DWI的基本原理和临床应用
参考资料：复旦大学附属华山医院
弥散加权成像的原理（DWI）A 弥散张力成像的原理（DTI）B 弥散加权成像的临床应用
C 目录
核磁共振技术
1950年Hahn首次注意到水弥散对MR信号
的影响
1954年Carr和Durcell通过SE序列技术
用MR发现了弥散
1965年Stejskal和Tanner将之发展为可
成像、可测量的磁共振技术
弥散加权成像原理（Diffusion-weighted imaging ，DWI）
· 弥散加权成像是建立在MRI流动效应基础上的成像方法。
· DWI观察的对象是水分子的流动扩散现象。
· DWI图像构成反应的水分子弥散的速度，而不是T1或T2的权重。
· 在均质的水中，水分子的流动扩散是一种完全随机的热运动。
· 人体组织中，由于存在各种各样的屏障物，水分子的自由流动扩散活动就会受到影响。
· 依赖于扩散方向的水分子活动称为各向异性，即在水分子活动的各个方向上其扩散规律不是随机均等的，而是有扩散方向上的不均匀性。
· 在非均一的磁场（空间上不均匀的磁场）环境下，因水分子弥散而产生的质子随机活动会造成MR信号的下降。
· 在梯度磁场较小时，它的作用是很微弱的。
· 当在三维空间（X、Y、Z轴）任一方向上使用一预先准备的高场强梯度磁场时，水分子的弥散造成的MR信号改变就不再是微不足道的了，而是“可见的”了。
· MR弥散加权成像实际是在MR原有图像对比上出现的一种新的独特的图像对比。
DWI的脉冲程序示意图（Stejskal-Tanner技术）
第一个梯度脉冲
组织内质子失相位
弥散慢的水分子弥散快的水分子大部分出现再聚焦
第二个再聚焦脉冲
维持原有的信号强度（相对的高信号）信号降低不能再聚焦
水分子的弥散是分子热运动引起的随机活动，水分子沿一个方向随机“移动”的路径已由Einsten的公式描述：
ll=2DD t
式中ll为随机“移动”的距离，D为弥散系数。
t为观察时间。
如果从三维空间来描述水分子的随机“走动”，则公式为：
ll=6DDDD
· 在观察时间非常短时，水分子的弥散活动可看作是在纯水中进行，即是随机的活动。
但当观察时间延长到水分子的活动足以遇到屏障时，形势就不完全一样了。
· D* （表观弥散系数，也称为Apparent diffusion
coefficient ，ADC）代替D。
D*的值依赖于观测水分子活动时间的长短，这一时间称为弥散时间Td。
· D*的不同取决于Td和屏障的空间大小、几何外形和渗透率。
一般地讲，D*要小于水分子活动无限制的弥散系数D，但当Td接近于0或无限大时，D*和D将很接近。
在不考虑较小的层面选择梯度磁场时，弥散衰减系数R 如下式所示：
式中，γγ为旋磁比，G 是梯度脉冲的振幅，δδ是振幅宽度，ΔΔ是梯度脉冲间隔时间。
对PGSE 来讲Td=ΔΔ-1/3δδ
设b=γγ2GG 2δδ2Td
则R=exp-（b DD ∗
）Td 和b 值均可调节。
]
RR =exp −[γγ2GG 2δδ2(ΔΔ−⁄13δδ)DD ∗
在弥散加权成像中，b值和Td可看作是图像对比调节中的窗位和窗宽，选择合适的Td和b值对最大限度地显示弥散的效果有重要的意义。
B值的单位是s/mm2，b 值不同，弥散所造成的信号差别就不同，b值选的越大，不同弥散状况造成的信号差别就越大。
· 增加信噪比和缩短采集时间（shorter TE’s）
· 更高的b值，更高的弥散敏感性和减低T2高信号的影响
High b-value DWI
弥散张力成像原理（Diffusion-tension imaging，DTI）
弥散张力成像原理
· 水分子在不同方向上弥散的差别称为各向异性。
· DTI是建立在水分子各向异性基础上的成像方法。
· DTI不但关心弥散的速度，更关心弥散的方向。
弥散张力成像原理
沿着神经轴索方向运动的
水分子要比跨越神经轴索
的水分运动的速度快得多
DD avg平均弥散系数=ADC DD surf表面弥散系数
DD volm容积弥散系数
e ADC 指数ADC=exp（-b DD avg）弥散衰减系数R=exp-（b DD∗）DD∗=ADC
· RA Relative anisotropy
相对各向异性· FA Fractional anisotropy
各向异性分数· AI Anisotropy index
各向异性指数
· 最短的TE时间
· 测定方向最少=6 最多=55以上
· DTI b值最小=50 最高=3000 s/mm2以上
Diffusion-Tension Imaging
25 direction，18slice locations FA
颜色显示法：用不同的颜色来表示不同的方向
椭圆体显示法（Ellipsoid display）纤维的各向异性程度、走行方向直观显示
弥散加权成像的临床应用
弥散加权成像的临床应用
急性或超急性
脑梗死的诊断
多发硬化的
定性和鉴别脑肿瘤的诊断
和鉴别诊断
其他方面的应用
一、缺血性脑血管病
· 是DWI应用最广泛、最成熟的领域
· 可发现超急性脑梗死，区分急、慢
性梗死灶
· 与PWI联合应用可评估缺血半暗带
· 当前热点：
——TIA，量化评估可逆缺血灶和小灶梗死
——DWI（+）病灶再认识：可恢复的“梗死灶”
——DWI预测中风再次发生
· 细胞毒性水肿可能在发病数分钟内在DWI上看到，与CT或常规MR在数小时看到相比，DWI对超急性脑梗死具有特殊的价值
· 急性卒中时，早期DWI病变体积与临床神经功能结局以及最终的梗死体积
之间具有良好的相关性
T2WI（-）DWI高信号ADC图低信号
· 细胞修复和其他过程引起ADC逐渐增高，直到进入ADC增高的慢性期· 急性和慢性梗死，在T2加权像可能同样均呈高信号强度，但DWI能区分两者
· 多数急性者DWI呈高信号，慢性者呈低信号但高强调结合ADC图，当
心假阳性
慢性梗死灶，DWI高信号（T2投射效应），ADC图也为高信号
· 联合应用MR血管造影、DWI和PWI，能非侵袭性地评价血管闭塞、死亡组织及其周围任何血量减少的组织
· 灌注和弥散不匹配可以对半暗带作出合理的评价，而半暗带是临床治疗的目标· 缺血半暗带=PWI-DWI？（近年来有不同的看法）
缺血半暗带=MTT-DWI
发病后4h T2-W DWI ADC
PWI MRA 发病后11天T2-W
DWI和PWI联合应用于界定缺血半影区
发病2.5h T2-W正常DWI ADC MAP MTT
短暂性脑缺血发作（TIA）
· 以临床症状恢复的时间（24Hr或1Hr）作
为界定TIA的标准具有很大的不确定性
· DWI和PWI联合应用将可能对临床诊断的
TIA进行科学的分类
可逆灶梗死灶rAI b=1000 1.17 1.29（DWI图上的高信号和对侧的比值）
rrrrII AAAAAA0.86 0.69（ADC图上低信号和对侧的比值）
DWI rAI b=1000=2.24rrDDAA rrrrII AAAAAA=0.63脑梗死灶
DWI rAI b=1000=1.52rrDDAA rrrrII AAAAAA=0.95可恢复的DWI（+）灶
· 华山医院的研究提示TIA可分类为：
Ⅰ.PWI（+），DWI（-）
Ⅱ.PWI（+），DWI（+）→（-）（可恢复的弥散阳性病灶）
Ⅲ.PWI（+），DWI（+）
Ⅰ，Ⅱ组预后良好；Ⅲ组实际是临床表现为TIA的小灶脑梗死
· 按此分类，有可能对TIA进行更科学的诊断和评价。
而当前对TIA的研究结果差异很大，是由于没科学分类所致
发病6天发病2周
发病3月
男性，43岁，左侧肢体
发作性麻木无力，每次
约15min，DWI（-）。
Ⅰ组
MTT CBV
DWI ADC MTT CBV 女性，74岁，突发头晕，言语不利，右侧肢体活动不利近1小时恢复。
Ⅲ组
DWI预测中风的危险性
· 无症状的高危人群中，脑内DWI阳性
灶的出现，预示患者将来发生中风的
可能性增加
· 定量ADC值可能用于评估发生脑卒中
的危险性
· 星形细胞肿瘤组织的ADC值（1.23±0.52×10-
3mm2/s）及瘤周水肿（1.40±0.40×10-3mm2/s）与正常组织（0.76±0.09×10-3mm2/s）相比均有显著性差异
· 肿瘤组织与瘤周水肿之间ADC值无显著性差异· 低度恶性星形细胞肿瘤与3-4级星形细胞肿瘤之间
ADC值有显著性差异
胶质瘤高。