DWI基本原理及其在脑部疾病中的应用

DWI基本原理及其在脑部疾病中的应用内容•DWI概述•原理•扩散现象•DWI成像基本原理•DWI图像的影响因素•DWI常见伪影•目前常用的DWI序列•DWI上高信号病变•正常脑组织•在脑部疾病中的应用DWI概述MR扩散加权成像（diffusion-weightedimaging,DWI）是20世纪90年代初中期发展起来的MRI新技术，国内于90年代中期引进该技术并在临床上推广应用。DWI提供真实描述组织水分子扩散相对速度的图象对比。与传统的MR技术不同，它主要依赖于水分子的运动而不依赖于自旋质子密度、T1或T2。是目前唯一能够检测活体组织内水分子扩散运动的无创性方法。原理扩散（diffusion）的概念扩散（diffusion）是指分子热能激发而使分子发生一种微观、随机的平移运动并相互碰撞，也称分子的热运动或布朗运动。DWI技术就是检测扩散运动的方法之一，由于一般人体MR成像的对象是质子，主要是水分子中的质子，因此DWI技术实际上是通过检测人体组织中水分子扩散运动受限制的方向和程度等信息间接反映组织微观结构的变化。•在自旋回波T2WI的基础上，在某一方向上施加一对大小相等、方向相反的梯度脉冲。•如果水在体素内能自由移动（扩散），则此处会失相位，因此信号降低。反之如果水的弥散受限制则很少失相位，因此信号较高。•在相应的方向上测量水分子的运动。DWI基本原理扩散梯度扩散加权梯度与SE序列融合时90°180°RFφsGs扩散梯度扩散梯度φm两个扩散敏感梯度位于180°的两侧．扩散加权梯度与GRE序列融合时αRFφsGs扩散梯度扩散梯度φm两个扩散敏感梯度场极性相反，互相抵消．计算公式S2=S1×exp(-b.ADC)ADC=ln(S2/S1)/(b1-b2)•S1、S2不同b值时的DWI信号强度•exp指数函数•b扩散敏感系数•ADC表观弥散系数DWI参数扩散敏感系数－b定义：成像序列对弥散运动表现的敏感程度，反映弥散加权的程度，单位s/mm2。与施加的弥散敏感梯度场强、持续时间和间隔时间有关。“表观”：为组织内许多复杂过程的平均测量ADC是不同方向的分子弥散运动的速度和范围，反映水分子移动的自由度ADC值主要根据DWI图像上的信号强度的变化来计算，由两幅不同b值（0，1000）的图像计算得出：ADC=ln(S2/S1)/(b1-b2)表观扩散系数－ADCApparentdiffusioncoefficientDWI和ADC的图像对比•一般情况下，ADC图主要反映水分子扩散的幅度，其黑白度往往与DWI相反。•ADC值下降，DWI像呈高信号--扩散受限。DWI和ADC的图像对比ADCDWI急性/亚急性期脑梗死，细胞毒性水肿为主，ADC值降低，DWI为高信号，扩散受限。DWI和ADC的图像对比多发性硬化DWI高信号ADC稍高信号DWI图像的影响因素•在水分子扩散自由的区域，检测到的DWI信号应为低信号，同时测量得到高的ADC值。•但在临床实践中，我们看到的DWI图像实际上会受到组织T1、T2，甚至毛细血管灌注等多种因素的影响，导致DWI图像并不表现为理想的情况。DWI图像的影响因素•DWI信号强度的数学公式可以表达为：SDW∝r(exp[-TE/T2])×exp(-b∙D)SDW为DWI信号强度；r是质子密度；D是水分子的扩散系数•DWI的信号强度主要取决于组织内水分子的扩散系数（D）和T2以及扩散敏感梯度因子b值。DWI图像的影响因素——b值•b值为0时，DWI图像近似T2加权图像。•较小的b值得到的图像信噪比较高，但对水分子扩散运动的检测不明高，而且组织信号的衰减受其它运动的影响比较大，如组织血流灌注造成的水分子运动等，这些运动模式相对水分子的扩散运动来说要明显的多。DWI图像的影响因素——b值•在b值较低时，由于受血流灌注等因素的影响，所测得的ADC值偏高，而且b值越小，测得的ADC值越偏高。•但一般当b值500s/mm2时可基本消除血流灌注对DWI及ADC值测量的影响。•脑组织的b值选择范围一般为800-1500s/mm2。DWI图像的影响因素——b值•随着b值增加，扩散加权信号的权重加大，且较高的b值能够增加病灶和正常组织之间的对比度，但同时DWI信号强度减低，图像整体的信噪比逐渐减低。DWI图像的影像因素——T2•在b值一定的情况下，DWI图像实际上是由组织内水分子的扩散加权信号和T2加权信号两种成分的权衡构成。DWI图像的影像因素——T2•T2效应：T2效应嵌合于DWI中,T2干扰使DWI并不能准确反映病灶的扩散特征。T2透射（shine-through）效应T2廓清（washout）效应T2暗化（blackout）效应T2效应的消除生成ADC图或指数ADC(eADC)图均可消除T2效应，来反应组织真实的扩散情况。T2-FLAIRTDWIADC图eADC图GE的后处理软件平台能提供eADC图，既去除T2效应的干扰，又保留了DWI图像固有的对比特征。文献发现，两个参数诊断效能相当，并且eADC有更好的图像对比度。T2透射（shine-through）效应当受检组织的T2值明显增高时,会在DWI上有明显的T2图象对比存在，称之为T2穿透效应，有时会造成扩散受限的假阳性表现。该术语常用来专指T2高信号对DWI中观察到的高信号的贡献。急性/亚急性期脑梗死，细胞毒性水肿为主。表现为病变区扩散受限（低ADC值），同时该区域水分增多，T2WI为高信号，虽然DWI图像上为高信号，但要考虑这种高信号是扩散受限信号叠加了T2WI的高信号。T2透射（shine-through）效应T2透射（shine-through）效应脑桥出血致肥大性下橄榄核变性，ADC值增高，T2为高信号，由于T2透射效应，DWI为高信号。ADC值增高，表明扩散不受限，如果只分析DWI高信号容易造成扩散受限的假阳性结论。T2ADCDWIT2廓清（washout）效应•该术语特指T2W高信号组织在DWI图像上表现为等信号，原因归结为组织虽然具有长T2时间，但由于同时扩散率增加，导致T2WI上为高信号恰好与ADC值升高引起扩散加权信号减低相抵消，二者之间出现平衡。•往往见于血管源性水肿区域。T2廓清（washout）效应T2暗化（blackout）效应•该术语描述了由于组织的T2W明显低信号造成的DWI图像上表现为低信号。•多见于出血性病变，含铁血黄素沉着等，通常发生顺磁性磁敏感伪影•或某些细胞密度明显增加的肿瘤或肿瘤样病变（如淋巴瘤、神经结节病等）•或水分减低的纤维组织T2暗化（blackout）效应病理确诊淋巴瘤患者，肿瘤细胞核/浆比很高，细胞排列致密，ADC值降低，病灶内有陈旧出血，T2低，由于T2暗化效应，DWI表现为等及稍低信号。DWI序列检测病灶的敏感性很高，当DWI上显示高信号时对我们敏感发现病灶非常有帮助。但是DWI上未见明显异常的时候，我们需要警惕T2Washout或T2blackout效应所致的等信号或低信号有可能会掩盖病灶。因此我们在进行DWI图像分析时，一定要结合T2WI图像和ADC/eADC参数图综合阅片。综合阅片的重要性DWI常见伪影基于EPI的DWI可产生与EPI序列相关的伪影：例如：磁敏感伪影：见于额窦及颞骨区域，此伪影即使使用高阶匀场线圈也很难去纠正，而且随着场强的增加而成显性的增加，可通过减少回波链长度来减低。涡漩电流伪影：硬件间不匹配可引起，现已有许多技术来补偿这种伪影，使得DWI质量得到提高。运动伪影磁敏感伪影涡漩电流伪影运动伪影(癫痫发作）成像序列：SE-EPI扩散加权成像基于SE的EPI扩散成像是临床最常用、最实用的扩散成像技术。EPI技术是可缩短EPI的回波链并大大缩短TE，从而可大大减轻磁敏感伪影。•GE：PropellerDWI；西门子：Blade•是基于FSE序列螺旋桨采集的扩散加权序列。•优点：•图像信噪比更高，空分辨力高。•能够减轻磁敏感引起的弥散伪影，从而有利于对眼眶、颅底、脑干等部位的观察。•对于义齿或有手术区残留有顺磁性物质的病例，可明显减轻金属伪影。•运动Propeller技术，可明显减少或消除运动伪影。•缺点：扫描时间长。成像序列：螺旋桨弥散加权成像（PropellerDWI）EPI-DWIPropellerDWI在气体-骨组织交界面，可明显减轻磁场部不均匀引起的磁敏感伪影EPI-DWIPropellerDWIPropellerDWI比EPI-DWI图像信噪比及空分辨力更高。影响水分子弥散的因素生物组织内的水分子的扩散分为三大类：细胞内扩散，细胞外扩散，跨膜扩散，且扩散运动受到组织结构、细胞内细胞器和组织大分子的影响。细胞体积的变化细胞外间隙的变化细胞膜渗透作用的变化大分子蛋白物质的影响……DWI上高信号（扩散受限）一、细胞毒性水肿神经元/胶质细胞水肿急性脑梗死、脑外伤、缺血缺氧性脑病髓鞘水肿MS急性期，中毒性脑病（CO中毒），代谢性脑病（ALD）轴索水肿弥漫性轴索损伤（DAI）Wallerian变性DWI上高信号（扩散受限）二、细胞密度高、细胞外间隙小淋巴瘤，原始神经外胚层肿瘤等三、粘滞度高脑脓肿表皮样囊肿凝固性坏死ADC值降低，DWI为高信号，扩散受限。急性/亚急性期脑梗死—细胞毒性水肿缺血缺氧性脑病2天：细胞毒性脑水肿MS急性期—细胞毒性水肿，呈DWI高信号，ADC值减低多发性急性期—细胞毒性水肿弥漫性轴索损伤—细胞毒性水肿弥漫性轴索损伤—细胞毒性水肿，ADC值降低，DWI为高信号，扩散受限。下橄榄核Wallerian变性—细胞毒性水肿脑桥出血致肥大性下橄榄核变性，导致细胞毒性水肿，ADC值增高，T2为高信号，由于T2透射效应，DWI为高信号。淋巴瘤—扩散受限淋巴瘤（弥漫性大B细胞型），由于细胞密度高、细胞外间隙小，ADC值降低，DWI为高信号，扩散受限。脑脓肿—扩散受限脓液粘滞度高，扩散受限，ADC值降低，DWI为高信号表皮样囊肿—扩散受限表皮样囊肿，囊液粘滞度高，扩散受限，ADC值降低，DWI为高信号脑弓形体病，中心凝固性坏死，粘滞度高，呈DWI高信号，ADC值减低脑炎—中心凝固性坏死—扩散受限原发性震颤行射频丘脑切开术后出现凝固性坏死，粘滞度高，呈DWI高信号，ADC值减低。凝固性坏死—扩散受限正常脑组织弥散加权成像正常脑组织DWI信号特点•基底节DWI呈低信号•正常铁沉积•与T2对比有关ADC图•通常呈等信号•依沉积铁造成的磁敏感伪影不同可呈高或等信号正常脑组织DWI信号特点•灰白质–DWI上皮质通常比白质信号略高：由T2对比引起–ADC值基本相等•有报道指出ADC值随年龄增长而增加，但增长幅度很小且在脑组织所有部分均可以被观察到，在白质和豆状核较其它部位略明显。正常脑组织DWI信号特点内囊后肢、皮质脊髓束、丘脑内侧和小脑上脚DWI常可见局灶性高信号：由T2对比引起，属正常表现，无临床意义。ADC图通常表现为等信号。正常脑组织DWI信号特点•脉络丛–DWI上有时因胶样囊变呈明显高信号–ADC图上信号相应的轻度升高•通常要高于脑白质，而较脑脊液要低–代表脉络丛凝胶样囊变，通常和年龄相关脉络丛因胶样囊变，呈明显DWI高信号表现儿童脑组织DWI信号特点儿童脑组织特点：含水量高，细胞不成熟，白质未髓鞘化。•较成人有更高的ADC值。•不同区域的ADC值变化较大：1、白质区ADC值高于灰质区。2、出生时皮层下白质ADC值高于内囊前肢和后肢3、皮层和尾状核ADC值高于丘脑和豆状核。4、除脑脊液外，随儿童脑组织成熟度增加ADC值下降。2d脑组织，DWI信号特点1、白质区ADC值高于灰质区。2、出生时皮层下白质ADC值高于内囊前肢和后肢3、皮层和尾状核ADC值高于丘脑和豆状核。4、除脑脊液外，随儿童脑组织成熟度增加ADC值下降。脑水肿•定义：脑细胞内或细胞外间隙积累了过多的水分。•分类–细胞毒性水肿–血管源性水肿–间质性水肿•常规MR成像不能区分水肿的类型。•DWI联合ADC反映脑组织水分子微观水平的运动，可以区分水肿类型