MR扩散加权成像技术.docVIP

第六节 MR扩散加权成像技术 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。 一、扩散的基本概念 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。任何分子都存在扩散运动。扩散在很多非平衡态系统中可以观察到，如在一杯纯水中加入一滴红墨水，红墨水在水中逐渐散开即是一种扩散现象。但当平衡状态建立后，如上述例子中红墨水最后完全在水中散开，杯中各处红墨水浓度完全一样时，宏观的扩散不再观察得到，但实际上微观的扩散运动依然存在。通过一些特殊的技术可以检测这种分子的微观扩散运动。DWI技术就是检测这种微观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技术实际上检测的是人体组织内水分子的扩散运动。 如果水分子扩散运动不受任何约束，我们把这种扩散运动称为自由扩散运动。但在生物体中，水分子由于受周围介质的约束，其扩散运动将受到一定程度的限制，我们把这种扩散运动称为限制性扩散。在人体中，我们可以把脑脊液、尿液等的水分子扩散运动视作自由扩散，而人体一般组织中水分子的扩散运动属于限制性扩散。实际上DWI就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。 在人体组织中，由于组织结构的不同，限制水分子扩散运动的阻碍物的排列和分布也不同，水分子的扩散运动在各方向上受到的限制可能是对称，也可能是不对称的。如果水分子在各方向上的限制性扩散是对称的，我们称之为各向同性扩散（isotropic diffusion）。如果水分子在各方向上的限制性扩散是不对称的，我们称之为各向异性扩散（anisotropic diffusion）。各向异性扩散在人体组织中普遍存在，其中最典型的是脑白质神经纤维束。由于神经细胞膜和髓鞘沿着神经轴突的长轴分布并包绕轴突，水分子在神经纤维长轴方向上扩散运动相对自由，而在垂直于神经纤维长轴的各方向上，水分子的扩散运动将明显受到细胞膜和髓鞘的限制。 二、DWI的原理 DWI的物理学原理比较复杂，这里我们仅作简单介绍。 MRI检测到的信号最后都分配到每个像素中，每个像素实际上代表受检组织的一个体素，我们就以一个体素为例，并结合目前最常用于DWI的SE-EPI序列来介绍DWI的基本原理。 射频脉冲使体素内的质子相位一致，射频脉冲关闭后，由于组织的T2弛豫和主磁场不均匀将造成质子逐渐失相位，从而造成宏观横向磁化矢量的衰减。除了上述两种因素以外，如果我们在某个方向上施加一个梯度场，实际上是人为在该方向上制造磁场不均匀，那么体素内该方向上质子的进动频率将出现差别，从而也造成体素内质子群失相位，最后也引起宏观磁化矢量的衰减，MR信号减弱。 如果我们在SE-EPI序列180(复相脉冲的两侧各施加一个梯度场，这两个梯度场的方向、强度和持续时间完全相同（我们称之为扩散敏感梯度场），那么前面所述的梯度场造成的失相位可以分为两种情况。（1）在体素内梯度场施加方向上位置没有移动的质子，对于这些质子，由于180(两侧施加的梯度场完全相同，可以认为梯度场造成是一种恒定的磁场不均匀，180(复相脉冲可以剔除这种恒定的磁场不均匀引起的质子失相位，那么实际上梯度场的施加并不会引起这些质子的信号衰减。（2）在体素内梯度场施加方向上有位置移动的质子。这些质子在移动过程中将经历磁场强度的变化，进动频率也随之发生变化，从而造成相位离散。由于位置发生变化，对于这些质子，180(脉冲两侧的梯度场引起的就不是恒定的磁场不均匀，180(脉冲将不可能剔除这种质子失相位，因此这种在梯度场施加方向上的位置移动将引起质子信号的衰减。体素中水分子都存在一定程度的扩散运动，其方向是随机的，而在扩散梯度场方向上的扩散运动将造成体素信号的衰减。 如果水分子在敏感梯度场方向上扩散越自由，则在扩散梯度场施加期间扩散距离越大，经历的磁场变化也越大，则组织的信号衰减越明显。反之，在DWI上组织的信号衰减越明显则提示其中的水分子在梯度场方向上扩散越自由。DWI通过测量施加扩散敏感梯度场前后组织发生的信号强度变化，来检测组织中水分子扩散状态（自由度及方向），后者可间接反映组织微观结构特点及其变化。 三、DWI的技术要点 为了在临床上更好的应用DWI技术，首先必需了解DWI的技术要点。 （一）DWI上组织信号衰减的影响因素 尽管DWI可以用多种序列进行，但影响其组织信号衰减的因素基本相同。与未施加扩散敏感梯度场的相应序列相比，在DWI上各种组织的信号都在衰减，只是衰减的程度有所差别而已。D