一、磁共振彌散成像的基本概念

　　1．彌散（diffusion）：

　　是描述小分子在組織中微觀運動的物理概念，是分子等微觀顆粒由高濃度向低濃度彌散的微觀移動，即布朗運動，單位為mm2/s。

　　2．受限彌散：

　　彌散在生物體內(nèi)的表現(xiàn)。彌散運動將使溶液系統(tǒng)中的濃度梯度逐漸消失。但是，在生物體中細胞內(nèi)外或小器官內(nèi)外卻能保持不同的化學環(huán)境，這是由細胞膜的屏障作用決定的，也就是說，膜有阻礙分子自由通過的功能，從而使有些分子的跨膜彌散受到限制。受限彌散構(gòu)成了彌散成像的基礎。

　　3．彌散加權(quán)成像（diffusion-weightedMRimaging，DWI）：

　　人體中70%是水，通常所說的彌散主要指水分子或含水組織的彌散。MR通過氫質(zhì)子的磁化來標記分子而不干擾它的彌散過程。在任一常規(guī)MR成像序列中加入彌散梯度突出彌散效應即可行彌散加權(quán)成像，可以對組織中水分子的彌散行為直接進行檢測。人體內(nèi)水分子彌散運動速率與狀態(tài)呈微米數(shù)量級的運動變化，與人體組織細胞的大小處于同一數(shù)量級。因此，彌散加權(quán)成像使MRI對人體的研究深入到細胞水平的微觀世界，反映著人體組織的微觀世界幾何結(jié)構(gòu)以及細胞內(nèi)外水分子的轉(zhuǎn)運等變化。

　　4．彌散張量成像（difussiontensorimaging，DTI）：

　　在均質(zhì)的水中，水分子的彌散運動是一個三維的隨機運動，在不同的方向上彌散程度相同，稱為各向同性（isotropic）。而在人體組織中，水分子在三維空間的彌散要受多種局部因素如細胞膜及大分子物質(zhì)的影響。尤其在有髓鞘的神經(jīng)纖維中，水分子沿軸突方向的彌散速度遠大于垂直方向的彌散，此種有很強方向依賴性的彌散，即彌散的各向異性(anisotropic)，即水分子的活動在各個方向上其彌散規(guī)律不是隨機均等的，而是有彌散方向的不均勻性。這個現(xiàn)象在腦白質(zhì)、骨骼肌、心肌等多種組織中均可見到。各向異性的程度用量化指標來測定，并用向量圖或彩色編碼來表示即為彌散張量成像。

　　二、彌散加權(quán)成像的原理及臨床應用基礎

　　在梯度磁場的情況下，彌散水分子中的質(zhì)子其橫向磁化發(fā)生相位位移，相位位移廣泛擴散、相互干擾導致MR信號衰減，這種衰減取決于彌散系數(shù)及磁場梯度強度。

　　彌散系數(shù)是組織的內(nèi)部特征，常用D表示。與自由彌散系數(shù)相比，組織彌散系數(shù)減小，那是因為組織水與自由水雖然以相同的速率進行彌散，但組織水遇到障礙（細胞內(nèi)或細胞間）后的持續(xù)碰撞使分子的位移速度變慢，彌散系數(shù)變??；另外組織水的表面分布著水化物和（或）排列著大分子，形成體積較大的團塊，這種團塊本身就不自由，使彌散運動的速度減慢，彌散系數(shù)變小。病理情況下組織的彌散系數(shù)將發(fā)生變化，這是彌散加權(quán)成像的病理生理基礎。

　　水分子在細胞外間隙的移動，受諸多因素的影響，如：液壓、濃度、滲透壓、溫度及細胞外間隙的幾何形狀等。在活體中，還受呼吸、脈搏搏動、腦脊液搏動等生理活動影響。故常用一個能反映整體組織結(jié)構(gòu)特征的“擴散常數(shù)”，即表觀彌散系數(shù)（apparentdiffusioncoefficient，ADC）來表示活體測到的彌散。在生物體內(nèi)彌散系數(shù)D受多種因素影響,很難精確測量,在用彌散加權(quán)成像測量分子運動時，常用表觀彌散系數(shù)ADC代替彌散系數(shù)D。

　　在彌散加權(quán)成像上，彌散加權(quán)的程度由彌散敏感因子（用b表示）決定，單位為s/mm2。彌散敏感因子b=Γ2G2δ2(Δ-δ/3)。Γ代表旋磁比，G、δ、Δ分別代表脈沖梯度的振幅、寬度和間隔。梯度脈沖的強度與分子的位移成正比，快速移動的分子有較大的位移，最終體素的信號強度包含移動質(zhì)子的T2信號及與彌散相關(guān)的信號下降。SI=SIo×EXP(-b×D)，SIo代表b=0或T2WI時的信號強度值，b為彌散敏感因子的取值，D為彌散系數(shù)。由于D值難精確測量，進一步用ADC值代替D值，則公式衍變?yōu)镾I=SIo×EXP(-b×ADC)。ADC值與信號強度及b值的關(guān)系可用以下公式表示：ADC=Ln(S2-S1)/(b1-b2)，S1、S2是不同為彌散敏感因子（b1、b2）下的信號強度，Ln為自然對數(shù)。ADC值增大，代表水分子彌散增加，而DWI信號降低，反之亦然。

　　三、彌散加權(quán)成像的序列

　　Stejskal與Tanner在1965年最早描述了DWI序列，他們應用一個自旋回波序列加上一個對稱的梯度脈沖，這個序列可測量在一段時間一個方向上的水分子位移。這個序列成像時間長（6~8min）并需心電門控，僅能研究一個方向上的彌散。如果要獲取人體的功能信息，或徹底消除運動（包括各種生理運動、自主或非自主運動）對圖像的影響，則需要30~50ms范圍內(nèi)的毫秒級成像?；夭ㄆ矫娉上瘢╡choplanarimaging，EPI）是目前臨床實際應用中最快的掃描技術(shù)，能夠在幾十秒的時間內(nèi)獲得圖像重建所需要的原始空間數(shù)據(jù)，可以在30ms之內(nèi)采集一幅完整的圖像，使每秒鐘獲取的圖像達到20幅。如此高的成像速度，就不僅能使運動器官“凍結(jié)”，以便于清晰地觀察膽囊、呼吸器官等的斷層圖像，而且不同b值的圖像容易獲得，這是進行彌散定量計算的基礎。

　　與一般磁共振成像系統(tǒng)相比較，對允許進行EPI成像的磁共振成像系統(tǒng)有以下要求:

　?、賳未渭ぐl(fā)采集時間<30～100ms，梯度場強15～25mT/m，梯度切換時間為0.1～0.3ms。

　　②能將梯度產(chǎn)生的渦流減小的特殊射頻線圈。

　　③128相位編碼讀出時間≤0.6ms。

　?、軓娏业幕瘜W移動偽影，需擁有良好的脂肪抑制技術(shù)來消除。

　?、輳娏业拇呕瘋斡?，通過薄層掃描、縮短TE時間、應用SE-EPI等來改善。

　　典型的掃描參數(shù)如下:TR/TE10000-12000/100ms，b=0s/mm2，b=1000s/mm2，1次采集，矩陣128×64～128×128，F(xiàn)OV220～240mm，層厚5～8mm，成像時間1～2min，分辨率約1～2mm?？焖俪上駵p少了搏動偽影,并可更精確測量ADC值。

　　四、影響彌散加權(quán)成像信號的因素

　　1．b值

　　即彌散敏感因子，DWI是在某一b值下測得的信號強度成像。隨著b值的增加，圖像的彌散權(quán)重加大，病變組織和正常組織之間的對比度增加，提高了DWI的敏感性；但是，高b值會使圖像信噪比降低，這是因為b值的增加主要是通過延長由梯度脈沖持續(xù)時間（δ）和梯度脈沖的間隔時間(Δ)來完成的，這樣使回波時間（TE）增加，而長TE使信號衰減。不同臟器組織的b值的選擇是不同的，主要取決于組織的TE時間。b值越大，越偏重于彌散像；b值越小，偏重于T2像。

　　2．ADC值

　　活體組織的ADC值受細胞內(nèi)外水的粘滯度、比例、膜通透性、溫度的影響。評價病變時，同時測量病變及對側(cè)相應部位的ADC，用rADC可部分消除對ADC值的個體差異。ADC值增大，代表水分子彌散增加，而彌散加權(quán)圖像(DWI)信號降低，反之亦然。ADC值的計算至少要有2個不同的b值，一般來說，采用的b值越多，并且最大和最小b值間的差別越大，系統(tǒng)誤差越小，測得的ADC值越準確。

　　3．各向同性和各向異性

　　彌散是一個矢量，具有方向，彌散過程為三維過程，在不同的方向上彌散程度相同，稱為各向同性。各向異性指水分子在某個位置上可以向任意一個方向運動。但是其向各個方向運動的量并不相同。如水分子在平行于神經(jīng)纖維的方向上較垂直方向上更易彌散。這點在腦白質(zhì)中尤為明顯。MRI上彌散信號是通過彌散梯度來編碼的，只有彌散位移通過梯度編碼的方向才能采集到信號，可通過改變彌散梯度的方向來觀察彌散的各向異性。

　　4．T2透過效應

　　DWI的MR表達方式甚多，如DWI，T2糾正過的DWI，ADC圖和eADC圖等。大多數(shù)DWIMR都用SE-EPIT2WI序列圖像，故這種序列形成的DWI的圖像對比，除具有因組織的ADC值不同而形成的圖像對比之外，還可能存在組織T2時間不同所形成的T2圖像對比。在DWI圖像上如有較明顯的T2圖像對比存在時，稱為T2透過效應。組織的ADC值降低時，即存在彌散受限或降低的情況時，DWI圖像上這些組織呈現(xiàn)為高信號。如果同時還有T2對比存在，即存在T2透過效應時，這些彌散受限組織在DWIMR圖像上信號更高，在急性腦梗死之類疾病作DWI檢查時，如存在T2透過效應，則圖像上梗死區(qū)的高信號更為突出，不但不影響疾病的診斷，可能還有利于疾病的顯示。然而在腫瘤等疾病中，由于腫瘤組織與正常組織ADC值差別本身就不甚明顯，T2透過效應的影響就可能影響疾病的診斷，形成彌散受限或降低的假陽性表現(xiàn)，也即DWI高信號是T2透過效應所造成，而并不存在ADC值降低或彌散受限。因此，在腫瘤等疾病的DWI診斷和鑒別診斷中，消除T2效應是十分重要的。常規(guī)的消除T2透過效應的方法有兩種：即ADC值和eADC值。ADC圖是將ADC值按灰階排列（可加上偽彩）形成的圖像。eADC值圖，即指數(shù)彌散系數(shù)，是通過DWI信號除以SE-EPIT2WI信號而獲得。

　　五、彌散加權(quán)成像常見的偽影

　　多是由于采用平面回波（EPI）造成的。

　　1．運動偽影：

　　EPI對運動十分敏感，因此，在掃描過程中嚴格控制受檢者的運動是非常必要的。

　　2．N/2鬼影：

　　是由于圖像強度的周期性波動而引起的。如果EPI系統(tǒng)提供的讀出梯度波形不理想、梯度開關(guān)誘發(fā)產(chǎn)生渦流、流動、場不均勻，以及奇偶回波的編碼梯度不準確,都會導致傅里葉轉(zhuǎn)換后的空間定位錯誤。最后使奇偶數(shù)回波相位編碼錯誤，表現(xiàn)為沿相位編碼梯度存在的雙影，又稱N/2鬼影。保證梯度的穩(wěn)定性是避免N/2鬼影所必須的，也可用相位校正法來盡量去除。

　　3．磁敏感性偽影：

　　EPI對磁敏感性與磁場不均勻性非常敏感。敏感性偽影出現(xiàn)在相位編碼方向，多出現(xiàn)在顱底近副鼻竇處、接近含氣腸管處、眶前部等磁感應性非常不同的組織間。磁敏感性偽影可通過勻場、薄層掃描、短TE等來進一步減少。

　　4．化學位移偽影：

　　由于編碼頻帶較窄，因而有明顯的化學位移偽影。如腹壁脂肪重疊于肝,可遮掩病變。

　　六、彌散成像的缺陷及不足

　　1．DWI圖像分辨率較低，矩陣多為128×128，腫瘤組織與周圍組織的對比均不如增強后的T1WI，在分析DWI圖像時應結(jié)合常規(guī)MRI。

　　2．血液灌注對ADC值的影響不能忽視，根據(jù)CT及MRI動態(tài)增強表現(xiàn)，將實性腫塊分為富血供與乏血供兩類。發(fā)現(xiàn)在用小b值差(30s/mm2、300s/mm2)檢測病灶ADC值時，富血供病變ADC值高于乏血供病變；用大b值差(30s/mm2、1100s/mm2)則無此表現(xiàn)。由此可見，DWI及ADC值不僅反映組織的水分子彌散運動，而且還可能從某種程度上反映其血供情況，同時也提示血液灌注可能對低b值DWI影響較大，分析小b值彌散時要考慮這個因素。

　　3．小病灶漏診或ADC值不準為了計算出ADC值或擬合出ADC圖像，必須使用至少兩種不同b值采樣成像。二次成像時，若位置匹配不良或EPI產(chǎn)生嚴重的化學位移，將影響小病灶的ADC值準確測定或造成小病灶漏診。

　　4．嚴重圖像扭曲變形EPI對磁場不均勻極為敏感，在組織和含氣的界面易產(chǎn)生嚴重圖形扭曲變形，甚至導致無法獲取理想的ADC圖像。

　　5．EPI固有的特點使圖像產(chǎn)生各種各樣的偽影工作。