高場強頭顱柔性線圈的顱腦成像質量的應用價值研究

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

基金項目：2017年度上海中醫(yī)藥大學重大成果培育項目(ZDCG201701)；上海市科委“科技創(chuàng)新行動計劃”臨床醫(yī)學領域項目(18401970300)；2014年上海市高校實驗人才培養(yǎng)項目

磁共振線圈可分為硬質線圈和柔性線圈，目前臨床上使用的頭顱磁共振線圈均為硬質線圈，其在腦功能成像及兒童顱腦成像中有一定缺陷。評價一個射頻線圈的質量時，信噪比是重要的考量標準[1]，提高圖像信噪比可通過提升線圈的通道數(shù)目實現(xiàn)，通道數(shù)的多少與信噪比、掃描時間及掃描范圍等密切相關[2]。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計了頭顱12通道柔性線圈，并證明在場強1.5T的情況下，頭顱柔性12通道線圈與硬質16通道線圈的顱腦圖像質量相仿[5]。本研究通過在3.0T高場強條件下對頭顱柔性12通道線圈和硬質16通道線圈的圖像質量進行比較，旨在進一步驗證柔性線圈的臨床應用價值。

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標準[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，且第一次掃描結束到第二次掃描開始的時間<5 min，兩次掃描期間不調整或校準。圖像按磁共振設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，光滑和邊緣增強的濾波器)均關閉，充分清除圖像偽影。每個線圈組分別在橫軸面、冠狀面和矢狀面圖像上選取3個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16通道HC16線圈(圖2～3)，2個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于左側丘腦、額葉、頂葉和側腦室體部區(qū)域，在矢狀面3D T1WI上ROI分別放置于胼胝體前角、體部和后角及左側頂葉腦回，DWI上ROI 放置于左側丘腦、額葉和頂葉，測量各ROI的信號強度(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，以其標準差(standard deviation，SD)作為背景噪聲。每個區(qū)域ROI大小均為50 mm2(圖4)。計算各序列圖像的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)[5]：

(1)

圖像質量主觀評價方法：由兩位影像診斷醫(yī)師對2個線圈組中T2WI、T1WI和DWI的圖像質量分別進行主觀評價。采用5級評分：5級，圖像質量非常好，沒有或僅有微量偽影，可以進行準確診斷；4級，圖像質量好，有少量偽影，可進行準確診斷；3級，圖像質量中等，有信心獲得正確診斷；2級，圖像質量差，但尚可獲得診斷信息；1級，圖像質量極差，不能進行診斷。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)計學分析

對臨床測試所獲得的T2WI、3D-T1WI、DWI 圖像的信噪比和圖像質量主觀評分等正態(tài)分布的計量資料采用均值±標準差進行描述，采用配對t檢驗對AHC12和HC16兩個線圈組中各項測量結果的差異性進行比較。使用SPSS 21.0軟件進行統(tǒng)計分析。以P<0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

圖4 12通道柔性線圈臨床測試。a)橫軸面T2WI，ROI放置于左側丘腦、額葉和側腦室體部，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 果

1.物理測試

物理測試中2個線圈圖像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ROI 均具有最高的信噪比。兩個線圈組在3個掃描平面上圖像的均勻度見表2。兩個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線圈的各序列MRI掃描，兩個線圈組各序列圖像的信噪比及組間比較見表3～5。兩個線圈組之間T2WI、T1WI和DWI圖像上各部位信噪比的差異均具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，AHC12線圈3個序列圖像上各部位的信噪比均高于HC16線圈。

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

表3 臨床測試中兩個線圈T2WI各部位信噪比的比較

表4 兩個線圈T1WI各部位信噪比的比較

表5 兩個線圈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量受到多種因素的影響，包括磁體磁場強度、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，對成像質量起著至關重要的作用。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，成像質量越好[8]。本研究結果顯示，在物理測試時頭顱柔性12通道線圈進行矢狀面成像時，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16通道線圈。

圖5 臨床測試中兩個線圈成像質量的對比，AHC12線圈圖像上能更多地顯示細微血管，腦部解剖結構顯示更清晰(箭)。a)頭顱柔性12通道線圈T2W圖像；b)頭顱硬質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16通道線圈DWI圖像。

本研究中采用高場強3.0T與頭顱柔性線圈相結合來提升頭顱常規(guī)成像的圖像質量。通過線圈來提高圖像質量的方法主要有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，可調節(jié)內(nèi)徑從而個性化適應受檢者頭顱大小，可以緊密包繞頭顱，克服傳統(tǒng)硬質線圈與頭顱間距離大的弊端[11]。頭顱硬質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，頭顱硬質線圈比柔性線圈空間大了22%左右。李俊鵬等[12]研究認為頭頸聯(lián)合線圈由于空間大，新生兒在顱腦成像時更易產(chǎn)生偽影。在覆蓋范圍固定的前提下，當線圈變小時，接收到的電壓信號變小，此時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以縮短成像時間，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，不使用并行采集技術以獲得最佳的圖像質量，同時使圖像SNR的比較更加真實可靠。當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，均勻度會有降低。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常快，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，多個小的互相重疊的線圈可重疊覆蓋一定的容積，當多個線圈的信號疊加時，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16通道線圈，充分體現(xiàn)了頭顱柔性線圈成像目標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16 通道線圈。目前線圈均勻度的指標中，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：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行仔細觀察，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。提高掃描圖像的質量，同時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中出現(xiàn)移動，可以用耳塞塞住其雙耳，并在其雙側顳部加軟墊固定。

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