【期刊】在高磁场中的磁共振成像-中文翻译

在高磁场中的磁共振成像摘要：近年来，更多研究员致力于较高的磁场强度(3-4 T)的临床设定和研究。较高的磁场强度是由于它更高的信号强度，预计提供更高的空间分辨率或减少总的扫瞄时间。虽然除磁共振信号强度外，磁场还有诸多因素，但是相同的成像参数在低磁场强度下可在信号方面呈现出不同，或在 3T 或更高的磁场强度下从信噪比上形成对比。因此，这些因素在不同的磁场里联合作用的结果估计在效用方面会有不同。这篇文章阐述了磁共振成像在更高的磁场强度下实际的科学应用。首先，讨论了在以前的文献和实验中证明过的几个导致一些实际应用中的磁共振成像的变化，例如阻尼时间，造影剂的影响，射频线圈的设计，维持一个安全值和磁场强度的转换。第二，讨论了当电磁场（1.5T）从 3T 转换到 4T 时，如何才能获得强磁场的最大效益。此外，还讨论了磁共振显微镜，它是高磁场强度的一个超前应用，用来对获得效益和其他因素进行定量估计以帮助确定一个实际可行的成像方法。1.引言由于现今技术的发展，在较高磁场强度下的全身磁共振扫描器 (3 T)已被应用在了临床设定和研究中。起初，安装在较高的磁场的一个主要原因是大脑的函数磁共振成像依赖于血氧水平的高度敏感度。近来，更多研究员正致力于较高的磁场强度的常规临床设定和研究。由于更高的信号强度，对较高磁场下的核磁共振成像的期望是提高信号干扰比，它最重要的好处是缩短成像的时间和实现更高的空间分辨率。问题是当电磁场（1.5T ）从 3T 转换到 4T 时，如何提高实际的效益。一些研究报告并讨论了在较高磁场下核磁共振成像的好处。例如不同脑组织损伤或心脏结构的成像。Dougherty 等人发表了在电磁场 4T 下前心肌层信号噪声比是在 1.5T 下的 2.9 倍。Bernstein 等人展示了在电磁场为3T 下的强反差图像，得出当电磁场为 3T 时较高的空间分辨率可提高判断准确性的结论。加之，如果较高的磁场可形成更好的质量的图像，那么对减少造影剂总注入量的设想就变的可行。例如，血管的核磁共振造影需要覆盖动脉周围或肺的很大区域。尽管这样的推断很难证明较高磁场对除信号噪声比以外的其他图像的影响。利用许多理论和实验研究已经证明磁场依存性。除了信号噪声比以外，磁场依存性在阻尼时间理论及磁共振造影剂效果中都有明确详述。决定信号噪声比的有成像参数，射频线圈的敏感度和器械调整，如磁场均匀度，激励脉冲或再聚焦脉冲设置的准确性等等。这些理论和实际操作证实的试验表明成像因素在不同的成像领域里是不同的。与阻尼时间和磁共振造影剂效果不同，在较高磁场下信号强度的效果需要在几乎相同的试验环境比较。所以，对信号噪声比和对比噪声比来说在较高或较低（1.5T）磁场下，对他们实际差别的定量是非常必要的。尽管在理论价值上，对信号噪声比和对比噪声比的直接比较的研究是相当稀少的。因此，在信号噪声比中获得多少效益或者我们如何把一般磁场强度（通常1.5T）转换到较高的磁场强度，对此我们依然不明确。在这篇文章里，我们涉及到磁场的相关变化，例如，磁共振信号的图像，阻尼时间，造影剂的影响， 射频线圈的设计和安全性。接着，我们将用科学和技术设计出在较高磁场环境下，相对人类安全的实验量化磁共振成像，对其进行科学评估。此外就是磁共振显微镜的可行性，它将在更高的领域进行前瞻性讨论。2.信噪比和载噪比在过去十年，针对哪一个是最适合作为磁场强度的问题一直进行着强烈的争论。对较高磁场强度领域的兴趣源自于信号噪声比随着场强的增强而增大，并且信号强度和噪音有着不同的磁场依赖性。信号强度 旋转数每次旋转的感应电压。如 Eq (1)所显示，理论上，从核共振实验中得到的信号强度是应遵循在静态磁场中旋转数的两倍这样比例的，每次旋转的感应电压随场强的增强而成线性增加。噪声在静态磁场中是成比例的，当所有的噪声来源于一个样本，将导致信号噪声比在静态磁场中也是成比例的。另一方面，当所有的噪音来自射频线圈，噪音与 1/4 成正比，从而导致信噪比与 7/4 成正比。因此，信噪比在4T 时将比在 1.5T 时增加超过 2.7 倍。如果这是真的，既然信噪比是一些图像的平均值的平方根，那么要获得同样的信噪比所需要的时间就减少一个因素 8。为了证实这个理论，我们在这两个领域作为一个课题对大脑进行了成像。为了使我们尽可能直接的在同台实验设备相同实验课题中用磁共振扫描仪（美国威斯康星州密尔沃基通用电气系统 Signa TM）与配套头部线圈都进行了 4T 和1.5T 的磁场强度比较 图 1 显示的是 T1 加权图像（上）和 T2 加权图像（下）中获得同样水平的大脑的同一主题。每幅图片分别获得与传统自旋回波序列与同一成像参数为 1.5 和 4T。这些图像表明即使以相同的成像参数获得的图像，各组织之间也会形成鲜明的对比。在定量 SI 测量中，我们发现 4T 时 SI 增加了白质和灰质的问题（图 1）.此外不同的成像参数下这些增强的比例也是不同的。4T 时提供了与 1.5T 使用相同参数的一个不同的组织，这可能不符合理论值。3.松弛时间 正如上文所讨论，生物组织的信噪比被认定为近似一定比例的电场强度。然而，因为上述理论假设除磁场以外所有参数都是一致的,可能实现的信噪比增益也许会少一点。产生差异的一个原因是增加磁场强度的同时增加了在 T1 的松弛时间。SI 是松弛时间的一个功能，反过来说，也就是磁场的附件 3 。从理论上讲， T1 值增大了大多数生物组织的磁场依赖性，该组织的组织水的相关时间（c ）是大约为 10-8 秒 13 ，反之,T2 值并没有改变（图 2 ） 。类似于人体上的松弛时间已出版了文学作品。 Jezzard 等人和 Duewell 等人提出了一个关于人体科学的在大脑和一些周边组织在 1.5 和 4T 磁场强度时的类似的T1 和 T2 松弛时间 9,10 （表 1 ） 。在任何组织中， T1 松弛时间在高磁场有所延长，而 T2 松弛时间有些缩短。这些结果和以前的报告是一致的（图 2 ） 。为了证实这一现象，我们用相同的人身模型在 4T 和 1.5T 时对同一带有磁头线圈的全身磁共振扫描仪进行实验 14 。每个人体模型包括不同浓度的 Gd 复杂水溶液代表不同的松弛时间的组织。在这项研究中，列车的自旋回波图像与不同的红素或测试获得了相同的上面描述的商业临床用的带有磁头线圈扫描器。所有模型的松弛时间（T1 ，T2 ）在 1.5T 和 4 T 时都从拟合曲线上确定了。这次验证研究结果表明，任何表 T1 松弛时间， 在 4T 比在 1.5T 要长（ 1.10 -1.47 倍） ，而 T2 在两个场强中是相同的或略有缩短（表 2 ） 。 此外，一个标准的相对增强磁共振血管造影序列（三维扰相梯度回顾收购或梯度回波同）相同的成像参数序列是用来确认 SI 的变化。甚至，预计在临床推广使用的 Gd 浓度范围中，在 4T 时最高的信噪比与在 1.5T 时相比增加至少1.59 倍。此外，这些信噪比和载噪比的增强功能是一个我们使用的翻转角功能。这些成果的基础上，在载噪比中采用高磁场与信噪比中有相同的利益,甚至在每个磁场中没有最好的成像参数也是如此。表 1 在人体组织中对 T1 和 T2 的驰豫时间比较情况 9,10组织 T1(ms) T2(ms)_ _ _1.5T 4T 1.5T 4T大脑 a灰质 0.9-1.3* 1.72 77-90 63白质 0.7-1.1* 1.04 62-80 50肌肉 b 0.98 1.83 31 26脂肪 b 0.31 0.39 47 38骨髓 b 0.29 0.42 47 42表 2 室温条件下在掺杂水溶液的时候对 T1 和 T2 驰豫时间的比较并修改编号14Gd 浓度 (mmol/l) T1(ms) T2(ms)_ _1.5T 4T 1.5T 4T0 2556 3636 1643 15040.125 1067 1566 911 8620.5 419 562 384 3511.25 191 253 160 1602.5 123 142 84 835 67 81 43 42在室温状况下梯度回波序列的 SI，即松弛时间和最佳翻转角（ a0：恩斯特角）之间的关系 ，可表示如下： （ 2 sin)1/exp(1i*)2/TRESI） 和 （ 3 )/(cos0） 其中， 是比例因子, 是翻转角。 SI 在个别组织任何成像序列条件下取决于其弛豫时间（ T1 和 T2* ） 。这意味着，由于松弛时间在不同的磁场中交替，同一套成像参数将无法获得同样的（磁场）强度。由于 T1 值在高磁场比在低磁场要长，所以在一架 TR ，大概翻转角也是如此，应不再（较小的翻转角）以在较高磁场优化相同样本的信噪比。使用更长的一架 TR ，在较高的场强中SI 的优势将是少于在单位时间。换句话说，因为在高磁场强度中通过长的 T1松弛时间来加强的主要限制是通过一架 TR 来反映 ，所以单位时间内的信噪比和恩斯特角度脉冲以及最短可实现价值 TR/T1 一起被优化 。优化成像参数的必要性是在以前的工作中被提出的。Keiper 等人15 比较有用的诊断脑白质异常多硬化患者下列优化成像参数 1.5 至 4T 他们的研究结果表明磁共振成像在 4特的强度（ 512 * 256 矩阵）中可描绘在 1.5 T（ 256 * 192 矩阵）中无法检测到的小病变，这意味着在 4T 强度中更高的分辨率可以在同一患者用几乎相同的总扫描时间提供更高的诊断准确性。由于 T2 时刻值与 T2*的值从理论上讲在每一个磁场都是相同的，并且在不同条件下的一些组织中 T2*的值比 T2 时刻值少的很多，因而我们用 T2*值取代了 T2 时刻的值进行研究。而大量磁化系数如下式所示与磁场成正比的关系：（ 4 zxRG02）其中， 是磁化率不同的毗邻物质，B 0（=）是静磁场，R 是截面半径，GZ 是读出的梯度。然而，T2*效应取决于 T2 在组织 1/T2*中与 T2的函数关系（R2*=R2+R2 ）较短的 T2 时刻和 T2*时刻，值在较高的磁场强度下会给信噪比和载噪比造成较大的跌幅，预计也会出现在一些组织中，如肺癌。以前我们发现随着相对造影剂剂量从 0.050.2mmol/kg 体重的增加，载噪比会增加中央肺动脉，但是周围肺动脉并没有增加。因此临床应用应认真考虑最佳的成像参数，特别是当一个不可取 T2*效应可能参与的时候，更应该考虑最佳的成像参数。