磁共振弥散成像的基本原理

一、磁共振弥散成像的基本概念 1.弥散(diffusion):是描述小分子在组织中微观运动的物理概念,是分子等微观颗粒由高浓度向低

一、磁共振弥散成像的基本概念

1.弥散:是描述小分子在组织中微观运动的物理概念,是分子等微观颗粒由高浓度向低浓度弥散的微观移动,即布朗运动,单位为mm2/s。

2.受限弥散:弥散在生物体内的表现。弥散运动将使溶液系统中的浓度梯度逐渐消失。但是,在生物体中细胞内外或小器官内外却能保持不同的化学环境,这是由细胞膜的屏障作用决定的。受限弥散构成了弥散成像的基础。

3.弥散加权成像:通常所说的弥散主要指水分子或含水组织的弥散。MR通过氢质子的磁化来标记分子而不干扰它的弥散过程。在任一常规MR成像序列中加入弥散梯度突出弥散效应即可行弥散加权成像,可以对组织中水分子的弥散行为直接进行检测。人体内水分子弥散运动速率与状态呈微米数量级的运动变化,与人体组织细胞的大小处于同一数量级。

4.弥散张量成像:在均质的水中,水分子的弥散运动是一个三维的随机运动,在不同的方向上弥散程度相同,称为各向同性。在人体组织中,水分子在三维空间的弥散要受多种局部因素如细胞膜及大分子物质的影响。尤其在有髓鞘的神经纤维中,水分子沿轴突方向的弥散速度远大于垂直方向的弥散,此种有很强方向依赖性的弥散,即弥散的各向异性,即水分子的活动在各个方向上其弥散规律不是随机均等的,而是有弥散方向的不均匀性。

二、弥散加权成像的原理及临床应用基础

 在梯度磁场的情况下,弥散水分子中的质子其横向磁化发生相位位移,相位位移广泛扩散、相互干扰导致MR信号衰减,这种衰减取决于弥散系数及磁场梯度强度。

弥散系数是组织的内部特征,常用D表示。与自由弥散系数相比,组织弥散系数减小,那是因为组织水与自由水虽然以相同的速率进行弥散,但组织水遇到障碍(细胞内或细胞间)后的持续碰撞使分子的位移速度变慢,弥散系数变小;另外组织水的表面分布着水化物和(或)排列着大分子,形成体积较大的团块,这种团块本身就不自由,使弥散运动的速度减慢,弥散系数变小。病理情况下组织的弥散系数将发生变化,这是弥散加权成像的病理生理基础。

水分子在细胞外间隙的移动,受诸多因素的影响,如:液压、浓度、渗透压、温度及细胞外间隙的几何形状等。在活体中,还受呼吸、脉搏搏动、脑脊液搏动等生理活动影响。故常用一个能反映整体组织结构特征的“扩散常数”,即表观弥散系数来表示活体测到的弥散。在生物体内弥散系数D受多种因素影响,很难精确测量,在用弥散加权成像测量分子运动时,常用表观弥散系数ADC代替弥散系数D。

在弥散加权成像上,弥散加权的程度由弥散敏感因子(用b表示)决定,单位为s/mm2。弥散敏感因子b=Γ2G2δ2 (Δ-δ/3) 。Γ代表旋磁比,G、δ、Δ分别代表脉冲梯度的振幅、宽度和间隔。梯度脉冲的强度与分子的位移成正比,快速移动的分子有较大的位移,最终体素的信号强度包含移动质子的T2信号及与弥散相关的信号下降。SI=SIo×EXP(-b×D),SIo 代表b=0或T2WI时的信号强度值,b为弥散敏感因子的取值,D为弥散系数。由于D值难精确测量,进一步用ADC值代替D值,则公式衍变为SI=SIo×EXP(-b×ADC)。ADC值与信号强度及b值的关系可用以下公式表示:ADC= Ln(S2-S1)/(b1-b2),S1、S2是不同为弥散敏感因子(b1、b2)下的信号强度,Ln为自然对数。ADC值增大,代表水分子弥散增加,而DWI信号降低,反之亦然。

三、弥散加权成像的序列

要获取人体的功能信息,或彻底消除运动(包括各种生理运动、自主或非自主运动)对图像的影响,就需要30~50ms范围内的毫秒级成像。回波平面成像是目前临床实际应用中最快的扫描技术,能够在几十秒的时间内获得图像重建所需要的原始空间数据,可以在30ms之内采集一幅完整的图像,使每秒钟获取的图像达到20幅。如此高的成像速度,就不仅能使运动器官“冻结”,以便于清晰地观察胆囊、呼吸器官等的断层图像,而且不同b值的图像容易获得,这是进行弥散定量计算的基础。

与一般磁共振成像系统相比较,对允许进行EPI成像的磁共振成像系统有以下要求:

①单次激发采集时间<30~100 ms,梯度场强15~25mT/m,梯度切换时间为0.1~0.3ms。

②能将梯度产生的涡流减小的特殊射频线圈。

③128相位编码读出时间≤0.6ms。

④强烈的化学移动伪影,需拥有良好的脂肪抑制技术来消除。

⑤强烈的磁化伪影,通过薄层扫描、缩短TE时间、应用SE-EPI等来改善。

典型的扫描参数如下:TR/TE10000-12000/ 100ms,b=0s/mm2,b=1000s/mm2,1次采集,矩阵128×64~128×128,FOV220~240mm,层厚5~8mm,成像时间1~2min,分辨率约1~2mm。快速成像减少了搏动伪影, 并可更精确测量ADC值。

四、影响弥散加权成像信号的因素

1.b值

即弥散敏感因子,DWI是在某一b值下测得的信号强度成像。随着b值的增加,图像的弥散权重加大,病变组织和正常组织之间的对比度增加,提高了DWI的敏感性;但是,高b值会使图像信噪比降低,这是因为b值的增加主要是通过延长由梯度脉冲持续时间(δ)和梯度脉冲的间隔时间(Δ)来完成的,这样使回波时间(TE)增加,而长TE使信号衰减。不同脏器组织的b值的选择是不同的,主要取决于组织的TE时间。b值越大,越偏重于弥散像;b值越小,偏重于T2像。

2.ADC值

活体组织的ADC值受细胞内外水的粘滞度、比例、膜通透性、温度的影响。评价病变时,同时测量病变及对侧相应部位的ADC,用rADC可部分消除对ADC值的个体差异。ADC值增大,代表水分子弥散增加,而弥散加权图像(DWI)信号降低,反之亦然。ADC值的计算至少要有2个不同的b值,一般来说,采用的b值越多,并且最大和最小b值间的差别越大,系统误差越小,测得的ADC值越准确。

3.各向同性和各向异性

弥散是一个矢量,具有方向,弥散过程为三维过程,在不同的方向上弥散程度相同,称为各向同性。各向异性指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。如水分子在平行于神经纤维的方向上较垂直方向上更易弥散。这点在脑白质中尤为明显。MRI上弥散信号是通过弥散梯度来编码的,只有弥散位移通过梯度编码的方向才能采集到信号,可通过改变弥散梯度的方向来观察弥散的各向异性。

4.T2透过效应

DWI的MR表达方式甚多,如DWI,T2纠正过的DWI,ADC图和eADC图等。大多数DWI MR都用SE-EPI T2WI序列图像,故这种序列形成的DWI的图像对比,除具有因组织的ADC值不同而形成的图像对比之外,还可能存在组织T2时间不同所形成的T2图像对比。在DWI图像上如有较明显的T2图像对比存在时,称为T2透过效应。组织的ADC值降低时,即存在弥散受限或降低的情况时,DWI图像上这些组织呈现为高信号。如果同时还有T2对比存在,即存在T2透过效应时,这些弥散受限组织在DWI MR图像上信号更高,在急性脑梗死之类疾病作DWI检查时,如存在T2透过效应,则图像上梗死区的高信号更为突出,不但不影响疾病的诊断,可能还有利于疾病的显示。然而在肿瘤等疾病中,由于肿瘤组织与正常组织ADC值差别本身就不甚明显,T2透过效应的影响就可能影响疾病的诊断,形成弥散受限或降低的假阳性表现,也即DWI高信号是T2透过效应所造成,而并不存在ADC值降低或弥散受限。因此,在肿瘤等疾病的DWI诊断和鉴别诊断中,消除T2效应是十分重要的。常规的消除T2透过效应的方法有两种:即ADC值和eADC值。ADC图是将ADC值按灰阶排列(可加上伪彩)形成的图像。eADC值图,即指数弥散系数,是通过DWI信号除以SE-EPI T2WI信号而获得。

五、弥散加权成像常见的伪影

多是由于采用平面回波(EPI)造成的。

1.运动伪影:

EPI对运动十分敏感,因此,在扫描过程中严格控制受检者的运动是非常必要的。

2.N/2鬼影:

是由于图像强度的周期性波动而引起的。如果EPI 系统提供的读出梯度波形不理想、梯度开关诱发产生涡流、流动、场不均匀,以及奇偶回波的编码梯度不准确,都会导致傅里叶转换后的空间定位错误。最后使奇偶数回波相位编码错误,表现为沿相位编码梯度存在的双影,又称N/2鬼影。保证梯度的稳定性是避免N/2鬼影所必须的,也可用相位校正法来尽量去除。

3.磁敏感性伪影:

EPI对磁敏感性与磁场不均匀性非常敏感。敏感性伪影出现在相位编码方向,多出现在颅底近副鼻窦处、接近含气肠管处、眶前部等磁感应性非常不同的组织间。磁敏感性伪影可通过匀场、薄层扫描、短TE等来进一步减少。

4.化学位移伪影:

由于编码频带较窄,因而有明显的化学位移伪影。如腹壁脂肪重叠于肝,可遮掩病变。

六、弥散成像的缺陷及不足

1.DWI图像分辨率较低,矩阵多为128×128,肿瘤组织与周围组织的对比均不如增强后的T1WI,在分析DWI图像时应结合常规MRI。

2.血液灌注对ADC值的影响不能忽视,根据CT及MRI动态增强表现,将实性肿块分为富血供与乏血供两类。发现在用小b值差( 30s/mm2、300s/mm2) 检测病灶ADC值时,富血供病变ADC值高于乏血供病变;用大b值差(30s/mm2、1100s/mm2)则无此表现。由此可见,DWI 及ADC值不仅反映组织的水分子弥散运动,而且还可能从某种程度上反映其血供情况,同时也提示血液灌注可能对低b值DWI影响较大,分析小b值弥散时要考虑这个因素。

3.小病灶漏诊或ADC值不准 为了计算出ADC值或拟合出ADC图像,必须使用至少两种不同b值采样成像。二次成像时,若位置匹配不良或EPI产生严重的化学位移,将影响小病灶的ADC值准确测定或造成小病灶漏诊。

4.严重图像扭曲变形 EPI对磁场不均匀极为敏感,在组织和含气的界面易产生严重图形扭曲变形,甚至导致无法获取理想的ADC图像。

5.EPI固有的特点使图像产生各种各样的伪影工作。

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