磁共振弥散加权成像和弥散张量成像

磁共振弥散加权成像和弥散张量成像DiffusionWeightedImagingandDiffusionTensorImaging弥散的概念弥散是自然界中最基本的物理现象，指分子的不规则随机运动，即布朗运动。通常用于描述分子等颗粒由高浓度向低浓度区扩散的微观运动。DWI上水分子随机微观运动的大小用弥散系数来描述，单位为平方毫米／秒。弥散系数越大，代表分子弥散运动越强。DWI的历史及进展1950年——Hahn提出弥散对MRI信号强度的影响；1954年——Carr和Purcell以SE序列为基础测得水的弥散系数；1961年——Woessner扩展到利用受激回波序列的测量；1965年——Stejskal和Tanner引入脉冲梯度进行弥散敏化；1986年——LeBihan等首次将DWI应用于生物组织中。DWI基本原理物理基础人体中大约有70％的水，与DWI有关的弥散主要指体内水分子（包括自由水和结合水）的随机位移运动。水分子随机运动过程中不断相互碰撞，每次碰撞后水分子发生偏向并旋转，使其位置与运动方向发生随机变化。在存在浓度梯度情况下，分子弥散运动遵循一定规律（Fick’s定律）。即在无外力作用下，分子总是从浓度高的一方向浓度低的一方位移。受限弥散细胞膜或大分子蛋白等生物组织中的天然屏障使得水分子的弥散受到限制，称为受限弥散（ristricteddiffusion)。各向同性弥散在均匀介质中，水分子任何方向的弥散系数都相等，称为各向同性弥散(isotropicdiffusion)，即弥散不受方向的限制；各向异性弥散同一介质在三个弥散梯度方向（相位、层面和读出方向）上呈现不同的弥散运动，引起不同的信号表现，称为各向异性弥散（anisotropicdiffusion)。DWI信号形成机制活体组织中，水分子的弥散运动包括细胞外、细胞内和跨细胞运动以及微循环（灌注），细胞外运动和灌注是组织DWI信号衰减的主要原因。组织内水分子的随机运动越多，在DWI中的信号衰减越明显。自由水比固体组织有极高的弥散系数，导致信号大量丢失，在DWI上呈明显低信号。DWI成像序列SE-EPI（单次激发多层面自旋回波－回波平面加权成像）序列，即在自旋回波序列的基础上在3个互相垂直的方向上于180度脉冲前后分别施加成对的弥散敏感梯度脉冲。优点：1、明显减少成像时间；2、降低运动伪影——propeller技术应用；3、增加因分子运动而使信号强度变化的敏感性。DWI定量分析弥散系数直接反映组织的弥散特性，为衡量生物组织中分子弥散程度的绝对值。但受限弥散、弥散时间、血流、运动、RF脉冲等因素均可影响测得的弥散系数。表观弥散系数（apparentdiffusioncoefficient，ADC)—DWI上测得的生物组织整体结构特征的弥散系数，反映水分子弥散和毛细血管微循环（灌注）的人工参数。ADC是水分子移动的自由度。在正常脑组织中，水分子向三维空间各个方向扩散的量不同，存在各向异性扩散，水分子在平行于神经纤维的方向较垂直其方向上更易扩散。因此取三个不同方向的DWI上所测的ADC平均值，便可消除各向异性的干扰。ADC＝[ln(S1/S2)]/(b2-b1)ln为自然对数。S为某一弥散敏感系数(b）下的信号强度，S1和S2代表两个不同b值兴趣区的信号强度。b值——弥散加权程度（弥散敏感系数）。b=(γδA)(△-δ／3)γ为旋磁比，δ、△、A分别为扩散梯度持续时间、间隔时间及强度，b值单位为秒/平方毫米。临床应用中一般固定δ、△、γ，仅通过改变A的大小而获得不同的b值。b值受灌注影响大，小b值主要反映局部组织的微循环血流灌注，测得的ADC值不稳定。b=0产生无弥散权中的T2像。大b值所测得ADC值受血流灌注影响小，较好反映组织内水分子的弥散运动。即b值越大，对水分子运动的检测越敏感，但图像的信噪比相应的下降。通常b值取1000s/mm3，成二组图像：b=0和b=1000。b=0b=1000DWI图：弥散受限组织和长T2组织均表现为高信号。——不是纯粹的弥散图，包含T2WI成分。（脑脊液是黑的）ADC图：弥散程度高的组织信号高（亮），弥散受限组织表现为低信号。（脑脊液是白的）eADC图：弥散受限组织信号高，自由弥散组织信号低——消除了T2穿透（shinethrough）效应的影响。（脑脊液是黑的）DWI临床应用中枢神经系统超急性期和急性期脑缺血感染脱髓鞘病变肿瘤DWI对超急性和急性脑梗塞的检出敏感性为88％～100％，特异性为86％～100％。能够鉴别新鲜与陈旧性梗塞灶，并能评估预后。存在假阴性（病灶较小、空间分辨率有限）和假阳性（磁敏感效应所致）。对新生儿急性缺血缺氧性脑病显示敏感，且能准确预测病灶范围。对一过性缺血发作（TIA）显示优于常规MRI。DWIADC超急性期脑梗死DWI临床应用中枢神经系统超急性期和急性期脑缺血感染脱髓鞘病变肿瘤化脓性感染：脓腔于DWI呈均匀高信号，ADC降低——弥散受限，与脓液的高粘滞度和脓肿的多细胞性有关。对细菌性脑膜炎并发的硬膜下（外）积脓和炎性渗出物有鉴别诊断意义，从而有利于指导临床治疗。一定程度上鉴别疱疹性脑炎和颞叶浸润性胶质瘤。脑脓肿DWI临床应用中枢神经系统超急性期和急性期脑缺血感染脱髓鞘病变肿瘤多发性硬化（MS）：分期：急性期DWI呈高信号，慢性病灶呈等信号，急性期硬化斑ADC明显高于慢性硬化斑。可靠鉴别脱髓鞘和梗死灶。DWI临床应用中枢神经系统超急性期和急性期脑缺血感染脱髓鞘病变肿瘤鉴别蛛网膜囊肿与表皮样囊肿：蛛网膜囊肿——DWI低信号，ADC明显高信号；表皮样囊肿——DWI高信号，ADC类似脑实质低于CSF信号。鉴别脑脓肿和肿瘤囊变（坏死）。胶质瘤分级。蛛网膜囊肿表皮样囊肿术后残存脑脓肿多形胶质母细胞瘤其它应用骨骼肌肉系统肝脏乳腺卵巢心脏肾脏肝血管瘤子宫肌瘤磁共振弥散张量成像磁共振弥散张量成像(DiffusionTensorImaging，DTI)是DWI的发展和深化，主要用于脑部尤其对白质束的观察、追踪、脑发育和脑认知功能的研究、脑疾病的病理变化以及脑部手术的术前计划和术后评估。成像基础弥散张量是指水分子弥散的各向异性、不均匀性组织弥散特征。DWI只有ADC一个标量来描述弥散，只代表弥散梯度磁场施加方向上水分子的弥散特点，而不能完全、正确地评价不同组织各向异性的特点。人体内的水分子同体外水分子的运动不同，它不仅受组织细胞本身特征的影响，而且还受细胞内部结构的影响。在具有固定排列在具有固定排列顺序的组织结构中（如神经纤维束），人体内的水分子在各个方向的弥散是不同的，通常更倾向于沿着神经纤维束走行的方向进行弥散，而很少沿着垂直于神经纤维束走行的方向进行弥散。水分子弥散的各向异性可以用来追踪纤维走行，评估组织结构完整性和连通性。要评估弥散的各向异性，首先要确定整体弥散张量，这就要求至少在6个非共线方向上连续应用弥散梯度，来获得一组弥散加权图像。扫描应用序列单次激发自旋回波平面成像(EPI)序列。定量分析各向异性程度的参数FA（各向异性分数，FractionalAnisotropy)：最常用，临床应用中主要用来反映发育过程中脑白质的髓鞘化程度或变性病中纤维束的破坏。FA值的范围为0～1，0代表最大各向同性的弥散，1代表假想状况下最大各向异性的弥散。RA（相对各向异性度，relativeanisotropy)VR（容积比，volumeratio)弥散张量的示踪(trace)或平均弥散图需要联合应用相应的示踪ADC和FA图进行评价。在ADC图中，信号强度与ADC值呈正比，因此脑脊液为高信号而脑实质为低信号。在FA图中，脑白质各向异性最大，表现为高信号；相反，各向异性最低的脑脊液则表现为低信号。DTI中枢神经系统的临床应用大脑的发育梗塞变性性疾病：MS感染性病变肿瘤性病变其他：脑功能和精神改变DTI在其他系统的临床应用DTI在心脏的应用DTI在肾脏的临床应用DTI在骨骼肌的临床应用小结弥散成像是显示组织微观物理特性真正的定量方法。DTI是惟一的一种可以无创地跟踪脑内白质纤维并反映其解剖连通性的有效方法。DWI和DTI在中枢神经系统中有广泛的应用。谢谢！