MRI检测到的信号最后都分配到每个像素中，每个像素实际上代表受检组织的一个体素，下面就以一个体素为例，并结合最常用于DWI的SE-EPI序列来介绍DWI的基本原理。

射频脉冲使体素内的质子相位一致，射频脉冲关闭后，由于组织的T2弛豫和主磁场不均匀将造成质子逐渐失相位，从而造成宏观横向磁化矢量的衰减。除了上述两种因素以外，如果在某个方向上施加一个梯度场，实际上是人为在该方向上制造磁场不均匀，那么体素内该方向上质子的进动频率将出现差别，从而也造成体素内质子群失相位，最后也引起宏观磁化矢量的衰减，MR信号减弱。

如果在SE-EPI序列180°复相脉冲的两侧各施加一个梯度场，这两个梯度场的方向、强度和持续时间完全相同(称之为扩散敏感梯度场)，那么梯度场造成的失相位可以分为两种情况。

1、在体素内梯度场施加方向上位置没有移动的质子，对于这些质子，由于180°两侧施加的梯度场完全相同，可以认为梯度场造成是一种恒定的磁场不均匀，180°复相脉冲可以剔除这种恒定的磁场不均匀引起的质子失相位，那么实际上梯度场的施加并不会引起这些质子的信号衰减。

2、在体素内梯度场施加方向上有位置移动的质子。这些质子在移动过程中将经历磁场强度的变化，进动频率也随之发生变化，从而造成相位离散。由于位置发生变化，对于这些质子，180°脉冲两侧的梯度场引起的就不是恒定的磁场不均匀，180°脉冲将不可能剔除这种质子失相位，因此这种在梯度场施加方向上的位置移动将引起质子信号的衰减。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，则组织的信号衰减越明显。反之，在DWI上组织的信号衰减越明显则提示其中的水分子在梯度场方向上扩散越自由。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在临床上主要用于超早期脑缺血诊断的应用：急性脑缺血缺氧造成的主要是细胞毒性水肿，尤其是神经元/胶质细胞细胞毒性水肿，如急性脑梗死、早期坏死灶(未液化者)、缺氧缺血性脑病，在DWI上表现为高信号，与常规SE序列相比，能更早的发现梗塞区的信号异常。需要鉴别注意的是有些脑组织病变在DWI上也表现为高信号，如多发硬化的活动病灶、Wallerian变性，如髓鞘内（裂）水肿（神经髓鞘细胞水肿），进行性多灶性脑白质病，氨基酸代谢异常（如苯丙酮尿症等），透神经元性变性、轴索水肿及部分肿瘤、血肿、脓肿等。