1.简介及成像原理

磁共振成像主要是对人身体中不同组织中水的氢原子在磁场中的变化进行记录，并以一定的数学变换转化成肉眼可见的图像形式。

Hahn于1956 年首次提出水分子弥散时对磁共振信号的影响。

DWI的全称为Diffusion Weighted Imaging，中文为扩散加权成像，也可以称弥散成像。与传统的MRI技术不同，它主要依赖于水分子的运动而非组织的自旋质子密度、T1值或T2值，，为组织成像对比提供了一种新的技术。它利用对扩散运动敏感的脉冲序列检测组织的水分子扩散运动状态，并用MR图像的方式表示出来。

扩散运动是分子无规律的布朗运动（brown motion），又称分子热运动，其运动方向是随机的，产生一个以运动轨迹为密度的“密度空间”。这个“密度空间”的范围在各个方向会逐渐扩大，在一定方向上，其增大的距离（扩散距离）与相应扩散的时间的算术平方根之比是一个常数，这个常数即为扩散系数D。D是衡量弥散大小的数值，可以理解为一个水分子单位时间内自由随机弥散运动的平均范围，单位是mm2/s， D值越大，水分子弥散运动越强。在均质介质中水分子的运动是无序随机运动，任何方向上的D值都相等，这种扩散方式称为各项同性扩散（isotropy diffusion）——理想情况；在非均质介质中，各方向的D值不同，具有方向依赖性，这种扩散方式称为各项异性扩散（anisotropic diffusion）——人体组织。

在扫描时自旋回波序列180°脉冲前后各施加一个弥散敏感梯度磁场，施加梯度磁场时水分子的随机运动可获得随机位移，导致重聚失相位，自旋回波信号衰减，以检测水分子的弥散情况。

2.成像技术

常规MRI序列中水分子扩散运动对信号的影响非常小。DWI是在MRI序列是基础上，在x、y、z轴三个互相垂直的方向上施加扩散敏感梯度，从而获得反应体内水分子扩散运动状况的MR图像。计算公式为：A=exp（-bD），

其中，A—扩散引起的磁共振信号衰减；D—扩散系数（diffusion coefficient），反应扩散运动的快慢，单位：mm^2/s；b—扩散因子，单位：s/mm^2，低b值（小于1000s/mm^2）对快速扩散运动敏感，b值与施加的扩散敏感梯度场强、持续时间和间隔、幅度、形状有关。

通过两个以上不同弥散敏感梯度值（b值）的弥散加权像，可以计算出弥散敏感梯度方向上水分子的表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC），实际上DWI所观察到的扩散效应除了反应水分子自身扩散运动之外，还与使用的b值、呼吸、脉搏等运动的影响有关，因此在DWI中通常以ADC描述组织中水分子扩散的快慢，而不直接采用扩散系数D（因为在我们通常使用的序列里面扩散时间做不到足够短，分子扩散总要受到阻碍，所以”apparent“，而不是”intrinsic“）。ADC的计算公式为：ADC=（lnS1/lnS2）/（b2-b1），

其中，S1、S2分别代表两个扩散加权的信号强度；b1、b2为两个不同的扩散因子。通常b1值为0，b2值为1000s/mm^2，b值为0时相当于T2WI。具有较大b值的序列是较强的扩散加权，因而引起较大的信号衰减，也就是说，b值越大，图像越敏感，但图像质量越差，信噪比降低。

将每一像素的表观扩散系数值进行自然对数运算后即可得到DWI图，因此同一像素在表观扩散系数图和DWI图中信号强度通常相反，即扩散运动快的像素，其ADC值高，在DWI上呈低信号，反之亦然。但是DWI的信号强度除反映ADC值的大小外，还受组织的T2弛豫时间和质子密度影响，这种现象称透过效应。

3.DTI（diffusion tensor imaging）基本原理

在梯度场强下水分子的弥散存在会导致磁矩改变，而细胞外水分子运动对信号的改变起主导作用。在这一基础上，DTI利用弥散张量场中的各向异性扩散的方向信息来追踪神经通路的走行，从而得到脑白质中神经纤维和功能束的走行方向和立体形态。由于髓鞘阻挡，水分子在沿着纤维方向上弥散容易，在垂直纤维方向上弥散困难。

张量是数学和物理学中很重要的一个概念，可以用一个二维矩阵表示

二阶张量具有对称性，Dxy=Dyx；Dxz=Dzx；Dyz=Dzy，因此理论上至少在6各不同非共线方向上施加敏感梯度，另外再采集一副具有同样参数而未施加敏感梯度的图像，从弥散加权像和非弥散加权像的信号强度衰减差异中可以得到6副表观扩散系数ADC图，得到 一个六元一次方程组，最后利用这些图求得每个体素的有效弥散张量D。但由于噪声的存在，在实际成像中会进行多个不同方向成像，方向越多，三维空间分布就越均匀，采得数据就越准确。

目前DTI研究主要分两类：1）定量研究—常用的指标包括描述各项同性的平均扩散率（MD）、描述各项异性程度的部分各向异性（FA）、相对各项异性（RA）等。2）纤维束追踪技术（tractography）—常用于显示脑白质中神经纤维和功能束的走行方向和立体形态。

DTI平均扩散率（MD）通常指的就是平均扩散系数（average diffusion coefficient，ADC），它反映了水分子单位时间内扩散运动的范围，单位是mm^2/s，值越大，水分子扩散能力越强。

FA（fractional anisotropy），部分各向异性指数，指弥散的各项异性部分与弥散张量总值的比值，取值在0~1之间，0代表最大各项同性的弥散数，1代表假想下最大各项异性的弥散。FA脑白质大于脑灰质。

RA（relative anisotropy），相对各项异性，指各项异性和各项同性成分的比例，其意义与FA相似，越接近1说明水分子的各项异性程度较高。

通常将DTI x、y、z轴方向的主要本征向量分别配以红、绿、蓝三种颜色，处理后的图像如标题图所示。

（以上内容部分来自本科学习教材，标题图来源网络，侵 删）