用大b值差(30s/mm2、1s/mm2)则无此表现。由此可见，DWI及ADC值不仅反映组织的水分子弥散运动，而且还可能从某种程度上反映其血供情况，同时也提示血液灌注可能对低b值DWI影响较大，分析小b值弥散时要考虑这个因素。
3．小病灶漏诊或ADC值不准 为了计算出ADC值或拟合出ADC图像，必须使用至少两种不同b值采样成像。二次成像时，若位置匹配不良或EPI产生严重的化学位移，将影响小病灶的ADC值准确测定或造成小病灶漏诊。
4．严重图像扭曲变形 EPI对磁场不均匀极为敏感，在组织和含气的界面易产生严重图形扭曲变形，甚至导致无法获取理想的ADC图像。
5．EPI固有的特点使图像产生各种各样的伪影工作。
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