磁共振磁敏感加權(quán)成像技術(shù)及其臨床應(yīng)用新進(jìn)展

山東省淄博市中心醫(yī)院（淄博 255036）

常規(guī)的MRI 檢查序列及MRA 對較大和快流速血管結(jié)構(gòu)的顯示較為敏感和準(zhǔn)確，而對慢流速和纖細(xì)血管結(jié)構(gòu)的顯示，其應(yīng)用就受到很大限制。X 線腦血管造影檢查雖為腦血管畸形診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但也不能發(fā)現(xiàn)某些隱匿性血管畸形，如海綿狀血管瘤、毛細(xì)血管擴(kuò)張癥、血栓化的靜脈畸形及血栓化的動靜脈畸形等，從而導(dǎo)致誤診或漏診。近年來，磁敏感加權(quán)成像（SWI）技術(shù)逐漸應(yīng)用于臨床，并顯示出對緩慢血流的靜脈性血管、微出血以及鐵等順磁性物質(zhì)的診斷的獨(dú)特效果。

磁敏感加權(quán)成像（susceptibility weighted imaging，SWI）是一個較新發(fā)展起來的成像技術(shù)。SWI 是一個三維采集、完全流動補(bǔ)償?shù)?、高分辨力的、薄層重建的梯度回波序列，它所形成的影像對比有別于傳統(tǒng)的T1 加權(quán)像、T2 加權(quán)像及質(zhì)子加權(quán)像，可充分顯示組織之間內(nèi)在的磁敏感特性的差別，如顯示靜脈血、出血（紅細(xì)胞不同時期的降解成分）、鐵離子等的沉積等。目前主要應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

1.基本原理

與傳統(tǒng)的梯度回波采集技術(shù)不同，SWI 運(yùn)用了分別采集強(qiáng)度數(shù)據(jù)（magnitude data）和相位數(shù)據(jù)（phase data）的方式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，可將后處理的相位信息疊加到強(qiáng)度信息上，更加強(qiáng)調(diào)組織間的磁敏感性差異，形成最終的SWI 圖像。

1.1 與SWI 相關(guān)的組織磁敏感性特點(diǎn)

物質(zhì)的磁敏感性是物體的基本特征之一，可用磁化率表示，磁化率越大，物質(zhì)的磁敏感性越大。某種物質(zhì)的磁敏感率是指該物質(zhì)進(jìn)入外磁場后的磁化強(qiáng)度與外磁場的比率。反磁性物質(zhì)的磁敏感率為負(fù)值，但一般較低，鐵磁性物質(zhì)的磁化率為正值，比較高。

（1）血紅蛋白及其降解產(chǎn)物的磁敏感性：血液以其氧合程度的不同，表現(xiàn)出不同的磁特性，完全氧飽和的血液呈反磁性，而靜脈血呈順磁性，這與血紅蛋白的結(jié)構(gòu)有關(guān)。血紅蛋白是血氧的主要攜帶者，由四個蛋白亞單位（球蛋白）組成，每一個蛋白亞單位內(nèi)含一個亞鐵（Fe2+）血紅素分子，周圍環(huán)以卟啉環(huán)。當(dāng)Fe2+與氧結(jié)合時，沒有成對的電子存在，因此氧合血紅蛋白為反磁性；當(dāng)氧從血紅蛋白上解離形成去氧血紅蛋白（deoxyhemoglobin）時，其分子構(gòu)象發(fā)生變化，周圍的水分子無法接近亞鐵原子，因此去氧血紅蛋白帶4 個不成對的電子，表現(xiàn)為順磁性；血紅蛋白的第三種狀態(tài)是正鐵血紅蛋白（methemoglobin），為去氧血紅蛋白進(jìn)一步氧化成Fe3+時形成的，含5 個不成對的電子，正鐵血紅蛋白構(gòu)象進(jìn)一步變化，水分子可以與血紅素的鐵原子相互作用，形成蛋白-電子雙偶極子-雙偶極子作用，正鐵血紅蛋白具有極強(qiáng)的順磁性，其磁敏感性較弱，主要縮短T1 弛豫時間，在T1 加權(quán)像上顯示明顯；血紅蛋白降解的最終產(chǎn)物是含鐵血黃色素（hemosiderin），具有高度順磁性。在血紅蛋白的四種狀態(tài)中，以去氧血紅蛋白和含鐵血黃色素表現(xiàn)的磁敏感性較強(qiáng)。

(2)非血紅蛋白鐵及鈣化的磁敏感性：組織中另一個能引起明顯磁敏感性改變來源是非血紅素鐵。鐵在體內(nèi)不同代謝過程中可以有不同的表現(xiàn)形式，以鐵蛋白（ferritin）常見，為高順磁性。正常人隨年齡的增長，鐵在腦內(nèi)的沉積增加，但在某些神經(jīng)變性疾病中，如帕金森病、亨廷頓病及阿爾茨海默病等，鐵的異常沉積被認(rèn)為與疾病的病理機(jī)制有關(guān)。

無論是順磁性還是反磁性的物質(zhì)，只要能改變局部磁場，導(dǎo)致周圍空間相位的改變，就能產(chǎn)生信號的去相位，造成T2*減小。去相位的結(jié)果不取決于物質(zhì)是順磁性還是反磁性，而取決于物質(zhì)在一個體素內(nèi)能多大程度地改變磁場。如鈣在腦內(nèi)的結(jié)合狀態(tài)是弱反磁性物質(zhì)，但大多數(shù)情況下它可以產(chǎn)生局部磁場，導(dǎo)致信號去相位，造成T2*縮短，信號減低。

（3）SWI 的影像對比：文獻(xiàn)報道在吸入空氣、純氧及碳合氣（95%O2，5%CO2）時，SWI 上小血管與周圍組織結(jié)構(gòu)之間的影像對比明顯不同。吸入碳合氣時，腦血管擴(kuò)張，血液灌注增加，因此增加了靜脈血的氧合程度，去氧血紅蛋白量相對減少，因此其所造成的血管內(nèi)外之間的相位位移（phase shift）變小，在SWI 上顯示小靜脈與周圍結(jié)構(gòu)之間的對比明顯下降，小血管顯示不清，而非血紅素鐵在基底節(jié)的沉積，與外源性對比無關(guān)，信號強(qiáng)度沒有明顯變化；吸入純氧時導(dǎo)致腦血管收縮，血流灌注減少，靜脈血中的去氧血紅蛋白略有減少，SWI 上顯示的靜脈與周圍血液結(jié)構(gòu)之間的對比略有下降，與吸入空氣時的SWI 影像對比相似。該研究表明SWI 上小血管與周圍組織間的影像對比主要與血中去氧血紅蛋白的含量明顯相關(guān)，去氧血紅蛋白含量越高，血氧水平越低，相位變化越大，影像對比越好。這說明SWI主要反映組織間敏感性的差異。

順磁性去氧化靜脈血導(dǎo)致磁場不均勻的原因主要有兩條：①縮短血液的T2*；② 增加血管與周圍結(jié)構(gòu)的相位變化。這兩個效應(yīng)共同形成血氧水平依賴（blood oxygen level dependent，BOLD）成像的基礎(chǔ)。研究表明SWI 的影像對比主要是反應(yīng)小血管中的BOLD 效應(yīng)，而受腦血流變化的影響較小。因此學(xué)者認(rèn)為SWI 可應(yīng)用于反應(yīng)腦功能定位的fMRI 研究中，可以提高BOLD 效應(yīng)的顯示。

1.2 SWI 序列的采集處理及參數(shù)設(shè)置

SWI 采用三維采集，空間分辨率明顯提高；選擇薄層采集，明顯降低背景場T2*的噪聲影響；在所有方向上進(jìn)行了完全的流動補(bǔ)償，去除小動脈的影響。在采集原始數(shù)據(jù)時，將強(qiáng)度的數(shù)據(jù)與相位的數(shù)據(jù)分開重新排列，采集結(jié)束時可得到兩組圖像，即強(qiáng)度圖像和相位圖像。此后可在工作站上進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，對相位數(shù)據(jù)進(jìn)行高通（Highpass）濾波，中心矩陣常選64×64，或32×32，形成校正后的相位圖像，用校正后的相位圖像作為相位加權(quán)因子，也稱為相位蒙片（phase mask），疊加在強(qiáng)度數(shù)據(jù)上（如進(jìn)行4 次加權(quán)），形成最終的SWI 圖像，更加強(qiáng)調(diào)組織間的磁敏感性差異。

外磁場越大，磁化率偽影越重，同樣SWI所形成的對比也是場強(qiáng)依賴性的。目前SWI 可在1.5T 及3.0T 的磁共振系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。3.0T 上獲得的SWI 的對比好于1.5T。由于外磁場的不同，SWI 在1.5T 與3.0T 上所選用的成像參數(shù)有所不同。在1.5T 成像系統(tǒng)上，為強(qiáng)調(diào)組織間的T2*對比，TE 要選擇到30～50ms，而在3.0T 上，由于其信噪比和磁敏感效應(yīng)的增強(qiáng)，TE 時間可以縮短到10～20ms，這樣采集時間可以縮短，圖像的信噪比也會提高。SWI 本質(zhì)上還是梯度回波系列，其TR 及TE 值的選擇會影響最終影像的T1 或T2 權(quán)重。選擇短TE 時，會有組織的T1 對比參與形成影像的對比，如腦脊液信號降低，但圖像的信噪比較好，成像時間也相應(yīng)較短；而選擇相對長的TE 時，影像的T2*對比好，腦脊液信號及軟化灶的信號升高，影像更好地反映組織間的磁敏感性差異，但采集時間延長，且易受運(yùn)動影響，信噪比降低。因此，需要根據(jù)不同的成像目的具體調(diào)整成像參數(shù)。

2.腦SWI技術(shù)選擇的注意事項(xiàng)

（1）設(shè)備的選擇

目前臨床上SWI 只能在1.5T 及其以上場強(qiáng)的磁共振設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，且需要有特殊的軟件支持，包括序列的設(shè)計和后處理軟件。

（2）線圈的選擇

正交頭線圈及多通道相陣線圈均可用于SWI，相應(yīng)的處理算法有所不同。與正交頭線圈采集相比，采集相同厚度及范圍的SWI，多通道相控振線圈獲得的數(shù)據(jù)量大，圖像后處理所需要時間長。

（3）受檢者的情況

與常規(guī)頭部MRI 檢查要求一致，患者在成像過程中要保持頭部不動。

（4）成像方位與相位編碼方向

采用橫斷面采集，可選擇矩形FOV 或正方形FOV。相位編碼方向一般選擇左右方向。由于SWI 為三維采集，可以進(jìn)行最小密度投影（minimum intensity projection，MIP）重建以顯示腦部整體的小靜脈情況。

（5）層厚及范圍的選擇

在神經(jīng)核團(tuán)的結(jié)構(gòu)觀察上，應(yīng)首先考慮更好的空間分辨力，可選擇更薄的層厚（如選擇1～1.5mm 層厚），其他病變的檢出均應(yīng)更多地考慮充分的覆蓋范圍，因此在層厚及采集時間上需要具體做權(quán)衡選擇（可選擇2.5～3mm 層厚）。

（6）高場的圖像質(zhì)量通常比低場好，是由于信噪比（SNR）提高了。場強(qiáng)越高，信噪比越高，結(jié)果越理想，在一定時間內(nèi)層厚覆蓋的掃描范圍越大。另一方面，我們可以犧牲一部分信噪比來獲取更高的分辨率。

3.SWI的臨床應(yīng)用研究

SWI 對顯示靜脈、出血產(chǎn)物和鐵沉積高度敏感。初步臨床應(yīng)用已顯示在血管畸形、外傷、腫瘤、血管性疾病、神經(jīng)變性疾病以及與鐵沉積有關(guān)的疾病等方面的應(yīng)用潛力。

（1）腦創(chuàng)傷

SWI 可較好地顯示彌漫性軸索損傷（DAI）伴發(fā)的小血管出血，SWI 對灰白質(zhì)交界處的出血極其敏感。

（2）小血管畸形

對毛細(xì)血管擴(kuò)張癥、靜脈瘤、海綿狀血管瘤及腦三叉神經(jīng)血管瘤?。ㄋ固仄?韋伯綜合征）等病變的檢出明顯優(yōu)于常規(guī)MRI 序列。

（3）腦血管病

SWI 可以更好地顯示腦梗死伴發(fā)的出血及梗死區(qū)域小靜脈的情況，對臨床上無癥狀的多發(fā)小灶性腦出血的檢出很有意義。

（4）退行性神經(jīng)變性病

一些退行性神經(jīng)病變在病理上表現(xiàn)為某些神經(jīng)核團(tuán)中鐵的異常增加，如亨廷頓病、帕金森病、多系統(tǒng)萎縮、阿爾茨海默病、肌萎縮側(cè)索硬化以及某些血液系統(tǒng)疾病等均可造成腦內(nèi)鐵的異常沉積。SWI 為檢測腦內(nèi)礦物質(zhì)沉積的敏感方法。

（5）腦腫瘤

磁敏感加權(quán)成像（SWI）為改善腫瘤對比、提高對腫瘤出血的發(fā)現(xiàn)。對于腫瘤的定性，部分依賴于對病灶的血管性行為的，可以從血管增生和微出血兩個角度來觀察。侵襲性腫瘤有血管增長迅速、多發(fā)微出血的傾向。因此，提高發(fā)現(xiàn)這些改變的能力能夠有助于更好地評估腫瘤的性質(zhì)。由于靜脈血和出血產(chǎn)物的磁敏感性與正常組織不同，SWI 對發(fā)現(xiàn)該類物質(zhì)的敏感性提高了，SWI能更好地顯示腫瘤的邊界和發(fā)現(xiàn)腫瘤出血。

（6）區(qū)分鈣化與靜脈

不論是在CT 還是MRI 上，鈣化與血很難區(qū)分。在SWI，鈣的相位與出血或靜脈的相位相反。在SWI 相位圖上，腫瘤區(qū)內(nèi)的暗點(diǎn)認(rèn)為是鈣化，與此相反，相位圖上的亮信號則認(rèn)為是靜脈。

（7）基底節(jié)的礦物質(zhì)、鐵和出血

用來評估基底節(jié)的礦物質(zhì)沉積的標(biāo)準(zhǔn)方法一直是CT。現(xiàn)在SWI 提供了更敏感的方法來檢查這些區(qū)域的鐵和鈣的異常。

（8）多發(fā)性硬化

多發(fā)性硬化（multiple sclerosis ，MS）通常用FLAIR 和增強(qiáng)后T1 來觀察。SWI 不僅發(fā)現(xiàn)了某些病灶有靜脈與之相連，同時還顯示了某些病灶有鐵沉積。

此外，SWI 還用于血管性癡呆和淀粉樣腦血管病(CAA)鑒別診斷等方面。

4.SWI的發(fā)展方向

到目前為止，SWI 主要應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)成像，一些與鐵有關(guān)的假設(shè)，仍有待動物模型的證實(shí)和大規(guī)模的縱向研究。技術(shù)發(fā)展如產(chǎn)生磁化率分布圖是一個特別令人激動的方向，這將使SWI 對脊髓成像成為可能。其他一些正在發(fā)展的應(yīng)用包括軟骨成像、動脈粥樣硬化斑塊成像、乳腺成像和肝臟的血色素沉著癥成像。隨著不斷的研究探索，SWI 的應(yīng)用將會更廣。

[1]楊正漢 馮逢 王霄英，磁共振成像技術(shù)指南，北京：人民軍醫(yī)出版社，2007.6

[2]王麗娟（綜述）劉玉波（綜述）王光彬（審校）《磁共振成像》2010年 第3 期

[3]田欣，宦怡，葛雅麗，等.磁敏感加權(quán)成像在腦部病變診斷中的應(yīng)用.實(shí)用放射學(xué)雜志，2008，24(6)：731-733.