弥散加权成像DWI——从原理到临床

23 1月

前言

磁共振成像(MRI)是神经科疾病最重要的检查手段之一,对神经科疾病的临床诊疗有着深远而持续的影响。MRI序列繁多,每个序列都能侧重反映组织间某种特性的差别(所谓的侧重即是MRI中经常说的“加权”的意思,比如最常用的T1加权成像(T1WI)侧重反映组织间的T1弛豫时间对比,T2加权成像(T2WI)侧重反映组织间的T2弛豫时间对比)。弥散加权成像(diffusion weighted image,DWI)则是侧重反映组织间水分子弥散情况的对比,是目前颅脑MR成像最常用的序列之一,也可以说是神经科医生“最喜欢”的序列之一,其成像速度快,对很多疾病的诊断都能起到非常重要的作用。本文将以神经系统疾病为例,简单阐述DWI形成的原理、阅片注意事项以及常见的临床应用,希望对各位读者特别是临床医生和MR初学者有所助益。

一、什么是弥散?什么是弥散受限?

弥散(diffusion)是一种物理现象,指的是分子(MRI中主要指水分子)随机杂乱无章的运动。正常脑脊液中的水分子状态接近自由水,可以自由运动而无所限制,无弥散受限(图1)。一些特殊的病理生理过程会影响水分子这种自由运动(比如细胞毒性水肿),则称之为弥散受限(图2)。一种组织是否有弥散受限可以通过DWI序列检测出来,会在DWI和ADC图中有相应的信号改变(灰白对比度改变)。弥散受限在DWI表现为高信号,在ADC图中表现为低信号。在熟知一些疾病的病理生理过程和弥散受限常见的成因的前提下,DWI和ADC图的信号改变就能帮助我们做出某些疾病的倾向性诊断。

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图1:圆形代表水分子,箭头方向和长度表示运动方向和速度大小,自由水中,水分子运动杂乱无章。

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图2:弥散受限。某些原因(图中杂乱的线条表示)导致了水分子运动方向和速度的限制(箭头长度小于图1,表示速度减低)。这种弥散受限可以通过DWI探测出来。

二、DWI序列是如何成像的,DWIADC图各有什么意义?

        首先,要明确一点的是,DWI序列并不是单纯的反映水分子弥散信息的序列,因为序列的特殊性,他始终都有不同程度的T2权重,为什么这么说呢?这与其成像技术有关。我们一般用单次激发EPI技术(简单可以理解成一种快速成像的技术)来进行弥散成像,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应用较多。该序列本身的特性(包括180度反转脉冲,K空间填充模式等)决定了扫描出来的图像上有一定的T2权重。而DWI的扫描方法是在这种序列上加入一种叫做“扩散敏感梯度”的脉冲,这种脉冲的意义就是能够显示出不同组织因为水分子弥散速度不同而导致的信号差异。因此这样扫描得到的图像就同时包含了组织间的T2弛豫对比信息和水分子弥散的对比信息。一个DWI序列快的半分钟左右就能扫完,一般情况下我们选择两个b值(b=0,b=1000,这是扫描参数,可以自己设定,后面会讲是什么意思)进行扫描,就能得到两组图像,分别是b0图像和b1000图像(b1000图像就是我们平时说的DW图像,当然b值不一定非要是1000,也可以是500、800等,这个值在不同部位成像中可以人工调节,颅脑成像一般用b1000),然后经过计算重建得到一组ADC图,因此DWI扫描后,我们可以获得三组图像:b0图、b1000图、ADC图(图3A—C)。

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图3:A为b0图,B为B1000图,C为ADC图,D为eADC图。

那么b是什么意思呢?前面我们说了DWI成像要在T2WI序列基础上加入一种叫做“运动敏感梯度”的脉冲,这个脉冲的强弱程度能决定水分子弥散差异造成的对比对图像的影响大小(也就是加权)。而b值大小就代表这种“运动敏感梯度”的程度。b值越大,“运动敏感梯度”的强度越大,水分子弥散的情况对图像的影响就越大,虽然b值越大,图像中弥散的对比信息会越多,但是高b值会降低图像的信噪比,所以b值不是越高越好。b值越小,图像中反映水分子弥散的信息对比就越少,因此b值又要适当的高。每个部位b值选择不一样,颅脑一般选择1000左右。当b=0时,等于没有施加“运动敏感梯度”,出来的图像(b0图像)其实就是一个用EPI序列扫出来的T2WI(或T2*WI),组织间水分子弥散的不同不会对信号有影响,所以我们可以把b0图像当成低配版的T2WI来看(SE序列扫出来的是T2WI,而GRE序列扫出来的则是T2*WI,为了描述方便,下文中都用T2WI代表)。如果一个病变在b0图上是高信号的,那么可以认为病变在常规T2WI上也是高信号。而b=1000时,出来的图像(b1000图像)中除了包含组织的T2弛豫信息之外,还包含了很大程度的水分子弥散的信息(水分子弥散受限越明显,体现在b1000上信号越高),也就是说组织的T2弛豫对比和弥散情况对比会同时影响b1000的整体信号。因此假如b1000图像上一个病灶显示为高信号,我们不能直接说该病灶弥散受限(表现为高信号),因为高信号有可能是因为该组织的T2WI高信号而不是真正的弥散受限导致的(这称为“穿透效应”,后面会详述,图4)。相同的道理,b1000信号低也不能说病灶弥散不受限,因为有可能是因为病灶的T2WI信号很低,抵消了弥散受限产生的高信号(这称为“暗化效应”,比穿透效应少见很多,后面会详述,图5)。

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图4:T2穿透效应。海洛因成瘾患者,A为常规T2WI,B为DWI(b1000),C为ADC图。双侧小脑半球白质对称性的T2WI高信号,DWI(b1000)也呈高信号,但ADC图为高信号,提示并没有弥散受限,因此DWI(b1000)的高信号不是由于真正的弥散受限引起的,而是因为病灶本身T2信号增高所致,这就是T2穿透效应。

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图5:暗化效应。A为CT平扫,B为b0图,C为b1000图,D为ADC图。左侧大脑半球大片状脑实质出血,CT平扫为高密度,ADC图为低信号,提示弥散受限,但b1000并不表现为高信号,反而为低信号,原因就在于病灶在T2WI为及低信号(b0当做低配版T2WI看,该图其实为GRE成像的T2*WI),影响了b1000图的信号,此为暗化效应。

那怎样才能确定b1000图像的信号高低是不是代表真的弥散受限/不受限呢?简单粗暴的理解,b0图代表T2WI,b1000图代表T2WI+组织的弥散信息,那么用b1000图像减去b0图像,得出来的图像不就只代表组织的弥散信息了吗?事实就是这样,通过b1000与b0两个图,能够计算出各个组织的ADC值,并得出另一组图:ADC图。ADC的意思是“表观弥散系数”,代表水分子的弥散程度,ADC图则是ADC值大小的直接反映,值越大,图上的信号越高。因此,ADC值越高(ADC图上为高信号),弥散越自由(比如正常脑脊液);ADC值越低(ADC图上为低信号),弥散越不自由(也就是弥散受限)。到这里我们就发现了,如果一个病灶弥散受限,ADC值应该比较小,ADC图上就表现为低信号,可是在DWI(也就是b1000图)上却表现为高信号,与ADC图正好相反。其实为了和DWI一致,还可以做出来个指数ADC图(eADC图)(图3D),弥散受限在eADC图上与DWI一样,表现为高信号。

 

通过前面的叙述,我们知道,b1000图同时受到T2WI和弥散双重因素的影响,因此,无法准确判断DWI(b1000图)的信号高低到底是不是真的弥散受限导致/不受限导致的,因此需要ADC图来确定。那既然都需要ADC图来确定,我每次就扫一个ADC图不就行了?低的就是受限,高的就是不受限,何必多此一举,弄出个b0图和b1000图来。答案是不行!因为ADC图不能直接获得,需要通过b0和b1000两个图计算得来(计算过程比较复杂,不是简单相减),所以b0图、b1000图是ADC图它爸妈,非有不可。最后一点,既然ADC准,那我出来了就不看b1000图了,直接看ADC图不行吗?这样也不好,为什么?ADC图上,病灶弥散受限是表现为低信号的,而我们在灰度图上去找一片黑色(有时不是那么黑,就是稍微黑一点,偏灰色,根据弥散受限程度决定)的区域显然没有我们直接在DWI(b1000图)上找白色的区域更容易(人眼黑中找白比白中找黑更敏感),所以我们一般先看b1000,找到异常信号,再去对应的部位看ADC图的信号高低。

 

总结起来就是:DWI序列扫出来,包含b0图(直接出图)、b1000图(直接出图)和ADC图(需要b0和b1000计算而来),b0当做低配版T2WI看,b1000图和ADC图结合看,判断是否弥散受限。那具体怎么看呢?

三、如何通过b0图、b1000图、ADC图判别病灶是否有弥散受限?

1、先说最简单的b0,如前所述,当做低配版T2WI看,其实和弥散没关系,我们注意识别就行了,不要把b0错当成了b1000。

2、再说b1000和ADC图,有以下几种情况:

A、b1000高信号,ADC图低信号,提示弥散受限(图6、7)。

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图6:弥散受限。左侧基底节区急性梗死病例,红色箭头所指为病灶。A图为b0图,B图为b1000图,C图为ADC图。病灶在b1000呈高信号,与ADC图低信号符合,表示急性梗死灶的弥散受限。

B、b1000高信号,ADC图高信号(提示弥散不受限)。因为ADC值最准,ADC图高信号表示ADC值高,提示弥散不受限,按道理b1000图应该是低信号,但是为什么b1000是高信号呢,因为b1000图中还包含了组织的T2WI信号,此时的高信号是因为组织的T2WI信号高,而不是组织弥散受限,这种情况称为“穿透效应”。因此,看到b1000图是高信号,切不可简单认为该处弥散受限,因为有可能是T2“穿透效应”引起的,而且病灶的T2WI信号越高,引起T2“穿透效应”的可能性越大(图4)。

C、b1000低信号,ADC图高信号,提示弥散不受限(图6)。

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图7:弥散受限与弥散不受限。A为b0图,B为b1000图,C为ADC图。左侧大脑半球红色圆圈内为陈旧梗死形成的软化灶,在b1000图为低信号,ADC图为高信号,因软化灶内水分接近自由水运动,因此弥散不受限。同时该病例中右侧大脑半球红色箭头所示两处斑片状异常信号为新发梗死灶,在b1000图为高信号,对应部位在ADC图为低信号,表现为弥散受限。

D、b1000低信号,ADC图低信号,提示弥散受限。因为ADC值最准,ADC图低信号表示ADC值低,提示弥散受限,按道理b1000图应该是高信号,但是为什么b1000图是低信号呢,因为b1000图中还包含了组织的T2WI信号,此时的低信号是因为组织的T2WI信号低,这种情况称为“暗化效应”这种情况比“穿透效应”少见很多,如果病灶的T2WI不是很低,一般不会出现(图5)。

总结起来就是:ADC图低信号,提示弥散受限,如果此时b1000图是高信号,符合,如果b1000图是低信号,提示暗化效应(这个时候去看b0图或者T2WI图,病灶应该是低信号,而且很低)。ADC图高信号,提示不受限,如果此时b1000图是低信号,符合,如果b1000图是高信号,提示穿透效应(这个时候去看b0图或者T2WI图,病灶应该是高信号,而且高的程度会比较明显,这也是临床中最需要注意的,不要以为b1000高就是弥散受限,还有可能是因为穿透效应)。

表1:DWI各图信号高低意义

b0 b1000 ADC 代表意义
高/低 弥散受限
高/低 弥散不受限
弥散不受限(T2穿透效应)
弥散受限(暗化效应)

四、我们以什么标准来确定信号高低和是否有弥散受限?

相信很多临床医生和影像初学者经常会有这样的疑问,弥散受限是高信号,那多高算高,多高才算弥散受限?这就涉及到一个参考系到问题,。典型的例子比如颅内表皮样囊肿,所有人都知道表皮样囊肿弥散受限,可是我们经常看到DWI上表皮样囊肿内部的信号和大脑实质相仿或稍高,那代表弥散不受限吗?当然不是,表皮样囊肿是囊性病变,参考系不应该是脑实质,应该是脑脊液,相对于脑脊液来说,信号明显增高,提示弥散受限。因此如果描述中又可能产生歧义的时候,应该注明参考组织。其次,因为所有的MR描述上,信号都是相对的,并不存在一个明确的界限区分弥散受限与否,按道理说,除了纯自由水,所有的组织都有不同程度的弥散受限,因此参照系的存在更为重要。一般来说,如果是囊性病变(比如囊肿,或者肿瘤的坏死区、脓肿的脓腔),以脑脊液信号为参照对象比较合适,如果是实性病变(比如肿瘤的实性部分),一般以正常大脑皮层信号为参照对象。

五、颅内病变弥散受限分几种情况,都分别有哪些疾病?

一般来说,弥散受限,分以下四种情况:

1、细胞毒性水肿:细胞毒性水肿是颅内病变弥散受限最常见的原因之一,典型代表为早期的脑梗死(图6、7、8)。正常情况下,水分子同时分布在细胞内和细胞外间隙。细胞毒性水肿出现时,细胞外间隙的水分子会进入细胞内部,细胞内因为各种结构的存在,水分子的运动相对细胞外会受到限制,其次,因为细胞外间隙水分子进入细胞内,细胞肿胀变形,压缩了细胞外间隙的空间,也会造成细胞外水分子的运动受到限制,最后,部分细胞破裂会导致细胞膜、细胞器等物质的裂解,也限制了细胞外间隙水分子的运动,这三种因素会引起该组织的弥散受限,在DWI表现为高信号,ADC图上信号减低。而对于超急性期脑梗死而言,梗死区域只是水分子分布的一个重构(细胞外到细胞内),该区域的水分子数量并未增加(水从血管里来,这时候血管通透性还好,没有明显的血管源性水肿),因此在常规T2WI或者b0图像上没有出现明显的高信号。出了脑梗死之外,各种原因引起的组织缺氧也可以因此弥散受限,比如多形性胶质母细胞瘤的弥散受限,因为肿瘤的恶性程度高,肿瘤细胞复制过于活跃,血供无法跟上,会出现肿瘤细胞的缺氧,出现肿瘤细胞的细胞毒性水肿,导致弥散受限。

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图8:27岁女性,脸部自体脂肪填充后栓塞。A为b0图,B为b1000图,C为ADC图。栓塞导致的额顶叶急性梗死灶在b1000为高信号,ADC为低信号,代表细胞毒性水肿引起的弥散受限。

2、液体粘稠。液体粘稠是囊性病变或少部分肿瘤性病变囊腔弥散受限的主要原因。以脑脓肿的脓腔(图9)、表皮样囊肿(图10)等为典型代表。囊腔内液体混杂着细胞碎片、细菌、炎性细胞和粘膜蛋白等物质,造成水分子弥散运动受限,引起DWI高信号和ADC图信号减低。需要注意的是,虽然书本和文献上写着肿瘤的坏死弥散不受限,这是与脓肿鉴别的要点,但是在临床工作中,极少数的肿瘤合并出血,血液的降解产物会导致肿瘤坏死腔粘稠,引起水分子弥散受限,呈现出DWI高信号和ADC图低信号。

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图9:2岁女孩,右侧颞叶脑脓肿。A为b1000图,B为ADC图,C为b0图,D为T1WI增强。环形强化内部无强化区为脓腔,腔内液体混有细胞碎片、细菌、炎性细胞等,导致弥散受限,b1000图为高信号,ADC图为低信号。

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图10:左侧环池表皮样囊肿。A为b0图,B为b1000图,C为ADC图。病灶在b1000上信号稍高于皮层,但明显高于脑脊液,ADC病灶无明显强化(未给图),提示为囊性病变,应该与脑脊液对比,ADC图上信号远低于脑脊液,提示弥散受限。

3、肿瘤细胞致密。这也是一大类肿瘤弥散受限的原因,典型代表是淋巴瘤(图11)、髓母细胞瘤等小圆细胞类肿瘤。这类肿瘤细胞排列紧密,细胞外间隙的水分子运动空间受限,而细胞核又比较大,细胞内水分子的运动也不自由,因此整体上肿瘤组织DWI呈高信号,ADC呈低信号。

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图11:淋巴瘤。A到F依次为CT平扫、MR T2WI、T1WI增强、DWI b0、DWI b1000、CBF图。右侧丘脑病灶在b1000图中信号明显高于皮层,提示弥散受限,这是因为肿瘤细胞致密所致。本例未给出ADC图(在实际临床工作中,一般不会每个病例都去看ADC图,此病例T2WI信号虽然稍高与皮层,但并不十分高,产生T2穿透效应的可能性较小,当然,确定还需ADC图)。

4、中毒代谢脱髓鞘。很多中毒、代谢、脱髓鞘过程也可以引起弥散受限,部分病灶在DWI上的高信号可逆,并不一定会导致细胞死亡。低血糖、渗透性脱髓鞘、一些中毒性疾病都有共同的病理生理过程介导,主要是通过释放一些氨基酸神经递质,比如谷氨酸。这些神经递质与邻近神经元和神经胶质细胞细胞膜上的受体结合,使得Na+、Ca 进入细胞内,引起细胞肿胀,启动细胞凋亡机制,从而释放更多的神经递质,造成恶性循环。随着细胞损坏,液体慢慢的积聚在髓鞘内,造成髓鞘内水肿。因为髓鞘走行有一定的方向,因此其内的水分也就无法在各个方面内自由扩散,ADC值减低,DWI信号增高。

 

DWI虽然重要,但是MR有很多序列,利用单一序列进行疾病诊断不可取,需要综合考量各个序列的信号特点。有时候分析不同序列上的信号时会产生冲突,因为MR获得图像的过程受很多因素影响,同时一个信号的产生也受很多因素的影响,部分疾病我们仍然无法解释MR上为什么会产生这种信号,所以需要综合观察各个序列的信号特点,找到最符合这种信号特点的病理生理过程,再去想到能够产生此种病理生理的情况都有哪些疾病。还需要注意的是,患者就医是一个点,疾病发展则是一个过程,我们得到的图像反映的是检查时间点的病理生理过程,对一些变化快速的疾病,就不能死记其典型表现,很多疾病没有所谓的“典型”表现,有的只是不同疾病阶段的表现(不通患者发展的过程快慢也有差别,耐受也有差别,因此就诊点也有差别)。比如静脉系统血栓形成早期,MR可能只表现为脑沟的变浅而无信号的改变,后期可以大量出血,虽然都是静脉窦血栓形成,但不同疾病阶段表现差异巨大,所以我们不但要熟知患者最可能来就诊时病理生理特点,还要熟知不同发展阶段的病理生理改变,碰到MR图像上的信号改变才会做到心中有数。

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