調(diào)整射頻增益在改善心臟磁共振圖像均勻性中的應(yīng)用

黃欣,王歌亮,趙文哲,王怡名,宋哲凡,李延壽,郭建新

(西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科,陜西西安 710061)

高磁場磁共振具有超高的空間分辨率和軟組織對比度,目前已被廣泛應(yīng)用于臨床[1]。針對心臟成像,心臟磁共振因其無輻射、無創(chuàng)、多參數(shù)、時間與空間分辨率高等特點,已成為心功能成像的金標準[2]。在磁共振掃描中,信號的不均勻常會降低圖像的信噪比,嚴重影響臨床的診斷。之前的研究表明,通過手動調(diào)整射頻發(fā)射增益值(transmit gain,TG)可改善磁共振乳腺動態(tài)增強圖像均勻度[3]。雖然目前沒有直接研究表明通過調(diào)整增益可改善心臟磁共振檢查中的信號均勻性,但相關(guān)研究已為本研究提供了一定的可行性。本研究旨在探討通過調(diào)整射頻增益值來改善心臟磁共振的信號均勻性。

1 資料與方法

1.1 研究對象

數(shù)據(jù)收集于西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院,時間為2018年7月至2018年9月。本研究遵循的程序符合醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會制定的標準,得到倫理委員會的批準。所有受試者均簽署知情同意書。納入標準:①無磁共振檢查禁忌證;②竇性心律且率齊;無其他異常;③對研究知情同意。排除標準:①心肺功能異常,無法配合磁共振檢查;②嚴重心律失常;③磁共振檢查禁忌證;④幽閉恐懼癥;⑤外部原因?qū)е聢D像質(zhì)量較差,無法進行評估。最終,本研究納入11例志愿者,年齡20～53歲,平均年齡32.41歲。按照志愿者的體質(zhì)量指數(shù)(body mass index,BMI)將數(shù)據(jù)分為正常組和超重組:正常組(18.5 kg/m2＜BMI＜23.9 kg/m2),超重組(BMI≥24 kg/m2)。

1.2 儀器與掃描方法

所有志愿者均使用美國GE Discovery 750 3.0T超導(dǎo)磁共振掃描儀進行數(shù)據(jù)采集,掃描儀配置32通道心臟專用相控陣線圈及心電門控和呼吸門控,采用黑血雙反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列獲得T1加權(quán)和T2加權(quán)圖像,屏氣黑血三反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列獲得FST1 加權(quán)和FST2加權(quán)圖像。

掃描參數(shù):層厚8.00 mm,矩陣256×160,帶寬±100 MHz,視野35 cm×35 cm,回波長度10 ms。T1加權(quán)圖像:TR 857 ms,TE 8.0 ms;T2 加權(quán)圖像:TR 984 ms,TE 82.9 ms;FST1加權(quán)圖像:TR 909 ms,TE 8.0 ms;FST2加權(quán)圖像:TR 1017 ms,TE 82.9 ms。我們將增益設(shè)置為0進行了圖像采集,所得圖像中心信號消失,圖像無法診斷,如圖1所示,因此本研究未將TG=0 設(shè)置為對照。本研究將增益值設(shè)置為150、160、170、180、190,所有序列在不同增益脈沖下進行圖像采集。

圖1 增益(TG=0)的黑血三反轉(zhuǎn)心臟短軸圖像,圖像中心信號消失,圖像無法診斷Fig.1 The short-axis image of black blood three-inversion heart with gain (TG=0).The signal in the center of the image disappeared,and the image could not be diagnosed.

1.3 圖像分析

掃描獲得的圖像導(dǎo)入GE ADW4.6工作站進行分析。圖像質(zhì)量由兩名經(jīng)驗豐富的影像科醫(yī)師根據(jù)雙盲法原則采用四分法分別進行評分。國際心臟磁共振影像質(zhì)量評價標準:1分表示圖像偽影嚴重,無法清晰顯示組織結(jié)構(gòu)及信號;2 分表示圖像偽影中等,組織結(jié)構(gòu)及信號中度偽影;3分表示圖像輕微偽影,組織結(jié)構(gòu)及信號較清晰;4分表示圖像無偽影,組織結(jié)構(gòu)及信號顯示清晰[4-5]。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

本研究的統(tǒng)計均基于SPSS完成,計量資料以均數(shù)±標準差表示。對不同增益脈沖下掃描的圖像,分別計算所有志愿者圖像的平均分,利用方差分析比較不同組圖像的質(zhì)量。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 研究對象的基本情況

共入組11例完成心臟磁共振檢查的志愿者,其中男性志愿者6例,女性志愿者5例。根據(jù)BMI分組,正常組包括6例志愿者,超重組包括5例志愿者。兩組間體質(zhì)量和BMI存在統(tǒng)計學(xué)差異,其他均無統(tǒng)計學(xué)差異(表1)。

表1 研究人群的一般資料Tab.1 General information of the study population

2.2 BMI正常組的圖像分析

圖2顯示了正常組的心臟磁共振圖像,通過對不同增益值的圖像進行分析發(fā)現(xiàn),改善增益可有效消除圖像中存在的明顯的信號丟失暗帶。

圖2 正常組不同增益脈沖的圖像比較Fig.2 Image comparison of normal group recombination with different gain pulses

對于屏氣黑血三重反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(FST1加權(quán)圖像和FST2加權(quán)圖像),增益的過量增加導(dǎo)致脂肪抑制和黑血效果的惡化。對FST1加權(quán)圖像,增益值為150、160、170、180 和190 的圖像質(zhì)量評分分別為(3.333 3±0.651 3)、(3.916 7±0.288 7)、(3.666 7±0.492 4)、(3.166 7±0.717 7)和(2.333 3±0.984 7)。最佳增益為160,與增益為150、180和190組比較均具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.009 6、0.002 8、0.000 1),與增益為170組比較不具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.081 9)。

對FST2加權(quán)圖像,增益值為150、160、170、180和190的圖像質(zhì)量評分分別為(3.083 3±0.793 0)、(3.333 3±0.798 5)、(3.250 0±0.866 0)、(2.666 7±0.985 7)和(2.000 0±0.852 8)。最佳增益為160,與增益為180和190 組比較均具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.038 8、0.003 2),與增益為150和170組比較不具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.444 1、0.806 5、0.079 3)。

對于屏氣黑血雙反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列T1加權(quán)圖像,增益值為150、160、170、180和190的圖像質(zhì)量評分分別為(3.333 3±0.492 4)、(3.666 7±0.492 4)、(3.833 3±0.389 2)、(3.333 3±0.492 4)和(2.333 3±0.984 7)。最佳增益值為170,與增益為150、180和190組比較均具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.011 4、0.011 4、0.000 1),與增益為160 組比較不具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.367 3)。

對于屏氣黑血雙反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列T2加權(quán)圖像,增益值為150、160、170、180和190的圖像質(zhì)量評分分別為(3.000 0±1.044 4)、(3.500 0±0.797 7)、(3.416 7±0.668 6)、(3.166 7±0.717 7)和(2.250 0±0.753 8)。最佳增益值為170,與增益為190組比較具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.000 7),與增益為150、160和180組比較不具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.201 1、0.784 1、0.293 6)。圖3所示為正常組不同增益的圖像質(zhì)量評分箱形圖。

圖3 正常組不同增益脈沖的圖像質(zhì)量評分箱形圖Fig.3 Box plots for scoring image quality of different gain pulses in the normal group

2.3 BMI超重組的圖像分析

對于超重組志愿者(BMI≥24 kg/m2),增益值的增加不能提升圖像質(zhì)量,反而導(dǎo)致所有圖像的質(zhì)量下降,特別是在脂肪抑制和黑血效應(yīng)及心肌信號均勻性方面(圖4)。

圖4 超重組不同增益脈沖的圖像比較Fig.4 Image comparison of super-recombined pulses with different gains

對屏氣黑血三重反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列FST1加權(quán)圖像,增益值為150、160、170、180和190的圖像質(zhì)量評分分別為(3.200 0±0.421 6)、(3.800 0±0.421 7)、(3.700 0±0.483 1)、(3.100 0±0.567 6)和(2.100 0±0.737 9)。最佳的增益為160,與增益為150、180和190組比較均具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.005 2、0.005 8、0.000 1),與增益為170 組比較不具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.627 8)。

對屏氣黑血三重反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列FST2加權(quán)圖像,增益值為150、160、170、180和190的圖像質(zhì)量評分分別為(3.400 0±0.516 4)、(3.800 0±0.421 7)、(3.600 0±0.516 4)、(2.700 0±0.948 7)和(1.700 0±0.675 0)。最佳的增益為160,與增益為180和190組比較均具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.003 6、0.000 1),與增益為150和170 組比較不具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.073 9、0.355 3)。

對于屏氣黑血雙反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列T1加權(quán)圖像,增益值為150、160、170、180和190的圖像質(zhì)量評分分別為(3.000 0±0.471 4)、(3.600 0±0.516 4)、(3.900 0±0.316 2)、(3.600 0±0.516 4)和(2.300 0±0.675 0)。最佳增益值為170,與增益為150和190組比較均具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.000 1、0.000 1),與增益為160和180組比較不具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.134 6、0.134 6)。

對于屏氣黑血雙反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列T2加權(quán)圖像,增益值為150、160、170、180和190的圖像質(zhì)量評分分別為(3.300 0±0.483 0)、(3.700 0±0.483 0)、(3.800 0±0.421 6)、(3.300 0±0.483 0)和(2.200 0±0.788 8)。最佳增益值為170,與增益為180和190組比較均具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.023 9、0.000 1),與增益為150和160 組圖像比較不具有統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.023 9、0.627 8)。圖5所示為超重組不同增益的圖像質(zhì)量評分箱形圖。兩位影像科醫(yī)師評價了所有序列在不同增益脈沖下的圖像質(zhì)量。對兩名影像診斷醫(yī)師的主觀評分進行一致性檢驗的結(jié)果顯示,兩位醫(yī)師的的一致性良好(kappa均大于0.60)。

圖5 超重組不同增益的圖像打分箱形圖Fig.5 Super-recombination of image scoring box plots with different gains

3 討 論

本研究表明,調(diào)節(jié)射頻增益值可以在一定程度上改善心肌的信號均勻性。在正常組和超重組,對黑血三重反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(包括FST1 加權(quán)圖像和FST2加權(quán)圖像)的最佳增益為160;對黑血雙反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(包括T1加權(quán)圖像和T2加權(quán)圖像)的最佳增益為170。

在磁共振成像系統(tǒng)中,磁場的不均勻性主要來自兩個方面。一個是由射頻線圈與人體之間存在相互電磁產(chǎn),射頻線圈產(chǎn)生的射頻電磁場與人體相互作用,產(chǎn)生的抗電共振現(xiàn)象以及射頻電磁場振幅相長和相消的復(fù)雜干涉機制,會造成人體內(nèi)部磁場的分布不均勻[3,6];另一個是由于射頻線圈纏繞的物理限制以及無法做到精準的電磁控制導(dǎo)致[3]。在人體心臟磁共振成像中,由于心臟的運動,血液邊界和線圈敏感性問題使不均勻性放大,從而導(dǎo)致信號丟失,對診斷造成不利的影響[7-8]。

王文生等[3]將調(diào)整射頻發(fā)射增益用于3.0T 磁共振乳腺動態(tài)增強成像中,在實際工作中,進行乳腺掃描時經(jīng)常會出現(xiàn)左右兩側(cè)腺體嚴重的圖像不均勻,這種圖像不均勻會嚴重影響診斷;他們通過調(diào)整TG改善這種不均勻,并且對胸壁和腺體信號強度進行測量,發(fā)現(xiàn)可以手動調(diào)整TG 值可以極大改善圖像均勻度而且對于一般體質(zhì)量的患者TG 調(diào)節(jié)至120左右即可。每個序列在預(yù)掃描時會根據(jù)患者體重匹配適合的SAR值,同時找到一個能產(chǎn)生最大信號強度的射頻增益。大部分情況下,系統(tǒng)自己計算的射頻增益能夠滿足信噪比、圖像均勻度、SAR 值等成像要素間的相互平衡,但是3T 上無法做到精準的電磁控制,導(dǎo)致射頻場一定程度的不均勻,并且單射頻系統(tǒng)對射頻場不均勻會有放大效應(yīng),使得系統(tǒng)計算的TG 值不是非常準確,造成圖像信號不均勻。我們對正常組和超重組進行不同增益脈沖(150、160、170、180和190)下的黑血雙反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列和屏氣黑血三反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列掃描,發(fā)現(xiàn)對于黑血三重反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列TG 調(diào)整為160即可,對黑血雙反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列TG 調(diào)整為170即可。綜上,調(diào)節(jié)增益的使用可大大改善均勻性,而不會出現(xiàn)信號丟失,并改善心臟磁共振信號的均勻性,對臨床診斷具有很大幫助。

本研究的局限性:①入組的志愿者數(shù)量偏少,在統(tǒng)計上可能會由于數(shù)據(jù)量過小而帶來統(tǒng)計偏差。但我們以往的研究發(fā)現(xiàn),通過對TG 值進行調(diào)整可以明顯改善乳腺圖像的均勻度;近期在心臟黑血MRI中的研究發(fā)現(xiàn),射頻增益技術(shù)可以有效改善心臟黑血圖像質(zhì)量,提高心肌信號的均一性。因此,調(diào)節(jié)增益值可以改善心肌信號均勻性,從而提高圖像的質(zhì)量[3,9]。②雖然本研究的圖像質(zhì)量評估由兩名影像科醫(yī)師分別獨立完成,但仍存在一定的主觀性。在未來的研究中,我們還會采用客觀的評價指標來評估圖像的質(zhì)量。③本研究僅評估了左心室短軸的心肌情況,沒有對其他層面進行分析。④序列的翻轉(zhuǎn)角、射頻、增益、患者體質(zhì)量、序列參數(shù)、通道設(shè)計等很多因素都會影響到實際的成像效果和圖像均勻度,在目前的研究中,我們還未能考慮這些影響因素。

綜上,本研究發(fā)現(xiàn),通過調(diào)整增益值可大大改善圖像的不均勻性,從而提高圖像的質(zhì)量,有利于圖像診斷,對實際臨床工作具有指導(dǎo)性的重要意義。