本文關(guān)鍵詞：利用高介電材料提高胎兒磁共振射頻安全性理論研究

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【摘要】：磁共振成像(Magnetic resonance imaging, MRI)是一種無電離輻射的斷層成像技術(shù),它利用射頻線圈所發(fā)射的特定頻率的射頻(Radio frequency, RF)激勵脈沖來激發(fā)人體組織中不斷自旋的原子核(通常是氫質(zhì)子),從而產(chǎn)生核磁共振(Nuclear magnetic resonance, NMR)信號。這些經(jīng)過梯度編碼具有人體組織空間位置信息的NMR信號被接收線圈采集,并經(jīng)過計算機后處理系統(tǒng)的重建處理,就可以得到用于臨床診斷的MR圖像,臨床醫(yī)生可以依據(jù)這些清晰的MR圖像對人體內(nèi)部各個組織器官的結(jié)構(gòu)和生理特征進(jìn)行準(zhǔn)確地分析和診斷。迄今為止,MRI已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于臨床上對人體各種組織病變進(jìn)行檢查和診斷,此外MRI技術(shù)還被普遍應(yīng)用到生命科學(xué)的各項前沿的研究領(lǐng)域中。與超聲、CT(Computed tomography)和X-ray等成像手段相比,MRI具有很多獨特的成像優(yōu)勢：一、MRI有眾多成像參數(shù)：有質(zhì)子共振頻率(Proton resonance frequency, PRF)、橫向弛豫時間(Transverse relaxation time)、縱向弛豫時間(Longitudinal relaxation time)等,因此MRI能夠在臨床檢查中為醫(yī)生提供更多有價值的疾病診斷信息,從而可以更精確地對患者的疾病進(jìn)行診斷：二、MRI可以在任意切面上對人體組織進(jìn)行成像,可以在不改變?nèi)梭w體位的前提下對患者進(jìn)行各個不同方向斷層的成像,這樣就可以對人體組織的解剖結(jié)構(gòu)或者病變情況進(jìn)行立體追蹤；三、由于MRI的機理建立于使用人體組織外特定頻率的RF激勵脈沖來激發(fā)人體內(nèi)部的原子核共振來產(chǎn)生NMR信號,因此不存在任何電離輻射(而CT卻有電離輻射),從而使人體組織可以在相對安全的情況下進(jìn)行MR掃描；四、MR對胎兒成像有著很高的診斷價值。由于MRI對人體的軟組織具有極高的組織分辨率,且在成像中具有廣泛的成像視野,所以在胎兒磁共振檢查中可以很清晰地觀察到胎兒的生理結(jié)構(gòu),從而發(fā)現(xiàn)有價值的診斷信息；五、在MRI檢查中不會出現(xiàn)氣體及骨偽影。相比于低場(≤1.5T)下的MRI,磁共振在高場(3T)下的成像具有更高的時間、空間分辨率和更高的信噪比(Signal to noise rate, SNR)。目前MR設(shè)備的發(fā)展正在朝著高場甚至超高場(≥7T)的方向進(jìn)步。隨著場強的升高,MRI在神經(jīng)、血管、骨關(guān)節(jié)等應(yīng)用中表現(xiàn)出更佳的疾病診斷價值,因此場強的升高可以進(jìn)一步提升MRI的質(zhì)量。然而,高場MRI也存在很多急需解決的挑戰(zhàn)。由于人體組織具有各異的電磁參數(shù)(電導(dǎo)率和介電常數(shù)),所以當(dāng)人體組織之外的RF激勵脈沖作用于人體組織的時候,會由于不同的人體組織具有不同的電磁參數(shù)而產(chǎn)生介質(zhì)共振效應(yīng),也稱作抗電效應(yīng)。介質(zhì)共振效應(yīng)會導(dǎo)致所施加的RF激勵脈沖在人體組織中產(chǎn)生不同程度的衰減,使分布在人體組織中的B1+場變得不均勻。所以,即使RF線圈能夠在自由空間中產(chǎn)生非常均勻的B1+場,但加載不均勻的人體組織之后,B1+場則會變得很不均勻。而B1+場的不均勻則會直接降低MRI的SNR、對比度、均勻性和特定組織抑制效果,從而在很大程度上降低MR圖像的清晰度,降低圖像的診斷價值,不利于臨床醫(yī)生對疾病進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷。此外,在高場下,外在施加的高強度RF脈沖與人體組織之間復(fù)雜的相互作用所產(chǎn)生的抗電效應(yīng)和駐波效應(yīng)會導(dǎo)致射頻能量在人體組織中的聚集,而射頻能量的沉積必然又會導(dǎo)致人體局部組織或全身組織溫度的升高,這樣可能會對人體產(chǎn)生潛在的熱損傷危害。在學(xué)術(shù)界通常采用比吸收率(Special absorption rate, SAR)來衡量在MRI中人體組織對RF脈沖的吸收功率,并制定了相應(yīng)的SAR安全標(biāo)準(zhǔn)。因此,在利用高場MRI高時間、空間分辨率和高SNR等優(yōu)勢的同時,B1+場不均勻和SAR值升高所帶來的不安全因素是不得不面對的挑戰(zhàn)。本項研究圍繞胎兒磁共振成像(Fetus MRI)展開。目前在實際臨床上,MRI對于胎兒的檢查可以為常規(guī)的超聲檢查提供補充的診斷信息。MR在對胎兒進(jìn)行中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central nervous system, CNS),頸部腫塊、臉、上鄂、胸部、腹部以及無菌感染等方面的診斷中都表現(xiàn)出很高的價值。特別是對胎兒CNS的診斷具有很高的圖像分辨率,可以為臨床醫(yī)生提供非常有價值的信息。目前對胎兒進(jìn)行的MRI主要還處于1.5T,這主要是考慮到對胎兒有很嚴(yán)格的SAR安全限制。高的SAR值會不可避免地引起胎兒局部組織溫度的上升,這樣會對胎兒的成長發(fā)育產(chǎn)生不可估量的風(fēng)險。目前已經(jīng)有研究小組在利用高場MRI中高時間、空間分辨率、SNR優(yōu)勢來提高對胎兒進(jìn)行MR檢查的診斷效果。這些研究都首先要考慮在成像中孕婦和胎兒的安全性。因此,隨著未來MRI技術(shù)在胎兒疾病診斷中的發(fā)展,fetus MRI可以在安全的前提下進(jìn)行成像將仍然是重要的研究課題之一。分析研究MRI中B1+場和SAR值分布需要采用工程領(lǐng)域的數(shù)值分析方法。這類問題需要考慮不規(guī)則的邊界、復(fù)雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu),因此求解這一類電磁場問題需要借助特定的電磁場數(shù)值分析方法,常用的電磁場數(shù)值分析方法有時域有限差分(Finite-difference time-domain, FDTD)、矩量法(Method of moment, MoM)、有限元法(Finite element method, FEM)和有限積分技術(shù)(Finite intergral technology, FIT)。其中,本文采用的FDTD數(shù)值分析方法是用有限差分式來取代時域Maxwell旋度方程中的微分式,繼而求得有限差分形式的電磁場分量。這種電磁場數(shù)值分析方法不受介質(zhì)幾何形狀的限制,而且容易對復(fù)雜媒質(zhì)進(jìn)行建模仿真。因此,在對以人體組織為負(fù)載的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁場分析中有著廣泛的應(yīng)用。此外,FDTD數(shù)值分析方法具有很高的寬頻帶響應(yīng),可以借助Fourier變換在得到時域數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理得到整個頻帶的響應(yīng)。因而FDTD方法很適用于在仿真中對RF線圈進(jìn)行調(diào)諧,使MR射頻線圈到達(dá)諧振狀態(tài)。MoM數(shù)值分析方法需要占用較大內(nèi)存,它是對存有電流分布的區(qū)域進(jìn)行離散化操作,不適用于對以復(fù)雜的人體組織為負(fù)載的介質(zhì)進(jìn)行分析。FEM數(shù)值分析方法則可分為前置處理、求解計算和后置處理三個求解過程,FEM方法計算程序復(fù)雜冗長,而且這種方法只是在區(qū)域上求解電磁場問題,因此需要繁多初始數(shù)據(jù),整個電磁場數(shù)值求解過程過于冗長,并不利于分析實際中遇到的復(fù)雜電磁場問題。本項研究采用FDTD方法來對電磁場、人體負(fù)載以及高介電材料(High dielectric material, HDM)之間的相互作用進(jìn)行數(shù)值分析。在使用FDTD數(shù)值分析方法分析RF脈沖與人體負(fù)載相互作用之前,首先需要建立準(zhǔn)確的人體三維電磁模型。在實際應(yīng)用中有兩種構(gòu)建人體三維模型的方法,一種是以實際臨床掃描的CT或者M(jìn)R數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)在Mimics軟件中進(jìn)行手工分割,再經(jīng)過三維重建；另一種則是通過數(shù)值模型組合形式得到。本文第三章首先以真實成人女性盆腔模型的建立為例闡明第一種人體三維電磁模型的建立方法。這種建立方法以人體CT斷層掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過精確的人工分割和體繪制的方式來建立三維模型,然后對這個三維模型進(jìn)行有限元剖分和三角面片優(yōu)化,再賦予各個不同組織相應(yīng)的電磁參數(shù)和密度值來建立人體三維電磁模型。本文的仿真將上述真實成人女性盆腔模型與一個13周數(shù)值胎兒模型相結(jié)合,構(gòu)建一個孕婦女性盆腔電磁模型,其中包含子宮、胎盤、羊水、胎兒身體和胎兒腦等組織。最近眾多的研究結(jié)果表明應(yīng)用HDM可以改變MRI中B1+場分布,所以可通過應(yīng)用HDM來改善MRI的圖像質(zhì)量。研究結(jié)果表明,在高場3T或者超高場7T下應(yīng)用水、超聲膠體等介電材料可以減少在MRI過程中所形成的偽影,并且能夠顯著地增強NMR信號的強度。隨著鈦酸鈣、鈦酸鋇等新型高介電常數(shù)的HDM在MRI中的應(yīng)用,HDM可以顯著地改變B1+場的分布,使得材料附近區(qū)域組織的NMR信號得到明顯增強。這意味著從對HDM周圍區(qū)域進(jìn)行MRI的角度而言,RF場的發(fā)射效率得到了提升,那么在取得相同RF激勵效果的情況下,所需要的射頻能量則可以得到一定程度的降低。胎兒在進(jìn)行MRI時,主要面臨SAR值可能超出安全標(biāo)準(zhǔn)問題,可通過利用HDM來解決。本文的研究也正是從胎兒成像的安全性出發(fā),研究HDM在降低SAR值提高胎兒磁共振成像安全性作用。本項研究使用FDTD數(shù)值分析方法,分別在1.5和3T下對不同形狀、厚度、介電常數(shù)的HDM時的SAR值進(jìn)行仿真計算,研究通過應(yīng)用HDM來降低fetusMRI中SAR值來提高fetus MRI中孕婦及胎兒安全性的可行性。在仿真計算中通過混合成人女性盆腔模型和一個13周的胎兒數(shù)值模型來構(gòu)建一個13周孕期的孕婦女性盆腔模型。通過仿真計算,結(jié)果表明,在1.5和3T兩種場強下都可以通過應(yīng)用合適的HDM來顯著地降低胎兒及母體在fetus MRI時SAR值,從而顯著提高fetus MRI中胎兒的安全性。從目標(biāo)層的人體組織SAR分布圖中可以看出,在取得胎兒局部SAR(Local SAR)最大值最優(yōu)化的情形中,local SAR主要分布在肌肉、皮膚、胎兒等組織中,在取得最佳胎兒local SAR最佳值的時候,SAR得到了顯著的降低,而且沒有產(chǎn)成新的RF熱點。在應(yīng)用每種形狀HDM取得最佳胎兒local SAR最大值的時候,也考慮了相應(yīng)情況下感興趣區(qū)域(Region of interest, ROI)內(nèi)的B1+場均勻性,仿真計算的結(jié)果表明應(yīng)用HDM取得最佳胎兒local SAR最大值時,ROI內(nèi)的B1+場均勻性變化很小,這充分說明應(yīng)用HDM取得最佳胎兒local SAR最佳值時并不會對實際的成像質(zhì)量產(chǎn)生比較大的影響。通過本項仿真研究,可以看出HDM在fetus MRI中的合理使用有益于胎兒的安全性。但是考慮到實際的技術(shù)限制和倫理的要求,本文的仿真計算只使用了截斷的孕婦盆腔模型,未來還需要構(gòu)建全身孕婦模型來更精確地進(jìn)行仿真計算。此外,以后還需要使用裝有電場探頭的孕婦體模配合實際的HDM在MR設(shè)備上進(jìn)行實測研究。本文首先介紹課題研究的研究背景、目前的研究現(xiàn)狀和本文的內(nèi)容結(jié)構(gòu)。其中著重地講述了MRI系統(tǒng)的發(fā)展歷程、MR的性能優(yōu)缺點及目前在臨床上的應(yīng)用現(xiàn)狀。接下來詳細(xì)地介紹MRI的基本物理原理、成像質(zhì)量參數(shù)以及常用的成像序列,然后又介紹MRI系統(tǒng)的硬件組成及其作用。接下來談?wù)撾姶艌鰯?shù)值分析方法的基本原理,其中首先講述了如何通過手工分割CT圖像來構(gòu)建用于FDTD仿真的人體三維電磁模型,然后講述了幾種常用的電磁場數(shù)值分析方法,其中著重講解了在本項研究中所使用的FDTD數(shù)值分析方法的基本原理。接下來,具體而詳細(xì)地闡述本項研究的內(nèi)容。首先談?wù)揻etus MRI技術(shù)在臨床上的重要應(yīng)用價值,然后分析目前fetus MRI依然面臨的眾多挑戰(zhàn)。從這些挑戰(zhàn)中,可以看出安全性是fetus MRI的重要挑戰(zhàn),所以接下來闡述HDM在MRI中降低SAR值的研究情況。然后對本項研究立意進(jìn)行闡述,接下來給出實驗過程、結(jié)果和討論。最后對碩士期間研究課題進(jìn)展情況進(jìn)行總結(jié),同時對下一步工作也進(jìn)行展望。
【關(guān)鍵詞】：磁共振成像 胎兒成像 射頻場 高介電材料 SAR
【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】：2015
【分類號】：R714.5;R445.2
【目錄】：

• 摘要3-9
• ABSTRACT9-17
• 第一章 緒論17-22
• 1.1 研究背景17-20
• 1.2 研究現(xiàn)狀20
• 1.3 本文組織結(jié)構(gòu)20-22
• 第二章 磁共振成像原理22-46
• 2.1 磁共振成像物理基礎(chǔ)22-34
• 2.1.1 核磁矩22-24
• 2.1.2 Larmor進(jìn)動24-26
• 2.1.3 磁共振現(xiàn)象26-28
• 2.1.4 磁共振信號28-29
• 2.1.5 磁共振成像基礎(chǔ)29-31
• 2.1.6 k空間和快速成像技術(shù)31-34
• 2.2 磁共振質(zhì)量參數(shù)和常用成像序列34-39
• 2.2.1 磁共振質(zhì)量參數(shù)34-37
• 2.2.2 磁共振成像常用成像序列37-39
• 2.3 硬件組成和功能39-46
• 2.3.1 主磁體40-41
• 2.3.2 梯度系統(tǒng)41-43
• 2.3.3 射頻系統(tǒng)43-45
• 2.3.4 計算機系統(tǒng)及其它輔助設(shè)備45-46
• 第三章 電磁場數(shù)值分析方法46-62
• 3.1 三維人體電磁模型的建立方法46-48
• 3.2 電磁場數(shù)值分析方法48-62
• 3.2.1 時域有限差分方法(FDTD)49-57
• 3.2.1.1 Maxwell方程組50-51
• 3.2.1.2 Yee cell51-53
• 3.2.1.3 數(shù)值穩(wěn)定性條件53-54
• 3.2.1.4 Courant穩(wěn)定性條件54-55
• 3.2.1.5 空間間隔離散條件55-56
• 3.2.1.6 吸收邊界條件56-57
• 3.2.2 有限積分技術(shù)(FIT)57-58
• 3.2.3 矩量法(MoM)58-60
• 3.2.4 有限元方法(FEM)60-62
• 第四章 利用高介電材料提高胎兒磁共振射頻安全性理論研究62-84
• 4.1 胎兒磁共振成像62-74
• 4.1.1 胎兒磁共振檢查價值62-64
• 4.1.2 胎兒磁共振檢查的挑戰(zhàn)64-67
• 4.1.3 HDM67-73
• 4.1.4 本文研究立意73-74
• 4.2 實驗方案74-78
• 4.3 結(jié)果和討論78-83
• 4.4 結(jié)論83-84
• 第五章 總結(jié)和展望84-85
• 參考文獻(xiàn)85-92
• 攻讀學(xué)位期間成果92-93
• 致謝93-95

【共引文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 辜石勇;辛學(xué)剛;;引導(dǎo)超聲聚焦熱消融的超高場磁共振射頻電磁場勻場技術(shù)及人體組織比吸收率安全分析[J];南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報;2014年10期

2 莊亞運;辛學(xué)剛;;利用高介電材料提高胎兒磁共振射頻安全性理論研究[J];科學(xué)技術(shù)與工程;2015年18期

3 陳玲;李淑萍;安睿;陳瑜;王琛s，

本文編號：536821