磁共振并行成像射頻線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)展

【作 者】王龍辰，朱高杰，李斌*

上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，上海，200030

磁共振并行成像技術(shù)是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，它具有表面線圈高分辨率的特點(diǎn)，且圖像信號(hào)來(lái)自不同的線圈，圖像信噪比(SNR)和圖像質(zhì)量得到很大的提高。為了適應(yīng)心臟快速掃描的技術(shù)要求，傳統(tǒng)的MRI主要依靠在K空間中梯度場(chǎng)來(lái)進(jìn)行相位方向編碼，通過(guò)提高靜磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)和開(kāi)發(fā)能快速切換的性能優(yōu)良的梯度磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 但由于一方面更強(qiáng)的梯度受到技術(shù)和成本的限制，另一方面更強(qiáng)的梯度場(chǎng)切換率可以造成人體內(nèi)射頻能量聚積，產(chǎn)生神經(jīng)刺激和灼傷的危險(xiǎn)。因此，需要研究一種在同等梯度場(chǎng)強(qiáng)情況下的新的快速成像序列來(lái)提高成像速度。并行成像技術(shù)是利用線圈陣列中單個(gè)接收線圈的空間敏感度(Spatial sensitivity)差異來(lái)編碼空間信息,降低成像所必需的梯度編碼步數(shù)(主要為相位編碼步數(shù))，從而獲得更快的掃描速度。

并行成像技術(shù)最早由Hutchinson[1]在1988年提出，設(shè)想用128根接收天線以及相應(yīng)的接收系統(tǒng)組成一個(gè)陣列，并同時(shí)采集與陣列方向垂直的128個(gè)線狀區(qū)域的信號(hào)。1989年以后，Kelton和Wright[2]對(duì)Hutchinson的方案做了修改，建議使用2個(gè)或4個(gè)通道做并行數(shù)據(jù)采集。1991年Kwiat[3]對(duì)這種方案又作了進(jìn)一步的修改，提出用6個(gè)線圈做比6小的倍數(shù)的加速采集。1997年SodicKson[4]提出了SMASH(Sodickson and Manning)方法，通過(guò)減少相位編碼方向上的K空間采樣來(lái)減少整幅圖像的掃描時(shí)間，并通過(guò)線圈陣列的敏感度的線性組合代替由梯度產(chǎn)生的相位編碼的空間調(diào)節(jié)，從而去除偽影并得到高分辨率的圖像。Pruessman[5]在1999年提出的SENSE（sensitivity encoded magnetic resonance imaging）成像技術(shù)，這種方法也是減少K空間采樣，但是它是在圖像領(lǐng)域?qū)D像進(jìn)行修正，而不是在K空間領(lǐng)域。每個(gè)線圈在成像區(qū)域的每個(gè)像素點(diǎn)處都有不同的敏感度，運(yùn)用這個(gè)信息去除圖像中的重疊偽影現(xiàn)象。

1 SENSE射頻線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)原理

SENSE是目前應(yīng)用最為廣泛的一種并行成像技術(shù)。它同SMASH一樣也是減少K空間采樣，但是它是在圖像領(lǐng)域?qū)D像進(jìn)行修正，而不是在K空間領(lǐng)域。由于每個(gè)線圈在成像區(qū)域的每個(gè)像素點(diǎn)處都有不同的敏感度。運(yùn)用這個(gè)信息去除圖像中的重疊偽影現(xiàn)象。

在SENSE成像中，像素ρ處的SNR可表示為：

在等式（1）中，SNRsense,ρ和SNRfull,ρ分別表示在像素ρ處減少采樣和全采樣得到的信噪比，gρ表示幾何因子（g因子），R表示減少因子,是成像視野與實(shí)際采樣FOV的相位編碼數(shù)量之比,相應(yīng)地采樣時(shí)間縮短到原來(lái)的1/R。幾何因子是由線圈的形狀決定的，并在圖像區(qū)域中不均勻分布。

由（1）式可以看出，要想得到更好的SENSE成像性能，即SNRsense,ρ更高，需要減小gρ和R。由于相位編碼步減少為1/R，信噪比變?yōu)樵瓉?lái)的1/■ R。除此之外，由于RF線圈檢測(cè)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的熱噪聲使得信噪比進(jìn)一步下降。另外，用沒(méi)有優(yōu)化的RF線圈陣列得到的SENSE圖像的信噪比分布通常是不均勻的。例如，中間區(qū)域和遠(yuǎn)離線圈區(qū)域的采樣點(diǎn)的信噪比通常比靠近線圈區(qū)域的信噪比低，因此通過(guò)優(yōu)化線圈設(shè)計(jì)來(lái)提高SENSE圖像的信噪比是很重要的。

2 SENSE成像射頻線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展

最初研究人員通過(guò)改變線圈形狀優(yōu)化SENSE線圈，進(jìn)行仿真在目標(biāo)區(qū)域得到最小的g因子和最好的SNR。2001年，Weiger 等和Zwart 等[6]試圖對(duì)先前的線圈進(jìn)行仿真試驗(yàn)得到最優(yōu)的SENSE線圈。相似的，2003年Liffers 等[7]試圖對(duì)已有的各種各樣的已知線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真得到最佳的心臟成像的相控陣線圈。但由于這種方法仿真的線圈的數(shù)目是有限的，因而得到的仿真結(jié)果很可能不是最優(yōu)的SENSE成像線圈。

2005年，Dodd 等[8]提出用annealing方法仿真來(lái)優(yōu)化陣列線圈的性能，并設(shè)計(jì)了一個(gè)四通道線圈來(lái)驗(yàn)證該方法。在這項(xiàng)技術(shù)中，算法開(kāi)始于標(biāo)準(zhǔn)的矩形四通道線圈，線路根據(jù)Monte Carlo算法在前一線圈的表面上移動(dòng)，產(chǎn)生最好信噪比的結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是最優(yōu)的設(shè)計(jì)。盡管這種方法可能比上述方法能夠得到更好的線圈，但是它的缺陷在于基本的設(shè)計(jì)形狀仍然局限于設(shè)定的矩形形狀，只是通過(guò)改變每個(gè)線圈環(huán)路的大小來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)于特殊應(yīng)用的線圈優(yōu)化，可通過(guò)明確感興趣區(qū)域的B1場(chǎng)的分布來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)逆問(wèn)題求解得到電流分布，從而得到期望的場(chǎng)分布，例如，2002年Lawrence 等[9]運(yùn)用時(shí)諧反向方法設(shè)計(jì)了一種開(kāi)放式頭部和頸部的RF線圈。在這個(gè)方法中，首先用一些基本的函數(shù)表示線圈表面的電流密度，并計(jì)算線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)；然后進(jìn)行逆問(wèn)題研究，確定產(chǎn)生均勻B1場(chǎng)的電流密度分布。2005年，Xu 等[10]運(yùn)用相似的方法在射頻線圈中產(chǎn)生deemphasized B1場(chǎng)來(lái)補(bǔ)償在高能磁共振系統(tǒng)中由于介質(zhì)共振效應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)不均勻。

2006年，L Tugan Muftuler 等[11]提出一種通過(guò)逆問(wèn)題求解對(duì)線圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。該方法建立了SNR與線圈表面電流密度的關(guān)系式，根據(jù)線圈表面的電流密度分布逆向計(jì)算感興趣區(qū)域的信噪比，并使其最大化。由于在SENSE圖像中，像素ρ處的SNR即SNRsense,ρ與gρ因子成反比，因此首先根據(jù)線圈的磁場(chǎng)分布計(jì)算出gρ因子。然后通過(guò)用有限元法具體化期望線圈的幾何形狀，計(jì)算其表面電流密度分布，運(yùn)用最小方差算法使SNRsense最小，即SNRsense最大，最終得到優(yōu)化的線圈設(shè)計(jì)。研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的兩線圈陣列來(lái)驗(yàn)證本方法，結(jié)果顯示新的線圈設(shè)計(jì)方法能夠產(chǎn)生比標(biāo)準(zhǔn)線圈均勻性更好、SNR更高的圖像。該方法的優(yōu)點(diǎn)是表面電流密度可以看作是任意分布的。但是，最終的線圈單元可能有多個(gè)并行分支，得到這些分支的電流分布是很困難的。

2007年，Gang Chen 等[12]提出了一種新的線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法用一系列相連的導(dǎo)線段來(lái)模擬射頻線圈的幾何形狀，然后建立SNR與線圈幾何形狀的函數(shù)關(guān)系，并用最小方差法得到最有效的線圈設(shè)計(jì)。優(yōu)化過(guò)程定義了許多目標(biāo)參數(shù)，并對(duì)優(yōu)化線圈陣列進(jìn)行了仿真。該方法與以前的優(yōu)化方法相比，得到了更為有效的射頻線圈設(shè)計(jì)。研究人員用該方法設(shè)計(jì)了一個(gè)優(yōu)化線圈并測(cè)試和比較了線圈敏感度和SENSE圖像的信噪比。這些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的結(jié)果，并且驗(yàn)證了該優(yōu)化設(shè)計(jì)在二維SENSE成像應(yīng)用中的可行性。這方法與前個(gè)方法相比，優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)得到并行分支，但是該設(shè)計(jì)方法只限于任意幾何形狀的單回路線圈。

3 結(jié)論與討論

本綜述介紹了對(duì)并行成像線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并比較了這些優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。通過(guò)比較我們可以看出，近幾年并行成像線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)使得SENSE成像更接近于實(shí)用化。在最近的線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)主要思路都是通過(guò)逆問(wèn)題研究來(lái)幫助優(yōu)化一個(gè)SENSE成像線圈，而逆問(wèn)題研究中關(guān)鍵的一步是對(duì)模型的建立，因此可以通過(guò)建立更好的模型來(lái)得到更好的優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外，目前對(duì)線圈設(shè)計(jì)的研究都是在圓柱形表面上進(jìn)行的，今后可以考慮進(jìn)行在三維空間中的線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得線圈的成像性能更為優(yōu)化。

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