扩散加权成像及扩散张量成像

（一）扩散加权成像

1.中枢神经 扩散加权成像（DWI）首先成功应用于中枢神经系统，DWI能够敏感地发现超早期脑缺血，这是既往任何检查手段都难以发现的。最初的临床研究结果令人振奋，但是随着研究的深入，逐渐意识到，DWI高信号征象对脑缺血超早期诊断的特异性与敏感性都可能被过高地估计，因为多种中枢神经系统疾病都可在DWI图像表现为高信号，鉴别还需要结合常规MRI图像和表观弥散系数（ apparent diffusion coefficient，ADC）值等定量参数的测量。DWI在脑肿瘤的应用则尚未达到人们的预期，由于特异性不足而在很大程度削弱了它的临床价值。其中一个主要的问题就是水肿、肿瘤组织不能得到有效的鉴别。为了解决这一问题利用多b值及高b值技术，通过得到相应的参数图来鉴别肿瘤、瘤周水肿及正常脑组织。这些方法的运用可以帮助临床定量肿瘤活性成分，对于肿瘤的诊断和监测具有积极的意义。

2. 体部 早期由于硬件和软件的限制，使得体部DWI图像质量较差，研究多局限于ADC值的测量及其对不同疾病的鉴别价值。随着技术的进步，能够较容易地获得腹部较为满意的DWI图像。对肝脏的DWI研究结果显示，DWI可以鉴别肝脏良性病变（如血管瘤和肝囊肿）和恶性肿瘤，但是不同恶性肿瘤的鉴别仍然困难。DWI对比显示的是组织内部水分子不规则热运动的差别，与组织细胞密度密切相关。肝脏恶性肿瘤病灶DWI的对比噪声比高于T2WI，说明恶性肿瘤组织与非肿瘤组织的扩散特征差别高于T2特征的差别。肝脏恶性肿瘤不同组织成分，在DWI图像上的信号特征，与传统的形态学成像序列（T1WI、T2WI）不同，有必要将肿瘤的扩散特征（表现为DWI信号强度对比和ADC值）作为重要的影像学特征来加以认识。在DWI体部成像过程中，最大的技术困难在于克服宏观运动效应所带来的影响，同时又要保证对于微观运动的敏感性。对此一系列的新技术相继得到应用，包括多信号平均技术、心电门控技术、导航技术、放射状或螺旋成像技术等。采用ASSET技术后，DWI的空间分辨率得到提高，有文献称可检出3 mm的肝脏小病变。与腹部实质脏器相比，空腔脏器的DWI曾经被认为是难以实现的。但是实践证明，腹部空腔脏器DWI不仅可行，而且结果更加令人鼓舞。在胃癌、直肠癌、食管肿瘤的DWI研究中，采用ASSET除提高了采集速度，图像变形及EPI 相关伪影（尤其磁敏感伪影） 也明显减轻，背景噪声降低，图像对比增高。但此时会出现ASSET相关伪影，其中以ASSET相关线状伪影（信噪比过低导致重建错误而产生的弯曲细线状伪影） 最为明显。通过增加信号平均次数，可基本消除EPI伪影及ASSET相关伪影。在进行上腹部DWI时常需要病人长时间的屏气，在实际操作中会存在相当大的困难，应用分次屏气采集的方法可获得满意的DWI图像，水模测试的结果证实分次采集不会影响ADC值的计算。扩散加权图像的信号强度除受到组织扩散特性的影响外，还受到T2穿透效应和灌注效应的影响。直肠癌DWI的研究证明T2穿透效应对b值300～1 300 s/ mm2的直肠癌扩散图像均有影响，其相关程度随b值增加逐渐降低，亦即扩散图像中肿瘤信号强度随b值的增加受肿瘤自身T2特性的影响逐渐降低。为使测得的ADC值尽可能接近组织真实D值，减少T2穿透效应和灌注效应的影响，应使用较高b值扩散成像。但是，使用高b值对于腹部短TE 组织不利，导致信噪比降低和图像质量的明显下降;扩散敏感的SS-EPI序列对于磁敏感伪影的敏感度增加，而易于导致图像的几何形变;随着b值增大，这种改变有加重的趋势，胃肠道内气液平面也会导致这种伪影的明显加重。应用ASSET技术和增加激励次数，可以明显提高图像质量，降低背景噪声，减少EPI相关伪影。令人鼓舞的是，高b值（800～1 000 s/ mm2）的DWI 已经在乳腺、胃、肝脏、直肠、子宫、前列腺等领域的临床应用获得成功，并显示出良好的应用前景。

选择合适的b值有助于病变特征的显示，但在不同组织器官所采用的b值有较大差异，遗憾的是目前尚无一个b值选取的最佳标准和方法，这也在一定程度上制约扩散成像的应用。笔者认为选取b值的原则应当是，在保证满足诊断需要的图像信噪比的前提下，尽量选用高b值以使测得的ADC值稳定且尽可能接近真实D。在一组直肠癌不同b值的比较研究中，随着b值增加扩散图像中肿瘤的SNR逐渐下降，表明扩散图像的图像质量随b值增高逐渐下降;b值达到1300 s/mm时，直肠癌的SNR和CNR明显下降，不利于病变检出，300～500 s/mm2 时无法有效抑制T2穿透效应，b值800～1 000 s/mm2 时的扩散图像主要反映了组织的扩散特性。不同组织器官由于受周围环境的影响不同，为了获得好的SNR和CNR，b值的选择会有所差异； b值的选择应当有利于准确显示病变的特征。例如食管肿瘤由于受到肺内气体等因素的影响，选择b 值500 s/mm2所获得的DWI，其显示的食管肿瘤病变长度与病理结果间无显著性差异，提示DWI能够显示尚未出现明显形态学改变的病变区。DWI上信号的强度与组织内的细胞密度具有很好的相关性。在富细胞组织，如生长迅速的肿瘤，水分子的活动度明显减弱，这在体内和体外研究中已经得到了证实。在肿瘤坏死成分中，细胞及组织崩解，水分子扩散能力增加。通过展示肿瘤进展过程中水分子扩散能力的变化，DWI可以用来检出肿瘤组织结构的早期改变。这些改变可以通过ADC值的计算进行定量表述。胃癌DWI 研究显示癌肿与非癌胃壁的ADC 值存在统计学差异，根据ROC曲线，以ADC值＜1.46mm2/s×10-3作为检出胃癌的标准，敏感性97.0% ，特异性90.9% ，提示ADC值可在胃癌MRI诊断中具有一定的价值。

ADC值虽然是重要的定量参数，但是测量方法的不规范使得不同研究结果缺乏可比性。对于不均质的肿瘤，如何准确地获得肿瘤组织的ADC值，而不是坏死或出血、纤维化等非肿瘤组织的ADC值，有待于更多、更深入的研究。需要注意的是，ADC值通常反映肿瘤的局部而非整体特征，在将ADC值作为量化指标进行研究时，不应忽视作为影像学基础的DWI图像，应当避免将DWI 研究变成数字游戏的倾向。例如应用DWI探讨ADC值在监测直肠癌疗效及其对放化疗反应预测的潜力的研究中，发现一些数据并不完全遵循“肿瘤坏死扩散增强”的规律。提示有关ADC值应用研究的重点，可能在于对这些数值的科学认识与合理解释，建立DWI数据后处理的参考规范。将ADC值与病变的信号特征结合起来综合分析，对于正确理解DWI有重要的意义。例如在b=1 000 s/mm2的子宫扩散图像上，结合带和外带的信号不易区分，甚至偶尔可见结合带信号低于外带，但ADC值的测量显示结合带ADC值低于外带。说明肉眼所见的扩散图像中可能有视觉误差，其非常低的ADC值说明结合带不仅含水量低，而且运动也受限，支持了组织学结合带为致密的平滑肌纤维组成，细胞外基质很少的特点。ADC值作为量化指标可为肉眼不易区分的病变区提供准确判断，如正常子宫内膜在扩散图像上也呈高信号，虽与子宫内膜癌病灶不易区分，但ADC值测量的结果显示子宫内膜癌灶的ADC值显著低于正常子宫内膜，说明病灶扩散受限。ADC值受MR机型、DWI序列、b值及局部组织细胞含量等多种因素影响，ADC绝对值诊断的价值仍存在一定限度。MRS 研究所用的相对比值法为我们提供了有益的借鉴。

3. 脊柱骨骼 脊椎转移瘤的DWI研究表明，部分转移瘤病灶的ADC值与正常椎体ADC值相近，存在假阴性和假阳性。考虑到ADC值受多种因素的影响，采用骨髓对比率这一相对值作为指标，较好地消除了外在因素的影响，与ADC值相比，其作为定量指标在反映病变组织特征方面具有一定的临床应用价值。脊椎转移瘤增强MRI扫描显示，强化病灶的骨髓对比率与DWI的骨髓对比率有强相关性，DWI上信号增高可作为辅助判断脊椎转移瘤的影像征象，对于不能行MRI增强扫描的脊椎转移瘤患者，DWI可作为一种无创检查手段。

4. 乳腺 DWI的临床价值不仅仅是反映组织的扩散特性，与其他方法的联合应用有助于更充分地认识其科学价值和临床应用范围。乳腺癌动态增强扫描联合扩散加权成像的研究结果表明，扩散加权成像ADC值测定病灶水分子扩散受限情况，对病灶的细胞密度情况予以评价，能为动态增强扫描定性诊断不确定的病灶提供进一步的诊断信息，增强诊断信心。当病灶形态、时间信号强度曲线及ADC值三项指标综合判断时，ADC值能够为定性诊断提供更丰富的信息，发挥辅助诊断作用。

DWI对于分子位移的测量不仅使对组织特异性扩散的定量评价成为可能，而且提供了关于分子运动方向的信息。在DWI的应用研究中仍有大量临床基础相关问题有待解决。扩散成像对于运动的高敏感性，使得扩散信号受到诸多因素的影响;扩散成像在反映相关组织病理学及病理生理学变化过程中的价值与作用，以及DWI与上述改变的相互关系等诸多问题，仍有待深入探讨。有必要通过大量的基础研究，使我们能够更加客观真实地理解与认识DWI。

随着MR硬件和序列技术的改进，快速成像序列，强而均匀的梯度场，空间分辨率的提高和伪影的消除使得DWI技术可以更方便地应用于临床，对生物组织微结构的变化进行量化评估。磁共振扩散加权成像以静止的宏观图像反映分子水平的微观运动，为我们打开了另一扇通往微观世界的大门。DWI对分子运动定量的能力为影像学研究提供了一个新的方法和思路，将会为影像学的发展注入新的活力。

（二）扩散张量成像

1. 大脑发育异常 伴随着脑的成熟和大脑发育异常扩散张量成像（DTI）参数会产生相应的动态变化，从而反映出大脑在细胞结构和组织水容量上的潜在变化，当大脑受到损伤时DTI参数也会相应变化，因此，DTI可以比常规成像方法更早检测到脑白质的破坏和损伤。

2. 神经性精神疾病 脑功能传导的连通性遭到破坏会引起大脑功能紊乱，出现认知功能障碍和相应的临床症状。DTI是一种非常有效的检查和量化脑白质微观结构的方法，使用DTI在酒精中毒、人类免疫缺陷病毒（HIV）-1感染、老年抑郁症和精神分裂症方面的临床研究证实脑白质的微观结构出现异常。DTI可以提示酒精中毒病人白质微观结构出现受损迹象并表明病人工作记忆区和注意力记忆区白质纤维连续性中断。在感染早期HIV-1可以进入中枢神经系统并损害皮质下的白质，通过测量HIV病人脑的平均弥散度和各向异性，发现在额叶白质的各向异性分数（FA）明显减少而在内囊则增加。

3. 多发性硬化症 多发性硬化症（MS）是中枢神经系统的炎性疾病，导致运动和感觉功能的进行性下降和永久功能丧失。目前，常规MRI成像尚无法正确诊断多发性硬化症，而DTI可以提供独有的脑白质方向和完整性的信息。通过计算FA和ADC图可以发现MS病人白质区域的异常表现。因此，DTI在评估该疾病上比T2加权图像更为准确。Bozzali等利用DTI对MS病人进行研究证明MS病人脑灰质已存在变化，而且变化程度在疾病进展中逐渐加大。

4. 脑缺血 研究发现，在脑缺血发作后平均弥散度（MD）会急剧下降并伴随弥散各向异性的提高。在从急性到亚急性和慢性卒中的转变过程中MD随之增加而弥散各向异性则下降（在脑梗死的发展过程中白质的各向同性ADC的变化要高于灰质病灶区的变化），在缺血发展过程中缺血白质的各向异性表现出明显的下降（相对于正常白质），而缺血灰质的各向异性却基本保持不变。DTI对于卒中的准确诊断和预后具有很高的应用价值。

5.脑老化 对照白质成熟过程，研究人员发现正常和异常老化白质在白质分类（ordering）上都有显著下降。研究表明，弥散各向异性测量对于常规MRI无法察觉的微小病变过程是高度敏感的。

6.癫ARFANAKIS等利用DTI具体研究了患有颞叶癫症病人（TLE）脑白质的弥散特性。研究表明各向异性测量可以发现TLE病人的异常，并且这些异常变化不一定局限在颞叶区而可能扩展到其他脑组织区。

7.脑肿瘤 虽然功能MRI在大脑皮质的定位上有一定作用，但它不能提供包含在肿瘤组织中受到侵害的脑皮质的白质束信息。借助DTI技术可以在实施手术前识别出与脑肿瘤相关的白质束图，显示出肿瘤生长和邻近白质束的空间关系，为手术的实施提供重要的参考信息。

8. 纤维跟踪技术 利用DTI可以重建中枢神经系统轴突的走向，这也是当今DTI研究的一个热点。 Mori等对这方向的研究方法进行了总结。目前的重建方法可以分为两类，一类为线性延伸技术，它与利用邻近像素信息方法的主要区别是确定一些平滑的轨迹或将噪声降至最小；另一类技术是全局能量最小化，即找到两个预设点之间的最佳路径。在这些方法中，一般都假设弥散张量矩阵最大特征值所对应的特征向量的方向代表了主要的纤维走向。

总之，主要的技术局限为图像分辨率相对较低。目前DTI测量的平均在体体素大小约为15mm3，这远远大于一般MR成像的图像像素。高分辨率对于解剖成像和纤维跟踪工作都是非常重要的。现在DTI采集多采用EPI技术，因为它对于运动相对不敏感，但要提高分辨率就要压缩采集和回波时间，这对于梯度场的性能要求提高了，而由于梯度场已开始达到其最大性能特性，为提高分辨率必须开发其他的方法，例如利用并行成像技术减少读出时间等硬件方法。但所有的新技术都必须将信噪比、采集时间和几何形变等问题综合考虑。在组织特性分析中获得同一样品中的补充信息是非常有用的。磁传递成像（MTI）使用偏离共振频率的激励在束缚水分子和活动水分子间传递能量，产生只对蛋白质浓度敏感的对比度，改变束缚水的反应速率和弛豫率。 该方法已应用于MS等脑白质病以及精神分裂症的研究中。由于髓鞘可以影响组织的弥散各向异性，因此评价髓鞘状态的独立的分析方法可以为DTI提供补充信息。 MTI和DTI技术相结合可以更好地表现组织的异常情况。

虽然DTI研究可以发现神经精神疾病的异常，但导致微观结构发生变化的潜在的神经生理机制还未明了。建立必要的动物实验和模型可以有助于发现DTI发生改变的原因。

总之，弥散成像是显示组织微观物理特性（如细胞大小和形状等）真正的定量方法。尽管在DTI的原理和实验方法上还有很多工作要做，但目前DTI是惟一可以无创地跟踪脑内白质纤维并反映其解剖连通性的一种有效方法。可以显示活动的皮质区并提供可能的能连接的线索，所以DTI与fMRI结合可以在脑功能研究上发挥很大的作用。还有学者建议可以利用弥散MRI直接检测皮质活动区。相信随着DTI 技术的不断提高，新的研究成果会不断涌现出来。