本文關(guān)鍵詞：1.5T、3T和7T下MR EPT技術(shù)核心算法在介電特性非均勻組織中的重建誤差研究

  更多相關(guān)文章： 磁共振介電特性斷層成像 組織介電特性 非均勻模型 場強 誤差分析

【摘要】：生物組織在電磁場作用下表現(xiàn)出一定的電磁特性,即磁特性和電特性。其中磁特性指磁導(dǎo)率μ,由于人體組織屬于非磁性物質(zhì),其磁導(dǎo)率值接近真空磁導(dǎo)率,因此人體組織的磁導(dǎo)率可以被看作常數(shù)；電特性也被稱為介電特性,它包括介電常數(shù)和電導(dǎo)率,分別用宏觀參數(shù)ε和σ表示。其中介電常數(shù)有時也被稱作電容率,同時電導(dǎo)率和電阻抗互為倒數(shù)關(guān)系,因此電導(dǎo)率也可用電阻抗特性來反映。生物組織介電特性的大小跟多種因素有關(guān)：首先,生物組織介電特性具有頻率依賴性,當(dāng)組織處于時諧電場中時,其介電特性同外加電場的頻率相關(guān),在不同頻率下,組織的介電特性會發(fā)生改變,一般隨著頻率的升高,人體各組織的介電常數(shù)隨之減小,電導(dǎo)率卻反而增大；其次,組織的介電特性還隨組織溫度變化而變化,不同溫度下組織的介電特性是有差異的；另外,組織的介電特性還與組織內(nèi)離子濃度,蛋白質(zhì)含量及結(jié)合水與自由水的比例等有關(guān),當(dāng)組織的生理或者病理狀態(tài)發(fā)生改變時,其介電特性也會發(fā)生變化。相關(guān)文獻已表明,人體癌癥組織與對應(yīng)的正常組織的介電特性的差異較大,可達到30%以上甚至幾倍,例如在25℃和200MHz條件下,正常乳腺組織的電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)(相對介電常數(shù)為介電常數(shù)與真空介電常數(shù)的比值)分別為0.12S/m和20.2,而癌變?nèi)橄俳M織的分別為0.79S/m和60.5,癌變情況下乳腺組織的電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)值分別約是正常情況下的7倍和3倍。這種由于組織、器官生理或者病理狀態(tài)發(fā)生改變導(dǎo)致的組織介電特性變化,有可能為癌癥的早期診斷提供有價值的信息,甚至還有可能用于監(jiān)測正常組織演化成癌癥組織的整個過程。因此,生物組織的介電特性成像具有巨大的臨床應(yīng)用潛力。磁共振介電特性斷層成像(Magnetic resonance electric property tomography, MR EPT)是繼開端同軸線法、電阻抗斷層成像(Electrical Impedance Tomography, EIT)和磁共振電阻抗斷層成像(Magnetic resonance electrical impedance tomography, MREIT)之后發(fā)展起來的新的介電特性成像方法。該成像技術(shù)不需要額外的測量電極,也不需要向人體注入電流,只需要使用標(biāo)準(zhǔn)磁共振成像系統(tǒng)和配套射頻線圈即可,介電特性成像質(zhì)量由其僅有的三個成像環(huán)節(jié)(磁共振圖像質(zhì)量、B1 mapping技術(shù)和磁共振介電特性斷層成像重建算法)共同決定,相比其他幾種技術(shù)在臨床運用中更具優(yōu)勢。磁共振介電特性斷層成像的核心重建算法是wen等提出的以修改了的亥姆霍茲方程為基礎(chǔ)的算法,當(dāng)已知組織內(nèi)的發(fā)射場分布時,便可由該算法求解組織內(nèi)部的介電特性分布。在推導(dǎo)該算法的過程中需假設(shè)組織介電特性在小范圍內(nèi)保持不變,該假設(shè)在介電特性均勻的組織負(fù)載中應(yīng)用時是成立的,此時MR EPT核心重建算法的誤差較小,由該假設(shè)引起的誤差可以被忽略。但是MR EPT核心重建算法在介電特性非均勻的組織負(fù)載中應(yīng)用時,由該假設(shè)引起的誤差比較大。近年來,MR EPT相關(guān)研究所采用的場強主要集中在1.5T、3 T和7T,在MR EPT核心重建算法中組織的電導(dǎo)率和介電常數(shù)與發(fā)射場之間的關(guān)系與頻率有關(guān),并且在磁共振工程實踐中得到的磁共振圖像信噪比也隨頻率增大而增大,所以在不同的場強下,磁共振介電特性斷層成像核心算法在非均勻組織中應(yīng)用時的誤差可能不一樣。針對磁共振介電特性斷層成像核心算法在非均勻組織中存在的誤差,目前,相關(guān)文獻只在3 T場強下分析了該誤差,在1.5 T和7 T場強下尚未有文獻對該誤差進行量化分析。本文分別在1.5T、3T和7T頻率下量化分析MR EPT核心算法在非均勻組織中的誤差,并對這三個頻率下的誤差進行比較。MR EPT技術(shù)的三個成像環(huán)節(jié)中,B1 Mapping技術(shù)是一個重要組成部分,該環(huán)節(jié)為后續(xù)的介電特性重建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),由B1 Mapping技術(shù)得到的發(fā)射場數(shù)據(jù)將直接影響到介電特性重建結(jié)果的質(zhì)量。目前,通過B1 Mapping技術(shù)可以比較容易地得到發(fā)射場的幅度,但由于其相位與接收場相位是混合在一起的,現(xiàn)有技術(shù)無法將其分離出來,因而無法直接測量得到,而且在工程實踐中測量誤差是不可避免的,因此為了能獲得較準(zhǔn)確的發(fā)射場數(shù)據(jù),并以此為基礎(chǔ)用于MREPT核心算法誤差的量化分析,本文借助電磁仿真實驗來得到較為準(zhǔn)確的發(fā)射場的相位和幅度,在盡量減小B1 Mapping技術(shù)的影響的情況下,集中研究MR EPT核心算法誤差。SEMCAD是一款基于時域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)算法的三維全電磁仿真設(shè)計軟件。本研究中的電磁仿真實驗是通過該電磁分析軟件來完成的,可以分為五步。第一步,在SEMCAD中建立一個高通鳥籠線圈。高通鳥籠線圈由16個支柱、2個圓環(huán)、2個單位電流源和32個電容組成,其中16個支柱兩兩平行,分布于2個圓環(huán)之間,相鄰支柱間的間隔相等,每個圓環(huán)上等間隔分布有16個電容,2個電流源位于同一圓環(huán)上,電流方向相反；第二步,建立介電特性非均勻的電磁模型。該模型是由40個介電特性均勻的薄片沿x方向(平行于鳥籠線圈腔體方向為Z軸方向)疊加組成的一長方體模型,各薄片的介電特性隨x正方向線性增大,整個模型的介電特性變化范圍涵蓋了人體大腦主要組成成分(白質(zhì)、灰質(zhì)和腦脊液)的介電特性值(128MHz,37℃)。第三步,獲取1.5T、3T和7T頻率下非均勻電磁模型的發(fā)射場分布。將長方體模型置于高通鳥籠線圈中心,通過調(diào)節(jié)鳥籠線圈2個環(huán)上電容的電容值,使線圈分別在64MHz(1.5T)、128MHz(3T)和298MHz(7T)頻率下達到諧振狀態(tài),并對電磁計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分,然后運行軟件,進而獲得非均勻電磁模型的發(fā)射場分布。第四步,利用MR EPT核心算法計算得到成像區(qū)域組織介電特性分布。從根本上講,磁共振成像系統(tǒng)是負(fù)載與特定電磁場相互作用的系統(tǒng),因此它檢測到的信號必然攜帶負(fù)載內(nèi)部的電磁特性分布信息。MREPT核心算法建立了負(fù)載介電特性與所測得的電磁場(發(fā)射場)之間的直接關(guān)系,獲得負(fù)載的發(fā)射場分布后,便可由MR EPT核心算法求出負(fù)載的介電特性分布。第五步,計算介電特性重建結(jié)果的誤差。在SEMCAD中,獲取電磁模型磁場分布的同時還可以獲得電磁模型內(nèi)部真實的介電特性分布,借助模型的真實介電特性分布,便可以計算介電特性重建結(jié)果的誤差。本研究分別計算重建結(jié)果的絕對誤差和相對誤差分布,用它們來評估重接結(jié)果誤差的分布情況,除此之外還求得每幅重建圖像模型區(qū)域內(nèi)的平均相對誤差,以此來評估整個重建區(qū)域誤差情況。為了更加全面的考察MR EPT核心算法在非均勻電磁模型中應(yīng)用時的誤差情況,本研究分別計算了電磁模型在垂于x、y和z軸方向的截面上介電特性重建結(jié)果的誤差。電磁模型同一截面上介電特性重建結(jié)果的相對誤差隨著場強的升高而降低。當(dāng)場強分別為1.5T、3T和7T時,垂直于x軸方向的平面上電導(dǎo)率重建結(jié)果的平均相對誤差分別為3.33%、2.21%和1.28%,相對介電常數(shù)的分別為20.70%、11.22%和5.21%；垂直于y軸方向的平面上電導(dǎo)率重建結(jié)果的平均相對誤差分別為7.06%、6.85%和5.14%,相對介電常數(shù)的分別為18.24%、6.30%和2.51%；垂直于z軸方向的平面上電導(dǎo)率重建結(jié)果的平均相對誤差分別為8.15%、7.12%和5.47%,相對介電常數(shù)的分別為25.72%、10.57%和3.98%。本課題比較了1.5 T,3 T和7 T下MR EPT核心算法在非均勻組織中的重建誤差。在不同場強下,該算法的重建誤差不同,隨著場強的增大,重建結(jié)果的誤差減小。當(dāng)場強為最大值7T時,電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)的平均相對誤差可分別減小為1.28%和2.51%。本文在不同頻率下MR EPT核心算法在非均勻組織中的重建誤差的分析結(jié)果,對高精度的MR EPT重建技術(shù)有一定的參考價值,為推動將這一新技術(shù)早日應(yīng)用到癌癥早期發(fā)現(xiàn)臨床診斷中做出貢獻。
【關(guān)鍵詞】：磁共振介電特性斷層成像 組織介電特性 非均勻模型 場強 誤差分析
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：R312
【目錄】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 緒論14-17
• 第二章 生物組織介電特性相關(guān)研究概述17-43
• 2.1 生物組織介電特性的含義及其研究意義17-19
• 2.1.1 生物組織介電特性的含義17
• 2.1.2 生物組織介電特性的研究意義17-19
• 2.2 生物組織介電特性的測量方法19-43
• 2.2.1 開端同軸線法19-27
• 2.2.2 MR EIT技術(shù)27-34
• 2.2.3 MR EPT技術(shù)34-43
• 第三章 不同場強磁共振系統(tǒng)中MR EPT核心重建算法在非均勻組織中的誤差研究43-59
• 3.1 引言43-44
• 3.2 模型建立及射頻場計算44-45
• 3.3 組織介電特性重建45-46
• 3.4 誤差計算46
• 3.5 結(jié)果與討論46-59
• 3.5.1 垂直于x軸的平面46-51
• 3.5.2 垂直于y軸的平面51-55
• 3.5.3 垂直于z軸的平面55-59
• 第四章 總結(jié)與展望59-60
• 參考文獻60-67
• 攻讀學(xué)位期間成果67-68
• 致謝68-69

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本文編號：581875