体部3.0T磁共振成像

随着高场强磁共振的发展,在信噪比、对比噪声比、空间-时间分辨率以及光谱分辨率等方面都有了较大的改善和提高,但是从1.5T MR到3.0T MR的转换也不是一帆风顺的。相对于低场强下的体部成像而言,3.0T体部成像改变了弛豫时间,增加和产生新的伪影,化学位移的影响加强,能量沉积明显

正文

随着高场强磁共振的发展,在信噪比、对比噪声比、空间-时间分辨率以及光谱分辨率等方面都有了较大的改善和提高,但是从1.5T MR到3.0T MR的转换也不是一帆风顺的。相对于低场强下的体部成像而言,3.0T体部成像改变了弛豫时间,增加和产生新的伪影,化学位移的影响加强,能量沉积明显增加,所有这些在应用3.0T MR时是必须要考虑到的。3.0T MR的静磁场与射频磁场的多相性使得在线圈与硬件设计以及新序列的制订都必须有所变化。应用减少体部热量沉积的技术限定了特异性吸收率(SAR值),而且3.0T MR系统的安装与维护时要特别注意安全,以防伤害。这些都是3.0T MR在临床实践中面临的机遇与挑战。 
引言
磁共振信号通常情况下是由少量不成对的氢原子在静磁场方向上排列形成。排列的氢质子的数量也就是常规的MR信号与静磁场的强度呈正比关系,基于此原理使得人们不断追求高场强的磁共振系统。
最初的临床应用的磁共振场强小于0.6T。在1982年,出现1.5T的MR,并且作为高质量MRI的参考标准。直到1999年,首台3.0T的MR问世,但是在实际应用中,由于射频线圈和序列设计方面的缺陷,最开始的几年内仅仅用于颅脑成像的研究。相同的参数情况下,与1.5T MR相比,在信噪比、空间与时间分辨力、对比噪声比以及光谱分辨力方面都有明显的改进与提高。近些年来的研究都是针对于3.0T MR在体部的临床实际应用。
这种改进并非轻易实现。虽然从3.0T MR的一些应用中能得到总结,但是还有许多新的与不可预测的挑战。伴随高的信噪比的获得,磁场的不均一性也相应增加。3.0T下较高的共振频率将会导致对射频发射与接受的干扰增加,在图像上出现严重的信号强度畸变。另外,能量分布正比于静磁场场强的平方,3.0T下的脉冲序列必须符合FDA批准的SAR值限定之内,不过这种新的挑战可以通过新的更有效率的线圈和脉冲序列设计以及慎重选择扫描参数来加以解决。
其他的技术难题是高场强下组织弛豫时间的改变。3.0T下组织的长T1时间必然使得回复时间(TR)即采集时间延长。这种权衡直接消弱了3.0T采集速度加快的优势。另外3.0T高场强下化学位移伪影明显增加,T2*下降加剧了磁敏感影响。在1.5T MR中表现安全的植入物在3.0T高场强下未必安全。
尽管存在挑战,但3.0T MR在临床体部影像中的优势已被大家所认同。本文主要描述其优缺点,部分解决缺点的方法以及3.0T影像的未来进展。

优点
SNR是描述相对于背景噪声下的有用信号的数量的,据此产生MR图像。SNR与场强呈线性变化。在3.0T下,静磁场内排列的质子数是1.5T下的2倍,由此产生的信号强度也应该是2倍的关系,但是由于一些因素的影响,包括弛豫时间的变化、体部的总热量等,实际的SNR的增益率为1.5T的1.7-1.8倍。在特殊检查中,高SNR通过两种不同的方式获得:增加空间分辨力或者间接缩短采集时间。
在高场强下提高空间分辨力能够增加SNR,通过给定的FOV下增加矩阵直径也即更小的象素与层厚来实现。在横断面上较高的空间分辨力能提高病变的检出率。质量高的重组图像也有助于病变性质的反映。SNR的提高与缩短采集时间之间做一个权衡,缩短时间降低呼吸造成的运动伪影,增加患者流通量。
对比噪声比描述图像中不同物体影像的鉴别范围。在形态学的显示上MRI优于CT和超声。MRI对比剂作为外源性的,主要是影响组织本身的弛豫时间。在高场强下组织的T1,T2,T2*值有轻度变化,导致图像对比下降。不过,脉冲序列可以利用这些弛豫动力学的不同特点以减小3.0T下组织对比度的丧失。高场强下外源性对比剂如钆对比剂,作为顺磁性物质改变静磁场,缩短T1从而提高图像对比。在3.0T下T1值通常是延长的,即使是在顺磁性对比剂如钆参与的情况下。然而,由于钆的T1值比软组织的T1值短,相对于背景来说,钆增强的组织仍然比较明显。对比剂的使用提高了诊断敏感性,技术的进步也为减少钆剂剂量提供了机会。
在MRS中,较高的SNR能够提高敏感性与特异性。因为来自每一代谢产物的信号数量增加,代谢物的峰值易于从背景中区分出来。另外,在3.0T下两种不同的代谢物的频率范围也相对增宽,从而提高鉴别二者的能力。总之,SNR提高,采集特异数据的测量时间就缩短,在活体影像中有明显的优势,减少患者的运动影响。
缺点
在利用3.0T影像的优势之前,一定要先了解其缺点和不足。尽管这些限制性因素相互重叠和干扰,但是我们从以下几个角度来阐述,即物理与技术、序列优化、伪影与安全。
物理与技术
射频场强的不均匀性-此为3.0T MR在临床应用中最难以克服的挑战,特别是在腹部应用中。随着场强的增加共振频率增加,进而射频波长缩短。在水与人体组织中,缩短的射频波长近似于FOV的大小的情况下,导致图像中出现条形波纹,也就是所称的介电效应。来自条形射频波的结构性或者破坏性的干扰将使得图像中出现明亮相间的条纹。与波长相比,ROI越大,伪影越重。所以,条纹波形伪影最常出现在肥胖病人的腹部成像中,瘦弱的患者则相对较少发生。
与电流干扰相关的伪影在射频发送-接收传输过程中产生于高介导性的组织中,如腹水。在射频传输中快速变换的磁场产生环形电场,如果有导体存在,就会形成电流,此电流作用于电磁铁,与变化的磁场极性相反,减弱射频场的幅度,分散射频场的能量。介质的导电性越强,产生的反向电磁场强度越大,消弱射频场的程度就越强。最初的3.0T MR检查腹水患者时,由于腹部膨隆会出现条纹波形伪影,同时导电性强的腹水也会使腹部局部信号缺失。
改善线圈设计可以补偿一些影响。相位阵列线圈的SNR就优于传统的体线圈,前者很少产生介电效应。不过,作为发射线圈的结构,比如螺旋结构,可以变换电流模式和影响B1。多重发射线圈也有很好的改善。失谐共振线圈放置在发射线圈与受检者之间作为介质,改变RF发射的模式,进而有利于B1场的切换。新的线圈,如横向电磁的体线圈能够降低处于3.0T高场内的RF场的不均匀性。无论罩式或鸟巢线圈还是横向电磁的体线圈设计都是为了有效地抑制涡流产生,因为涡流对解剖形态和波谱的显示产生的干扰。
单纯改进线圈并不能解决所有的不均匀性的问题。因而最近出现了一些新的脉冲序列,包括隔热脉冲,二维搏动脉冲还有三维适形RF脉冲,所有这些脉冲都是已经设计出并且被证实对于体部影像有特殊用途的,当然这些方法无论线圈类型还是影像规范都有特殊的要求。
能量分布
RF脉冲用来激发处于磁场中某些物质的质子自旋运动,这就会使得能量从RF脉冲传递到受检者而产生热量。如果不加控制,产生的热量就会造成生理上的伤害,包括心理功能的变化与心输出量的改变。SAR作为评估RF脉冲造成的组织内能量分布的指标,同时反映组织受到的热损害的可能性。FDA提出的SAR限制为15分钟身体的平均温度升高不超过1℃或者4W/kg。
SAR与共振频率的平方成正比,也即与场强的平方成正比。SAR也与翻转角的平方、受检者的大小、RF脉冲的工作周期成正比。在应用SAR密集的序列如快速自旋回波(FSE)、平衡稳态序列或磁化传递序列,以及在此基础上的脂肪抑制序列,要特别注意SAR。在高场强下减低SAR通常采取以下权衡措施,如增加图像采集时间、降低层面内外的分辨力。或者降低SNR,这些措施也是大家所不愿意接受的。例如,小翻转角可以降低信号与图像对比,不过呼吸触发、缩短回波链长度、增加回波内间隔、插入失滞时间以及延长TR都能增加采集时间。新的和改良的序列设计、射频脉冲设计、采集技术以及硬件设计都是为了在高场强下进一步优化SAR的管理而考虑。
并行图像采集提供了一个较好的权衡方案。与连续采集不同的是,并行采集采用多个小的探测器单元的线圈,进行同时采集MR数据。每一个探测单元包含的空间信息用来代替费时的相位编码步骤,因而采集时间与SAR都大大降低。不过,并行采集也有其固有的缺点,包括SNR的降低。这种影响有时被高场强情况下SNR固有的升高所平衡,这也是为了同时最大限度的发挥3.0T MR的优势。
单次激发并行采集通过缩小带宽使得SNR提高。在单次激发T2加权序列例如半傅立叶快速采集并驰豫增强(HASTE)和单次激发快速SE中,并行采集减少回波链中回波数量以节省时间。这些措施消除了低振幅回波造成的影像模糊,在不改变矩阵大小的情况下增加图像的锐利度。由于采样回波数量减少也会导致SNR降低,但这种降低可以通过减小接受带宽来获得补偿。尽管带宽的降低延长了回波链的持续时间,使得采样时间即回波间隔增加,在非并行采集的情况下,带宽的降低能够补偿SNR的损失,但以不降低图像的锐利度为准。
序列的优化
组织的内在固有驰豫时间随着场强的升高都会发生轻度的变化。在特殊情况下,场强从1.5T到3.0T,T1增加,T2*减小,T2轻度降低或者保持不变。
T1也就是纵向驰豫时间或者自旋晶格驰豫时间,反映在给定的分子环境下质子的特性,但是也与静磁场有关。从1.5T增加到3.0T时,软组织的T1有所增加;这种变化导致在与1.5T的T1加权序列应用同样的的TR时,3.0T下的相对信号强度减弱。在1.5T时应用成熟的T1加权序列应用在3.0T时必须首先优化,增加TR,这就增加了采集时间,并不是人们所希望的。并行采集可以降低采集时间,但是必须与降低SNR之间做一个权衡。作为一个选择,翻转恢复或者磁化预备技术可以得到满意的分辨力或对比度。了解组织的T1值就可以有针对性的选择TR、翻转角,特别是在翻转恢复序列中,选择适当的翻转时间可以得到组织或器官的优秀的对比。例如,在3.0T系统中应用短时翻转恢复序列(STIR),当翻转时间在170ms时,脂肪抑制效果最好,局灶性的肝脏占位显示率最高。
T2,也称为横向或自旋-自旋驰豫时间,反映局部微观环境的性质。尽管主要受静磁场影响,但T2在磁场场强增高时并没有变化或者仅有轻度减低。
伪影
化学位移-是指由于共振频率的变化导致静磁场中化学成分的不同。最常见的化学位移伪影是由于水中质子与脂肪中的质子共振频率不同而存在,与主磁场强度呈正比。这些不同导致沿频率编码方向和层面选择方向出现化学位移失调伪影,常常出现在肾脏周围。第一类化学位移伪影是频率编码梯度场低的一侧出现低信号带,梯度场高的一侧出现高信号带。对于固定的FOV、同样的分辨力和接受带宽,3.0T下第一类化学位移伪影是1.5T下的2倍(图11)。这类加重的伪影在体部3.0T MR实际应用中常规情况下并不会导致实质性的问题。不过,在一些情况下必须考虑,如检查肾被膜下血肿时。接受带宽的改变可以降低化学位移伪影的影响,不过,遗憾的是必须牺牲一定的SNR。其他的解决方法包括饱和序列,短时翻转恢复(STIR)序列的应用降低脂肪信号。交换相位与频率编码方向或者改变频率编码梯度的极性可以降低伪影的出现。
第二类化学位移伪影并不仅仅限于频率编码方向而是沿脂水界面的所有象素中,是基于脂水中体素内相位删除效应。伪影的大小并不随主磁场增加而增加,而是由MRI的空间分辨力所确定。在梯度回波的同相位与失相位成像中,必须调整TE参数,共振频率在3.0T是1.5T下的2倍。在3.0T MRI中,脂肪与水的质子在同相位中约为2.2,4.4,6.6ms,失相位中约为1.1,3.3,5.5ms。在1.5T MRI中,脂肪与水在同相位下是4.4ms,失相位下是2.0ms。总之,场强增加一倍,同相位与失相位的TE时间都要减半。因为在TE值小于2.2ms时序列交叉出现问题,标准的同相位与失相位值在3.0T时分别为2.2与5.5ms。增加TE会导致T2*出现相位偏移,相应的增加磁敏感性。水与脂肪的共振频率在3.0T下明显的不同也是有利的因素,比如在MRS中脂肪与水的峰值易于分离,脂肪抑制又快又好。
磁敏感性
磁敏感性是组织内部的磁化与外磁场磁化的比值。一旦FOV、场强确定,组织的磁敏感性就会保持不变;不过磁敏感性的剧烈变化可以导致场强的失真。
在体部成像中最常见的磁敏感性伪影是发生于气体组织交界面,由于T2*相移使得信号丢失。金属物也可以扭曲磁场周围,在软组织邻近出现磁敏感性伪影。顺磁性物质有轻微增强磁化的作用,相应增加局部磁场强度,进而使局部T2*减小导致伪影出现。后者在MRI增强(例如MRA)的首过时出现或者在评价肿瘤灌注计算动脉输入功能时出现。
在高场强下,场强更加不均匀,T2*的相移更敏感。这种效应一方面提高了血流或缓释放疗种子的检测能力;另一方面对于手术后或者治疗后患者腹内气体与金属物产生明显的图像变形(图16)。为了降低磁敏感性伪影可以运用均匀线圈降低局部场强的不均匀,和应用快速自旋回波包括180°翻转脉冲减少T2*的相移。
安全性
应用3.0T MR时每天在临床上都要提醒一些高场强下存在的安全隐患。不同的生物物理学风险来自于静磁场、时间变换的场强(梯度场)和射频场(射频系统)。
大多数的对人体进行磁共振成像采用的磁场强度都是0.2-3.0T之间的;在实验研究中可以达到8.0T或者更高。依照FDA最近的指导,临床MR在静磁场8.0T时对人体“没有显著的危险”。在应用超过8.0T的M做研究时应该展示采用的序列协议和签订知情同意书。
在应用MR时,梯度场能够刺激神经与肌肉,Schaefer等对该方面进行了全面的讨论。场强引起的对人体刺激包括刺痛感到疼痛不等,最近提及更重的是心脏刺激。近期关于梯度场引起的安全保护提供从潜在损害以至对患者的直接伤害等全面的保护。
听觉噪声也是梯度场导致的一个方面。这种噪声源于高场静磁场下梯度场内电流的快速转换。存在的问题从单纯的烦躁以至于听力的永久丧失,对每个人的影响随着个体差异而不同。为了降低噪声造成的伤害,包括耳塞或者耳机的使用,无论场强高低都应该应用。
射频造成的身体变热是最早被提及的。另外,一些物理方面的风险包括了体内埋植物、体外的设备以及附属器件、医疗抢救设备在高场强下也可以造成伤害。在做MR检查前应该详细询问患者并签订一些知情同意文件以保证患者的安全。在网上有一些相关的允许MR检查时的埋植物和生物医学设施的资料

大多数与MR相关的事故是由于筛选方法不仔细或者进入MR环境的入口的存在缺陷(如:进入MR磁体间的一些个人因素或其他的潜在的危险)。众所周知的火箭现象的危险是由于在5高斯半径内磁场强度轻度或明显增高所致,因而建立预防伤害发生的程序和指导是非常必要的。建立不同的指导程序和推荐建议以保证筛选方法容易实施。
MRI用来评价产科、胎盘和胎儿发育异常已经超过20年。在此期间,一些实验室和临床研究检测怀孕期MR平扫的影响。总体上,这些研究发现没有明确的证据证明对胎儿存在伤害。然而,大多数的研究都是在小于3.0T下进行的,远期研究还需要进一步佐证。
远景展望
3.0T下SNR的增高与波谱分散扩展了高场强下研究功能的应用范围,使得质子数少的情况下成像成为可能,这在低场强下是不能实现的。例如,通过专用线圈采集磷31的频率评价糖尿病足的肌肉萎缩情况。这种方法是定量评价肌肉萎缩,在之前仅仅是根据临床体征和周围神经病变评价。另一重要的应用为钠成像用来评价肾功能。钠23成像用来图示人体肾脏内钠的分布,并且定量化区分皮髓质钠的梯度。
在动脉自旋标记(ASL)中,3.0T下SNR增加与血液的T1延长用来测量动脉血中的灌注信号。ASL方法是基于两幅连续采集的图像进行减影,一幅采集是在感兴趣区上游动脉血预磁化之后,第二幅是没有动脉磁化的。减影影像提供的是关于兴趣区组织的灌注信息。在腹部应用此技术是对肾细胞癌与转移瘤进行射频消融前后的血流做定量化评价。
结论
3.0T下SNR的提高能够提高图像品质、缩短采集时间、增加分辨力。在合理的采集时间内获得生理学和功能信息的能力大大提高,特别是在腹部影像应用中。最好的临床实践是权衡期望优化的图像品质、提高诊断符合率、通晓伪影的来源以及消除的方法,做好针对患者与个人的安全。

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