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DWI的基本原理及技术

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发表于 2013-7-8 00:19:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
弥散是物质的转运方式之一,是分子等微观颗粒由高浓度向低浓度区随机的微观移动,即布朗运动,单位为mm2/s或cm2/s。
MR DWI是利用水分子的弥散运动特性进行成像的。DWI使MRI对人体的研究深入到细胞水平的微观世界,反映着人体组织的微观几何结构以及细胞内外水分子的转运等变化。
Hahn首先于1950年在关于自旋回波序列设计的报道中阐明了水弥散对磁共振信号的影响作用。
Stejskal和Tanner于1965年最早描述了DW序列,将其发展成为可测量的磁共振技术。
目前常规采用的成像技术是在SE序列中180°脉冲两侧对称地各施加一个长度、幅度和位置均相同的对弥散敏感的梯度脉冲,当质子沿梯度场进行弥散运动时,其自旋频率将发生改变,结果在回波时间内相位分散不能完全重聚,进而导致信号下降。
用相同的成像参数两次成像,分别使用和不用对弥散敏感的梯度脉冲,两次相减就剩下做弥散运动的质子在梯度脉冲方向上引起的信号下降的成分,即由于组织间的弥散系数不同而形成的图像,故称DWI。
弥散系数(diffusion coefficient,D)的公式为:LnS(TE,G)/S(TE,0)=-bD
S(TE,G)为用梯度脉冲的图像上的信号强度,S(TE,0)为不用梯度脉冲的图像上的信号强度;b为弥散敏感因子,公式为b=γ2G2δ2(Δ-δ/3)其中γ为旋磁比,δ是梯度脉冲持续时间,G是梯度脉冲的强度, Δ为两个梯度脉冲的间隔时间。
影响DWI信号的相关因素
表观弥散系数(apparent diffusion coefficient,ADC):由公式得知,DWI的信号与弥散系数(D)呈负指数关系,即D值增大,DWI信号下降。
在活体内,DWI信号除受弥散的影响外,还可能对一些生理活动,(如心脏搏动、呼吸、灌注、肢体移动等)敏感,所测得的弥散系数并不仅仅反映水分子的弥散状况,基于以上原因,Le Bihan 提出用ADC来描述活体DWI中的弥散状况。DWI中的信号降低与ADC值的关系表示如下:ADC=Ln(S2/S1)/(b1-b2)。S1、S2是不同弥散敏感系数(b1、 b2)条件下DWI的信号强度。ADC值增大,代表水分子弥散增加,而DWI信号降低,反之亦然。
ADC具有代表性的关键特性是它的定量化。因此,ADC可以被用作肿瘤的诊断和评价,对群体的横向比较,或对正在接受治疗的个体的纵向比较。
影响DWI信号的相关因素
各向异性(anisotropy):弥散是一个矢量,不仅有大小,也有方向。各向异性是水分子弥散矢量的重要体现,即水分子在某个位置上可以向任意一个方向运动,但是其向各个方向运动的量并不相同。
研究弥散的定向性或“各向异性”是弥散成像的一个重要的研究领域。 即弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTl)。
DTI是利用组织中水分子弥散的各向异性来探测组织微观结构的成像方法,是通过观察随弥散梯度脉冲方向改变而发生波动的弥散值大小来标记和描绘水分子的各向异性。
脑白质的各向异性是由于平行走行的髓鞘轴索纤维所致,脑白质的弥散在平行神经纤维方向要比垂直纤维走向的更快一些,这一特性用彩色标记可反映出脑白质的空间方向性,即弥散最快的方向指示纤维走行的方向。
目前,利用DTI对脑白质纤维的研究日益增多。
各向异性的存在一定程度上影响着脑肿瘤的ADC值和DWI信号,因此,在讨论和分析脑肿瘤DWI的结果时,必须要明确有无各向异性的影响。
Figure . Anisotropic nature of diffusion in the brain. Transverse DW MR images (b = 1,000 sec/mm2; effective gradient, 14 mT/m; repetition time, 7,500 msec; minimum echo time; matrix,  x ; field of view, 200 x 200 mm; section thickness, 6 mm with 1-mm gap) with the diffusion gradients applied along the x (Gx, left), y (Gy, middle), and z (Gz, right) axes demonstrate anisotropy. The signal intensity decreases when the white matter tracts run in the same direction as the DW gradient because water protons move preferentially in this direction. Note that the corpus callosum (arrow on left image) is hypointense when the gradient is applied in the x (right-to-left) direction, the frontal and posterior white matter (arrowheads) are hypointense when the gradient is applied in the y (anterior-to-posterior) direction, and the corticospinal tracts (arrow on right image) are hypointense when the gradient is applied in the z (superior-to-inferior) direction.
影响DWI信号的相关因素
T2穿透效应(T2 shine-through effect):DWI上的信号强度不仅与受检组织ADC值有关系,而且与组织的T2值相关,即DWI的信号正比于T2值。当受检组织的T2值明显增高,在DWI上有明显的T2图像对比存在时,称之为T2穿透效应。
由于T2穿透效应的影响,可能造成弥散受限的假阳性表现,即DWI高信号有T2穿透效应的影响,而并非仅仅是ADC降低或弥散受限的结果。因此,在脑肿瘤等疾病的DWI诊断中,消除T2穿透效应是十分重要的。
常用的消除T2穿透效应的方法有两种,即指数图像(exponential image)和ADC图。
消除T2穿透效应的方法一:指数图像(exponential image)
Figure . Removal of T2-weighted contrast. To remove the T2-weighted contrast in the isotropic transverse DW image (b = 1,000 sec/mm2; effective gradient, 14 mT/m; repetition time, 7,500 msec; minimum echo time; matrix,  x ; field of view, 200 x 200 mm, section thickness, 6 mm with 1-mm gap), the transverse DW image (DWI) is divided by the transverse echo-planar spin-echo T2-weighted (EP SET2) image. The resultant image is called the exponential image because its signal intensity is exponentially related to the ADC.
消除T2穿透效应的方法二:ADC图
Figure . Creation of an ADC map. One method of creating an ADC map is to mathematically manipulate the exponential (Exp.) image. The appearances on the transverse DW image (DWI), exponential image, and ADC map, as well as the corresponding mathematic expressions for their signal intensities, are shown. Image parameters are b = 1,000 sec/mm2; effective gradient, 14 mT/m; repetition time, 7,500 msec; minimum echo time; matrix,  x ; field of view, 200 x 200 mm; section thickness, 6 mm with 1-mm gap. SI = signal intensity, SIo = signal intensity on T2-weighted image.

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[LV.Master]伴坛终老

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发表于 2013-7-19 22:57:53 | 显示全部楼层
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 楼主| 发表于 2013-7-8 00:19:16 | 显示全部楼层
DWI的临床应用
脑缺血超早期的定性与定量诊断。
ME Moseley于1990年应用弥散成像来观察猫大脑中动脉闭塞(MCAO)模型,发现弥散加权像可以在MCAO后14分钟显示病灶,而T2加权像在缺血后2-3小时后才发现缺血的存在。
DWI发现急性和超急性期脑梗塞的敏感性和特异性都非常高,其敏感性和特异性分别为88%-100%和86%-100%。
伴有弥散下降的脑内病变与不可逆的梗塞强烈相关。急性神经系统损害提示卒中发作,但不伴有弥散受限,往往是由于短暂性脑缺血发作、外周性眩晕、偏头痛、癫痫发作、脑内出血、痴呆、功能紊乱、淀粉样血管病以及代谢异常等引起。
新生儿缺血缺氧性脑损害(Neonatal hypoxic ischemic brain injury)
DW MRI迅速地促进了新生儿缺血缺氧性脑病和局灶性梗塞的评价。
新生儿脑梗塞的动物模型已经证明在结扎颈动脉1小时后就可以出现在DW MRI上可观察到的脑损害。
在人类,出生后1天内,在常规CT或MRI上不可见的缺血性损害在DW MRI上就可以被识别。
动物模型已经证实新生儿缺血缺氧性脑病随时间的演化过程。
因而,DW MRI有助于提高我们对新生儿脑缺血病理生理学机制的理解。它有助于确定缺血开始的时间,提供了检测急性缺血损害的更早期和更为准确的指标。这种信息可以提供更早的关于远期预后的评价,对新的神经保护制剂的评价也很重要。
DWI的临床应用
DWI有助于囊实性肿瘤的鉴别、肿瘤水肿与坏死等肿瘤成分的分析。
肿瘤的水肿具有比正常脑组织更高的ADC值,肿瘤中心坏死区的ADC值比肿瘤、水肿区以及正常脑组织的ADC值都高。
Tien等证明强化肿瘤的ADC值比邻近水肿的ADC值明显要低,但Brunberg等发现强化肿瘤与水肿的ADC值之间的差异不具有显著性。他们都认为仅根据ADC值无法区分不强化的肿瘤和邻近的水肿。
Brunberg等提示无论强化或不强化的肿瘤都可以与水肿区分开,因为水肿区具有明显较高的弥散的各向异性,这可能与水肿区内保留有完整的髓鞘有关
许多研究者认为DW MRI无助于高级和低级胶质瘤的鉴别以及肿瘤类型的划分。
脑肿瘤术后近期出现急性神经系统症状,在SE T2WI上都表现为高信号,细胞毒水肿特征性地具有较低的ADC值,而血管源性水肿具有较高的ADC值。于是急性的脑梗塞就很容易与术后的水肿区分开了。
DWI的临床应用
白质区的扩散表现为各向异性,在有髓鞘包绕的神经纤维方向,扩散运动较垂直于神经纤维的方向更明显。通过测量这种扩散的不对称性,扩散成像可以用来研究神经纤维走行方向以及髓鞘的形成过程。
针对心脏、腹部脏器的扩散成像研究目前正逐渐得到开展。
由于扩散运动的温度依赖性,因此局部ADC值测量可以用来监控组织的温度变化。
DWI在肿瘤诊断及疗效随访中的应用
目前与脑肿瘤有关的组织功能、灌注、氧合以及新陈代谢方面的研究进行得很活跃。
使用水的弥散作为检测组织细胞构成的替代指标较为引人注目,因为这一参数受细胞内外分子的黏度以及膜通透性,主动转运和流动,组织/细胞结构的方向性对水流动的阻碍作用的强烈影响。
MRI弥散成像可以被用作多种肿瘤的定性,包括从实质的、富细胞的区域鉴别囊性区以及监测治疗的反应,这种治疗反应表现为肿瘤内部细胞构成的变化。
在实验性癌症治疗领域,肿瘤体积的缩小被认为是评价治疗成功的标准。这种测量数据通常在治疗的晚期才被获得,而且没有考虑空间不同质性对治疗效果的影响。
MR DWI基于水分子的流动性,是一种反映肿瘤对治疗反应的非容积的体素内测量。水流动性的改变在细胞水平反映了组织结构的变化。分子和细胞的变化显然要领先于肉眼可见的肿瘤大体体积的变化。所以MR DWI可以提供治疗效果的早期指标。
用弥散去评价治疗效果的中心假说是:用细胞毒素剂对肿瘤进行的成功治疗导致细胞的重大损伤和/或细胞的死亡,这样就改变了细胞膜的完整性以及细胞的构成度。由于凋亡小体和细胞缺失增加了间质间隙的空间容积,在损伤的肿瘤组织中增加了水的流动(弥散)。
MRI弥散成像检测治疗所致改变的敏感性依靠可能的总的动态范围,这可以通过测量ADC值来观察到。例如,相对实性的组织如正常成人脑的ADC值是0.6-0.8×10-3mm2/ sec,而脑脊液的大约是3.0×10-3mm2/sec,这代表了在中枢神经系统观察到的典型的ADC值的范围。
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[LV.4]偶尔看看III

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 楼主| 发表于 2013-7-8 00:21:34 | 显示全部楼层
正常人血红蛋白分子含二价铁(Fe2+),与氧结合为氧合血红蛋白。当血红蛋白中铁丧失一个电子,被氧化为三价铁(Fe3+)时,即称为高铁血红蛋白(简称MetHb)。正常人血MetHb仅占血红蛋白总量的1%左右,并且较为恒定。当血中MetHb量超过1%时,称为高铁血红蛋白血症(methemoglobinemia)。
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[LV.5]常住居民I

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发表于 2013-7-18 23:57:12 | 显示全部楼层
太好了,学习
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[LV.10]以坛为家III

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发表于 2016-9-19 16:43:20 | 显示全部楼层
很好,学习学习
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