什么是扩散？
扩散是指由于热碰撞而导致的水和其他小分子的随机微观运动。扩散也称为布朗运动，以纪念苏格兰植物学家罗伯特·布朗（Robert Brown）命名，他于1827年在显微镜下首次观察到花粉颗粒的自发振动。扩散应与流体介质自身大量运输颗粒而导致的其他分散过程区分开。例如，落入一杯水中的染料的初始涡旋并不是扩散的表现，而是主要归因于重力以及热和机械感应的对流。仅在染料变得更均匀地分布且初始电流减弱后的后期，扩散才占主导地位。证明纯扩散的更好的实验是将染料放在琼脂平板上（不存在对流）。在这里可以看到染料滴随时间对称扩散，颜色逐渐变大和褪色。在19世纪中叶，德国物理学家阿道夫·菲克（Adolf Fick）将扩散建模为粒子从较高浓度区域向较低浓度区域的运动。Fick表明，粒子通量与浓度梯度成正比，与因子D（扩散系数）有关。由于D在一定时间内反映了通过表面的粒子通量，因此它具有单位面积/时间（例如mm²/秒）。
Fick分析的一个问题是，当浓度梯度消失时，不应有净通量。因此，可能会错误地得出结论，扩散已经停止。但是，即使在平衡状态下，热碰撞和扩散通量仍然继续。他们只是互相抵消。
爱因斯坦还将乔治·斯托克斯（George Stokes）在19世纪提出的流体摩擦原理纳入了他的随机游走理论。这被称为Stokes-Einstein方程，表明扩散系数（D）与绝对温度（T）和玻尔兹曼常数（k）直接成正比，但与粒子半径（r）和半径成反比。介质粘度（η）：
人体温度下纯水的扩散常数约为3.0 x 10-3mm2/ sec。生物组织的D值只有10-50％，平均为1.0×10-3mm2/ sec。根据随机游走模型，这意味着在扩散加权成像序列的〜50 ms时间范围内，大约2/3的组织水分子将保留在其起源的10 µm之内。水分子以大约3：1的比例分布在细胞内和细胞外区室之间（确切比例取决于目标器官）。这两个池之间的平衡由依赖于能量的Na-K离子泵维持。当这些泵失效时（如毒性或低氧缺血性损伤可能发生），细胞的膨胀和/或破裂可能会随着水含量和扩散率的巨大变化而发生。通常，细胞外水比细胞内水更自由地扩散，因为细胞内水更有可能与细胞壁，细胞器，大分子等碰撞。水分子可以被动地（通过膜孔）或主动运输（水通道蛋白通道）在两个隔室之间交换。许多组织包含高度不对称的结构，例如神经或肌肉纤维束。这产生了扩散各向异性，即水分子在某些方向上比其他方向上的优先扩散。
疾病可能会增加或减少组织中水的扩散。在许多非急性和慢性疾病中，扩散时间通常会延长。远端受伤的组织包含细胞破坏的证据，包括破坏的细胞结构，坏死或微囊变性。这些具有较大细胞外空间的受伤组织变得更像“水样”。除了具有延长的扩散系数外，出于相同的原因，它们还经常显示其T1和T2时间的升高。组织扩散的明显减少要比扩散延长少得多，但是当发生扩散时，它会对扩散加权的MR图像产生巨大影响，使异常区域“灯泡变亮”。可能发生这种疾病的疾病包括急性缺血，感染，脓肿，毒性代谢损伤以及高度细胞性肿瘤。
各向同性扩散和各向异性扩散有什么区别？
对于大多数流体和某些均匀的固体材料（例如凝胶），在每个方向上的扩散都是相同的。这些物质称为各向同性，并具有单一扩散系数（D）的特征。另一方面，生物组织是高度结构化的，通常沿不同方向具有不同的扩散系数，被称为各向异性。几乎所有生物材料都表现出一定程度的各向异性。白质由于其神经纤维束的平行取向而具有高度的各向异性。表现出明显各向异性的其他组织包括骨骼肌和肌腱。
在各向异性材料中，不能用单个数字描述扩散，而是用[3 x 3]阵列（称为扩散张量）描述。张量的三个对角元素（Dxx，Dyy，Dzz）表示在实验室参考系中沿着主（x-，y-和z-）方向测量的扩散系数。六个非对角线项（Dxy，Dyz等）反映了与每对主方向相对应的随机运动之间的相关性。
对于完美的各向同性扩散的特殊情况（例如在纯液体中看到的情况），非对角元素全为零。对于各向同性材料，对角元素全部相同且等于单个扩散系数D（即Dxx= Dyy= Dzz= D）。
扩散各向异性和扩散张量的概念是许多先进的处理技术的基础，包括DT成像，分数各向异性成像和MR超声成像。
扩散系数（D）与“表观”扩散系数（ADC）有什么区别？
流体，凝胶和均质材料的特征在于单个扩散系数D，该扩散系数D表示水或小颗粒在一定时间内通过布朗运动穿过表面的通量。如先前的问答中所述，生物组织是各向异性的，具有多个空间相关的扩散系数。各向异性张量是一个3x3矩阵，其中包含表示沿不同方向的扩散速率的元素（Dxx，Dxy，Dxz等），可以更好地描述各向异性介质中的扩散。
在现代扩散MR成像中，当在各个方向施加扩散敏感梯度时，通过测量相位色散和信号损耗来估计扩散张量的各个元素。但是，这些方法除了检测到难以区分的扩散外，还检测了多个过程中的信号损失-细胞质流，微循环中的血液和淋巴液流，来自心脏搏动或呼吸的大量组织运动以及由于敏感性效应引起的相散。信号损耗和扩散张量估计值也根据脉冲序列和所用定时参数的细节而变化。 1930年代初期的化学家们认识到，所测得的染料和其他小分子的扩散速率高度依赖于所研究介质的性质和实验条件。认识到这些局限性，他们开始使用表观扩散系数（ADC）来指代从他们的研究中获得的估计扩散率。
在现代MR文献中，术语“ ADC”至少在两种不同的情况下使用。在最一般的意义上，“ ADC”与“测量/观察到的”扩散速率或张量分量同义，反映了上述方法上的不确定性。在其他上下文中，“ ADC”用于指代体素中的平均扩散，有时被视为张量对角元素的总和或平均值。常用的ADC映射反映了后一个定义。
如何生成DW图像？
现代扩散加权（DW）序列的起源都可以追溯到1960年代中期由Edward Stejskal和John Tanner开发的脉冲梯度自旋回波（PGSE）技术。如右图所示，在180°脉冲的任一侧均施加了对称的强扩散敏感梯度（DG）。固定自旋的相位不受DG对的影响，因为来自第一个梯度波瓣的任何相位累积都会被第二个反转。但是，扩散的自旋移到第一和第二个波瓣之间的不同位置，异相并丢失信号。
在第二个DG之后，立即播放图像采集模块。这通常是一个回波平面序列，它使用快速振荡的相位和频率梯度来生成多个梯度回波。通常需要快速图像采集以最小化体动（例如血管搏动）对DW图像的影响。其他模块（例如快速自旋回波）是可能的，但是目前还没有广泛使用。 DWI的现代实现保留了Stejskal和Tanner最初的PGSE技术的基本特征，并进行了某些修改。为了抑制化学位移伪像，所有商业DWI序列都采用某种类型的脂肪抑制方法。这可以是化学选择性的脂肪饱和脉冲，也可以是紧接在90°脉冲之前施加的非选择性“ STIR样”反转脉冲。或者，可以选择性地将90°脉冲本身调整为仅激发水质子。为了抑制涡流并减少空间失真伪影，可以使用“两次重新聚焦”的PGSE序列。该技术在图像采集模块即将开始之前使用第二个180°重聚焦脉冲。减少涡流伪像的第三种常见修改涉及使用双极性（而不是单极性）DG。
使用上面定义的核心脉冲序列，将自动执行以下步骤以生成DW图像及其关联的图：
首先在关闭DG或将其设置为非常低的值的情况下运行DW脉冲序列。这产生一组的B0（“B-零”）图像是T2加权和将作为以后计算映射的基线。（对于腹部成像，通常会获得b50图像，其较小但非零的梯度幅度有助于抑制血管中的信号）。
然后，将DG单独打开或组合打开，并以各种强度打开DW序列。这产生了对在多个不同方向上扩散敏感的DW源图像。
将DW源图像合并以生成一组Trace DW图像，这是用于临床诊断的第一线图像。
一个表观扩散系数（ADC）地图然后使用从所述的数据计算B0和源图像。ADC映射用于澄清在跟踪图像上看到的异常。
可以选择执行进一步的高级处理，从而创建其他计算出的图像集进行分析。这些可能包括指数ADC图，分数各向异性图像，主扩散方向图和光纤跟踪图。
这些各种图像集的示例如下所示，并将在后续的问答中进行更完整的讨论。
b值是什么意思？
我该如何挑选？b值是反映用于生成扩散加权图像梯度的强度和时序的一个因素。在较高b-值，扩散的效果越强。具体而言，如果So是基线处的MR信号，D是扩散系数，则在施加了扩散梯度之后的信号（S）如下：
因此，术语e-bD的行为与在许多其他脉冲序列中发现的T2加权术语e-TE / T2非常相似。b的值由操作员在成像前选择。该选择控制观察到的扩散加权的程度，类似于选择TE影响T2加权的方式。因此，除了T1和T2之外，扩散还可被视为另一种松弛机制。在没有额外扩散梯度的脉冲序列中，这种弛豫机制相对不重要，对最终信号的影响不超过5％。但是，当应用扩散梯度时，扩散效果会显着放大，并成为组织对比度的主要机制。
在先前的问答中，我们表明，由于扩散是一段时间内颗粒在整个表面上的流动，因此D的单位为[面积/时间]。这样exp（-bD）将是无量纲的，b的单位应为D的倒数。换句话说，b应该表示为[时间/区域]。现代MRI扫描仪上可用的典型b值范围为0至约4000 s /mm²。术语“b值”源自Stejskal和Tanner于1965年发表的具有里程碑意义的论文，在其中他们描述了他们的脉冲梯度扩散方法。该技术仍构成大多数现代DWI脉冲序列的基础，并且由两个强度梯度（G）和持续时间（δ）的强梯度脉冲组成，并以时间间隔（Δ）隔开。右图显示了b的公式（仅特定于此特定实现）。
的b-值依赖于强度，持续时间，和这些脉冲的梯度的间距。通过增加梯度幅度和持续时间以及通过加宽梯度脉冲之间的间隔来获得较大的b值。b值的“最佳”选择没有明确定义，并且取决于场强，平均信号数，解剖特征和预测的病理学。使用以下0、1000和3000 s /mm²的b值的三张大脑图像显示出越来越多的扩散权重（如皮质脊髓束较亮所证明），而且噪声也更大。随着b值的增加，机械振动伪影也可能成为问题。实际上，大多数常规临床DWI当前使用的b值介于0到1000之间，而在中枢神经系统之外使用的b值略低。
新生儿和幼儿的大脑比成人的T2和ADC值长25-40％的大脑含水量高得多。在这些患者中，b值通常会变短，在600-700 s /mm²的范围内。一个有用的经验法则是选择b值，以便（b×ADC）≈1。
在人体成像中，通常使用起始b值为50（s /mm²）代替b = 0。为什么是这样？
在肝脏扩散加权成像中通常使用50 s /mm²的基线b值，而不是b =0。原因可以从下面的图像中显而易见。当b = 0时，由于血液的T2高和血流缓慢，在多条静脉中都注意到了明亮的信号。b0图像上的多个白点阵列使得难以区分囊肿，肿块和血管。通过将起始b值提高到50-100的低值，这些血管白点消失，从而提供了肝实质的更清晰可视化。
什么是Trace DW图像？它与ADC映射有何不同？
典型的扩散加权成像协议始于在关闭所有扩散敏化梯度的情况下获得的基线b0图像。此后，立即分别以各种组合应用扩散梯度，以生成一组对沿各个方向的扩散敏感的源图像。至少必须获取三组源图像。这些可以沿着实验室的x轴，y轴和z轴或三个任意垂直方向排列。较现代的方案通常会在6、20或更多方向上获取源图像，但最少为三个。
如果So是b0图像中某个点的信号强度，并且同一点上的方向特定扩散系数为Dxx，Dyy和Dzz，则x-，y-和z的信号强度-方向源图像由；
单个源图像通常不单独查看，而是合并为一个最终的诊断集。这些组合图像以各种名称而闻名：扩散加权图像，各向同性图像或痕迹图像。图像组合的最常见方法是采用几何均值：
在先前的问答中，我们解释了生物组织是各向异性的。它们具有随方向变化的多个扩散系数，并由扩散张量（3x3的数字数组）表示。术语“迹线”来自矩阵代数，在矩阵代数中表示这种阵列的对角元素之和。扩散张量的迹线（D迹线）等于（Dxx+ Dyy+Dzz）。使用轨迹的平均值，（Dxx+Dyy+Dzz）/ 3，将每个点的多向扩散率减小为一个整数，可以将其视为合并的视在扩散系数（ADC）。因此，术语“平均迹线”和“ADC”通常可以互换使用。
跟踪DW图像中每个体素的信号强度与其ADC值成反比。限制扩散的病变（中风，脓肿等）使ADC降低并显得明亮。相反，具有不受限制的扩散和较高ADC的物质（如脑脊髓液）显得较暗。 Trace DW图像不是扩散图；它仅是扩散加权的，其名称中隐含一个事实。痕量DW图像具有相当大的T2加权。因此，具有非常长或非常短的T2值的病变可能会“污染” Trace DW图像，从而使其“人为”显示为亮或暗。这些重要现象被称为“ T2透亮”和“ T2遮光”，这是以后的问答环节的主题。
可以从DW图像中数学去除T2效果，以创建具有表观扩散系数的纯参数图像（“ADC映射”）。通过将来自跟踪DW图像（SDWI）的信号除以来自b0图像中每个对应点的信号（So），然后取对数来创建ADC映射：
ADC映射仅显示合并的ADC值。由于它是通过数学计算得出的，因此看起来像“像素级”，“点”散布在对象周围的空气中。信号强度与Trace-DW图像的信号强度相反，后者可能会引起混淆。ADC值较短的组织（如笔画）显得较暗，而ADC值较长的CSF等材料则显得较亮。
DWI中的T2效果扩散加权成像（DWI）序列基于90°-180°架构，其中添加了一对脉冲扩散梯度（DG）。图像获取发生在自旋回波的时间附近，通常在TE= 60-120毫秒。此类序列的信号强度（SDWI）可写为
其中k为缩放常数，TR，TE和b为操作员选择的参数，[H]为自旋密度，ADC为视在扩散系数。用于大多数DWI序列的TR值非常长（8-10秒），因此（1-e-TR / T1）项可以忽略。
该方程式明确表明，Trace-DW图像的信号强度与T2直接相关，与ADC反相关。限制扩散的病变（中风，脓肿等）使ADC降低并显得明亮。相反，具有不受限制的扩散和较高ADC的物质（如脑脊髓液）显得较暗。得出的结论是，迹线DW图像同时具有扩散加权和T2加权。T2值很长的病变即使不限制扩散也可能显得明亮。如下所示，这种现象称为“ T2穿透”。每当在Trace DW图像上遇到明亮的病变时，都应检查ADC图以寻找对应的低信号区域（扩散受限）。在常规的T2加权图像上，此类病变也将显得非常明亮，可作为进一步的确认性发现。
“指数” ADC映射与“常规” ADC映射有何不同？在扩散加权（DW）图像上亮的病变并不全部限制扩散。有些延长了T2值，这些值会溢出到DW图像中，这种现象称为T2-“光亮穿透”。为了解决这个问题，通常参考ADC映射。但是，ADC映射具有与DW图像相反的灰度，这可能会导致混淆。为了克服查看两个单独的扩散图像集的需要，Jim Provenzale及其同事在1998年提出使用指数图像，即将b0图像除以常规DW图像。代数
其中So和SDWI是在给定点的b0和传统DW图像的信号强度。使用跟踪DWI，ADC的示例。指数图像如下所示。
赋予指数图像的其他名称包括指数ADC映射，指数扩散加权图像，衰减系数（AC）映射和衰减因子映射。受限扩散
