深度解析磁敏感(SWI)成像技术(一)
SWI相关
了解SWI需要知道这些知识点：能级-磁矩方向、磁化率-磁矩方向、核外电子分布-磁矩方向、铁-氧-钙-磁矩方向、静脉血动脉血-磁矩方向、磁性-横向弛豫、相位-进动方向、高通滤波、相位掩膜、钙化与出血区分
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核子处在静磁场中，在热平衡的作用下服从玻尔兹曼分布，及高能级的自旋数小于低能级的自旋数，见下图。且在静磁场的作用下分裂为两个赛曼能级，同时存在着能级差，由下图公式表达。这里可知物质的磁矩在静磁场中大致可以分为两个方向，一个是顺着外在主磁场的方向，一个是逆着外在主磁场的方向。
磁化率-磁矩方向
当把物质置于一个外在静磁场中时，物质将在磁场的作用下感生出一个磁场，称为感应磁场，感应磁场与外在静磁场的比值称为物质的磁化率。根据物质的磁化率，可以将物质的磁性大致细分为五类，如下图。粗分为抗磁性、顺磁性、铁磁性这三大类，然后根据物质的磁性在外在磁场中的运动可知(见下图公式)：顺磁性物质在磁力的作用下沿着力的方向（向着磁场）运动，抗磁性物质在磁力的作用下沿着力的相反方向（逆着着磁场）运动。也就是说顺磁性物质的磁矩是顺着外在主磁场的方向，抗磁性物质是逆着外在主磁场的方向。
核外电子分布-磁矩方向
根据前文也得出了原子核外电子的分布规律，如下图，这里一定要记住每个轨道的亚轨道，以及轨道上的满电子数。根据电子的分布规律可以很轻松的写出原子的电子分布，并且可以把整个元素周期表中的核外电子分布图写出来，如下表。而且根据原子核的电子分布，可以判断该原子核是否具有磁性：①抗磁性是因原子的核外电子壳层中电子成对出现，导致固有磁矩为零，但是当处于外磁场中时会表现出微弱的，导致磁矩不为零；②而顺磁性物质却是与之相反，原子的核外电子壳层中存在着未成对的电子，因此固有磁矩的不为零。且顺磁性物质的磁矩是顺着外在主磁场的方向，抗磁性物质是逆着外在主磁场的方向。
铁-氧-钙-磁矩方向
从下元素周期表中可以看出：铁的电子组态是3d64s2，因为d轨道上可以填充10个电子，又根据洪特规则，可以推出铁具有4个不成对电子，因此铁是顺磁性元素；钙的电子组态是4s2，从钙的电子组态及下图钙的电子分布可知，钙没有不成对电子出现，所以钙是抗磁性元素。氧的电子组态是2s22p4，因为p轨道上可以填充6个电子，又根据洪特规则，可以推出氧具有2个不成对电子，因此氧是抗磁性元素。所以在外磁场中铁是顺着磁场的方向，钙是逆着磁场的方向，氧是逆着磁场的方向
动脉血 静脉血 结石-磁矩方向
血红蛋白是血氧的主要携带者，主要由四个蛋白亚单位组成，每个亚单位含有一个亚铁(Fe2+)离子，见下图，当亚铁(Fe2+)发生变化时将会直接影响血液的磁性，从上文可知亚铁(Fe2+)离子表现出顺磁性，当血红蛋白与氧结合时铁元素上3d轨道上的4个电子和氧元素2p轨道上的4个电子以共价键结合，导致磁矩抵消，从而在外磁场中表现出抗磁性，因动脉血中氧合血红蛋白的浓度要高于血红蛋白的浓度，因此动脉血在外磁场中表现出抗磁性，而静脉血中氧合血红蛋白的浓度要低于血红蛋白的浓度，因此静脉血在外磁场中表现出顺磁性；钙形成的结晶(结石)在外磁场中表现出抗磁性。血红蛋白还可以分解成其它形式，比如正铁血红蛋白、含铁血黄素，都是顺磁性物质。所以得出动脉血是顺着磁场的方向；静脉血是逆着磁场的方向；结石/钙化是逆着磁场的方向。
磁性-横向弛豫
从前文可知，无论是如何改变磁场均匀性的都会影响横向弛豫的衰减，因此顺磁性和抗磁性都会影响磁场的均匀性，使之加快横向衰减。
相位一
从上面的分析可知，抗磁性物质磁矩在外磁场中逆着外磁场方向，顺磁性物质磁矩在外磁场中顺着外磁场方向。如果此时按照磁共振成像的方式沿着x轴施加一个射频脉冲，在此射频脉冲的作用下，两者发生进动，其在Y轴的分量方向见下图，从中可知，抗磁性物质的在射频脉冲作用下是进动到-Y轴，顺磁性进动到+Y轴，两者相差180°。
相位二
当射频脉冲停止后，两者将会沿着同一方向在水平面进动，因横向磁化矢量在水平面做正余弦运动，所以两者的相位始终相差180°，见下图。如果用信号表示的话，可以用正反、高低、亮黑来表诉。
相位三-旋转坐标系
上面我们假设两者的横向磁化矢量是在水平面做顺时针进动，此时是头足方向观察；但是如果从足头方向观察，看到的横向磁化矢量将会是逆时针方向进动，就像转动的电风扇，当你从前面观察的时候，它顺时针转动，当你从后面观察的时候，它就是逆时针转动。两种观察的结果直接影响相位的符号值，比如头足方向观察，顺磁性将会转到第四象限，符号为负；抗磁性将会转到第二象限，符号为正。如果足头方向观察，顺磁性将会转到第一象限，符号为正；抗磁性将会转到第三象限，符号为负。目前各大厂家的观察方向不尽相同，西门子是采用的足头方向观察，飞利浦和GE采用的是头足方向观察。对于这个观察方向有一个比较出名的坐标系统-左右手系统，其中左手系统对应足头方向观察；右手系统对应头足方向观察。见下图顺磁性静脉在不同厂家上的相位信号表现，左图为左手旋转系统，右图为右手旋转系统。
相位四
从前文可知磁共振采集信号是一个复数信号，是由实部和虚部组成，经过傅里叶变换后依然是由实部和虚部组成，可以实现实相和虚像重建，且根据数学公式还可以重聚出模像和相位像，其数学公式和图像重聚见下图。其中模像是绝对值信号，相位像可以让信号带±。
高通滤波及相位掩膜
doi: 10.3174/ajnr.A1400
从上可知利用相位像可以区分顺磁性物质和逆磁性物质，但是原始的相位图像受低频低频相位的影响无法用于诊断，因此必须将原始相位图进行滤波去除低频干扰，采用的滤波方式为高通滤波，中心矩阵选择64✖64或32✖32获得矫正后的相位图，见下图，A为原始相位图，B为32✖32矫正后的相位图，C为64✖64矫正后的相位图。虽然高通滤波后的相位图已经可以很好的显示顺磁和抗磁之间的对比，但是还是会受到组织内外的相位影响，为了解决这个问题，必须对矫正后的相位图进行处理。从上面的分析知道顺磁和抗磁之间相差180°的相位差，因此可以将不同范围内的相位值定义为不同的值，目前的定义采用下图中的公式，这个过程被称为相位掩膜（phase mask）。这个过程对赋值为1的物质信号不起作用，对赋值为（0-1）的物质进行信号抑制，这样就可以增加抗磁与顺磁之间的对比度，而且还可以对这个范围的组织进行多次相乘来加深对比度，如果不设置相位掩模，那么多次相乘有可能改变相位符号。经过相位掩模的图像被称为相位能片，相位掩模的次数直接影响对比度，见下图，一般在实际成像中利用4次。
SWI图
磁敏感成像采用的扰相梯度回波成像，且采用的T2*对比，因抗磁和顺磁都会加快去相位，从而导致两者在模图上表现为低信号，这样会导致无法区分两种物质，这里就可以借助相位图来区分，但是相位图在分辨率和对比度等方面比较低，因此可以将模图和相位图融合来解决，融合方式见下图，最终得到含有因磁化率不同的磁敏感加权图(SWI)，可以将原始SWI图行最小MIP处理。
组织区分-钙化与出血
doi: 10.3174/ajnr.A1461
SWI成像对钙化与出血的鉴别具有很高的敏感性，见下图1(右手系统)A，SWI幅度图像。B，同一患者CT扫描显示了许多小的钙化物。C，与A同一层面的相位图，显示钙化在相位图上表现为高信号。图2(左手系统)，b为CT图像，无法区分是出血还是钙化，d为相位图表现低信号，诊断为钙化。图3(右手系统)，a为CT图，无法区分出血和钙化，d图为相位图表现为高信号，诊断为钙化。
临床应用与对比
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