科研进展eDWI弥散成像技术启迪未来

磁共振弥散加权成像（DiffusionWeightedMRImaging，DWI）在显示急性脑梗死和与其他脑急性病变的鉴别上非常敏感，同时对于全身各部位的大部分肿瘤的鉴别也起着非常重要的作用，已成为常规MRI成像序列的重要补充。然而，传统DWI图像存在信噪比低、易产生磁敏感伪影、分辨率不高等问题，限制了弥散图像临床诊断应用和高级弥散模型研究的发展。为了突破这些限制，GE最新MR平台上推出了eDWI技术，主要的技术变革包括：引入3in1和Tetra弥散梯度模式，三个梯度线圈同时施加最大弥散梯度，显著降低TE值，提高信噪比的同时还能降低图像变形，且缩短扫描时间；单序列支持扫描多达40个b值，为了提高采集效率，可对不同b值单独设置重复采集次数NEX，方便进行高级弥散模型科研临床研究。自该技术推出以来，基于eDWI的弥散成像应用得到了极大的扩展，诸如DKI弥散峰度成像、AQP水通道蛋白成像、FOCUSDWI小视野弥散成像和HighResolutionDWI超高清弥散成像等高级应用已取得丰硕成果。

一、DKI弥散峰度成像

峰度（Kurtosis）是用来形容曲线峰态的统计量。如图1所示弥散峰度为0时，水分子弥散位移分布曲线呈高斯型分布（实线），由于生物组织内细胞壁等结构对水分子的弥散限制作用，真实的位移分布偏离了高斯曲线（虚线），其偏离高斯分布的程度即称为弥散峰度（DiffusionalKurtosis）[1]。

DKI的数据采集需要b0和至少2个非零b值，且最大b值≥s/mm2(BrainDKI要求)，至少15个非平面弥散方向。引入弥散峰度项以后，任一方向的弥散磁共振信号可以表示为：

ln[S(b)]=ln[S(0)]-bDapp+1/6*b2Dapp2Kapp+O(b2)

其中Kapp是此方向上的弥散峰度，Dapp是弥散系数，高阶项忽略。在计算得到至少15个非同平面方向的Kapp和Dapp后，可以估算得到二阶弥散张量D和四阶弥散峰度张量W。基于这两个张量，可以计算出沿空间任一方向的Dapp和Kapp，包括弥散张量椭球体三个正交轴方向上的弥散峰度和弥散系数，以及平均弥散峰度和弥散系数。在GEAW工作站的Functool平台中，可通过DKI后处理软件得到12个测度，包括DKI模型推导的8个测度和4个用DTI模型计算出的参数，可与DKI模型推导参数作对比研究。8个测度的定义和意义如下：

1)FA(FractionalAnisotropy,弥散各向异性)：DTI技术用三维椭球体来代表空间内水分子弥散的特征，沿椭球体三轴方向弥散系数之间的差异性称为FA，无量纲，反映组织结构的方向性，FA值越大，方向性越强。

2)MD(MeanDiffusivity,平均弥散系数)：椭球体三轴方向弥散系数的平均值(单位μm2/ms)，反映水分子在组织空间内的平均弥散系数，与组织内水分含量有关。

3)Da(AxialDiffusivityorλ

,轴向弥散系数)：沿椭球体主轴方向上的弥散系数(单位μm2/ms)，也就是水分子空间内弥散最快方向上的弥散系数，可反映轴突传导方向结构变化。

4)Dr(RadialDiffusivityorλ⊥,径向弥散系数)：椭球体两个短轴方向上弥散系数的平均值(单位μm2/ms)，代表了弥散受限方向上的平均弥散系数，髓鞘损伤使得垂直方向上结构对弥散限制减弱，Dr会升高。

5)MK(MeanKurtosis,平均弥散峰度)：组织沿空间各方向弥散峰度的平均值，MK值越大表明弥散受限越严重，成分结构越复杂，它是目前DKI临床科研应用中最常用的弥散峰度参数。

6)Ka(AxialKurtosisorK

,轴向弥散峰度)：沿椭球体主轴方向上的弥散峰度值，因为此方向上水分子弥散最快，表明弥散受到的限制也相对较少，Ka值也比较小，灰白质之间对比不明显。

7)Kr(RadialKurtosisorK⊥，径向弥散峰度)：垂直于主要弥散方向所有弥散峰度的平均值，这些方向上弥散受限最严重，因而Kr值较Ka值高。白质纤维径向上弥散受限明显，白质的Kr值高于灰质。

8)FAk(FAofKurtosis，弥散峰度各向异性)：沿DTI椭球体三轴方向弥散峰度之间的各向异性，定义类似于FA，无量纲。

相比于DTI，DKI的优势在于能敏感探测大脑灰质等弥散各向同性组织的病变，以及准确描述白质纤维束交叉区域的结构特性。目前，DKI的应用越来广泛，已经从神经中枢的应用逐步发展到体部[2]，图3展示了GEMR的腹部DKI功能图像。我们团队和国内客户在头部和体部DKI方面的合作研究也取得了国内领先的成果[3,4]。

二、AQP水通道蛋白成像

水通道蛋白（aquaporin,AQP）细胞膜上选择性高效运转水分子的特异孔道，对水具有通透性作用。水分子通过细胞膜主要是通过AQP主导的主动转运机制，而不是传统的自由弥散（被动运输）。细胞膜上具有丰富的、不同亚型AQP分布，不同生理和病理状态下的细胞膜AQP表达、分布和水分子通过AQP转运速度不同[5]。研究发现，AQP与多种疾病发生、发展均有关系，一些自身免疫性疾病、肿瘤、神经中枢退行性疾病、心血管和脑血管疾病都与AQP有关。因而，利用磁共振影像技术探测AQP水通道蛋白表达和分布的变化，具有重要的潜在应用价值。

有研究表明，水分子在细胞膜AQP中主动转运速度大约是0.4x10-3mm2/s，比水分子自由弥散速度2.5x10-3mm2/s小了一个数量级，利用超高b值磁共振弥散成像可以捕捉到AQP水分子主动转运过程。为了更好地描述水分子AQP主动转运的特征，在IVIM体素内不相干运动理论双指数模型的基础上，我们提出了AQP三指数模型。如图4所示，在s/mm2的传统b值范围内水分子弥散信号呈双指数衰减特征，即s/mm2小b值范围内弥散信号快速衰减，反映毛细血管血流情况，s/mm2常规b值范围内弥散信号线性衰减，反映生物组织内的水分子真实弥散过程；在–s/mm2的超高b值范围内，弥散信号也是线性衰减，但速度显著下降，曲线更为平缓，反映了相对弥散速度较低的AQP水分子转运过程。三指数模型的数学公式表达式为，

其中的D、D*和ADCuh分别代表水分子真实弥散系数、灌注相关弥散系数和AQP水分子主动转运弥散系数[6]，更全面地反映生物组织内的水分子运动情况。

由于AQPMRI需采集超高b值（~s/mm2），而传统DWI中超高b值弥散图像易受到变形失真和信噪比低等问题干扰。要采集高质量的超高b值弥散图像，就需要高度磁场均匀性、超高梯度场线性和保真度，而eDWI技术中的3in1扫描模式则能显著提高信噪比和减轻变形，多值NEX独立设置特性可以在超高b值采集时单独设置高NEX来进一步增强图像信噪比，保证三指数模型计算的准确性。

自eDWI技术出现以后，我们和国内客户合作进行了广泛的AQP机理和科研临床研究，发表了众多成果。在原发性Parkinson疾病的AQP研究当中，我们发现病人组苍白球、壳核和黑质区域的ADCuh均显著低于正常对照组中对应区域的ADCuh，p值0.，而其他测度（f、D和D*）均无显著的组间差异，说明ADCuh对Parkinson疾病诊断具有更高的敏感性和特异性。降低的ADCuh反映了AQP水分子转运速度的减慢，可能与Parkinson病人多巴胺神经元含量减少有关，因为多巴胺神经元细胞膜上有AQP4和AQP9亚型的大量表达分布[6]。

三、FOCUSDWI小视野弥散成像

影响磁共振图像分辨率的因素是视野尺寸和采集矩阵。对于单次激发EPI序列来说，采集矩阵的大小直接决定了整体读出窗口的长度。采集矩阵越大，整体读出窗口的长度越长，单次激发EPI序列的伪影也越重。如果希望提高图像的分辨率，除了加大采集矩阵之外，还可以通过减小FOV实现。对于常规的DWI成像来讲，FOV不能任意的小，当FOV小于成像物体尺寸时，图像在相位编码方向会产生卷褶伪影。但如果在激发过程中，如果能保证FOV之外的物体不被激发，或者激发之后的信号不能会聚，那么即使FOV小于物体的尺寸，由于FOV之外的物体对最终的图像没有贡献，因此最后的图像上不会出现卷褶伪影。小FOV技术采用一种全新的射频进行激励[7]，即2D选择性激励（2DRF）,射频脉冲的形状如图5所示。2DRF可以在选层激励时实现条状激励，图5示意了2DRF在空间中选择性激励条状区域的结果。2DRF脉冲减小PE方向FOV，有效地克服图像卷折的问题，同时减小回波链长度，有效改善图像变形，提供了成像的分辨率。另外，为了遏制化学位移伪影对EPI成像的困扰，FOCUSDWI使用窄带宽度射频脉冲选择性激励，只激发既定扫描片层中的水信号。这一特殊射频脉冲的使用，也抑制了脂肪信号从而消除了化学位移伪影，改善体部和脊柱等部位的弥散成像质量，有利于微小病灶的检出，图6展示了FOCUSDWI技术得到的脊髓DTI图像，图3中的肾脏DKI图像则是FOCUSDWI的DKI扩展应用。

四、HighResolutionDWI超高清弥散成像

传统DWI采集矩阵为x，由GE公司和美国DukeUniversity联合研发的全脑超高清弥散成像技术，采集矩阵高达x，图像分辨率大幅提高16倍，清晰度可媲美高清解剖图像。如图7所示，左图为传统DWI图像，细节显示不清；右图为超高清弥散图像，显示更多细节。

全脑超高清弥散成像不只是一个扫描序列，而是一个需要特定软硬件配合的成像系统，包括三部分：96单元三维加速纳米成像相控阵线圈；超高清弥散成像序列；AIMS超快速数据处理系统。（1）96单元纳米成像相控阵靶线圈具有独特的三维曲面设计，在大脑皮层部位具有更高的灵敏度，并且大大缩短病人扫描时间。业内最高的96单元线圈配合三维加速技术可以捕获脑部功能活动时细

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