MR擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion-weighted imaging, DWI)是20世紀(jì)90年代初中期發(fā)展起來(lái)的MRI新技術(shù),國(guó)內(nèi)于90年代中期引進(jìn)該技術(shù)并在臨床上推廣應(yīng)用。DWI是目前唯一能夠檢測(cè)活體組織內(nèi)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的無(wú)創(chuàng)性方法。 DWI的技術(shù)要點(diǎn) 為了在臨床上更好的應(yīng)用DWI技術(shù),首先必需了解DWI的技術(shù)要點(diǎn)。 (一)DWI上組織信號(hào)衰減的影響因素 盡管DWI可以用多種序列進(jìn)行,但影響其組織信號(hào)衰減的因素基本相同。與未施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)的相應(yīng)序列相比,在DWI上各種組織的信號(hào)都在衰減,只是衰減的程度有所差別而已。DWI上組織信號(hào)強(qiáng)度的衰減主要與以下因素有關(guān):(1)擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)的強(qiáng)度,強(qiáng)度越大組織信號(hào)衰減越明顯;(2)擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)持續(xù)的時(shí)間,時(shí)間越長(zhǎng)組織信號(hào)衰減越明顯;(3)兩個(gè)擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)的間隔時(shí)間,間隔時(shí)間越長(zhǎng),組織信號(hào)衰減越明顯;(4)組織中水分子的擴(kuò)散自由度,在擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)施加方向上水分子擴(kuò)散越自由,組織信號(hào)衰減越明顯。 (二)b值及其對(duì)DWI的影響 上述影響DWI上組織信號(hào)衰減的因素中的前三項(xiàng)都與擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)有關(guān)。在DWI技術(shù)中,我們把施加的擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)參數(shù)稱(chēng)為b值,或稱(chēng)擴(kuò)散敏感系數(shù)。在常用SE-EPI DWI序列中,b值=g2G2δ2(D-δ/3),式中g(shù)代表磁旋比;G代表梯度場(chǎng)強(qiáng)度;δ代表梯度場(chǎng)持續(xù)時(shí)間;D代表兩個(gè)梯度場(chǎng)間隔時(shí)間。 b值對(duì)DWI的影響很大,b值越高對(duì)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)越敏感,b值增高也帶來(lái)一些問(wèn)題:(1)組織信號(hào)衰減越明顯,太高的b值得到的DWI信噪比(SNR)很低;(2)在機(jī)器硬件條件一定的情況下,b值增高必然延長(zhǎng)TE,進(jìn)一步降低了圖像的SNR;(3)即便機(jī)器硬件和圖像的信噪比許可,梯度脈沖對(duì)周?chē)窠?jīng)的刺激也限制了太高的b值。較小的b值得到的圖像信噪比較高,但對(duì)水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)不敏感,而且組織信號(hào)的衰減受其他運(yùn)動(dòng)的影響較大,如組織血流灌注造成水分子運(yùn)動(dòng)等,這些運(yùn)動(dòng)模式相對(duì)水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)要明顯得多。 因此b值的選擇對(duì)于DWI非常重要,但實(shí)際上b值的合理選擇較為困難,在臨床上根據(jù)設(shè)備條件、所選用的序列以及臨床目的的不同,應(yīng)適當(dāng)調(diào)整b值。在目前常用的MRI儀上,腦組織DWI的b值一般選擇在800~1500s/mm2。 (三)DWI的方向性 由于只有在施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)方向上的運(yùn)動(dòng)才有相位的變化,因此DWI所反映的水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)具有方向性。DWI只能反映擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)方向上的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),其他方向上的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)則不能檢測(cè)出來(lái)。為了全面反映組織在各方向上的水分子擴(kuò)散情況,需要在多個(gè)方向上施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)。 在前面擴(kuò)散的基本概念中曾提到各向異性擴(kuò)散的概念,由于DWI具有方向性,所以可以很好的反映組織擴(kuò)散的各向異性。如內(nèi)囊后肢的白質(zhì)纖維束是上下走向,上下方向水分子擴(kuò)散相對(duì)自由,在顱腦橫斷面DWI,如果在層面選擇方向(上下方向)施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng),則內(nèi)囊后肢的信號(hào)衰減比較明顯,表現(xiàn)為明顯低信號(hào)。如果在左右方向上施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng),由于內(nèi)囊后肢的水分子在此方向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)明顯受限,信號(hào)衰減很少,因而表現(xiàn)為相對(duì)高信號(hào)。 如果我們?cè)诙鄠€(gè)方向(6個(gè)以上方向)分別施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng),則可對(duì)每個(gè)體素水分子擴(kuò)散的各向異性作出較為準(zhǔn)確的檢測(cè),這種MRI技術(shù)稱(chēng)為擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)。利用DTI技術(shù)可以很好地反映白質(zhì)纖維束走向,對(duì)于腦科學(xué)的研究將發(fā)揮很大的作用。 (四)擴(kuò)散系數(shù)和表觀(guān)擴(kuò)散系數(shù) 通過(guò)對(duì)施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)前后的信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè),在得知b值的情況下,我們可以計(jì)算組織的擴(kuò)散系數(shù)。需要指出的是,在DWI上造成組織信號(hào)衰減不僅僅是水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),水分子在擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)方向上各種形式的運(yùn)動(dòng)(或位置移動(dòng))都將造成組織信號(hào)的衰減,如組織血流灌注中的水分子運(yùn)動(dòng)及其他生理運(yùn)動(dòng)等。SE-EPI由于采集速度很快,基本可以?xún)鼋Y(jié)組織多數(shù)的生理運(yùn)動(dòng),但無(wú)法消除血流灌注對(duì)組織信號(hào)的影響。 因此利用DWI上組織信號(hào)強(qiáng)度變化檢測(cè)到的不是真正的擴(kuò)散系數(shù),而將會(huì)受到其他形式水分子運(yùn)動(dòng)的影響。正因?yàn)榇耍覀冎荒馨褭z測(cè)到的擴(kuò)散系數(shù)稱(chēng)為表觀(guān)擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coeffecient,ADC)。其計(jì)算公式如下:ADC = ln(SI低/SI高)/(b高-b低)。式中SI低表示低b值DWI上組織的信號(hào)強(qiáng)度(b值可以是零);SI高表示高b值DWI上組織的信號(hào)強(qiáng)度;b高表示高b值;b低表示低b值;ln表示自然對(duì)數(shù)。從式中可以看出,要計(jì)算組織的ADC值至少需要利用2個(gè)以上不同的b值。 常用的DWI序列 用于DWI的序列很多,可以是GRE、SE、FSE、單次激發(fā)FSE序列等,可以是T1WI、T2WI或T2*WI序列。這里僅介紹目前臨床上最為常用的單次激發(fā)SE-EPI DWI序列和SE線(xiàn)掃描DWI序列。 圖1 SE-EPI DWI序列及其原理示意圖 圖a為序列結(jié)構(gòu)圖,90°脈沖激發(fā)后,在180°脈沖的前后各施加一個(gè)強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和方向均相同的擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng),180°復(fù)相脈沖將產(chǎn)生一個(gè)自旋回波信號(hào),其他MR信號(hào)利用EPI技術(shù)進(jìn)行采集。圖b為DWI原理示意圖。方框表示一個(gè)體素,圓圈表示其中的水分子,帶有箭頭者表示在擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)方向上具有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的水分子。由于180°兩側(cè)的梯度場(chǎng)完全相同,沒(méi)有位置移動(dòng)的水分子中質(zhì)子將不會(huì)因?yàn)樘荻葓?chǎng)而發(fā)生相位離散,而在擴(kuò)散梯度場(chǎng)方向上位置移動(dòng)的質(zhì)子相位將發(fā)生離散,從而引起組織信號(hào)信號(hào)衰減。 (一)單次激發(fā)SE-EPI DWI序列 場(chǎng)強(qiáng)在1.0T以上的MRI儀目前多采用單次激發(fā)SE-EPI序列進(jìn)行DWI(圖1)。該序列如果不施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng),得到將是T2WI,在T2WI基礎(chǔ)上施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)將得到DWI,b值一般選擇為1000s/mm2左右,根據(jù)需要可在層面選擇方向上施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng),也可在層面選擇、頻率編碼及相位編碼方向上都施加。該序列TR為無(wú)窮大,因此剔除了T1弛豫對(duì)圖像對(duì)比的污染,根據(jù)需要和掃描機(jī)的軟硬件條件,TE一般為50~100 ms。該序列成像速度很快,單層圖像的TA在數(shù)十到100毫秒。 (二)SE線(xiàn)掃描DWI序列 SE線(xiàn)掃描DWI的原理和SE-EPI DWI相同,僅采用的序列和MR信號(hào)采集方式有所不同。該技術(shù)主要用于低場(chǎng)強(qiáng)MRI儀,因?yàn)閱未渭ぐl(fā)SE-EPI序列在低場(chǎng)強(qiáng)掃描機(jī)上效果較差。 SE線(xiàn)掃描DWI采用的是SE序列,也是在180°復(fù)相脈沖兩側(cè)施加擴(kuò)散敏感梯度場(chǎng)。以顱腦橫斷面為例,先在上下方向施加層面選擇梯度場(chǎng),在橫斷面施加90°脈沖,然后在左右方向施加另一個(gè)層面選擇梯度場(chǎng),在矢狀面施加180°脈沖。由于施加90°激發(fā)的橫斷面和180°激發(fā)的矢狀面相互垂直,兩者相交的一條線(xiàn)上同時(shí)接受了90°和180°脈沖,因而回波來(lái)自于兩平面相交的一條線(xiàn)上的組織。保持90°激發(fā)的層面不變,而改變180°激發(fā)的矢狀面的位置,就采集到左右位置不同的許多條前后方向線(xiàn)狀組織的信號(hào),相互疊加即成為一個(gè)平面。由于每個(gè)回波采集到的是一條線(xiàn),因此稱(chēng)為線(xiàn)掃描,線(xiàn)掃描采集的每個(gè)回波是一維的,只有頻率編碼(此處為前后方向),由于利用不斷變換位置的矢狀面激發(fā)來(lái)代替相位編碼,因而線(xiàn)掃描沒(méi)有相位編碼。 圖2 SE線(xiàn)掃描DWI序列示意圖 本示意圖以頭顱橫斷面為例。圖a示在層面選擇梯度場(chǎng)的作用下,90°脈沖施加在橫斷面上(兩條橫線(xiàn)之間的區(qū)域)。圖b示在另一個(gè)層面選擇梯度場(chǎng)的作用下,180°復(fù)相脈沖施加在矢狀面上(黑邊白色框區(qū)域),與90°脈沖激發(fā)的層面相交。圖c示90°脈沖和180°脈沖激發(fā)的兩個(gè)層面相交得到前后方向的一條線(xiàn)(黑邊灰色框區(qū)域)。在橫斷層面上不斷施加90°脈沖,而通過(guò)矢狀面層面選擇梯度場(chǎng)和180°脈沖頻帶的調(diào)整,180°脈沖施加在矢狀面位置從左向右不斷移動(dòng),得到從左向右排列的許多條前后方向的線(xiàn),組合起來(lái)就是一個(gè)平面圖像。 DWI的臨床應(yīng)用 DWI在臨床上主要用于超急性腦梗塞的診斷和鑒別診斷,急性腦缺血缺氧造成的主要是細(xì)胞毒性水腫。在DWI上,超急性和急性梗塞的腦組織表現(xiàn)為高信號(hào)。與常規(guī)T1WI和T2WI相比,DWI可以更早的發(fā)現(xiàn)梗塞區(qū)的信號(hào)異常。 需要注意的是,其他一些腦組織病變?cè)贒WI上也可能表現(xiàn)為高信號(hào),如多發(fā)硬化的活動(dòng)病灶、部分腫瘤、血腫、膿腫等,在鑒別診斷時(shí)需要引起注意。 除腦部病變外,其他臟器如肝臟、腎臟、乳腺、脊髓、骨髓等也可進(jìn)行DWI,將可能給這些部位病變的診斷和鑒別診斷提供信息,但目前在這些方面的經(jīng)驗(yàn)還不多,還需要進(jìn)一步研究。 利用DTI技術(shù)進(jìn)行的腦白質(zhì)束成像不僅可用于腦科學(xué)的研究,在臨床上也能提供一些有價(jià)值的信息,如腫瘤對(duì)周?chē)踪|(zhì)束的影響、術(shù)前提示手術(shù)時(shí)應(yīng)該避免損傷的重要白質(zhì)纖維束等。 |
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