磁敏感加權成像(SWI)以T2*加權梯度回波序列作為序列基礎，根據不同組織間的磁敏感性差異提供圖像對比增強，可同時獲得磁距圖像(magnitudeimage)和相點陣圖像(phase image)。SWI在顯示腦內小靜脈及出血方面敏感性優於常規梯度回波序列，具有較高的臨床套用價值。
基本介紹
- 中文名：磁敏感加權（成像）
- 外文名：susceptibility weighted imaging,SWI
- 專業：磁共振對比增強成像技術
背景,基本原理,後處理,相點陣圖,套用展望,
背景
磁敏感加權成像(susceptibility weighted imaging,SWI)是近年來新開發的磁共振對比增強成像技術，它最早由E. Mack Haacke等於1997年發明並於2002年申請專利，最初稱作“高解析度血氧水平依賴靜脈成像”(high resolution blood oxygenation leveldependent venographic imaging)。該技術早期主要套用於腦內小靜脈的顯示，近年來經過高場磁共振儀的套用及相關技術的不斷改進，其臨床套用範圍得到了極大的擴展。SWI能夠比常規梯度回波序列更敏感地顯示出血，甚至是微小出血，在診斷腦外傷、腦腫瘤、腦血管畸形、腦血管病及某些神經變性病等方面具有較高的價值及套用前景。
基本原理
SWI序列基礎
SWI根據不同組織間的磁敏感性差異提供圖像對比增強，它可以套用於所有對不同組織間或亞體素間磁化效應敏感的序列，但是為了凸顯其在表現細小靜脈及小出血方面的能力，SWI以T2*加權梯度回波序列作為序列基礎。與T2*加權梯度回波序列不同的是，SWI採用高解析度、三維完全流動補償的梯度回波序列進行掃描，可同時獲得磁距圖像(magnitude image)和相點陣圖像(phase image)兩組原始圖像，二者成對出現，所對應的解剖位置完全一致。常規MRI僅利用了單一的磁距圖信息，SWI則利用了一直被忽略的相位信息，並經過一系列複雜的圖像後處理將相點陣圖與磁距圖融合，形成獨特的圖像對比。
磁敏感性及常見的磁敏感物質
SWI主要利用組織間磁敏感差異形成圖像對比，磁敏感性反映了物質在外加磁場(H)作用下的磁化程度，可以用磁化率(χ)來度量。常見的磁敏感物質有順磁性物質、反磁性物質及鐵磁性物質。順磁性物質具有未成對的軌道電子，它們在外加磁場存在時自身產生的磁場(M)與外加磁場(H)方向相同，具有正的磁化率(χ>0)。而反磁性物質則沒有成對的軌道電子，自身產生磁場(M)與外加磁場(H)方向相反，具有負的磁化率(χ<0)。鐵磁性物質可被磁場明顯吸引，去除外磁場後仍可以被永久磁化，具有很大的磁化率。人體組織中絕大多數磁敏感改變與血液中鐵的不同形式或出血等相關。血紅蛋白的4個蛋白亞基(珠蛋白)分別包含一個由卟啉環包繞的鐵離子(Fe2+)，當血紅蛋白中的Fe2+與氧結合時，無不成對電子，形成的氧合血紅蛋白呈反磁性。當氧與鐵離子分離形成脫氧血紅蛋白時，血紅蛋白的構像改變阻礙周圍的水分子接近鐵離子，形成的脫氧血紅蛋白有4個不成對電子，呈順磁性。當脫氧血紅蛋白中的Fe2+被進一步被氧化成Fe3+，形成高鐵血紅蛋白。正常情況下，在紅細胞內這一過程被還原型輔酶所抑制，當這種機制失效(如出血)時，脫氧血紅蛋白轉變為高鐵血紅蛋白。高鐵血紅蛋白僅有很弱的磁敏感效應，穩定性差，易於解體，最終被巨噬細胞吞噬引起組織內含鐵血黃素沉積，含鐵血黃素為高順磁性物質。組織內另一種磁敏感的源物質是非血紅素鐵，它常以鐵蛋白的形式存在，表現為反磁性。組織內的鈣化通常也呈反磁性，雖然磁敏感效應比鐵弱，但也能導致可測量到的敏感性的變化。無論是順磁性還是反磁性物質，均可使局部磁場發生改變而引起質子失相位，使質子自旋頻率產生差別，如果施加一個足夠長的TE，自旋頻率不同的質子間將形成明顯的相位差別。這樣，磁敏感度不同的組織在SWI相點陣圖上可以被區別出來。
同步時間飛躍和完全流動補償SWI(TOF-SWI)
自SWI發明以來，它主要用於靜脈血管及其他磁敏感物質的顯示。Deistung等通過對SWI第二個回波進行三維完全流動補償動脈血管成像，發現施加一個傾斜20°的翻轉角可以達到顯示動脈的最佳效果，同時靜脈對比也仍存在。對比TOF-SWI序列及單回波TOF序列，發現兩者對於所有主要動脈顯示的圖像質量是一樣好的。
後處理
為了去除背景磁場不均勻造成的低頻相位干擾，進一步增強組織間的磁敏感對比度並更加清晰地顯示解剖結構，需要對SWI的原始圖像進行一系列複雜的後處理。具體過程是：首先對在原始相點陣圖像施加一個低通濾波器，然後在複數域中用原始圖像除以低通濾波後的k空間數據，去除由於背景磁場不均勻造成的低頻擾動，最終實際得到的將是高通濾過圖像，即校正後的相點陣圖。第二步需要將校正相點陣圖中不同組織的相位值進行標準化處理，建立相位蒙片，並將相位蒙片與幅度圖像多次相乘進行加權。
由於在相點陣圖像中，順磁物質如靜脈的相位信號表現為明顯的負值，而腦實質(如大部分腦實質及腦脊液等)相位值通常為正值或較小的負值，因此靜脈等順磁性物質在相位蒙片中的相位值被轉化至(0，1)。
經過相位蒙片與幅度圖加權，靜脈等順磁性物質的負性相位信號得以最大抑制，在磁敏感加權圖像上呈明顯的低信號，所生成的圖像在失相位區域與正常組織間便具有很好的對比。最後，運用最小信號強度投影使分散在各個層面的靜脈信號連續化，顯示連續的靜脈血管結構。SWI獨特的數據採集和圖像處理過程提高了磁矩圖像的對比，對靜脈血、出血和鐵沉積高度敏感，甚至可以檢測到小於一個體素的血管。
相點陣圖
與常規磁共振成像不同，相點陣圖反映了質子在弛豫過程中經過的角度(φ)，根據磁敏感性的差異反映圖像對比，可獲得大量反映組織內鐵及其他磁敏感性物質含量的數據信息。但是由於磁場不均勻性造成的背景磁場效應的干擾(例如空氣-組織界面相位偽影)，使我們無法有效觀察及利用感興趣區的相位信息。在SWI圖像後處理過程中對相點陣圖像套用高通濾波可以較好的去除由於組織間磁場不均勻造成的背景低頻相位擾動。但是高通濾波在去除背景磁場的低頻磁場效應的同時，也可以從大的解剖結構上將一些生理和病理相關的相位信息去除，為了儘可能減少不必要的背景信息去除，SWI圖像處理中很少使用超過64×64像素的中心濾波器。
套用展望
SWI利用不同組織間磁敏感的差異成像並將其放大，通過檢測病灶中的靜脈分布、出血灶和礦物質沉積等，有效改善了相關疾病的診斷，目前主要套用於中樞神經系統。從對SWI原理的描述可以看到，理論上，只要組織間存在磁化率差異，就可以通過SWI顯示出組織對比。但由於磁敏感成像對於局部磁場不均勻性特別敏感，因此在某些磁化率差異特別大的區域，其成像受到一定的限制，如顱底的含氣鼻竇、脊柱等部位，由於組織間的的磁化率差異極大，因此造成局部特彆強的相位偽影。完全去除相位偽影的磁化率圖(susceptibility maps)等技術的發展為SWI在脊柱的套用提供了可能。另外，軟骨、乳腺、動脈硬化斑塊中的鈣質沉積、肝血色沉著病等的磁敏感成像也在研究發展中。隨著3T、4T乃至於7T高場強磁共振設備的引入，回波平面成像技術(echo planar imaging, EPI)及多回波SWI的套用，圖像處理軟體的進一步改進，SWI的圖像解析度將進一步提高，SWI將成為MRI常規序列的重要補充，更好地套用於臨床診斷、鑑別診斷及科學研究之中。
