MR扩散成像在脑梗死早期诊断中的应用
作者：韩鸿宾 谢敬霞
单位：100083 北京医科大学第三临床医学院放射科
关键词：
中华放射学杂志980607.htm 脑血管病是严重危害人类健康的最常见疾病之一，具有高发病率、高死亡率、高致残率及高复发率的特点。由此而引起的瘫痪、失语、痴呆更是社会的沉重负担。如何早期诊断、早期治疗以降低死亡率，一直是医学界关注的热点。
笔者结合脑梗死研究的历史背景，针对磁共振扩散成像及表观自扩散系数图在脑梗死早期诊断中的实验与初步临床研究作一综述。
一、 历史背景
Astrup等[1]首先证实在脑血流量(CBF)降低但大于18ml*100g-1*min-1时躯体感觉诱发电位(SEP)保持正常；当介于12～16ml*100g-1*min-1时SEP波幅降低50%以上，而且在此域值时电功能活动的中断是可恢复的；当CBF低于12ml*100g-1*min-1时，SEP波形消失。Marcoux等[2]证实CBF低于5～15ml*100g-1*min-1时，持续1～3小时将发生选择性皮层坏死。Heiss等[3]也证实神经细胞在缺血时的存活时间取决于边缘带内灌注的多少：以电生理变化为标准，在5ml*100g-1*min-1的区域为30分钟，10ml*100g-1*min-1为50分钟。Carter等[4]用猫进行直接皮层反应(DCR)与脑血流的关系研究，结果：CBF为5ml*100g-1*min-1时DCR可持续存在30分钟，10ml*100g-1*min-1时延长为60分钟，15 ml*100g-1*min-1时为90分钟，17ml*100g-1*min-1时大于2小时。以上研究提示：在正常区与严重缺血区之间存在中间区，即边缘带，尽管神经功能与电活动中断，但膜上泵与离子梯度稳态仍然存在，该区是功能性电活动可恢复区。这种恢复具有一定的时间限制[5～8]。Bell等[8]的研究证实，在缺血后30分钟内再灌注，可避免脑水肿。如缺血持续存在，由于局部三磷酸腺甙(ATP)下降造成钠-钾泵失去正常功能，无氧糖酵解后细胞内乳酸增加，将发生细胞毒性水肿。磷脂分解代谢产生游离脂肪酸，与乳酸共同造成局部pH值下降，细胞膜及血脑屏障破坏。此时再灌注会加重脑水肿，压迫边缘带，使血流进一步下降，梗死灶中心区扩大[9～11]。
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动物实验及初步临床试验性治疗均证实在早期溶栓治疗有效，而且距发作时间越短疗效越好[12～15]。但选择性溶栓治疗如果时机选择不当,不仅会引起出血性脑梗死，而且再灌注损伤会加重局部脑组织缺氧，加重病情。回顾文献，选择性溶栓治疗指征仍无公认的标准，主要原因就是临床缺乏判断病人脑缺血区病理进程的客观指标。常规CT、MRI不能在超早期(6小时内)发现病变，临床症状与体征不能反映缺血区的范围与程度，临床目前多以病人口述发病时间为治疗依据，缺乏科学依据。
近年来，磁共振诊断，包括扩散成像、灌注、波谱化学分析等，人们围绕梗死区、可恢复区早期诊断、血流灌注情况及生理生化变化进行了大量的研究，并取得了较大进展。笔者主要针对扩散成像在这方面的研究作一综述。
二、MR扩散与表观自扩散系数成像原理与技术
1.扩散的概念：扩散是分子随机侧向运动,即布朗运动，单位为mm2/s或cm2/s。通常扩散用来描述分子等颗粒由高浓度向低浓度区扩散的微观运动，磁共振扩散成像实际上是测量水分子在水分子之间的运动。 扩散由分子动能产生,具有温度依赖性。
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一般用自由漫步模式来描述扩散过程：一个分子在某一给定位置停留时间常数τ,然后移动到新的位置,移动的范围及τ与分子颗粒大小及形状有关。每个分子对邻近分子不产生力的作用，也不受其他分子运动的影响。分子运动的轨迹与以前的运动无关, 即分子对过去运动的轨迹没有记忆性。在简单的一维随机漫步模式中,颗粒由起点开始, 经历时间τ后,向左与向右运动的几率相同,因此一组分子相对于起点的位移为零。结果，经过一段时间后，分子在空间相对于起点呈高斯分布。在一个给定的方向上,尽管正负位移总和为零，但平均位移的平方总是正值。在理想状态的单纯溶液中,分子的扩散符合爱因斯坦公式:
<χ2>=2DT……(1)
<χ2>是平均位移平方,D为扩散系数,T为扩散时间。即平均位移平方与扩散时间呈线性关系。
在活体组织中,由于存在阻碍分子扩散的细胞膜、细胞器等结构,以及隔室效应、细胞水化层的存在,扩散与时间不再遵循爱因斯坦公式。纯水的氢质子扩散系数为25×10-4mm2/s,而正常脑组织氢质子的扩散系数为8.61×10-4mm2/s。在受限扩散中,平均位移平方不再与扩散时间呈线性关系，扩散系数随时间延长越来越小。
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2.扩散的磁共振测量技术：Hahn[16]首先在1950年提出水扩散对磁共振信号的影响。之后，由Stejskal和Tanner[17]发展成为可测量的磁共振技术。近来，二维成像技术使磁共振活体测量扩散成为现实。一般采用如下方法：在常规自旋回波(SE)序列180°脉冲前后施加强梯度场, 如附图所示。
当质子沿梯度场进行扩散运动时, 质子的自旋频率将发生改变。结果在回波时间相位分散不能完全重聚，进而导致信号下降。信号的下降与表观扩散系数(ADC)值的关系可用下面公式表示：
ADC=ln(S2/S1)/(b1-b2)……(2)
S2与S1是不同扩散敏感系数(b)值条件下扩散加权像的信号强度。b值是关于外加梯度场的参数,可以表示如下: b=γ2δ2G2(Δ-δ/3)……(3)
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Gx: 频率编码；Gy: 相位编码；Gz: 层面选择；δ：梯度场持续时间；sp: 扰相梯度；fs: 脂肪饱和；Δ：梯度场间隔时间；t: 时间； TE：回波时间附图 自旋回波扩散加权序列
γ为氢质子旋磁比, Δ为两个梯度场的间隔时间,G为梯度场强，δ是梯度场的持续时间。较大的b值具有较大的扩散权重，并引起较大的信号下降。例如：当δ=20毫秒，Δ=56.01毫秒，假定其他成像梯度影响忽略不计，b=γ2δ2G2(Δ-δ/3)=1 271s/mm2；当G值减小到15 mT/m时, b值减小为318s/mm2。在典型的扩散加权像中, 一般的扩散梯度场持续时间为20毫秒, 梯度场强为20～30mT/m。从公式3也可以知道，b值的增大可通过增大G值、也可以通过延长Δ值来获得。大多数研究及临床试验所应用的MR机都是通过增加G值就可以使b值增加到1 000s/mm2以上[18]。
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在活体中, 扩散成像与分子所处的空间几何结构有关,而且不仅对扩散敏感,也对生理活动(如心脏、脉搏搏动)敏感,因而用ADC来表示活体中所测量到的扩散。同时,由于呼吸、脉搏搏动等因素存在, 将使组织中测到的ADC值增大。对扩散成像来说, 传统成像方法较慢，比如TR为1 800毫秒,TE为45毫秒，成像时间会达到8分钟多[19]，难以克服运动等伪影，更不适合于脑梗死急诊患者。为了克服这些因素对扩散测量的影响，目前的MR扩散成像多采用快速成像技术，如回波平面(EPI)技术。EPI技术是目前公认的最快的空间信号采集成像方法, 成像时间可达到30毫秒[20]。
EPI以一连串梯度场为特征，单次激发EPI仅激发1次即可完成K空间的信号采集。但是由于应用梯度场,所以存在顺磁性引起的伪影。在成像组织中, 局部组织顺磁性不同,在顺磁性相差悬殊的区域将形成梯度场，使其中的质子不能形成信号或信号减低。这种情况多出现在骨气交界处,所以,额叶与小脑区易形成伪影, 成像质量较差。通过减小成像像素大小, 可以降低梯度,从而减轻伪影, 但同时也使信号强度减弱。另外还存在n/2伪影(n代表原始采集次数)，因为人体结构的几何特性不同, 扩散在不同方向并不相同。如神经纤维走行区(脑白质、脊髓白质),神经轴突外包髓鞘，在此方向扩散受限；而在沿轴突方向却无髓鞘的阻挡,因此将扩散敏感梯度场施加在相位编码、层面选择、读出3个方向，进而, 立体地测量3个方向的扩散。
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三、扩散成像在脑缺血诊断中的实验与初步临床研究
扩散加权像能够在动脉阻塞后立即显示缺血区。Moseley等[21～24]通过与病理结果的对照证实，在大脑中动脉阻塞(MCAO)后45分钟可显示缺血区的确切范围。MCAO后33分钟时再灌注，扩散像上异常变化消失。磷、氢波谱分析与同一区域的缺血损伤相一致，而常规T1、T2像未显示病灶。Reith等[25]报道在MCAO后5分钟即可发现缺血变化。Busza等[26]应用Gerbil鼠MCAO模型证实，在CBF低于组织保持高能代谢和离子稳态的域值为15～20 ml*100g-1*min-1时，扩散加权像信号强度增高, 与ATP耗尽及细胞外钾升高在时间上是一致的，提示扩散加权像对脑组织能量衰竭的域值及膜离子梯度的紊乱较敏感。
扩散成像可以显示不可逆与可逆脑损害区。Minematsu等[19]在大鼠MCAO模型中证实：1小时后再灌注扩散加权像显示异常信号范围下降55%。2小时后再灌注，下降17%。扩散加权像上可恢复区的信号强度比率较不可恢复区小，并具有显著性差异。Hasegawa等[27]的研究结果表明，MCAO后45分钟灌注时，ADC值较健侧相应部位低2×10-5mm2/s的区域最终发生脑梗死。
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关于脑缺血时扩散下降的确切生物物理学机制仍不清楚。目前存在细胞毒性水肿、微循环障碍、温度、膜通透性变化学说。多数实验的结果都支持细胞毒性水肿学说。
在常规T1、T2及质子加权像上早期脑缺血无异常变化，说明组织总水含量在这个阶段并无增加。提示扩散异常可能是由于细胞内外水的分配比例变化。缺血几分钟后需能钠-钾泵功能失调，将导致钠、水潴留[28]。通过输入钠-钾ATP酶抑制剂毒毛旋花子甙G(Ouabain)或N-甲基-D-门冬胺酸(NMDA)受体活化剂均可产生与缺血类似的ADC值下降。NMDA受体拮抗剂MK-801及钙离子阻滞剂可使扩散异常得以恢复[27～30]。近来研究表明，ADC值在神经元去极化时会发生短暂下降。缺血后引发的缺血相关性传导抑制的实质就是膜上泵能量衰竭所引起的传导抑制，ADC成像可以观察到传导抑制样活动[31,32]。
目前，随着MRI快速扫描等技术的发展，临床应用已经成为可能 。Warach等[18]在临床试验中证实了部分动物实验的结论：ADC图早于T2及质子加权像显示病变区；之后的研究工作证实了人脑梗死中ADC图的演变具有一定规律性，即随时间延长病灶中心区ADC值由低到高，于第5～10天出现假性正常化。
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Pierpaoli等[33]用光化学模型研究这种演变的病理基础，证实这种演变只见于扩散加权像而不见于T2加权像，中心区出现等信号时神经元出现不可逆损伤(6小时)，在24小时，表观扩散系数比率(ADCR)增高，缺血局部出现坏死。Matsumoto等[34]研究MCAO后ADC图与免疫组化的关系，证实假性正常化的病理基础为血管源性水肿和细胞溶解，ADC值的进一步升高与局部梗死灶坏死有关。
四、MR扩散加权像在脑梗死临床诊治中的应用前景
目前，针对脑梗死，尤其超早期脑梗死的溶通治疗仍是有争议的领域。一方面,从治疗角度,动脉溶栓方法不统一,包括给药的种类、部位、剂量、速度等，尚无大规模临床对比试验证实其疗效，大多数小样本临床试验证实超早期动脉溶栓有效。溶栓时机一般认为颈内动脉及其分支区梗死应在6小时内进行；椎基动脉及其主要分支区可延长到12小时。另一方面,从诊断角度, 临床症状及体征不能真正反映脑缺血的范围及程度，也无能够反映脑梗死早期病理过程的成像方法。扩散像能够早期发现缺血病灶,并具有一定的演变规律,解决了超早期脑缺血的定位问题。目前, 脑梗死超早期溶栓时机多由起病时间来决定,不够准确和客观，而且超早期治疗的时机不仅与缺血区病理形态变化有关,而且还与局部脑组织的血流下降、生化变化等功能性指标有关,所以结合MR血流灌注、波谱分析,对其病理、病理生理、生化基础研究将为各种治疗方法的疗效评价提供客观指标，是进行合理科学地超早期动脉溶通治疗的前提和基础。
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参考文献
1 Astrup J, Siesj BK,Symon L.Thresholds in cerebral ischemia the ischemic penumbra. Stroke, 1981,12:723-725.
2 Marcoux FW, Morawetz RB,Crowell RM, et al. Differential regional vulnerability in transient focal cerebral ischemia. Stroke , 1982 ,13:339-346.
3 Heiss WD， Rosner G. Functional recovery of cortical neurons as related to degrec and duration of ischmia. Ann Neurol, 1983, 14: 294-301.
, 百拇医药
4 Carter LP, Yamagata S,Erspamer R. Time limits of reversible cortical ischemia .Neurosurgery, 1983,12:620-623.
5 Heiss WD, Hayakawa T,Walz AG. Cortical neuronal function of during ischemia:effects of occlusion of one middle cerebral artery on single-unit activity in cats. Arch Neurol, 1976, 33:813-820.
6 Morawetz RB, De Girolami U, Ojemann RG, et al. Cerebral blood flow determined by hydrogen clearance during middle cerebral artery occlusion in unanesthetized monkeys. Stroke, 1978,9:143-149.
, http://www.100md.com
7 Jones TH,Morawetz RB,Crowell RM, et al. Thresholds of focal cerebral ischemia in awake monkeys. J Neurosurg, 1981,54:773-782.
8 Bell BA, Symon L, Branston NM.CBF and time thresholds for the formation of ischemic cerebral edema, and effect of reperfusion in baboons.J Neurosurg,1985,62:31-41.
9 Nedergaard M, Gjedde A, Diener NH.Focal ischemia of rat brain: autoradiographic determination of cerebral glucose utilization, glucose content, and blood flow. J Cerebral Blood Flow Metab, 1986,6:414-424.
, http://www.100md.com
10 Astrup J, Symon L,Branston NM,et al.Cortical evoked potential and extracelluar K+and H+ at critical level of ischemia. Stroke, 1977,8:51-57.
11 Brant-Zawadzki M, Weinstein P, Bartkowski H, et al. MR imaging and spectroscopy in clinical and experimental cerebral ischemia :a review. AJR ,1987,148:579-588.
12 Memezawa H, Smith ML,Siesj BK. Penumbral tissues salvaged by reperfusion following middle cerebral artery occlusion in rats. Stroke ,1992,23:552-559.
, 百拇医药
13 Weistein PR,Anderxon GG, Telles DA.Neurological deficit and cerebral infarction after temporary middle cerebral artery occlusion in unanesthetized cats.Stroke ,1986, 17:318-324.
14 Del Zoppo GJ, Ferbert A, Otis S, et al.Local intra-arterial fibrinolytic therapy in actue carotid territory stroke: a pilot study. Stroke, 1988,19:307-313.
15 Okada Y,Sadoshima S,Nakane H, et al.Early computed tomographic findings for thrombolytic therapy in patients with acute brain embolism. Stroke, 1992,23:20-23.
, 百拇医药
16 Hahn EL.Spin echoes. Physical Review, 1950,80:580-594.
17 Stejskal EO, Tanner JE. Spin diffasion measurements: spin echjoes in the presence of a time dependent field gradient .J Chemic Physics, 1965,42:288-292.
18 Warach S, Gaa J, Siewert B, et al. Acute human stroke studied by whole brain echo planar diffusion-weighed magnetic resonance imaging. Ann Neurol, 1995,37:231-241.
19 Minematsu K, Li L, Sotak CH,et al. Reversible focal ischemic injury demonstrated by diffusion-weighted magnetic resonance imaging in rats. Stroke, 1992,23:1 304-1 310.
, 百拇医药
20 Edelman RR, Wielopolski P, Schmitt F. Echo-planar imaging.Radiology, 1994,192:600-612.
21 Moseley ME, Cohen Y, Mintorovitch J, et al. Early detection of regional cerebral ischemia in cats:comparion of diffusion-and T2-weighed MRI and spectroscopy. Magn Reson Med, 1990, 14:330-336.
22 Mintorovitch J,Moseley ME,Chilenitt L, et al. Comparison of diffusion-and T2-weighted MRI for the early detection of cerebral ischemia and reperfusion in rats. Magn Reson Med , 1991,18:39-50.
, 百拇医药
23 Moseley ME,Kucharczyk J,Mintorovitch J,et al. Diffusion-weighted MR imaging of acute stroke :correlation with T2-weighted and magnetic susceptibility-enhanced MR imaging in cats. AJNR, 1990,11:423-429.
24 Knight RA,Ordidge RJ,Helpern JA, et al . Temporal evolution of ischemia damage in rat brain measured by proton nuclear magnetic resonance imaging.Stroke, 1991,22:802-808.
25 Reith W,Hasegawa Y , Latour LL, et al . Multislice diffusion mapping for 3-D evolution of cerebral ischemia in a rat stroke model.Neurology, 1995,45:172-177.
, 百拇医药
26 Busza AL, Allen KL, King MD,et al.Diffusion-weighted imaging studies of cerebral ischemia in gerbils: potential relevance to energy failure .Stroke, 1992,23:1 602-1 612.
27 Hasegawa Y,Fisher M,Latour LL, et al. MRI diffusion mapping of reversible and irreversible ischemic injury in focal brain ischemia.Neurology, 1994,44:1 484-1 490.
28 Benceniste H, Hedlund LW,Johnson GA.Mechanism of detection of acute cerebral ischemia in rats by diffusion weighted magnetic resonance imaging.Stroke, 1992,23:1 304-1 310.
, http://www.100md.com
29 Minematsu K, Fisher M, Li L, et al. Effects of a novel NMDA antagoanist on experimental stroke rapidly and quantitativly assessed by diffusion-weighted MRI. Neurology, 1993,43:397-403.
30 Kucharczyk J,Mintorovitch J,Moseley ME, et al.Ischemic brain damage :reduction by sodium-calcium ion channel modulator RS-87476.Radiology, 1991,179:221-227.
31 Latour LL, Hasegawa Y, Formato JE, et al. Spreading waves of decreased diffusion coefficient after cortical stimulation in the rat brain. MRM, 1994, 32: 189-198.
, http://www.100md.com
32 Takano K,Latour LL,Formato JE, et al.The role of spreading depression in focal ischemia evaluated by diffusion mapping.Ann Neurol, 1996,39:308-318.
33 Piepaoli C, Righini A, Infante IL ,et al. Histopathologic correlates of abnormal water diffusion in cerebral ischemia: diffusion-weighted MR imaging and light electron microscopic study. Radiology, 1993,189:439-448.
34 Matsumoto K, Lo EH, Pierce AR, et al . Role of vasogenic edema and tissue cavitation in ischemic evolution on diffusion weighted imaging:comparison with multiparameter MR and immunohistochemistry . AJNR, 1995,16:1 107-1 115.
(收稿：1997-08-15 修回：1997-12-28), 百拇医药
单位：100083 北京医科大学第三临床医学院放射科
关键词：
中华放射学杂志980607.htm 脑血管病是严重危害人类健康的最常见疾病之一，具有高发病率、高死亡率、高致残率及高复发率的特点。由此而引起的瘫痪、失语、痴呆更是社会的沉重负担。如何早期诊断、早期治疗以降低死亡率，一直是医学界关注的热点。
笔者结合脑梗死研究的历史背景，针对磁共振扩散成像及表观自扩散系数图在脑梗死早期诊断中的实验与初步临床研究作一综述。
一、 历史背景
Astrup等[1]首先证实在脑血流量(CBF)降低但大于18ml*100g-1*min-1时躯体感觉诱发电位(SEP)保持正常；当介于12～16ml*100g-1*min-1时SEP波幅降低50%以上，而且在此域值时电功能活动的中断是可恢复的；当CBF低于12ml*100g-1*min-1时，SEP波形消失。Marcoux等[2]证实CBF低于5～15ml*100g-1*min-1时，持续1～3小时将发生选择性皮层坏死。Heiss等[3]也证实神经细胞在缺血时的存活时间取决于边缘带内灌注的多少：以电生理变化为标准，在5ml*100g-1*min-1的区域为30分钟，10ml*100g-1*min-1为50分钟。Carter等[4]用猫进行直接皮层反应(DCR)与脑血流的关系研究，结果：CBF为5ml*100g-1*min-1时DCR可持续存在30分钟，10ml*100g-1*min-1时延长为60分钟，15 ml*100g-1*min-1时为90分钟，17ml*100g-1*min-1时大于2小时。以上研究提示：在正常区与严重缺血区之间存在中间区，即边缘带，尽管神经功能与电活动中断，但膜上泵与离子梯度稳态仍然存在，该区是功能性电活动可恢复区。这种恢复具有一定的时间限制[5～8]。Bell等[8]的研究证实，在缺血后30分钟内再灌注，可避免脑水肿。如缺血持续存在，由于局部三磷酸腺甙(ATP)下降造成钠-钾泵失去正常功能，无氧糖酵解后细胞内乳酸增加，将发生细胞毒性水肿。磷脂分解代谢产生游离脂肪酸，与乳酸共同造成局部pH值下降，细胞膜及血脑屏障破坏。此时再灌注会加重脑水肿，压迫边缘带，使血流进一步下降，梗死灶中心区扩大[9～11]。
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动物实验及初步临床试验性治疗均证实在早期溶栓治疗有效，而且距发作时间越短疗效越好[12～15]。但选择性溶栓治疗如果时机选择不当,不仅会引起出血性脑梗死，而且再灌注损伤会加重局部脑组织缺氧，加重病情。回顾文献，选择性溶栓治疗指征仍无公认的标准，主要原因就是临床缺乏判断病人脑缺血区病理进程的客观指标。常规CT、MRI不能在超早期(6小时内)发现病变，临床症状与体征不能反映缺血区的范围与程度，临床目前多以病人口述发病时间为治疗依据，缺乏科学依据。
近年来，磁共振诊断，包括扩散成像、灌注、波谱化学分析等，人们围绕梗死区、可恢复区早期诊断、血流灌注情况及生理生化变化进行了大量的研究，并取得了较大进展。笔者主要针对扩散成像在这方面的研究作一综述。
二、MR扩散与表观自扩散系数成像原理与技术
1.扩散的概念：扩散是分子随机侧向运动,即布朗运动，单位为mm2/s或cm2/s。通常扩散用来描述分子等颗粒由高浓度向低浓度区扩散的微观运动，磁共振扩散成像实际上是测量水分子在水分子之间的运动。 扩散由分子动能产生,具有温度依赖性。
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一般用自由漫步模式来描述扩散过程：一个分子在某一给定位置停留时间常数τ,然后移动到新的位置,移动的范围及τ与分子颗粒大小及形状有关。每个分子对邻近分子不产生力的作用，也不受其他分子运动的影响。分子运动的轨迹与以前的运动无关, 即分子对过去运动的轨迹没有记忆性。在简单的一维随机漫步模式中,颗粒由起点开始, 经历时间τ后,向左与向右运动的几率相同,因此一组分子相对于起点的位移为零。结果，经过一段时间后，分子在空间相对于起点呈高斯分布。在一个给定的方向上,尽管正负位移总和为零，但平均位移的平方总是正值。在理想状态的单纯溶液中,分子的扩散符合爱因斯坦公式:
<χ2>=2DT……(1)
<χ2>是平均位移平方,D为扩散系数,T为扩散时间。即平均位移平方与扩散时间呈线性关系。
在活体组织中,由于存在阻碍分子扩散的细胞膜、细胞器等结构,以及隔室效应、细胞水化层的存在,扩散与时间不再遵循爱因斯坦公式。纯水的氢质子扩散系数为25×10-4mm2/s,而正常脑组织氢质子的扩散系数为8.61×10-4mm2/s。在受限扩散中,平均位移平方不再与扩散时间呈线性关系，扩散系数随时间延长越来越小。
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2.扩散的磁共振测量技术：Hahn[16]首先在1950年提出水扩散对磁共振信号的影响。之后，由Stejskal和Tanner[17]发展成为可测量的磁共振技术。近来，二维成像技术使磁共振活体测量扩散成为现实。一般采用如下方法：在常规自旋回波(SE)序列180°脉冲前后施加强梯度场, 如附图所示。
当质子沿梯度场进行扩散运动时, 质子的自旋频率将发生改变。结果在回波时间相位分散不能完全重聚，进而导致信号下降。信号的下降与表观扩散系数(ADC)值的关系可用下面公式表示：
ADC=ln(S2/S1)/(b1-b2)……(2)
S2与S1是不同扩散敏感系数(b)值条件下扩散加权像的信号强度。b值是关于外加梯度场的参数,可以表示如下: b=γ2δ2G2(Δ-δ/3)……(3)
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Gx: 频率编码；Gy: 相位编码；Gz: 层面选择；δ：梯度场持续时间；sp: 扰相梯度；fs: 脂肪饱和；Δ：梯度场间隔时间；t: 时间； TE：回波时间附图 自旋回波扩散加权序列
γ为氢质子旋磁比, Δ为两个梯度场的间隔时间,G为梯度场强，δ是梯度场的持续时间。较大的b值具有较大的扩散权重，并引起较大的信号下降。例如：当δ=20毫秒，Δ=56.01毫秒，假定其他成像梯度影响忽略不计，b=γ2δ2G2(Δ-δ/3)=1 271s/mm2；当G值减小到15 mT/m时, b值减小为318s/mm2。在典型的扩散加权像中, 一般的扩散梯度场持续时间为20毫秒, 梯度场强为20～30mT/m。从公式3也可以知道，b值的增大可通过增大G值、也可以通过延长Δ值来获得。大多数研究及临床试验所应用的MR机都是通过增加G值就可以使b值增加到1 000s/mm2以上[18]。
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在活体中, 扩散成像与分子所处的空间几何结构有关,而且不仅对扩散敏感,也对生理活动(如心脏、脉搏搏动)敏感,因而用ADC来表示活体中所测量到的扩散。同时,由于呼吸、脉搏搏动等因素存在, 将使组织中测到的ADC值增大。对扩散成像来说, 传统成像方法较慢，比如TR为1 800毫秒,TE为45毫秒，成像时间会达到8分钟多[19]，难以克服运动等伪影，更不适合于脑梗死急诊患者。为了克服这些因素对扩散测量的影响，目前的MR扩散成像多采用快速成像技术，如回波平面(EPI)技术。EPI技术是目前公认的最快的空间信号采集成像方法, 成像时间可达到30毫秒[20]。
EPI以一连串梯度场为特征，单次激发EPI仅激发1次即可完成K空间的信号采集。但是由于应用梯度场,所以存在顺磁性引起的伪影。在成像组织中, 局部组织顺磁性不同,在顺磁性相差悬殊的区域将形成梯度场，使其中的质子不能形成信号或信号减低。这种情况多出现在骨气交界处,所以,额叶与小脑区易形成伪影, 成像质量较差。通过减小成像像素大小, 可以降低梯度,从而减轻伪影, 但同时也使信号强度减弱。另外还存在n/2伪影(n代表原始采集次数)，因为人体结构的几何特性不同, 扩散在不同方向并不相同。如神经纤维走行区(脑白质、脊髓白质),神经轴突外包髓鞘，在此方向扩散受限；而在沿轴突方向却无髓鞘的阻挡,因此将扩散敏感梯度场施加在相位编码、层面选择、读出3个方向，进而, 立体地测量3个方向的扩散。
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三、扩散成像在脑缺血诊断中的实验与初步临床研究
扩散加权像能够在动脉阻塞后立即显示缺血区。Moseley等[21～24]通过与病理结果的对照证实，在大脑中动脉阻塞(MCAO)后45分钟可显示缺血区的确切范围。MCAO后33分钟时再灌注，扩散像上异常变化消失。磷、氢波谱分析与同一区域的缺血损伤相一致，而常规T1、T2像未显示病灶。Reith等[25]报道在MCAO后5分钟即可发现缺血变化。Busza等[26]应用Gerbil鼠MCAO模型证实，在CBF低于组织保持高能代谢和离子稳态的域值为15～20 ml*100g-1*min-1时，扩散加权像信号强度增高, 与ATP耗尽及细胞外钾升高在时间上是一致的，提示扩散加权像对脑组织能量衰竭的域值及膜离子梯度的紊乱较敏感。
扩散成像可以显示不可逆与可逆脑损害区。Minematsu等[19]在大鼠MCAO模型中证实：1小时后再灌注扩散加权像显示异常信号范围下降55%。2小时后再灌注，下降17%。扩散加权像上可恢复区的信号强度比率较不可恢复区小，并具有显著性差异。Hasegawa等[27]的研究结果表明，MCAO后45分钟灌注时，ADC值较健侧相应部位低2×10-5mm2/s的区域最终发生脑梗死。
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关于脑缺血时扩散下降的确切生物物理学机制仍不清楚。目前存在细胞毒性水肿、微循环障碍、温度、膜通透性变化学说。多数实验的结果都支持细胞毒性水肿学说。
在常规T1、T2及质子加权像上早期脑缺血无异常变化，说明组织总水含量在这个阶段并无增加。提示扩散异常可能是由于细胞内外水的分配比例变化。缺血几分钟后需能钠-钾泵功能失调，将导致钠、水潴留[28]。通过输入钠-钾ATP酶抑制剂毒毛旋花子甙G(Ouabain)或N-甲基-D-门冬胺酸(NMDA)受体活化剂均可产生与缺血类似的ADC值下降。NMDA受体拮抗剂MK-801及钙离子阻滞剂可使扩散异常得以恢复[27～30]。近来研究表明，ADC值在神经元去极化时会发生短暂下降。缺血后引发的缺血相关性传导抑制的实质就是膜上泵能量衰竭所引起的传导抑制，ADC成像可以观察到传导抑制样活动[31,32]。
目前，随着MRI快速扫描等技术的发展，临床应用已经成为可能 。Warach等[18]在临床试验中证实了部分动物实验的结论：ADC图早于T2及质子加权像显示病变区；之后的研究工作证实了人脑梗死中ADC图的演变具有一定规律性，即随时间延长病灶中心区ADC值由低到高，于第5～10天出现假性正常化。
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Pierpaoli等[33]用光化学模型研究这种演变的病理基础，证实这种演变只见于扩散加权像而不见于T2加权像，中心区出现等信号时神经元出现不可逆损伤(6小时)，在24小时，表观扩散系数比率(ADCR)增高，缺血局部出现坏死。Matsumoto等[34]研究MCAO后ADC图与免疫组化的关系，证实假性正常化的病理基础为血管源性水肿和细胞溶解，ADC值的进一步升高与局部梗死灶坏死有关。
四、MR扩散加权像在脑梗死临床诊治中的应用前景
目前，针对脑梗死，尤其超早期脑梗死的溶通治疗仍是有争议的领域。一方面,从治疗角度,动脉溶栓方法不统一,包括给药的种类、部位、剂量、速度等，尚无大规模临床对比试验证实其疗效，大多数小样本临床试验证实超早期动脉溶栓有效。溶栓时机一般认为颈内动脉及其分支区梗死应在6小时内进行；椎基动脉及其主要分支区可延长到12小时。另一方面,从诊断角度, 临床症状及体征不能真正反映脑缺血的范围及程度，也无能够反映脑梗死早期病理过程的成像方法。扩散像能够早期发现缺血病灶,并具有一定的演变规律,解决了超早期脑缺血的定位问题。目前, 脑梗死超早期溶栓时机多由起病时间来决定,不够准确和客观，而且超早期治疗的时机不仅与缺血区病理形态变化有关,而且还与局部脑组织的血流下降、生化变化等功能性指标有关,所以结合MR血流灌注、波谱分析,对其病理、病理生理、生化基础研究将为各种治疗方法的疗效评价提供客观指标，是进行合理科学地超早期动脉溶通治疗的前提和基础。
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参考文献
1 Astrup J, Siesj BK,Symon L.Thresholds in cerebral ischemia the ischemic penumbra. Stroke, 1981,12:723-725.
2 Marcoux FW, Morawetz RB,Crowell RM, et al. Differential regional vulnerability in transient focal cerebral ischemia. Stroke , 1982 ,13:339-346.
3 Heiss WD， Rosner G. Functional recovery of cortical neurons as related to degrec and duration of ischmia. Ann Neurol, 1983, 14: 294-301.
, 百拇医药
4 Carter LP, Yamagata S,Erspamer R. Time limits of reversible cortical ischemia .Neurosurgery, 1983,12:620-623.
5 Heiss WD, Hayakawa T,Walz AG. Cortical neuronal function of during ischemia:effects of occlusion of one middle cerebral artery on single-unit activity in cats. Arch Neurol, 1976, 33:813-820.
6 Morawetz RB, De Girolami U, Ojemann RG, et al. Cerebral blood flow determined by hydrogen clearance during middle cerebral artery occlusion in unanesthetized monkeys. Stroke, 1978,9:143-149.
, http://www.100md.com
7 Jones TH,Morawetz RB,Crowell RM, et al. Thresholds of focal cerebral ischemia in awake monkeys. J Neurosurg, 1981,54:773-782.
8 Bell BA, Symon L, Branston NM.CBF and time thresholds for the formation of ischemic cerebral edema, and effect of reperfusion in baboons.J Neurosurg,1985,62:31-41.
9 Nedergaard M, Gjedde A, Diener NH.Focal ischemia of rat brain: autoradiographic determination of cerebral glucose utilization, glucose content, and blood flow. J Cerebral Blood Flow Metab, 1986,6:414-424.
, http://www.100md.com
10 Astrup J, Symon L,Branston NM,et al.Cortical evoked potential and extracelluar K+and H+ at critical level of ischemia. Stroke, 1977,8:51-57.
11 Brant-Zawadzki M, Weinstein P, Bartkowski H, et al. MR imaging and spectroscopy in clinical and experimental cerebral ischemia :a review. AJR ,1987,148:579-588.
12 Memezawa H, Smith ML,Siesj BK. Penumbral tissues salvaged by reperfusion following middle cerebral artery occlusion in rats. Stroke ,1992,23:552-559.
, 百拇医药
13 Weistein PR,Anderxon GG, Telles DA.Neurological deficit and cerebral infarction after temporary middle cerebral artery occlusion in unanesthetized cats.Stroke ,1986, 17:318-324.
14 Del Zoppo GJ, Ferbert A, Otis S, et al.Local intra-arterial fibrinolytic therapy in actue carotid territory stroke: a pilot study. Stroke, 1988,19:307-313.
15 Okada Y,Sadoshima S,Nakane H, et al.Early computed tomographic findings for thrombolytic therapy in patients with acute brain embolism. Stroke, 1992,23:20-23.
, 百拇医药
16 Hahn EL.Spin echoes. Physical Review, 1950,80:580-594.
17 Stejskal EO, Tanner JE. Spin diffasion measurements: spin echjoes in the presence of a time dependent field gradient .J Chemic Physics, 1965,42:288-292.
18 Warach S, Gaa J, Siewert B, et al. Acute human stroke studied by whole brain echo planar diffusion-weighed magnetic resonance imaging. Ann Neurol, 1995,37:231-241.
19 Minematsu K, Li L, Sotak CH,et al. Reversible focal ischemic injury demonstrated by diffusion-weighted magnetic resonance imaging in rats. Stroke, 1992,23:1 304-1 310.
, 百拇医药
20 Edelman RR, Wielopolski P, Schmitt F. Echo-planar imaging.Radiology, 1994,192:600-612.
21 Moseley ME, Cohen Y, Mintorovitch J, et al. Early detection of regional cerebral ischemia in cats:comparion of diffusion-and T2-weighed MRI and spectroscopy. Magn Reson Med, 1990, 14:330-336.
22 Mintorovitch J,Moseley ME,Chilenitt L, et al. Comparison of diffusion-and T2-weighted MRI for the early detection of cerebral ischemia and reperfusion in rats. Magn Reson Med , 1991,18:39-50.
, 百拇医药
23 Moseley ME,Kucharczyk J,Mintorovitch J,et al. Diffusion-weighted MR imaging of acute stroke :correlation with T2-weighted and magnetic susceptibility-enhanced MR imaging in cats. AJNR, 1990,11:423-429.
24 Knight RA,Ordidge RJ,Helpern JA, et al . Temporal evolution of ischemia damage in rat brain measured by proton nuclear magnetic resonance imaging.Stroke, 1991,22:802-808.
25 Reith W,Hasegawa Y , Latour LL, et al . Multislice diffusion mapping for 3-D evolution of cerebral ischemia in a rat stroke model.Neurology, 1995,45:172-177.
, 百拇医药
26 Busza AL, Allen KL, King MD,et al.Diffusion-weighted imaging studies of cerebral ischemia in gerbils: potential relevance to energy failure .Stroke, 1992,23:1 602-1 612.
27 Hasegawa Y,Fisher M,Latour LL, et al. MRI diffusion mapping of reversible and irreversible ischemic injury in focal brain ischemia.Neurology, 1994,44:1 484-1 490.
28 Benceniste H, Hedlund LW,Johnson GA.Mechanism of detection of acute cerebral ischemia in rats by diffusion weighted magnetic resonance imaging.Stroke, 1992,23:1 304-1 310.
, http://www.100md.com
29 Minematsu K, Fisher M, Li L, et al. Effects of a novel NMDA antagoanist on experimental stroke rapidly and quantitativly assessed by diffusion-weighted MRI. Neurology, 1993,43:397-403.
30 Kucharczyk J,Mintorovitch J,Moseley ME, et al.Ischemic brain damage :reduction by sodium-calcium ion channel modulator RS-87476.Radiology, 1991,179:221-227.
31 Latour LL, Hasegawa Y, Formato JE, et al. Spreading waves of decreased diffusion coefficient after cortical stimulation in the rat brain. MRM, 1994, 32: 189-198.
, http://www.100md.com
32 Takano K,Latour LL,Formato JE, et al.The role of spreading depression in focal ischemia evaluated by diffusion mapping.Ann Neurol, 1996,39:308-318.
33 Piepaoli C, Righini A, Infante IL ,et al. Histopathologic correlates of abnormal water diffusion in cerebral ischemia: diffusion-weighted MR imaging and light electron microscopic study. Radiology, 1993,189:439-448.
34 Matsumoto K, Lo EH, Pierce AR, et al . Role of vasogenic edema and tissue cavitation in ischemic evolution on diffusion weighted imaging:comparison with multiparameter MR and immunohistochemistry . AJNR, 1995,16:1 107-1 115.
(收稿：1997-08-15 修回：1997-12-28), 百拇医药