SWI的原理及临床应用和前景展望

1、SWI的原理及临床应用和前景展望 摘要：磁敏感加权成像(Sesceptibility Weighted Imaging, SWI)是近几年发展起来的新的MRI技术,在临床应用中,SWI在静脉显影领域大有作为,而静脉又常参与肿瘤等病灶的发展过程,因此其在肿瘤检测方面也大有优势。相位对比血管成像法(phase contrast MRA,PCA)和时间飞越法(time of flight, TOF)对血流流速和血管走向十分敏感且不能有效区分动静脉,而SWI不存在以上诸多限制,所以又非常适合做静脉畸形检测。另外,绝大多数磁敏感改变与出血和血液中铁的不同形式相关,这解释了SWI在显示血液代谢产物、铁质沉

2、积等方面也十分敏感的原因。尽管不能分辨出血中的小静脉组织,但可以通过对比SWI前后图像分辨出这两种病理结构。此外SWI在脑血管病,脑外伤,神经变性病等中枢神经系统病变中有较高的临床应用前景和价值。本文简要介绍了它的成像原理及在中枢神经系统的临床应用和前景展望。一磁敏感加权成像的原理磁敏感加权成像(Sesceptibility Weighted Imag-ing, SWI)原理首先是由E·Mark·Haacke博士, Jurgen R·Reichenbach博士和Yi Wang博士提出, 2002年12月此项技术获得美国专利保护。SWI是一种不同于质子密度、T1WI

3、或T2WI的全新成像技术,高分辨率3D梯度回波成像、在三个方向上加有完全流动补偿技术、毫米级薄层扫描技术,它首先产生强度图像和相位图像,相位图像经过适当频率滤波处理后产生相位蒙片,然后再与强度图像整合,经最小密度重建得到SWI图像。绝大多数磁敏感改变与血液中铁的不同形式或出血等相关。血红蛋白的氧合和脱氧转换也是血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent, BOLD)成像的基础。氧合血红蛋白呈反磁性,脱氧血红蛋白呈顺磁性,无论是顺磁性还是反磁性物质,均可使局部磁场发生改变而引起质子去相位,去相位程度的强弱仅取决于像素内磁场变化的大小。非血红素铁是组织中另外一

4、种高磁敏感性的物质,常以铁蛋白的形式存在,表现为反磁性。虽然钙化的磁敏感效应比铁弱,但是通常也呈反磁性,可以引起局部组织的磁敏感性改变。含脱氧血红蛋白的静脉血引起磁场的不均匀性导致: T2*时间缩短和血管与周围组织的相位差加大等两种效应。第一个效应是指含脱氧血红蛋白的红细胞与血浆之间的容积磁化率差别,使动-静脉的T*2时间差异加大,这样应用适当时间的TE脉冲序列就可以将动-静脉区分开来,此时脱氧血红蛋白便成为一种内源性对比剂使静脉显影。第二种效应为静脉内容积磁化率引起血管内质子的频移,使静脉血与周围组织之间产生相位差,选择适当的回波时间可以使体素内静脉与周围组织的信号差达到最大,从而减少部分容

5、积效应的影响,清晰显示细小静脉。 二、SWI的临床应用及前景展望在临床应用中,SWI在静脉显影领域大有作为,而静脉又常参与肿瘤等病灶的发展过程,因此其在肿瘤检测方面也大有优势。相位对比血管成像法(phase contrast MRA,PCA)和时间飞越法(time of flight, TOF)对血流流速和血管走向十分敏感且不能有效区分动静脉,而SWI不存在以上诸多限制,所以又非常适合做静脉畸形检测。另外,绝大多数磁敏感改变与出血和血液中铁的不同形式相关,这解释了SWI在显示血液代谢产物、铁质沉积等方面也十分敏感的原因。尽管不能分辨出血中的小静脉组织,但可以通过对比SWI前后图像分辨出这两种病

6、理结构。此外SWI在脑血管病,脑外伤,神经变性病等中枢神经系统病变中有较高的临床应用前景和价值。1小血管绘制SWI的美妙之处就在于它可以对小于一个体素的血管或脑白质深部血管成像。使用1.5T场强的系统,可以对几百个微米大小的静脉成像,分辨率为1 mm3,成像时间大约为510 min。若采用3.0T或4.0T场强的系统,可以降低扫描时间或提高分辨率。对于隐匿的血管疾病,如海绵状血管瘤,静脉畸形,毛细血管扩张症等,其病灶内血流速度较慢,MRA和TOF表现欠佳,而SWI在未使用对比剂的情况下就可以很清楚地观察到小血管瘤的蜘蛛样改变。SWI的另一种潜力应用为血管壁成像。实验证明可以在250m的分辨率上

7、进行动脉硬化成像,且在相位滤波后可以很清晰地看到血管壁。2. 外伤出血以及小儿脑损伤与神经性认知脑外伤(trau-matic brain injury, TBI)是一种常见的疾病,许多TBI患者在受损之后都出现过脑血流紊乱。SWI提供了一种新颖安全和非介入式的手段来定量分析血氧含量,并实现大脑外伤损害后血管结构的可视化。这对于脑外伤是否导致颅内出血,评估病情、判断预后和选择治疗方法都有重要意义。与传统的弥散加权成像相比,SWI可以很清楚地呈现氧含量的变化以及其他一些磁敏感源。这是因为由于流速缓慢或者受限,小血管中的脱氧血红蛋白的含量比其正常值要高,原本看不见的小血管就可以被清晰地显示。通过SW

8、I可以看到受损源可能是受损的血管区域。当传统梯度回波成像不能显示任何效应的时候,SWI可显示受创处的微出血和水肿。弥漫性轴索损伤是脑外伤中的一种特殊类型,是由剪切力引起脑白质的弥漫损伤,通常伴有多发小出血灶。常规MRI图像显示病灶的效果欠佳,如果弥漫性轴索损伤伴有出血,则预后更差。SWI试验结果表明,与传统方法在检测带有弥漫神经轴突的出血脑损伤相比,SWI是一种能发现小出血病灶,对灰白质交界处的微出血极其敏感且可以同时清晰显示病灶的数目、大小和部位的成像方式。因此可以通过追踪出血病灶的变化来监控因出血而导致昏迷的病人的病情变化。而最近的报告也显示,美国主要的医疗机构在对损伤和出血的诊断上对SW

9、I的利用率比传统的梯度回波成像分别要高出640%和200%。3.脑梗死和出血梯度回波成像能发现出血,但SWI的效果更好,它可以找到弥散加权成像不能确诊的发生梗死的部位和受累的血管分布区。之所以能看到受累的血管分布区,是由于该组织的血氧饱和度下降了,这提示该区域的血流供应可能在梗死后有所下降。另外一种可能的解释是局部静脉血容量的增加。进一步有关脑梗死的研究将会对灌注加权像与SWI进行比较,来获得更多关于局部血流和氧饱和的信息。通过SWI,脑实质内出血可以在发病1小时内被发现,具有极高敏感性和准确性。微小多发出血是急性卒中溶栓治疗中和治疗后的危险因素之一,目前是否根据SWI决定溶栓药物的使用还无定

10、论,但SWI对急性卒中血管内溶栓后的出血诊断比CT更可信,因为后者难以鉴别脑梗死动脉溶栓后颅内对比剂渗出与少量出血,而SWI可以将二者区分开来,从而指导抗凝治疗。4.铁沉积铁代谢异常在运动障碍性疾病中的作用:正常铁代谢对脑组织的功能活动极为重要,如铁作为血红蛋白的重要成分参与转运氧,还参与细胞有氧代谢中ATP生成的电子传递等。然而,高浓度的游离铁离子在细胞及细胞周围存在是有害的。SWI可反映组织间的磁敏感性差异,对非血红素铁(如铁蛋白等)的显示比现有序列清晰。Haccke的小组发现,SWI可以在1.5T下为脑灰质和脑白质的研究提供相当好的对比度,而在3.04.0T下,对比度信噪比和分辨率的效果

11、会更好。在观察大脑中枢回沟的幅值图像时,灰质与脑脊液或白质产生的对比被认为是由于灰质铁含量的增高产生的,因为铁是顺磁性的物质,并且具有短T1,而SWI可以用这种相位的不同来加强图像的T1对比度。而应用SWI观察人脑中铁含量的细微改变时,发现了铁含量与血管分布密度是相对应的,或者说是与墨汁染色的尸检结果相对应,这就表明了铁与血管网络间的内在联系。5.肿瘤的诊断对于肿瘤的定性,部分是依赖于对病灶的血管性行为的,这可以从血管增生和微出血两个角度来观察。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。又由于静脉血和出血产物的磁敏感性与正常组织不同,而SWI恰巧对发现该类物质的敏感性很高,所以

12、能更好地显示肿瘤边界,内部结构和发现肿瘤出血。传统的增强T1加权成像上,肿瘤常呈一片弥漫增强,而SWI则能显示肿瘤内引流静脉。Sehgal等对38例脑内肿瘤进行研究,结果显示增强T1加权像和SWI对病灶的显示有显著差别,前者主要显示肿瘤内部结构的坏死,囊变等成分,后者所显示的内部结构主要为血液的代谢产物。对比增强前后SWI图像能显示常规平扫和增强扫描Tl加权像所遗漏的出血和静脉,还可以提供类似FLAIR的图像对比度,使脑脊液的信号得到抑制,有助于显示高信号的水肿,发现占位性病变。6.其他方面的应用多发性硬化(multiple sclerosis,MS):常用FLAIR和增强后T1来观察。而SW

13、I对MS成像,发现一些FLAIR未见的病灶,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。这样就可以更好地帮助我们了解MS的生理。区分钙化与静脉:CT和MRI很难区分钙化与出血。通过SWI,钙的相位与出血或静脉的相位相反。所以在SWI中,一般将肿瘤区内的暗点认为是钙化,而亮信号则认为是静脉。活检表明所观测的病灶内确实含有很高的钙含量,因此证实了SWI在区分钙化与静脉方面的优秀表现。血管性痴呆和淀粉样脑血管病(vascular dementia &cerebral amyloid angiopathy, VD & CAA):与传统的梯度回波T2加权像相比,SWI显示了更多病灶。并且SWI的相位图可用来增强局部含铁血黄素的累积效应。清楚显示了与VD&CAA相关的多发病灶的部位,且分辨率越高可显示越多病灶。SWI可进行出血性卒中诊断:近期西门子用户进行的研究表明SWI灵敏度要优于T2加权图像和其他技术。另外由于没有放射线,SWI可确保安全诊断儿童患者。SWI可额外提供有关脑卒中颅内出血、静脉血管瘤、海绵状血管瘤、硬脑膜下出血和蛛网膜下腔出血等疾病信息,同时能显