發(fā)布時(shí)間：2017-06-28 09:10

  本文關(guān)鍵詞：混合模態(tài)個(gè)性化電磁模型研究及其在胎兒磁共振中的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)的發(fā)展期開(kāi)始于1978年,隨后逐漸發(fā)展為一種普遍的影像檢查技術(shù)。磁共振(Magnetic Resonance,MR)設(shè)備與目前其他的影像設(shè)備比,它具有成像參數(shù)多、無(wú)輻射、對(duì)比度特性豐富等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)如今它在臨床有著廣泛應(yīng)用,對(duì)人類各種疾病的診斷有著相當(dāng)重要的作用。MRI的物理基礎(chǔ)是核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)現(xiàn)象,其具體的工作原理是MRI對(duì)靜磁場(chǎng)中的人體施以特定頻率的射頻脈沖,使得氫質(zhì)子被激勵(lì)而發(fā)生核磁共振現(xiàn)象,在停止脈沖之后,質(zhì)子在弛豫過(guò)程中產(chǎn)生MR信號(hào),之后需要對(duì)MR信號(hào)進(jìn)行空間編碼、圖像重建才能獲得最終的MR圖像。MRI有分辨率高、無(wú)輻射損傷、多參數(shù)成像、可以任意層面成像等,同時(shí)它在用于生物體結(jié)構(gòu)、新陳代謝的研究中也有著舉足輕重的作用,現(xiàn)在也在生命科學(xué)以及臨床診斷方面有著廣泛的應(yīng)用。MR較現(xiàn)在比較常用的X線成像、計(jì)算機(jī)斷層掃描(Computed Tomography, CT)、超聲三種醫(yī)學(xué)影像檢查方法來(lái)說(shuō)有以下優(yōu)點(diǎn)：軟組織分辨率高以及組織對(duì)比度特性豐富,對(duì)人體的肌肉、肌腱、筋膜等精細(xì)結(jié)構(gòu)的成像效果好；全方位任意斷層成像,在三維空間上可以全面顯示人體的各個(gè)組織器官；可以多參數(shù)成像,臨床中常用的MRI參數(shù)有橫向弛豫時(shí)間、縱向弛豫時(shí)間、質(zhì)子密度、體內(nèi)液體流動(dòng)等,通過(guò)各個(gè)參數(shù)之間的調(diào)節(jié),然后再結(jié)合其他的技術(shù)可以極大的獲得更多的診斷信息,更有利于診斷醫(yī)生對(duì)疾病的診斷與治療；磁共振系統(tǒng)的射頻(Radio Frequency,RF)脈沖工作主要是氫質(zhì)子在射頻電磁場(chǎng)的激發(fā)下產(chǎn)生高能態(tài)與低能態(tài)間的轉(zhuǎn)換,所以說(shuō)受檢者不會(huì)受到電離輻射的損害；在進(jìn)行心臟和血管成像是不需要注射造影劑,可以減少病人由于進(jìn)行插管以及造影劑靜脈注射帶來(lái)的痛苦和風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)MRI以它比較高的軟組織對(duì)比度、無(wú)電離輻射和多參數(shù)成像的優(yōu)勢(shì)在臨床上也被廣泛應(yīng)用于對(duì)孕婦和胎兒的成像,并在胎兒疾病的診斷方面應(yīng)用廣泛。與臨床上常規(guī)的超聲檢查相比,胎兒MR成像可以提供更多有價(jià)值的診斷信息。MR同樣也存在以下問(wèn)題,主要表現(xiàn)在：由于磁共振設(shè)備成本高而帶來(lái)的磁共振地檢查費(fèi)用也高出一般的臨床成像檢查費(fèi)用很多；進(jìn)行磁共振掃描時(shí)數(shù)據(jù)的采集需要時(shí)間較長(zhǎng),磁共振成像的速度也相對(duì)較慢；MRI要求和禁忌比較多,比如金屬物品會(huì)在掃描時(shí)對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生影響,為避免其對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響,受檢者在進(jìn)行磁共振掃描時(shí)不能攜帶任何金屬物品。所以說(shuō)體內(nèi)裝有心臟起搏器或者有金屬植入物的受檢者都不適合進(jìn)行MRI檢查,正是由于電磁場(chǎng)的問(wèn)題,現(xiàn)在磁共振檢查室內(nèi)依舊不能使用其他監(jiān)護(hù)、搶救類的設(shè)備,故MR一般不用于急診和病情危重的病人做檢查；病人的呼吸及身體的移動(dòng)等都會(huì)給圖像帶來(lái)偽影,MR圖像極易受這些偽影的影像而降低圖像的質(zhì)量；在進(jìn)行MR掃描時(shí),由于射頻發(fā)射線圈激勵(lì)產(chǎn)生的射頻電磁波與人體組織之間發(fā)生相互作用時(shí)有可能會(huì)導(dǎo)致組織發(fā)生熱損傷。即在高場(chǎng)磁共振中進(jìn)行MR掃描時(shí)人體內(nèi)部的射頻能量沉積是一個(gè)重要的安全問(wèn)題。國(guó)際上通常采用特定射頻能量吸收率(specific absorption rate, SAR)來(lái)衡量人體對(duì)射頻能量的吸收情況,同時(shí)設(shè)定對(duì)應(yīng)的閾值作為安全標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn),SAR值通常被劃分為全身SAR值、部分身體SAR值和局部SAR值。全身SAR值或部分身體SAR值,是指較大范圍內(nèi)人體組織吸收的射頻能量功率的平均值,而local SAR值則是指在一個(gè)定義的時(shí)間內(nèi)在任何10克或1克的組織中的射頻能量沉積。另一方面,由于MR在對(duì)胎兒檢查方面也面臨著很多挑戰(zhàn),比如母體不舒服性,技術(shù)方面的挑戰(zhàn)和專業(yè)人員的缺乏等問(wèn)題,尤其是對(duì)胎兒MRI檢查時(shí)的SAR安全性問(wèn)題。為降低胎兒磁共振的SAR值,相關(guān)的研究中提出可以應(yīng)用高介電材料(High dielectric material, HDM)來(lái)降低SAR值以提高磁共振成像的安全性。由于local SAR值不能直接介入人體內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,所以在相關(guān)的調(diào)查研究中通常會(huì)使用數(shù)值電磁模型進(jìn)行局部SAR值的研究。而人體解剖的數(shù)值電磁模型在生物電磁領(lǐng)域中相關(guān)的計(jì)量學(xué)、組織間交互的研究中有超過(guò)30年的廣泛應(yīng)用。特別地,它們對(duì)MR尤其是磁共振射頻(RF)場(chǎng)中的人體內(nèi)部的電磁行為的研究有著重要的應(yīng)用。在相關(guān)的文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了各種各樣的電磁模型,這些模型在模型分辨率和分割的組織類型數(shù)量上覆蓋范圍廣泛。例如,由四個(gè)解剖全身模型(34歲男性,26歲女性,11歲女性,6歲的男性)組成的虛擬家庭(Virtual Family)模型,這個(gè)模型被廣泛的應(yīng)用于仿真研究中；同時(shí)還有由Peter J Dimbylow提出的包含大約900萬(wàn)像素點(diǎn)使用分辨率為2毫米的人體體模同時(shí)分割了37種組織類型的諾曼(NORMAN)模型等等。由于不同病人個(gè)體的形狀(主要由于幾何形狀)對(duì)局部SAR值的測(cè)量影響很大,所以上面提到的人體數(shù)值電磁模型對(duì)于局部SAR值的計(jì)算并不理想。因此,我們需要使用個(gè)性化數(shù)值電磁模型為獲得高場(chǎng)MRI中精確的局部SAR值分布。在此之前Jin Jin和Feng Liu等已經(jīng)提出了在MRI中使用個(gè)性化模型來(lái)提高SAR值評(píng)估的概念。他們建立個(gè)性化電磁模型的方法是,使用已有的MRI圖像和組織庫(kù)為基礎(chǔ),建立一個(gè)可行的指標(biāo)用于評(píng)估圖像的相似性從而選擇出用于匹配的模型。圖像的配準(zhǔn)技術(shù)被用于調(diào)整MRI圖像和組織庫(kù)的相應(yīng)屬性以獲得最終的個(gè)性化體素模型。這個(gè)方法很大程度上提高了評(píng)估SAR值的準(zhǔn)確度,但是它仍然存在不足,比如MRI圖像和組織庫(kù)中的組織形狀大小的數(shù)量有限等等。Xin等人介紹了一個(gè)使用CT圖像建立一個(gè)個(gè)性電磁模型并對(duì)其在MRI中的射頻場(chǎng)進(jìn)行分析。但是,那個(gè)只包括6種組織的模型并不是足夠的精確。而且這些模型都是使用單一的CT或者M(jìn)R圖像模態(tài)建立的。鑒于CT有優(yōu)良的密度分辨率,而MR對(duì)軟組織的分辨率高,所以單一的使用其中任何種圖像模態(tài)建模都是不夠精確的。本論文提出使用混合模態(tài)建立一個(gè)包含9種組織的精細(xì)個(gè)性化電磁模型的方法,并在3T場(chǎng)強(qiáng)下對(duì)所建立的模型使用SEMCAD軟件進(jìn)行電磁仿真獲得其B1場(chǎng)和SAR值的分布。另外我們通過(guò)把HDM應(yīng)用到基于此混合模態(tài)個(gè)性化電磁模型建立方法所建立的胎兒磁共振圖像(fetus MRI)中,并對(duì)fetus MRI的安全性進(jìn)行了初步研究。主要實(shí)驗(yàn)是在3T場(chǎng)強(qiáng)下使用SEMCAD軟件進(jìn)行電磁仿真來(lái)研究通過(guò)使用HDM降低fetus MRI中的SAR值以提高其成像安全性的可行性,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,同時(shí)也計(jì)算出了具體的SAR值降低幅度。結(jié)果表明通過(guò)調(diào)整HDM的厚度、介電常數(shù)以及其在孕婦模型中放置的策略位置可以相對(duì)有效的減低fetus MRI中的SAR值,保證fetus MRI中的SAR安全性。本論文中通過(guò)對(duì)混合模態(tài)個(gè)性化電磁模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研究與討論,我們得出以下結(jié)論,使用混合模態(tài)圖像建立的人體個(gè)性化電磁模型對(duì)傳統(tǒng)形式下基于單一模態(tài)圖像建立的人體通用電磁模型中l(wèi)ocal SAR研究存在的誤差有一定的研究,能夠提供更好的預(yù)測(cè)B,+場(chǎng)和SAR值的分布。對(duì)于高能非電離電磁場(chǎng)作用于人體時(shí),其在人體內(nèi)能量分布的計(jì)算以及場(chǎng)的分布有一定的參考價(jià)值。這也更有利于分析在高場(chǎng)MRI中的local SAR的安全性問(wèn)題,同時(shí)也能更好的幫助人們?cè)u(píng)估在廣泛的電磁場(chǎng)分布環(huán)境中的射頻能量吸收量。下一步工作中,我們致力于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)分割到自動(dòng)分割的轉(zhuǎn)變,提高建模的效率也使后續(xù)實(shí)驗(yàn)更為快速順暢的進(jìn)行。另一方面,在對(duì)基于混合模態(tài)個(gè)性化電磁模型建立方法建立的fetus MRI的安全性的初步研究中,我們得到在3T下使用適當(dāng)?shù)暮凶顑?yōu)的介電常數(shù)的HDM放置在fetus MRI的適當(dāng)?shù)牟呗晕恢迷谙?可以相對(duì)有效的減低其SAR值,保證其SAR安全性。在接下來(lái)的研究中,我們希望使用HDM可以提供一個(gè)簡(jiǎn)單有效而且低成本的方法去降低3T下的fetus MRI的SAR值。
【關(guān)鍵詞】：磁共振成像 混合模態(tài) 胎兒磁共振成像 local SAR B_1場(chǎng)
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：R445.2;R714.5
【目錄】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-17
• 1.1 磁共振成像發(fā)展13-14
• 1.2 研究背景14-16
• 1.3 本文的主要工作16
• 1.4 本文的結(jié)構(gòu)16-17
• 第二章 MRI基本原理及射頻電磁場(chǎng)數(shù)值分析方法17-32
• 2.1 MRI的物理基礎(chǔ)17-19
• 2.1.1 原子核自旋與磁矩17
• 2.1.2 外磁場(chǎng)的原子核17-18
• 2.1.3 核磁共振現(xiàn)象18-19
• 2.2 MR信號(hào)19-21
• 2.2.1 弛豫和弛豫時(shí)間19-21
• 2.2.2 磁共振信號(hào)的產(chǎn)生與檢測(cè)21
• 2.3 MRI的空間定位21-23
• 2.3.1 層面選擇21-22
• 2.3.2 頻率編碼和相位編碼22-23
• 2.4 磁共振成像設(shè)備組成及其功能23-25
• 2.4.1 主磁體23-24
• 2.4.2 梯度線圈24-25
• 2.4.3 射頻線圈25
• 2.5 MRI射頻電磁場(chǎng)數(shù)值分析方法25-32
• 2.5.1 射頻電磁場(chǎng)與人體組織相互作用25-27
• 2.5.2 時(shí)域有限差分方法(FDTD)27-32
• 第三章 混合模態(tài)個(gè)性化電磁模型的建立與研究32-42
• 3.1 個(gè)性化電磁模型的重要性32
• 3.2 混合模態(tài)個(gè)性化電磁模型的建立32-35
• 3.3 仿真實(shí)驗(yàn)35-36
• 3.4 結(jié)果與討論36-42
• 第四章 基于混合模態(tài)電磁模型的胎兒磁共振安全研究42-54
• 4.1 胎兒磁共振介紹42-43
• 4.2 高介電材料(HDM)應(yīng)用43
• 4.3 實(shí)驗(yàn)方案43-45
• 4.4 結(jié)果與討論45-54
• 第五章 總結(jié)和展望54-55
• 參考文獻(xiàn)55-64
• 碩士期間學(xué)術(shù)成果64-65
• 致謝65-66

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