Принцип действия диффузионной МРТ
Диффузионная магнитно-резонансная томография (диффузионная МРТ, DWI — diffusion-weighted imaging) основана на измерении случайного броуновского движения молекул воды в тканях. Это движение зависит от структуры микросреды, включая клеточные мембраны, органеллы и внеклеточный матрикс, которые ограничивают или направляют диффузию. В отличие от традиционных МР-методов, диффузионная МРТ чувствительна именно к микроархитектурным особенностям тканей на субвоксельном уровне.
Физические основы метода
Диффузионная МРТ использует особые импульсные последовательности, включающие пару градиентных импульсов одинаковой величины, но противоположной направленности. Первый градиент вызывает пространственное фазовое смещение спинов, а второй — его компенсацию. В отсутствие движения вокселя фазовое смещение будет полностью устранено, и сигнал восстановится. Однако, если молекулы воды переместились между двумя градиентами, восстановление фазы будет неполным, что приведёт к снижению интенсивности сигнала. Чем активнее происходит диффузия, тем больше снижение сигнала.
Параметр чувствительности к диффузии — b-значение
Ключевым параметром, определяющим чувствительность последовательности к диффузии, является коэффициент b, который измеряется в секундах на квадратный миллиметр (s/mm²). Он зависит от следующих факторов:
Формула для расчёта b-параметра:
b = γ²·G²·δ²·(Δ - δ/3)
где γ — гиромагнитное отношение. Увеличение b-значения повышает чувствительность к диффузии, но одновременно снижает сигнал-шум (SNR), что требует баланса при выборе параметров последовательности.
Взвешенность по диффузии и карта ADC
Для количественного анализа строится карта коэффициента диффузии — ADC (apparent diffusion coefficient). В отличие от DWI-изображений, карта ADC не зависит от Т2-взвешенности и отражает чистую величину диффузии.
Зависимость сигнала от b-параметра описывается экспоненциальной функцией:
S(b) = S₀·e^(-b·ADC)
где S(b) — сигнал при заданном b, S₀ — сигнал без диффузионного градиента (b=0). Эта формула позволяет получить ADC-параметр путём аппроксимации сигнала при двух или более b-значениях.
Ограниченная диффузия: физиологическая и патологическая интерпретация
Диффузионная МРТ особенно чувствительна к процессам, связанным с изменением клеточной плотности. В норме диффузия в тканях относительно свободна. Однако при патологических состояниях, таких как острый ишемический инсульт, происходит цитотоксический отёк: клетки набухают, сужая внеклеточное пространство, и тем самым ограничивая движение воды. Это проявляется как гиперинтенсивность на DWI и снижение ADC, что делает метод исключительно ценным в остром периоде инсульта.
Ограничение диффузии также характерно для высококлеточных опухолей (например, лимфом), абсцессов (из-за вязкой среды), острых инфекций и других состояний.
Диффузионно-взвешенные последовательности
Существует несколько типов импульсных последовательностей, применяемых для получения DWI:
Анизотропия диффузии
В некоторых тканях (например, в белом веществе головного мозга) диффузия не одинакова во всех направлениях. Это явление называется анизотропией диффузии. Для её оценки применяется диффузионно-тензорная МРТ (DTI), позволяющая построить тензор диффузии — математическое описание диффузии в трёхмерном пространстве.
Ключевым параметром тензорной модели является фракционная анизотропия (FA) — безразмерная величина от 0 (полная изотропия) до 1 (максимальная анизотропия). DTI позволяет строить карты направленности волокон и проводить тракто- и коннектомию, что нашло широкое применение в нейрохирургии, неврологии и исследованиях мозга.
Псевдодиффузия и перфузионные компоненты
В тканях с развитой капиллярной сетью (печень, мозг, почки) DWI может отражать не только диффузию, но и перфузионные движения крови, особенно при низких b-значениях (0–100 с/мм²). Это явление называют интравоксельным негауссовским движением (IVIM). Для его моделирования используется биэкспоненциальное приближение:
**S(b) = S₀·[f·e^(-b·D) + (1–f)·e^(-b·D)]*
где f — доля псевдодиффузионного компонента, D* — псевдодиффузионный коэффициент, D — истинный коэффициент диффузии. IVIM позволяет дополнительно оценить параметры тканевой перфузии без использования контрастных веществ.
Диффузия в онкологической диагностике
Диффузионная МРТ стала неотъемлемой частью протоколов онкологической визуализации. Коэффициент ADC позволяет различать доброкачественные и злокачественные образования: злокачественные опухоли, как правило, обладают более низким значением ADC из-за высокой клеточной плотности и низкой проницаемости для воды.
Диффузионные карты также применяются для:
Артефакты и ограничения метода
Несмотря на огромную диагностическую ценность, диффузионная МРТ чувствительна к различным артефактам:
Технические аспекты и стандартизация
Для получения воспроизводимых результатов важна стандартизация параметров исследования. Следует чётко указывать:
Качественная диффузионная визуализация требует точной калибровки магнитного поля, использования shim-коррекции, а также минимизации артефактов движения.
Перспективы развития
Развитие методов, таких как диффузия с высокой угловой разрешающей способностью (HARDI), двойной диффузионный контраст (DDC) и исследование негауссовской диффузии (например, DKI — diffusion kurtosis imaging) открывает новые возможности для визуализации микроархитектуры тканей, особенно в мозге.
Интеграция диффузионной МРТ с другими методами (перфузия, спектроскопия, функциональная МРТ) в рамках мультипараметрического подхода позволяет формировать комплексную картину патологического процесса на микро- и макроуровне.