Радиопедия
Меню

Диффузионно-взвешенные изображения

Синонимы: DWI, Диффузионно-взвешенная МРТ, Диффузионно-взвешенные изображения (DWI)

Usman Bashir

Диффузионно-взвешенная томография (DWI) — это метод МРТ, основанный на измерении случайного броуновского движения молекул воды в пределах вокселя ткани. В упрощенном виде ткани с высокой плотностью клеток или клеточным отёком демонстрируют более низкие коэффициенты диффузии. Оценка диффузии особенно полезна при характеристике опухолей и церебральной ишемии. 

Существует значительная путаница в том, как клиницисты и рентгенологи описывают ограничение диффузии, при этом специалисты обеих групп зачастую не вполне понимают, о чём именно идёт речь.

Первая проблема заключается в том, что термин «диффузионно-взвешенная томография» (диффузионно-взвешенные изображения) используется для обозначения нескольких различных понятий: 

  • изотропная карта диффузии (то, что большинство рентгенологов и клиницистов называют DWI)

  • импульсная последовательность, которая приводит к формированию различных изображений (например, изотропной карты, b=0, ADC)

  • более общий термин, охватывающий все диффузионные методики, включая диффузионно-тензорную томографию

Кроме того, существует путаница в том, как обозначать патологическое ограничение диффузии. Во многом это связано с первоначальной популяризацией DWI при инсульте, когда инфарктная ткань отображалась в виде гиперинтенсивного сигнала на изотропных картах и описывалась просто как «ограничение диффузии», что создавало впечатление, будто в остальной части головного мозга ограничения диффузии нет, хотя это явно не так. К сожалению, такое упрощение привлекательно и распространено значительно шире, чем более точная, но громоздкая формулировка «диффузия ограничена сильнее, чем можно было бы ожидать для данной ткани».

Ситуация осложняется тем, что многие не знакомы с концепцией T2 shine-through — причины артефактного повышения сигнала на изотропных картах — или воспринимают его как бинарный признак (вклад T2 в сигнал либо есть, либо его нет), тогда как в действительности T2-компонент присутствует всегда, даже в областях с истинным ограничением диффузии. 

Гораздо более надежный и точный подход к описанию ограничения диффузии заключается в том, чтобы помнить, что речь идет о фактических значениях измеряемого коэффициента диффузии (ADC), и использовать такие формулировки, как «в данной области определяются патологически низкие значения ADC (патологическое ограничение диффузии)» или «высокий сигнал на изотропных изображениях (DWI) подтверждается по ADC-картам как патологическое ограничение диффузии».

В отличие от практически свободной диффузии воды в ёмкости, диффузия воды, например, в ткани головного мозга ограничена преимущественно клеточными мембранами. Суммарные диффузионные характеристики в единичном объёме отражают совокупную диффузию воды в нескольких компартментах: 

  • диффузия во внутриклеточной жидкости

    • в цитоплазме в целом

    • внутри органелл

  • диффузия во внеклеточной жидкости

    • интерстициальная жидкость

    • внутрисосудистая жидкость

    • лимфа

    • различные биологические полости, например желудочки головного мозга

  • диффузия между внутри- и внеклеточными компартментами

Вклад каждого из этих факторов зависит от типа ткани и патологии. Например, при остром инфаркте головного мозга считается, что снижение значений ADC является результатом сочетания перехода воды во внутриклеточное пространство (где её диффузия сильнее затруднена органеллами, чем во внеклеточном пространстве) и вызванного этим набухания клеток, приводящего к сужению внеклеточного пространства. Сходные механизмы приводят к низким значениям ADC при опухолях с высокой клеточной плотностью (например, мелкокруглоклеточные опухоли (такие как лимфома/PNET) и глиомах высокой степени злокачественности (глиобластома)).

Чем дальше отдельная молекула воды диффундирует во время последовательности, тем сильнее она подвергается воздействию меняющейся силы градиента и тем больше дефазируется, что снижает интенсивность регистрируемого сигнала. Это происходит в масштабах, значительно меньших, чем отдельный воксел. Выраженность этого эффекта (иными словами, степень ослабления сигнала за счёт диффузии) определяется значением b.

Диффузионно-взвешенные изображения играют важнейшую роль в следующих клинических ситуациях: 

Разработан целый ряд методик построения диффузионных карт. Безусловно, наиболее часто используемая методика основана на эхо-планарной последовательности спинового эха (SE-EPI), хотя также доступны и методики без EPI (например, турбо спин-эхо), которые особенно полезны в случаях, когда ткань прилежит к кости или находится внутри неё, где эффекты T2* вызывают артефакты, геометрические искажения и потерю сигнала на последовательностях EPI. 

Фундаментальная идея диффузионно-взвешенной МРТ заключается в ослаблении сигнала T2* в зависимости от того, насколько свободно молекулы воды диффундируют в этой области. Чем свободнее вода может диффундировать (т. е. чем дальше молекула воды может переместиться в течение последовательности), тем меньше исходного сигнала T2* останется. Например, вода в составе спинномозговой жидкости (ЦСЖ) может диффундировать очень свободно, поэтому остается очень слабый сигнал, и желудочки выглядят черными. Напротив, вода в паренхиме головного мозга не может перемещаться столь же свободно из-за клеточных мембран, служащих препятствием, и поэтому исходный сигнал T2* головного мозга ослабляется лишь частично. Важным следствием этого является то, что если область головного мозга имеет нулевой сигнал T2*, она не может, независимо от характеристик диффузии в этой ткани, демонстрировать сигнал на изотропных диффузионно-взвешенных изображениях.

Способ извлечения информации о диффузии из ткани заключается в том, чтобы сначала получить T2*-взвешенное изображение без диффузионного ослабления. Оно известно как изображение b=0.

Далее оценивается легкость диффузии воды в различных направлениях; минимум — это 3 ортогональных направления (X, Y и Z), и этот вариант будет рассматриваться в дальнейшем описании.

Это достигается путем симметричного приложения сильного градиента с обеих сторон от 180-градусного импульса. Степень диффузионного взвешивания зависит главным образом от площади под диффузионными градиентами (которая, в свою очередь, связана с амплитудой и длительностью градиента) и от интервала между градиентами. Комбинация этих факторов формирует b-фактор. Чем выше это значение, тем более выражено обусловленное диффузией ослабление сигнала. 

Неподвижные молекулы воды приобретают фазовую информацию при приложении первого градиента. Однако после 180-градусного импульса на них воздействует точно такой же градиент (поскольку они не изменили своего положения), что нивелирует все эффекты первого (так как они повернулись на 180 градусов). Таким образом, к моменту формирования эхо-сигнала они сохраняют свой сигнал.

Движущиеся молекулы воды, напротив, приобретают информацию о фазе от первого градиента, но по мере перемещения при воздействии второго градиента они оказываются в другом месте и, следовательно, после 180-градусного импульса не подвергаются воздействию точно такого же градиента. В результате их рефазировка нарушается, и они теряют часть сигнала. Чем дальше они способны переместиться, тем менее эффективно они рефазируются и тем слабее будет итоговый сигнал.

Вышеописанный процесс формирует четыре набора изображений: T2* изображение b=0 и три диффузионно-взвешенных изображения (по одному для каждого направления: X, Y и Z) с T2*-сигналом, ослабленным в зависимости от того, насколько легко вода может диффундировать в данном направлении.

Затем эти изображения можно математически объединить для создания карт, не содержащих информации о направлении (изотропных): изотропных диффузионно-взвешенных изображений (которые обычно называют DWI) и карт ADC.

Для формирования изотропных карт DWI рассчитывается среднее геометрическое изображений по отдельным направлениям.

Карта ADC, напротив, связана с натуральным логарифмом (ln) отношения изотропного DWI к исходному сигналу T2* (b=0). Эти значения могут рассчитываться либо непосредственно по изотропным изображениям DWI, либо путём вычисления среднего арифметического значений ADC, полученных для каждого направления диффузионных карт.

Article courtesy of Usman Bashir, Radiopaedia.org, rID: 16718, CC BY-NC-SA

Клинические случаи

Диагноз подтверждён

Эпилептический статус

В анамнезе: хирургическое лечение супраселлярной глиомы гипоталамуса/зрительного тракта, осложнившееся развитием пангипопитуитаризма и сахарного диабета в течение 3 лет (получает инсулин гларгин). Острое развитие судорог и гипогликемии. Госпитализирован в детское ОРИТ.