磁共振扩散加权成像(DWI)基本原理及中枢神经系统应用综述

影像进展   2017-06-10

  到目前为止,磁共振扩散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)是能够在活体组织中进行水分子弥散测量的唯一方法。DWI反映了水分子的微观扩散运动,是从细胞及分子水平研究疾病的病理生理状态的一种技术,可用于判断功能及定性诊断。DWI主要用于脑缺血的早期诊断,近年来随着MR技术的飞速发展,DWI在中枢神经系统及全身各系统病变的应用日益广泛并受到重视。

  1、DWI基本原理

  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,称为分子的热运动或布朗运动。如果水分子的扩散运动不受任何约束,我们称为自由扩散。事实上,生物组织内的水分子因受周围介质的约束,其扩散运动将受到不同程度的限制,称之为限制性扩散。在人体中,脑脊液、尿液等水分子扩散运动所受到的限制相对小,被视为自由扩散,而一般组织中水分子的扩散运动则属于限制性扩散。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的,称为各向同性扩散;也可能是不对称的,称为各向异性扩散。DWI技术就是检测人体组织内水分子的这种微观扩散运动的一种新型的MRI检查技术。

  DWI是利用MRI对运动物质的敏感性,反映出移动状态的水所携带的质子在横向磁化产生的相位偏移。当在DWI序列时,随着梯度强度的加大,增加局部磁场的非均匀性,使T2弛豫过程明显缩短,加大由弥散所导致的信号衰减程度,结果在图像上呈现低信号,信号的下降与ADC值的关系可用下面的公式表示:ADC=ln(S2/S1)/(b1-b2),S2与S1是不同b值条件下弥散加权像的信号强度;b为弥散敏感系数,弥散加权的程度由b值来决定,b值越高产生的弥散梯度场越强,造成信号下降越大,对病灶显示越清晰。通过结合至少两次以上的b值可得到弥散加权图像。DWI是平面回波成像(EPI)加自旋回波(SE)所产生的一种特殊T2加权图像,用于观察水分子的弥散过程,水分子弥散正常时,其图像显示为等信号,水分子弥散受限时DWI上就会出现异常高信号,EPI技术是目前公认的最快的空间信号采集成像方法,成像时间可达30ms,可以克服运动等伪影。

  b值为施加的扩散敏感梯度场参数,或称扩散敏感系数。在常用的SE-EPI DWI序列中公式如下

  b值=γ2G2δ2(Δ-δ/3)

  式中γ代表旋磁比;G代表梯度场强度;δ代表梯度场持续时间;Δ代表两个梯度场间隔时间。

  b值越高对水分子扩散越敏感,但太高的b值得到的DWI信噪比(SNR)可能很低,较小的b值得到的DWI信噪比较高,但对水分子扩散运动的检测不敏感,而且组织信号对水分子的扩散运动来说要明显的多,如组织血流灌注造成水分子运动等。这些运动模式相对水分子的扩散运动来说要明显的多。因此,扩散敏感梯度场参数(扩散敏感系数)b又称为弥散权重系数。

  在DWI上造成组织信号衰减不仅仅是水分子的扩散运动,水分子在扩散敏感梯度场方向上各种形式的运动都造成组织信号的衰减,如组织血流灌注中水分子运动及其他生理运动等。SE-EPI由于采集速度很快,基本可以冻结组织多数的生理运动,但无法消除血流灌注对组织信号的影响。因此,通过对施加扩散敏感梯度场前后的信号强度检测,在得知b值的情况下可以计算组织的扩散系数,但不是真正的扩散系数,因其是受到其他形式水分子运动的影响的,所以只能把检测到的扩散系数称为表观扩散系数(Apparent diffusion coefficient,ADC)。MRI可对感兴趣区计算出每一像素的ADC值,根据各像素ADC值即可构成ADC图,使MR对水分子弥散变化的观察更直观,更精确。ADC图不是一个独立的检查序列技术,而是在DWI检查后,利用工作站处理而得到的、反映ADC高低的黑白灰节图像。DWI原理.jpg

  2、DWI在中枢神经系统的应用

  2.1 脑梗死

  DWI在中枢神经系统的应用中最为成熟而具有高度特异性的价值是用于检测超急性期脑梗死。由于脑缺血后导致局部缺血脑组织中水分子弥散降低,DWI能敏感地反映这种水分子的弥散状态的变化,其基本原理是:水分子中的氢质子受到弥散敏感梯度场作用下,不同部位的质子产生不同的共振频率,以致相位重聚时质子间失去相位的一致性(失相位),从而在DWI上出现信号衰减。而水分子弥散运动减弱的区域(如缺血区)常无信号的衰减而呈高信号,在ADC图上为低信号区(ADC值降低)。生理机制尚不完全清楚,但可能存在的机制是:1、脑缺血时发生的一系列病理生理变化导致细胞外水分子进入细胞内,产生细胞毒性水肿,细胞内水分子由于受到细胞膜、细胞器等水分子结构的限制,与细胞外水分子相比,其弥散降低;2、缺血时细胞内大分子物质分解,黏稠度增加导致细胞内水分子弥散降低;3、由于细胞外水分子进入细胞内,细胞外间隙变窄、迂曲,弥散降低。随着缺血的发展,大约在4h-6h后发生血管源性脑水肿,同时脑细胞发生坏死,使细胞外水分增多,此时在常规T2WI和FLAIR上也可出现高信号,进一步发展,则能在CT上表现为低密度灶。

  因此,对于脑梗死,DWI反映的是细胞毒性水肿,T2WI反映的是血管源性水肿,CT反映的是脑组织的坏死和水肿。血管源性水肿的出现比细胞毒性水肿的出现晚6h-12h,所以对于超急性脑梗死(6h之内)的确诊,DWI明显优于常规MRI序列和头颅CT。常规MRI检查中以FLAIR发现脑梗死最敏感,但因其反映的仍是脑梗死的血管源性水肿,所以要在6h-12h左右方能发现,而DWI反映的是细胞毒性水肿,因此能更早发现脑梗死(在缺血发生2h即能发现),这已经得到公认。

  2.1.1 DWI对于新、旧梗死灶的鉴别

  急性、亚急性、慢性梗死灶在常规MRI的T2WI上均表现为高信号,难以分辨新、旧梗死灶。DWI和ADC图像则不同,超急性、急性、亚急性期病灶在DWI图上呈高信号,在ADC图上呈低信号,而慢性期和恢复期病灶在DWI图呈低信号,ADC图呈高信号,根据这点可以鉴别新旧梗死灶。

  2.2 多发性硬化(MS)

  研究认为环形高信号是MS活动期病灶在DWI上的特征性表现,病灶中心主要是炎性细胞的渗出液和失去髓鞘的轴突,高信号的环代表急性脱髓鞘和炎症反应区,说明DWI可以在一定程度上反映MS病灶的病理改变。李郁欣等的研究中35个急性期病灶中仅2个(5.7%)呈等信号,33个(94.7%)均呈高信号(急性期炎症反应显著,以单核细胞和巨噬细胞浸润为主);增强T1WI呈环形强化的病灶5个,在DWI上亦呈环形高信号;结节状、斑点状、弧线样及条片状强化病灶在DWI上大部分呈圆形或类圆形的高信号,131个慢性期病灶中呈高信号及稍高信号的79个(60.3%),等信号43个(32.8%),低信号9个(6.9%),131例慢性期病灶中仍有79个(60.3%)呈高或稍高信号,说明MS病灶在DWI上可以长时间表现为高信号,也有作者认为由于MS在病变发展变化过程当中,新老病灶交替出现,慢性期DWI的高信号代表了新的活动性病灶的出现。

  MS病灶的ADC值变化:急性期病灶和慢性期病灶的ADC值均升高。慢性期病灶的ADC值明显高于急性期病灶,急性期环形强化病灶的ADC值明显高于非环形强化的病灶,慢性期T1WI低信号病灶的ADC值明显高于T1WI等信号病灶,T1WI明显低信号病灶的ADC值最高。MS病灶内出现髓鞘脱失和轴索损伤,导致细胞外间隙扩大,水分子扩散增加,因此出现ADC值升高。组织病理学和DTI(扩散张量成像)的对照研究发现,髓鞘密度和轴索数目与ADC(平均扩散率图)值呈明显的负相关,与FA(部分各向异性图)值呈正相关。

  2.3 鉴别脑脓肿与坏死囊变性肿瘤

  典型脑脓肿与坏死囊变肿瘤的鉴别不难,但随着抗生素的大量应用以及各种继发性免疫缺陷人群的增多,隐源性脑脓肿发病率呈逐年上升趋势,临床缺乏典型感染中毒症状,导致二者鉴别困难。虽说囊壁有无结节是二者的鉴别之一,但是往往引起较大的争议。而DWI对其有较好的鉴别价值,其鉴别机理如下:脓腔内脓液是一种含有很多炎性细胞、细菌、坏死组织以及蛋白分泌物的黏稠液体,高黏稠度使脓液内水分子的弥散速度减慢,ADC值降低(ADC图上为低信号),从而在DWI上表现为明显的高信号。此表现可作为脑脓肿的特征性表现,其诊断的特异度为90。91%,敏感度为93。33%,可作为与颅内囊变-坏死性肿瘤鉴别诊断的依据。也有个别报道脑脓肿的ADC值不仅不降低反而升高,于DWI上呈低信号或等信号。肿瘤的坏死囊变区以浆液性的坏死物为主,其黏稠度相对较低,较正常脑组织弥散加快,ADC值升高(在ADC图上为高信号),从而在DWI上表现为低信号。

  2.4 颅内囊性病变的DWI信号特点

  颅内囊性病变主要包括先天性囊性病变、感染性病变及囊变-坏死性肿瘤。根据囊液性质不同又可分为囊液类似于脑脊液或浆液的囊性病变、囊液中以含蛋白或黏液为主的囊性病变、以含角蛋白和胆固醇为主的囊性病变、含细胞坏死物为主的囊性病变。不同病变之间的病理特征相同或相近,但囊液性质不同,有的病理特征不同但囊液性质相似或相同。因此,颅内囊性病变在DWI上的表现多样,而不同病理特征的囊性病变的DWI的表现也存在重叠。而不同类型囊性病变的临床治疗原则及选择的手术方式明显不同,因此鉴别诊断尤为重要。由于此类病变在MRI上一般呈长T1、长T2信号,有部分病变常规MRI鉴别困难。由于不同囊性病变的病理过程不同,囊液理化性质存在差异,因此囊液中水分子微观运动状态不同,DWI正是通过反映生物组织中水分子的微观变化对病变进行定性诊断,因此,DWI对囊性病变具有较高的诊断及鉴别诊断价值。

  颅内囊性病变的共同特点是囊液内水分子大量聚集,而且不同种类的囊性病变囊液理化性质不同,造成水分子的扩散程度不同,DWI上反映的信号强度亦不同,因此,DWI可对不同类型的囊性病变进行诊断及鉴别。

  2.4.1 类似于脑脊液的囊性病变的DWI信号特点

  主要包括蛛网膜囊肿、神经上皮囊肿(脉络丛囊肿、室管膜囊肿、脉络膜裂囊肿)、穿通畸形囊肿等。此类囊肿囊液性质类似于脑脊液,脑脊液的特点是含有大量水分,略带黏性,总蛋白含量低、细胞数少,不含黏蛋白,类似于血浆和淋巴液。因此,此类囊性病变囊液中水分子的运动在各个方向上相对自由,其ADC值与脑脊液的相近,于DWI上呈低信号,但当合并出血、高蛋白内容物或流动变缓(蛛网膜囊肿)时,MRI信号将变复杂。穿通畸形囊肿由于与蛛网膜下腔或脑室系统相通,其ADC值与脑脊液一致,于DWI上呈低信号。总之此类病变均呈长T1、长T2信号,DWI上均呈低信号,仅挔据信号特点鉴别困难,但根据其发生部位不同可予以鉴别,如脉络膜裂囊肿,病变位于脉络膜裂走行区。

  2.4.2 以蛋白为主的囊性病变的DWI信号特点

  主要包括胶样囊肿、Rathke裂囊肿、肠源性囊肿等。胶样囊肿内容物由上皮分泌和裂解产物慢慢聚集而成,囊内充满黄绿色黏稠的凝胶状物质,其内富含黏蛋白,还含有血红蛋白衍生物、泡沫细胞及胆固醇结晶等,其囊内水分子扩散受到一定的限制,其DWI信号强度要高于以含脑脊液为主的囊性病变,ADC值降低;Rathke裂囊肿囊液为白色黏液样或胶冻状,部分为草黄色清亮液体,囊液中主要含蛋白质及黏多糖,也可见陈旧性出血、胆固醇结晶或脱落皮屑等,于DWI上呈低信号;肠源性囊肿的内容物性质多样,可以为均质浆液、清亮的水样液体、也可为胶冻状物,其内主要含有黏蛋白,扩散不受限或轻度受限,受限程度与其内蛋白质含量有关,于DWI上呈低信号。故根据此类病变的DWI信号特点对其进行鉴别诊断存在困难,但其发生部位明显不同,可依此进行鉴别诊断。胶样囊肿好发于室间孔区,发生部位是其诊断的主要依据;Rathke裂囊肿多位于鞍内及鞍上;肠源性囊肿常位于后颅窝,脑干的前方。

  2.4.3 以含角蛋白和胆固醇为主的囊性病变

  主要为表皮样囊肿,其内含有丰富的角蛋白及胆固醇,于DWI上呈高信号。表皮样囊肿的形成是由于鳞状上皮脱屑于囊内,多数囊内主要成分为固态胆固醇结晶和角化蛋白,少数囊内含有液态胆固醇及甘油三酯等纯脂肪成分,另外还可见角质碎屑及其他类脂成分等,有的囊肿内还可见钙盐沉着,少数病灶内可见新旧不一的出血和反应性肉芽组织增生,其内不存在通常意义上的“囊液”,其ADC值一般低于蛛网膜囊肿的平均ADC值,高于正常脑组织的平均ADC值,但于DWI上呈明显高信号,其原因除可能与水分子扩散受限有关外T2透射效应也起重要作用。表皮样囊肿好发于桥小脑角区,根据其信号特点形态一般可以诊断。

  2.4.4 颅内感染性囊性病变的DWI信号特点

  按感染的病原微生物的不同可分为化脓菌感染、结核菌感染、寄生虫感染、真菌感染及原虫感染等,较常见的为前三者。化脓菌感染后形成脑脓肿的DWI信号特点不再赘述。颅内结核菌感染后,结核灶内部分组织液化坏死而形成结核性脑脓肿,于DWI上呈明显高信号,其ADC值与多数脑脓肿的相一致,诊断结核性脑脓肿要结合相关的病史和实验室检查,该病相对少见;寄生虫感染主要为囊虫和包虫,在虫体死亡后囊膜失去调节水分及渗透压变化的功能,由于存在内外渗透压差,囊周水分进入囊内形成囊性病变,囊液中的水分子运动相对自由,于DWI上呈低信号,脑寄生虫感染具有相关的病史,见头节或囊内囊有助诊断。

单疱脑炎DWI.jpg

  2.5 颅内肿瘤的DWI信号特点

  国内外的研究表明,影响肿瘤组织内水分子扩散的主要因素为细胞密度、核质比、细胞膜通透性、细胞外间隙以及扩散介质的黏滞性等。通过DWI观察肿瘤内水分子扩散差异可以对胶质瘤进行分级,也有助于良、恶性肿瘤的鉴别。李茂等对56例脑星形细胞肿瘤进行扩散加权成像(DWI)检查,分别测量肿瘤实质部分、瘤周水肿区、瘤周T2WI表现正常白质区(瘤周白质区)、瘤体镜面对侧正常白质区及瘤周镜面对侧正常白质区的表观扩散系数(ADC)值和指数扩散系数(EDC)值,并计算肿瘤实质部分、瘤周水肿区、瘤周白质区的相对表观扩散系数(rADC)值和相对指数扩散系数(rEDC)值,分析各测量区的扩散系数值与肿瘤病理学分级的关系。结果显示56例脑星形细胞肿瘤经手术病理证实肿瘤实质部分的扩散系数值对脑星形细胞肿瘤的病理学分级准确性较高,尤以rADC值为佳。

  对于囊变的肿瘤,由于不同颅内肿瘤其囊性部分的形成机制不同,其囊液性质亦不同。有些肿瘤的囊性部分囊液以细胞坏死物为主,有的则以浆液或黏液为主,还有的富含蛋白质和胆固醇,造成其囊性部分的DWI信号表现不同。以细胞坏死物为主要囊液成分的囊性病变主要指恶性肿瘤的囊性部分,包括高级别星形细胞瘤和囊性转移瘤。一般是由于肿瘤生长迅速、局部缺血坏死造成,但也有作者认为其形成与血脑屏障破坏血浆渗出有关,亦有认为与肿瘤的新生血管通透性较高有关。尽管对其形成机制存在分歧,但此类囊性病变囊液清亮、黏滞度低、水分子扩散受限程度低、ADC值较高(比脓液高4-10倍),于DWI上呈低信号。但囊性转移瘤于DWI上呈高信号的病例亦有报道。当DWI上呈多发的高信号囊性占位时,脑脓肿与囊性转移瘤的鉴别有时困难,需密切结合病史。高级别星形细胞瘤和囊性转移瘤间的鉴别诊断较容易。

  低级别神经上皮肿瘤(Ⅰ、Ⅱ级)中易发生囊变的肿瘤的囊性部分的形成机制和囊液的成分研究较少。一种主要的观点认为可能是由于肿瘤细胞发生黏液变性,或部分发生囊变坏死而造成的。尽管其囊性部分形成机制不同,但于DWI上多呈低信号。

  部分颅内脑外的良性肿瘤及脑膜起源的肿瘤内也可见囊性区,如垂体腺瘤、神经鞘瘤、脑膜瘤、颅咽管瘤、血管母细胞瘤等,由于其囊性部分的形成机制、内容物的性质不同,于DWI上一般呈低或等信号,当伴有囊内出血时,DWI信号发生相应的变化,其信号表现与出血量、血红蛋白衍生物的含量密切相关。此类病变根据其发生的部位及影像学表现,一般可以诊断。

  研究发现,非典型恶性脑膜瘤的平均ADC值比正常脑组织的低,在DWI上为高信号;良性脑膜瘤的平均ADC值比正常脑组织的高,大多数在DWI和ADC图上为等信号,利用DWI和ADC值在鉴别良性、非典型性和恶性脑膜瘤及指导临床制定手术方案方面,有重要参考意义。

  张劲松等认为由于转移瘤的迅速膨胀,会在瘤周压迫形成一个“致密带”,从而阻碍水分子的扩散过程,而高分化胶质瘤由于生长相对缓慢而使瘤周组织逐渐适应压迫,不易形成明显的“致密带”。利用DWI的优势,通过检测“致密带”的是否存在或程度大小,应当可以进行二者的鉴别诊断。高分化胶质瘤的瘤周带组织的ADC值确实较转移瘤瘤周带明显增高。正是由于高分化胶质瘤和转移瘤之间的瘤周细胞排列的紧密程度和瘤周压迫效应均存在明显的差别(转移瘤瘤周具有更明显的压迫效应和更紧密的排列),因而DWI能够成为二者的鉴别手段。当然,这不是绝对的。需要说明的是瘤周致密带和瘤周水肿带概念不同,后者主要是由于血管源性水肿形成,其病理基础与DWI影像表现均与前者不同。

  2.6 放射性坏死

  放射性坏死是组织细胞物理损伤导致的坏死。其坏死囊液的特点与恶性肿瘤发生的坏死类似,坏死灶内含有大量水分和少量的细胞碎屑。通常放射性坏死的ADC值较高,于DWI上呈低信号;但也有ADC降低,DWI上呈高信号的病例报道,其原因不明,可能与病变发生无菌性液化坏死并产生黏蛋白使其黏滞度增加有关。

  2.7 弥漫性轴索损伤

  弥漫性轴索损伤(diffuse axonalinjury,DAI)又称脑白质剪切伤,脑组织受到剪切力后引起以脑内轴索广泛水肿、撕裂以及轴索并行小血管破裂为特征的一种严重的一种创伤性脑损伤。随着交通伤特别是高速交通伤而增多。

  DWI在脑外伤早期发现继发性脑缺血也很敏感,Albensi等建立DAI鼠模型发现DWI在伤后二小时就可发现病灶,其敏感性强于常规SE序列,Pamela等也证明了DWI与损伤数量及改良Rankin积分有很强的相关性,并且改良Rankin积分在损伤体积和临床症状的相关参数比GCS积分的相关性强,这是因为:1、DAI大多数具有水扩散的特点,2、DWI易受磁化的影响。因此可以更好地描绘血管损伤,特别是在FLAIR、SET2WI、GRE显示“正常”时,DWI更有诊断意义,并且比其他可显示更多的损伤病灶。Ezaki等研究发现DWI检测DAI损伤数量仅占损伤数量总数的32%,但他可显示T2*WI及FLAIR上不能显示的损伤区域。即使DWI不能显示出所有的损伤部位,但它对于诊断及评估病情很有帮助。ADC的变化是细胞内水自稳态的反映,是离子平衡与否的敏感标志,ADC值作为定量参数可以测定脑实质的水扩散率,动物实验中发现,动物脑内血管闭塞10min~2h即可在ADC图上发现异常信号,伤后1h到7周DAI病灶的ADC值均下降,出血性病灶的比非出血性的明显降低,并且ADC值的下降程度与损伤有一定的相关性,ADC值评分与昏迷时间呈正比关系,ADC图可以显示常规序列不能显示的DAI损伤区域。另外可根据成人脑深部灰白质区损伤的情况估计预后。DWI比常规MRI能更早更准确地显示DAI病灶的信号改变,而且通过软件处理形成的ADC图可定量测定脑组织ADC的变化,故DWI对DAI的早期诊断具有重要价值。

  3 DWI的研究进展

  DWI不仅在中枢神经系统,在肝脏、前列腺、乳腺等疾病的诊断与鉴别诊断方面,DWI也有着广阔的应用前景。随着梯度磁场的发展,更高的梯度场强及更快的切换率使高b值DWI影像质量显著提高,不但保证了DWI的敏感性,且SNR较高。DWI在体部的应用随着平面回波(EPI)、灵敏度编码(SENSE)、集成并行成像(iPAT)等MRI快速成像技术的发展,成像质量显著提高。Takahara等于2004年利用Philips公司的MR设备首次将DWI与短反转时间反转恢复(short-T1 inversion recovery,STIR)及EPI等技术相结合进行三维全身扩散加权成像,即背景抑制全身扩散加权成像(diffusion weighted whole body imaging with background body signal suppression,DWIBS)。随后Siemens公司及GE公司也相继开发了全身扩散加权成像软件,使此技术逐渐应用于临床。全身扩散加权成像是传统DWI应用的一个延伸,它克服了以往体部DWI必须在屏气条件下进行、成像范围有限、SNR和空间分辨力较低的缺点,可以在自由呼吸状态下完成薄层、无间隔、大范围成像,并得到高SNR、高分辨率和高对比度的影像。全身扩散加权成像抑制正常背景组织信号,可用于全身良、恶性肿瘤的筛查及鉴别,评估肿瘤的原发灶、远处转移、淋巴结浸润以及术后复发,也可用于肿瘤放、化疗后的随访检查。

边缘叶脑炎磁共振T2WI,FLAIR,DWI及ADC图.jpg

  随着高场强及超高场强MR设备逐渐投入临床使用,更高的场强及磁场均匀性使大FOV脂肪抑制更为均匀,为DWIBS提供良好的背景抑制,病变与背景对比度更高;较高的梯度场强度及梯度切换率可以提高成像速度,最大程度缩短回波时间,提高图像SNR;良好的梯度场线性使图像几何变形小,保证均匀b值,使得ADC值的定量测量结果更为可靠;全身大范围成像可以发现远隔病变,有利于肿瘤分期及预后判断。DWIBS――类PET技术日益成熟,与PET/CT相比其价格低廉,无需回旋加速器等价格昂贵的设备,性价比更高;检查更方便快捷。

(参考来源:,影像园XCTMR.COM,作者:本站整理)
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