基于信噪差分比方法的磁共振射頻線圈在頭顱血管造影中的對比研究

【作者】王龍辰，李斌，肖云峰，喬瑞華

1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，200233

2上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院放射科，上海，200233

近年來隨著MRI梯度硬件技術(shù)的發(fā)展，為高分辨率和快速的圖像采集提供了一種強大的手段，尤其是在顱腦磁共振血管造影方面，使非常細小的血管可視化成為可能。為了提高MRA的信噪比，需要采用高靈敏度和均勻性的射頻接收線圈。線圈靈敏度的提高可以檢測到更為細小的血管[1]。

線圈的優(yōu)化對得到理想的MRI分辨率和對比度是很重要的。目前進行MRA成像的為正交鳥籠線圈。帶有底座的正交鳥籠線圈，比標準鳥籠線圈在MRA成像中能得到更好的圖像均勻性，對血管的可視化更好[2]。表面線圈在等于其半徑的深度內(nèi)，能獲得很好的信噪比[3]。本文在相關(guān)文獻[4-5]的基礎(chǔ)上，對8通道相控陣表面頭線圈和帶有底座的16通道正交鳥籠頭線圈在MRA應(yīng)用中的性能進行了比較研究。本文沒有試圖確定最好的MRA線圈，但提供了更多線圈參數(shù)的相關(guān)信息，以及它們對MRA圖像質(zhì)量的影響。

1 材料和方法

信噪比的測試是在體模上進行的，血管背景的信噪差分比是在MRA圖像不同的解剖位置上進行的。雖然信噪比能較好的描述某個射頻線圈的相對磁場密度和磁場的均勻性，但標準的信噪比方法并不能說明由于解剖結(jié)構(gòu)、生理結(jié)構(gòu)和信號采集方法的不同產(chǎn)生的差異。因此，如不對信號質(zhì)量進行其他方面的測試，很難評估不同射頻線圈帶來的好處[6]。

1.1 磁共振設(shè)備和線圈

磁共振成像設(shè)備為3.0T Intera Achiva（Philips Medical System，Best，Netherlands）。兩種線圈分別為：8通道相控陣只接收表面頭線圈和帶有底座的16通道正交收發(fā)鳥籠頭線圈。

圖1 帶有底座的鳥籠頭線圈Fig.1 Birdcage head coil with endcap

1.2 體模測試

體模實驗是為了測試兩種線圈進行磁共振成像的信噪比和均勻度。采用的序列為T2權(quán)重的自旋回波T2W-TSE，重復(fù)時間TR=3000 ms，回波時間TE=80 ms，成像視野為 FOV=300*239*119，層厚=4 mm，層間距=1 mm，層數(shù)=24，成像矩陣=672*672，采集次數(shù)NSA=2，分別進行了橫軸面和矢狀面成像。采用的體模為Philips標配的圓柱形體模，容積3000mL，內(nèi)部填充Philips配送的礦物油(Mineral Oil)溶液。

信噪比的測試采用單幅圖像測試的方法[7-8]，分別在橫軸面和矢狀面圖像中心取相同的感興趣區(qū)域(ROI)，測量信號的強度；在圖像周圍的空氣區(qū)域中測量信號的標準差，得到噪聲信號的強度。

信噪比（SNR）按下式進行計算：

其中，S為感興趣區(qū)域的平均信號強度，即感興趣區(qū)域的平均像素值，單位為1；SD為噪聲信號強度，即各空氣區(qū)域的像素標準差，單位為1。信噪比SNR的單位為1。本文測量了感興趣區(qū)域的信噪比，以及感興趣區(qū)域沿X軸、Y軸和Z軸方向（如圖1）的信噪比曲線。對橫軸面圖像的感興趣區(qū)域進行了三維投影，得到均勻度的三維圖形，其結(jié)果既能反映感興趣區(qū)信噪比的總體表現(xiàn)，又能反映出信噪比在某個方向上的變化情況。

1.3 人體測試

志愿者性別男，年齡24歲，體重60kg，對其分別應(yīng)用兩種線圈進行了MRA成像，采用的序列為3D TOF。實驗要求志愿者的頭部放于線圈中心，并且在實驗過程中保持不動。對MRA圖像，進行了血管信噪差分比（SDNR）測試[9]。血管信噪差分比按下式進行計算：

其中Svp是血管峰值信號，Sba是背景平均信號，σnoise是圖像噪聲信號。

峰值信號的測試采取先確定一條血管中心線，沿這條線方向確定血管的峰值信號。背景信號是在環(huán)繞血管的環(huán)形區(qū)域內(nèi)計算得到的。內(nèi)環(huán)包括整個血管和部分容積像素，外環(huán)要包括足夠大的背景像素，但同時不能包含其他血管。背景區(qū)域的噪聲信號是通過測量空氣區(qū)域當中的信號標準差得到的。

2 結(jié)果

2.1 體模研究

按照上述方法，分別計算了8通道相控陣表面頭線圈和帶有底座的鳥籠頭線圈的信噪比(見表1)，可得到8通道相控陣表面頭線圈信噪比是鳥籠頭線圈的4.50倍的結(jié)果。

圖2 相控陣表面頭線圈和鳥籠頭線圈在不同方向上的信噪比曲線Fig.2 The SNR lines in different directions with two coils

表1 兩種線圈圖像信噪比參數(shù)Tab.1 SNR of images with two coils

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，繪制了沿X軸、Y軸和Z軸方向的信噪比曲線（如圖2）。

從圖2(a)和(b)可知，兩種線圈邊緣部分的信噪比有突起，但不論邊緣部分還是中間部分，相控陣表面頭線圈的信噪比都明顯高于比鳥籠頭線圈。從圖2(c)可知，鳥籠頭線圈的信噪比越靠近底座端值越高。

另外，對圖像均勻度的測試，采用AAPM（美國醫(yī)學(xué)物理師學(xué)會）推薦的方案[10]，分別得到的兩幅橫斷面圖像的均勻度為98.92%和99.29%。將兩幅圖像的像素值分別進行三維投影[11]，如圖3所示。

圖3 兩種線圈體模橫斷面圖像投影Fig.3 projection of phantom images with two coils

2.2 人體成像

分別應(yīng)用兩種線圈對同一志愿者進行MRA成像，成像時間分別為15分22秒和20分17秒，得到最大強度投影（MIP）圖像如圖4所示?？梢钥闯?，相控陣表面頭線圈比鳥籠頭線圈能得到更好的血管細節(jié)。

對每個線圈，分別選擇了四條血管進行了血管信噪差分比(SDNR)分析[6,12]，如圖5所示。圖5(b)中橫坐標為圖5(a)中的各垂線到圖像中垂線的距離?？梢钥闯觯嗫仃嚤砻骖^線圈對這四條血管成像的SDNR值都高于鳥籠頭線圈。

圖5 線圈SDNR分析圖Fig.5 SDNR for evaluating coils

對兩幅圖像進行信噪比進行分析，得到四條血管的信噪比值見表2所列?？梢钥闯觯嗫仃嚤砻骖^線圈在4條血管的信噪比都明顯高于鳥籠頭線圈。

表2 兩種線圈對四條血管分別成像的信噪比Tab.2 SNR for selected vessels with two coils

3 討論

由圖2兩種線圈的信噪比曲線可知，相控陣表面頭線圈的信噪比遠遠高于鳥籠頭線圈，并且信噪比曲線均勻性較好，并未呈馬鞍形。這是由于采用的相控陣表面頭線圈為容積結(jié)構(gòu)，使得B1場的均勻性有了很大提高。由圖2(c)可知，鳥籠頭線圈越接近底部信噪比越高，曲線呈斜線下降。這是由底座中的線圈造成的，越靠近底座，線圈敏感度越好。圖2中信噪比曲線的突起是由于體模容器產(chǎn)生的信號引起的。

雖然研究表明，相控陣表面頭線圈在進行體模成像時，圖像信噪比高于鳥籠頭線圈，但采用的體模并不能模擬血管結(jié)構(gòu)。尋求合適的體模進行成像研究，對線圈評價將有更大的幫助。另外，應(yīng)用不同的成像序列，可能會得到更好的圖像信噪比。

本研究在進行SDNR分析時采用血管的峰值信號，而非血管的平均信號，主要是考慮到血管信號和背景信號很難區(qū)分，血管平均信號中很難保證沒有背景信號。通過研究可知，同一線圈不同血管處的SDNR值不一樣，表明SDNR值不僅與線圈的敏感度有關(guān)，還與血管的位置、大小等因素有關(guān)。本研究雖然只對一名志愿者進行了初步成像分析，還是可以看出兩個圖像之間存在差異，更進一步的分析研究需對更多樣本成像。

4 結(jié)論

通過在常規(guī)信噪比基礎(chǔ)上，應(yīng)用信噪差分比方法對體模和人體成像的研究，發(fā)現(xiàn)在3.0T磁共振成像中，相控陣表面頭線圈比鳥籠頭線圈能得到更好的圖像信噪比和血管信噪差分比。目前臨床上應(yīng)用相控陣頭線圈進行MRA成像時，會聯(lián)合使用并行成像技術(shù)，這會使成像時間縮短，但信噪比也隨之下降。同樣的對照研究，還可以對這種掃描技術(shù)進行評價，并可以指導(dǎo)對掃描參數(shù)的正確設(shè)置。另外，還可以對圖像均勻度和磁場均勻性等進行研究。

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