DWI

擴散(diffusion)是指分子熱能激發而使分子發生一種微觀、隨機的平移運動並相互碰撞，也稱分子的熱運動或布朗運動。任何分子都存在擴散運動。擴散在很多非平衡態系統中可以觀察到，如在一杯純水中加入一滴紅墨水，紅墨水在水中逐漸散開即是一種擴散現象但當平衡狀態建立後，如上述例子中紅墨水最後完全在水中散開，杯中各處紅墨水濃度完全一樣時，宏觀的擴散不再觀察得到，但實際上微觀的擴散運動依然存在。通過一些特殊的技術可以檢測這種分子的微觀擴散運動。DWI技術就是檢測這種微觀擴散運動的方法之一。由於一般人體MR成像的對象是質子，主要是水分子中的質子，因此DWI技術實際上檢測的是人體組織內水分子的擴散運動。

如果水分子擴散運動不受任何約束，把這種擴散運動稱為自由擴散運動。但在生物體中，水分子由於受周圍介質的約束，其擴散運動將受到一定程度的限制，把這種擴散運動稱為限制性擴散。在人體中，可以把腦脊液、尿液等的水分子擴散運動視作自由擴散，而人體一般組織中水分子的擴散運動屬於限制性擴散。實際上DWI就是通過檢測人體組織中水分子擴散運動受限制的方向和程度等信息，間接反映組織微觀結構的變化。

在人體組織中，由於組織結構的不同，限制水分子擴散運動的阻礙物的排列和分佈也不同，水分子的擴散運動在各方向上受到的限制可能是對稱，也可能是不對稱的。如果水分子在各方向上的限制性擴散是對稱的，稱之為各向同性擴散(isotropic diffusion)。如果水分子在各方向上的限制性擴散是不對稱的，稱之為各向異性擴散(anisotropic diffusion)各向異性擴散在人體組織中普遍存在，其中最典型的是腦白質神經纖維。由於神經細胞膜和髓鞘沿着神經軸突的長軸分佈幷包繞軸突，水分子在神經纖維長軸方向上擴散運動相對自由，而在垂直於神經纖維長軸的各方向上，水分子的擴散運動將明顯受到細胞膜和髓鞘的限制 ^[1]  。

MRI檢測到的信號最後都分配到每個像素中，每個像素實際上代表受檢組織的一個體素，下面就以一個體素為例，並結合最常用於DW的SEEP序列來介紹DWI的基本原理。

射頻脈衝使體素內的質子相位一致，射頻脈衝關閉後，由於組織的T₂弛豫和主磁場不均勻將造成質子逐漸失相位，從而造成宏觀橫向磁化矢量的衰減。除了上述兩種因素以外，如果在某個方向上施加一個梯度場，實際上是人為在該方向上製造磁場不均勻，那麼體素內該方向上質子的進動頻率將出現差別，從而也造成體素內質子羣失相位，最後也引起宏觀磁化矢量的衰減，MR信號減弱。

如果在SE-EPI序列180°復相脈衝的兩側各施加一個梯度場，這兩個梯度場的方向、強度和持續時間完全相同(稱之為擴散敏感梯度場)，那麼梯度場造成的失相位可以分為兩種情況。

①在體素內梯度場施加方向上位置沒有移動的質子，對於這些質子，由於180°兩側施加的梯度場完全相同，可以認為梯度場造成是一種恆定的磁場不均勻，180°復相脈衝可以剔除這種恆定的磁場不均勻引起的質子失相位，那麼實際上梯度場的施加並不會引起這些質子的信號衰減。

②在體素內梯度場施加方向上有位置移動的質子。這些質子在移動過程中將經歷磁場強度的變化，進動頻率也隨之發生變化，從而造成相位離散。由於位置發生變化，對於這些質子，1809脈衝兩側的梯度場引起的就不是恆定的磁場不均勻，180°脈衝將不可能剔除這種質子失相位，因此這種在梯度場施加方向上的位置移動將引起質子信號的衰減。體素中水分子都存在一定程度的擴散運動，其方向是隨機的，而在擴散梯度場方向上的擴散運動將造成體素信號的衰減。

如果水分子在敏感梯度場方向上擴散越自由，則在擴散梯度場施加期間擴散距離越大，經歷的磁場變化也越大，則組織的信號衰減越明顯。反之，在DWI上組織的信號衰減越明顯則提示其中的水分子在梯度場方向上擴散越自由。DWI通過測量施加擴散敏感梯度場前後組織發生的信號強度變化，來檢測組織中水分子擴散狀態(自由度及方向)，後者可間接反映組織微觀結構特點及其變化 ^[1]  。

1、DWI上組織信號強度的衰減主要因素：

（1）擴散敏感梯度場的強度，強度越大組織信號衰減越明顯；

（2）擴散敏感梯度場持續的時間，時間越長組織信號衰減越明顯；

（3）兩個擴散敏感梯度場的間隔時間，間隔時間越長，組織信號衰減越明顯；

（4）組織中水分子的擴散自由度，在擴散敏感梯度場施加方向上水分子擴散越自由，組織信號衰減越明顯。

2、b值對DWI的影響：DWI技術中把施加的擴散敏感梯度場參數稱為b值或稱擴散敏感係數。常用SE-EPI DWI序列中，b值=gGδ。

3、DWI的方向性：DWI是反映擴散敏感梯度場方向上的擴散運動，為了全面反映組織在各方向上的水分子擴散情況，需要在多個方向上施加擴散敏感梯度場。如果在多個方向（6個以上方向）分別施加擴散敏感梯度場，則可對每個體素水分子擴散的各向異性作出較為準確的檢測，這種MRI技術稱為擴散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）。利用DTI技術可以很好地反映白質纖維束走向，對於腦科學的研究將發揮很大的作用。

4、擴散係數和表觀擴散係數

在DWI上組織信號衰減不僅由於水分子的擴散運動，水分子在擴散敏感梯度場方向上各種形式的運動（或位置移動）還將造成組織信號的衰減，如血流灌及其他生理運動等。因此利用DWI上組織信號強度變化檢測到的不是真正的擴散係數，會受到其他形式水分子運動的影響。為此，我們把檢測到的擴散係數稱為表觀擴散係數（apparent diffusion coeffecient，ADC）。計算組織的ADC值至少需要利用2個以上不同的b值，其計算公式如下： ADC= ln（SI低/SI高）/（b高－b低）。式中SI低表示低b值DWI上組織的信號強度（b值可以是零）；SI高表示高b值DWI上組織的信號強度；b高表示高b值；b低表示低b值；ln表示自然對數。

DWI在臨牀上主要用於超早期腦缺血診斷的應用：急性腦缺血缺氧造成的主要是細胞毒性水腫，尤其是神經元/膠質細胞細胞毒性水腫，如急性腦梗死、早期壞死灶(未液化者)、缺氧缺血性腦病，在DWI上表現為高信號，與常規SE序列相比，能更早的發現梗塞區的信號異常。需要鑑別注意的是有些腦組織病變在DWI上也表現為高信號，如多發硬化的活動病灶、Wallerian變性，如髓鞘內（裂）水腫（神經髓鞘細胞水腫），進行性多灶性腦白質病，氨基酸代謝異常（如苯丙酮尿症等），透神經元性變性、軸索水腫及部分腫瘤、血腫、膿腫等。其他臟器也可行DWI檢查，但在這些方面的經驗還不多，需要進一步研究。

利用DTI技術進行的腦白質束成像不僅可用於腦科學的研究，在臨牀上也能提供一些有價值的信息，如腫瘤對周圍白質束的影響、術前提示手術時應該避免損傷的重要白質纖維束等。

大部分研究表明對比劑的使用有降低ADC值的趨勢，原因在於吸收對比劑後，局部的磁敏感發生改變和T₂縮短所致；相對於對比增強MRI，DWI最大的優勢是對乳腺癌檢測的高敏感性，而不用注射對比劑；DWI並不能單獨應用而脱離其他的MRI序列(如T₂Wl)，因為DWI對診斷乳腺癌的特異性不高，且對DCIS的敏感性電不高 ^[2]  。

ADC值的升高早於病變的縮小，而這種變化在第1次化療週期結束的早期即可看到，因此，ADC值可能為腫瘤的治療反應提供比腫瘤大小更早的監測指標，而早期的預測腫瘤對治療的反應有助於優化治療方案以保證最好的療效。

另一項DWI潛在的臨牀應用則是評估乳腺癌新輔助化療後的腫瘤殘存情況，因為殘存的腫瘤必須切除以免影響患者的預後。既往認為，殘存的腫瘤可通過動態增強掃描進行觀察，但是，該方法存在假陽性和假陰性的情況，有研究表明DWI和動態增強MRI在檢測腫瘤殘存的準確性上一致 ^[2]  。

患者的自主運動是影響偽影的潛在原因，因為運動可導致影像記錄失真而出現錯誤的ADC值，小癌腫，包括DCIS和浸潤性導管癌散在病灶在DWI可能難以顯示；出血可出現高信號和低ADC值，而導致誤診為惡性病變。為了測量ADC值，首先必須在ADC圖中識別，最好是在DWI中辨認病變，並在腫瘤的實體成分中選取感興趣區，以確保囊性和壞死部分或周圍正常乳腺組織不被包含在內。對於小病變，因為空間分辨率較低，在DWI和ADC圖中也許較難識別，這可能需要在更高場強的T₂WI中觀察。

另外，3.0TMRI能夠發現1.5T中不能發現的小於10mm的病變，而對於大於10mm的病變，兩者沒有差別。3.0T和1.5T中觀察到的ADC值是一致的，這説明ADC值是獨立於磁場強度的 ^[2]  。