B1 mapping技術(shù)及其在MR EPT中的應(yīng)用研究.pdf

1、人體組織在電磁場的作用下，會呈現(xiàn)出一定的電磁特性，即電特性和磁特性。電特性又稱為介電特性，包括相對介電常數(shù)ε和電導(dǎo)率σ。磁特性是指組織的磁導(dǎo)率μ。一般而言，生物組織的磁導(dǎo)率μ與真空磁導(dǎo)率μ0接近，因此可將生物組織的磁導(dǎo)率μ看作為常數(shù)μ0(μ0=4π×10-7H/m)。然而，在時變電磁場的作用下，人體組織的介電特性還與電場Eejωt的頻率密切相關(guān)，此時生物組織的復(fù)介電常數(shù)可以表示為εr(ω)=ε'(ω)-jε"(ω)，式中實(shí)部ε'(ω)為

2、相對介電常數(shù)，虛部ε"(ω)為損耗因子，描述的是組織消耗能量的能力。一般情況下，很難求解出生物組織的損耗因子ε"，故常用等效電導(dǎo)率σeff(ω)=ε"(ω)ε0+σ表示生物消耗能量的能力。相關(guān)科學(xué)文獻(xiàn)指出，人體組織的介電特性還與組織內(nèi)離子濃度，蛋白質(zhì)含量及結(jié)合水與自由水的比例，組織溫度等因素密切相關(guān)。當(dāng)人體組織的生理或者病理狀態(tài)發(fā)生改變時，組織的介電特性也會隨之改變。因此，生物組織的介電特性不僅與頻率相關(guān)，同時還受組織含水量、組織類型及

3、組織結(jié)構(gòu)等的影響。
　　在磁共振成像系統(tǒng)中，由于人體不同組織、器官具有不同的電磁特性（磁導(dǎo)率，電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)），自由空間中均勻分布的射頻電磁場與人體組織相互接觸后將會產(chǎn)生抗電效應(yīng)，變?yōu)椴痪鶆?。此外，隨著靜磁場B0場強(qiáng)的升高，特別是在高場磁共振中，射頻電磁波波長與人體組織尺寸接近，將產(chǎn)生駐波效應(yīng)，導(dǎo)致人體內(nèi)射頻場扭曲。這些復(fù)雜的機(jī)制使得原本在自由空間均勻分布的射頻場，在加載人體組織、器官后，往往變得不均勻。在磁共振成像中，B1

4、場的不均勻分布會降低圖像的對比度、信噪比，進(jìn)而降低圖像的質(zhì)量，不利于醫(yī)生的診斷。B1 mapping技術(shù)是在傳統(tǒng)磁共振成像技術(shù)基礎(chǔ)上，通過檢測包含射頻場空間分布信息的磁共信號，來計算得到人體組織各處B1場分布的成像技術(shù)，也是近年來磁共振研究的熱點(diǎn)之一。利用B1 mapping技術(shù)快速、準(zhǔn)確獲取B1場分布對于許多磁共振應(yīng)用和研究有著重要的意義。第一、用于評價磁共振射頻發(fā)射線圈的質(zhì)量，射頻發(fā)射線圈產(chǎn)生的B1場均勻性直接決定著磁共振圖像質(zhì)量的

5、優(yōu)劣，高質(zhì)量的射頻發(fā)射線圈將產(chǎn)生均勻性更高的B1場，進(jìn)而產(chǎn)生更高質(zhì)量的磁共振圖像，通過B1 mapping技術(shù)測量到的B1分布可作為評判射頻線圈的優(yōu)劣的一個指標(biāo);第二、并行成像中B1場勻場技術(shù)的應(yīng)用，在并行成像中，為了在成像區(qū)域內(nèi)取得均勻性更高的B1場，常常需要對每個通道產(chǎn)生的B1場進(jìn)行調(diào)整，利用B1 mapping技術(shù)測得的B1場分布可為每個通道的B1場調(diào)整提供參考方向，此外還可以通過B1場勻場技術(shù)提高B1場分布的均勻性，將局部SAR

6、值降低在安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi);第三、用于修正T1、T2和質(zhì)子密度圖像，B1場的不均勻?qū)е碌某上駞^(qū)域內(nèi)翻轉(zhuǎn)角差異將有可能會掩蓋病變組織與正常組織本身的T1、T2和質(zhì)子密度的差異，從而降低T1、T2和質(zhì)子加權(quán)圖像診斷的可靠性。準(zhǔn)確的測量B1場的分布對于T1、T2和質(zhì)子加權(quán)圖像的修正有著重要的意義;第四、應(yīng)用于人體組織介電特性斷層成像(MR EPT)，B1 mapping技術(shù)作為磁共振介電特性斷層成像的基礎(chǔ)之一，其成像質(zhì)量直接影響著MR EPT技術(shù)算法

7、的精度。
　　磁共振電特性斷層成像(MR EPT)是在磁共振成像系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，通過測量攜帶生物組織介電特性信息的射頻B1場的分布，來重建出人體組織介電特性的成像方法。這種全新的、無需外加電流注入人體組織內(nèi)的介電特性測量方法源于1991年，Haacke等學(xué)者發(fā)現(xiàn)自由空間下均勻分布的射頻場B1在人體組織內(nèi)分布不均勻，是人體組織的介電特性與電磁場相互作用的結(jié)果。因此，Haacke等人認(rèn)為可從磁共振圖像中得到人體組織介電特性分布。2003

8、年，Wen等人發(fā)現(xiàn)高場磁共振下射頻場B1的擾動與人體組織電導(dǎo)率σ、相對介電常數(shù)εr之間的直接聯(lián)系，提出了一種基于赫姆霍茲方程的算法。2009年，Katscher等學(xué)者以安培定律為基礎(chǔ)，提出了一種全新的人體組織介電特性的測量方法，并實(shí)現(xiàn)了人體頭部組織介電特性的活體測量（3 T磁共振）。同時，Katscher等人將這種全新的人體組織介電特性成像方法命名為人體組織介電特性磁共振斷層成像，其成像的質(zhì)量由磁共振射頻場成像技術(shù)和磁共振介電特性斷層成

9、像算法共同決定。雖然介電特性磁共振斷層成像技術(shù)目前仍然存在不少缺點(diǎn)，但因MR EPT技術(shù)具有無需注入外加電流，即可無創(chuàng)的實(shí)現(xiàn)人體組織介電特性成像的優(yōu)點(diǎn)，是近年來磁共振研究的熱點(diǎn)之一。
　　本論文首先從理論上研究目前幾種常見的B1 mapping技術(shù)及MR EPT的基本原理。接著以DAM和satTFL兩種B1 mapping技術(shù)為代表，研究其在不同介電特性體模和人體頭部中的B1場成像，同時將實(shí)測結(jié)果與FDTD仿真比較，研究、分析DA

10、M和satTFL兩種B1 mapping技術(shù)的差異性。通過計算它們的B1場縮放系數(shù)R和平均相對差異系數(shù)MRD，發(fā)現(xiàn)在低介電特性體模B1場成像中，DAM、satTFL與FDTD仿真的B1場縮放系數(shù)R差異較小，且有它們的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，DAM的B1場縮放系數(shù)R要高于satTFL和FDTD仿真的B1場縮放系數(shù)R，且有DAM的MRD高達(dá)21％。此外，本文還在FDTD仿真條件下，研究了簡化MR EPT

11、算法在不同介電特性體模和人體頭部中的介電特性重建效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在低介電特性體模中，MR EPT的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率的重建誤差分別為0.01和0.003 S/m;在高介電特性體模中，MR EPT的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率的重建誤差分別為0.1和0.01 S/m;在人體頭部感興趣區(qū)域，MR EPT的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率的重建誤差分別為2.5和0.03 S/m，重建誤差在可接受范圍內(nèi)。本文的研究結(jié)果為選取合適的B1 mapping技術(shù)提供一