彌散加權(quán)成像（DWI）：從原理到臨床

彌散加權(quán)成像（DWI）：從原理到臨床前言磁共振成像（MRI）是神經(jīng)科疾病最重要的檢查手段之一，對神經(jīng)科疾病的臨床診療有著深遠(yuǎn)而持續(xù)的影響。MRI序列繁多，每個(gè)序列都能側(cè)重反映組織間某種特性的差別（所謂的側(cè)重即是MRI中經(jīng)常說的“加權(quán)”的意思，比如最常用的T1加權(quán)成像（T1WI）側(cè)重反映組織間的T1弛豫時(shí)間對比，T2加權(quán)成像（T2WI）側(cè)重反映組織間的T2弛豫時(shí)間對比）。彌散加權(quán)成像（diffusionweightedimage，DWI）則是側(cè)重反映組織間水分子彌散情況的對比，是目前顱腦MR成像最常用的序列之一，也可以說是神經(jīng)科醫(yī)生“最喜歡”的序列之一，其成像速度快，對很多疾病的診斷都能起到非常重要的作用。本文將以神經(jīng)系統(tǒng)疾病為例，簡單闡述DWI形成的原理、閱片注意事項(xiàng)以及常見的臨床應(yīng)用，希望對各位讀者特別是臨床醫(yī)生和MR初學(xué)者有所助益。一、什么是彌散？什么是彌散受限？彌散（diffusion）是一種物理現(xiàn)象，指的是分子（MRI中主要指水分子）隨機(jī)雜亂無章的運(yùn)動(dòng)。正常腦脊液中的水分子狀態(tài)接近自由水，可以自由運(yùn)動(dòng)而無所限制，無彌散受限（圖1）。一些特殊的病理生理過程會(huì)影響水分子這種自由運(yùn)動(dòng)（比如細(xì)胞毒性水腫），則稱之為彌散受限（圖2）。一種組織是否有彌散受限可以通過DWI序列檢測出來，會(huì)在DWI和ADC圖中有相應(yīng)的信號改變（灰白對比度改變）。彌散受限在DWI表現(xiàn)為高信號，在ADC圖中表現(xiàn)為低信號。在熟知一些疾病的病理生理過程和彌散受限常見的成因的前提下，DWI和ADC圖的信號改變就能幫助我們做出某些疾病的傾向性診斷。圖1：圓形代表水分子，箭頭方向和長度表示運(yùn)動(dòng)方向和速度大小，自由水中，水分子運(yùn)動(dòng)雜亂無章。圖2：彌散受限。某些原因（圖中雜亂的線條表示）導(dǎo)致了水分子運(yùn)動(dòng)方向和速度的限制（箭頭長度小于圖1，表示速度減低）。這種彌散受限可以通過DWI探測出來。二、DWI序列是如何成像的，DWI和ADC圖各有什么意義？首先，要明確一點(diǎn)的是，DWI序列并不是單純的反映水分子彌散信息的序列，因?yàn)樾蛄械奶厥庑裕冀K都有不同程度的T2權(quán)重，為什么這么說呢？這與其成像技術(shù)有關(guān)。我們一般用單次激發(fā)EPI技術(shù)（簡單可以理解成一種快速成像的技術(shù)）來進(jìn)行彌散成像，可以用自旋回波（SE-EPI）序列，也可以用梯度回波（GRE-EPI）序列，以SE-EPI應(yīng)用較多。該序列本身的特性（包括180度反轉(zhuǎn)脈沖，K空間填充模式等）決定了掃描出來的圖像上有一定的T2權(quán)重。而DWI的掃描方法是在這種序列上加入一種叫做“擴(kuò)散敏感梯度”的脈沖，這種脈沖的意義就是能夠顯示出不同組織因?yàn)樗肿訌浬⑺俣炔煌鴮?dǎo)致的信號差異。因此這樣掃描得到的圖像就同時(shí)包含了組織間的T2弛豫對比信息和水分子彌散的對比信息。一個(gè)DWI序列快的半分鐘左右就能掃完，一般情況下我們選擇兩個(gè)b值（b＝0，b＝1000，這是掃描參數(shù)，可以自己設(shè)定，后面會(huì)講是什么意思）進(jìn)行掃描，就能得到兩組圖像，分別是b0圖像和b1000圖像（b1000圖像就是我們平時(shí)說的DW圖像，當(dāng)然b值不一定非要是1000，也可以是500、800等，這個(gè)值在不同部位成像中可以人工調(diào)節(jié)，顱腦成像一般用b1000），然后經(jīng)過計(jì)算重建得到一組ADC圖，因此DWI掃描后，我們可以獲得三組圖像：b0圖、b1000圖、ADC圖（圖3A—C）。圖3：A為b0圖，B為B1000圖，C為ADC圖，D為eADC圖。那么b是什么意思呢？前面我們說了DWI成像要在T2WI序列基礎(chǔ)上加入一種叫做“運(yùn)動(dòng)敏感梯度”的脈沖，這個(gè)脈沖的強(qiáng)弱程度能決定水分子彌散差異造成的對比對圖像的影響大?。ㄒ簿褪羌訖?quán)）。而b值大小就代表這種“運(yùn)動(dòng)敏感梯度”的程度。b值越大，“運(yùn)動(dòng)敏感梯度”的強(qiáng)度越大，水分子彌散的情況對圖像的影響就越大，雖然b值越大，圖像中彌散的對比信息會(huì)越多，但是高b值會(huì)降低圖像的信噪比，所以b值不是越高越好。b值越小，圖像中反映水分子彌散的信息對比就越少，因此b值又要適當(dāng)?shù)母?。每個(gè)部位b值選擇不一樣，顱腦一般選擇1000左右。當(dāng)b＝0時(shí)，等于沒有施加“運(yùn)動(dòng)敏感梯度”，出來的圖像（b0圖像）其實(shí)就是一個(gè)用EPI序列掃出來的T2WI（或T2*WI），組織間水分子彌散的不同不會(huì)對信號有影響，所以我們可以把b0圖像當(dāng)成低配版的T2WI來看（SE序列掃出來的是T2WI，而GRE序列掃出來的則是T2*WI，為了描述方便，下文中都用T2WI代表）。如果一個(gè)病變在b0圖上是高信號的，那么可以認(rèn)為病變在常規(guī)T2WI上也是高信號。而b＝1000時(shí)，出來的圖像（b1000圖像）中除了包含組織的T2弛豫信息之外，還包含了很大程度的水分子彌散的信息（水分子彌散受限越明顯，體現(xiàn)在b1000上信號越高），也就是說組織的T2弛豫對比和彌散情況對比會(huì)同時(shí)影響b1000的整體信號。因此假如b1000圖像上一個(gè)病灶顯示為高信號，我們不能直接說該病灶彌散受限（表現(xiàn)為高信號），因?yàn)楦咝盘栍锌赡苁且驗(yàn)樵摻M織的T2WI高信號而不是真正的彌散受限導(dǎo)致的（這稱為“穿透效應(yīng)”，后面會(huì)詳述，圖4）。相同的道理，b1000信號低也不能說病灶彌散不受限，因?yàn)橛锌赡苁且驗(yàn)椴≡畹腡2WI信號很低，抵消了彌散受限產(chǎn)生的高信號（這稱為“暗化效應(yīng)”，比穿透效應(yīng)少見很多，后面會(huì)詳述，圖5）。圖4：T2穿透效應(yīng)。海洛因成癮患者，A為常規(guī)T2WI，B為DWI（b1000），C為ADC圖。雙側(cè)小腦半球白質(zhì)對稱性的T2WI高信號，DWI（b1000）也呈高信號，但ADC圖為高信號，提示并沒有彌散受限，因此DWI（b1000）的高信號不是由于真正的彌散受限引起的，而是因?yàn)椴≡畋旧鞹2信號增高所致，這就是T2穿透效應(yīng)。圖5：暗化效應(yīng)。A為CT平掃，B為b0圖，C為b1000圖，D為ADC圖。左側(cè)大腦半球大片狀腦實(shí)質(zhì)出血，CT平掃為高密度，ADC圖為低信號，提示彌散受限，但b1000并不表現(xiàn)為高信號，反而為低信號，原因就在于病灶在T2WI為及低信號（b0當(dāng)做低配版T2WI看，該圖其實(shí)為GRE成像的T2*WI），影響了b1000圖的信號，此為暗化效應(yīng)。那怎樣才能確定b1000圖像的信號高低是不是代表真的彌散受限／不受限呢？簡單粗暴的理解，b0圖代表T2WI，b1000圖代表T2WI＋組織的彌散信息，那么用b1000圖像減去b0圖像，得出來的圖像不就只代表組織的彌散信息了嗎？事實(shí)就是這樣，通過b1000與b0兩個(gè)圖，能夠計(jì)算出各個(gè)組織的ADC值，并得出另一組圖：ADC圖。ADC的意思是“表觀彌散系數(shù)”，代表水分子的彌散程度，ADC圖則是ADC值大小的直接反映，值越大，圖上的信號越高。因此，ADC值越高（ADC圖上為高信號），彌散越自由（比如正常腦脊液）；ADC值越低（ADC圖上為低信號），彌散越不自由（也就是彌散受限）。到這里我們就發(fā)現(xiàn)了，如果一個(gè)病灶彌散受限，ADC值應(yīng)該比較小，ADC圖上就表現(xiàn)為低信號，可是在DWI（也就是b1000圖）上卻表現(xiàn)為高信號，與ADC圖正好相反。其實(shí)為了和DWI一致，還可以做出來個(gè)指數(shù)ADC圖（eADC圖）（圖3D），彌散受限在eADC圖上與DWI一樣，表現(xiàn)為高信號。通過前面的敘述，我們知道，b1000圖同時(shí)受到T2WI和彌散雙重因素的影響，因此，無法準(zhǔn)確判斷DWI（b1000圖）的信號高低到底是不是真的彌散受限導(dǎo)致／不受限導(dǎo)致的，因此需要ADC圖來確定。那既然都需要ADC圖來確定，我每次就掃一個(gè)ADC圖不就行了？低的就是受限，高的就是不受限，何必多此一舉，弄出個(gè)b0圖和b1000圖來。答案是不行！因?yàn)锳DC圖不能直接獲得，需要通過b0和b1000兩個(gè)圖計(jì)算得來（計(jì)算過程比較復(fù)雜，不是簡單相減），所以b0圖、b1000圖是ADC圖它爸媽，非有不可。最后一點(diǎn)，既然ADC準(zhǔn)，那我出來了就不看b1000圖了，直接看ADC圖不行嗎？這樣也不好，為什么？ADC圖上，病灶彌散受限是表現(xiàn)為低信號的，而我們在灰度圖上去找一片黑色（有時(shí)不是那么黑，就是稍微黑一點(diǎn)，偏灰色，根據(jù)彌散受限程度決定）的區(qū)域顯然沒有我們直接在DWI（b1000圖）上找白色的區(qū)域更容易（人眼黑中找白比白中找黑更敏感），所以我們一般先看b1000，找到異常信號，再去對應(yīng)的部位看ADC圖的信號高低?？偨Y(jié)起來就是：DWI序列掃出來，包含b0圖（直接出圖）、b1000圖（直接出圖）和ADC圖（需要b0和b1000計(jì)算而來），b0當(dāng)做低配版T2WI看，b1000圖和ADC圖結(jié)合看，判斷是否彌散受限。那具體怎么看呢？三、如何通過b0圖、b1000圖、ADC圖判別病灶是否有彌散受限？1、先說最簡單的b0，如前所述，當(dāng)做低配版T2WI看，其實(shí)和彌散沒關(guān)系，我們注意識別就行了，不要把b0錯(cuò)當(dāng)成了b1000。2、再說b1000和ADC圖，有以下幾種情況：A、b1000高信號，ADC圖低信號，提示彌散受限（圖6、7）。圖6：彌散受限。左側(cè)基底節(jié)區(qū)急性梗死病例，紅色箭頭所指為病灶。A圖為b0圖，B圖為b1000圖，C圖為ADC圖。病灶在b1000呈高信號，與ADC圖低信號符合，表示急性梗死灶的彌散受限。B、b1000高信號，ADC圖高信號（提示彌散不受限）。因?yàn)锳DC值最準(zhǔn)，ADC圖高信號表示ADC值高，提示彌散不受限，按道理b1000圖應(yīng)該是低信號，但是為什么b1000是高信號呢，因?yàn)閎1000圖中還包含了組織的T2WI信號，此時(shí)的高信號是因?yàn)榻M織的T2WI信號高，而不是組織彌散受限，這種情況稱為“穿透效應(yīng)”。因此，看到b1000圖是高信號，切不可簡單認(rèn)為該處彌散受限，因?yàn)橛锌赡苁荰2“穿透效應(yīng)”引起的，而且病灶的T2WI信號越高，引起T2“穿透效應(yīng)”的可能性越大（圖4）。C、b1000低信號，ADC圖高信號，提示彌散不受限（圖6）。圖7：彌散受限與彌散不受限。A為b0圖，B為b1000圖，C為ADC圖。左側(cè)大腦半球紅色圓圈內(nèi)為陳舊梗死形成的軟化灶，在b1000圖為低信號，ADC圖為高信號，因軟化灶內(nèi)水分接近自由水運(yùn)動(dòng)，因此彌散不受限。同時(shí)該病例中右側(cè)大腦半球紅色箭頭所示兩處斑片狀異常信號為新發(fā)梗死灶，在b1000圖為高信號，對應(yīng)部位在ADC圖為低信號，表現(xiàn)為彌散受限。D、b1000低信號，ADC圖低信號，提示彌散受限。因?yàn)锳DC值最準(zhǔn)，ADC圖低信號表示ADC值低，提示彌散受限，按道理b1000圖應(yīng)該是高信號，但是為什么b1000圖是低信號呢，因?yàn)閎1000圖中還包含了組織的T2WI信號，此時(shí)的低信號是因?yàn)榻M織的T2WI信號低，這種情況稱為“暗化效應(yīng)”這種情況比“穿透效應(yīng)”少見很多，如果病灶的T2WI不是很低，一般不會(huì)出現(xiàn)（圖5）。總結(jié)起來就是：ADC圖低信號，提示彌散受限，如果此時(shí)b1000圖是高信號，符合，如果b1000圖是低信號，提示暗化效應(yīng)（這個(gè)時(shí)候去看b0圖或者T2WI圖，病灶應(yīng)該是低信號，而且很低）。ADC圖高信號，提示不受限，如果此時(shí)b1000圖是低信號，符合，如果b1000圖是高信號，提示穿透效應(yīng)（這個(gè)時(shí)候去看b0圖或者T2WI圖，病灶應(yīng)該是高信號，而且高的程度會(huì)比較明顯，這也是臨床中最需要注意的，不要以為b1000高就是彌散受限，還有可能是因?yàn)榇┩感?yīng)）。表1：DWI各圖信號高低意義b0b1000ADC圖代表意義高／低高低彌散受限高／低低高彌散不受限高高高彌散不受限（T2穿透效應(yīng)）低低低彌散受限（暗化效應(yīng)）四、我們以什么標(biāo)準(zhǔn)來確定信號高低和是否有彌散受限？相信很多臨床醫(yī)生和影像初學(xué)者經(jīng)常會(huì)有這樣的疑問，彌散受限是高信號，那多高算高，多高才算彌散受限？這就涉及到一個(gè)參考系到問題，。典型的例子比如顱內(nèi)表皮樣囊腫，所有人都知道表皮樣囊腫彌散受限，可是我們經(jīng)?？吹紻WI上表皮樣囊腫內(nèi)部的信號和大腦實(shí)質(zhì)相仿或稍高，那代表彌散不受限嗎？當(dāng)然不是，表皮樣囊腫是囊性病變，參考系不應(yīng)該是腦實(shí)質(zhì)，應(yīng)該是腦脊液，相對于腦脊液來說，信號明顯增高，提示彌散受限。因此如果描述中又可能產(chǎn)生歧義的時(shí)候，應(yīng)該注明參考組織。其次，因?yàn)樗械腗R描述上，信號都是相對的，并不存在一個(gè)明確的界限區(qū)分彌散受限與否，按道理說，除了純自由水，所有的組織都有不同程度的彌散受限，因此參照系的存在更為重要。一般來說，如果是囊性病變（比如囊腫，或者腫瘤的壞死區(qū)、膿腫的膿腔），以腦脊液信號為參照對象比較合適，如果是實(shí)性病變（比如腫瘤的實(shí)性部分），一般以正常大腦皮層信號為參照對象。五、顱內(nèi)病變彌散受限分幾種情況，都分別有哪些疾??？一般來說，彌散受限，分以下四種情況：1、細(xì)胞毒性水腫：細(xì)胞毒性水腫是顱內(nèi)病變彌散受限最常見的原因之一，典型代表為早期的腦梗死（圖6、7、8）。正常情況下，水分子同時(shí)分布在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外間隙。細(xì)胞毒性水腫出現(xiàn)時(shí)，細(xì)胞外間隙的水分子會(huì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，細(xì)胞內(nèi)因?yàn)楦鞣N結(jié)構(gòu)的存在，水分子的運(yùn)動(dòng)相對細(xì)胞外會(huì)受到限制，其次，因?yàn)榧?xì)胞外間隙水分子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞腫脹變形，壓縮了細(xì)胞外間隙的空間，也會(huì)造成細(xì)胞外水分子的運(yùn)動(dòng)受到限制，最后，部分細(xì)胞破裂會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜、細(xì)胞器等物質(zhì)的裂解，也限制了細(xì)胞外間隙水分子的運(yùn)動(dòng)，這三種因素會(huì)引起該組織的彌散受限，在DWI表現(xiàn)為高信號，ADC圖上信號減低。而對于超急性期腦梗死而言，梗死區(qū)域只是水分子分布的一個(gè)重構(gòu)（細(xì)胞外到細(xì)胞內(nèi)），該區(qū)域的水分子數(shù)量并未增加（水從血管里來，這時(shí)候血管通透性還好，沒有明顯的血管源性水腫），因此在常規(guī)T2WI或者b0圖像上沒有出現(xiàn)明顯的高信號。出了腦梗死之外，各種原因引起的組織缺氧也可以因此彌散受限，比如多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的彌散受限，因?yàn)槟[瘤的惡性程度高，腫瘤細(xì)胞復(fù)制過于活躍，血供無法跟上，會(huì)出現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的缺氧，出現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞毒性水腫，導(dǎo)致彌散受限。圖8：27歲女性，臉部自體脂肪填充后栓塞。A為b0圖，B為b1000圖，C為ADC圖。栓塞導(dǎo)致的額頂葉急性梗死灶在b1000為高信號，ADC為低信號，代表細(xì)胞毒性水腫引起的彌散受限。2、液體粘稠。液體粘稠是囊性病變或少部分腫瘤性病變囊腔彌散受限的主要原因。以腦膿腫的膿腔（圖9）、表皮樣囊腫（圖10）等為典型代表。囊腔內(nèi)液體混雜著細(xì)胞碎片、細(xì)菌、炎性細(xì)胞和粘膜蛋白等物質(zhì)，造成水分子彌散運(yùn)動(dòng)受限，引起DWI高信號和ADC圖信號減低。需要注意的是，雖然書本和文獻(xiàn)上寫著腫瘤的壞死彌散不受限，這是與膿腫鑒別的要點(diǎn)，但是在臨床工作中，極少數(shù)的腫瘤合并出血，血液的降解產(chǎn)物會(huì)導(dǎo)致腫瘤壞死腔粘稠，引起水分子彌散受限，呈現(xiàn)出DWI高信號和ADC圖低信號。圖9：2歲女孩，右側(cè)顳葉腦膿腫。A為b1000圖，B為ADC圖，C為b0圖，D為T1WI增強(qiáng)。環(huán)形強(qiáng)化內(nèi)部無強(qiáng)化區(qū)為膿腔，腔內(nèi)液體混有細(xì)胞碎片、細(xì)菌、炎性細(xì)胞等，導(dǎo)致彌散受限，b1000圖為高信號，ADC圖為低信號。圖10：左側(cè)環(huán)池表皮樣囊腫。A為b0圖，B為b1000圖，C為ADC圖。病灶在b1000上信號稍高于皮層，但明顯高于腦脊液，ADC病灶無明顯強(qiáng)化（未給圖），提示為囊性病變，應(yīng)該與腦脊液對比，ADC圖上信號遠(yuǎn)低于腦脊液，提示彌散受限。3、腫瘤細(xì)胞致密。這也是一大類腫瘤彌散受限的原因，典型代表是淋巴瘤（圖11）、髓母細(xì)胞瘤等小圓細(xì)胞類腫瘤。這類腫瘤細(xì)胞排列緊密，細(xì)胞外間隙的水分子運(yùn)動(dòng)空間受限，而細(xì)胞核又比較大，細(xì)胞內(nèi)水分子的運(yùn)動(dòng)也不自由，因此整體上腫瘤組織DWI呈高信號，ADC呈低信號。圖11：淋巴瘤。A到F依次為CT平掃、MRT2WI、T1WI增強(qiáng)、DWIb0、DWIb1000、CBF圖。右側(cè)丘腦病灶在b1000圖中信號明顯高于皮層，提示彌散受限，這是因?yàn)槟[瘤細(xì)胞致密所致。本例未給出ADC圖（在實(shí)際臨床工作中，一般不會(huì)每個(gè)病例都去看ADC圖，此病例T2WI信號雖然稍高與皮層，但并不十分高，產(chǎn)生T2穿透效應(yīng)的可能性較小，當(dāng)然，確定還需ADC圖）。4、中毒代謝脫髓鞘。很多中毒、代謝、脫髓鞘過程也可以引起彌散受限，部分病灶在DWI上的高信號可逆，并不一定會(huì)