20世纪80年代中期，勒比汉（Le Bihan）等人首次将扩散加权成像应用于临床并逐渐推广，成为检测活体组织细胞内外水分子弥散能力的无创检查，反映组织微结构的变化。

弥散运动是指分子在温度驱使下无规则的、相互碰撞的随机运动过程，又称布朗运动。活体组织内，水分子弥散主要指自由水和结合水的随机运动，包括细胞内、细胞外、跨膜运动及微循环。水分子在随机运动过程中不断相互碰撞，发生偏向及旋转，其位置与运动方向不断变化。细胞膜、大分子蛋白等生物组织的天然屏障使得水分子的弥散受到限制，称为弥散受限（restricted diffusion）。

DWI成像是在常规磁共振成像自旋回波序列中的180°脉冲两侧施加一对方向和大小相同的梯度场的梯度脉冲。第一个梯度脉冲加速质子自旋，导致相位变化；第二个梯度脉冲使其相位重聚，如果相位分散不能完全重聚，则导致信号下降。信号强度（signal intensity; SI）公式为：

SI₀为T2加权图像（b=0s/mm²）上的信号强度，b为扩散梯度因子，D为扩散系数。b值公式为：

γ为磁旋比，G、δ、Δ分别为扩散梯度场的强度、持续时间及间隔时间，反映水分子扩散运动的能力，b值越大，对水分子扩散运动越敏感，但图像的信噪比相应下降。因为人体内水分子的扩散受多种因素影响，所以用表观弥散系数（apparent diffusion coefficient; ADC）来表示人体中测得的D值，公式为

S_b与S₀分别为高b值及低b值所测得的DWI信号强度。ADC值的影响因素包括细胞内/外水分子的运动、跨膜运动及血流灌注。由SI的公式得知，DWI的信号强度与D值呈负指数关系，因此ADC值越低，弥散越受限。

DWI上的信号强度不仅与受检组织ADC值有关，还与组织的T2值相关且呈正比，当受检组织的T2值明显增高，在DWI上有明显的T2图像对比存在时，称之为T2穿透效应（T2 shine-through effect）。常用的消除T2穿透效应的方法有两种：指数图像和ADC图。

DWI已广泛应用于早期脑梗死、肿瘤等疾病的诊断及鉴别诊断，对评估恶性肿瘤全身转移情况有很高的实用价值。