物理基础和脉冲序列

（一）扩散加权成像的物理基础

扩散也称弥散（diffusion），是指分子热能激发而产生的一种无规则的、随机的、相互碰撞的运动过程，也称分子热运动或布朗运动。人体组织中的水分子总是处于热运动（即扩散运动或称布朗运动）状态，这种运动方式是扩散加权成像技术（DWI）的基础。在生物体内，由于受细胞膜、大分子蛋白及其他组织结构特异性等因素的影响，生物体内的水分子布朗运动具有受限扩散与扩散各向异性的特点。由于不同组织的成分及细胞排列不同，人体内水分子的扩散能力也不相同。比如脑脊液中水分子扩散能力强于脑灰质的水分子扩散能力。当组织发生病变时，细胞的结构、功能和代谢发生异常，水分子在细胞间的扩散能力相应受到影响，表现为水分子的扩散增加或受限。DWI成像就是通过测量水分子的扩散运动异常来发现和诊断病变的MRI影像手段。常用扩散系数D来描述一个水分子在单位时间内随机扩散运动的范围，该系数是一个常数，单位：mm2/s。D值越大，水分子的扩散能力越强。

（二）DWI成像序列

DWI成像是在常规MRI序列基础上的前后对称地各施加一个长度、幅度和位置均相等的扩散敏感梯度脉冲。第1个梯度脉冲引起所有质子自旋，从而引起相位变化，而后一个梯度脉冲使其相位重聚，但是对于弥散较低（静止）水分子，第1梯度脉冲引起的质子去相位被第2梯度脉冲再聚集，信号没有明显降低；对于弥散较快（运动）的水分子，第1梯度脉冲所致的质子去相位后离开原来的位置，不能被第2梯度脉冲再重聚，从而导致信号强度随弥散时相而衰减。如果保持其他的成像参数不变，将使用和不使用扩散敏感梯度得到的两幅图像进行相减，那么就得到由于水分子扩散运动引起的信号下降成分，即DWI图像。DWI图像的对比度主要取决于水分子的位移运动，而并非水的自身结构成分。b值越大，水分子间相位离散越重，信号降低越明显。

用于DWI的序列很多，目前最为常用的序列主要包括自旋回波DWI（spin echo DWI, SEDWI）、激励回波DWI（stimulated echo DWI, STE-DWI）、稳态自由进动DWI（steady state free precession DWI，SSFP-DWI）、回波平面DWI（echoplanar imaging DWI，EPI-DWI）以及近年快速发展起来的DWIBS技术。

1. SE-DWI SE-DWI序列是在自旋回波180°脉冲的两侧加入一对扩散敏感梯度。此序列不要求有快速和强梯度的硬件设施。序列对磁化率效应不敏感，信噪比高，也可进行表观扩散系数ADC的计算，广泛应用于体模、动物模型和脑扩散成像研究。主要的缺点为需要长回波时间TE来保证扩散敏感梯度脉冲的期间，对运动高度敏感而导致的图像伪影以及T2衰减引起的信噪比下降。因为它扫描速度慢，成像时间长，所测得的ADC值受血流灌注、呼吸运动等机体的生理因素影响较大，特别是腹部DWI不仅受心脏搏动、呼吸运动、脉搏、血流灌注等的影响，还受胃肠道蠕动等因素的影响。

2. STE-DWI STE-DWI序列是在回波前施加3个90°射频脉冲，在第1个和第2个射频脉冲后各施加一个扩散梯度脉冲，其信号变化类似SEDWI，可以降低T2扰射效应，但仍有信噪比低和采集时间长等缺点。

3. SSFP-DWI SSFP-DWI序列是利用射频脉冲作为激发和重聚脉冲，在次级激发脉冲之后获得自旋回波，具有很短的重复时间可以＜50ms，因此大大地缩短扫描时间。此序列比SE-DWI和STE-DWI序列对扩散更加敏感，信噪比较好，但是因为弛豫时间对信号影响作用较复杂，所以无法准确定量地测量扩散。

4. EPI-DWI 平面回波成像（echoplannar imaging，EPI）是目前临床应用中最常见、最快速的扫描技术，能在数十毫秒内完成单幅图像的采集，基本冻结人体大部分的生理活动；可减轻甚至消除它们对扩散加权图像信号的影响，使测得的组织内水分子的ADC值更接近于D值，从而可以真实地反映水分子的扩散运动。这使受呼吸运动伪影影响较大的体部DWI成为可能。

EPI-DWI包括单次激发EPI-DWI（single-shot EPI-DWI，SS-EPI-DWI）和多次激发EPI-DWI（multi-shot EPI-DWI，MS-EPI-DWI）。MS-EPIDWI的信噪比（signal-to-noise ration。SNR）较高，能采用较大的矩阵，因而空间分辨率较好，磁化敏感伪影较轻，但不能完全去除T1对图像对比的影响，屏气不好的病人容易产生呼吸运动伪影。目前最常用的较成熟的扩散成像方式是SS-EPI-DWI，通过一次激发，在180°射频脉冲前后沿层面各施加一个扩散脉冲，然后用回波平面读出器来采集整个图像的全部数据，该序列常规加用频率选择脂肪抑制技术，以减少化学位移伪影。SS-EPI-DWI的优点是加快采集速度，降低对运动的敏感性；缺点是回波链较长，容易导致图像畸变和EPI特征伪影，空间分辨率和信噪比较低。EPI只有非常小的带宽和相位编码方向像素。因此，EPI对于偏共振效应（jbresonance）非常敏感，如主磁场的不均一性、局部敏感性梯度场及化学位移等，都可能导致图像质量的明显下降。为了减少低带宽和像素所引起的伪影，采用并行采集技术，如敏感性编码技术（sensitivity encoding，SENSE）和SENSE/ASSET技术。单次激发ASSET EPI减少了EPI读出的梯度回波链长度，加快了单位时间内k空间填充速度。由此而引起的相位编码方向带宽和像素的增加及EPI回波链的缩短，减轻运动伪影，从而进一步改善了图像质量。周期性旋转重叠平行线采集和增强后重建（periodically rotated overlapping parallel lines with enhanced reconstruction）技术，又称螺旋桨（propeller）技术，在很大程度上解决了运动伪影校正的问题，大大提高了图像的空间分辨率。

5. DWIBS Takaham等于2004年利用Philips公司的MR设备首次将DWI与短反转时间反转恢复（short-inversion recovery，SIR）及EPI等技术相结合进行三维全身扩散加权成像，即背景抑制全身扩散加权成像（diffusion weighted whole body imaging with background body signal suppression，DWIBS）。随后Siemens公司及GE公司也相继开发了全身扩散加权成像软件。使此技术逐渐应用于临床。全身扩散加权成像是传统DWI应用的一个延伸，它克服了以往体部DWI必须在屏气条件下进行、成像范围有限、SNR和空间分辨力较低的缺点。可以在自由呼吸状态下完成薄层、无间隔、大范围成像并得到高SNR、高分辨率和高对比度的影像。全身DWI使用STIR技术抑制正常组织和脂肪信号，凸现异常病变信号,扫描后对图像进行重组，得到类似PET的图像，称为类PET技术，临床主要用来进行全身良、恶性肿瘤的筛查及鉴别,评估肿瘤的原发灶、远处转移、淋巴结浸润以及术后复发，也可用于肿瘤放、化疗后的随访检查。