多源磁共振技术——21世纪高场磁共振的发展方向

多源磁共振技术——21世纪高场磁共振的发展方向 多源磁共振技术——21世纪高场磁共振的 发展方向 资讯lNEWSCOMMUNICAT10N 多源磁共振技术21世纪高场磁共振的发展方向 胡从云 (飞利浦医疗保健事业部) 1引言 磁共振系统中的射频系统作为磁共振信号的激励和采集系统, 对于磁共振技术的发展至关重要,是图像质量提高的关键系统.在高 场磁共振发展成为趋势的现今,新的应用总是与新挑战接踵而至.在 3.0T或更高场强下,人体和射频场之间的相互作用使B1场的分布呈现 个体差异很大的不均匀性.为响应这一应用变化,飞利浦的研发人员 提出了从发射源人手解决此类问题,独家推出了多源发射技术.多源 发射使用多个独立的发射源,灵活调节幅度,相位等发射参数,进行个 性化匀场,显着改善B1分布,使图像质量得到提高的同时能够提高扫 描速度. 当前.多源发射技术代了最新最尖端的射频发射技术,是高场 磁共振的发展方向,其本质如同CT经历了单排到双排,多排一般,磁 共振的发射源也完成了单源到多源的进程.本文将就以多源发射技 术革新性解决高场磁共振的常规问题人手,简述与分析多源发射技 术的在图像质量,采集速度及安全使用等方面的具体体现. 2单源射频技术下.传统3.OT系统面临的两大挑战 制约传统3.0TMR成像发展的主要技术问题往往集中在抗电阴 影和SAR限制.由此产生在图像质量和均一性方面的不同差异,特别 是在体部成像应用,场强越高,所面临的挑战越严峻. 2.1抗电效应 人体的不同组织其抗电性质也不同,因此在不同的组织器官中, 对B1场的影响是介电性和电导性效应的复杂组合效应. 成像介质的抗电性质主要由介电常数和电导率常数决定.介电 常数是描述介质极化性质的物理量,当介质在外加电场时会因感应 电荷而削弱电场.高介电常数的介质置于电场中,场强会发生可观的 下降.电导率表示介质传输电流能力的强弱. 在射频发射场Bl中,介质的电导性产生屏蔽效应使B1幅度下降: 介电性则产生部分聚焦效应. 水模成像观察到的抗电共振现象,是人射和反射电磁波叠加产 生的驻波分布.由于人体组织的电导性使反射波被衰减以及组织结 构的不均匀性,因此抗电共振并不是B1场不均匀的主要机制,而主要 来源于相长和相消的复杂干涉机制,是人体和射频场之间相互左右 的结果.空载的发射线圈能够产生均匀的B1场分布,而当人体置人发 射线圈后,不同的人体体型以及人体在线圈内的相对位置等因素,都 影响B1场的分布. 通过电磁仿真模拟知道.实际的B1场呈现个体差异很大的不均 匀性.B1场的空间变化导致翻转角的不均匀.如图1所示为3.OT的人体 模型90.激发的实际翻转角分布,可以看到翻转角的偏离在35.,176. 之间.B1场的不均匀性导致翻转角的偏离和图像的阴影;同时,由于 激发翻转角和图像对比度有关.不均匀的B1场下网像的对比度也是 不均匀的;良好的脂肪压制效果需要在视野内每个空间位置的翻转 角都是一致的,不均匀的B1场同样导致抑脂不均匀. 图13.dT人体模型9O.激发的实际翻转角分布 使用发射线圈和模拟人体组成的电磁仿真系统,能很好地研究 ? 13 高场抗电效应作用下,射频场分布的问题.图2为人体居于线圈中心 时B1场的分布图,显示了模拟信号强度和实际成像的结果——抗电 效应导致了图像中出现阴影区,严重时阴影区的解剖形态都无法分 辨,图像的诊断价值不高. (a)EM仿真预计会有2个低B1区域 (b)仿真图出现2个低信号区(c)实际人体成像相应区域阴影 图2仿真结果和实际图像 2.2SAR问题 特殊射频吸收率(specificabsorptionrate,SAR)是用于度量人体 对射频功率的吸收状况.在3.0TMR成像中,SAR的问题往往涉及到 成像扫描速度以及扫描安全问题.是制约3.oT成像的另一重要因素. SAR一般表达为人体单位体重所吸收的功率,其单位为W/kg,如 式(1)所示: SAR=P0WER/MASS(1) MR射频场由线圈中的交变电流所产生.景于该射频场中人体的能 量沉积SAR可进一步地表示为射频场强,人体电导常数以及频率的函数: = 22 _Dk?(?)(2) 根据式(2)可以得到的以下特点:(1)SAR和工作频率的平方 成正比;(2)SAR和射频场强(B1)的平方成正比;(3)SAR和组织的电 导率成正比 美国食品和药物管理局(FDA),在MRI扫描中,SAR必须控制 在一定的安全范围内. 那么,常规方法下,如何估计人体中的SAR值呢? 方法一:在空线圈和负载(人体)线圈2种情况下测量发射线圈的 前进和发射功率,估算人体所吸收的功率.然后根据射频占空比和人 体质量计算SAR;或者使用功率表监控输送到发射线圈的功率,通过 校正被人体吸收功率的比例系数,由体重得~USAR. 方法二:校正发射功率和已知的B1幅度.在线圈的几何结构固定 的情况下,吸收的功率和人体的质量之间是线性关系.这样一来就可 以将SAR和B1以及序列的射频占空比(线性关系)联系起来. 在低场强下,上述方法可以很好地满足实际的需要:但是对于高 场成像,时域有限差分(finitedifferencetimedomain,FDTD)模拟计算 表明,局部SARI:L平均SAR以更快的速度逼近安全限度,成为提高扫描 速度的致命杀手.产生局部SAR的原因主要有2个:一是发射线圈元件 和人体表面的容性偶合产生的电场;另一个是由人体电性质决定的射 频发射场电场的再分布.在高场下,如果仅仅考虑平均SAR值.几乎可 以肯定会导致局部SAR超标.在3.oT下.当平均SAR还远低于4W/kg的 全身安全值时,局部SAR已经远超出这个安全阈值了.在这种情况下. 上述方法将无法不适用于实际MR安全的临床应用. 因此.当扫描的SAR值逼近安全限度时,一般需要将强制系统进 行如下的参数调整:(1)减少扫描的片层数;(2)降低序列中射频脉冲 ? 医疗卫生装备?2010年06月第31卷第O6期ChineseMedicalEquipmentJournal?Vo1.31?No.06?June'2010 NEWSCOMMUNICATlONf资讯 的角度;(3)强制使用较长的序列重复时间(repetitiontime,TR);(4) 约束快速自旋回波序列的使用. 然而经过参数调整,虽然解决了局部"热点"的问题,但扫描速度 将受到限制,拉长了检查时间;同时无法使用最佳的序列参数,影响 了图像的信噪比(signaltonoiseratio,SNR)与对比度等. 3多源磁共振技术是抗电阴影和局部SAR问题的根本解决方法 要从根本上解决抗电效应引起的B1场不均匀性的问题.必须进 行射频匀场,即使用多个射频源.因为每个射频源对应独立的功率放 大器,可以独立灵活地控制每个发射源的幅度,相位,波形等参量,多 个发射源对应的发射线圈单元即可合成均匀的发射场(B1). 如图3所示,独立的发射源,发射参量根据射频匀场的要求自由 调节,可实现个性化的匀场.多源发射系统能够施行针对每个患者的 个性化RF匀场.为了说明个性化RF匀场的必要性,图4显示了使用电 磁仿真模型(模拟人体+多源发射线圈)计算的不同部位的射频匀场 设置(不同颜色的区域),以及真实人体不同部位的射频匀场数据. 从图4可以得出的结论是:不同解剖部位的模拟匀场设置并不重 合;所有的模拟值和实际数据点都偏离原点(正交驱动);不同部位的 实际数据点有很大的离散性(头部的数据点离散性相对较小);由于 数据点的离散性,只有少数的数据点靠近每个部位实际数据的平均 位置. 对比图5可知,如果只是使用固定的平均设置,就会有相当一部 分病人得不到最佳的射频匀场.因此针对每个人体进行个性化的射 频匀场是必要的,只有多源发射系统才具备个性化射频匀场的要求. 图32个发射源的射频发射架构 I .一l50'.o一一磊.}?315o1 .f,5' / 一 {0-// 懵?/// RelativePhase 圈4射频匀场设置和解剖的关系 裂 :::, 信垂番患者】患者2患者】患者2 图5不同的体型导致的B1不均匀性不同 如图6所示,使用多源发射技术进行射频匀场后.都能得到最佳 的B1场分布,带来图像质量的全面改善:抗电效应导致的图像阴影消 失,均匀性提高;翻转角准确均匀,图像对比度均匀一致,图像诊断价 值高,有利于定量分析;压脂效果均匀.这种产生在病人间的MR成像 的一致性,对于提高临床实践中诊断的可信度十分重要. (a)单发射源(b)多发射源 图6多源发射技术的个性化匀场对任意体 型的对象都得到高度一致的均匀图像 均匀的B1场分布不仅消除了图像的抗电阴影,SAR的分布均匀性 也得到很大提高,以及局部高SAR的"热点"消失.局部SAR是约束3T 扫描速度增加的主要原因.均匀的SAR分布意味着系统可以以更快的 速度扫描,消除局部热点的同时提高了扫描的安全性.在3.oT成像中, 更好的控制射频场的分布可以在大多数临床应用中提高成像速度达 30%--40%. 4结语 多源发射技术采用多个独立的射频信号,从根本上解决了抗电 阴影问题.可根据每个患者的体型调整多个独立的射频信号.产生更 加均,的射频场,从而提高B1场的均匀性.在提高图像均匀性的同 时.局部射频能量沉积也相应减少,从而为提高扫描速度创造条件. 自2009年上半年面世以来,国际市场订单及装机用户已经远远 突破了100台:从2010年年初获准在中国销售,国内的市场状况也是 形势喜人.订单数量已经超过lO台,用户包括清华大学,香港中文大 学和北京市儿童医院,山东医学影像研究所等多家科研,l临床机构. 市场反映已经证明,这种目前最先进的基于个体差异的多源射 频管理技术具有传统磁共振所无法比拟的优势,被认为是代表了今 后高场磁共振乃至超高场磁共振的发展方向. ? 医疗卫生装备?2010年06月第31卷第06期ChineseMedicalEquipmentJournal?Vo1.31?No.06?June?2010 ?皇ll盆暑?AI_【?篮