La diffusione delle molecole d'acqua è un parametro biofisico che correla con le caratteristiche strutturali dei tessuti sia in condizioni fisiologiche che patologiche. Le molecole che costituiscono i solidi, i liquidi e i gas sono sottoposte a un continuo moto casuale di agitazione termica, detto moto "browniano", che è alla base dei processi di diffusione.Per descrivere il fenomeno della diffusione sono solitamente impiegate le leggi di Fick, adatte a descrivere i comportamento di un soluto che si muove lungo un gradiente di concentrazione. Nei sistemi in cui la concentrazione di particelle non è uniforme, la diffusione si manifesta macroscopicamente come un flusso di particelle dalla regione a più alta concentrazione a quella a concentrazione minore. Si può, in questi casi, definire il coefficiente di diffusione come una grandezza macroscopica che rappresenta la costante di proporzionalità che lega il flusso di particelle al gradiente di concentrazione.Se invece la concentrazione è la stessa in tutti i punti (mezzo omogeneo), sebbene le particelle continuino a diffondere, non possono più essere utilizzate le leggi di Fick, ma occorre far riferimento ad un modello probabilistico per descrivere gli spostamenti delle molecole: invece di conoscere con esattezza la posizione di una particella, si descrive il fenomeno mediante una funzione che indica la probabilità che una data particella percorra una data distanza in un determinato tempo. La funzione di probabilità che descrive questa situazione per un mezzo isotropo ha una distribuzione gaussiana con media pari a 0 (poiché la probabilità che una particella si trovi in una direzione o nella direzione opposta sono uguali) ed una varianza (pari alla metà della larghezza della gaussiana) proporzionale alla durata del tempo di osservazione t e al coefficiente di diffusione D (v. distribuzione gaussiana del coefficiente apparente di diffusione-ADC, Figura 2). Quindi, in uno stesso mezzo, fissato il tempo di osservazione (ovvero di diffusione), è molto più probabile che una particella si trovi nelle vicinanze del punto iniziale piuttosto che lontano da esso.Nei mezzi solidi, questo moto "browniano" consiste in vibrazioni o movimenti di rotazione intorno ad un asse di simmetria, senza che gli atomi abbandonino la posizione che occupano nel reticolo cristallino (almeno per i solidi perfetti). Al contrario, nei liquidi e nei gas, le molecole sono libere di muoversi in tutto il volume occupato dal fluido. Tali movimenti avvengono in tutte le direzioni, con continui urti tra gli atomi; all'aumentare della temperatura, aumentano anche l'energia cinetica e la velocità delle molecole.Il coefficiente di diffusione D che caratterizza questi processi descrive lo spazio percorso da una molecola nel suo moto stocastico nell'unità di tempo, ed è espressa come lunghezza²/tempo (mm²/s); pertanto, una particella dotata di ampia diffusione percorrerà un'area ampia, mentre una particella con bassa diffusione un'area piccola. Tale coefficiente dipende dalla natura della sostanza diffondente e della membrana attraversata, e aumenta rapidamente all'aumentare della temperatura.  descrive in maniera completa la diffusione delle molecole di acqua, anisotropa nella maggior parte dei tessuti biologici.