頭顱柔性線圈在功能性磁共振成像中的應用*

詹松華，譚文莉，馬文，張成，陳義磊，康英杰，李一婧，沈衛東

（上海中醫藥大學附屬曙光醫院 1.放射科；2.針灸科，上海 201203）

射頻線圈在磁共振成像過程中起著發射射頻脈沖、接收信號的作用，是磁共振系統中的重要組成部分。目前頭顱磁共振成像均采用硬質線圈，為保證絕大多數檢查者適用的原則，頭顱線圈的內徑必須大于絕大多數檢查者的頭顱，這就使得成像目標與線圈間存在一定的距離。本課題組前期研發了可以調節線圈內徑的頭顱柔性線圈，降低頭顱與線圈間的距離，以充分提高圖像的信噪比[1-2]。本研究意在檢驗頭顱14通道柔性線圈在血氧水平依賴功能磁共振成像（blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging,BOLD fMRI）中的價值。

1 資料與方法

1.1 志愿者入組及排除條件

招募11例上海中醫藥大學學生作為正常健康志愿者，簽署知情同意書。入組標準：①右利手；②年齡20～40歲；③性別：男女不限；④既往1 個月內未接受藥物及針灸治療。

1.2 磁共振檢查

采用聯影1.5T uMR560磁共振進行成像，頭顱線圈分別采用①硬質24通道線圈（24-channel array hard head coil, HC24）；②柔性14通道磁共振線圈（14-channel flexible head coil, AHC14）；③硬質16通道線圈（16-channel hard normal head coil, HNC16），成像序列包括定位相、矢狀位3D T1WI、BOLD fMRI，每個線圈成像序列、序列參數保持完全一致。

矢狀位3D T1WI成像參數如下：gre_fsp序列；TR=10.5 ms；TE=4.4 ms；TI=1 120；BW=150 Hz；FA=15； 層 厚 =1 mm；FOV=220 mm×256 mm；Matrix=330×256；以大腦鐮為中心層面。橫斷位BOLD fMRI成像參數如下：epi序列；TR=3 000 ms；TE=30 ms；BW=2 250 Hz；FA=90； 層 厚/層 間 距=3.5 mm/0 mm；FOV=225 mm×225 mm；Matrix=64×64，共 100 個動態。

足三里刺激模式：進行BOLD fMRI掃描前由針灸科醫生進行左側足三里穴位的進針，觀察受試者狀態，確認受試者存在“得氣”的感覺，并連接電針刺激儀。BOLD fMRI刺激方式采用組塊設計，即“基線-任務刺激”模式，前10個動態的數據受試者處于靜息狀態，為排除磁共振信號偏移予以剔除，第 11～25、41～55、71～85動態為靜息狀態，第 26～40、56～70、86～100動態為刺激狀態。電針刺激采用改進的華佗牌低頻脈沖治療儀（G6805-2），連續波，頻率2 Hz，電流128 μA～16.3 mA，電壓 67 mV～8.5 V，以志愿者能忍受為限度。受試者在3個線圈中的足三里刺激強度相同。

1.3 圖像質量評價方法

圖像信噪比的測量：根據公式圖像信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）=平均測量興趣區信號強度（signal of measurement region of interest,SMROI）/同層背景噪聲的標準差（standard deviation, SD）計算信噪比。矢狀位T1WI圖像ROI置于胼胝體壓部，橫斷位BOLD fMRI圖像ROI置于左側丘腦，同層背景噪聲ROI均置于左下角空白區域。取圖像ROI內平均信號強度作為該受試者的SMROI。

圖像質量主觀評價方法：兩位影像診斷醫師通過盲法對3個線圈所獲得的3D矢狀位T1WI的圖像質量進行評價。圖像質量分為5級：5級，圖像質量非常好，沒有或僅有微量偽影，可以精確區分灰白質；4級，圖像質量好，有少量偽影，可以區分灰白質；3級，圖像質量中等，有信心區分灰白質；2級，圖像質量差，部分區域無法區分灰白質；1級，圖像質量極差不能區分灰白質。取兩位影像診斷醫師評分的均值作為該序列圖像的評 分。

1.4 BOLD fMRI圖像后處理

所有BOLD fMRI數據采用SPM12（statistical parametric mapping, SPM）進行后處理。數據處理步驟包括：①時間層校正；②矯正頭動；③空間標準化；④空間平滑：半高全寬窗（full width at half maxima, FWHM）為8 mm，對空間標準化后的圖像進行空域濾波。

1.5 統計學方法

將獲得的圖像信噪比及主觀評分數據采用SPSS 13軟件包進行分析。圖像信噪比進行正態分布及方差齊性檢驗，如符合正態分布將進行ONEWAY ANOVA分析，組間分析采用最小顯著性差異法（least significant difference, LSD）。矢狀位3D T1WI圖像質量主觀評分進行非參數分析中的Kruskal-Wallis H檢驗。P ＜0.05為差異具有統計學意義。SPM后處理中AHC14線圈圖像采用單樣本t檢驗進行組內分析，AHC14線圈、HC24線圈、HNC16線圈間激活區的差異采用配對t檢驗進行兩兩比較。P ＜0.01、cluster size =10為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 圖像信噪比

矢狀位3D T1WI圖像、橫斷位BOLD fMRI的信噪比在3個線圈間差異具有統計學意義（P ＜0.05）。見表1。AHC14、HC24線圈的信噪比高于HC16線圈，AHC14線圈的3D T1WI、BOLD fMRI圖像信噪比分別較HNC16線圈提升 20.69%、39.69%。3D T1WI、BOLD fMRI圖 像中，AHC14、HC24線圈信噪比差異無統計學意義（P ＞0.05）。

2.2 圖像主觀評分結果

盡管HC24線圈的矢狀位3D T1WI圖像主觀評分略高于AHC14、HNC16線圈，但3個線圈評分差異不具有統計學意義（P ＞0.05）。見表1。

表1 AHC14、HC24、HNC16線圈臨床測試的信噪比及主觀評價結果 （±s）

表1 AHC14、HC24、HNC16線圈臨床測試的信噪比及主觀評價結果 （±s）

注：1）與AHC14線圈比較，P ＜0.05；2）與HC24線圈比較，P ＜0.05；3）與 HNC16 線圈比較，P ＜0.05。

線圈 3D T1WI信噪比 BOLD信噪比 3D T1WI主觀評分/分AHC14 155.95±15.873） 260.80±31.473） 4.75±0.26 HC24 166.85±15.143） 293.08±54.653） 4.90±0.21 HNC16 129.22±16.481）2） 190.42±29.241）2） 4.75±0.24 F值/Chi-Square值 14.94 17.11 4.92 P值 0.000 0.000 0.085

2.3 BOLD fMRI

11例受試者中，有4例由于頭動因素予以排除，7例受試者平均年齡為26歲，男女比例為4︰3。AHC14線圈針刺足三里時任務態BOLD fMRI激活區域見表2。正激活的區域主要位于針刺下肢的對側，負激活的區域主要位于針刺下肢的同側（見圖1）。AHC14線圈與HC24線圈獲得的BOLD fMRI圖像進行配對t檢驗顯示，腦功能活動增加的區域主要位于右側顳中下回及額下回，腦功能活動減低的區域位于左側額中回及海馬旁回（見表2、圖2）。AHC14線圈與HNC16線圈獲得的BOLD fMRI圖像進行配對t檢驗顯示，腦功能活動增加的區域位于右側顳中回及額下回，腦功能活動減低的區域位于右側顳下回及額中回（見表3、圖3）。HC24線圈與HNC16線圈獲得的BOLD fMRI圖像進行配對t檢驗顯示，腦功能活動增加的區域位于右側額上回、兩側頂下小葉，腦功能活動減低的區域位于右側丘腦及額下回（見表3）。

表2 針刺足三里時采用AHC14線圈成像BOLD fMRI激活區域

表3 針刺足三里時采用3個線圈成像BOLD fMRI激活區域的差異

圖1 采用頭顱柔性14通道線圈采集針刺左側足三里任務態BOLD fMRI圖像的后處理結果

圖2 與頭顱硬質24通道線圈比較，頭顱柔性14通道線圈顯示的腦功能活動不同區域

圖3 與頭顱硬質16通道線圈比較，頭顱柔性14通道線圈顯示的腦功能活動不同區域

3 討論

任何一個射頻線圈，接收到的都是信號和噪聲，故評價一個射頻線圈的質量時，信噪比是重要的考量標準[3]。頭顱柔性14通道磁共振線圈通過降低成像目標與線圈間的距離[4]，使圖像的信噪比得以提升。傳統頭顱硬質線圈需要適合99%以上人群的頭顱內徑進行設計[5]，對于頭顱較小的受檢者而言，線圈與頭顱間距離增大。頭顱柔性線圈通過可調節內徑從而個性化適應受檢者頭顱大小。與傳統的頭顱硬質16通道線圈相比較，頭顱柔性14通道磁共振線圈在線圈通道數下降的情況下，可以提升20%以上的信噪比。而BOLD fMRI序列為獲得較高的空間分辨率，常犧牲圖像的信噪比。通過采用頭顱柔性14通道磁共振線圈進行BOLD fMRI，理論上更易于發現細小的腦功能活動改變區域，可以為臨床BOLD fMRI研究提供更可靠的試驗結果。

頭顱柔性14通道柔性線圈獲得的3D T1WI和BOLD fMRI圖像的信噪比，與24通道頭顱硬質線圈比較差異無統計學意義，兩者均與硬質16通道線圈差異存在統計學意義。說明14通道柔性線圈提升了圖像的信噪比，同時線圈所需要的通道數明顯降低，因此制造線圈的成本將更低。不過，3個線圈獲得的3D T1WI圖像主觀評分差異無統計學意義，這可能是由于主觀圖像質量的評價主要取決于肉眼對于圖像的分辨，而肉眼對于一定范圍內的信噪比變化并不敏感所致。本研究中并未對BOLD fMRI原始圖像進行主觀圖像質量評價，主要是由于BOLD fMRI成像的圖像信噪比低，而且其主要結果往往通過軟件后處理進行呈現，因此對原始圖像的主觀評價不具有臨床意義。

本研究中采用電針刺激足三里穴的任務態BOLD fMRI檢查來檢驗頭顱柔性14通道線圈在BOLD fMRI中的價值。這是因為足三里為外周穴位，刺激方法相對比較成熟，所獲得的結果可以與既往研究相比較。筆者的研究顯示電針刺激左側足三里穴主要的腦功能活動增加的區域為右側顳中回、額下回、額中回，腦功能活動減低的區域主要為左側額中回、海馬旁回。這與付平等[6]研究結果相似，其認為電針針刺右側足三里主要激活區域為對側的前額葉、顳葉。徐春生等[7]研究了11例手針刺激左側足三里的受試者，主要為右側額中回、額下回正激活，雙側海馬旁回負激活，與本研究結果相似。在采用相同刺激模式、相同受試者情況下，本研究進一步分析了不同頭顱磁共振線圈獲得的電針刺激足三里任務態BOLD fMRI的差異，發現采用AHC14線圈成像時出現顯示的腦功能活動增加的區域明顯多于HC24和HNC6線圈，而顯示的腦功能活動減低的區域也集中在采用AHC14線圈成像的單樣本t檢驗顯示的負激活區內。提示在進行任務態fMRI成像時，AHC14線圈可以更多地顯示存在細微改變的腦功能區。

不過針灸的針刺方式、BOLD fMRI設計模式及參數、后處理方法、受試者類型及數量等因素，也會影響腦內激活區的范圍和程度，從而出現不同的結果。HUI等[8]認為在針刺右側足三里“得氣”狀態下，腦內功能區主要表現為廣泛的抑制。張嶸等[9]手針刺激右側足三里穴，主要激活區為雙側顳中回、額中上回、同側島葉、枕上回以及對側中央前后回、島蓋、角回。武媛媛等[10]對不同性格的健康志愿者進行雙側足三里電針刺激的BOLD fMRI成像，認為“外向性”組激活腦區包括：右側額下回、額上回、小腦山頂、顳上回、雙側額中回、緣上回、中央后回、左側小腦山坡、中央前回及顳中回等，右側額內側回為負激活。徐春生等[11]2012年的研究認為，即使在同一批針刺左側足三里的受試者中進行隨機抽樣，獲得的各組的后處理結果也存在巨大的差異。孫曼等[12]的研究顯示采用不同的重復時間也會影響BOLD fMRI的結果。

綜上所述，頭顱柔性14通道線圈通過降低線圈與成像物體間的距離提升信噪比，可以獲得與24通道硬質線圈相仿的圖像質量，并可進行相關的BOLD fMRI磁共振檢查，獲得理想的成像效果。