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-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。
三、粘滞度高 脑脓肿 表皮样囊肿 凝固性坏死
急性/亚急性期脑梗死—细胞毒性水肿
ADC值降低，DWI为高信号，扩散受限。
缺血缺氧性脑病2天：细胞毒性脑水肿
多发性急性期—细胞毒性水肿
MS急性期—细胞毒性水肿，呈DWI高信号，ADC值减低
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
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。
T2透射（shine-through）效应
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。
– 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。
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。
ADC=ln(S2/S1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ/(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
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。
表观扩散系数－ADC
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。
DWI 和ADC的图像对比
DWI
ADC
DWI 和ADC的图像对比
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。
Apparent diffusion coefficient
“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)
• 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。
……
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
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
扩散梯度
扩散加权梯度与SE序列融合时
RF Gs
φs φm
90° 扩散梯度
180° 扩散梯度
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
α
RF 扩散梯度
Gs
φs
φm
扩散梯度
两个扩散敏感梯 度场极性相反， 互相抵消．
DWI参数
计算公式
S2=S1×exp(-b .ADC)
• 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。
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。
DWI基本原理
• 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。
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
EPI-DWI
Propeller DWI
Propeller DWI 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
•
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 。
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。
•
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。
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。
成像序列：螺旋桨弥散加权成像（Propeller DWI）
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 。
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
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