磁共振磁敏感加权成像技术及其临床应用新进展

山东省淄博市中心医院（淄博 255036）

常规的MRI 检查序列及MRA 对较大和快流速血管结构的显示较为敏感和准确，而对慢流速和纤细血管结构的显示，其应用就受到很大限制。X 线脑血管造影检查虽为脑血管畸形诊断的“金标准”，但也不能发现某些隐匿性血管畸形，如海绵状血管瘤、毛细血管扩张症、血栓化的静脉畸形及血栓化的动静脉畸形等，从而导致误诊或漏诊。近年来，磁敏感加权成像（SWI）技术逐渐应用于临床，并显示出对缓慢血流的静脉性血管、微出血以及铁等顺磁性物质的诊断的独特效果。

磁敏感加权成像（susceptibility weighted imaging，SWI）是一个较新发展起来的成像技术。SWI 是一个三维采集、完全流动补偿的、高分辨力的、薄层重建的梯度回波序列，它所形成的影像对比有别于传统的T1 加权像、T2 加权像及质子加权像，可充分显示组织之间内在的磁敏感特性的差别，如显示静脉血、出血（红细胞不同时期的降解成分）、铁离子等的沉积等。目前主要应用于中枢神经系统。

1.基本原理

与传统的梯度回波采集技术不同，SWI 运用了分别采集强度数据（magnitude data）和相位数据（phase data）的方式，并在此基础上进行数据后处理，可将后处理的相位信息叠加到强度信息上，更加强调组织间的磁敏感性差异，形成最终的SWI 图像。

1.1 与SWI 相关的组织磁敏感性特点

物质的磁敏感性是物体的基本特征之一，可用磁化率表示，磁化率越大，物质的磁敏感性越大。某种物质的磁敏感率是指该物质进入外磁场后的磁化强度与外磁场的比率。反磁性物质的磁敏感率为负值，但一般较低，铁磁性物质的磁化率为正值，比较高。

（1）血红蛋白及其降解产物的磁敏感性：血液以其氧合程度的不同，表现出不同的磁特性，完全氧饱和的血液呈反磁性，而静脉血呈顺磁性，这与血红蛋白的结构有关。血红蛋白是血氧的主要携带者，由四个蛋白亚单位（球蛋白）组成，每一个蛋白亚单位内含一个亚铁（Fe2+）血红素分子，周围环以卟啉环。当Fe2+与氧结合时，没有成对的电子存在，因此氧合血红蛋白为反磁性；当氧从血红蛋白上解离形成去氧血红蛋白（deoxyhemoglobin）时，其分子构象发生变化，周围的水分子无法接近亚铁原子，因此去氧血红蛋白带4 个不成对的电子，表现为顺磁性；血红蛋白的第三种状态是正铁血红蛋白（methemoglobin），为去氧血红蛋白进一步氧化成Fe3+时形成的，含5 个不成对的电子，正铁血红蛋白构象进一步变化，水分子可以与血红素的铁原子相互作用，形成蛋白-电子双偶极子-双偶极子作用，正铁血红蛋白具有极强的顺磁性，其磁敏感性较弱，主要缩短T1 弛豫时间，在T1 加权像上显示明显；血红蛋白降解的最终产物是含铁血黄色素（hemosiderin），具有高度顺磁性。在血红蛋白的四种状态中，以去氧血红蛋白和含铁血黄色素表现的磁敏感性较强。

(2)非血红蛋白铁及钙化的磁敏感性：组织中另一个能引起明显磁敏感性改变来源是非血红素铁。铁在体内不同代谢过程中可以有不同的表现形式，以铁蛋白（ferritin）常见，为高顺磁性。正常人随年龄的增长，铁在脑内的沉积增加，但在某些神经变性疾病中，如帕金森病、亨廷顿病及阿尔茨海默病等，铁的异常沉积被认为与疾病的病理机制有关。

无论是顺磁性还是反磁性的物质，只要能改变局部磁场，导致周围空间相位的改变，就能产生信号的去相位，造成T2*减小。去相位的结果不取决于物质是顺磁性还是反磁性，而取决于物质在一个体素内能多大程度地改变磁场。如钙在脑内的结合状态是弱反磁性物质，但大多数情况下它可以产生局部磁场，导致信号去相位，造成T2*缩短，信号减低。

（3）SWI 的影像对比：文献报道在吸入空气、纯氧及碳合气（95%O2，5%CO2）时，SWI 上小血管与周围组织结构之间的影像对比明显不同。吸入碳合气时，脑血管扩张，血液灌注增加，因此增加了静脉血的氧合程度，去氧血红蛋白量相对减少，因此其所造成的血管内外之间的相位位移（phase shift）变小，在SWI 上显示小静脉与周围结构之间的对比明显下降，小血管显示不清，而非血红素铁在基底节的沉积，与外源性对比无关，信号强度没有明显变化；吸入纯氧时导致脑血管收缩，血流灌注减少，静脉血中的去氧血红蛋白略有减少，SWI 上显示的静脉与周围血液结构之间的对比略有下降，与吸入空气时的SWI 影像对比相似。该研究表明SWI 上小血管与周围组织间的影像对比主要与血中去氧血红蛋白的含量明显相关，去氧血红蛋白含量越高，血氧水平越低，相位变化越大，影像对比越好。这说明SWI主要反映组织间敏感性的差异。

顺磁性去氧化静脉血导致磁场不均匀的原因主要有两条：①缩短血液的T2*；② 增加血管与周围结构的相位变化。这两个效应共同形成血氧水平依赖（blood oxygen level dependent，BOLD）成像的基础。研究表明SWI 的影像对比主要是反应小血管中的BOLD 效应，而受脑血流变化的影响较小。因此学者认为SWI 可应用于反应脑功能定位的fMRI 研究中，可以提高BOLD 效应的显示。

1.2 SWI 序列的采集处理及参数设置

SWI 采用三维采集，空间分辨率明显提高；选择薄层采集，明显降低背景场T2*的噪声影响；在所有方向上进行了完全的流动补偿，去除小动脉的影响。在采集原始数据时，将强度的数据与相位的数据分开重新排列，采集结束时可得到两组图像，即强度图像和相位图像。此后可在工作站上进行数据后处理，对相位数据进行高通（Highpass）滤波，中心矩阵常选64×64，或32×32，形成校正后的相位图像，用校正后的相位图像作为相位加权因子，也称为相位蒙片（phase mask），叠加在强度数据上（如进行4 次加权），形成最终的SWI 图像，更加强调组织间的磁敏感性差异。

外磁场越大，磁化率伪影越重，同样SWI所形成的对比也是场强依赖性的。目前SWI 可在1.5T 及3.0T 的磁共振系统上实现。3.0T 上获得的SWI 的对比好于1.5T。由于外磁场的不同，SWI 在1.5T 与3.0T 上所选用的成像参数有所不同。在1.5T 成像系统上，为强调组织间的T2*对比，TE 要选择到30～50ms，而在3.0T 上，由于其信噪比和磁敏感效应的增强，TE 时间可以缩短到10～20ms，这样采集时间可以缩短，图像的信噪比也会提高。SWI 本质上还是梯度回波系列，其TR 及TE 值的选择会影响最终影像的T1 或T2 权重。选择短TE 时，会有组织的T1 对比参与形成影像的对比，如脑脊液信号降低，但图像的信噪比较好，成像时间也相应较短；而选择相对长的TE 时，影像的T2*对比好，脑脊液信号及软化灶的信号升高，影像更好地反映组织间的磁敏感性差异，但采集时间延长，且易受运动影响，信噪比降低。因此，需要根据不同的成像目的具体调整成像参数。

2.脑SWI技术选择的注意事项

（1）设备的选择

目前临床上SWI 只能在1.5T 及其以上场强的磁共振设备上实现，且需要有特殊的软件支持，包括序列的设计和后处理软件。

（2）线圈的选择

正交头线圈及多通道相阵线圈均可用于SWI，相应的处理算法有所不同。与正交头线圈采集相比，采集相同厚度及范围的SWI，多通道相控振线圈获得的数据量大，图像后处理所需要时间长。

（3）受检者的情况

与常规头部MRI 检查要求一致，患者在成像过程中要保持头部不动。

（4）成像方位与相位编码方向

采用横断面采集，可选择矩形FOV 或正方形FOV。相位编码方向一般选择左右方向。由于SWI 为三维采集，可以进行最小密度投影（minimum intensity projection，MIP）重建以显示脑部整体的小静脉情况。

（5）层厚及范围的选择

在神经核团的结构观察上，应首先考虑更好的空间分辨力，可选择更薄的层厚（如选择1～1.5mm 层厚），其他病变的检出均应更多地考虑充分的覆盖范围，因此在层厚及采集时间上需要具体做权衡选择（可选择2.5～3mm 层厚）。

（6）高场的图像质量通常比低场好，是由于信噪比（SNR）提高了。场强越高，信噪比越高，结果越理想，在一定时间内层厚覆盖的扫描范围越大。另一方面，我们可以牺牲一部分信噪比来获取更高的分辨率。

3.SWI的临床应用研究

SWI 对显示静脉、出血产物和铁沉积高度敏感。初步临床应用已显示在血管畸形、外伤、肿瘤、血管性疾病、神经变性疾病以及与铁沉积有关的疾病等方面的应用潜力。

（1）脑创伤

SWI 可较好地显示弥漫性轴索损伤（DAI）伴发的小血管出血，SWI 对灰白质交界处的出血极其敏感。

（2）小血管畸形

对毛细血管扩张症、静脉瘤、海绵状血管瘤及脑三叉神经血管瘤病（斯特奇-韦伯综合征）等病变的检出明显优于常规MRI 序列。

（3）脑血管病

SWI 可以更好地显示脑梗死伴发的出血及梗死区域小静脉的情况，对临床上无症状的多发小灶性脑出血的检出很有意义。

（4）退行性神经变性病

一些退行性神经病变在病理上表现为某些神经核团中铁的异常增加，如亨廷顿病、帕金森病、多系统萎缩、阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化以及某些血液系统疾病等均可造成脑内铁的异常沉积。SWI 为检测脑内矿物质沉积的敏感方法。

（5）脑肿瘤

磁敏感加权成像（SWI）为改善肿瘤对比、提高对肿瘤出血的发现。对于肿瘤的定性，部分依赖于对病灶的血管性行为的，可以从血管增生和微出血两个角度来观察。侵袭性肿瘤有血管增长迅速、多发微出血的倾向。因此，提高发现这些改变的能力能够有助于更好地评估肿瘤的性质。由于静脉血和出血产物的磁敏感性与正常组织不同，SWI 对发现该类物质的敏感性提高了，SWI能更好地显示肿瘤的边界和发现肿瘤出血。

（6）区分钙化与静脉

不论是在CT 还是MRI 上，钙化与血很难区分。在SWI，钙的相位与出血或静脉的相位相反。在SWI 相位图上，肿瘤区内的暗点认为是钙化，与此相反，相位图上的亮信号则认为是静脉。

（7）基底节的矿物质、铁和出血

用来评估基底节的矿物质沉积的标准方法一直是CT。现在SWI 提供了更敏感的方法来检查这些区域的铁和钙的异常。

（8）多发性硬化

多发性硬化（multiple sclerosis ，MS）通常用FLAIR 和增强后T1 来观察。SWI 不仅发现了某些病灶有静脉与之相连，同时还显示了某些病灶有铁沉积。

此外，SWI 还用于血管性痴呆和淀粉样脑血管病(CAA)鉴别诊断等方面。

4.SWI的发展方向

到目前为止，SWI 主要应用于中枢神经系统成像，一些与铁有关的假设，仍有待动物模型的证实和大规模的纵向研究。技术发展如产生磁化率分布图是一个特别令人激动的方向，这将使SWI 对脊髓成像成为可能。其他一些正在发展的应用包括软骨成像、动脉粥样硬化斑块成像、乳腺成像和肝脏的血色素沉着症成像。随着不断的研究探索，SWI 的应用将会更广。

[1]杨正汉 冯逢 王霄英，磁共振成像技术指南，北京：人民军医出版社，2007.6

[2]王丽娟（综述）刘玉波（综述）王光彬（审校）《磁共振成像》2010年 第3 期

[3]田欣，宦怡，葛雅丽，等.磁敏感加权成像在脑部病变诊断中的应用.实用放射学杂志，2008，24(6)：731-733.