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在高磁場(chǎng)中的磁共振成像
摘要：近年來(lái)，更多研究員致力于較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度(3-4 T)的臨床設(shè)定和研究。較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度是由于它更高的信號(hào)強(qiáng)度，預(yù)計(jì)提供更高的空間分辨率或減少總的掃瞄時(shí)間。雖然除磁共振信號(hào)強(qiáng)度外，磁場(chǎng)還有諸多因素，但是相同的成像參數(shù)在低磁場(chǎng)強(qiáng)度下可在信號(hào)方面呈現(xiàn)出不同，或在3T或更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度下從信噪比上形成對(duì)比。因此，這些因素在不同的磁場(chǎng)里聯(lián)合作用的結(jié)果估計(jì)在效用方面會(huì)有不同。這篇文章闡述了磁共振成像在更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度下實(shí)際的科學(xué)應(yīng)用。首先，討論了在以前的文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)中證明過(guò)的幾個(gè)導(dǎo)致一些實(shí)際應(yīng)用中的磁共振成像的變化，例如阻尼時(shí)間，造影劑的影響，射頻線圈的設(shè)計(jì)，維持一個(gè)安全值和磁場(chǎng)強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換。第二，討論了當(dāng)電磁場(chǎng)（≤1.5T）從3T轉(zhuǎn)換到4T時(shí)，如何才能獲得強(qiáng)磁場(chǎng)的最大效益。此外，還討論了磁共振顯微鏡，它是高磁場(chǎng)強(qiáng)度的一個(gè)超前應(yīng)用，用來(lái)對(duì)獲得效益和其他因素進(jìn)行定量估計(jì)以幫助確定一個(gè)實(shí)際可行的成像方法。
1.引言
由于現(xiàn)今技術(shù)的發(fā)展，在較高磁場(chǎng)強(qiáng)度下的全身磁共振掃描器 (≥3 T)已被應(yīng)用在了臨床設(shè)定和研究中。起初，安裝在較高的磁場(chǎng)的一個(gè)主要原因是大腦的函數(shù)磁共振成像依賴于血氧水平的高度敏感度。近來(lái)，更多研究員正致力于較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度的常規(guī)臨床設(shè)定和研究。由于更高的信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)較高磁場(chǎng)下的核磁共振成像的期望是提高信號(hào)干擾比，它最重要的好處是縮短成像的時(shí)間和實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率。問(wèn)題是當(dāng)電磁場(chǎng)（≤1.5T）從3T轉(zhuǎn)換到4T時(shí)，如何提高實(shí)際的效益。一些研究報(bào)告并討論了在較高磁場(chǎng)下核磁共振成像的好處。例如不同腦組織損傷或心臟結(jié)構(gòu)的成像。Dougherty等人發(fā)表了在電磁場(chǎng)4T下前心肌層信號(hào)噪聲比是在1.5T下的2.9倍。Bernstein等人展示了在電磁場(chǎng)為3T下的強(qiáng)反差圖像，得出當(dāng)電磁場(chǎng)為3T時(shí)較高的空間分辨率可提高判斷準(zhǔn)確性的結(jié)論。加之，如果較高的磁場(chǎng)可形成更好的質(zhì)量的圖像，那么對(duì)減少造影劑總注入量的設(shè)想就變的可行。例如，血管的核磁共振造影需要覆蓋動(dòng)脈周?chē)蚍蔚暮艽髤^(qū)域。盡管這樣的推斷很難證明較高磁場(chǎng)對(duì)除信號(hào)噪聲比以外的其他圖像的影響。
利用許多理論和實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)證明磁場(chǎng)依存性。除了信號(hào)噪聲比以外，磁場(chǎng)依存性在阻尼時(shí)間理論及磁共振造影劑效果中都有明確詳述。決定信號(hào)噪聲比的有成像參數(shù)，射頻線圈的敏感度和器械調(diào)整，如磁場(chǎng)均勻度，激勵(lì)脈沖或再聚焦脈沖設(shè)置的準(zhǔn)確性等等。這些理論和實(shí)際操作證實(shí)的試驗(yàn)表明成像因素在不同的成像領(lǐng)域里是不同的。與阻尼時(shí)間和磁共振造影劑效果不同，在較高磁場(chǎng)下信號(hào)強(qiáng)度的效果需要在幾乎相同的試驗(yàn)環(huán)境比較。所以，對(duì)信號(hào)噪聲比和對(duì)比噪聲比來(lái)說(shuō)在較高或較低（≤1.5T）磁場(chǎng)下，對(duì)他們實(shí)際差別的定量是非常必要的。盡管在理論價(jià)值上，對(duì)信號(hào)噪聲比和對(duì)比噪聲比的直接比較的研究是相當(dāng)稀少的。因此，在信號(hào)噪聲比中獲得多少效益或者我們?nèi)绾伟岩话愦艌?chǎng)強(qiáng)度（通常≤1.5T）轉(zhuǎn)換到較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)此我們依然不明確。在這篇文章里，我們涉及到磁場(chǎng)的相關(guān)變化，例如，磁共振信號(hào)的圖像，阻尼時(shí)間，造影劑的影響， 射頻線圈的設(shè)計(jì)和安全性。接著，我們將用科學(xué)和技術(shù)設(shè)計(jì)出在較高磁場(chǎng)環(huán)境下，相對(duì)人類(lèi)安全的實(shí)驗(yàn)量化磁共振成像，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。此外就是磁共振顯微鏡的可行性，它將在更高的領(lǐng)域進(jìn)行前瞻性討論。
2.信噪比和載噪比
在過(guò)去十年，針對(duì)哪一個(gè)是最適合作為磁場(chǎng)強(qiáng)度的問(wèn)題一直進(jìn)行著強(qiáng)烈的爭(zhēng)論。對(duì)較高磁場(chǎng)強(qiáng)度領(lǐng)域的興趣源自于信號(hào)噪聲比隨著場(chǎng)強(qiáng)的增強(qiáng)而增大，并且信號(hào)強(qiáng)度和噪音有著不同的磁場(chǎng)依賴性。
信號(hào)強(qiáng)度 ∝ 旋轉(zhuǎn)數(shù)×每次旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)電壓。
如Eq (1)所顯示，理論上，從核共振實(shí)驗(yàn)中得到的信號(hào)強(qiáng)度是應(yīng)遵循在靜態(tài)磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)數(shù)的兩倍這樣比例的，每次旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)電壓隨場(chǎng)強(qiáng)的增強(qiáng)而成線性增加。噪聲在靜態(tài)磁場(chǎng)中是成比例的，當(dāng)所有的噪聲來(lái)源于一個(gè)樣本，將導(dǎo)致信號(hào)噪聲比在靜態(tài)磁場(chǎng)中也是成比例的。另一方面，當(dāng)所有的噪音來(lái)自射頻線圈，噪音與ω1/4成正比，從而導(dǎo)致信噪比與ω7/4成正比。因此，信噪比在4T時(shí)將比在1.5T時(shí)增加超過(guò)2.7倍。如果這是真的，既然信噪比是一些圖像的平均值的平方根，那么要獲得同樣的信噪比所需要的時(shí)間就減少一個(gè)因素8。為了證實(shí)這個(gè)理論，我們?cè)谶@兩個(gè)領(lǐng)域作為一個(gè)課題對(duì)大腦進(jìn)行了成像。為了使我們盡可能直接的在同臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備相同實(shí)驗(yàn)課題中用磁共振掃描儀（美國(guó)威斯康星州密爾沃基通用電氣系統(tǒng)Signa TM）與配套頭部線圈都進(jìn)行了4T和1.5T的磁場(chǎng)強(qiáng)度比較 圖1顯示的是T1加權(quán)圖像（上）和T2加權(quán)圖像（下）中獲得同樣水平的大腦的同一主題。每幅圖片分別獲得與傳統(tǒng)自旋回波序列與同一成像參數(shù)為1.5和4T。這些圖像表明即使以相同的成像參數(shù)獲得的圖像，各組織之間也會(huì)形成鮮明的對(duì)比。在定量SI測(cè)量中，我們發(fā)現(xiàn)4T時(shí)SI增加了白質(zhì)和灰質(zhì)的問(wèn)題（圖1）.此外不同的成像參數(shù)下這些增強(qiáng)的比例也是不同的。4T時(shí)提供了與1.5T使用相同參數(shù)的一個(gè)不同的組織，這可能不符合理論值。
3.松弛時(shí)間
正如上文所討論，生物組織的信噪比被認(rèn)定為近似一定比例的電場(chǎng)強(qiáng)度。然而，因?yàn)樯鲜隼碚摷僭O(shè)除磁場(chǎng)以外所有參數(shù)都是一致的,可能實(shí)現(xiàn)的信噪比增益也許會(huì)少一點(diǎn)。產(chǎn)生差異的一個(gè)原因是增加磁場(chǎng)強(qiáng)度的同時(shí)增加了在T1的松弛時(shí)間。SI是松弛時(shí)間的一個(gè)功能，反過(guò)來(lái)說(shuō)，也就是磁場(chǎng)的附件[ 3 ] 。從理論上講， T1值增大了大多數(shù)生物組織的磁場(chǎng)依賴性，該組織的組織水的相關(guān)時(shí)間（τc）是大約為10-8秒[ 13 ] ，反之,T2值并沒(méi)有改變（圖 2 ） 。類(lèi)似于人體上的松弛時(shí)間已出版了文學(xué)作品。 Jezzard等人和 Duewell等人提出了一個(gè)關(guān)于人體科學(xué)的在大腦和一些周邊組織在1.5和4T磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)的類(lèi)似的T1和T2松弛時(shí)間 [ 9,10 ] （表 1 ） 。在任何組織中， T1松弛時(shí)間在高磁場(chǎng)有所延長(zhǎng)，而T2松弛時(shí)間有些縮短。這些結(jié)果和以前的報(bào)告是一致的（圖2 ）。為了證實(shí)這一現(xiàn)象，我們用相同的人身模型在4T和1.5T時(shí)對(duì)同一帶有磁頭線圈的全身磁共振掃描儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[ 14 ] 。每個(gè)人體模型包括不同濃度的Gd復(fù)雜水溶液代表不同的松弛時(shí)間的組織。在這項(xiàng)研究中，列車(chē)的自旋回波圖像與不同的紅素或測(cè)試獲得了相同的上面描述的商業(yè)臨床用的帶有磁頭線圈掃描器。所有模型的松弛時(shí)間（T1 ，T2）在1.5T和4 T時(shí)都從擬合曲線上確定了。這次驗(yàn)證研究結(jié)果表明，任何表T1松弛時(shí)間， 在4T比在 1.5T要長(zhǎng)（ 1.10 -1.47倍），而T2在兩個(gè)場(chǎng)強(qiáng)中是相同的或略有縮短（表2 ） 。
此外，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)增強(qiáng)磁共振血管造影序列（三維擾相梯度回顧收購(gòu)或梯度回波同）相同的成像參數(shù)序列是用來(lái)確認(rèn)SI的變化。甚至，預(yù)計(jì)在臨床推廣使用的Gd濃度范圍中，在4T時(shí)最高的信噪比與在1.5T時(shí)相比增加至少1.59倍。此外，這些信噪比和載噪比的增強(qiáng)功能是一個(gè)我們使用的翻轉(zhuǎn)角功能。這些成果的基礎(chǔ)上，在載噪比中采用高磁場(chǎng)與信噪比中有相同的利益,甚至在每個(gè)磁場(chǎng)中沒(méi)有最好的成像參數(shù)也是如此。
表1 在人體組織中對(duì)T1和T2的馳豫時(shí)間比較情況 [9,10]
組織 T1(ms) T2(ms)
______________________ ______________ ____
1.5T 4T 1.5T 4T
大腦a
灰質(zhì) 0.9-1.3* 1.72 77-90 63
白質(zhì) 0.7-1.1* 1.04 62-80 50
肌肉b 0.98 1.83 31 26
脂肪b 0.31 0.39 47 38
骨髓b 0.29 0.42 47 42
表2 室溫條件下在摻雜水溶液的時(shí)候?qū)1和T2馳豫時(shí)間的比較并修改編號(hào)[14]
Gd 濃度 (mmol/l) T1(ms) T2(ms)
_____________________ _____________________
1.5T 4T 1.5T 4T
0 2556 3636 1643 1504
0.125 1067 1566 911 862
0.5 419 562 384 351
1.25 191 253 160 160
2.5 123 142 84 83
5 67 81 43 42
在室溫狀況下梯度回波序列的SI，即松弛時(shí)間和最佳翻轉(zhuǎn)角（a0：恩斯特角）之間的關(guān)系 ，可表示如下：
（ 2 ）
和 （ 3 ）
其中，β是比例因子,α是翻轉(zhuǎn)角。 SI在個(gè)別組織任何成像序列條件下取決于其弛豫時(shí)間（ T1和T2* ）。這意味著，由于松弛時(shí)間在不同的磁場(chǎng)中交替，同一套成像參數(shù)將無(wú)法獲得同樣的（磁場(chǎng)）強(qiáng)度。由于T1值在高磁場(chǎng)比在低磁場(chǎng)要長(zhǎng)，所以在一架TR ，大概翻轉(zhuǎn)角也是如此，應(yīng)不再（較小的翻轉(zhuǎn)角）以在較高磁場(chǎng)優(yōu)化相同樣本的信噪比。使用更長(zhǎng)的一架TR ，在較高的場(chǎng)強(qiáng)中SI的優(yōu)勢(shì)將是少于在單位時(shí)間。換句話說(shuō)，因?yàn)樵诟叽艌?chǎng)強(qiáng)度中通過(guò)長(zhǎng)的T1松弛時(shí)間來(lái)加強(qiáng)的主要限制是通過(guò)一架TR來(lái)反映 ，所以單位時(shí)間內(nèi)的信噪比和恩斯特角度脈沖以及最短可實(shí)現(xiàn)價(jià)值TR/T1一起被優(yōu)化 。優(yōu)化成像參數(shù)的必要性是在以前的工作中被提出的。Keiper等人[15]比較有用的診斷腦白質(zhì)異常多硬化患者下列優(yōu)化成像參數(shù)1.5至4T他們的研究結(jié)果表明磁共振成像在4特的強(qiáng)度（ 512 * 256矩陣）中可描繪在1.5 T（ 256 * 192矩陣）中無(wú)法檢測(cè)到的小病變，這意味著在4T強(qiáng)度中更高的分辨率可以在同一患者用幾乎相同的總掃描時(shí)間提供更高的診斷準(zhǔn)確性。
由于T2時(shí)刻值與T2*的值從理論上講在每一個(gè)磁場(chǎng)都是相同的，并且在不同條件下的一些組織中T2*的值比T2時(shí)刻值少的很多，因而我們用T2*值取代了T2時(shí)刻的值進(jìn)行研究。而大量磁化系數(shù)如下式所示與磁場(chǎng)成正比的關(guān)系：
（ 4 ）其中，Δχ是磁化率不同的毗鄰物質(zhì)，B0（=ω）是靜磁場(chǎng)，R是截面半徑，GZ是讀出的梯度。然而，T2*效應(yīng)取決于T2在組織1/T2*中與T2’的函數(shù)關(guān)系（R2*=R2+R2’）較短的T2時(shí)刻和T2*時(shí)刻，值在較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度下會(huì)給信噪比和載噪比造成較大的跌幅，預(yù)計(jì)也會(huì)出現(xiàn)在一些組織中，如肺癌。以前我們發(fā)現(xiàn)隨著相對(duì)造影劑劑量從0.05—0.2mmol/kg體重的增加，載噪比會(huì)增加中央肺動(dòng)脈，但是周?chē)蝿?dòng)脈并沒(méi)有增加。因此臨床應(yīng)用應(yīng)認(rèn)真考慮最佳的成像參數(shù)，特別是當(dāng)一個(gè)不可取T2*效應(yīng)可能參與的時(shí)候，更應(yīng)該考慮最佳的成像參數(shù)。