Dai risultati su modelli animali e dalle informazioni ottenute da pazienti con ictus, tale tecnica ha le premesse per rivoluzionare la attuale diagnostica per immagini.
La RM di diffusione è una tecnica sensibile ai movimenti Browniani di translazione delle molecole d'acqua su piccole distanze (diffusione). Il crescente interesse per tale tecnica è legato al fatto che le immagini di DWI evidenziano le variazioni della mobilità dei protoni dell'acqua indotte dall'ischemia entro pochi minuti dall'insulto ischemico.[162]
È stato largamente documentato come la RM di diffusione sia un eccellente metodo per visualizzare aree di sofferenza cellulare su base ischemica acuta, prima che il danno sia evidente nelle immagini T2-pesate.[163, 164] Il danno ischemico visualizzato in DWI, legato a molteplici fattori tra cui il più importante sembra essere l'edema citotossico, è in realtà nella maggioranza dei casi irreversibile e preannuncia lo sviluppo dell'infarto ischemico.[165]
Nell'ictus acuto la diffusibilità dell'acqua è ridotta per l'intervento di fenomeni diversi, tra cui lo spostamento di acqua dal compartimento extra- a quello intra-cellulare per l'alterazione della pompa Na+/K+ di membrana. Lo spazio intra-cellulare contiene organelli e macromolecole (barriere biologiche) che limitano i movimenti dell'acqua. Inoltre, il rigonfiamento cellulare riduce lo spazio interstiziale ed ostacola anche i movimenti dell'acqua extracellulare. Questo determina un aumento focale dell'intensità del segnale per cui in DWI le aree di infarto acuto si differenziano chiaramente, in quanto iperintense, dal tessuto normale.
Poiché le immagini pesate in diffusione sono molto sensibili al movimento, sono essenziali sequenze ultraveloci per generare immagini diagnostiche. L'uso di tecniche ecoplanari (EPI) ha permesso di eseguire una singola slice in meno di 150 ms, con la possibilità di eseguire uno studio completo del cervello in circa due minuti.[166] Per ottenere una sequenza in diffusione è necessario poter applicare dei potenti gradienti di diffusione. Il primo gradiente pone fuori fase i protoni e viene detto "dephasing gradient", il secondo li ripone in fase se non vi è stato movimento delle molecole dell'acqua. A ragione di ciò, spin che si muovono in maniera casuale possono essere defasati dagli impulsi di gradiente posti prima di un impulso a 180° e possono essere rifasati perfettamente dal campo magnetico posto dopo l'impulso a 180°. Se il tempo di osservazione è breve le molecole non hanno il tempo di raggiungere le barriere e si comportano come se diffondessero liberamente. Il principio basilare della misurazione sta nel fatto che ogni movimento delle molecole dell'acqua nel tempo di osservazione risulta in una perdita di segnale e, quindi, in una diminuita intensità delle immagini.
In una immagine di diffusione, strutture con veloce diffusione appariranno più scure in quanto soggette ad una più alta attenuazione del segnale, mentre strutture con una minore velocità di diffusione appariranno più chiare.
Inoltre, nello studio dell'ischemia cerebrale, di particolare importanza risulta la valutazione delle mappe del coefficiente apparente di diffusione (ADC).[167] In questo caso strutture con una più veloce diffusione saranno chiare e brillanti mentre quelle a bassa diffusione più scure.
L'ADC va incontro ad una transitoria e precoce riduzione nelle primissime fasi dell'ischemia.
Questa forma di basso ADC è per definizione reversibile. Un più spiccato decremento nella diffusibilità avviene nel tessuto ischemico quando i livelli di ATP si riducono ulteriormente con un blocco delle pompe ioniche che porta ad un netto influsso di acqua dallo spazio extracellulare a quello intracellulare (edema citotossico). Tali modificazioni, che rappresentano le prime fasi dei processi ischemici, possono essere individuate dalla DWI entro 15-30 minuti dall'ischemia ed in tali fasi le regioni con minore riduzione di ADC possono essere salvate con una precoce riperfusione.
Lesioni recenti su base ischemica possono essere facilmente differenziate da pregressi infarti in DWI mentre tale diagnosi differenziale è praticamente impossibile se si utilizzano solo le sequenze di RM convenzionale. Nelle immagini T2 pesate l'area di iperintensità relativa all'ischemia può essere apprezzata solo dopo parecchie ore, quando compare l'edema vasogenico. L'area di iperintensità in T2, compatibile con una lesione cerebrovascolare ischemica, non fornisce indicazioni sul tempo di insorgenza della lesione. L'iperintensità in DWI, al contrario, è già apprezzabile dopo minuti dall'ischemia e non è più apprezzabile dopo circa due settimane dall'evento ischemico. Inoltre, una riduzione dell'ADC è documentabile solo nei primi giorni dall'ictus, mentre successivamente, con il verificarsi della necrosi massiva che comporta un aumento dell'acqua extracellulare, l'ADC tende ad aumentare fino ad essere superiore a quella del tessuto sano.
Le immagini in DWI forniscono quindi una "fotografia" immediata dell'entità del danno indotto dall'ischemia in una fase estremamente precoce. Tuttavia da sole non sono in grado di predire l'estensione finale della lesione. È noto, infatti, che mentre alcune lesioni rimangono relativamente stabili come estensione nel tempo, altre tendono ad aumentare di volume.[168, 169]