在病理情况下，有两种原因造成水的扩散受限：一种是细胞水肿时。细胞水肿后，细胞间液减少，细胞内水增多，因而扩散受限的水增多，水的整体扩散速度慢于正常组织，主要见于脑急性梗死。另一种是恶性肿瘤。恶性肿瘤细胞较正常细胞体积大，恶性肿瘤的细胞间液较正常少，二者结合，水的整体扩散速度慢于正常组织。
ＤＷＩ的实现是通过在常规 ＭＲ成像序列中，在１８０°脉冲两侧加入一对方向相反，强度、持续时间相等的扩散敏感梯度场，可使运动的水分子中的质子在其横向磁化方向产生一个相位飘移，造成信号衰减，来判断像素内不连贯运动扩散的有无及其强度。若水在体素内自由扩散，则此处失相位，信号降低；反之，若水扩散受限，则很少失相位，信号较高。通过测量组织信号强度的变化，可检测出先于形态学改变而与组织中水分子运动变化有关的生理学早期改变，间接反映病变内部结构和组织成分的微观变化［３］。活体中水分子运动常用表观扩散系数（ＡＤＣ）值评价水分子扩散能力。
体素中水分子都存在一定程度的扩散运动，其方向是随机的，而在扩散梯度场方向上的扩散运动将造成体素信号的衰减，如果水分子在敏感梯度场方向上扩散越自由，则在扩散梯度场施加期间扩散距离越大，经历的磁场变化也越大，组织信号衰减越明显。DWI通过测量施加扩散敏感梯度场前后组织发生的信号强度变化，来检测组织中水分子扩散状态（自由度及方向），后者可间接反映组织微观结构特点及其变化。
DWI上组织信号强度的衰减主要因素：
（1）扩散敏感梯度场的强度，强度越大组织信号衰减越明显；
（2）扩散敏感梯度场持续的时间，时间越长组织信号衰减越明显；
（3）两个扩散敏感梯度场的间隔时间，间隔时间越长，组织信号衰减越明显；
（4）组织中水分子的扩散自由度，在扩散敏感梯度场施加方向上水分子扩散越自由，组织信号衰减越明显。
DWI技术中把施加的扩散敏感梯度场参数称为b值或称扩散敏感系数。
在DWI上组织信号衰减不仅由于水分子的扩散运动，水分子在扩散敏感梯度场方向上各种形式的运动（或位置移动）还将造成组织信号的衰减，如血流灌及其他生理运动等。因此利用DWI上组织信号强度变化检测到的不是真正的扩散系数，会受到其他形式水分子运动的影响。为此，我们把检测到的扩散系数称为表观扩散系数（apparent diffusion coeffecient，ADC）。计算组织的ADC值至少需要利用2个以上不同的b值，其计算公式如下：
ADC= ln（SI低/SI高）/（b高－b低）
式中SI低表示低b值DWI上组织的信号强度（b值可以是零）；SI高表示高b值DWI上组织的信号强度；b高表示高b值；b低表示低b值；ln表示自然对数。ＡＤＣ值与细胞密度，核浆比，肿瘤的结构，微环境的变化，组织的成分改变如水肿、坏死、纤维化等密切相关。恶性肿瘤细胞繁殖旺盛，细胞密度增高，细胞外容积减少，因而ADC值降低，在DWI上呈高信号。因此，ＤＷＩ能检测影响水分子扩散的相关病变，检测出与组织含水量改变有关的形态学和病理学的早期改变。
自由水的ADC值大约为2.5*10^-3mm^2/s；正常脑组织的ADC值为0.7-0.9*10^-3mm^2/s 脑组织急性病变的ADC值多为降低；脑组织亚急性或慢性病变的ADC值多为升高 ADC异常变化的上下限为
0.4*10^-3mm^2/s—2.5*10^-3mm^2/s
（弥散图像ADC值的变化约为正常值的3倍左右）
组织内影响水分子弥散的因素：细胞内外的体积变化；水分子通过细胞膜的渗透作用；细胞外间隙形态的改变。
弥散图像的对比度的影响因素：
透射效应（shine through）;t2透射；自旋质子透射 弥散图像包含有T2、质子、和ADC值变化的综合信息，我们把T2及质子的对比度在弥散图像上的反映的现象称为透射效应。
DWI的方向性：DWI是反映扩散敏感梯度场方向上的扩散运动，为了全面反映组织在各方向上的水分子扩散情况，需要在多个方向上施加扩散敏感梯度场。如果在多个方向（6个以上方向）分别施加扩散敏感梯度场，则可对每个体素水分子扩散的各向异性作出较为准确的检测，这种MRI技术称为扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）。
利用DTI技术可以很好地反映白质纤维束走向，对于脑科学的研究将发挥很大的作用。
弥散张量成像(DTI)是利用弥散加权成像技术改进和发展的一项新技术，弥散张量不是平面过程，以三维立体角度分解，量化了弥散各向异性的信号数据，
使组织微结构更加精细显示，弥散需要用张量显示，扫描应用多个梯度场方向，现用6-55个方向。
DTI：弥散具有方向依靠性，分子向各个方向弥散的距离不相等，则成为各向异性(anistrophic)。而DWI则认为水分子弥散的方向相一致，即相同性。
弥散张量成像的原理：在完全均质的溶质中，分子向各方向的运动是相等的，此种弥散方式为各向同性(isotrophic)，其向量分布轨迹成一球形，而另一种弥散是在非均一状态中，分子向各方向运动具有方向依靠性，分子向各方向弥散的距离不相等，称为各向异性（anisotrophic）,其向量分布轨迹成一椭圆形。如在大脑白质分子的弥散表现为各向异性，分子沿白质纤维通道方向的弥散速度快于垂直方向。
张量是一个工程物理学的名称，张量是一个数学结构，是一个椭圆形结构，有三维空间，各向异性有3× 3个二级分量，张量的矩阵是9个非0因素，其中3个分量是相同的（对称性），而其余6个因素（Dxx,Dyy,Dzz ,Dxy,Dxz,Dyz）决定弥散张量的特征。3个非0因素沿着张量的主对角线，称为本征值(eigevalue)λ1,λ2,λ3, 本征值反应出椭圆形的外形，大小与方向无关。而其数学关系代表方向为3个本征向量（eigevector）V1,V2,V3。
弥散张量成像(DTI)的数据分析：
①平均弥散率（mean diffusivity. MD）：MD反映分子整体弥散水平和弥散阻力的整体情况，他只表示弥散的大小，而与弥散的方向无关，也即ADC值。MD指MR成像体素内各个方向扩散幅度的平均值，代表某一体素内水分子扩散的大小和程度，指标：ADC，反应了水分子单位时间内扩散运动的范围，单位mm^2/s，其值越大，说明水分子扩散能力越强。
②各向异性程度，反映分子在空间位移的程度，与方向有关。用来分析各向异性的参数很多，有各向异性指数（anisotraphy index,AI），相对各向异性（relative anisotraphy RA）各向异性分数或称部分各向异性（fractional anisotraphy FA）。其中由于FA图像观察大脑白质纤维结构最清楚，灰白质分界好，FA值用于肿瘤诊断有益，故应用广泛。 部分各向异性指数(FA)：
分析各向异性最常用参数，指弥散的各向异性部分和弥散张量总值的比值，反应了各向异性成分占整个弥散张量的比例，取值在0-1之间，0代表最大各向异性的弥散，比如在完全均质介质中的水分子弥散，1代表假想下最大各向异性的弥散。λ是描写弥散张量的三个特性值，亦即本征值（eigevalue）。
（相对各向异性）RA值反映水分子弥散的各向异性成分与各相同性成分的比值。（容积比）VR等于椭球体的体积与半径为平均扩散率的球体体积之比。两者的取值范围在0-1之间，RA的意义与FA相似，越接近1说明水分子的各向异性程度越高。而VR越接近1说明水分子的弥散越趋向于各向同性。
DTI图像反映了水分子在脑实质空间内向各个方向进行弥散运动的主导方向在正常的黑白FA图上，白质是高信号，可以辨认白质束的主要走行，亦可形成二维彩色的FA图，彩色强度代表异向性的程度，颜色代表方向性，红色代表左右走行方向，绿色代表前后走行方向，兰色代表上下走行方向。扩散张量可以看作是个椭圆的球体 ，最长轴代表最大的弥散值及方向 ，最短轴表示最小弥散值及方向。 如果没有阻碍 ，水分子在各个方向上的弥散值一致 ，称为各项同性。 存在细胞结构时 ，水分子的弥散值就会受其影响而在一个方向上较其他方向大 ，称为各项异性。扩散张量矩阵通过矩阵对角化的方法得到 ，并且由此可以得到DTI 的三个特征向量 ：λ１ 是最大特征向量值 ，代表与轴突方向平行的水分子的弥散 ，称作 DA ；λ２ 、λ３代表与轴突长轴成对角平面的弥散 ，其平均值称作 DR。包括各向异性分数（ＦＡ）、平均扩散系数 （ＭＤ）、轴向扩散张量（Ｄ∥ ）、垂直扩散 张量（Ｄ⊥ ），以及ＤＫＩ 的参数，包括平均扩散峰度（ＭＫ）、轴向峰度（Ｋ∥ ）、径向峰度（Ｋ⊥）。
DTI和DWI理论前提是认为水分子在组织中的扩散呈正态分布。
DKI是基于DTI技术上的延伸，描绘组织内水分子扩散偏离正态分布的量。峰度信息反映出由多个微观细胞区室的复杂结构造成的非高斯特性。
DKI主要参数：
MK：相比于FA，优势在于不依赖组织结构的空间方位，采用多个B值且方向相同的梯度方向上的平均值，其大小取决于感兴趣区内组织的结构复杂程度，结构越复杂，非正态分布水分子扩散受限越显著，即MK越大。
RK（radial kurtosis）：指扩散正交方向上峰度的平均值，因扩散受限主要在径向，故峰度为非零，且在径向表现尤为突出。RK越大表明在该方向非正态分布水分子扩散受限越明显，且相对于FA的变化，感兴趣区内RK增大得更显著。
AK（axial kurtosis）and RK（radial kurtosis）：can be define as the kurtosis parallel and perpendicular to the principle diffusion eigenvector。
KA（kurtosis anisotropy）：在某种程度上类似FA，可由峰度标准偏差给出。KA与MK间不存在一定的比例关系；KA越小表示越趋向于各项同性扩散；若组织结构越紧密越规则，KA越大。
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