MRI is a noninvasive medical imaging test that uses magnets and radio waves to create detailed images of almost every internal structure in the body. MRI核心组件包括：

  • 主磁场（Main Magnetic Field），在最常见的筒形（闭式）MRI设备中，B₀的方向与检查孔洞（患者进入的通道）的长轴平行，其强度单位是特斯拉（Tesla, T）。临床常用的是1.5T和3.0T，科研用的超高场设备可达7.0T甚至更高（地球磁场强度约为0.00005T或50微特斯拉）。
  • 发射线圈 (Transmit Coil)，产生射频脉冲（RF Pulse），其能量产生磁场成分（B1场） 用于激发人体内的质子（氢原子核），使它们的磁化方向发生偏转，从而脱离平衡状态。放射线圈通常是一个大型的、固定的线圈，集成在扫描仪孔洞的内壁上。它产生的射频场需要均匀地覆盖整个扫描区域（如整个头部或全身），以确保所有目标区域内的质子都能被均匀地激发。对于大多数临床检查，一台MRI机器通常只有一个发射线圈。
  • 接收线圈 (Receive Coil)，当质子被激发后，在恢复到平衡状态（弛豫）的过程中，会释放出电磁波信号。接收线圈的作用就是探测这些非常微弱的信号。接收线圈离目标组织越近，其接收到的信号就越强，信噪比（SNR）就越高，图像质量也就越好。因此，接收线圈通常是根据身体特定部位“量身定制” 的，并且需要紧贴着被扫描的部位放置。一台MRI机器会配备很多种不同的接收线圈，例如，头线圈 (Head Coil)像一个头盔一样包裹住头部。

1. Magnetic Resonance Imaging

MRI是Magnetic Resonance Imaging的首字母缩写，叫磁共振成像。MRI核心过程是利用强磁场（就是设备的主磁场，B0，比如1.5T，3.0T）使人体内的氢原子核（质子，包括水分子和脂肪）旋转方向一致，然后在射频脉冲（是振荡的电磁场，一种特定频率的电磁波，Radio Wave）的作用下，上述排序会发生变化，继而引发磁场信号的变化，不同病理组织由于含水不同，这个变化的时间就有差异，经计算机处理重建后会形成反应组织结构的解剖图像，反映不同疾病的病理状态。

基本过程如下：

  • 对齐（Alignment）：将人体置于强大的静态磁场（MRI设备）中，体内无序运动的质子（主要是水分子中的氢核）像无数个小磁针一样沿着磁场方向排列。
  • 激发（Excitation）：发射特定频率的射频脉冲（Radiofrequency Pulse，产生B1磁场），扰乱质子的有序状态，使其吸收能量发生发生偏转和共振。

    • 射频脉冲的频率 = 质子的拉莫尔频率

    • 当两者频率匹配时，发生共振（Resonance）。质子会高效地从射频脉冲中吸收能量，宏观表现就是净磁化矢量（Net Magnetization Vector）从纵向（Z轴）被扳倒到横向（XY平面）。

  • 弛豫（Relaxation）：关闭射频脉冲后，质子会释放吸收的能量并逐渐恢复到原来的平衡状态，这个过程称为“弛豫”，所谓撤资后的回落。

    • T1是纵向弛豫，衡量被扳倒的净磁化矢量沿着（纵）主磁场（Z轴）方向恢复到初始平衡状态所需时间的常数。时间短，短T1，恢复快，信号强，图像亮，见于脂肪、顺磁性物质（如对比剂钆）、亚急性期出血。

    • T2是横向弛豫，衡量在XY平面上旋转的质子失去相位一致性（失相位） 所需时间的常数。从有序到无序的时间，源于质子间能量相互传递，时间长，长T2，恢复慢，信号强，图像亮，见于水、脑脊液（CSF）、水/囊肿。

  • 采集（Signal Acquisition）：周围的接收线圈会探测到质子弛豫过程中释放的电磁信号，所谓回落时间不等，有差异，可成像。
  • 成像（Image Formation）：计算机通过复杂的算法，根据信号的空间频率（通过梯度磁场实现空间编码）和强弱（由弛豫时间，包括T1、T2等决定），重建图像。MRI最终采集到的信号是随时间变化的电压信号，更专业地称为自由感应衰减（FID）信号或回波信号。它本质上是一个时间域（Time Domain） 上的模拟电信号。
2. Diffusion Weighted Imaging

弥散（Diffusion）犹如在一杯清水中滴入一滴墨水，随着时间的推移，这滴墨水会慢慢地、自发地向四周的清水散开，最终整杯水都会变成淡淡的颜色的过程。水分子从高浓度区域向低浓度区域随机、无规则（布朗运动）移动的过程，也是弥散（Diffusion）。

在人体组织中，水分子同样在进行着这种永不停止的、随机的热运动。弥散加权成像（DWI） 就是一种对水分子这种随机运动非常敏感的磁共振成像技术。

MRI机器可以通过施加一对特殊的、强度相同但方向相反的弥散敏感梯度（Diffusion-Sensitizing Gradients） 脉冲来“标记”水分子的运动。

  • 假如水分子不动：第一个梯度脉冲会让所有水分子的相位发生偏转，第二个反向的梯度脉冲（called diffusion encoding）又会完美地将这个偏转“纠正”回来。信号几乎没有损失，源于病理状态，称为弥散受限，在图像上就显得很亮。

  • 假如水分子移动了：如果一个水分子在两次梯度脉冲之间移动了位置，第二个梯度脉冲就无法完美地“纠正”第一个脉冲造成的相位偏转。这些分子就会“失相位”，导致信号丢失，表现为低信号，表示弥散不受限，属于生理状态，在图像上就显得更暗。

结果就是，DWI图像上的信号强度（亮度）反映了水分子弥散受限制的程度。弥散受限，静止的水分子信号强（亮）；弥散不受限，运动的水分子信号弱（暗）。

  • 高信号（亮）的区域：代表弥散受限（Restricted Diffusion），源于水分子的自由运动受到了阻碍，见于病理状态，尤其是急性脑梗死会导致细胞毒性水肿，细胞肿胀，细胞外间隙变小，水分子被“困”在细胞内，无法自由移动，因此在DWI上表现为异常高信号。

  • 低信号（暗）的区域：代表弥散不受限，就是自由水，例如在脑脊液、囊肿中，水分子可以自由运动，前后弥散敏感梯度（Diffusion-Sensitizing Gradients） 脉冲信号丢失严重，局部区域看起来很暗。

一个区域在DWI上看起来很亮，也就是信号强，可能有两种原因：

  1. 真正的弥散受限（这是我们想看到的病理信息）。

  2. 该组织的T2值本身就很长（例如，一些囊肿或旧梗死灶），即使它的弥散不受限，也会在DWI上显得很亮。

因此，DWI出现的高信号可能是病理状态，但为了剔除上述组织本身的高T2影响，得到纯粹的病变部位的弥散信息（病理状态），就引入了ADC值。

3. Apparent Diffusion Coefficient

表观扩散系数，或表观弥散系数，ADC, Apparent Diffusion Coefficient，最终构成一幅可识别的解剖图，是ADC图（ADC Map），是通过至少两个不同b值的DWI图像计算出来的另一组图像，其实是量化了水分子的弥散速度。

b值是控制弥散加权程度的“旋钮”，单位是s/mm²，这个理解为不同阈值下观察图像变化。

  • b值越高，对水分子运动的敏感度越高，但图像信噪比会下降。

  • b值越低，对水分子运动越不敏感，图像更接近普通的T2加权像。

实践中通常会用多个b值（如b=0, b=1000）来采集数据，然后通过公式计算出ADC图。

简述MRI的DWI和ADC值

  • ADC值低，表示水分子的弥散速度慢，弥散严重受限，比如肿瘤，在ADC图上表现为低信号（暗），ADC值越低，弥散越受限。

  • ADC值高，表示水分子的弥散速度快，弥散自由，比如囊肿，在ADC图上表现为高信号（亮）。

由此可见，DWI是看病变组织水的状态，因为不同生理、病理状态下弥散不一样，为了进一步鉴别高T2（含水丰富）的影响，需要ADC不断鉴别，因此，图像解读，DWI图像 和 ADC图像放在一起对照看。在肿瘤中弥散受限通常与细胞密度高有关，因为肿瘤细胞增殖旺盛、排列紧密，会挤占细胞外空间，限制水分子的自由运动。

DWI represents T2 with superimposed bright signals that indicate restricted diffusion – which is often an indicator of cytotoxic edema (e.g., ischemia). The most notable use of DWI is for the diagnosis of acute ischemic stroke. DWI images must always be compared to the T2 and ADC images.

小结：DWI高，ADC低是真实弥散受限，肿瘤可见； DWI高，ADC也高是T2穿透效应（假受限），陈旧脑梗可见。

Diffusion-weighted imaging (DWI) is a commonly performed MRI sequence for the evaluation of acute ischemic stroke and is very sensitive in the detection of small and early infarcts. Conventional MRI sequences (T1WI, T2WI) may not demonstrate an infarct for 6 hours, and small infarcts may be hard to appreciate on CT for days, especially without the benefit of prior imaging. 

典型临床场景，举例如下：

  • 急性缺血性脑梗死，发病2小时后被送到医院

    • 常规T2图像：可能还看不到明显异常，或仅有非常细微的变化。

    • DWI图像：在患者大脑的某个区域（如基底节区）清晰地显示出一个异常高信号的亮斑。

    • ADC图像：在DWI高信号的对应区域，ADC图显示为一个明显低信号的暗斑。

    • DWI高信号 + ADC低信号，提示真性弥散受限，强烈提示该区域脑组织发生了急性细胞毒性水肿，是超急性期/急性期脑梗死的明确证据。DWI能在梗死后数分钟到数小时内就发现病灶，远比CT和其他MRI序列敏感。

    • 肿瘤诊断与鉴别，由于恶性肿瘤细胞密集，细胞外间隙小，水分子弥散常受限（DWI高，ADC低），而良性病变或坏死囊变区，ADC值较高，可用于鉴别高级别胶质瘤与低级别胶质瘤、乳腺癌肿块定性等。

    • 脓肿与坏死性肿瘤鉴别，脓腔内由于粘稠的脓液和大量炎性细胞，弥散极度受限，ADC值非常低，而肿瘤坏死区则ADC值较高。

    以上内容，感谢以下资源：

    1. https://ukuxoxadjglibguide.z14.web.core./mri-machine-schematic-diagram.html

    2. https://www./media/1304889/view/mri-brain-scans-comparing-t1-and-t2-weighted-imaging

    3. https:///t1-vs-t2-mri/

    4. https:///diffusion-weighted-imaging/

    5. https://www./2072-6694/15/3/618

    6. http://www./diffusion-weighted-imaging-dwi/

    7. https://www./doi/10.1161/STROKEAHA.113.002135

    8. https://www./mri-dwi-in-stroke-diagnosis/

    9. https://www./doi/10.1161/STROKEAHA.113.002135

    10. https://www./figure/Diffusion-weighted-imaging-DWI-A-and-apparent-diffusion-coefficient-ADC-imaging-B_fig3_331193535

    11. https://www./figure/Case-2-follow-up-MRI-with-FLAIR-DWI-and-ADC-showing-an-established-infarction-in-the_fig3_51156755

    12. https:///articles/diffusion-weighted-imaging-in-acute-ischaemic-stroke?lang=us