1、SWI与QSM原理与应用Yongquan Ye:I have the following financial interest or relationship(s)to disclose with regard to the subject matter of this presentation:Employment:UIH America Inc.Declaration ofFinancial Interests or Relationships磁化率成像（SISI）磁化率加权成像（SWISWI）定性磁化率分布图（QSMQSM）定量BOLD fMRIMR Metallic imaging相位
2、-场图磁化率/磁敏感率 磁化率用 表示，代表物体在外部磁场中被磁化的程度 Paramagnetism(顺磁)0,即被外部场吸引 铁，脱氧血红蛋白 相同TE得到负相位(右手坐标系)Diamagnetism(逆磁)0,离开外部场后仍保留磁性 钕合金:1.0-1.4T=e小知识：除了S家，全是右手坐标系MRI 信号幅值与相位 MRI 信号是复数信号：实部+虚部，or 幅值+相位 MR幅值：直观、方便，广泛应用 T1,T2,T2*,spin density,diffusion,perfusion MR相位：伪影源多，视觉对比度不高，极少直接应用 相位同样包含丰富的对比机制与信息 需序列、重建、后处理等
3、多方配合MR 相位相关因素 组织磁化率(铁，钙，血红蛋白，白质纤维，CSF，空气，etc)磁场不均匀性(B0,eddy current)射频脉冲相位及其频率响应曲线 相位阵列线圈单元的接收敏感度及其空间分布 Chemical shift(water/fat：3.4ppm)运动(血流,病人运动,MRE弹性成像)部分容积效应（Partial Volume Effects）温度 相位在计算机中的存储方式：）扫描协议（bipolar readout）Etc线性项基线项,=,+0干扰项+(,)磁化率加权成像（SWI）SWI mIP（最小强度投影图）静脉染色造影SWI 简史 MRI初期 磁化率伪影是困扰波
4、谱（MRS）和梯度回波类（GRE）成像的因素 发明自旋回波（SE）技术 高分辨率BOLD静脉成像(HRBV)Ogawas 发现了BOLD现象（90s）Brain vs Vessel的争论 90年代中后期，Lai,Reichenbach,Haacke等证实了BOLD效应主要是静脉效应 Susceptibility Weighted Imaging(SWI)1997年的文章奠定了SWI的理论基础 SWI在2002申请专利，正式发表于2004(Haacke,MRM,2004)SWI主要产品 西门子、联影、东软（经典单回波SWI）GE、飞利浦、联影（多回波SWI）2014 MRM special is
5、sue“30 Magnetic 30 Magnetic Resonance Resonance in in Medicine Papers Medicine Papers that Helped Shape that Helped Shape Our Our FieldField”磁化率效应Dipole effect (磁偶极效应)磁化率源B0 场分布彩蛋知识点：1.1.非线性效应2.2.非局部效应3.3.方向特异性磁化率效应引起局部场不均匀性，增强T2*效应T2 decay(理想FID)T2*decay(实际FID)ab cdf eab cdf e彩蛋知识点：1.1.局部容积效应2.2.中低
6、分辨率效果更好磁化率效应BOLD 效应(Doug Nolls primer)彩蛋知识点：1.静脉局部容积效应2.时变T2*效应磁化率效应增加背景场不均匀性，导致图像伪影（如信号缺失，图像畸变等）T2T2 TSETSET2T2*GREGRE(Kaur et al.Radiography,2007)G GRERE彩蛋知识点：1.协议优化2.去金属伪影序列了 解一下？3.安全问题SWI序列 3D GRE 序列（T1W+T2*W）低读出带宽(100-200Hz/px)使用Ernst激发角度 长TE:4050ms1.5 T,20ms 3T 短TR：6070ms1.5T,30ms 3T 完全流动补偿（避免
7、流动相关相位）高层面内分辨率（可高达0.5mm）层厚相对稍厚（2mm，增加局部容积效应）同时重建幅值与相位图SNR图像 对比度参数优化方向Sood et al.ECR 2014SWI序列流动补偿要做好With FCNo FCGood FCNo FCSWI mIPMagPhaseSWI图像处理流程原始相位高通滤波相位幅值SWIminIP4次方（非线性化）相位蒙版归一化去伪影 去干扰SWI优缺点 计算简单、比较稳定可靠 对铁沉积、钙化组织、静脉等有很好的图像对比度 定性（强化）图像对比，非定量信息 难以分辨铁沉积与钙化组织Sood et al.ECR 2014Basal Ganglia Calci
8、fication.SWI,Phase and CT images.SWI优缺点长TE可显示低磁化率组织或微小静脉，但同时也增强了伪影TE=4.3msTE=19.9msSWI优缺点短TE也有用处，可避免伪影干扰，更准确显示边界TE=6.1 msTE=27.1 msSWI优缺点磁极效应与血管在B0中的朝向有关，可导致错误的图像对比相位图SWI=63 cos2 1 0=22 2sin2 20B0（Liu et al.JMRI,2014）SWI优缺点较大组织的偶极效应可导致SWI 物理上正确（Physically correct）生理上错误（Physiologically incorrect）MagP
9、haseMagSWISWI小结 幅值与相位蒙版的结合 SWI结合相位图，同时观察 粗略分辨出血、钙化 排除伪影、伪病灶、假组织等 多回波SWI优势更大 不同TE可对不同组织产生最优对比度 综合所有回波结果，可提高SNR 需考虑流动补偿不佳的情况Haacke,E.M.,et al.,Magn Reson Imaging,2015.33(1):p.1-25.定量磁化率成像（QSM）定量磁化率成像 Quantitative Susceptibility Mapping(QSM)QSM目的 解决SWI或相位成像中的非定量分析的问题 解决磁极效应的非线性、非局部问题 解决磁极效应的方向特异性 主要目标
10、磁化率的相对定量成像 获得与感兴趣物体或组织的尺寸，形状和方向等性质无关的磁化率分布图 对静脉中的血氧含量，组织中的铁沉积与钙化点等进行定量分析 主要应用 组织铁沉积：各种组织出血，核团铁沉积，神经性疾病（如AD，PD等等），肝脏含铁结节 组织钙化：松果体、脉络丛、肿瘤钙化、前列腺钙化 血氧含量：中风诊断及治疗评价，fMRI，脑血管储备能力等PhaseToQSMQSM challenge 2016B B0 0QSM 基本原理 Forward model正问题 Inverse model 逆问题B0g(r)g-1(k)The Greens function(格林函数)=41 3 cos2 13
11、112=3 20,0=0=0 1 ()=1 1 /0实际g-1(k)严重条纹伪影QSM问题根源：逆问题欠定=1 1()0where 1=3 2 +2 +22 +2 22逆问题的挑战 当分母为零时，-1()成奇点，导致k空间变为欠采，不能正确重建图像信息解决方案#1(Gold standard)改变物体与主磁场的相对方向多次扫描，互补-1()奇点(COSMOS,STI)解决方案#2 将反向滤波核-1()进行正则化(regularization)，将无信息含量的奇点强制设为假设有 意义的有限值(e.g.SWIM，WKD)解决方案#3 采用先验信息（如组织边界）和平滑性假设进行迭代重建(MEDI，L
12、1/L2 Norm)QSM 方法 多体位成像 COSMOS(Calculation Of Susceptibility using Multiple Orientation Sampling)STI(Susceptibility Tensor Imaging)单一体位成像 Regularization:Iterative self constrain:Spatial constrain:AI：TSVD,TKD,SWIM,LSQR iSWIMMEDI,CSC,HEIDI,TVSBDeepQSM，QSMNet 多数方法均提供可接受的QSM结果 取舍因素：定量精确度，计算效率、计算伪影控制 Lang
13、kammer,C.,et al.,Quantitative susceptibility mapping:Report from the 2016 reconstruction challenge.MRM,2017.QSM 优化相关 相位采集与场图提取 采集完整、正确的偶极效应 3D高分辨率（0.51mm iso）降低流动相关相位（流动补偿）去头皮 去除噪声区域 使用优化TE(14ms3T)，以最大化相位信息、保持足够SNR、避免噪声样卷折 使用合适的相位反卷折和去背景场算法 噪声 相位噪声相对幅值要低很多，比较有利 在多通道信号合并时，需要考虑低噪声区域的影响 QSM特有的条状伪影可能会表现
14、得类似噪声，影响定量计算的准确性高级相位预处理 相位去卷折（Phase unwrapping）单回波 3D best-path phase unwrapping（PhiUn）Laplacian based method(HARPERELLA)Optimization based method(Prelude in FSL)多回波 CAMPUS、UMPIRE SPUN(Seed Prioritized UNwrapping)去除背景场（Background field removal）HP filter（组织尺寸影响准确度）Projection onto Dipole Fields(PDF，背景
15、场残余、血管边缘效果不佳)Geometry dependent correction(需要精准分割)Spherical mean of background field(SHARP/vSHARP，边缘效应不佳)CAMPUS（极短TE）Phase vs.QSMLiu,et al.JMRI.2014PhasePhase maskSWISWI mIPQSMQSM maskTrue SWITrue SWI mIPvs.R2*mapping (幅值）QSM（相位）宏观磁化率定量（基于图像计算）微观磁化率定量（基于像素计算）组织边界准确度计算伪影区分顺磁、逆磁流动假象控制T1饱和效应(CSF)Bloomi
16、ng效果控制出血、钙化共同成像扫描参数扫描场强：3T分辨率：0.6x0.6x1mm 回波数：4扫描时间：248s病 史：男，65岁多发肺癌转移灶靶向治疗后转移灶钙化 伴有分散出血灶钙化灶（mImIP P，逆磁负值）出血灶（MIPMIP，顺磁正值）Outer GPInner GPPU1PU21 year5 years27 years71 years0.25-0.25(ppm)W.Li et al,HBM 2013;35:2698-2713基底节铁沉积与年龄关系血氧含量测量未摄入咖啡因摄入咖啡因SWI mIPSWIM MIP 1 0HCT:HematocritY:oxygen saturationHaacke,E.M.,et al.,Magn Reson Imaging,2015.33(1)QSM小结 相位-场图-QSM 用相位分辨顺磁、逆磁特性不可靠（偶极效应、伪影等）需完整采集偶极效应（高分辨率、去头皮、去噪声区域）各步算法可能需要按需优化 静脉？核团？出血灶？优势在于定量 使用合适的分析方法，而非单纯与SWI图像作对比谢谢！
