【科研进展】磁敏感定量成像的介绍与应用

【科研进展】磁敏感定量成像的介绍与应用
Quantitative susceptibility mapping (QSM) 磁敏感定量成像是近年来比较新的一项成像技术。

相比传统的成像对比，QSM最大的特点是图像对比完全源自图像的相位而并非磁敏感信号的幅度，并且反映的是不同物质在磁场中所产生的磁敏感效应所致。

下面我们对QSM 做一个简单的介绍。

磁敏感的来源
关于磁敏感的确切物理解释，目前并没有一个公认的定论。

磁敏感的最直接效应是造成局部磁场的偏移，并且可以体现在梯度回波成像的相位图之中。

由于我们影像的物质都是真实的，所以按照原理并不应该产生相位，但是由于物质本身在磁场中会造成额外的磁敏感效应，导致我们在梯度回波图像中可以观测到额外的相位。

所以，如果我们可以得到滤波去除背景相位（主要来源于接收线圈）后的相位图，我们是可以进行反推而得到物体的磁敏感信息。

从物质的相位图（由梯度回波采集所得）到物质的磁敏感图主要有三个步骤：1）相位反卷绕；2）背景相位去除；3）相位反卷积到磁敏感[1]。

由于磁敏感数据采集往往是3D采集，这三个步骤都有相当的计算难度，并且不断有新的技术来提高这些步骤的计算效率和结果。

磁敏感的应用
由于磁敏感本身带来的是一种不同于以往图像的全新对比度，这样可以给予我们诊断或者研究全新的信息。

由于体内组织的磁敏感分布往往是缓和变化，并且和组织形态是吻合的，所以由于病灶的存在而导致的磁敏感是可以比较容易区分出来的。

并且由于磁敏感是可以完全定量测量的，磁敏感的单位是偏离主磁场的幅度（ppm,百万分之；
ppb,十亿分之），不同的磁敏感测量值是和物质的密度或者总量成正比对应的。

并且由于磁敏感采集本身使用的是3D梯度回波，使得临床数据采集可以比较简单高效的进行，磁敏感的应用自从2009年以来已经在不同的部位以及不同的病灶上有过很多尝试。

01
高清脑组织成像：大脑是人体结构组织最复杂的部位，科研人员一直在挑战高清脑部成像的极限。

但是传统弛豫时间加权的幅度图在低场会被信噪比所限制，在高场会被相位散相所限制。

而磁敏感成像在高场的时候可以更好的体现脑部白质和灰质边界细节[2]。

02
脑部发育以及精神性疾病研究：这两项研究在影像上一直是比较
有挑战性的，由于在脑部组织功能发生改变的初期，脑组织的形态没有任何变化。

而脑部白质的髓鞘[3]和灰质的铁成分[4]是脑部组织磁敏感对比的主要来源。

所以利用磁敏感成像来检测髓鞘的生长和完整性，以及灰质核团区域的铁沉积量可以用于比较早期的来发现脑区功能的变化[5]。

03
脑部出血和钙化的区分：脑部出血和钙化在多种病变如肿瘤和微出血往往伴随出现。

但是在传统的T2*加权成像当中，出血和钙化区域都显示低信号，所以无法进行区分。

但是由于血液和钙的磁敏感相对于水来说，一个是顺磁一个是逆磁，所以可以在磁敏感成像中非常好的进行区分。

并且可以进一步利用磁敏感定量测量来评测病灶的严重程度以及病史[6]。

04
病灶活性与坏死的区分：在化疗的治疗过程中，病灶的活性往往对于下一步的疗程安排有很重要的指导意义。

但是有活性的病灶和已经放射性坏死往往无法通过传统的弛豫加权图像得以很好的区分，由于坏死区域往往伴随着钙化的出现，磁敏感对比可以有效的区分活性以及钙化区域[7]。

05
脑肿瘤的成像：尽管脑肿瘤成像在脑部疾病影像诊断中占了大部
分比重，但是有关磁敏感脑肿瘤成像的研究工作并没有非常多的报道。

主要原因是脑肿瘤病变区域本身的磁敏感变化并不明显，而目前被发现的磁敏感对比主要来自于肿瘤区里的出血或者钙化[8]，而并非在例如增强，灌注，弥散对比下肿瘤实质区域有和肿瘤形态对应的对比。

06
体部磁敏感成像：在体部，磁敏感成像目前也有一些应用。

磁敏感成像可以用来显像小尺寸的乳腺结节[9]；磁敏感成像可同样可以用于检测肝脏的铁沉积，并且由于动静脉血液含氧量区别，动静脉血管也可以在磁敏感成像中明显的区分开来[9]。

07
磁敏感张量成像：在2010年，由杜克大学Chunlei Liu教授首先提出了磁敏感是各向异性，并且在大鼠脑部得以验证[10]。

利用同样弥散张量的理念，磁敏感的各向异性也可以用一个张量表示并且用于实现纤维追踪[11]。

磁敏感张量成像在人活体以及离体肾脏上[12]都得以实现。

磁敏感成像未来应用和展望
磁敏感成像的应用可以说目前还是在积极的探索过程中，目前还没有一个完全可以体现磁敏感成像的独特唯一性的应用。

尤其是磁敏感成像在体部的应用还有很大的空间有待开发，未来有望带给临床医师以及研究人员更新的信息。

参考文献
[1] Chunlei Liu et al., Susceptibility-Weighted Imaging and Quantitative Susceptibility Mapping in the Brain, J Magn Reson Imaging. 2015 July
[2] Jeff Duyn et al. High-field MRI of brain cortical substructure based on signal phase. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007 Jul 10;104(28):11796-801
[3] Jongho Lee, et al. The contribution of myelin to magnetic susceptibility-weighted contrasts in high-field MRI of the brain, NeuroImage 59 (2012) 3967–3975
[4] Bing Wu, et al. Fast and tissue-optimized mapping of magnetic susceptibility and T2* with multi-echo and multi-shot spirals, NeuroImage 59 (2012) 297–305
[5] He N, et al. Region-specific disturbed iron distribution in early idiopathic Parkinson's disease measured by quantitative susceptibility mapping.Hum Brain Mapp. 2015 Nov;36(11):4407-20.
[6] Weiwei Chen，et al, Quantitative Susceptibility Mapping of Multiple Sclerosis Lesions at Various Ages, Radiology 2014; 271:183–192
[7] Weiwei Chen, et al. Intracranial calcifications and hemorrhages: characterization with quantitative susceptibility
mapping. Radiology 2014;270:496–505.
[8] A. Deistung, et al. (2013) Quantitative Susceptibility Mapping Differentiates between Blood Depositions and Calcifications in Patients with Glioblastoma. PLoS ONE 2013; 8(3): e57924
[9] Yi Wang, et al, Magnetic Resonance in Medicine, Volume 73, Issue 1, pages 82–101, Jan 2015
[10] Chunlei Liu，Susceptibility T ensor Imaging，Magn Reson Med . 2010 June ; 63(6): 1471–1477
[11] Chunlei Liu et al, 3D Fiber Tractography with Susceptibility Tensor Imaging, Neuroimage. 2012 January 16; 59(2)
[12] Xie L, et al., Susceptibility tensor imaging of the kidney and its microstructural underpinnings. Magn Reson Med. 2015 Mar;73(3):1270-81
（作者：吴冰，范阳，曲建勋，林建源，解立志，周振宇）。