山東省青島市海慈醫(yī)療集團（266033）劉勇山 梁文娟

貴州省銅仁市第二人民醫(yī)院（554300）史天亮

彌散加權(quán)成像（diffusion-weighted imaging，DWI）與表觀彌散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）是20世紀90年代發(fā)展起來的MRI新技術(shù)，是目前唯一能夠檢測活體組織內(nèi)水分子擴散運動的無創(chuàng)性方法，可通過分析細胞內(nèi)外水分子的跨膜運動功能狀態(tài)的改變來診斷和鑒別疾病，已被廣泛用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)和腹部實質(zhì)性器官病變的診斷和鑒別診斷，近幾年來其作為一種功能性成像技術(shù)在診斷骨骼病變方面，顯示出良好的應(yīng)用前景[1]。

1 DWI和ADC的基本原理

DWI 技術(shù)是目前唯一可在活體上檢測組織中水分子布朗運動的成像技術(shù)，通過分析信號強度及對組織彌散系數(shù)的測量等，獲得生物組織微動態(tài)和微結(jié)構(gòu)變化的信息[2]。

目前常規(guī)采用的成像技術(shù)是在SE序列中180°脈沖相位重聚脈沖的兩側(cè)各施加一個強度和持續(xù)時間完全相同的擴散敏感梯度場，在這樣一對梯度場強的作用下，靜態(tài)組織因質(zhì)子運動小，于復(fù)相脈沖施加時其自選相位基本完全重聚，信號丟失少，圖像信號高；而對于彌散速度快的質(zhì)子在第二個復(fù)相脈沖施加期間已運動出檢測平面，無法完全重聚，從而引起失相位，MR信號衰減，圖像呈低信號。因此DWI提供的圖像對比所表達的為機體各種組織內(nèi)水分子的彌散相對速度。在生物體中DWI信號衰減的主因是細胞外水分子運動和灌注，同時生物體內(nèi)各種因素的影響如血流、病人的運動以及脈沖和梯度的不穩(wěn)定，都可以影響所測得的彌散系數(shù)。在彌散加權(quán)中，信號衰減程度可用公式表示為：SD=exp-bD，其中D為擴散系數(shù)，反映水分子擴散運動的能力，D值越大，水分子擴散能力越強，信號衰減越多。b為擴散梯度因子，b值信號越高，DWI對水分子的運動越敏感，對病灶的顯示也越清楚，但圖像的信噪比顯著下降。臨床上根據(jù)設(shè)備條件、所選用的序列以及臨床目的不同，可適當調(diào)整b值。有學者研究b值分別為200、400、600、500、1000s/mm2時，良、惡性腫瘤的ADC值之間比較無顯著性差異，但隨著b值的增加ADC值降低（當b=400s/mm2）可獲得清晰的圖像，測得的ADC值穩(wěn)定，并且隨著b值的增加圖像的信噪比逐漸減低，圖像質(zhì)量略差，偽影增多，測得的ADC值不穩(wěn)定。這說明骨腫瘤的DWI研究b值在400s/mm2左右時獲得的圖像較好，而且ADC值的測定比較準確。

ADC圖是DWI的另一種表現(xiàn)形式，是通過計算機處理后的一種圖像，其直接反映組織內(nèi)水分子擴散的速度，數(shù)值越大，表示水分子的擴散活動越強。ADC圖信號強度與ADC值正相關(guān)，如果組織擴散速度慢，ADC值低，圖像信號強度低，成黑色，反之亦然。ADC值可根據(jù)等式ADC＝Ln（S2/S1）/（b1～b2）計算得出，由其而得出的參數(shù)圖成為ADC圖。式中的b值為彌散敏感系數(shù)，是外加梯度磁場的參數(shù)，反映彌散梯度場強和持續(xù)時間，決定擴散權(quán)重的量。ADC值在小b值的情況下，受局部組織微循環(huán)灌注影響大，所測得的ADC值穩(wěn)定性差，不能有效反映水分子的彌散運動。相反用大b值所測得的ADC值，受血流灌注影響小，能較好的反映水分子的彌散運動。通常b值選0，100，500，1000等。b值越高彌散速度快慢差異顯示越好。測得ADC值后，還可以對良、惡性病變進行量化鑒別。

2 DWI和ADC在骨骼病變中的應(yīng)用

2.1 腫瘤性病變 DWI在發(fā)現(xiàn)原發(fā)和轉(zhuǎn)移性病變方面有著非常重要的臨床價值，同時也是發(fā)現(xiàn)骨髓受累的有效方法[3]，特別是對于骨轉(zhuǎn)移瘤的早期發(fā)現(xiàn)尤為重要，可以在骨骼代謝狀態(tài)發(fā)生改變之前檢出病灶。大多數(shù)惡性腫瘤的病理特點是細胞密度大、細胞核質(zhì)比例高，這樣就導(dǎo)致細胞內(nèi)和細胞外的水分子彌散運動受限，因而ADC值降低，在DWI上呈高信號[4]。DWI對良性和轉(zhuǎn)移性骨質(zhì)改變的鑒別較為可靠，尤其是對于椎體良惡性壓縮骨折的鑒別。常規(guī)MRI顯示良惡性椎體壓縮均為T1低信號，T2高信號，特別是骨髓水腫累及整個椎體或者病人既往有惡性腫瘤史者，更難以鑒別。因為單純性壓縮骨折因骨髓水腫，細胞外可自由活動的水分子增多，運動增快，表觀擴散系數(shù)增高，與周圍正常骨髓相比，DWI示等或低信號，而轉(zhuǎn)移性椎體骨折因腫瘤組織細胞浸潤、堆積，細胞外空間減少，水分子運動受阻而DWI呈高信號。ADC值主要反映水分子擴散運動的速度和范圍，ADC值和ADC圖不受T2影響，能真實、量化反映組織水分子擴散。盡管ADC值定量測定的數(shù)值各組研究不完全一致，但均證實單純性與病理性壓縮性骨折的ADC值存在顯著性差異[5]。

Herneth等[6]對22例椎體壓縮骨折患者的研究結(jié)果表明：良性骨折的ADC值為（1.61±0.37）×10-3mm2/s，而惡性骨折為（0.71±0.27）×10-3mm2/s，脊椎轉(zhuǎn)移瘤為（0.69±0.24）×10-3mm2/s。Zhou等人[7]對12例良性骨折和15例惡性骨折患者的研究示良性骨折患者ADC值為（3.2±0.5）×10-4mm2/s，惡性骨折患者ADC值為（1.9±0.3）×10-4mm2/s。Chan等[8]對32例急性壓縮骨折進行SS—SE—EPI—DWI研究結(jié)果顯示，正常椎體ADC值為（0.23±0.05）×10-3mm2/s，急性良性骨折為（1.94±0.20）×10-3mm2/s，惡性骨折為（0.82±0.20）×10-3mm2/s。通過以上實例筆者認為利用ADC值對良、惡性椎體壓縮骨折進行鑒別診斷是有一定價值的。

磁共振全身彌散加權(quán)成像技術(shù)（WBDWI）采用一種全新的脈沖序列—反轉(zhuǎn)恢復(fù)回波平面彌散序列（STIR-DWIEPI），在抑制肌肉、脂肪、肝臟等組織背景信號的基礎(chǔ)上，提高病灶信噪比，使其可能較好地顯示骨骼病灶。由于采用了全身大范圍掃描，并加以3D后處理重建，其成像效果和臨床意義與正電子發(fā)射成像（PET）有許多類似之處， 因此也被形象的稱做MR“類PET”技術(shù)。在WB-DWI圖像中正常骨骼中椎體信號最高，髂骨、肋骨較低，而四肢骨呈明顯低信號，此現(xiàn)象可用骨骼不同部位紅、黃骨髓成分的差別來解釋。正常成人骨髓WB-DWI上呈低信號，是因為其含有大量脂肪成分，這為發(fā)現(xiàn)腫瘤奠定了基礎(chǔ)。腫瘤細胞核質(zhì)比高、排列緊密，破壞了正常的骨髓成分，致水分子彌散受限而出現(xiàn)明顯高信號。經(jīng)過圖像反轉(zhuǎn)，骨腫瘤病灶呈現(xiàn)出在“灰白”背景上的“黑色污點”，大大提高了病灶的檢出率。絕大多數(shù)骨轉(zhuǎn)移病灶形成始于髓內(nèi)，當病灶局限于骨髓內(nèi)，未出現(xiàn)成骨性改變時，WB-DWI對病灶的顯示具有高度敏感性。WB-DWI還可以根據(jù)病變大小和ADC值變化來評價腫瘤的治療效果。當前臨床上評價治療效果通常是根據(jù)常規(guī)影像檢查比較病灶治療前后的形態(tài)和大小變化，從而得出結(jié)論。但是腫瘤在經(jīng)過放化療治療后，會引起腫瘤細胞的死亡，細胞膜的完整性喪失，細胞外間隙增加，水分子彌散增加，這時ADC值會發(fā)生明顯升高。ADC值的變化會明顯早于腫瘤組織切片上可觀察到的改變，且更早于形態(tài)學改變，如腫瘤體積縮小等。這表明ADC 值對于腫瘤的療效有一定的預(yù)測能力，不僅能在病變發(fā)生形態(tài)學變化之前預(yù)測腫瘤的轉(zhuǎn)歸， 而且為療效的早期監(jiān)測提供了一個量化的指標，是一種非常有價值的腫瘤評估手段。

2.2 非腫瘤性病變 DWI在非腫瘤病變診斷中的應(yīng)用范圍主要包括脊柱及股骨等含骨髓比較豐富的部位。脊柱的感染性疾病為臨床多發(fā)病、常見病，包括特異性感染和非特異性感染。正常椎體骨髓在DWI上表現(xiàn)為均勻的低信號，而病變組織在DWI上的異常改變與病變內(nèi)容物的物理性質(zhì)和生化成份有關(guān)。感染所致的膿液因含有大量炎性細胞、細菌、壞死組織以及蛋白分泌物的粘稠液體，使膿液的大體運動速度和其內(nèi)水分子的彌散速度都減慢，導(dǎo)致了ADC值減低，從而導(dǎo)致彌散加權(quán)圖像的高信號，ADC圖上呈暗區(qū)。結(jié)核所致椎體病理改變主要是病灶內(nèi)干酪樣壞死性物質(zhì)的出現(xiàn)限制了水分子的彌散，故導(dǎo)致彌散速率減慢，彌散成像上表現(xiàn)為高信號。由于惡性腫瘤內(nèi)細胞密度高于感染性病變，水分子彌散受限更顯著，兩者相比惡性腫瘤的ADC值顯著低于感染性病變。而脊柱結(jié)核早期主要以滲出為主，導(dǎo)致水分子明顯增多，擴散加快，ADC值增高。早期結(jié)核往往無明顯的X線表現(xiàn)，有時CT表現(xiàn)也不明顯，而MRI對椎體骨髓中水含量、蛋白及脂肪的變化非常敏感，能在早期炎性水腫期就能有異常表現(xiàn)，能做出定性診斷[9]。

影像學對骶髂關(guān)節(jié)病變表現(xiàn)研究比較多，包括強直性脊柱炎、類風濕關(guān)節(jié)炎、致密性骨炎等，其中最常見的是骶髂關(guān)節(jié)強直性脊柱炎。其主要病理改變?yōu)殛P(guān)節(jié)滑膜充血水腫、肉芽組織增生，造成關(guān)節(jié)軟骨的破壞，并不斷向深層蔓延，當侵犯軟骨下骨組織時，可以出現(xiàn)相應(yīng)骨組織的囊狀破壞，最終出現(xiàn)關(guān)節(jié)間隙的鈣化、骨化，直至關(guān)節(jié)骨性強直。常規(guī) X 線放射學檢查無法直接顯示關(guān)節(jié)軟骨，不能發(fā)現(xiàn)早期病變，只能通過關(guān)節(jié)間隙的狹窄程度來判斷軟骨的損害程度，因此對于關(guān)節(jié)病變的早期診斷和嚴重度評估不夠敏感，準確性欠佳[10]。DWI通過檢測組織內(nèi)水分子運動來反映軟骨內(nèi)的代謝和生化信息，可以在分子水平檢測關(guān)節(jié)軟骨的病變，DWI除了可以直接觀察組織結(jié)構(gòu)的信號改變外，還可以利用ADC值計算，有利于對病變進行量化分析，為病變的檢出提供客觀的診斷依據(jù)。骶髂關(guān)節(jié)強直性脊柱炎早期關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)膠原和蛋白多糖含量減少，水的含量增多導(dǎo)致軟骨ADC值升高，可以發(fā)現(xiàn)無明顯形態(tài)學改變的骶髂關(guān)節(jié)軟骨的早期損傷，從而為早期診斷提供重要參考依據(jù)并前瞻性指導(dǎo)臨床進行早期干預(yù)治療，以防止軟骨發(fā)生不可逆性改變。

健康人股骨頭內(nèi)的骨髓成分隨著年齡的增長由紅骨髓向黃骨髓轉(zhuǎn)化，黃骨髓的主要成分為脂肪，由于脂類分子的存在限制了水分子的自由運動，所以股骨頭的DWI為低信號和ADC值也較小，并且有隨著年齡的增加ADC值逐漸減低的趨勢。股骨頭壞死早期病理變化是小動脈血管壁結(jié)構(gòu)損害，引起髓腔造血細胞出現(xiàn)壞死，靜脈竇充血，血漿滲出，而后發(fā)生骨陷窩空虛，骨小梁完全性壞死，骨陷窩擴大，脂肪細胞出現(xiàn)壞死，在DWI上表現(xiàn)為斑點狀或片狀高信號。隨著損害的繼續(xù)，壞死灶周圍活骨組織反應(yīng)性充血，大量炎性細胞增生浸潤，周圍部分壞死的骨小梁被不等量、不規(guī)則的新生網(wǎng)狀骨質(zhì)所封閉、包繞、逐漸吸收骨小梁，并取而代之，DWI呈小片狀、帶狀、地圖狀或其他不規(guī)則狀高信號區(qū)。由于骨髓充血水腫引起骨髓內(nèi)自由水增加，從而病變內(nèi)水分子彌散也逐漸增加，ADC值也呈現(xiàn)出比正常側(cè)高的趨勢。彌散變化反映了最初的骨骺組織細胞毒性水腫及之后發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)破壞，其表觀彌散系數(shù)（ADC值）反映了水分子彌散的定量指標。DWI可以在分子水平檢測股骨頭病變，還可通過 ADC 值來進行定量分析，為疾病的檢出和診斷提供客觀依據(jù)，是一種能夠早期發(fā)現(xiàn)股骨頭缺血改變的無創(chuàng)性影像技術(shù)，為指導(dǎo)臨床治療、評估療效及預(yù)后提供有效的依據(jù)。

總之，DWI在骨骼病變的發(fā)現(xiàn)及評估病變性質(zhì)方面有著較高的優(yōu)越性和敏感性，并且還能夠通過對ADC值的測量，對病變的程度進行定量分析，為病變的診斷提供較為可靠的量化指標，是一種比較理想的無創(chuàng)性鑒別方法，具有很高的臨床應(yīng)用價值。但目前骨骼DWI的序列研究還不盡完善，要取得高質(zhì)量的骨骼DWI圖像，尚需進一步研究開發(fā)。同時，現(xiàn)在對正常骨骼DWI圖像和ADC值的測量研究的數(shù)據(jù)比較少，如能提供足夠大樣本的正常ADC值參考范圍，將為進一步探討其在疾病方面的研究提供更客觀的依據(jù)。