DWI成像中的技术要点-基础篇！

虽然常规的MRI扫描即可优异的对比度图像，但其获得的图像信息主要是以形态学改变为主，且对疾病的诊疗提供的影像学信息极其有限，很多时候并不能满足我们的临床需求。随着MRI的发展和我们对疾病的不断认识，越来越多的功能成像被应用于MRI的扫描中。从最简单的DWI成像，到以DWI为基础的DKI、IVIM等更高级定量成像技术在临床扫描中得到了广泛的应用。本期主要从临床扫描的角度分享最基础的DWI成像中的技术要点！

DWI的基础是基于分子的扩散运动，同时DWI可用于疾病诊断的想法提出的也是非常的早，只是鉴于当时软硬件的限制并没能应用于临床的诊断中。

在1827年分子扩散现象的发现，布朗运动的提出。

在1965年，Stejskal和Tanner首次将弥散进行量化并获得了弥散的影像对比。

在1985年，Taylor首次应用了DWI。

1986年Le Bihan等首次将DWI应用于人体大脑的成像。

经过几十年的漫长发展与改进，DWI已经成为了最基础的MRI功能成像。DWI序列是临床扫描中不可或缺的扫描序列。虽然DWI成像技术在临床及科研应用中都得到了广泛的应用，但即使是在软硬件都非常优异的今天，我们临床扫描中DWI仍然只能是基于体素的水平去对人体内分子的扩散现象进行模拟成像，并不能达到分子水平的真实扩散成像的表达与分析。后处理得到的扩散系数也就只能叫做表观扩散系数。

我们在实际的扫描中用到的单指数模型DWI序列是最简单也是最容易实现的模型，其主要反映的是细胞外间隙中水分子扩散的快慢。

细胞间隙正常，水分子以一定的速率自由扩散，在DWI表现为正常信号。

细胞间隙异常，如细胞的数量增多、细胞体积增大等，水分子扩散速率异常，在DWI表现为异常信号。

真实扩散加权理想状态模型应该是：

在均匀的介质中。

不受任何因素的干扰，完全自由随机运动。

服从高斯分布。

理想模型状态下水分子能自由随机运动，表现为各向同性，在任意方向施加相应的敏感梯度得到的结果应该是一致的。

但人体内细胞间隙极其复杂，水分子所处的环境并不是理想的状态：

人体细胞间隙为非均匀介质。

水分子受微环境、相关屏障和设备的影响，非随机运动。

不服从高斯分布。

人体组织内的水分子受到微环境及相应屏障的影响，其受到不同程度的约束，表现为各向异性。

图1，在SI/AP/RL 方向均施加梯度得到的DWI图像。

图2，仅在SI方向施加梯度得到的DWI图像。

在假定的模型之下，如何消除相关因素的干扰，并尽可能的去模拟人体细胞间隙微环境的扩散状态是我们面临的最大挑战。为了尽可能的还原人体内微观的生理结构及变化，在临床扫描中采用了众多的模型和方法来实现DWI成像。临床扫描中是在假定的模型下，通过施加多个方向扩散敏感梯度，来获取组织更为准确的扩散受限信号表现，将获得的多个方向扩散梯度图像合成我们所见的最终DWI图像。

扩散敏感梯度至少三个：SI/AP/RL。每个方向都可得到相应的扩散梯度图像。

扩散敏感梯度可分开施加也可同时施加。

扩散敏感梯度施加的位置取决于选取的模型及序列。

扩散敏感梯度施加的强度取决于选取的b值。

扩散受不受限，是一个相对的概念，主要看选取的b值。

临床扫描中最常用的DWI实现模式：SE-EPI DWI+压脂技术。

在SE序列的180°聚焦脉冲同侧或两侧施加一对扩散敏感梯度，起到“消除那些自由扩散-运动质子的信号”，保留“那些扩散受限-静止质子的信号”，通过它们之间不同受限程度导致的信号差异获得最终的DWI对比。

扩散敏感梯度对称分布于180°相聚脉冲的两侧，则其大小相同，极性相同（第一个正向梯度在180°相聚脉冲后变成负向，则变为一正一负的梯度场）。

扩散敏感梯度对称分布于180°相聚脉冲的同侧，则其大小相同，极性相反（双极梯度）。

采用速度极快，对运动不敏感的EPI方式一次或分段读取信号。

临床扫描中可采用单次激发和多次激发模式，常以单次能激发为主。

单次激发EPI

多次激发EPI

对梯度系统要求高

对梯度的要求较低

回波链较长，分辨率不高，但扫描时间短

多次采集，扫描时间更长

相位错误波及整个K间数据，磁化率伪影明显

相位错误积累时间相对短，可有效降低磁敏感伪影

一次填充采集，可有效减轻运动伪影

对运动更为敏感

扩散受限的“静止”质子经过敏感梯度场后，质子间的失相位刚好相互抵消，在TE时刻相位能完全重聚，信号得以保留，则在DWI上表现为高信号。

扩散不受限的“运动”质子由于本身的运动，位置不断变化，经过两边梯度场后，质子的失相位不能完全的补偿（运动的越快，质子失相位越明显，其越不容易补偿），TE时刻相位不能完全重聚，信号丢失，则在DWI上表现为低信号。

也可以理解为：在扩散敏感梯度场强下，布朗运动较强的水分子不受约束，“信号丢失了”，则在DWI上表现为非高信号强度；布朗运动较弱的水分子受到约束，“信号留下来了”，则在DWI上表现为非低的信号强度；最后通过二者的信号差异获得最终的对比图像。

那么我们如何实现多大的信号得以保留，这就需要介绍在临床扫描中一个非常重要的一个参数：b值。

在DWI中有一个重要的参数b值（弥散敏感因子，单位为S/mm2），可简单的理解为施加的敏感梯度的强度。

b=γ2G2δ2（Δ－δ/3）

γ代表磁旋比

G代表梯度场的振幅

δ代表持续时间

Δ代表两梯度场的时间间隔

从上面的公式可以看出，要想采用大b值：

增加梯度场的振幅G，但受设备本身和物理因素限制，不可能无限增加。

增加梯度场持续时间δ或两梯度场的时间间隔Δ，但会导致TE的延长，信噪比下降，DWI信号强度较差。

所以要想使用高b值进行DWI扫描，则需MRI强大的硬件支持，如梯度的性能能、AD转换等方面，在实际扫描中如果硬件已经开到了最优性能，那只要通过牺牲图像质量的方式来增加持续时间δ和时间间隔Δ方式来实现。

b值选取地越大，其对分子的弥散越敏感，对扩散不受限组织的信号保留就会越少，获得更多的则是受限组织的信号，其对扩散受限病变的检出率则更高。

b值选取地越小，其对分子的弥散敏感较小，对扩散不受限组织的信号保留就会越多，其扩散不受限与受限组织间的对比较差。

B值选取地越大，对分子的弥散越敏感，组织间的对比会越强，T2穿透效应越小，对扩散受限病变的检出率则更高。但图像的信噪比越低，变形失真会越严重。

基于上述成像原理，所获得的DWI图像很容易产生相应的伪影，同时也很难获得较高的图像分辨率。在临床扫描中会面临诸多的问题：

未采用重聚脉冲，易产生磁敏感伪影。

采用EPI的读出方式，虽然扫描速度快，但分辨率和信噪比都很难做到很高。

采用正反扩散敏感梯度的读出方式，容易产生相位错误，导致明显的图像变形失真，特别是单次激发序列。

质子共振频率差异造成的相移，在相位编码方向上易产生化学位移伪影。

强大的梯度场快速切换，噪音大，SAR值积累高。

那么在临床扫描中如何才能获得优异的DWI图像质量？b值选取多少合适？我们将在下期介绍！

参考文献：

杨正汉, 冯逢, 王霄英. 磁共振成像技术指南――检查规范,临床策略及新技术(修订版)[J]. 中国医学影像学杂志, 2010, 04(v.18;No.89):26-26.

Hou C , Han H , Yang X , et al. How does the neck flexion affect the cervical MRI features of Hirayama disease?[J]. Neurological Sciences, 2012, 33(5):1101-1105.

MRI检查技术专家共识[J]. 中华放射学杂志, 2016, 50(010):724-739.

张英魁,黎丽,李金锋. 磁共振成像系统的原理及其应用[M]. 北京大学医学出版社, 2021.

郝凤玲,吴慧,牛广明.单指数、双指数、拉伸指数模型DWI在胶质瘤术前分级中的应用[J].磁共振成像,2019,10(6):401-405.

Andrada,Ianu ,Ines,Santiago,Antonio,Galzerano,Paula,Montesinos,Nuno,Lou o,Javier,Sanchez-Gonzalez,Daniel C,Alexander,Celso,Matos,Noam,Shemesh.Higher-order diffusion MRI characterization of mesorectal lymph nodes in rectal cancer.[J].Magnetic resonance in medicine,2020,84(1):348-364.

石林,郑小华,黄小华,刘翠兰,刘梦苓,徐红霞.多模态DWI在急性胰腺炎严重程度分级中的价值[J].放射学实践,2019,34(2):183-187.

Guangming,Zhu,Christian,Federau,Max,Wintermark,Hui,Chen,David G,Marcellus,Blake W,Martin,Jeremy J,Heit.Comparison of MRI IVIM and MR perfusion imaging in acute ischemic stroke due to large vessel occlusion.[J].International journal of stroke : official journal of the International Stroke Society,2020,15(3):332-342.

索学玲.DWI技术在中枢神经系统中的应用及研究进展[J].放射学实践,2018,33(2):210-214.

・END・

来源：磁共振之家

【版权声明】本平台属公益学习平台，转载系出于传递更多学习信息之目的，且已标明作者和出处，如不希望被传播的老师可与我们联系删除