SWI的成像原理及其CNS应用研究

1、swiswi的成像原理及其的成像原理及其cnscns应用研究应用研究 概要概要(todays agenda)(todays agenda)lswiswi的基本概念的基本概念(basic concepts)(basic concepts)lswiswi的临床应用的临床应用(clinical applications)(clinical applications)l磁化率：一种物质放入外磁场后的磁性反应磁化率：一种物质放入外磁场后的磁性反应 l许多组织与背景或相邻组织有特征磁敏感差异许多组织与背景或相邻组织有特征磁敏感差异l一些组织具有独特的磁化率一些组织具有独特的磁化率静脉脱氧血红蛋白静脉脱氧血

2、红蛋白血凝块（顺磁性）血凝块（顺磁性）钙（抗或反磁性）钙（抗或反磁性）含铁组织含铁组织空气空气/ /组织界面组织界面swiswi发展背景发展背景l高分辨率（矩阵高分辨率（矩阵320320以上）以上）l薄层（薄层（1mm1mm）扫描）扫描l采用更长回波时间采用更长回波时间l三维完全流动补偿三维完全流动补偿lt2t2* *梯度回波序列梯度回波序列l同时采集磁矩图像和相位图像同时采集磁矩图像和相位图像swi 三维图像三维图像高分辨率高分辨率三个方向完全流动补偿三个方向完全流动补偿dimension：3dthickness：2mm；matrix：192x512； voxel size：1mmx0.5m

3、mx2mmflow compensation: yes (slice, read and phase)reconstruction：magnitude/phaset1wi&t2*witr=29ms;te=20ms（longer te value）包含幅度和相位信息包含幅度和相位信息l利用不同组织磁化率（利用不同组织磁化率（susceptibilitysusceptibility）的差异）的差异 产生的磁化率对比产生的磁化率对比l磁化率对比大部分来源于相位图磁化率对比大部分来源于相位图l长期以来依赖于长期以来依赖于mrimri幅值图，相位图被忽视幅值图，相位图被忽视l相位图含有大量局部不

4、同组织间磁化率差异的信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息，在像素水平上可分离获取主要频谱信息l相位图的难题：局部背景磁场效应可混淆局部组相位图的难题：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，即可解决此问题间频率，即可解决此问题l相位是图像对比优质源，如相位是图像对比优质源，如gm/wmgm/wm对比，脑内小静脉对比，脑内小静脉l相位可作为蒙片（相位可作为蒙片（maskmask）调节幅度图对比，如抑制或）调节幅度图对比，如抑制或 增强频谱成分增强频谱成分l相位图可

5、制作出投影图（相位图可制作出投影图（mip)mip)显示组织或脉管连续性显示组织或脉管连续性l可用单时间点法提高组织内脂肪、静脉血、铁的对比可用单时间点法提高组织内脂肪、静脉血、铁的对比l聚焦磁敏感作用，应用原始相位图自身或用其调节幅聚焦磁敏感作用，应用原始相位图自身或用其调节幅 度图对比的方法，称为度图对比的方法，称为swiswi（susceptibility susceptibility weighted imaging) weighted imaging)或磁敏感成像（或磁敏感成像（e mark haackee mark haacke）l假设磁距最开始与假设磁距最开始与x x轴平行，经过

6、一段时间后便会与轴平行，经过一段时间后便会与x x轴成一轴成一 夹角夹角，此夹角，此夹角即为相位，可由即为相位，可由tan-1tan-1（x/yx/y）计算出）计算出l拉莫尔方程拉莫尔方程 ：=bo =bo ；相位可表示为：；相位可表示为：=t=tl经过一段时间经过一段时间tete后，不同组织间相位的差异可表示为：后，不同组织间相位的差异可表示为： =te =bte=te =bte b 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局部磁场变化，可见相位仅受局部磁场变化和时间的影响 lb=bob=bo，则：，则：=gbote =gbote bo bo为主磁场的大小，为主磁场的大小，为不同

7、组织间磁化率的差异，为不同组织间磁化率的差异，g g为为 几何效应因子。几何效应因子。x轴轴y轴轴z轴轴m磁矩磁矩l受磁化率影响，也受物体的几何形状影响受磁化率影响，也受物体的几何形状影响l对于复杂的结构，其周围磁场改变的计算不像圆柱对于复杂的结构，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改变与它们的几何结构相关l相位图上包含微观和宏观的磁场效应相位图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

8、的差异，如微观效应为我们感兴趣组织磁化率的差异，如 gm/wmgm/wm铁含量不同，两者间磁化率有差异产生对比铁含量不同，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，如空气化，如空气/ /组织界面，和主磁场的不均匀组织界面，和主磁场的不均匀 l相位图包含相位变化相位图包含相位变化l相位源于以下四个因素：相位源于以下四个因素： = (localbo + = (localbo + bcs + bglobal bcs + bglobal geometry + bmain field) geometry + bmain fie

9、ld) * * te te 第一项为局部的磁场改变，即不同组织间的磁化率差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，是一个点场的效应依赖性，是一个点场的效应最后两项最后两项bgeometry bgeometry 和和 bmain fieldbmain field引起的相引起的相 位改变为宏观磁场效应，常被认为是伪影，倾向于有位改变为宏观磁场效应，常被认为是伪影，倾向于有 很低的空间频率。采用去除低频信号，保留高频信很低的空间频率。采用去除低频信

10、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号，可除掉这些伪影，这就是所说的相位高频滤过法l处理步骤处理步骤除掉背景低频成分，保留高通滤过效应，应用除掉背景低频成分，保留高通滤过效应，应用64 x 6464 x 64高通滤过函数，获取校正相位图（高通滤过图）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）校正相位图作为蒙片调节幅度图对比（通过卷积算法）a. a. 原始相位图原始相位图b. b. 高通滤过相位图，滤过矩阵大小为高通滤过相位图，滤过矩阵大小为32x3232x32c. c. 高通滤过相位图，滤过矩阵大小为高通滤过相位图，滤过

11、矩阵大小为64x64 64x64 0 00 80 88 168 1616 3216 323232 64 6464 9664 9696 12896 128128 192128 192192192 wm: wm: 白质白质 gmgm： 灰质灰质csfcsf： 脑脊液脑脊液l滤波矩阵越大，低频伪影滤除的越干净，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图像越细腻，但有效信息也被部分滤除l选择选择 32 x 32 32 x 32 或或 64 x 64 64 x 64 高通滤波矩阵高通滤波矩阵最合适，此时有效的滤除了低频伪影，同最合适，此时有效的滤除了低频伪影，同时最大程度的

12、保留了有用信息时最大程度的保留了有用信息l校正相位图作为蒙片调节幅度图对比（通过卷积算法）校正相位图作为蒙片调节幅度图对比（通过卷积算法）l相位蒙片设置：相位蒙片设置： 举例设定对举例设定对 - - 抑制，则抑制，则相位蒙片为：相位蒙片为： f(x)=(f(x)=( (x)+(x)+ )/)/ （相位（相位 （x x） 0 ) 0 )当相位当相位 (x)= -(x)= - ，则，则 f(x)=0f(x)=0； 故相位故相位- - 的体素均被抑制为的体素均被抑制为0 0；当相位当相位- - (x) 0 (x) 0 时，则时，则 0 f(x) 1;0 f(x) 0 (x) 0 时，则设时，则设 f

13、(x) = 1f(x) = 1相位蒙片与幅度图相乘时，相位为相位蒙片与幅度图相乘时，相位为- - 的体素全部被抑制；位的体素全部被抑制；位于于 - - 和和0 0之间，则部分被抑制；相位大于之间，则部分被抑制；相位大于0 0时，则体素幅值时，则体素幅值不变；故所获得不变；故所获得swiswi图的组织间差异或对比形成明显图的组织间差异或对比形成明显magnitudeswiphasethresholded phase an example of swi processinga.a. 幅度图幅度图 b.b. 相位图相位图c.c. a a * * b( b(乘乘1 1次）次） d.d. a a* *b

14、 b* *b (b (乘乘2 2次）次）脂肪脂肪脂肪脂肪应用相位图调节灰应用相位图调节灰/ /白质对比举例。白质对比举例。a.t1wia.t1wi幅度图（幅度图（te=5mste=5ms）；）；b.b.用相位蒙用相位蒙片（片（te=40mste=40ms）乘）乘4 4次幅度图所得的次幅度图所得的swiswi图。图中所示灰图。图中所示灰/ /白质对比明显提高，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. a. 幅度图幅度图 t1wi te=5mst1wi te=5msb. swib. s

15、wi图图filtered phase image at 3.0tfiltered phase image at 3.0t该图显示了运动皮层铁含量很高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脑组织中大多数的铁以铁蛋白(ferritin)(ferritin)的形式存在的形式存在这些在这些在3t3t上获得的扫描能够覆盖整上获得的扫描能够覆盖整个大脑只需要个大脑只需要4min, 4min, 而在而在1.5t1.5t若想若想获得相同的信噪比，需要获得相同的信噪比，需要16min16min红核大脑脚内侧膝状体黑质致密部黑质网状部(swi phase image in midbrain )(

16、swi phase image in midbrain )尸检后印度墨汁染色尸检后印度墨汁染色swi 相位图相位图 4t swi4t swi0.5 x 0.5 x 1.0 mm30.5 x 0.5 x 1.0 mm3（活体）（活体）血管内注入造影剂血管内注入造影剂放射成像（尸检）放射成像（尸检）7t 7t 215215 x 215x 215 x 1000 x 1000 e = 16mse = 16mstr = 45mstr = 45msfa = 25fa = 258 8层面层面mipmipipdipd和和msamsa鉴别诊断鉴别诊断脑外伤脑外伤 (trauma) (trauma) 脑肿瘤脑肿瘤

17、 (tumors) (tumors) 脑卒中脑卒中 (stroke)(stroke)多发性硬化多发性硬化 (ms)(ms)钙化显示钙化显示(calcification)(calcification)海绵状血管瘤（海绵状血管瘤（cavernous hemangiomacavernous hemangioma）ipd control msaipd control msaipd患者苍白球铁沉积较明显；msa患者壳核铁沉积较明显。pd control msapd control msaipdipd患者苍白球铁沉积较明显；患者苍白球铁沉积较明显；msamsa患者壳核铁沉积较明显。患者壳核铁沉积较明显。p

18、d control msapd control msapdpd和和msamsa患者黑质存在铁沉积，本例患者黑质存在铁沉积，本例msamsa患者红核内亦有铁的沉积。患者红核内亦有铁的沉积。 pd pd 患者患者77y f77y fnmibg h/m mibg h/m 比值降低比值降低nh/m 1.23/1.18h/m 1.23/1.18 （pdpd降低）降低）mibg=metaiodo benzylguanidinemibg=metaiodo benzylguanidine （123123i-i-间碘苄胍）间碘苄胍）nswiswin苍白球铁沉积增加苍白球铁沉积增加n黑质铁沉积增加黑质铁沉积增加n

19、壳核铁沉积增加壳核铁沉积增加n提示提示msamsapd 74 mpd 74 mn壳核和苍白球铁沉壳核和苍白球铁沉积增加积增加nh/m ratio of h/m ratio of mibg mibg 降低降低 (1.07), (1.07), 提示提示 pdpdnmsamsa：mibgmibg正常正常swit2wipd 74yrs mmultiple sysytemic atrophy (msa)pdpd患者患者 78y f78y fnmibg h/m ratio mibg h/m ratio 轻度降低轻度降低 n1.4/1.361.4/1.36nswiswin苍白球铁沉积增加苍白球铁沉积增加n黑

20、质无明显铁沉积增加黑质无明显铁沉积增加pd pd 83y f83y fnmibg h/m mibg h/m 比值降低比值降低 n1.24/1.201.24/1.20nswiswin苍白球铁沉积增加苍白球铁沉积增加n黑质无明显铁沉积增加黑质无明显铁沉积增加lswiswi可用于临床定量分析铁沉积可用于临床定量分析铁沉积l区别区别ipdipd和和msamsalectect辅助鉴别：辅助鉴别：mibgmibg正常（正常（msamsa）lmsamsa的壳核在高铁含量区显著高于的壳核在高铁含量区显著高于ipdipdlipdipd在黑质和苍白球的高铁含量区较在黑质和苍白球的高铁含量区较msamsa高高l50

21、% 50% 脑外伤病人影像学表现为正常脑外伤病人影像学表现为正常lswiswi对微出血灶显示比对微出血灶显示比gregre序列敏感序列敏感3 3到到6 6倍倍l结合结合dti, dti, 可显示弥漫性轴索损伤可显示弥漫性轴索损伤(dai)(dai)greswi(shearing effects)(shearing effects)greswiswit2弥漫性轴索损伤弥漫性轴索损伤 (dai) (dai) abcdmale, 35 yr, fell from 4 meters high, coma, gcs: 7. ct was done the same day of accident, mr

22、i was done five days later.abfemale, 38 yrd, motor vehicle accident, in comabcamale, 29, motor vehicle accident, ct and mri were done the same day.a 7-year-old boy, accident, headache, vomittrauma同前病人同前病人l我们是否能用我们是否能用mri mri 观察新生的肿瘤血管观察新生的肿瘤血管(angiogenesis) ?(angiogenesis) ?l我们是否能用我们是否能用mrimri发现极早期肿

23、瘤发现极早期肿瘤(early tumor)?(early tumor)?l是否每个人因该每隔五年进行一次是否每个人因该每隔五年进行一次mrimri检查检查? ? should we scan people every 5 years?should we scan people every 5 years?脑转移脑转移, ,非增强非增强t1t1未未显示明显出血征像显示明显出血征像 swiswi清楚显示出血产物存清楚显示出血产物存在（经病理证实）在（经病理证实） t1 t1 平扫平扫swi swi 磁矩图磁矩图t1 t1 增强增强高级别的肿瘤活动区含更多的血管，且容易出血高级别的肿瘤活动区含更多的

24、血管，且容易出血ce-swiswicarbogencarbogen(5%(5%二氧化炭二氧化炭+95%+95%氧气）氧气）airt1磁矩图mipflairt1脑血管病脑血管病中年男性，五年前突发失语，右手感觉障碍，治中年男性，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。复疗后好转，诊断为左侧内囊后肢腔隙性梗塞。复查查t1, t2, flair, t1, t2, flair, 甚至甚至swiswi磁矩图均未见异常，磁矩图均未见异常，相位和相位和mipmip图示内囊区一小病灶图示内囊区一小病灶。swiswi显示病灶更清楚，极少量的出血在显示病灶更清楚，极少量的出血在相位

25、图连续七个层面显示。相位图连续七个层面显示。t2swi极少量的含铁血黄素引起的去相位效应，显示的容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积大小可为铁本身含量的 10001000倍倍, , 因此因此5050的微动的微动脉出血在像素体积为脉出血在像素体积为1mm1mm3 3图像上得以显示图像上得以显示老年男性，有中风史，老年男性，有中风史，行心血管外科手术后用行心血管外科手术后用华法林抗凝，华法林抗凝， 出现认知出现认知障碍，障碍，mramra未见异常，未见异常，swiswi示多发点状出血，即示多发点状出血，即停华法林治疗停华法林治疗l脑梗塞的病变动脉在脑梗塞的病变动脉

26、在ctct和和flairflair序列上表现为动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、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；层厚等的限制；4h ct4h ct：50%50%；24h ct24h ct：22%22%ldwidwi和和pwipwi可显示急性脑梗死早期的病理信息，但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无法准确判断病变动脉是否伴有血栓的形成l脑梗塞的病变血管内含大量去氧血红蛋白，脑梗塞的病变血管内含大量去氧血红蛋白，swiswi呈现血管走形区域低信号影，即磁敏感征；对脑呈现血管走形区域低信号影，即磁敏感征；对脑梗塞

27、的早期诊断和病变血管提供补充信息梗塞的早期诊断和病变血管提供补充信息adcswiadcadc：示左侧脑室周围白质急性梗塞灶：示左侧脑室周围白质急性梗塞灶swi swi ：示大脑前动脉血供区血：示大脑前动脉血供区血(aca)(aca)氧饱和度降低，氧饱和度降低， 提示整个该区域处于缺血状态。提示整个该区域处于缺血状态。 男男 6464岁。突发左下肢无力伴麻木岁。突发左下肢无力伴麻木3 3天。天。a. dwia. dwi示右侧额叶及胼胝体膝部见片状示右侧额叶及胼胝体膝部见片状高信号影；高信号影；b. 3d tof mrab. 3d tof mra示右侧大脑前动脉闭塞（示右侧大脑前动脉闭塞（）；）；

28、c c、d. ctd. ct及及flairflair未未见血管异常表现；见血管异常表现；e. swie. swi示右侧大脑前动脉走形区呈条状低信号（示右侧大脑前动脉走形区呈条状低信号（）。）。女女 5454岁。突发左侧肢体无力岁。突发左侧肢体无力2 2天。天。a. dwia. dwi示右侧额顶叶见大片高信号影；示右侧额顶叶见大片高信号影；b. b. 3d tof mra3d tof mra示右侧大脑中动脉示右侧大脑中动脉m1m1段远端闭塞（段远端闭塞（）；）；c.ctc.ct示右侧大脑中动脉示右侧大脑中动脉 m1m1与与m2m2段交界处呈条状高密度影；段交界处呈条状高密度影；d.flarid.

29、flari示右侧大脑中动脉示右侧大脑中动脉 m1m1段呈高信号；段呈高信号；e.swie.swi示右侧大脑中动脉走形区呈条状低信号。示右侧大脑中动脉走形区呈条状低信号。lctct平扫的动脉致密征提示动脉血栓，敏感性不平扫的动脉致密征提示动脉血栓，敏感性不高高22.6%-38%22.6%-38%，对脑梗死的早期诊断应用有限，对脑梗死的早期诊断应用有限lmramra与与ctacta、dsadsa显示大动脉病变有较好的一致性，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但采集时间较长，无法显示腔内血栓的范围lflairflair的高信号血管征的机制是血流速度减缓及的高信号血管

30、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，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，敏感性为诊断动脉血栓的特异性较低，敏感性为57.1%57.1%。l磁敏感差异为基础的灌注磁共振成像，描述了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蛋白，导致质子的快速失相位所致lswiswi低信号影的

31、敏感性低信号影的敏感性83%83%，特异度为，特异度为100%100%。黄箭：示病灶与静脉相连黄箭：示病灶与静脉相连红箭：示苍白球所在，红箭：示苍白球所在，dawson dawson 指征指征 相位图相位图t2flair某些病灶在某些病灶在flairflair显示而在相位图上未见（显示而在相位图上未见（红箭红箭）某些病灶在相位图显示而在某些病灶在相位图显示而在flairflair上未见（上未见（黄箭黄箭）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t2t2上显示，而陈旧的病灶可能形成铁的沉积，从而在上显示，而陈旧的病灶可能形成铁的沉积，从而在swiswi上显示上显示 mip (2) phase flair pwi cbf cbv fwhm mtt陈旧病灶内铁的沉积与陈旧病灶内铁的沉积与高分辨高分辨pwipwi灌注缺失灌注缺失l钙化在磁共振传统序列（钙化在磁共振传统序列（t1, t2)t1, t2)上的信号上的信号多变。多变。l钙化在梯度回波上显示为极低信号，与含钙化在梯度回波上显示为极低信号，与含铁物质铁物质( (出血出血) )鉴别困难。鉴别困难。l铁为顺磁性物质，钙化为反磁性物质，因铁为顺磁性物质，钙化为