頭顱柔性線圈與硬質(zhì)線圈成像質(zhì)量的比較研究

譚文莉 詹松華 康英杰 張 成 陳義磊 馬 文李一婧 沈衛(wèi)東 王 洋 玄倩倩

磁共振線圈可分為硬質(zhì)線圈和柔性線圈，目前臨床上使用的頭顱磁共振線圈均為硬質(zhì)線圈。提高頭顱硬質(zhì)磁共振線圈的圖像信噪比主要通過提升線圈的通道數(shù)目實現(xiàn)，但通道數(shù)上升的同時線圈的造價將明顯上升，同時影響成像的均勻性。因此本課題組設(shè)計了頭顱柔性線圈，在不提升線圈通道的前提下，通過降低線圈與成像目標(biāo)間的距離[1-2]，從而提升圖像信噪比，降低頭顱線圈的造價，避免對圖像均勻性產(chǎn)生影響。本研究中將對頭顱柔性14通道線圈、硬質(zhì)16通道及24通道線圈的圖像質(zhì)量進(jìn)行比較。

方 法

1.物理測試

根據(jù)中華人民共和國國家食品藥品監(jiān)督管理局YY/T 0482標(biāo)準(zhǔn)[3]，采用直徑為150mm的球形水模，其特性（自旋密度 ，T1，T2）與患者身體類似（典型值：T1＜1200ms，T2＞50ms，自旋密度 ）。

掃描在聯(lián)影1.5T uMR560磁共振進(jìn)行。序列參數(shù)設(shè)置如下：采用二維單自旋回波、單層序列；掃描層面依次為橫斷面、矢狀面、冠狀面；TR=1000ms或TR≥信號產(chǎn)生材料的3T1，T1=314ms，取二者大者；TE=30ms，或TE≤信號產(chǎn)生材料的T2/3，T2=267ms，取二者小者；像素帶寬（100±3）Hz；視野：250mm；矩陣256×256；層厚5mm；無信號平均。

測試步驟如下：

將水模放置在線圈的中心（圖1），線圈及水模定位后，為防止漩渦偽影，在掃描前等待一段時間，使得水模穩(wěn)定。對同一層面連續(xù)掃描兩次得到圖像，且第一次掃描結(jié)束到第二次掃描開始的時間＜5min，兩次掃描期間不調(diào)整或校準(zhǔn)。

圖像按磁共振設(shè)備的典型臨床重建算法處理，由操作者選擇的濾波器（如失真校正，光滑和邊緣增強(qiáng)的濾波器）均關(guān)閉，充分清除圖像偽影。每個線圈的橫斷位、冠狀位、矢狀位分別選取3個ROI（圖2）測量線圈的信噪比[4]，同時測量每個線圈在橫斷位、冠狀位、矢狀位圖像上的均勻性。

2.臨床測試

招募10例正常健康志愿者，所有志愿者簽署研究知情同意書。采用聯(lián)影1.5T uMR560磁共振進(jìn)行成像，頭顱線圈分別采用：①柔性14通道磁共振線圈（AHC14）；②硬質(zhì)24通道線圈（HC24）；③硬質(zhì)16通道線圈（HNC16），成像序列完全一致，分別為定位相、橫斷位T1WI、T2WI、DWI，每個線圈同一序列成像參數(shù)保持完全一致。

橫斷位T1WI成像參數(shù)如下：SE序列；TR=550ms；TE=11.9ms；BW=120Hz；FA=70；層厚/層間距=5mm/1mm；FOV=200mm×230mm；Matrix=223×256。橫斷位T2WI成像參數(shù)如下：FSE序列；TR=5000ms；TE=81.1ms；BW=190Hz；FA=150；層厚/層間距=5mm/1mm；FOV=200mm×230mm；Matrix=331×448。橫斷位DWI成像參數(shù)如下：epi序列；TR=3112ms；TE=82.8ms；BW=1510Hz；FA=90；層厚/層間距=5mm/1mm；FOV=230mm×230mm；Matrix=256×256。橫斷位圖像以前后聯(lián)合連線為中心層面。

圖像信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）=感興趣區(qū)平均信號強(qiáng)度（signal of measurement region of interest，SMROI）/同層背景噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation，SD）[5-6]，橫斷位T1WI、DWI圖像ROI放置于左側(cè)丘腦，橫斷位T2WI圖像ROI放置于左側(cè)側(cè)腦室前角區(qū)域，同層背景噪聲ROI置于左下角空白區(qū)域。

圖像質(zhì)量主觀評價方法：由兩位影像診斷醫(yī)師主觀地對三個線圈所獲得的橫斷位T1WI、T2WI、DWI的圖像質(zhì)量進(jìn)行評價。采用5級評分系統(tǒng)：5級，圖像質(zhì)量非常好，沒有或僅有微量偽影，可以獲得準(zhǔn)確診斷；4級，圖像質(zhì)量好，有少量偽影，可以獲得準(zhǔn)確診斷；3級，圖像質(zhì)量中等，有信心獲得正確診斷；2級，圖像質(zhì)量差，尚可獲得診斷信息；1級，圖像質(zhì)量極差不能進(jìn)行診斷。取兩位影像診斷醫(yī)師的均值作為該序列圖像的評分。

3.統(tǒng)計學(xué)分析

對臨床測試所獲得的橫斷位T1WI、T2WI、DWI圖像的信噪比進(jìn)行正態(tài)分布及方差齊性檢驗，如符合正態(tài)分布將進(jìn)行ONE-WAY ANOVA分析，組間分析采用LSD方法。圖像質(zhì)量主觀評分進(jìn)行非參數(shù)檢驗中的Kruskal-Wallis H檢驗進(jìn)行分析。以上統(tǒng)計學(xué)分析P＜0.05認(rèn)為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

1.物理測試

圖1 水膜放置示意圖。A.頭顱14通道柔性線圈；B.頭顱24通道硬質(zhì)線圈；C.頭顱16通道硬質(zhì)線圈。

圖2 頭顱14通道柔性線圈物理測試感興趣區(qū)選取示意圖。A.橫斷位感興趣選取位置；B.冠狀位感興趣區(qū)選取位置；C.矢狀位感興趣區(qū)選取位置。

圖3 三個線圈獲得的同意受試者磁共振圖像。A、B、C分別為頭顱14通道柔性線圈T1WI、T2WI及DWI圖像； D、E、F分別為頭顱24通道硬質(zhì)線圈T1WI、T2WI及DWI圖像；G、H、I分別為頭顱16通道硬質(zhì)線圈T1WI、T2WI及DWI圖像。

表1 AHC14、HC24、HNC16線圈物理測試的信噪比

表2 AHC14、HC24、HNC16線圈物理測試的均勻性

表3 AHC14、HC24、HNC16線圈臨床測試的信噪比結(jié)果

表4 圖像的主觀評分

三個線圈的圖像ROI選取位置及所獲得信噪比見表1，除了冠狀位ROI3，AHC14線圈在橫斷位、冠狀位、矢狀位各個ROI中均具有最高的信噪比，在冠狀位ROI3中，HC24線圈具有更高的信噪比。三個線圈獲得圖像的均勻性結(jié)果見表2。在橫斷位中，AHC14線圈與HC24線圈具有相仿的均勻性；冠狀位中HNC16線圈具有最高的均勻性， HC24線圈略高于AHC14線圈；矢狀位中HNC16線圈具有最高的均勻性，AHC14線圈略高于HC24線圈。

2.臨床測試

10例受試者均完成三個線圈的磁共振掃描。在信噪比方面（表3），三個線圈的橫斷位T1WI、T2WI、DWI圖像的信噪比差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義。在橫斷位T1WI、T2WI圖像中，AHC14線圈的信噪比高于HC24線圈，HC24線圈的信噪比高于HNC16線圈，三者組間差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義。在橫斷位DWI圖像中，AHC14線圈、HC24線圈的信噪比高于HNC16線圈，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，盡管AHC14線圈的信噪比略高于HC24線圈的信噪比，但差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義。

在圖像的主觀評分方面（表4，圖3），三個線圈的橫斷位T1WI圖像的主觀評分差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，AHC14線圈的主觀評分最高，其次為HC24線圈，最低為HNC16線圈，進(jìn)一步進(jìn)行兩組間比較顯示，AHC14線圈與HNC16線圈的評分差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.008），AHC14線圈與HC24線圈、HC24線圈與HNC16線圈的評分差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義。橫斷位T2WI、DWI圖像的主觀評分差異在三個線圈間不具有統(tǒng)計學(xué)意義。

討 論

在磁共振成像中，圖像質(zhì)量受到多種硬件因素的影響，包括磁體磁場強(qiáng)度、成像序列增加重建算法和射頻線圈等。射頻線圈發(fā)出并接收射頻信號，是影響圖像質(zhì)量諸因素中相對比較容易進(jìn)行改進(jìn)的部件。

本研究在現(xiàn)有頭顱硬質(zhì)16通道線圈的基礎(chǔ)上，采用兩種方法提升頭顱常規(guī)成像的圖像質(zhì)量，一種方法是增加線圈的單元數(shù)[7]，制備了頭顱硬質(zhì)24通道線圈，一種方法是縮短線圈與成像物體間的距離[8]，制備了頭顱柔性14通道磁共振線圈，使得頭顱線圈具有伸縮性，可以緊密包繞頭顱。

在覆蓋范圍固定的前提下，當(dāng)線圈變小時，接收到的電壓信號變小，此時線圈所覆蓋的水膜體積亦變小，此時線圈接收到的噪聲也變小，噪聲變少更多，故信噪比可以提升。當(dāng)多個線圈組成陣列時，整個陣列的信噪比就會提高。但是，由于單元數(shù)增多，鏈路引入的噪聲越多，故并非無限制的增加單元數(shù)目，信噪比會無限增加，存在一個折中值。同時單元數(shù)目多的線圈，均勻性會有降低。這是因為單元數(shù)目多，每個單元就會變小，表面信噪比會很高，但是延深度方向信噪比降低的非?？?，使得均勻性變差。本研究中頭顱硬質(zhì)24通道線圈提升了線圈的單元數(shù)，圖像信噪比較頭顱硬質(zhì)16通道線圈明顯提升，不過在橫斷位、矢狀位、冠狀位三個方向的均勻性降低，與上述線圈成像原理有關(guān)。

局部線圈是諧振形式的近場天線，縮短成像目標(biāo)與頭顱線圈的距離，無線的場越強(qiáng)，接收到的電壓越強(qiáng)，噪聲的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于接收到的電壓，故信噪比提高。當(dāng)離線圈遠(yuǎn)時，天線的場強(qiáng)變?nèi)?，接收到的信號變?nèi)?，信噪比降低。本研究三個頭顱線圈中，頭顱柔性14通道磁共振線圈的信噪比高于頭顱硬質(zhì)16通道線圈，甚至高于提高線圈單元數(shù)目的頭顱硬質(zhì)24通道線圈，體現(xiàn)了成像目標(biāo)與頭顱線圈間距離對圖像信噪比的決定性作用[9]。而且在橫斷位及矢狀位，頭顱柔性14通道磁共振線圈的均勻性高于頭顱硬質(zhì)24通道線圈，雖然略低于硬質(zhì)16通道線圈。目前線圈均勻性的指標(biāo)中，要求均勻性＞80%即為可接受的均勻性，頭顱柔性14通道磁共振線圈在橫斷位、冠狀位、矢狀位的均勻性分別為84.38%、83.41%、86.68%，均＞80%，位于可接受的區(qū)間內(nèi)。

本線圈也存在一些缺點(diǎn)，頭顱柔性磁共振線圈比較柔軟，在使用過程中需要對連接部位進(jìn)行仔細(xì)觀察，以防止線圈單元出現(xiàn)連接斷裂的問題，后期將通過對其進(jìn)行外形加固的方法改進(jìn)線圈的穩(wěn)定性。

頭顱柔性磁共振線圈通過縮短線圈與檢查部位間的距離提高了磁共振圖像的信噪比，可以獲得與更高線圈通道的頭顱硬質(zhì)線圈相仿的圖像質(zhì)量，為今后提高頭顱線圈質(zhì)量提供了另一種解決方法。

[1]Corea JR, Lechene PB, Lustig M, et al. Materials and methods for higher performance screen-printed fl exible MRI receive coils. Magn Reson Med, 2017, 78: 775-783.

[2]Corea JR, Flynn AM, Lechêne B, et al. Screen-printed fl exible MRI receive coils. Nat Commun, 2016, 7: 10839.

[3]YY/T 0482-2004, 醫(yī)療診斷用磁共振設(shè)備技術(shù)要求及試驗方法.北京: 國家食品藥品監(jiān)督管理局, 2004.

[4]袁子龍，張照喜，邱建峰，等. 基于ACR體模的磁共振射頻線圈性能的對比. 中國醫(yī)療設(shè)備，2015，30：100-103.

[5]Funama Y, Awai K, Nakayama Y, et al. Radiation dose reduction without degradation of low-contrast detectability at abdominal multisection CT with a low-tube voltage technique: phantom study.Radiology, 2005, 237: 905-910.

[6]張澍杰，饒圣祥，李軔晨，等. 1.5T與3.0T MR正常肝臟擴(kuò)散成像的比較研究. 中國醫(yī)學(xué)計算機(jī)成像雜志，2012，18：501-503.

[7]金 瑋，王龍辰，李 斌. 磁共振射頻線圈單元數(shù)對圖像信噪比的影響. 中國醫(yī)療設(shè)備，2012，27：116-119.

[8]Gradl J, H?reth M, Pfefferle T, et al. Application of a Dedicated Surface Coil in Dental MRI Provides Superior Image Quality in Comparison with a Standard Coil. Clin Neuroradiol, 2016 Feb 11.[Epub ahead of print].

[9]張宏杰，宋梟禹，包尚聯(lián)，等. 磁共振成像射頻線圈技術(shù). 中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，2005，21：1440-1441.