高場(chǎng)和超高場(chǎng)MRI B1場(chǎng)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(duì)置于靜磁場(chǎng)中生物體內(nèi)的氫質(zhì)子進(jìn)行激發(fā)，然后通過接收線圈探測(cè)生物體內(nèi)具有空間編碼信息的磁共振(magnetic resonance，MR)信號(hào)，這些信號(hào)通過譜儀和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理可實(shí)現(xiàn)對(duì)體內(nèi)組織器官的結(jié)構(gòu)、生理與化學(xué)特征成像。MRI廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)診斷和生命科學(xué)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(shì):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(duì)解剖結(jié)構(gòu)或病變進(jìn)行立體追蹤;第三，MRI成像參數(shù)多，能夠提供許多有價(jià)值的診斷信息，使MRI廣泛應(yīng)用于臨床;第四，MRI圖像不會(huì)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(shì)，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(jià)值的診斷信

3、息，是孕婦產(chǎn)前影像學(xué)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(chǎng)，不存在電離輻射損傷，對(duì)人體相對(duì)更安全。
　　 近年來，高場(chǎng)和超高場(chǎng)MRI由于其高的空間和時(shí)間分辨率等突出優(yōu)勢(shì)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(shì)和應(yīng)用價(jià)值，成為MRI系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。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(dāng)前的研究熱點(diǎn)

4、，中國(guó)科學(xué)院生物物理所于2010年引進(jìn)了我國(guó)首臺(tái)7 T MRI系統(tǒng)用于腦功能成像的科學(xué)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(shì)，在胎兒的呼吸、消化和泌尿系統(tǒng)均能為超聲提供準(zhǔn)確的補(bǔ)充信息，因而胎兒MRI是重要的胎兒影像學(xué)檢查手段，具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。然而，高場(chǎng)和超高場(chǎng)MRI也存在一些缺點(diǎn)，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(chǎng)作用于人體時(shí)會(huì)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(huì)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(chǎng)在人體內(nèi)傳播時(shí)，入射與反射電磁波疊加會(huì)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(zhǎng)和相消干涉機(jī)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(chǎng)，加載人體后，B1場(chǎng)的分布會(huì)變得不均勻，這種不均勻性會(huì)降低圖像的信噪比、對(duì)比度、均勻度和特定組織抑制效果，對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生一系列的影

6、響，降低圖像的診斷價(jià)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(huì)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(huì)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(guó)際上采用特定射頻能量吸收率(specific absorption rate，SAR)來衡量人體對(duì)射頻能量的吸收情況，并設(shè)定相應(yīng)的閾值作為安全標(biāo)準(zhǔn)。因而，射頻電磁場(chǎng)與人體組織的相互電磁作用會(huì)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(qiáng)相關(guān)的數(shù)值研究。
　　 結(jié)合MRI系統(tǒng)向高場(chǎng)和超高場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)以及胎兒MRI的重要臨床應(yīng)用價(jià)值，考慮到MRI系統(tǒng)中射頻電磁場(chǎng)與人體之間復(fù)雜的相互電磁作用對(duì)圖像質(zhì)量和受檢者安全的影響，而且B1場(chǎng)分布的均勻性和SAR相互聯(lián)系且均與MRI系統(tǒng)的射頻場(chǎng)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(duì)于MRI都很重要，因而加強(qiáng)高場(chǎng)和超高場(chǎng)MRI下人體組織內(nèi)B1場(chǎng)分布的均勻性和SAR值隨場(chǎng)強(qiáng)變化規(guī)律的

8、研究以及對(duì)高場(chǎng)和超高場(chǎng)胎兒MRI可能存在的電磁問題進(jìn)行分析和解決意義都很重大。MRI系統(tǒng)中B1場(chǎng)和SAR的研究涉及到工程實(shí)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(chǎng)數(shù)值計(jì)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(shí)域有限差分(finite difference

9、time domain，F(xiàn)DTD)法。其中，MOM對(duì)電磁問題的求解主要是對(duì)存在電流分布的區(qū)域進(jìn)行離散化，即用于線圈電流分布的計(jì)算，因而不能處理類似人體負(fù)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(jì)算時(shí)間，矩陣規(guī)模的大小直接影響到計(jì)算機(jī)占用內(nèi)存的大小，在很大程度上關(guān)系到計(jì)算速度;FEM可分為前置處理、計(jì)算求解和后置處理三個(gè)階段，其各個(gè)環(huán)節(jié)都可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，獲得通用的計(jì)算程序，但是FEM的計(jì)算程序復(fù)雜冗長(zhǎng)，而且是區(qū)域性解法，分割

10、的元素?cái)?shù)和節(jié)點(diǎn)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(jì)算時(shí)間也很長(zhǎng)，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(chǎng)進(jìn)行計(jì)算勢(shì)必會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)提出較高的要求并降低計(jì)算效率;FDTD法用有限差分式替代時(shí)域Maxwell旋度方程中的微分式，得到場(chǎng)分量的有限差分式。其具有容易對(duì)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(diǎn)，因而很適合用來對(duì)以具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀的人體為負(fù)載的射頻線圈所

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

12、雜電磁作用進(jìn)行準(zhǔn)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(duì)該三維模型進(jìn)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(jià)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(huì)下屬的安全委員會(huì)關(guān)于允許孕后13周的胎兒行MRI檢查的建議以及國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)(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(chǎng)和超高場(chǎng)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(chǎng)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(zhǔn)確分析高場(chǎng)和超高場(chǎng)MRI中B1場(chǎng)分布均勻性和SAR值隨場(chǎng)強(qiáng)變化的規(guī)律，指出高場(chǎng)和超高場(chǎng)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(chǎng)胎兒MRI成像時(shí)可能存在的問題，指導(dǎo)高場(chǎng)胎兒MRI的實(shí)際掃描;分析和解決超高場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度增加，射頻線圈與人體的相互電磁作用增強(qiáng)，人體內(nèi)B1場(chǎng)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(duì)射頻能量的吸收向體內(nèi)組織集中，高場(chǎng)和超高場(chǎng)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(chǎng)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(duì)射頻能量的耐受性比成年人低，因而對(duì)MRI系統(tǒng)下孕婦盆腔各組織的SAR值進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)需要著重考慮胎兒組織，在對(duì)孕婦做MRI檢查的臨床操作中，需要采取縮短檢查時(shí)間等措施以充分保護(hù)胎兒;超高場(chǎng)胎兒MRI下采用合適的B1場(chǎng)勻場(chǎng)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(chǎng)分布不均勻和SAR值過高的問題，在確保