利用高介電材料提高胎兒磁共振射頻安全性理論研究.pdf

1、本項(xiàng)研究圍繞胎兒磁共振成像(Fetus MRI)展開。目前在實(shí)際臨床上，MRI對(duì)于胎兒的檢查可以為常規(guī)的超聲檢查提供補(bǔ)充的診斷信息。MR在對(duì)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(jià)值。特別是對(duì)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(jià)值的信息。目前對(duì)胎兒進(jìn)行的MRI主要還處于1.5T，這主要是考慮到對(duì)胎兒有

2、很嚴(yán)格的SAR安全限制。高的SAR值會(huì)不可避免地引起胎兒局部組織溫度的上升，這樣會(huì)對(duì)胎兒的成長發(fā)育產(chǎn)生不可估量的風(fēng)險(xiǎn)。目前已經(jīng)有研究小組在利用高場MRI中高時(shí)間、空間分辨率、SNR優(yōu)勢(shì)來提高對(duì)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B+1場和SAR值分布需

3、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(shí)域有限差分(Finite-difference time-domain，F(xiàn)DTD)、矩量法(Method of moment，MoM)、有限元法(Finite element method，F(xiàn)EM)和有限積分技術(shù)(Finite intergral technology,FIT)

4、。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(shí)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(duì)復(fù)雜媒質(zhì)進(jìn)行建模仿真。因此，在對(duì)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，F(xiàn)DTD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(shí)域數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理得到整個(gè)頻帶的響應(yīng)。因而FDTD方法很適用于在仿真中對(duì)RF線圈進(jìn)行調(diào)

5、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(duì)存有電流分布的區(qū)域進(jìn)行離散化操作，不適用于對(duì)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(jì)算和后置處理三個(gè)求解過程，F(xiàn)EM方法計(jì)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(gè)電磁場數(shù)值求解過程過于冗長，并不利于分析實(shí)際中遇到的復(fù)雜電磁場問題。本項(xiàng)研究采用FDTD方法來對(duì)電磁場、人體負(fù)載以及高介電

6、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(shí)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(shí)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(shí)成人女性盆腔模型的建立為例闡明第一種人體三維電

7、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(duì)這個(gè)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(gè)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(shí)成人女性盆腔模型與一個(gè)13周數(shù)值胎兒模型相結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)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B+1場分布

8、，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(qiáng)NMR信號(hào)的強(qiáng)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B+1場的分布，使得材料附近區(qū)域組織的NMR信號(hào)得到明顯增強(qiáng)。這意味著從對(duì)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(lì)效果的情況下，所

9、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(shí)，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(xiàng)研究使用FDTD數(shù)值分析方法，分別在1.5和3T下對(duì)不同形狀、厚度、介電常數(shù)的HDM時(shí)的SAR值進(jìn)行仿真計(jì)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

10、性。在仿真計(jì)算中通過混合成人女性盆腔模型和一個(gè)13周的胎兒數(shù)值模型來構(gòu)建一個(gè)13周孕期的孕婦女性盆腔模型。通過仿真計(jì)算，結(jié)果表明，在1.5和3T兩種場強(qiáng)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(shí)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，

11、在取得最佳胎兒local SAR最佳值的時(shí)候，SAR得到了顯著的降低，而且沒有產(chǎn)成新的RF熱點(diǎn)。在應(yīng)用每種形狀HDM取得最佳胎兒local SAP最大值的時(shí)候，也考慮了相應(yīng)情況下感興趣區(qū)域(Region ofinterest，ROI)內(nèi)的B1場均勻性，仿真計(jì)算的結(jié)果表明應(yīng)用HDM取得最佳胎兒local SAR最大值時(shí)，ROI內(nèi)的B+1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(shí)并不會(huì)對(duì)實(shí)際的成像質(zhì)量產(chǎn)生比

12、較大的影響。通過本項(xiàng)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(shí)際的技術(shù)限制和倫理的要求，本文的仿真計(jì)算只使用了截?cái)嗟脑袐D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(jì)算。此外，以后還需要使用裝有電場探頭的孕婦體模配合實(shí)際的HDM在MR設(shè)備上進(jìn)行實(shí)測(cè)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(diǎn)

13、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(xiàng)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(xiàng)研究的內(nèi)容。首先談?wù)揻etus MRI技術(shù)在臨床上