SWI的成像原理及其CNS应用研究

1、SWI的成像原理及其CNS应用研究,概要(Todays Agenda,SWI的基本概念(basic concepts) SWI的临床应用(clinical applications,磁化率：一种物质放入外磁场后的磁性反应 许多组织与背景或相邻组织有特征磁敏感差异 一些组织具有独特的磁化率 静脉脱氧血红蛋白 血凝块（顺磁性） 钙（抗或反磁性） 含铁组织 空气/组织界面,SWI发展背景,高分辨率（矩阵320以上） 薄层（1mm）扫描 采用更长回波时间 三维完全流动补偿 T2*梯度回波序列 同时采集磁矩图像和相位图像,SWI序列参数特点,SWI,三维图像,高分辨率,三个方向完全流动补偿,Dimens

2、ion：3D,Thickness：2mm；Matrix：192X512； Voxel size：1mmX0.5mmX2mm,Flow compensation: Yes (slice, read and phase,Reconstruction：Magnitude/Phase,T1WITE=20ms（longer TE value,包含幅度和相位信息,利用不同组织磁化率（Susceptibility）的差异 产生的磁化率对比 磁化率对比大部分来源于相位图 长期以来依赖于MRI幅值图，相位图被忽视 相位图含有大量局部不同组织间磁化率差异的信 息，在像素水平上可分离获取主要频谱信息 相位图的难题：

3、局部背景磁场效应可混淆局部组 织的相位变化；一旦组织间的相位变化具有高空 间频率，即可解决此问题,磁敏感加权成像（SWI,相位成像检测组织磁敏感率的可行性,相位是图像对比优质源，如GM/WM对比，脑内小静脉 相位可作为蒙片（Mask）调节幅度图对比，如抑制或 增强频谱成分 相位图可制作出投影图（mIP)显示组织或脉管连续性 可用单时间点法提高组织内脂肪、静脉血、铁的对比 聚焦磁敏感作用，应用原始相位图自身或用其调节幅 度图对比的方法，称为SWI（susceptibility weighted imaging)或磁敏感成像（E Mark Haacke,假设磁距最开始与x轴平行，经过一段时间后便会

4、与x轴成一 夹角，此夹角即为相位，可由tan-1（x/y）计算出 拉莫尔方程 ：=Bo ；相位可表示为：=t 经过一段时间TE后，不同组织间相位的差异可表示为： =TE =BTE B局部磁场变化，可见相位仅受局部磁场变化和时间的影响 B=Bo，则：=gBoTE Bo为主磁场的大小，为不同组织间磁化率的差异，g为 几何效应因子,相位是SWI的核心,X轴,Y轴,Z轴,M磁矩,影响磁场效应的因素,受磁化率影响，也受物体的几何形状影响 对于复杂的结构，其周围磁场改变的计算不像圆柱 体直接，关键是要知道两个相邻结构磁化率的差 异，会导致结构内和其周围的空间场的改变，这种 改变与它们的几何结构相关 相位图

5、上包含微观和宏观的磁场效应 微观效应为我们感兴趣组织磁化率的差异，如 GM/WM铁含量不同，两者间磁化率有差异产生对比 宏观磁场效应包括由物体的几何形态引起的磁场变 化，如空气/组织界面，和主磁场的不均匀,相位图包含相位变化 相位源于以下四个因素： = (localBo + Bcs + Bglobal geometry + Bmain field) * TE 第一项为局部的磁场改变，即不同组织间的磁化率差 异，是我们感兴趣的信息 第二项为化学位移，化学位移产生的场效应没有几何 依赖性，是一个点场的效应 最后两项Bgeometry 和 Bmain field引起的相 位改变为宏观磁场效应，常被认

6、为是伪影，倾向于有 很低的空间频率。采用去除低频信号，保留高频信 号，可除掉这些伪影，这就是所说的相位高频滤过法,影响相位变化的因素或相位源,SWI数据后处理,处理步骤 除掉背景低频成分，保留高通滤过效应，应用64 x 64高通滤过函数，获取校正相位图（高通滤过图） 校正相位图作为蒙片调节幅度图对比（通过卷积算法,A. 原始相位图 B. 高通滤过相位图，滤过矩阵大小为32x32 C. 高通滤过相位图，滤过矩阵大小为64x64,高通滤过处理,滤波矩阵的选择,00 88 1616 3232,6464 9696 128128 192192,组织间相位和差异与高频滤过函数窗的相关性,WM: 白质 GM

7、： 灰质 CSF： 脑脊液,滤波函数处理的作用,滤波矩阵越大，低频伪影滤除的越干净，图像越细腻，但有效信息也被部分滤除 选择 32 x 32 或 64 x 64 高通滤波矩阵最合适，此时有效的滤除了低频伪影，同时最大程度的保留了有用信息,SWI数据后处理,校正相位图作为蒙片调节幅度图对比（通过卷积算法） 相位蒙片设置： 举例设定对 -抑制，则相位蒙片为,F(x)=(x)+)/ （相位 （x） 0 时，则设 F(x) = 1,相位蒙片与幅度图相乘时，相位为-的体素全部被抑制；位于 -和0之间，则部分被抑制；相位大于0时，则体素幅值不变；故所获得SWI图的组织间差异或对比形成明显,magnitud

8、e,SWI,phase,thresholded phase,An example of SWI processing,幅度图 相位图 A * B(乘1次） A*B*B (乘2次,脂肪,脂肪,校正相位图作为蒙片调节幅度图对比举例,校正相位图作为蒙片调节幅度图对比举例,应用相位图调节灰/白质对比举例。A.T1WI幅度图（TE=5ms）；B.用相位蒙片（TE=40ms）乘4次幅度图所得的SWI图。图中所示灰/白质对比明显提高，苍白球矿物质明显显示；同时，额窦旁局部磁场不均所致的伪影亦明显出现,A. 幅度图 T1WI TE=5ms,B. SWI图,3.0T上滤过后相位图 Filtered Phase

9、Image at 3.0T,该图显示了运动皮层铁含量很高 脑组织中大多数的铁以铁蛋白(ferritin)的形式存在 这些在3T上获得的扫描能够覆盖整个大脑只需要4min, 而在1.5T若想获得相同的信噪比，需要16min,SWI相位图对中脑结构的显示(SWI Phase Image in Midbrain,尸检后印度墨汁染色,SWI 相位图,4T SWI 0.5 x 0.5 x 1.0 mm3 （活体,血管内注入造影剂放射成像（尸检,7T 215 x 215 x 1000E = 16msTR = 45msFA = 258层面MIP,图像提供：纽约大学葛玉林,7T,SWI的CNS临床应用,IPD

10、和MSA鉴别诊断 脑外伤 (trauma) 脑肿瘤 (tumors) 脑卒中 (stroke) 多发性硬化 (MS) 钙化显示(calcification) 海绵状血管瘤（cavernous hemangioma,IPD control MSA,IPD和MSA铁沉积比较（幅度图,IPD患者苍白球铁沉积较明显； MSA患者壳核铁沉积较明显,PD control MSA,IPD患者苍白球铁沉积较明显； MSA患者壳核铁沉积较明显,IPD和MSA铁沉积比较（相位图,PD control MSA,PD和MSA患者黑质存在铁沉积，本例MSA患者红核内亦有铁的沉积,PD 患者77Y F,MIBG H/M

11、比值降低 H/M 1.23/1.18 （PD降低）MIBG=Metaiodo Benzylguanidine （123I-间碘苄胍） SWI 苍白球铁沉积增加 黑质铁沉积增加,MSA与PD鉴别,壳核铁沉积增加 提示MSA PD 74 M 壳核和苍白球铁沉积增加 H/M ratio of MIBG 降低 (1.07), 提示 PD MSA：MIBG正常,SWI,T2WI,PD 74yrs M,Multiple sysytemic atrophy (MSA,PD患者 78Y F,1999年（69歳）発症、2001年診断 発症後9年 他院加療。 H/M 1.4/1.36,MIBG H/M ratio

12、 轻度降低 1.4/1.36 SWI 苍白球铁沉积增加 黑质无明显铁沉积增加,PD 83Y F,1997年（72歳）発症 発症後11年 H/M 1.24/1.20,MIBG H/M 比值降低 1.24/1.20 SWI 苍白球铁沉积增加 黑质无明显铁沉积增加,SWI可用于临床定量分析铁沉积 区别IPD和MSA ECT辅助鉴别：MIBG正常（MSA） MSA的壳核在高铁含量区显著高于IPD IPD在黑质和苍白球的高铁含量区较MSA高,结 论,脑外伤,50% 脑外伤病人影像学表现为正常 SWI对微出血灶显示比GRE序列敏感3到6倍 结合DTI, 可显示弥漫性轴索损伤(DAI,SWI对微出血灶的显示

13、,GRE,剪切效应和轴索损伤 (Shearing Effects,SWI,T2,弥漫性轴索损伤 (DAI,Male, 35 yr, fell from 4 meters high, coma, GCS: 7. CT was done the same day of accident, MRI was done five days later,脑外伤出血,脑外伤出血,Female, 38 yrd, motor vehicle accident, in coma,脑外伤出血,Male, 29, motor vehicle accident, CT and MRI were done the sam

14、e day,脑外伤出血,A 7-year-old boy, accident, headache, vomit,trauma,trauma,同前病人,脑肿瘤(Tumor,我们是否能用MRI 观察新生的肿瘤血管(angiogenesis) ? 我们是否能用MRI发现极早期肿瘤(early tumor)? 是否每个人因该每隔五年进行一次MRI检查? Should we scan people every 5 years,肿瘤内出血,脑转移,非增强T1未显示明显出血征像,SWI清楚显示出血产物存在（经病理证实,肿瘤边界的低信号：肿瘤血管,T1 平扫,SWI 磁矩图,T1 增强,高级别的肿瘤活动区含更

15、多的血管，且容易出血,左额叶血管周围细胞瘤,CE-SWI,SWI,胶质母细胞瘤,肿瘤内血氧饱和度更高的成分或许代表着代谢更活跃的肿瘤细胞成分,脑血管病,中年男性，五年前突发失语，右手感觉障碍，治疗后好转，诊断为左侧内囊后肢腔隙性梗塞。复查T1, T2, FLAIR, 甚至SWI磁矩图均未见异常，相位和mIP图示内囊区一小病灶,SWI显示病灶更清楚，极少量的出血在相位图连续七个层面显示,脑血管淀粉样变性(Cerebral amyloid angiopathy,极少量的含铁血黄素引起的去相位效应，显示的容积大小可为铁本身含量的 1000倍, 因此50的微动脉出血在像素体积为1mm3图像上得以显示,

16、老年男性，有中风史，行心血管外科手术后用华法林抗凝， 出现认知障碍，MRA未见异常，SWI示多发点状出血，即停华法林治疗,脑梗塞的病变动脉在CT和FLAIR序列上表现为动脉致密征和高信号血管征，但受到敏感度不高、层厚等的限制；4h CT：50%；24h CT：22% DWI和PWI可显示急性脑梗死早期的病理信息，但无法准确判断病变动脉是否伴有血栓的形成 脑梗塞的病变血管内含大量去氧血红蛋白，SWI呈现血管走形区域低信号影，即磁敏感征；对脑梗塞的早期诊断和病变血管提供补充信息,脑梗塞影像评估,ADC：示左侧脑室周围白质急性梗塞灶 SWI ：示大脑前动脉血供区血(ACA)氧饱和度降低， 提示整个该

17、区域处于缺血状态,急性脑梗塞,男 64岁。突发左下肢无力伴麻木3天。A. DWI示右侧额叶及胼胝体膝部见片状高信号影；B. 3D TOF MRA示右侧大脑前动脉闭塞（）；C、D. CT及FLAIR未见血管异常表现；E. SWI示右侧大脑前动脉走形区呈条状低信号（,女 54岁。突发左侧肢体无力2天。A. DWI示右侧额顶叶见大片高信号影；B. 3D TOF MRA示右侧大脑中动脉M1段远端闭塞（）；C.CT示右侧大脑中动脉 M1与M2段交界处呈条状高密度影；D.FLARI示右侧大脑中动脉 M1段呈高信号；E.SWI示右侧大脑中动脉走形区呈条状低信号,CT平扫的动脉致密征提示动脉血栓，敏感性不高2

18、2.6%-38%，对脑梗死的早期诊断应用有限 MRA与CTA、DSA显示大动脉病变有较好的一致性，但采集时间较长，无法显示腔内血栓的范围 FLAIR的高信号血管征的机制是血流速度减缓及血管内血栓所致，但与血流动力学状态有关，诊断动脉血栓的特异性较低，敏感性为57.1%。 磁敏感差异为基础的灌注磁共振成像，描述了动脉栓塞患者在大脑动脉走形区域呈条状或圆点状的低信号影，将其称为磁敏感征；是由于新鲜的动脉血栓内含有丰富的顺磁性去氧血红蛋白，导致质子的快速失相位所致 SWI低信号影的敏感性83%，特异度为100,多发性硬化(MS,黄箭：示病灶与静脉相连 红箭：示苍白球所在，Dawson 指征,SWI

19、所显病灶分布及特性与其它序列不同,某些病灶在FLAIR显示而在相位图上未见（红箭） 某些病灶在相位图显示而在FLAIR上未见（黄箭） 其原因是这些病灶有不同的病理学基础，新的炎性病灶及水肿可能在T2上显示，而陈旧的病灶可能形成铁的沉积，从而在SWI上显示,mIP (2) Phase FLAIR PWI,CBF CBV FWHM MTT,陈旧病灶内铁的沉积与高分辨PWI灌注缺失,磁共振对钙化的显示,钙化在磁共振传统序列（T1, T2)上的信号多变。 钙化在梯度回波上显示为极低信号，与含铁物质(出血)鉴别困难。 铁为顺磁性物质，钙化为反磁性物质，因此在相位图上，两者的信号相反，所以可以被鉴别开来,钙化：a 46-year-old male,脑囊虫,A. SWI B. CT C. Phase image,脑囊虫感染史，CT示脑实质内多发钙化，相位图示钙化点与CT 一致,海绵状血管瘤,Ga-DTPA,SWI,T1WI,T2WI,17-year-old girl, h