高場強(qiáng)頭顱柔性線圈的顱腦成像質(zhì)量的應(yīng)用價(jià)值研究

龔志剛, 詹松華, 孔營楠, 黃炎文, 王輝, 康英杰, 陳義磊, 魏翔宇, 石玉萍

基金項(xiàng)目：2017年度上海中醫(yī)藥大學(xué)重大成果培育項(xiàng)目(ZDCG201701)；上海市科委“科技創(chuàng)新行動計(jì)劃”臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域項(xiàng)目(18401970300)；2014年上海市高校實(shí)驗(yàn)人才培養(yǎng)項(xiàng)目

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，其在腦功能成像及兒童顱腦成像中有一定缺陷。評價(jià)一個(gè)射頻線圈的質(zhì)量時(shí)，信噪比是重要的考量標(biāo)準(zhǔn)[1]，提高圖像信噪比可通過提升線圈的通道數(shù)目實(shí)現(xiàn)，通道數(shù)的多少與信噪比、掃描時(shí)間及掃描范圍等密切相關(guān)[2]。但通道數(shù)上升的同時(shí)線圈的造價(jià)將明顯上升，同時(shí)影響成像的均勻度。線圈所需要的通道數(shù)降低，制造線圈的成本明顯降低[3-4]。本課題組前期研究設(shè)計(jì)了頭顱12通道柔性線圈，并證明在場強(qiáng)1.5T的情況下，頭顱柔性12通道線圈與硬質(zhì)16通道線圈的顱腦圖像質(zhì)量相仿[5]。本研究通過在3.0T高場強(qiáng)條件下對頭顱柔性12通道線圈和硬質(zhì)16通道線圈的圖像質(zhì)量進(jìn)行比較，旨在進(jìn)一步驗(yàn)證柔性線圈的臨床應(yīng)用價(jià)值。

圖1 頭顱12通道柔性線圈物理測試。a)橫軸面ROI選取示意圖；b)冠狀面ROI選取示意圖；c)矢狀面ROI選取示意圖。 圖2 頭顱柔性12通道線圈。 圖3 頭顱硬質(zhì)16通道線圈。

材料與方法

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)[6]，使用直徑為150 mm的球形水模(填充液配方：1L水+3.6g氯化鈉+1.955g無水硫酸銅)，其特性(自旋密度、T1和T2)與患者身體類似(典型值：T1<1200 ms，T2>50 ms)。使用聯(lián)影3.0T uMR780磁共振成像儀。掃描序列和參數(shù)：2D SE序列，依次行橫軸面、矢狀面和冠狀面單層掃描；TR 1000 ms，TE 30 ms，像素帶寬(100±3) Hz，視野250 mm×250 mm，矩陣256×256，層厚5 mm，無信號平均。

測試步驟：將水模放置在線圈的中心，線圈及水模定位后，為防止旋渦偽影，在掃描前等待15 min，使得水模穩(wěn)定。對同一層面連續(xù)掃描兩次，且第一次掃描結(jié)束到第二次掃描開始的時(shí)間<5 min，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(gè)線圈組分別在橫軸面、冠狀面和矢狀面圖像上選取3個(gè)ROI(圖1)測量圖像的信噪比和均勻度[7]。

2.臨床測試

招募20例健康志愿者，男7例，女13例。年齡(25.86±3.28)歲。所有志愿者簽署研究知情同意書。使用聯(lián)影uMR 780 3.0T磁共振儀成像，頭顱線圈分別采用柔性12通道AHC12磁共振線圈(專利號201610771084.8)和硬質(zhì)16通道HC16線圈(圖2～3)，2個(gè)線圈的成像序列和參數(shù)完全一致。矢狀面3D GRE序列T1WI參數(shù)：TR 7.2 ms，TE 3.1 ms，帶寬250 Hz，翻轉(zhuǎn)角10°，層厚1 mm，層間距0 mm，視野256 mm×256 mm，矩陣256×256，TI 750 ms；橫軸面FSE T2WI參數(shù)：TR 5148 ms，TE 90 ms，帶寬170 Hz，翻轉(zhuǎn)角145°；層厚5 mm，層間距1 mm，視野230 mm×200 mm，矩陣384×384；橫軸面EPI DWI參數(shù)：TR 2100 ms，TE 90 ms，帶寬1790 Hz，翻轉(zhuǎn)角90°，層厚6 mm，層間距1.2 mm，視野230 mm×230 mm，矩陣160×160。橫斷面成像以前后聯(lián)合連線為中心層面，矢狀面成像以大腦鐮為中心層面。

在橫軸面T2WI上ROI放置I于左側(cè)丘腦、額葉、頂葉和側(cè)腦室體部區(qū)域，在矢狀面3D T1WI上ROI分別放置于胼胝體前角、體部和后角及左側(cè)頂葉腦回，DWI上ROI 放置于左側(cè)丘腦、額葉和頂葉，測量各ROI的信號強(qiáng)度(signal intensity，SI)；在上述各序列選取的測量層面上于左下角空白區(qū)域放置ROI，測量其CT值，以其標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation，SD)作為背景噪聲。每個(gè)區(qū)域ROI大小均為50 mm2(圖4)。計(jì)算各序列圖像的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)[5]：

(1)

圖像質(zhì)量主觀評價(jià)方法：由兩位影像診斷醫(yī)師對2個(gè)線圈組中T2WI、T1WI和DWI的圖像質(zhì)量分別進(jìn)行主觀評價(jià)。采用5級評分：5級，圖像質(zhì)量非常好，沒有或僅有微量偽影，可以進(jìn)行準(zhǔn)確診斷；4級，圖像質(zhì)量好，有少量偽影，可進(jìn)行準(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，但尚可獲得診斷信息；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)師評分的均值作為該序列圖像的最終評分。

3.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

對臨床測試所獲得的T2WI、3D-T1WI、DWI 圖像的信噪比和圖像質(zhì)量主觀評分等正態(tài)分布的計(jì)量資料采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行描述，采用配對t檢驗(yàn)對AHC12和HC16兩個(gè)線圈組中各項(xiàng)測量結(jié)果的差異性進(jìn)行比較。使用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖4 12通道柔性線圈臨床測試。a)橫軸面T2WI，ROI放置于左側(cè)丘腦、額葉和側(cè)腦室體部，測量背景噪聲的ROI置于左下角空白區(qū)域；b)矢狀面3D T1WI，ROI放置于胼胝體前角、體部、后角和頂葉，測量背景噪聲的ROI置于左下角空白區(qū)域；c)橫軸面DWI，ROI放置于左側(cè)丘腦、額葉和頂葉，測量背景噪聲的ROI置于左下角空白區(qū)域。

結(jié) 果

1.物理測試

物理測試中2個(gè)線圈圖像ROI 選取位置及所獲得信噪比見表1。AHC12 線圈在冠狀面圖像上各個(gè)ROI 均具有最高的信噪比。兩個(gè)線圈組在3個(gè)掃描平面上圖像的均勻度見表2。兩個(gè)線圈在各平面圖像上的均勻度差異不大；HC16線圈的橫軸面和冠狀面圖像的均勻度略高于AHC12線圈；AHC12線圈的矢狀面圖像上均勻度略高于HC16線圈。

表1 AHC12和HC16線圈物理測試中圖像的信噪比

表2 AHC12和HC16線圈物理測試中圖像的的均勻度

2.臨床測試

20例受試者均完成二個(gè)線圈的各序列MRI掃描，兩個(gè)線圈組各序列圖像的信噪比及組間比較見表3～5。兩個(gè)線圈組之間T2WI、T1WI和DWI圖像上各部位信噪比的差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，AHC12線圈3個(gè)序列圖像上各部位的信噪比均高于HC16線圈。

2個(gè)線圈組中各序列圖像的主觀評分結(jié)果見表6。兩個(gè)線圈組之間T2WI的圖像主觀評分的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.017)，AHC12線圈的評分值高于HC16線圈。兩個(gè)線圈組之間T1WI和DWI的圖像主觀評分的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。與HC16線圈比較，AHC12線圈圖像上能更多地顯示細(xì)微血管，腦部解剖結(jié)構(gòu)顯示更清晰(圖5)。

表3 臨床測試中兩個(gè)線圈T2WI各部位信噪比的比較

表4 兩個(gè)線圈T1WI各部位信噪比的比較

表5 兩個(gè)線圈DWI各部位信噪比的比較

表6 各序列圖像主觀評分的比較 /分

討 論

在磁共振成像中圖像質(zhì)量受到多種因素的影響，包括磁體磁場強(qiáng)度、成像序列、重建算法和射頻線圈等。射頻線圈發(fā)出并接收射頻信號，對成像質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。線圈通道數(shù)常需和系統(tǒng)的接收通道數(shù)相匹配，因此一般認(rèn)為，在系統(tǒng)其它條件一定的情況下，線圈的單元數(shù)越多，成像質(zhì)量越好[8]。本研究結(jié)果顯示，在物理測試時(shí)頭顱柔性12通道線圈進(jìn)行矢狀面成像時(shí)，由于在顱腦下方無線圈通道覆蓋，故圖像的SNR低于頭顱硬質(zhì)16通道線圈。

圖5 臨床測試中兩個(gè)線圈成像質(zhì)量的對比，AHC12線圈圖像上能更多地顯示細(xì)微血管，腦部解剖結(jié)構(gòu)顯示更清晰(箭)。a)頭顱柔性12通道線圈T2W圖像；b)頭顱硬質(zhì)16通道線圈T2W圖像；c)頭顱柔性12通道線圈T1W圖像；d)頭顱硬質(zhì)16通道線圈T1W圖像；e)頭顱柔性12通道線圈DWI圖像；f)頭顱硬質(zhì)16通道線圈DWI圖像。

本研究中采用高場強(qiáng)3.0T與頭顱柔性線圈相結(jié)合來提升頭顱常規(guī)成像的圖像質(zhì)量。通過線圈來提高圖像質(zhì)量的方法主要有2種：一種方法是增加線圈的單元數(shù)[9]，使用了頭顱硬質(zhì)16通道線圈，一種方法是縮短線圈與成像物體間的距離[10]，制備了頭顱柔性12通道磁共振線圈。柔性線圈使得線圈具有伸縮性，可調(diào)節(jié)內(nèi)徑從而個(gè)性化適應(yīng)受檢者頭顱大小，可以緊密包繞頭顱，克服傳統(tǒng)硬質(zhì)線圈與頭顱間距離大的弊端[11]。頭顱硬質(zhì)16通道線圈高度為26 cm，深度為30 cm，周長為110 cm；顱柔性12通道線圈高度為23 cm，深度為20 cm，周長為70 cm，頭顱硬質(zhì)線圈比柔性線圈空間大了22%左右。李俊鵬等[12]研究認(rèn)為頭頸聯(lián)合線圈由于空間大，新生兒在顱腦成像時(shí)更易產(chǎn)生偽影。在覆蓋范圍固定的前提下，當(dāng)線圈變小時(shí)，接收到的電壓信號變小，此時(shí)線圈所覆蓋的頭顱變小，線圈接收到的噪聲也變小，噪聲變少更多，具有小線圈元件和高通道計(jì)數(shù)的線圈陣列可以提供更高的固有信噪比[13]。

多通道陣列線圈可使用并行采集技術(shù)以縮短成像時(shí)間，其圖像以空間信號噪聲比變化較大為特征，噪聲水平在很大程度上取決于所使用的接收線圈的敏感性，且隨并行采集加速因子增大而增大[14]。本研究中2組線圈成像時(shí)，不使用并行采集技術(shù)以獲得最佳的圖像質(zhì)量，同時(shí)使圖像SNR的比較更加真實(shí)可靠。當(dāng)多個(gè)線圈組成陣列時(shí)，整個(gè)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(gè)折中值。同時(shí)單元數(shù)目多的線圈，均勻度會有降低。這是因?yàn)閱卧獢?shù)目多，每個(gè)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?？?，使得均勻度變差。多組陣列線圈，通過減小線圈的體積和敏感的容積來改善MR影像的信噪比，這樣可有效地減小檢測到噪聲的幅度，多個(gè)小的互相重疊的線圈可重疊覆蓋一定的容積，當(dāng)多個(gè)線圈的信號疊加時(shí)，噪音可顯著降低，信噪比得到明顯改善[15]。本研究中頭顱硬16通道線圈提升了線圈的單元數(shù)，在橫軸面、矢狀面這2個(gè)方向的均勻度均低于12通道柔性線圈。

頭顱柔性12通道磁共振線圈的橫軸面T2WI上圖像的信噪比和矢狀面3D T1WI上圖像的信噪比均高于頭顱硬質(zhì)16通道線圈，充分體現(xiàn)了頭顱柔性線圈成像目標(biāo)與線圈間距離對圖像信噪比的決定性作用。而且在矢狀面圖像上，頭顱柔性12通道磁共振線圈的均勻度高于頭顱硬質(zhì)16 通道線圈。目前線圈均勻度的指標(biāo)中，均勻度>80%即為可接受的均勻度，本研究中頭顱柔性12通道磁共振線圈在橫軸面、冠狀面和矢狀面的均勻度分別為96.77%、94.23%和96.72%，均>80%，位于較好的區(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。在不影響掃描圖像的觀察和保持其體位舒適的情況下，盡量將身體往里送，將頭顱置于線圈正中，這樣可以最好地接收MR信號。提高掃描圖像的質(zhì)量，同時(shí)在患者背部墊上軟墊與線圈底部高度齊平。為防止患者頭顱在掃描當(dāng)中出現(xiàn)移動，可以用耳塞塞住其雙耳，并在其雙側(cè)顳部加軟墊固定。

頭顱柔性12通道磁共振線圈在高場強(qiáng)3.0T下可以獲得優(yōu)于更高通道頭顱硬質(zhì)線圈的成像質(zhì)量，降低了線圈的制造成本，并可進(jìn)行相關(guān)的顱腦磁共振檢查，在兒童的顱腦檢查及腦功能檢查方面有廣闊的應(yīng)用前景。