朱裕榮 高云鈺 韓繼鈞 王佳佳 辛學(xué)剛,2#*

1(南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣州 510515) 2(華南理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院，廣州 510006)

引言

磁敏感性可以看作是物質(zhì)的一種固有屬性，它反映了物質(zhì)在外磁場(chǎng)中的磁化程度，一般用磁化率來衡量[1]。大量的研究表明，由于組織的成分與結(jié)構(gòu)的差異，磁化率值往往各不相同[2-4]，而組織病理特征的改變同樣也會(huì)造成磁化率發(fā)生改變。在一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病中，由于大腦正常組織與病變組織中含鐵量的不同，磁化率差異可能達(dá)到250%甚至更高[5-6]。因此，磁化率的差異本身就是一種天然的對(duì)比劑，磁化率對(duì)比有可能為識(shí)別鐵沉積的區(qū)域提供更好的靈敏度和特異性，有效地利用磁化率的差異可能為組織結(jié)構(gòu)與功能提供額外的信息。

基于這種新的成像對(duì)比機(jī)制，磁敏感加權(quán)成像技術(shù)(susceptibility-weighted imaging，SWI)和定量磁敏感成像技術(shù)(quantitative susceptibility mapping，QSM)隨之誕生，并成為近年來的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)磁共振成像技術(shù)僅利用幅值信息進(jìn)行重建，而SWI和QSM技術(shù)則都利用了相位圖信息[7]。SWI利用校正后的相位信息產(chǎn)生相位掩模，并與得到的幅值圖融合，增加圖像對(duì)比[8]，磁場(chǎng)的不均勻性較大；QSM采用背景場(chǎng)去除技術(shù)，僅保留組織內(nèi)部物質(zhì)產(chǎn)生的局部擾動(dòng)場(chǎng)，可在一定程度上抑制磁場(chǎng)的不均勻性，并從局部磁場(chǎng)信息中反演獲取組織磁化率分布，得到定量的檢測(cè)數(shù)據(jù)[9]。SWI與QSM具有共同的物理基礎(chǔ)，即基于不同組織具有不同的磁敏感性以及磁化率，這種磁敏感性的差異在高場(chǎng)磁共振中會(huì)導(dǎo)致主磁場(chǎng)的不均勻。有研究發(fā)現(xiàn)，在這種情況下，磁敏感物質(zhì)會(huì)出現(xiàn)“成像倍增”的客觀現(xiàn)象[10-12]，這種現(xiàn)象被稱為磁敏感倍增成像效應(yīng)。該效應(yīng)與磁場(chǎng)的不均勻性緊密相關(guān)，因此在SWI成像中尤為明顯，由于磁敏感倍增成像效應(yīng)的存在，使得SWI能夠檢測(cè)到原本無法檢測(cè)的微小的組織磁敏感變化。

隨著高場(chǎng)磁共振技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，SWI技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)血管類疾病中，但是到目前為止，磁敏感倍增成像效應(yīng)仍未有系統(tǒng)性的評(píng)價(jià)。作為SWI技術(shù)的研究基礎(chǔ)，全面并準(zhǔn)確地評(píng)估磁敏感倍增成像效應(yīng)，對(duì)于SWI技術(shù)在臨床上的進(jìn)一步應(yīng)用有重要意義。實(shí)際上，磁敏感倍增成像效應(yīng)與組織大小、磁化率以及回波時(shí)間等有密切關(guān)系[13-14]，若能建立各因素與磁敏感倍增成像效應(yīng)之間的量化關(guān)系，對(duì)未來SWI技術(shù)的發(fā)展有重要的參考價(jià)值。因此，本課題開展了磁敏感倍增成像效應(yīng)的研究工作，利用超高場(chǎng)磁共振環(huán)境下的磁敏感物質(zhì)所帶來的磁敏感性差異以及磁場(chǎng)的不均勻性影響，探究其在不同參數(shù)條件下的變化規(guī)律，以目標(biāo)組織像素?cái)?shù)量及倍增因子為評(píng)估指標(biāo)，在7.0 T高場(chǎng)磁共振下建立磁化率值和回波時(shí)間等與磁敏感倍增成像效應(yīng)之間的量化關(guān)系。首先通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算，再通過體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為進(jìn)一步優(yōu)化相關(guān)疾病的診斷與治療方案提供重要的數(shù)據(jù)參考。

1 方法

1.1 基本原理

1.1.1磁化率對(duì)磁場(chǎng)的影響

根據(jù)磁共振原理，原子核系中單位體積內(nèi)原子核自旋磁矩的矢量和稱作原子核系的磁化強(qiáng)度矢量M(magnetization)，簡(jiǎn)稱磁化強(qiáng)度。在靜磁場(chǎng)下，磁化率χ與磁化強(qiáng)度M滿足關(guān)系式

M=χH

(1)

式中，H為對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m。

在真空中，當(dāng)組織磁化率為零時(shí)，不具有感應(yīng)磁化強(qiáng)度，內(nèi)部磁場(chǎng)即為靜磁場(chǎng)，表示如下：

B=μ0H

(2)

而對(duì)于磁敏感組織，內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁化強(qiáng)度，此時(shí)磁場(chǎng)可以表示為

B=μ0(H+M)

(3)

式中，μ0是真空磁導(dǎo)率(大小為4π×10-7，單位是Tm/A)。

結(jié)合式(1)，引入無量綱的常數(shù)磁化率χ，則式(2)可以重寫為

B=μ0(1+χ)H

(4)

由于目標(biāo)組織內(nèi)具有感應(yīng)磁化強(qiáng)度，這時(shí)外部磁場(chǎng)的分布會(huì)受到影響，這種情況下外磁場(chǎng)的計(jì)算不僅與感應(yīng)磁化強(qiáng)度大小|M|有關(guān)，也與物體的形狀以及體積有關(guān)，即

Bout=B0+f(|M|，g)

(5)

式中，g表示物體的幾何因子，B0為主磁場(chǎng)大小。

當(dāng)組織間磁化率的差異較大時(shí)，在交界處會(huì)引起磁場(chǎng)的空間變化，導(dǎo)致局部磁場(chǎng)的不均勻，即

ΔB=gB0Δχ

(6)

式中，ΔB表示磁場(chǎng)強(qiáng)度的空間變化大小，Δχ表示組織間磁化率差異大小。

由公式可知，組織間磁化率差異越大，磁場(chǎng)擾動(dòng)越明顯。

1.1.2磁化率對(duì)MR信號(hào)的影響

梯度回波序列(GRE)對(duì)組織磁敏感性差異十分敏感，這是因?yàn)樵撔蛄胁]有重聚脈沖的存在，相位難以重聚，使得由于磁場(chǎng)的不均勻性而造成的額外散相會(huì)更加明顯。本研究的全部計(jì)算都基于GRE序列進(jìn)行，K空間中GRE序列的信號(hào)合成為

(7)

式中，S0表示當(dāng)翻轉(zhuǎn)角為90°時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，θ表示翻轉(zhuǎn)角，TR表示脈沖序列重復(fù)時(shí)間，TE表示回波時(shí)間，T1表示縱向弛豫時(shí)間，T2表示橫向弛豫時(shí)間。

當(dāng)T1?TR并且翻轉(zhuǎn)角θ較小時(shí)，式(7)可以寫為

(8)

在外磁場(chǎng)作用下，組織間磁化率的差異會(huì)導(dǎo)致局部磁場(chǎng)的不均勻，并且引入額外的散相Δφ，有

Δφ=-iγΔB·TE

(9)

式中，i表示虛數(shù)單位，γ表示原子核的磁旋比，因此實(shí)際信號(hào)Sn可表示為

Sn=SGREexp(-iγΔB·TE)

(10)

由于exp(-iγΔB·TE)取值范圍為(0,1)，因此局部磁場(chǎng)的變化會(huì)導(dǎo)致MR信號(hào)的減小，組織間磁化率差異越大，磁場(chǎng)擾動(dòng)越大，信號(hào)抑制越明顯，由此形成的組織對(duì)比越大。

1.1.3磁敏感倍增基礎(chǔ)

為了更清晰地解釋磁敏感倍增成像效應(yīng)，利用一維梯度磁場(chǎng)Gx來分析，結(jié)合拉莫爾方程ω=-γ·|B|并將其改寫為

ω(x)=-γ(B0+Gx·x+ΔB(x))

(11)

再做簡(jiǎn)化得到

ω(x′)=-γ(B0+Gx·x′)

(12)

其中

(13)

1.2 SWI技術(shù)

通過梯度回波序列得到MR信號(hào)后，結(jié)合適當(dāng)?shù)膱D像處理技術(shù)，就可以獲得包含磁敏感信息的圖像，其中最常用的就是磁敏感加權(quán)成像技術(shù)(susceptibility weighted imaging，SWI)[8]。該技術(shù)通過濾除背景的低頻信息，生成相位蒙片并加權(quán)增強(qiáng)組織對(duì)比，對(duì)磁化率的改變比梯度回波序列更加敏感[15]。

為了獲得SWI圖像，去除背景場(chǎng)中由于磁場(chǎng)不均勻性而造成的低頻干擾，本研究對(duì)原始相位圖像進(jìn)行了高通濾波處理[8]。通過相位濾波，獲得校正后的相位圖，接著需要建立相位蒙片，最后將相位蒙片與幅值圖像進(jìn)行多次加權(quán)乘積，從而獲得SWI圖像。利用歸一化公式對(duì)濾波后的相位圖進(jìn)行處理，得到點(diǎn)x處的相位蒙片，有

(14)

最后，將生成的相位蒙片與幅值圖像進(jìn)行n次加權(quán)乘積，就可以生成磁敏感加權(quán)圖像，表示為

ImageSWI(x)=mag(x)·φmask(x)n

(15)

式中，mag(x)表示x點(diǎn)處的圖像幅值，而n是加權(quán)次數(shù)，一般取3～5就可以獲得CNR較高的圖像[8]，本研究取n=4用以計(jì)算。

1.3 模擬實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)在數(shù)據(jù)處理軟件Matlab R2014a中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?28×128×128的三維矩陣構(gòu)成，F(xiàn)OV設(shè)為128 mm×128 mm×128 mm，主磁場(chǎng)大小設(shè)定為7 T。模型由兩個(gè)圓柱嵌套組成，內(nèi)圓柱切層設(shè)定為半徑及磁化率可變的磁敏感組織，由于磁敏感組織T2時(shí)間很短，在計(jì)算中假設(shè)為0 ms，外圓柱為背景白質(zhì)組織(在7 T下T2=45.9 ms[1])。通過梯度回波序列中的信號(hào)合成公式(見式(7))，模擬MR信號(hào)的產(chǎn)生。需要注意的是，由于磁場(chǎng)與目標(biāo)圓柱模型的夾角方向?qū)Υ艌?chǎng)的影響比較復(fù)雜，在本研究中不作變量考慮，因此主磁場(chǎng)方向設(shè)定為與圓柱模型垂直，結(jié)合“無限圓柱模型”內(nèi)外磁場(chǎng)的變化公式，可以得到目標(biāo)組織內(nèi)外磁場(chǎng)的空間變化表達(dá)式[16]為

(16)

(17)

式中，ΔBin、ΔBout分別代表模型內(nèi)外磁場(chǎng)的變化，χ表示目標(biāo)組織磁化率，a是目標(biāo)組織半徑，p是柱坐標(biāo)系坐標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)中變量參數(shù)共有3個(gè)，分別是目標(biāo)模型的磁化率(為便于計(jì)算，使用濃度單位為10-6)、物理大小(以圓柱模型的半徑表示，單位為voxel)與回波時(shí)間(單位為ms)。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的磁化率取值范圍是(0.1×10-6～1.1×10-6)，圓柱半徑為0.5、1及2 voxel，統(tǒng)一分析回波時(shí)間為10、15、20、25、30 ms等5種情況。實(shí)驗(yàn)將模擬得到各參數(shù)條件下目標(biāo)組織模型附近的磁場(chǎng)分布，并通過重建得到幅值、相位及SWI圖像，計(jì)算目標(biāo)組織的像素?cái)?shù)量以及倍增因子，對(duì)圖像中不同條件下的倍增成像效應(yīng)進(jìn)行綜合評(píng)估分析。

1.4 體外實(shí)驗(yàn)

體外實(shí)驗(yàn)在7.0 T磁共振(Bruker Pharma Scan70/16 US)設(shè)備上進(jìn)行，利用SWI FLASH序列對(duì)體外實(shí)驗(yàn)的體模進(jìn)行掃描，具體掃描參數(shù)如下： TR=350 ms，TE=10、15、20 ms，翻轉(zhuǎn)角FA=40°，圖像矩陣為256×256，層厚0.5 mm，層數(shù)9層，F(xiàn)OV 為25 mm×25 mm。

在體外實(shí)驗(yàn)中，選擇外源性造影劑納米超順磁性氧化鐵顆粒(SPIO)作為實(shí)驗(yàn)試劑，SPIO是近年來研發(fā)的一種新的超順磁性的特殊納米材料，弛豫率較高，以此來模擬磁敏感組織。實(shí)驗(yàn)使用的材料有：氧化鐵磁性納米粒子溶液，購(gòu)自O(shè)cean Nanotech公司，試劑濃度為5 mg/mL，粒子大小為4.5 nm，帶有羧酸涂層；動(dòng)靜脈導(dǎo)管，內(nèi)徑分別為0.3和0.46 mm；瓊脂糖粉末；PBS溶液；封口膠。

實(shí)驗(yàn)前使用1 g瓊脂糖粉末及50 mL純水配置2%的瓊脂糖溶液，并以0.6 mL離心管為載體，注滿瓊脂溶液，待瓊脂凝固后，根據(jù)分組在瓊脂中心插入相應(yīng)的不同內(nèi)徑導(dǎo)管(0.3和0.46 mm)，其中管中已經(jīng)注入不同濃度的SPIO溶液，結(jié)合正常與病變組織鐵含量關(guān)系[5]以及鐵含量與磁化率之間的關(guān)系[17]，因此使用氧化鐵磁性納米粒子溶液及PBS溶液，共同配置了濃度為0.2、0.5、1 mg Fe/mL的SPIO溶液，分別對(duì)應(yīng)正常組織、病變組織以及嚴(yán)重病變組織的磁化率0.2×10-6、0.5×10-6、1×10-6，以此作為實(shí)驗(yàn)試劑，并且使用封口膠封口，利用SPIO溶液的超順磁性與周圍的瓊脂來對(duì)比模擬磁化率差異。

根據(jù)目標(biāo)模型直徑大小，本研究將模型分為兩組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第1組在模型直徑為0.3 mm、回波時(shí)間為10、15、20 ms的條件下，對(duì)4組實(shí)驗(yàn)試劑(包括3組不同SPIO濃度的實(shí)驗(yàn)試劑與1組PBS溶液的對(duì)照試劑)進(jìn)行磁共振成像；第2組模型直徑為0.46 mm，同理在回波時(shí)間為10、15、20 ms的條件下，對(duì)比4組實(shí)驗(yàn)試劑的SWI成像。這兩組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算都是通過商業(yè)軟件GraphPad Prism(version 8.0.2)進(jìn)行。

1.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)比度是衡量MR圖像的一個(gè)重要的質(zhì)量參數(shù)，通常用對(duì)比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)表示[16](見式(15))。CNR是兩種組織信號(hào)強(qiáng)度差值與背景噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差之比，其值越高表示圖像對(duì)比越好，可表示為

(18)

式中，A和B分別表示目標(biāo)組織與背景組織，SA和SB以及SNRA和SNRB分別表示對(duì)應(yīng)目標(biāo)組織與背景組織的信號(hào)強(qiáng)度和信噪比，σ0表示背景噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差。

一般而言，為了去除噪聲影響并區(qū)分兩種組織，相鄰兩種組織之間的對(duì)比度達(dá)到4時(shí)，可認(rèn)為這兩種組織的信號(hào)差異足夠大[16]，且是能夠被區(qū)分開的，是可見的區(qū)域。本研究中所統(tǒng)計(jì)的像素在滿足對(duì)比度要求后才能被認(rèn)為是有效的，需要通過統(tǒng)計(jì)幅值、相位以及SWI數(shù)據(jù)計(jì)算后得到的有效像素N，比較不同條件下目標(biāo)組織的像素?cái)?shù)量。另外，為了更加直觀地對(duì)比目標(biāo)組織的圖像倍增情況，定義倍增因子Rs為目標(biāo)模型倍增后的有效像素?cái)?shù)量以及實(shí)際像素?cái)?shù)量之比，其表達(dá)式為

(19)

式中，N0表示設(shè)定組織在圖像中的實(shí)際像素?cái)?shù)量。

2 結(jié)果

計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)通過Matlab編程實(shí)現(xiàn)，建立模型來模擬磁化率差異引起的磁場(chǎng)以及MR信號(hào)的改變，評(píng)估磁敏感倍增成像效應(yīng)。

圖1～圖4都是基于計(jì)算機(jī)模擬所獲取的數(shù)據(jù)變化關(guān)系。其中，圖1與圖2的各圖像矩陣大小皆為128×128。圖1顯示的是半徑為1 voxel的目標(biāo)模型隨著磁化率(susceptibility)以及回波時(shí)間(echo times)的改變，MR信號(hào)幅值與相位圖像的變化，磁化率為0.2×10-6～1×10-6，回波時(shí)間為10～30 ms，(a)是信號(hào)的幅值圖像，(b)是相位圖像，相位圖的色標(biāo)范圍是-6～8，單位是弧度。圖2顯示的是半徑為1 voxel的目標(biāo)模型隨著磁化率及回波時(shí)間的改變，SWI信號(hào)圖像以及磁場(chǎng)變化ΔB圖像，磁化率與回波時(shí)間變化與圖1一致，其中(a)是SWI圖像，(b)是磁場(chǎng)變化圖ΔB，色標(biāo)范圍是(-2.9～3.5)×10-6，單位是T。

圖1 模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头蹬c相位圖對(duì)比。(a)幅值圖像；(b)相位圖像Fig.1 Comparison of the simulation model in magnitude and phase map. (a) The magnitude map；(b) The phase map

圖2 模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚐WI圖與磁場(chǎng)改變?chǔ)對(duì)比。(a)SWI圖像；(b)磁場(chǎng)變化ΔB圖像Fig.2 Comparison of the simulation model in SWI and ΔB map. (a)The SWI map；(b) The map of the changed field ΔB

圖3展示的是目標(biāo)模型隨磁化率的改變，其像素?cái)?shù)量在幅值、相位以及SWI數(shù)據(jù)中的變化趨勢(shì)。根據(jù)目標(biāo)模型半徑的大小不同(分為0.5、1.0、2.0 voxel)共分為3組，每個(gè)圖像中同時(shí)包括5組回波時(shí)間的數(shù)據(jù)變化，包括10、15、20、25、30 ms。另外，通過觀察幅值、相位以及SWI數(shù)據(jù)計(jì)算，得到的像素?cái)?shù)量對(duì)比的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著磁化率的增加，像素?cái)?shù)量在變化過程中出現(xiàn)了多個(gè)“平直線”。例如在10 ms下，1 voxel半徑的模型在磁化率為(0.10～0.14)×10-6時(shí)檢測(cè)到的像素?cái)?shù)量都為1個(gè)voxel；在(0.16 ～0.38)×10-6時(shí)，檢測(cè)到的像素?cái)?shù)量為2個(gè)voxel；而后在(0.40～0.72)×10-6、(0.72～0.82)×10-6和(0.84～1.1)×10-6時(shí)，分別檢測(cè)得到的像素?cái)?shù)量為4、6和8個(gè)voxel，呈現(xiàn)階段上升趨勢(shì)。在0.5 voxel時(shí)，SWI數(shù)據(jù)中像素?cái)?shù)量的變化明顯大于幅值與相位中的改變，但隨著物理大小的增加，像素?cái)?shù)量的增幅放緩。圖4展示的是目標(biāo)模型在不同條件下倍增因子的對(duì)比，同樣根據(jù)模型半徑大小的不同劃分為3組，每個(gè)圖像中包含3組不同磁化率值的模型變化(0.2×10-6、0.5×10-6、1×10-6)。在整體觀察幅值、相位及SWI數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，隨著回波時(shí)間的增加，倍增因子為波動(dòng)上升的趨勢(shì)。例如，幅值數(shù)據(jù)中回波時(shí)間為10 ms、模型半徑為1 voxel時(shí)，磁化率為0.2×10-6和0.5×10-6情況下的倍增因子分別為0.4和0.8，而在磁化率為1×10-6情況下的倍增因子達(dá)到1.6。隨著回波時(shí)間的增加，倍增因子整體呈現(xiàn)震蕩上升的趨勢(shì)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)模型半徑越大，幅值與相位的倍增因子變化趨勢(shì)越接近線性，并且在同樣的條件下，相位數(shù)據(jù)的倍增因子更大。例如，在回波時(shí)間為10 ms、半徑為1 voxel的目標(biāo)模型下，幅值在磁化率為1×10-6時(shí)倍增因子為1.6，相位數(shù)據(jù)達(dá)到了4.8，而SWI數(shù)據(jù)的倍增因子則達(dá)到了8.6。對(duì)比不同半徑模型后發(fā)現(xiàn)，在半徑為0.5 voxel時(shí)，SWI數(shù)據(jù)倍增因子最高達(dá)到51，幅值與相位分別是8和24，而隨著半徑的增加，SWI的倍增因子變化相對(duì)較小。

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌夭〞r(shí)間和模型半徑條件下的像素?cái)?shù)量對(duì)比(每行從左至右模型半徑分別為0.5、1.0、2.0 voxel)。(a)幅值數(shù)據(jù)；(b)相位數(shù)據(jù)；(c)SWI數(shù)據(jù)Fig.3 Comparison of the number of pixels under the different echo times and model radius (The model radius of each line of the figure is 0.5, 1.0, 2.0 voxel from left to right). (a)Magnitude data; (b)Phase data; (c) SWI data

圖4 模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌呕屎湍Ｐ桶霃綏l件下的倍增因子對(duì)比(每行從左至右模型半徑分別為0.5、1.0、2.0 voxel)。(a)幅值數(shù)據(jù)；(b)相位數(shù)據(jù)；(c)SWI數(shù)據(jù)Fig.4 Comparison of the blooming factor under the different susceptibility and model radius (The model radius of each line of the figure is 0.5, 1.0, 2.0 voxel from left to right). (a)Magnitude data; (b)Phase data; (c) SWI data

體外實(shí)驗(yàn)在7.0 T高場(chǎng)磁共振中進(jìn)行，以不同鐵濃度的SPIO溶液作為實(shí)驗(yàn)試劑，背景組織設(shè)定為瓊脂，模擬磁化率差異，通過SWI成像，對(duì)比不同參數(shù)條件下目標(biāo)模型的成像結(jié)果。圖5展示的是體外實(shí)驗(yàn)SWI圖像與數(shù)據(jù)的對(duì)比，(a)～(c)、(d)～(f)分別代表直徑為0.3和0.46 mm下的圓柱模型SWI信號(hào)強(qiáng)度圖像以及數(shù)據(jù)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)試劑的鐵濃度包括0.2、0.5和1 mg/mL以及PBS溶液(作為對(duì)照組成像對(duì)比，對(duì)應(yīng)鐵濃度為0)，回波時(shí)間為10、15及20 ms。根據(jù)對(duì)比圖像顯示，PBS溶液在SWI中呈高亮信號(hào)，而SPIO試劑在SWI圖像中顯示低信號(hào)。整體觀察發(fā)現(xiàn)，隨著SPIO濃度及回波時(shí)間的增加，SPIO試劑模型與對(duì)照組PBS相比，像素?cái)?shù)量及倍增因子隨之增大，0.3與0.46 mm直徑模型的目標(biāo)組織像素?cái)?shù)量最大值分別為106和215，倍增因子對(duì)應(yīng)為13.25和10.75。

圖5 體外實(shí)驗(yàn)SWI圖像與數(shù)據(jù)對(duì)比(每行由左至右分別是SWI圖像對(duì)比、像素?cái)?shù)量對(duì)比和倍增因子對(duì)比)(a)0.3 mm直徑圓柱模型；(b)0.46 mm直徑圓柱模型Fig.5 Comparison of SWI images and data analysis in ex-vivo experiment(Each lines of the figure display the comparison of SWI images, the number of pixels and the blooming factor from left to right). (a) The diameter of 0.33 mm cylinders; (b) The diameter of 0.46 mm cylinders

圖6展示的是體外實(shí)驗(yàn)B0場(chǎng)分布及其數(shù)據(jù)對(duì)比與分析，其中(a)、(c)分別為不同鐵濃度的0.3和0.46 mm直徑的圓柱模型的B0場(chǎng)分布，而(b)、(d)則是不同濃度模型中對(duì)應(yīng)的試劑區(qū)域內(nèi)局部B0場(chǎng)的歸一化值對(duì)比。在0.3 mm直徑的圓柱模型中，4個(gè)不同鐵濃度試劑區(qū)域中所對(duì)應(yīng)的局部B0場(chǎng)的均值歸一化后分別為0.04、0.47、0.68、0.86，背景瓊脂為0.16(虛線)；在0.46 mm直徑的圓柱模型中，4個(gè)不同鐵濃度試劑區(qū)域中所對(duì)應(yīng)的局部B0場(chǎng)的均值歸一化后分別為0.06、0.51、0.65、0.89，背景瓊脂為0.1(虛線)。接下來，筆者利用中心二階多項(xiàng)式擬合數(shù)據(jù)結(jié)果，得到(b)、(d)中的結(jié)果趨勢(shì)。

圖6 體外實(shí)驗(yàn)B0場(chǎng)分布的對(duì)比與分布(左邊為B0場(chǎng)分布對(duì)比，右邊為歸一化后B0場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比)。(a)0.3 mm直徑圓柱模型；(b)0.46 mm直徑圓柱模型Fig.6 Comparison of B0 map and data analysis in ex-vivo experiment(The left figure is the comparison of the B0 map and the right figure is the comparison of the normalized B0 field data). (a) The diameter of 0.33 mm cylinders; (b) The diameter of 0.46 mm cylinders

3 討論

由于組織間的成分與結(jié)構(gòu)的差異，磁化率往往各不相同，這種不同組織間的磁敏感性差異在高場(chǎng)磁共振中往往會(huì)導(dǎo)致B0場(chǎng)的局部不均勻性。此時(shí)，給予一定的成像條件，磁敏感物質(zhì)會(huì)出現(xiàn)成像倍增的客觀現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為磁敏感倍增成像效應(yīng)。作為SWI技術(shù)的成像基礎(chǔ)，研究磁敏感倍增成像效應(yīng)在不同條件下的變化規(guī)律十分重要。

針對(duì)上述問題，本課題開展了磁敏感倍增成像效應(yīng)的相關(guān)研究，采用目標(biāo)組織像素?cái)?shù)量N和倍增因子Rs作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，改變磁化率值、回波時(shí)間、空間大小等因素，分別建立評(píng)價(jià)指標(biāo)與各變化因素之間的關(guān)系曲線，分析在不同參數(shù)條件下的磁敏感倍增成像效應(yīng)在重建圖像中的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著磁化率的增加，回波時(shí)間越大，磁敏感倍增成像效應(yīng)所帶來的成像倍增越明顯；組織模型越小(對(duì)應(yīng)模型半徑越小)，磁敏感倍增成像效應(yīng)也越顯著。質(zhì)子的頻移是引起磁敏感倍增成像效應(yīng)的重要因素，磁化率的差異會(huì)導(dǎo)致局部磁場(chǎng)的不均勻，引入額外的擾動(dòng)場(chǎng)ΔB，結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果中B0場(chǎng)的分布(見圖6)可見，隨著鐵濃度的增加，對(duì)應(yīng)的磁化率同樣增加，感興趣區(qū)域內(nèi)局部B0場(chǎng)隨之增大。結(jié)果表明，隨著磁化率的增加，這種局部磁場(chǎng)的不均勻性越來越大，在圖像重建中會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)x映射至x′(見式(13))，這種映射位置的偏移最終表現(xiàn)為重建圖像中目標(biāo)組織的“成像倍增”。上述結(jié)果與SagarBuch等[14]的研究結(jié)果相似，即圖像檢測(cè)到的目標(biāo)組織像素?cái)?shù)量與磁化率成正比。

高場(chǎng)磁共振的磁場(chǎng)環(huán)境放大了B0場(chǎng)的局部不均勻性，因此有效地利用磁敏感倍增成像效應(yīng)，可以檢測(cè)磁敏感性組織的細(xì)微變化，如腦出血點(diǎn)，通過倍增效應(yīng)能夠提高腦出血點(diǎn)的檢出率[13，15，19]，另外有研究指出，鐵含量可能與許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)，同時(shí)隨著年齡增長(zhǎng)也會(huì)產(chǎn)生可測(cè)的變化[20-22]。這種變化同樣會(huì)導(dǎo)致組織磁敏感性的改變，在高場(chǎng)中利用該效應(yīng)可以捕捉到這種細(xì)微的改變，能夠定性地反映組織生理狀態(tài)。因此，對(duì)于某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病來說，磁敏感倍增成像效應(yīng)也能夠很好地發(fā)揮作用，有望應(yīng)用于病灶的早中期診斷中。

4 結(jié)論

本研究結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬與體外實(shí)驗(yàn)，較為系統(tǒng)地開展了磁敏感倍增成像效應(yīng)研究，以目標(biāo)組織像素?cái)?shù)量以及倍增因子為評(píng)估指標(biāo)，探究了磁化率值、回波時(shí)間以及物理大小與磁敏感倍增成像效應(yīng)之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，隨著磁化率的增加，回波時(shí)間越大，磁敏感倍增成像效應(yīng)所帶來的成像倍增越明顯；組織模型越小(對(duì)應(yīng)模型半徑越小)，磁敏感倍增成像效應(yīng)也越顯著。在本研究中，僅分析了磁場(chǎng)強(qiáng)度為7.0 T下的磁敏感倍增成像效應(yīng)的變化規(guī)律，忽略了磁場(chǎng)強(qiáng)度方向所帶來的影響，在今后的研究中還需考慮其他更高的場(chǎng)強(qiáng)下所引起的特異性變化，并進(jìn)一步考慮多磁場(chǎng)方向下的磁敏感倍增成像效應(yīng)的變化規(guī)律。本研究的結(jié)果為推動(dòng)SWI成像技術(shù)的發(fā)展以及疾病的早期檢測(cè)提供了重要的參考信息。

(致謝：感謝南方醫(yī)科大學(xué)中心實(shí)驗(yàn)室提供7.0 T布魯克動(dòng)物磁共振設(shè)備，同時(shí)感謝任永焱幫助進(jìn)行體外磁共振掃描實(shí)驗(yàn))