扩散加权成像DWI常见问答
背景：
早在上世纪80年代，Denis Le Bihan就曾尝试使用DWI来鉴别肝脏肿瘤和血管瘤。由于当时的场强（0.5T）受限，很长的序列扫描时间对于肝脏运动非常敏感，最后的结果差强人意。DWI序列真正广泛应用于临床是在上世纪90年代EPI采集技术出现以后，全身各部位DWI的应用正在成为常规成像的标准应用。DWI不同于T1W，T2W等普通成像方法，它是一种评价人体分子功能和微结构的方法。DWI信号对比可以通过表观弥散系数图（ADC）量化，并作为治疗反应的评价工具和评估疾病进展。由于DWI的使用越来越频繁，人们对DWI及其计算的表观扩散系数的背景、应用、解释等问题提出了很多疑问，下面将就最常遇到的一些问题做出回答：
什么是扩散？
扩散是指水分子和其他小分子由于热运动而产生的随机的微观运动，也被称为布朗运动，以苏格兰植物学家罗伯特·布朗命名，他于1827年在显微镜下首次观察到花粉粒子的自发振动分子扩散是分子的随机运动，在我们的例子中是水(H2O)在组织内由能量推动。扩散应区别于由流体介质本身的颗粒重力作用所产生的扩散，例如一滴墨水滴进一杯水里，一开始的墨汁扩散过程由于受到重力，热力和机械引起的对流影响，不能算是弥散，只有当这些对流影响消失后的自由运动才算是弥散。
1905年爱因斯坦从数学角度解释了布朗运动，即著名的Stokes-Einstein方程，D=KT/6πrη，扩散系数(D)与绝对温度(T)和玻尔兹曼常数(k)成正比，与颗粒半径(r)和介质粘度(η)成反比，水分子以大约3:1的比例分布在细胞内和细胞外间室(确切的比例取决于感兴趣的器官)。这两个池之间的平衡是由能量依赖的钠-钾离子泵维持的。当这些泵失效时(如中毒性或缺氧缺血性损伤时)，细胞肿胀和/或破裂可能伴随着水组分和扩散率的剧烈变化。需要说明的是细胞内和细胞外(间质)运动对总扩散的贡献仍在研究中。
MR如何获得组织扩散对比?
在以自旋回波构成的EPI序列周期内，在180°脉冲附近应用两个强梯度脉冲。第一个脉冲使运动和静态自旋组织失相位，第二个脉冲只对静态自旋组织复相位，这样就会使扩散的自旋组织不能顺利复相位，导致快速扩散组织的信号衰减比缓慢扩散组织的信号衰减更强（见下图）。在b值较高时，游离水的信号衰减最强。
什么是b值？
b值确定MR检查对扩散的敏感程度，同时也决定扩散梯度的强度和持续时间。它将下列物理因素组合成一个b值，测量单位为s/mm²。b = γ2G2δ2(Δ–δ/3)，扩散加权信号与非扩散加权信号的信号比公式为:S/S0=e-γ2G2δ2(Δ-δ/3)D = e-bD。其中：S0是指没有扩散权重的信号强度；S 是扩散信号强度；γ磁旋比；G扩散梯度脉冲的振幅；δ扩散脉冲持续时间；Δ 两次扩散梯度之间的时间，D扩散系数是指测得组织扩散的强度（速度）。扩散强度越大，D值越大，例如人体内组织ADC的测量。当b值正好取D的倒数，则使指数函数的指数为“-1”，根据上述公式计算，这意味着信号S降低到初始值S0的大约37%。（图1是EPI扩散加权序列的序列图，说明了b值的物理定义。）
最佳b值是多少？
当b值为0时，得到类似于EPI采集的t2加权解剖参考像，b值应在一定程度上使健康背景组织的信号比病变组织衰减得更弱。在临床相关的b值范围内(最高约1000)，则b值越大，扩散加权越强，病变区域的组织对比越高，下面显示的是三个b值的例子:b 0, b 500和b 1000 s/mm2。
合适的b值近似于正常背景组织ADC倒数的80%，需要注意的是高b值虽然可以让病变更突出的显示，但是由于回波时间TE的延长和磁化率伪影的增加也会导致图像信噪比的下降，虽然可以通过增加平均次数来弥补信噪比的下降，但这将导致更长的扫描时间。改变b值的同时会影响其他参数，如最小TE，层厚，FOV以及 矩阵。此外，在复杂的数学公式推导下，组织的各向异性，如脑白质，也影响最佳B值的选择。
为什么每个高b值至少要测量三个方向?
以脑白质为例，由于各向异性，扩散在三个方向都是不同的，纵向白质纤维的自由路径比垂直于纵向纤维的自由路径长，因此ADC图像在不同的方向是不同的，这些信息是通过在所有三个方向中应用扩散梯度来收集的。例如，在纤维连接的位置（前联合），由于周围有髓鞘层，垂直于纤维的扩散受到严重限制，相比之下，沿着纤维的扩散很少或没有限制。各向异性对扩散的测量结果有着很大的影响，为了测量不受各向异性影响的扩散强度，就需要测量并平均不同方向的扩散图像。
计算ADC时两/三个b值有什么区别?
虽然两个b值足以计算ADC图像，但选择三个b值(b0、b500、b1000)可以提供更精确的ADC值计算。b1000图像较低的信噪比将引入较高的ADC标准差，如果有b500的中值部分就可以对此补偿。下面是两个ADC图像的例子，第一个是用三个b值获得的，第二个是用两个b值获得的。可以看到3个b值计算的ADC图相比2个b值而言在右侧颞叶及左侧脑干旁信号均有细微差异，实际临床应用考虑到扫描时间和目前图像信噪比的提升都使用2个b值计算ADC图，因为这种差异过于微小。
什么是TRACE图？
“TRACE图”显示的是所有方向测量的几何平均，从而产生“”轨迹“”加权图像。它在一定程度上抑制了各向异性信息，重点关注信号衰减的差异。和ADC图一样，轨迹加权图像显示的是扩散的强度，而不是扩散的方向。例如使用“3D Diagonal”扩散模式最后出来的是一个方向（对角线方向）的扩散图（DFC），两者最主要的区别为是否采用多个方向的扩散加权平均。下图显示西门子扩散模式的选择。
为什么需要ADC图像，ADC中的“A”代表什么?
扩散加权图像除了扩散对比之外，也有额外的T2权重对比，在某些长T2值区域，会导致扩散对比减小(T2Shine-Through)，这种效应可以通过计算纯扩散系数来消除。由于人体内水分子扩散情况复杂，扩散系数D也受到温度等多种因素影响，为了简化及可操作性，临床一般不测量纯扩散系数(D或DC)，以表观弥散系数ADC来代替，A代表表观（Apparent），在活体组织中，扩散过程是由毛细血管扩散和总运动叠加而成的，对MR弥散测量也非常敏感。
ADC是如何计算的?
通过测量一组至少2个不同的b值图像(如b0和b1000s/mm²)，系统通过线性回归逐像素计算ADC。ADC像素值一起构成ADC图。在半对数尺度上，信号衰减形成一个直线倾斜的线，其斜率值即ADC。信号衰减越快，斜率越陡，ADC值越高。下面的扩散图像(b1000)显示扩散减弱为高信号(亮像素);相比之下，ADC图上其显示为低信号(较暗的像素)。
指数ADC图的计算带来了什么好处?
指数ADC图是通过将最大b值扩散加权图像除以b0图像来计算的。在数学上，指数映射显示ADC的负指数;它是一个合成的扩散加权图像，去除了T2 ' shine- through '效应，图像对比类似于高b值图像。西门子弥散参数卡默认指数ADC图不勾选，如果想勾选可以参考下图。
如何测算ADC值？单位是什么？
在ADC图像上使用ROI工具测量，并记录ROI的平均值。西门子从B13版本以后，比如850的值被解释为0.85x10-3 mm²/s。目前在DWI中ADC应用的单位尚无共识，实际文献中有很多单位，例如西门子B13版本以后的设备测得的平均值为1000，当单位是μm²/ms 时，结果就乘以10-3；当单位是mm²/s，结果就乘以10-6；当单位是cm²/s ，结果就乘以10-8；当单位是m²/s ，结果就乘以10-12。
为什么大多数身体和肝脏DWI协议以b值50 s/mm²开始?
选择大于零的低b值可以抑制大血管（血管在b=0的图像上显示为高信号），这样可以使病变更加明显。当以更高的b值(如100或200)开始计算ADC时，因为忽略了血流和微血管效应的贡献，得到的值也会更精确。低b值图像更常作为解剖参考。西门子在syngo MR D11A及以上版本，您可以为在扩散参数卡选择b值的起始值来计算ADC（见上图黄色方框）。