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1、DWI基本原理及其在脑部疾病中的应用,1,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,2,DWI概述,MR扩散加权成像（diffusion-weighted imaging, 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。,
2、3,原理,4,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。,5,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。,6,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
3、运动。,DWI基本原理,7,扩散梯度,8,扩散加权梯度与SE序列融合时,90,180,RF,s,Gs,扩散梯度,扩散梯度,m,两个扩散敏感梯度位于180的两侧,9,扩散加权梯度与GRE序列融合时,RF,s,Gs,扩散梯度,扩散梯度,m,两个扩散敏感梯度场极性相反，互相抵消,10,计算公式 S2=S1exp(-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,11,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
4、度场强、持续时间和间隔时间有关。,12,“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ADC Apparent diffusion coefficient,13,DWI 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。,14,DWI 和ADC的图像对比,ADC,DWI,15,急性/亚急性期脑梗
5、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,16,多发性硬化DWI高信号ADC稍高信号,17,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。,18,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(-bD) 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
6、扩散系数（D）和T2以及扩散敏感梯度因子b值。,19,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。,20,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500 s/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800-1500 s/mm2 。,21,DWI
7、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。,22,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。,23,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,24,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
8、应组织真实的扩散情况。,25,T2-FLAIRT,DWI,ADC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。,26,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。,27,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
9、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,28,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。,T2,ADC,DWI,29,T2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
10、现平衡。 往往见于血管源性水肿区域。,30,T2廓清（washout）效应,31,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,32,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。,33,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
11、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T2 Washout或T2 blackout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,34,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,35,磁敏感伪影,36,涡漩
12、电流伪影,37,运动伪影(癫痫发作）,38,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。,39,GE：Propeller DWI；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
13、像（Propeller DWI）,40,EPI-DWI,Propeller DWI,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,41,EPI-DWI,Propeller DWI,Propeller DWI 比EPI-DWI图像信噪比及空分辨力更高。,42,43,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 ,44,45,46,47,48,49,DWI上高信号（扩散受限）,一、细胞毒性水肿 神经元/
14、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,50,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,51,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,52,缺血缺氧性脑病2天：细胞毒性脑水肿,53,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,54,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
15、降低，DWI为高信号，扩散受限。,55,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。,56,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。,57,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,58,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,59,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,60
16、,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,61,正常脑组织弥散加权成像,62,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,63,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 。,64,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。,65,正常脑组织DWI信号特点,脉络丛 DWI上有时因
