高場和超高場MRI B1場分布和SAR安全性研究.pdf

1、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是一種斷層成像技術(shù)，它通過MRI系統(tǒng)中的射頻發(fā)射線圈產(chǎn)生的射頻脈沖對置于靜磁場中生物體內(nèi)的氫質(zhì)子進行激發(fā)，然后通過接收線圈探測生物體內(nèi)具有空間編碼信息的磁共振(magnetic resonance，MR)信號，這些信號通過譜儀和計算機系統(tǒng)處理可實現(xiàn)對體內(nèi)組織器官的結(jié)構(gòu)、生理與化學特征成像。MRI廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學診斷和生命科學研究等領(lǐng)域中。相比其他的成像技術(shù)，MR

2、I具有很多優(yōu)勢:第一，MRI具有良好的軟組織分辨力;第二，MRI具有任意方向直接切層成像的能力，可對解剖結(jié)構(gòu)或病變進行立體追蹤;第三，MRI成像參數(shù)多，能夠提供許多有價值的診斷信息，使MRI廣泛應(yīng)用于臨床;第四，MRI圖像不會出現(xiàn)氣體及骨偽影;第五，MRI具有良好的空間分辨率和廣闊成像視野等優(yōu)勢，用于胎兒成像能更清晰地顯示胎兒結(jié)構(gòu)，可以反映胎兒在子宮內(nèi)代謝和發(fā)育信息，尤其在胎兒中樞神經(jīng)系統(tǒng)異常的診斷中，能為臨床醫(yī)生提供更多有價值的診斷信

3、息，是孕婦產(chǎn)前影像學檢查的重要手段;最后，由于MRI激發(fā)氫質(zhì)子成像使用的是射頻電磁場，不存在電離輻射損傷，對人體相對更安全。
　　 近年來，高場和超高場MRI由于其高的空間和時間分辨率等突出優(yōu)勢而逐步廣泛應(yīng)用于臨床，在神經(jīng)、血管、骨關(guān)節(jié)等臨床應(yīng)用中顯示出明顯的診斷優(yōu)勢和應(yīng)用價值，成為MRI系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。目前，臨床上1.5 T和3 TMRI系統(tǒng)已經(jīng)比較普遍，而7TMRI系統(tǒng)雖然還沒有在臨床普及，但是7 T MRI是當前的研究熱點

4、，中國科學院生物物理所于2010年引進了我國首臺7 T MRI系統(tǒng)用于腦功能成像的科學研究。此外，胎兒MRI在胎兒中樞神經(jīng)系統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)及其異常診斷中具有明顯的優(yōu)勢，在胎兒的呼吸、消化和泌尿系統(tǒng)均能為超聲提供準確的補充信息，因而胎兒MRI是重要的胎兒影像學檢查手段，具有重要的臨床應(yīng)用價值。然而，高場和超高場MRI也存在一些缺點，由于人體各組織器官具有各異的介電常數(shù)和電導(dǎo)率，MRI系統(tǒng)的射頻線圈產(chǎn)生的使人體組織的氫質(zhì)子發(fā)生MR現(xiàn)象的射頻電磁

5、場作用于人體時會產(chǎn)生由各組織器官介電性和電導(dǎo)性共同導(dǎo)致的復(fù)雜抗電效應(yīng)，這種效應(yīng)會導(dǎo)致人體不同部位的電磁波產(chǎn)生不同程度的衰減。此外，射頻電磁場在人體內(nèi)傳播時，入射與反射電磁波疊加會產(chǎn)生駐波效應(yīng)，合并上述的抗電效應(yīng)，人體內(nèi)的電磁波存在復(fù)雜的相長和相消干涉機制。因而，即使射頻線圈在自由空間能產(chǎn)生均勻分布的射頻B1場，加載人體后，B1場的分布會變得不均勻，這種不均勻性會降低圖像的信噪比、對比度、均勻度和特定組織抑制效果，對圖像質(zhì)量產(chǎn)生一系列的影

6、響，降低圖像的診斷價值;其次，MRI射頻系統(tǒng)使用的電磁波所屬的波段決定了其不會引起電離輻射損傷，但是其與人體組織相互作用產(chǎn)生的抗電效應(yīng)和駐波效應(yīng)，會導(dǎo)致射頻能量沉積，可引起局部或全身體溫升高，帶來非電離輻射熱損傷。通常，國際上采用特定射頻能量吸收率(specific absorption rate，SAR)來衡量人體對射頻能量的吸收情況，并設(shè)定相應(yīng)的閾值作為安全標準。因而，射頻電磁場與人體組織的相互電磁作用會降低圖像質(zhì)量和可能帶來安全問

7、題，有必要結(jié)合臨床應(yīng)用需求加強相關(guān)的數(shù)值研究。
　　 結(jié)合MRI系統(tǒng)向高場和超高場的發(fā)展趨勢以及胎兒MRI的重要臨床應(yīng)用價值，考慮到MRI系統(tǒng)中射頻電磁場與人體之間復(fù)雜的相互電磁作用對圖像質(zhì)量和受檢者安全的影響，而且B1場分布的均勻性和SAR相互聯(lián)系且均與MRI系統(tǒng)的射頻場與人體組織的相互作用直接關(guān)聯(lián)，成像質(zhì)量和保證受檢者的安全對于MRI都很重要，因而加強高場和超高場MRI下人體組織內(nèi)B1場分布的均勻性和SAR值隨場強變化規(guī)律的

8、研究以及對高場和超高場胎兒MRI可能存在的電磁問題進行分析和解決意義都很重大。MRI系統(tǒng)中B1場和SAR的研究涉及到工程實際電磁問題。這一問題往往很復(fù)雜，如邊界的形狀不規(guī)則、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料的性能非線性等，求解這些問題需要采用一些電磁場數(shù)值計算方法，常用的數(shù)值方法主要有矩量法(method of moment，MOM)、有限元法(finite element method，F(xiàn)EM)和時域有限差分(finite difference

9、time domain，F(xiàn)DTD)法。其中，MOM對電磁問題的求解主要是對存在電流分布的區(qū)域進行離散化，即用于線圈電流分布的計算，因而不能處理類似人體負載這樣的復(fù)雜介質(zhì)，而且求解代數(shù)方程組占用了MOM的主要計算時間，矩陣規(guī)模的大小直接影響到計算機占用內(nèi)存的大小，在很大程度上關(guān)系到計算速度;FEM可分為前置處理、計算求解和后置處理三個階段，其各個環(huán)節(jié)都可以實現(xiàn)標準化，獲得通用的計算程序，但是FEM的計算程序復(fù)雜冗長，而且是區(qū)域性解法，分割

10、的元素數(shù)和節(jié)點數(shù)較多，需要復(fù)雜繁多的初始數(shù)據(jù)，最終得到的方程組的元數(shù)也很大，這使得其需要占用較大的內(nèi)存，數(shù)值計算時間也很長，其若應(yīng)用于射頻線圈與具有復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的人體構(gòu)成的整體的電磁場進行計算勢必會對計算機提出較高的要求并降低計算效率;FDTD法用有限差分式替代時域Maxwell旋度方程中的微分式，得到場分量的有限差分式。其具有容易對復(fù)雜媒質(zhì)建模以及不受介質(zhì)幾何形狀限制的優(yōu)點，因而很適合用來對以具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀的人體為負載的射頻線圈所

11、產(chǎn)生的電磁場進行實時計算，其次，其具有很好的寬頻帶響應(yīng)優(yōu)點，適合對瞬態(tài)響應(yīng)進行分析，即其通過計算得到時域數(shù)據(jù)后，可借助傅里葉變換得到整個頻帶范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)，因而其適用于在數(shù)值計算中對射頻線圈進行實時調(diào)諧。因而，F(xiàn)DTD法提出后在電磁場工程仿真中得到廣泛應(yīng)用，本文也采用FDTD法對人體內(nèi)射頻B1場和SAR進行計算。采用FDTD電磁數(shù)值算法求解人體內(nèi)B1場和SAR，還需要建立人體電磁模型以得到人體內(nèi)的準確分布并對射頻電磁場與人體組織間的復(fù)

12、雜電磁作用進行準確分析，考慮到磁共振引導(dǎo)子宮肌瘤超聲聚能熱消融術(shù)的應(yīng)用需求，以正常女性盆腔為例闡明了第一種三維人體電磁模型的建立方法，其以人體CT斷層掃描圖像為基礎(chǔ)，首先通過精確的人工分割和體繪制的方式建立三維模型，然后對該三維模型進行有限元剖分和三角面片優(yōu)化，最后通過賦予各組織相應(yīng)的電磁屬性建立三維人體電磁模型?？紤]到胎兒MRI的臨床應(yīng)用價值，以孕婦盆腔為例闡明了第二種建模方法，其采用母體模型與胎兒模型相結(jié)合的方式重建孕婦盆腔模型，其

13、中母體模型采用上述的女性盆腔模型，根據(jù)MRI協(xié)會下屬的安全委員會關(guān)于允許孕后13周的胎兒行MRI檢查的建議以及國際輻射防護委員會(International Commission on Radiological Protection，ICRP)提供的關(guān)于胎兒模型的參數(shù)建立了孕后13周的包含子宮在內(nèi)的胎兒模型，其包含子宮、胎盤、羊水、胎兒身體和大腦，其中子宮呈梨形，由子宮體，子宮底和子宮頸組成，子宮體由截頭圓錐體構(gòu)成，子宮底和子宮頸分別由

14、子宮體上下兩端的半球組成，胎盤在子宮內(nèi)的上方連接子宮內(nèi)壁與胎兒，羊水介于子宮內(nèi)壁與胎兒身體之間并包裹胎兒。
　　 本文研究的目的在于結(jié)合MRI朝高場和超高場發(fā)展以及胎兒MRI成為繼超聲之后又一重要的胎兒成像手段的臨床應(yīng)用需求，在充分考慮射頻電磁場與人體組織之間的復(fù)雜電磁相互作用的前提下，在數(shù)值層面準確分析高場和超高場MRI中B1場分布均勻性和SAR值隨場強變化的規(guī)律，指出高場和超高場MRI臨床應(yīng)用中應(yīng)注意的問題;分析常規(guī)MRI掃

15、描條件應(yīng)用于高場胎兒MRI成像時可能存在的問題，指導(dǎo)高場胎兒MRI的實際掃描;分析和解決超高場胎兒MRI存在的安全和圖像質(zhì)量問題。研究表明:隨著主磁場強度增加，射頻線圈與人體的相互電磁作用增強，人體內(nèi)B1場的均勻性變差，影響MRI的成像質(zhì)量，SAR也急劇增加，而且人體對射頻能量的吸收向體內(nèi)組織集中，高場和超高場下各組織的SAR均有可能超出安全閾值并且局部最大值先于平均值超出限制值，危及患者的安全;相同的射頻條件下孕婦盆腔內(nèi)B1場的均勻性

16、比未懷孕女性盆腔內(nèi)差，孕婦盆腔內(nèi)各組織的SAR值高于未懷孕盆腔相應(yīng)組織的SAR值，而且胎兒各組織均具有較高的SAR值，考慮到胎兒組織對射頻能量的耐受性比成年人低，因而對MRI系統(tǒng)下孕婦盆腔各組織的SAR值進行數(shù)值分析時需要著重考慮胎兒組織，在對孕婦做MRI檢查的臨床操作中，需要采取縮短檢查時間等措施以充分保護胎兒;超高場胎兒MRI下采用合適的B1場勻場技術(shù)可有效解決其固有的抗電和駐波效應(yīng)引起的B1場分布不均勻和SAR值過高的問題，在確保