磁共振彌散加權成像理論及應用進展

牟 燦 綜述，曾勇明 審校

(1.重慶市婦幼保健院放射科 400010；2.重慶醫科大學附屬第一醫院放射科 400016)

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·綜 述· doi:10.3969/j.issn.1671-8348.2016.28.046

磁共振彌散加權成像理論及應用進展

牟 燦1綜述，曾勇明2審校

(1.重慶市婦幼保健院放射科 400010；2.重慶醫科大學附屬第一醫院放射科 400016)

彌散加權成像；磁共振波譜學；影像

彌散加權成像(DWI)作為MRI技術的發展與創新，可提供不同于常規MRI技術圖像的組織對比，在急性腦梗死與其他急性腦部病變的鑒別上較為敏感，特別是隨著新的DWI相關技術的出現，DWI 已廣泛應用于全身多種組織器官的疾病診斷與鑒別診斷。本文將從DWI技術的成像理論、技術進展、臨床應用及研究進展等方面進行如下綜述。

1 DWI的成像理論

1950年，Hahn在報道自旋回波序列設計時，闡明了水彌散對磁共振信號的影響作用；Stejskal和Tanner在1965年首次將彌散改變進行量化，并獲得基于彌散產生的影像對比，通過利用水分子的彌散使內部生理結構更加形象化，從而檢測組織器官的異常改變。彌散是分子根據溫度、分子大小等周圍環境在某一系統中進行的運動和遷移現象，且分子在任何液體中的運動均為隨機性。由于對個體分子彌散規律的研究較為困難，所以大多數學者通常研究一組分子，如體素內的分子運動，此時彌散表示實體分子表從T0到T1的總移位。分子在自由媒介中能向各個方向自由彌散，而這種沒有優先定向的彌散被稱為各向同性彌散，如在腦脊液中彌散的各個方向就是均等的。然而在受限的介質內，分子的運動會受到障礙物的限制，這種情況下的彌散是各向異性的，分子向各個方向的彌散量不均等。這種定向性很大程度上依賴于組織內細胞結構與細胞完整性，如神經束中水分子沿束軸方向的彌散較橫向更多[1]。

水在人體中分為細胞內液及細胞外液，在人體內占有重要比重。根據組織結構及功能，水分子在生物組織內的彌散遵從一定規律。在某些病理情況下，如急性腦卒中，組織內水分子的彌散規律被擾亂，導致受損區域的彌散量改變。因此，通過研究組織內彌散量的改變，即可檢測組織的異常改變。在常規SE序列中，180°脈沖兩側對稱地施加一個對彌散敏感的梯度脈沖，且其長度、幅度和位置均相同。質子沿梯度場進行彌散，同時自旋頻率發生改變，回波時間內相位分散不能完全重聚，進而信號下降。而DWI成像技術利用相同的成像參數進行兩次成像，通過使用和不使用對彌散敏感的梯度脈沖，兩次相減即為彌散運動的質子在梯度脈沖方向引起的信號下降的成分，形成由組織間的不同彌散系數所產生的DWI圖像。

2 DWI的技術進展

DWI的影像對比反映組織間不同的彌散度。由于DWI提供不同于常規MRI圖像的組織對比，成為常規MRI成像序列的重要補充。DWI技術近年來也不斷發展，在定量化參數及掃描技術方面取得很大的進步：(1)彌散張量成像(DTI)：是DWI的發展和深化，通過計量組織內水分子的隨機運動方向的特性來判斷組織結構和部分功能特性，可以定量地評價腦白質的各向異性；(2)彌散峰度成像(DKI)：利用水分子彌散位移分布偏離高斯函數的程度，反應生物組織完整性的變化，廣泛地應用于腦卒中、大腦老化、阿爾茨海默病等研究中；(3)擴散光譜成像(DSI)：通過三維傅里葉對彌散位移進行編碼，直接計算得到體素內水分彌散位移的三維概率密度分布，對水分子的彌散過程進行完整描述，多用于體素內多纖維交叉的研究；(4)高角分辨率擴散成像(HARDI)：與DSI類似，計算各成分彌散張量的本征方向和本征值，也用于研究體素內纖維素交叉；(5)Q-ball 影像(QBI)：使用與HARDI相同的球面采樣，計算水分子沿不同方向彌散概率密度分布，能更好地描述體素內交叉的特征；(6)DWI新掃描技術：由于DWI成像速度快，對運動不敏感，圖像上難以避免偽影出現。因此，GE提出了小FOV 的DWI成像方法和Propeller(螺旋槳)技術，以克服基于常規SS-EPI 序列的DWI 成像中的偽影。

3 DWI的臨床應用及研究進展

Taylor等在1985年首次應用了DWI。隨后，Le Bihan等在1986年首次將DWI應用于人體大腦。DWI最初應用于肝臟腫瘤與血管瘤的鑒別上，但效果不理想[2]。隨著DWI技術的發展，其在臨床的應用范圍也隨之擴展。研究表明，DWI在全身許多組織器官的應用顯現出一定的價值。

3.1 DWI在大腦成像中的應用

3.1.1 DWI在急性腦梗死中的應用 急性腦梗死在常規MR序列如T2WI上不能顯示明顯差異。腦梗死引起腦局部缺血的病理情況下，T2WI的信號密度在早期無明顯改變，直至8 h后才能顯示缺血區域的高信號。在DWI中通常以表觀彌散系數(ADC)描述組織中水分子彌散的快慢，并可得到ADC圖，而DWI和ADC圖能在腦缺血后30 min甚至更短的時間內即可顯示大腦變化，DWI和ADC圖中信號強度隨著時間變化，從急性到慢性期的過程中，DWI影像從高密度向低密度變化，而ADC圖則由低密度向高密度變化[3]。其他影像頻率不能辨別組織內的這一系列顯著變化，而利用DWI的彌散影像在早期即可檢測類似病理改變。在腦梗死時，DWI較常規MR序列有著明顯的優勢，常規MR序列尚不能顯示任何顯著變化的時候，DWI則能清晰的顯示出腦缺血區域[4]。因此，常規MR聯合DWI的應用能提高診斷效率。

3.1.2 DWI在大腦其他疾病中的應用 由于彌散改變在DWI和ADC圖中較早被觀察到[5]，所以DWI是目前缺血性腦梗死的診斷標準。除腦梗死以外，DWI也被應用于癲癇和神經中毒的診斷[6]。DTI是目前活體觀察和追蹤腦白質纖維束軌跡的惟一非侵入性檢查方法。該技術在腦梗死早期變化方面比常規MR的T1和T2影像更加敏感。DTI有賴于彌散張量的測定，而這種彌散張量可以通過各向DWI來完成。通常我們認為大腦白質的彌散最多，且平行于白質束纖維走向，通過這種各向異性擴散的測量，繪制腦白質的路徑，也稱為白質束成像。聯合腦灰質DTI，能幫助我們更好地理解大腦內部的連接。腦白質和灰質的研究，不僅能擴展對大腦結構的認識，還有助于白質和灰質相關疾病的診斷，如腦白質疏松、瓦勒退變、彌漫性軸索損傷及多發性硬化等[7]、精神障礙如精神分裂癥、注意力缺陷多動癥(ADHD)[8-9]、神經退變性障礙如認知障礙，阿爾茨海默癥等[10-11]。

3.2 DWI在腫瘤診斷中的應用 腫瘤是DWI的另一個重要應用領域，且DWI在腫瘤診斷和治療中有著非常重要的作用。盡管首次利用DWI技術鑒別肝臟腫瘤與血管瘤并不成功，但1999年有學者成功通過DWI診斷肝損傷，自此，DWI很快被應用于各種臟器的腫瘤鑒別。雖然作為MRI技術的一個分支，DWI越來越多地在日常臨床影像中應用，且顯著地提高了各器官腫瘤的檢測、分級、監視及預測治療反應[12]。

彌散在實體腫瘤中是受限制的。雖然T2WI等常規MR序列能檢測到大多數腫瘤病變，但由于經常出現良性前列腺增生、出血、前列腺炎等假陽性結果，若只應用常規MR序列進行檢測，可能會影響疾病的診斷。在DWI上腫瘤區域顯示高信號，而ADC值明顯降低，通過DWI和ADC圖可降低腫瘤的假陽性率。由于DWI分辨率低，常有雜聲、污點等，故DWI也不能完全取代常規MR序列。另外，如T2WI序列能幫助了解解剖結構，而DWI則更關注組織的彌散相關改變。因此，DWI聯合常規MR序列，通過彌散改變以提高臨床的診斷率，降低因使用單一影像技術造成的假陽性。在腫瘤診斷中，DWI和ADC圖常與常規MR序列(如T2WI)聯合應用。在一些癌癥的診斷中，如局部前列腺癌，常規MRI通過高分辨率快速自旋回波MRI(T2WI)進行評估，更加形象描述前列腺及周圍組織的結構，提高病變組織的鑒別和定位。Lim等[13]發現在前列腺癌中，T2WI聯合DWI影像能顯著提高ROC曲線下面積，單獨T2WI影像的ROC曲線下面積為0.66～0.79，而T2WI聯合DWI聯合影像的ROC曲線下面積則增加至0.76～0.90，明顯提高了對腫瘤診斷的準確性。Haradome 等[14]通過研究聯合DWI鑒別肝腫瘤病灶的良惡性中的價值，發現T2加權成像聯合DWI能顯著提高診斷率。Le Moigne等[15]在鑒別小肝細胞肝癌中肝硬化的假陽性損傷時也得出同樣的結論。

DWI影像和ADC圖還可以確定病灶的良惡性，惡性腫瘤的ADC值較良性腫瘤ADC值低，這種區別可以對病灶的良惡性進行鑒別[16]。在腫瘤的治療期間，DWI還可用于評價腫瘤治療是否有效。由于細胞死亡和壞死后，彌散度明顯降低[17]，DWI將細胞的彌散改變作為一個評價指標，在評估腫瘤放射治療和化學治療的治療反應中起著重要作用。DWI在多種組織器官腫瘤中應用廣泛，如前列腺[18]、乳腺[19]、肝臟、腎臟及骨骼肌肉系統，也應通過全身彌散成像技術獲得全身的影像資料。Ai等[20]將DWI于磁共振動態增強掃描(DCE-MR)應用于舌頭腫瘤的良性與惡性的診斷。

3.3 DWI在乳腺疾病中的應用 目前，乳腺癌成為女性常見的惡性腫瘤之一，MRI的多平面、多參數成像使其在乳腺病變的診斷、鑒別診斷及乳腺癌治療療效的評估中發揮重要的臨床作用。DWI成像時間短、敏感性高，近年來也越來越多的被應用到乳腺疾病的診斷上。在鑒別乳腺癌與乳腺囊腫時，浸潤性乳腺癌的ADC值較其他乳腺良性病更低，高分辨率DWI可獲得更清晰的腫瘤形態，為診斷提供能精確的影像學資料[21]。Wang等[22]認為與單一使用DCE-MRI比較，定量DTI聯合DCE-MRI能更有效地對乳腺原位管癌與炎性乳腺癌進行鑒別診斷。

3.4 DWI在其他方面的應用 除大腦纖維示蹤成像以外，DTI也可以獲得肌肉和神經纖維完整性的直接信息，為肌肉相關損傷提供診斷依據。DTI還應用于神經叢[23]和骨骼肌等肌纖維[24]的相關研究中，包括舌頭、臀部及腿部肌肉、骨盆、脊髓及視覺及末梢神經相關損傷。

4 DWI的挑戰與局限

在1.5 T或3.0 T MRI設備中，目前，臨床設定，大多數MR掃描器在1.5 T或3.0 T中運轉，梯度線圈能產生約40 mTm-1的梯度幅值，能轉換到200 Tm/s比率，可以使DWI測量值達到b值，近似于階數1 000。目前，回波平面成像(EPI)序列如單發EPI，能在短時間內加速圖像采集，臨床上通常為100～200 ms。在3.0 T MRI設備上，SS-EPI用128 mm×128 mm的采集矩陣可夠獲取DW影像，分辨率限制在2 mm。在各向異性掃描中，面內分辨率可提升至1 mm，但信噪比(SNR)降低[25]。

DWI的圖像采集，理想上需要完美的掃描同質性、極快的梯度變化及適宜的射頻脈沖等。然而，在實際操作中均很難達到。由于電源供給、硬件設備和其他多種因素的存在，均限制了DWI的精確度，導致圖像質量較低和偽影的存在。故其采集的圖像不如其他MR序列(如T2WI)獲得圖像的質量，存在圖像失真、噪聲、低分辨率的缺陷，限制了DWI的應用效果。隨著DWI技術的不斷進步及相關新技術的出現，DWI將越來越凸顯其臨床應用價值，在疾病的診斷及鑒別診斷中發揮重要的作用。

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牟燦(1983-)，主治醫師，本科，主要從事影像診斷的研究。

R445.2

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1671-8348(2016)28-4016-03

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