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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（SI）,磁化率加权成像（SWI）,定性,磁化率分布图（QSM）,定量,BOLD fMRI,MR Metallic imaging
2、,相位-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,perfusionMR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、后处理等多
3、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
4、扰波谱（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 iss
5、ue“30 Magnetic Resonance in Medicine Papers that Helped Shape Our Field”,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：,非线性效应非局部效应方向特异性,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),a,b c,d,f e,a,b c,d,f e,彩蛋知识点：,局部容积效应中低分辨率效果更好,磁化率效应,BOLD 效应,(Doug Nolls primer),彩蛋知识点：静脉局部容积效应时变T2*效应,磁化率效应,
6、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）,T2 TSE,T2*GRE,(Kaur et al.Radiography,2007),GRE,彩蛋知识点：协议优化去金属伪影序列了 解一下？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
7、.ECR 2014,SWI序列,流动补偿要做好,With FC,No FC,Good FC,No FC,SWI mIP,Mag,Phase,SWI图像处理流程,原始相位,高通滤波相位,幅值,SWI,minIP,4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 2014,Basal Ganglia Calcification.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
8、同时也增强了伪影,TE=4.3ms,TE=19.9ms,SWI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 ms,TE=27.1 ms,SWI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,=,6,3 cos2 1,0,=,2,2 2,sin2 20,B0,（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）,Mag,Phase,Mag,SWI,SWI小结,幅值与相位蒙版的结合SWI结合
9、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
10、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,Phase,To,QSM,QSM challenge 2016,B0,QSM,基本原理Forward model正问题Inverse model 逆问题,B0,g(r),g-1(k),The Greens function(格林函数),=4,1 3 cos2 1,3,1,12=3 2,0,0=0,=0 1,(),=11,/0,实际g-1(k)
11、,严重条纹伪影,QSM,问题根源：逆问题欠定,=11(),0,where,1,=,3 2+2+2,2+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，L1/L2 Norm),QSM 方法,多体位成像COSMOS(C
12、alculation 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Langkammer,C.,et al.,Quantitative su
13、sceptibility 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 unw
14、rapping）单回波3D best-path phase unwrapping（PhiUn）Laplacian based method(HARPERELLA)Optimization based method(Prelude in FSL)多回波CAMPUS、UMPIRESPUN(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，背景场残余、血管边缘效果不佳)Geometry dependent correction
15、(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.QSM,Liu,et al.JMRI.2014,Phase,Phase mask,SWI,SWI mIP,QSM,QSM mask,True SWI,True SWI mIP,vs.,R2*mapping(幅值）,QSM（相位）,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（mIP，逆磁负值）,
16、出血灶（MIP，顺磁正值）,Outer GP,Inner GP,PU1,PU2,1 year,5 years27 years,71 years,0.25,-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 mIP,SWIM MIP,1 0HCT:HematocritY:oxygen saturation,Haacke,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！,
