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(yùn)動(dòng)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(dòng)，即布朗運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(xì)胞內(nèi)外或小器官內(nèi)外卻能保持不同的化學(xué)環(huán)境，這是由細(xì)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(chǔ)。

　　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(biāo)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(yīng)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(jìn)行檢測。人體內(nèi)水分子彌散運(yùn)動(dòng)速率與狀態(tài)呈微米數(shù)量級的運(yùn)動(dòng)變化，與人體組織細(xì)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(xì)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(xì)胞內(nèi)外水分子的轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)動(dòng)是一個(gè)三維的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，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(xì)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(yuǎn)大于垂直方向的彌散，此種有很強(qiáng)方向依賴性的彌散，即彌散的各向異性(anisotropic)，即水分子的活動(dòng)在各個(gè)方向上其彌散規(guī)律不是隨機(jī)均等的，而是有彌散方向的不均勻性。這個(gè)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(biāo)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(yīng)用基礎(chǔ)

　　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(kuò)散、相互干擾導(dǎo)致MR信號衰減，這種衰減取決于彌散系數(shù)及磁場梯度強(qiáng)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?yàn)榻M織水與自由水雖然以相同的速率進(jìn)行彌散，但組織水遇到障礙（細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間）后的持續(xù)碰撞使分子的位移速度變慢，彌散系數(shù)變小；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(tuán)塊，這種團(tuán)塊本身就不自由，使彌散運(yùn)動(dòng)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(chǔ)。

　　水分子在細(xì)胞外間隙的移動(dòng)，受諸多因素的影響，如：液壓、濃度、滲透壓、溫度及細(xì)胞外間隙的幾何形狀等。在活體中，還受呼吸、脈搏搏動(dòng)、腦脊液搏動(dòng)等生理活動(dòng)影響。故常用一個(gè)能反映整體組織結(jié)構(gòu)特征的“擴(kuò)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(yùn)動(dòng)時(shí)，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(qiáng)度與分子的位移成正比，快速移動(dòng)的分子有較大的位移，最終體素的信號強(qiáng)度包含移動(dòng)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(shí)的信號強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(yīng)用一個(gè)自旋回波序列加上一個(gè)對稱的梯度脈沖，這個(gè)序列可測量在一段時(shí)間一個(gè)方向上的水分子位移。這個(gè)序列成像時(shí)間長（6~8min）并需心電門控，僅能研究一個(gè)方向上的彌散。如果要獲取人體的功能信息，或徹底消除運(yùn)動(dòng)（包括各種生理運(yùn)動(dòng)、自主或非自主運(yùn)動(dòng)）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(shí)際應(yīng)用中最快的掃描技術(shù)，能夠在幾十秒的時(shí)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(dá)到20幅。如此高的成像速度，就不僅能使運(yùn)動(dòng)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(jìn)行彌散定量計(jì)算的基礎(chǔ)。

　　與一般磁共振成像系統(tǒng)相比較，對允許進(jìn)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(shí)間<30～100ms，梯度場強(qiáng)15～25mT/m，梯度切換時(shí)間為0.1～0.3ms。

　?、谀軐⑻荻犬a(chǎn)生的渦流減小的特殊射頻線圈。

　?、?28相位編碼讀出時(shí)間≤0.6ms。

　?、軓?qiáng)烈的化學(xué)移動(dòng)偽影，需擁有良好的脂肪抑制技術(shù)來消除。

　?、輳?qiáng)烈的磁化偽影，通過薄層掃描、縮短TE時(shí)間、應(yīng)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(shí)間1～2min，分辨率約1～2mm?？焖俪上駵p少了搏動(dòng)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(qiáng)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(huì)使圖像信噪比降低，這是因?yàn)閎值的增加主要是通過延長由梯度脈沖持續(xù)時(shí)間（δ）和梯度脈沖的間隔時(shí)間(Δ)來完成的，這樣使回波時(shí)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(shí)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(xì)胞內(nèi)外水的粘滯度、比例、膜通透性、溫度的影響。評價(jià)病變時(shí)，同時(shí)測量病變及對側(cè)相應(yīng)部位的ADC，用rADC可部分消除對ADC值的個(gè)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(jì)算至少要有2個(gè)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(zhǔn)確。

　　3．各向同性和各向異性

　　彌散是一個(gè)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(gè)位置上可以向任意一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。但是其向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(yīng)

　　DWI的MR表達(dá)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(shí)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(shí)，稱為T2透過效應(yīng)。組織的ADC值降低時(shí)，即存在彌散受限或降低的情況時(shí)，DWI圖像上這些組織呈現(xiàn)為高信號。如果同時(shí)還有T2對比存在，即存在T2透過效應(yīng)時(shí)，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(shí)，如存在T2透過效應(yīng)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)是十分重要的。常規(guī)的消除T2透過效應(yīng)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(yùn)動(dòng)偽影：

　　EPI對運(yùn)動(dòng)十分敏感，因此，在掃描過程中嚴(yán)格控制受檢者的運(yùn)動(dòng)是非常必要的。

　　2．N/2鬼影：

　　是由于圖像強(qiáng)度的周期性波動(dòng)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(dòng)、場不均勻，以及奇偶回波的編碼梯度不準(zhǔn)確,都會(huì)導(dǎo)致傅里葉轉(zhuǎn)換后的空間定位錯(cuò)誤。最后使奇偶數(shù)回波相位編碼錯(cuò)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(yīng)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(jìn)一步減少。

　　4．化學(xué)位移偽影：

　　由于編碼頻帶較窄，因而有明顯的化學(xué)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(qiáng)后的T1WI，在分析DWI圖像時(shí)應(yīng)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(dòng)態(tài)增強(qiáng)表現(xiàn)，將實(shí)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A(yù)DC值時(shí)，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(yùn)動(dòng)，而且還可能從某種程度上反映其血供情況，同時(shí)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(shí)要考慮這個(gè)因素。

　　3．小病灶漏診或ADC值不準(zhǔn)為了計(jì)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(shí)，若位置匹配不良或EPI產(chǎn)生嚴(yán)重的化學(xué)位移，將影響小病灶的ADC值準(zhǔn)確測定或造成小病灶漏診。

　　4．嚴(yán)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(yán)重圖形扭曲變形，甚至導(dǎo)致無法獲取理想的ADC圖像。

　　5．EPI固有的特點(diǎn)使圖像產(chǎn)生各種各樣的偽影工作。