基于磁共振信號幅值的射頻場映像技術(shù)研究

鄧官華 藍(lán)茂英 段 松 王佳佳 胡 燦 辛學(xué)剛

1(廣東三九腦科醫(yī)院，廣州 510510)2(南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣州 510515)3(第二軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院上海長海醫(yī)院，上海 200433)4(華南理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院，廣州 510006)

引言

磁共振介電特性成像(magnetic resonance electrical properties tomography, MR EPT)是通過檢測B1場的空間分布來實現(xiàn)人體組織介電特性成像的新興MR成像技術(shù)[1-4]。當(dāng)人體組織的生理或病理狀態(tài)發(fā)生改變時，組織的介電特性會發(fā)生變化。早有科學(xué)文獻(xiàn)指出，人體癌變組織與對應(yīng)正常組織的介電特性往往存在較大差異[5-9]。通過MR EPT技術(shù)實現(xiàn)人體組織的介電特性成像，有可能為癌癥的早期診斷提供有價值的早期定位信息[1-4]。此外，MR EPT技術(shù)還可以用于計算高場和超高場MR的比吸收率(specific absorption rate, SAR)[10]，實現(xiàn)病人的射頻安全監(jiān)控，降低人體組織熱損傷的機率。作為MR EPT基礎(chǔ)之一的B1mapping技術(shù)，其B1場的成像質(zhì)量直接影響著MR EPT算法的精度。合適的B1mapping技術(shù)對于后續(xù)的MR EPT算法至關(guān)重要。從測量原理上可將B1mapping技術(shù)分為兩大類[11-12]：一是基于磁共振信號幅值的B1mapping技術(shù)，該類方法是通過測量磁共振信號強度的變化，來算出目標(biāo)區(qū)域B1場的空間分布，包括雙角度法(double angle methods，DAM)[13-14]，快速預(yù)飽和法(saturated turbo flash，satTFL)[15]等；另一類是基于磁共振信號相位的B1mapping技術(shù)，該類方法是通過檢測磁共振信號相位的變化，來算出目標(biāo)區(qū)域B1場的空間分布，包括bloch siegert頻移法(bloch siegert shift，BS)[16]等。對于不同介電特性組織而言，上述B1mapping技術(shù)的誤差規(guī)律非常關(guān)鍵。例如，在腦脊液等高介電特性組織中，應(yīng)選取何種B1mapping技術(shù)，才能更準(zhǔn)確測量出人體組織真實B1場空間分布。然而目前為止，還沒有相關(guān)文獻(xiàn)報道。這里將重點研究DAM和satTFL兩種B1mapping技術(shù)在不同介電特性體模和人體頭部中的應(yīng)用，并利用FDTD仿真獲得的B1場分析上述兩種B1mapping技術(shù)在不同介電特性組織B1場成像中的適用性，為推動MR EPT技術(shù)的實用化提供基礎(chǔ)研究支持。

1 原理與方法

1.1 B1 mapping技術(shù)基本原理

(1)

(2)

(3)

可將式(2)簡化為

(4)

1.2 B1 mapping技術(shù)

1.2.1雙角度法

雙角度法(double angle method，DAM)[13-14]脈沖序列由翻轉(zhuǎn)角為α和2α的脈沖組成，如圖1所示，可以通過自旋回波序列(SE)或者梯度回波序列(GRE)來實現(xiàn)。由Bloch方程，可知自旋回波序列(SE)的信號方程[18-19]為

(5)

圖1 雙角度脈沖序列

當(dāng)TE?T1?TR時，式(5)可化簡為

(6)

式中，CSE(r)為與組織特性、射頻脈沖參數(shù)相關(guān)的變量。

(7)

若有

α2(r)=2α1(r)

(8)

則式(7)可化簡為

(9)

聯(lián)合式(4)、(9)可得

(10)

對于梯度回波序列(GRE)而言，同樣由Bloch方程可得其信號強度為

(11)

(12)

當(dāng)T1?TR時，E1=0時，式(12)可化簡為

(13)

如自旋回波脈沖序列，梯度回波脈沖序列同樣需要采集兩幅翻轉(zhuǎn)角不同，其他參數(shù)設(shè)置相同的梯度回波序列圖像，并由式(13)得

(14)

結(jié)合式(4)、(8)則有

(15)

合并式(10)、(15)，即有

(16)

1.2.2快速預(yù)飽和法

快速預(yù)飽和法(saturated turbo flash， satTFL)[15]序列同樣由兩組脈沖序列組成：一是采集質(zhì)子密度加權(quán)圖像的S0脈沖序列，二是在S0脈沖序列基礎(chǔ)上形成的預(yù)飽和Ssat脈沖序列。如圖2所示，則易知翻轉(zhuǎn)角α為

(17)

圖2 快速預(yù)飽和脈沖序列

1.3 方法

SEMCAD軟件目前已廣泛應(yīng)用于MRI電磁場分析計算方面的研究，能夠準(zhǔn)確地計算出加入人體或者其他復(fù)雜介質(zhì)負(fù)載后B1場的分布，其計算結(jié)果的準(zhǔn)確性已經(jīng)得到了同行的廣泛認(rèn)可[20-29]。本研究使用基于FDTD算法的SEMCAD軟件(www.speag.com，版本號為14.6)進(jìn)行體模和人體頭部的B1場仿真計算，并以FDTD仿真獲取的B1場為基準(zhǔn)，評估DAM、satTFL兩種B1mapping技術(shù)在不同介電特性組織中實測B1場成像的適用性。

1.3.1FDTD電磁仿真B1場

本研究首先在SEMCAD環(huán)境下建立線圈、均勻體模、人體頭部電磁仿真模型(見圖3)[20-29]，其次根據(jù)實測中所用體模、人體頭部的介電特性值來設(shè)定體模和人體頭部電磁仿真模型的介電特性值，最后利用FDTD算法計算體模和人體頭部電磁仿真模型的B1場值。

圖3 低通鳥籠線圈及相應(yīng)的電磁仿真模型。(a)低通鳥籠線圈；(b)雙圓柱體模模型；(c)人體頭部模型

1.3.1.1建立電磁仿真模型

1)鳥籠線圈模型。本實驗采用臨床上廣泛應(yīng)用于MRI系統(tǒng)的鳥籠線圈，作為仿真計算的發(fā)射線圈[29]。如圖3(a)所示，線圈直徑為42 cm，長度為30 cm，主要由16根銅棒及加載在各銅帶中間位置的16個激勵源和上下兩端連接銅棒的32個調(diào)諧電容組成。鳥籠線圈選取的激勵源為電流源，采用正弦波，相鄰電流源的相位相差22.5°。此外，通過調(diào)整調(diào)諧電容的大小使鳥籠線圈的工作頻率為128 MHz。

2)均勻體模電磁仿真模型。在鳥籠線圈模型的基礎(chǔ)上，建立均勻體模電磁仿真模型[20]。體模電磁仿真模型的大小及其介電特性根據(jù)實測中所用體模的大小和介電特性來設(shè)置。如圖3(b)所示，兩個圓柱形均勻體模(直徑=6 cm，高度=15 cm)位于鳥籠線圈的幾何中心，其介電特性分別為εgreen=3.2，σgreen=0.003 S/m，和εyellow=80.2，σyellow=1.6 S/m。

1.3.1.2仿真計算體模和人體頭部B1場

本實驗采用基于FDTD算法的SEMCAD商用軟件，仿真計算鳥籠線圈與體模、人體頭部模型的相互電磁作用。在對體模和人體頭部模型的電場和磁場進(jìn)行計算時，將鳥籠線圈和置于線圈內(nèi)部的體模、人體頭部模型負(fù)載構(gòu)成的整體作為FDTD的計算域，并將其劃分成242×257×49共3 047 506個Yee元胞，其中沿著x、y和z方向上的空間歩長范圍分別為1.276、1.276和5 mm。待FDTD仿真結(jié)束后，將與模型相關(guān)的磁場數(shù)據(jù)(Bx和By)導(dǎo)出，并根據(jù)式(1)算出體模和人體頭部的B1場值。

1.3.2MR掃描獲取實測B1場

實驗采用Siemens 3T MAGNETOM Trio磁共振成像系統(tǒng)，體線圈發(fā)射，8通道頭部線圈接收模式。

1)體模實驗。準(zhǔn)備兩個圓柱形塑料瓶，直徑均為6 cm，高度均為15 cm，分別往兩個塑料瓶中灌入食用油和生理鹽水。室溫(22℃)下，通過開端同軸線法[30]，測得當(dāng)頻率為128 MHz時，食用油和生理鹽水的介電特性分別為：εoil=3.2，σoil=0.003 S/m和εNaCl=80.2，σNaCl=1.6 S/m。將體模沿著主磁場方向水平放在頭部線圈中心位置，采用DAM、satTFL兩種序列行橫斷面掃描。

2)人體頭部實驗。實驗對象為健康的25歲男性志愿者，行顱腦橫斷面掃描，序列掃描為DAM、satTFL序列，掃描參數(shù)見表1。

表1 序列掃描參數(shù)

1.3.3多通道陣列接收線圈的數(shù)據(jù)融合

采取幅度權(quán)重的模式，融合N通道陣列接收線圈單元數(shù)據(jù)[31]，即

(18)

1.3.4B1mapping技術(shù)的適用性評價指標(biāo)

為便于研究感興趣區(qū)域(region of interest, ROI)內(nèi)不同B1mapping技術(shù)的差異性，定義一個B1場縮放系數(shù)Ri為

(19)

式中，Ri為第i個像素點的B1場縮放系數(shù)，αnom為標(biāo)稱翻轉(zhuǎn)角，αactual為實際翻轉(zhuǎn)角。

同時為了綜合考慮整幅圖像內(nèi)每個像素點的情況，定義一個平均相對差異系數(shù)，即

(20)

式中，Ri,FDTD為FDTD仿真條件下第i個像素點的B1場縮放系數(shù)，N為感興趣區(qū)域內(nèi)像素點總數(shù)。

2 結(jié)果

圖4 FDTD仿真和實測體模歸一化場分布(左為食用油體模，右為生理鹽水體模)。(a) FDTD仿真場分布; (b) DAM 場分布；(c) satTFL 場分布。

圖5 FDTD仿真和實測人體頭部場分布。(a) FDTD仿真場分布；場分布；場分布

3 討論

MRI領(lǐng)域近年來的新興的研究熱點之一MR EPT技術(shù)，主要研究如何利用MR系統(tǒng)本質(zhì)上是一種非電離電磁場與人體組織的相互作用系統(tǒng)這一根本特點，無創(chuàng)斷層提取人體組織介電特性分布信息，進(jìn)而有可能為癌癥的早期診斷提供有價值的定位信息[1-4]。作為MR EPT技術(shù)基礎(chǔ)之一的B1mapping技術(shù)，其B1場成像的質(zhì)量直接影響著后續(xù)MR EPT重建的精度，因而準(zhǔn)確、穩(wěn)健的B1mapping技術(shù)對于后續(xù)的MR EPT重建至關(guān)重要。研究B1mapping技術(shù)在不同介電特性負(fù)載中的誤差規(guī)律又是其中的關(guān)鍵。

針對上述問題，筆者研究了DAM、satTFL兩種常用的B1mapping技術(shù)以不同介電特性體模和人體頭部為負(fù)載的情況下B1場成像效果，并利用FDTD仿真獲得的B1場分析上述兩種B1mapping技術(shù)在不同負(fù)載情況下的適用性。實驗結(jié)果表明：在采用的低介電特性體模中，DAM實測、satTFL實測的平均相對差異系數(shù)MRD分別為8.2%和6.2%，兩者的平均相對差異系數(shù)MRD均在10%以內(nèi)；在采用的高介電特性體模中，DAM實測的平均相對差異系數(shù)MRD為21.4%，satTFL實測的平均相對差異系數(shù)MRD則為8.7%。B1場的分布受負(fù)載的介電特性影響，主要分為穿透效應(yīng)和駐波效應(yīng)，其中穿透效應(yīng)受負(fù)載的電導(dǎo)率影響，而駐波效應(yīng)則受負(fù)載的相對介電常數(shù)影響[14,32-33]。在低相對介電常數(shù)、低電導(dǎo)率的食用油體模中，其穿透效應(yīng)和駐波效應(yīng)均較小，因而DAM、satTFL實測的平均相對差異系數(shù)MRD較小。在高相對介電常數(shù)、高電導(dǎo)率的生理鹽水體模中，穿透效應(yīng)及駐波效應(yīng)均顯著，導(dǎo)致DAM實測的平均相對差異系數(shù)MRD較大。上述結(jié)果表明，在采用低介電特性負(fù)載(低相對介電常數(shù)、低電導(dǎo)率)中，DAM、satTFL兩種B1mapping技術(shù)有著相同的適用性，在采用高介電特性的負(fù)載(高相對介電常數(shù)、高電導(dǎo)率)中，satTFL有著更好的適用性。本研究的成果與Hartwig等的研究[14]結(jié)果類似，即在高磁場(3T)強度下DAM方法對B1場的測量精度不高。

考慮到實際上人體組織介電特性不均勻分布對B1場計算的影響，本研究在FDTD仿真過程中，引入DUKE人體模型。如圖5所示，在低介電特性組織區(qū)域(如腦白質(zhì)等)，DAM、satTFL實測的平均相對差異系數(shù)MRD分別為7.2%和6.4%，然而在高介電特性區(qū)域(如腦脊液等)，DAM實測的平均相對差異系數(shù)MRD高達(dá)21.5%。相關(guān)文獻(xiàn)表明，DAM方法對于T1較為敏感[13-14,16]，當(dāng)不滿足序列所需條件T1?TR時，DAM測量精度將有所下降。腦脊液不僅有較長的T1、T2，而且還具有較高介電特性(高相對介電常數(shù)、高電導(dǎo)率)，這些因素綜合導(dǎo)致在高介電特性組織中DAM實測的平均相對差異系數(shù)MRD較大。筆者研究DAM、satTFL兩種常用的B1mapping技術(shù)在不同介電特性組織中的誤差規(guī)律，可為推動MR EPT技術(shù)的實用化提供基礎(chǔ)研究支持。在本研究中，僅分析了上述兩種方法在低相對介電常數(shù)、低電導(dǎo)率和高相對介電常數(shù)、高電導(dǎo)率兩種情況下的B1場分布情況，在今后的研究中還需考慮低相對介電常數(shù)、高電導(dǎo)率和高相對介電常數(shù)、低電導(dǎo)率兩種情況下，上述兩種B1mapping技術(shù)的適應(yīng)性以及其他B1mapping技術(shù)在上述4種情況下的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

本研究通過不同介電特性體模和人體頭部的B1場成像實驗，分析了DAM、satTFL兩種B1mapping技術(shù)在不同介電特性體模和人體頭部B1場成像中的適用性，發(fā)現(xiàn)在低介電特性體模和腦白質(zhì)B1場成像中，采用FDTD仿真、DAM及satTFL 3種方法獲得的B1場縮放系數(shù)Ri差異較小，且DAM和satTFL的平均相對差異系數(shù)MRD在10%以內(nèi)，然而在高介電特性體模和腦脊液B1場成像中，采用DAM獲得的B1場縮放系數(shù)Ri要高于采用satTFL和FDTD仿真獲得的B1場縮放系數(shù)Ri，且有DAM的平均相對差異系數(shù)MRD約為21%。本研究的結(jié)果可為不同介電特性組織選取合適的B1mapping技術(shù)提供參考。例如，在脂肪等低介電特性組織的B1場成像中，DAM、satTFL兩種B1mapping技術(shù)都具有良好的適用性；然而在腦脊液等高介電特性組織的B1場成像中，satTFL方法的適用性更強。本研究的結(jié)果為推動MR EPT技術(shù)的實用化提供基礎(chǔ)研究支持。

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