1、DWI基本原理

分子熱能激發(fā)而使分子發(fā)生一種微觀、隨機(jī)的平移運(yùn)動(dòng)并相互碰撞，稱為分子的熱運(yùn)動(dòng)或布朗運(yùn)動(dòng)。如果水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)不受任何約束，我們稱為自由擴(kuò)散。事實(shí)上，生物組織內(nèi)的水分子因受周圍介質(zhì)的約束，其擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)將受到不同程度的限制，稱之為限制性擴(kuò)散。在人體中，腦脊液、尿液等水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所受到的限制相對小，被視為自由擴(kuò)散，而一般組織中水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)則屬于限制性擴(kuò)散。在人體組織中由于組織結(jié)構(gòu)的不同，限制水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙物的排列和分布也不同，水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在各方向上受到的限制可能是對稱的，稱為各向同性擴(kuò)散；也可能是不對稱的，稱為各向異性擴(kuò)散。DWI技術(shù)就是檢測人體組織內(nèi)水分子的這種微觀擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的一種新型的MRI檢查技術(shù)。

DWI是利用MRI對運(yùn)動(dòng)物質(zhì)的敏感性，反映出移動(dòng)狀態(tài)的水所攜帶的質(zhì)子在橫向磁化產(chǎn)生的相位偏移。當(dāng)在DWI序列時(shí)，隨著梯度強(qiáng)度的加大，增加局部磁場的非均勻性，使T2弛豫過程明顯縮短，加大由彌散所導(dǎo)致的信號衰減程度，結(jié)果在圖像上呈現(xiàn)低信號，信號的下降與ADC值的關(guān)系可用下面的公式表示：ADC=ln(S2/S1)/(b1-b2)，S2與S1是不同b值條件下彌散加權(quán)像的信號強(qiáng)度；b為彌散敏感系數(shù)，彌散加權(quán)的程度由b值來決定，b值越高產(chǎn)生的彌散梯度場越強(qiáng)，造成信號下降越大，對病灶顯示越清晰。通過結(jié)合至少兩次以上的b值可得到彌散加權(quán)圖像。DWI是平面回波成像(EPI)加自旋回波(SE)所產(chǎn)生的一種特殊T2加權(quán)圖像，用于觀察水分子的彌散過程，水分子彌散正常時(shí)，其圖像顯示為等信號，水分子彌散受限時(shí)DWI上就會出現(xiàn)異常高信號，EPI技術(shù)是目前公認(rèn)的最快的空間信號采集成像方法，成像時(shí)間可達(dá)30ms，可以克服運(yùn)動(dòng)等偽影。

b值為施加的擴(kuò)散敏感梯度場參數(shù)，或稱擴(kuò)散敏感系數(shù)。在常用的SE-EPI DWI序列中公式如下

b值=γ2G2δ2（Δ-δ/3）

式中γ代表旋磁比；G代表梯度場強(qiáng)度；δ代表梯度場持續(xù)時(shí)間；Δ代表兩個(gè)梯度場間隔時(shí)間。

b值越高對水分子擴(kuò)散越敏感，但太高的b值得到的DWI信噪比(SNR)可能很低，較小的b值得到的DWI信噪比較高，但對水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的檢測不敏感，而且組織信號對水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)來說要明顯的多，如組織血流灌注造成水分子運(yùn)動(dòng)等。這些運(yùn)動(dòng)模式相對水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)來說要明顯的多。因此，擴(kuò)散敏感梯度場參數(shù)(擴(kuò)散敏感系數(shù))b又稱為彌散權(quán)重系數(shù)。

在DWI上造成組織信號衰減不僅僅是水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，水分子在擴(kuò)散敏感梯度場方向上各種形式的運(yùn)動(dòng)都造成組織信號的衰減，如組織血流灌注中水分子運(yùn)動(dòng)及其他生理運(yùn)動(dòng)等。SE-EPI由于采集速度很快，基本可以凍結(jié)組織多數(shù)的生理運(yùn)動(dòng)，但無法消除血流灌注對組織信號的影響。因此，通過對施加擴(kuò)散敏感梯度場前后的信號強(qiáng)度檢測，在得知b值的情況下可以計(jì)算組織的擴(kuò)散系數(shù)，但不是真正的擴(kuò)散系數(shù)，因其是受到其他形式水分子運(yùn)動(dòng)的影響的，所以只能把檢測到的擴(kuò)散系數(shù)稱為表觀擴(kuò)散系數(shù)(Apparent diffusion coefficient，ADC)。MRI可對感興趣區(qū)計(jì)算出每一像素的ADC值，根據(jù)各像素ADC值即可構(gòu)成ADC圖，使MR對水分子彌散變化的觀察更直觀，更精確。ADC圖不是一個(gè)獨(dú)立的檢查序列技術(shù)，而是在DWI檢查后，利用工作站處理而得到的、反映ADC高低的黑白灰節(jié)圖

2、DWI在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)用

DWI在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)用中最為成熟而具有高度特異性的價(jià)值是用于檢測超急性期腦梗死。由于腦缺血后導(dǎo)致局部缺血腦組織中水分子彌散降低，DWI能敏感地反映這種水分子的彌散狀態(tài)的變化，其基本原理是：水分子中的氫質(zhì)子受到彌散敏感梯度場作用下，不同部位的質(zhì)子產(chǎn)生不同的共振頻率，以致相位重聚時(shí)質(zhì)子間失去相位的一致性(失相位)，從而在DWI上出現(xiàn)信號衰減。而水分子彌散運(yùn)動(dòng)減弱的區(qū)域(如缺血區(qū))常無信號的衰減而呈高信號，在ADC圖上為低信號區(qū)(ADC值降低)。生理機(jī)制尚不完全清楚，但可能存在的機(jī)制是：

1、腦缺血時(shí)發(fā)生的一系列病理生理變化導(dǎo)致細(xì)胞外水分子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，產(chǎn)生細(xì)胞毒性水腫，細(xì)胞內(nèi)水分子由于受到細(xì)胞膜、細(xì)胞器等水分子結(jié)構(gòu)的限制，與細(xì)胞外水分子相比，其彌散降低；

2、缺血時(shí)細(xì)胞內(nèi)大分子物質(zhì)分解，黏稠度增加導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)水分子彌散降低。

3、由于細(xì)胞外水分子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞外間隙變窄、迂曲，彌散降低。隨著缺血的發(fā)展，大約在4h-6h后發(fā)生血管源性腦水腫，同時(shí)腦細(xì)胞發(fā)生壞死，使細(xì)胞外水分增多，此時(shí)在常規(guī)T2WI和FLAIR上也可出現(xiàn)高信號，進(jìn)一步發(fā)展，則能在CT上表現(xiàn)為低密度灶。

因此，對于腦梗死，DWI反映的是細(xì)胞毒性水腫，T2WI反映的是血管源性水腫，CT反映的是腦組織的壞死和水腫。血管源性水腫的出現(xiàn)比細(xì)胞毒性水腫的出現(xiàn)晚6h-12h，所以對于超急性腦梗死（6h之內(nèi)）的確診，DWI明顯優(yōu)于常規(guī)MRI序列和頭顱CT。常規(guī)MRI檢查中以FLAIR發(fā)現(xiàn)腦梗死最敏感，但因其反映的仍是腦梗死的血管源性水腫，所以要在6h-12h左右方能發(fā)現(xiàn)，而DWI反映的是細(xì)胞毒性水腫，因此能更早發(fā)現(xiàn)腦梗死(在缺血發(fā)生2h即能發(fā)現(xiàn))，這已經(jīng)得到公認(rèn)。

2.1.1 DWI對于新、舊梗死灶的鑒別

急性、亞急性、慢性梗死灶在常規(guī)MRI的T2WI上均表現(xiàn)為高信號，難以分辨新、舊梗死灶。DWI和ADC圖像則不同，超急性、急性、亞急性期病灶在DWI圖上呈高信號，在ADC圖上呈低信號，而慢性期和恢復(fù)期病灶在DWI圖呈低信號，ADC圖呈高信號，根據(jù)這點(diǎn)可以鑒別新舊梗死灶。

研究認(rèn)為環(huán)形高信號是MS活動(dòng)期病灶在DWI上的特征性表現(xiàn)，病灶中心主要是炎性細(xì)胞的滲出液和失去髓鞘的軸突，高信號的環(huán)代表急性脫髓鞘和炎癥反應(yīng)區(qū)，說明DWI可以在一定程度上反映MS病灶的病理改變。李郁欣等的研究中35個(gè)急性期病灶中僅2個(gè)(5.7%)呈等信號，33個(gè)(94.7%)均呈高信號(急性期炎癥反應(yīng)顯著，以單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞浸潤為主)；增強(qiáng)T1WI呈環(huán)形強(qiáng)化的病灶5個(gè)，在DWI上亦呈環(huán)形高信號；結(jié)節(jié)狀、斑點(diǎn)狀、弧線樣及條片狀強(qiáng)化病灶在DWI上大部分呈圓形或類圓形的高信號，131個(gè)慢性期病灶中呈高信號及稍高信號的79個(gè)(60.3%)，等信號43個(gè)(32.8%)，低信號9個(gè)(6.9%)，131例慢性期病灶中仍有79個(gè)（60.3%）呈高或稍高信號，說明MS病灶在DWI上可以長時(shí)間表現(xiàn)為高信號，也有作者認(rèn)為由于MS在病變發(fā)展變化過程當(dāng)中，新老病灶交替出現(xiàn)，慢性期DWI的高信號代表了新的活動(dòng)性病灶的出現(xiàn)。

MS病灶的ADC值變化：急性期病灶和慢性期病灶的ADC值均升高。慢性期病灶的ADC值明顯高于急性期病灶，急性期環(huán)形強(qiáng)化病灶的ADC值明顯高于非環(huán)形強(qiáng)化的病灶，慢性期T1WI低信號病灶的ADC值明顯高于T1WI等信號病灶，T1WI明顯低信號病灶的ADC值最高。MS病灶內(nèi)出現(xiàn)髓鞘脫失和軸索損傷，導(dǎo)致細(xì)胞外間隙擴(kuò)大，水分子擴(kuò)散增加，因此出現(xiàn)ADC值升高。組織病理學(xué)和DTI(擴(kuò)散張量成像)的對照研究發(fā)現(xiàn)，髓鞘密度和軸索數(shù)目與ADC(平均擴(kuò)散率圖)值呈明顯的負(fù)相關(guān)，與FA(部分各向異性圖)值呈正相關(guān)。

典型腦膿腫與壞死囊變腫瘤的鑒別不難，但隨著抗生素的大量應(yīng)用以及各種繼發(fā)性免疫缺陷人群的增多，隱源性腦膿腫發(fā)病率呈逐年上升趨勢，臨床缺乏典型感染中毒癥狀，導(dǎo)致二者鑒別困難。雖說囊壁有無結(jié)節(jié)是二者的鑒別之一，但是往往引起較大的爭議。而DWI對其有較好的鑒別價(jià)值，其鑒別機(jī)理如下：膿腔內(nèi)膿液是一種含有很多炎性細(xì)胞、細(xì)菌、壞死組織以及蛋白分泌物的黏稠液體，高黏稠度使膿液內(nèi)水分子的彌散速度減慢，ADC值降低(ADC圖上為低信號)，從而在DWI上表現(xiàn)為明顯的高信號。此表現(xiàn)可作為腦膿腫的特征性表現(xiàn)，其診斷的特異度為90。91%，敏感度為93。33%，可作為與顱內(nèi)囊變-壞死性腫瘤鑒別診斷的依據(jù)。也有個(gè)別報(bào)道腦膿腫的ADC值不僅不降低反而升高，于DWI上呈低信號或等信號。腫瘤的壞死囊變區(qū)以漿液性的壞死物為主，其黏稠度相對較低，較正常腦組織彌散加快，ADC值升高(在ADC圖上為高信號)，從而在DWI上表現(xiàn)為低信號。