頭線圈與眼表面線圈對眼球MR成像質(zhì)量影響的對比研究

陳青華，王振常，鮮軍舫

MRI軟組織分辨率高，而且不受屈光介質(zhì)影響，MRI在眼球病變的臨床診斷和治療中發(fā)揮越來越重要作用，但是眼球結(jié)構(gòu)細微，常規(guī)使用頭線圈進行眼球MRI檢查存在不足，而專用的表面線圈直接置于眼部，更有利于提高圖像的空間分辨率和信噪比(SNR)，能更好地顯示眼球病變。

筆者探討不同序列和參數(shù)對眼球MR圖像質(zhì)量的影響，優(yōu)化眼球MRI參數(shù)，探討表面線圈的臨床應用價值及限度。

1 材料與方法

1.1 環(huán)形眼表面線圈掃描參數(shù)優(yōu)化實驗

使用GE Signa twin speed 1.5 T MR掃描儀、3 in(1 in=2.54 cm)環(huán)形眼表面線圈(簡稱環(huán)形眼表面線圈)掃描MR掃描儀自帶體模。采用FSE T1WI、T2WI和3D FSPGR序列，使用不同掃描參數(shù)掃描體模(具體掃描參數(shù)見表1，2)，每組參數(shù)重復掃描3次，所得圖像分別記錄體模圖像信號強度和背景噪聲標準差，計算SNR、空間分辨率(公式1～3)[1]。

其中SI組織為某一組織信號強度，SD背景為背景信號標準差，F(xiàn)OV1為原FOV大小，F(xiàn)OV2為新FOV大小。SD背景測量方法：在不同參數(shù)圖像的同一層面上測量，將ROI置于掃描野內(nèi)體模外的不同位置(圖1A, B)，測量3次，包括在頻率編碼方向、相位編碼方向和二者之間各測1次，取均值；ROI形狀為圓形，面積均為10 mm×10 mm。SI組織測量方法：將ROI置于體模內(nèi)部距體模外表面1 cm深度處不同位置連續(xù)測量3次，取均值；ROI形狀為圓形，面積為10 mm×10 cm (圖1C)。

表1 FSE和FSPGR序列掃描參數(shù)(對比不同F(xiàn)OV)Tab.1 Parameters of FSE and FSPGR (to compare different FOV)

表2 FSE和FSPGR序列掃描參數(shù)(對比不同層厚/間距)Tab.2 Parameters of FSE and FSPGR (to compare different slice thickness/interval)

1.2 環(huán)形眼表面線圈與頭線圈圖像質(zhì)量對比實驗

使用環(huán)形眼表面線圈和8通道相控陣頭線圈(簡稱頭線圈)對10名健康志愿者(男4名，女6名，19～35歲，中位年齡23歲)進行MRI檢查；入組標準為無眼部病史、眼科檢查正常者。全部志愿者均對本研究知情同意。

實驗方法：志愿者采用仰臥位，用海綿墊對頭部進行固定，囑其在掃描過程中閉眼制動。分別使用環(huán)形眼表面線圈和頭線圈按表1 參數(shù)行橫斷面FSE T2WI，掃描基線平行于視神經(jīng)長軸方向，常規(guī)采集12層，其他參數(shù)不變，依次改變FOV為18 cm×18 cm、10 cm×10 cm，然后依次改變層厚/間距為4.0 mm/0.5 mm、3.0 mm/0.3 mm、2.0 mm/0.2 mm進行掃描，分別計算 SNR、空間分辨率(公式1～3)、對比噪聲比(CNR) (公式4)。

SI組織、SI組織1和SI組織2測量方法：在視神經(jīng)和晶體顯示最佳的層面上測量，測量SI組織或SI組織1時將ROI置于距眼瞼1 cm深度處的玻璃體內(nèi)，ROI形狀為圓形，面積為10 mm×10 mm，在玻璃體同一深度不同位置連續(xù)測量3次，取均值；測量SI組織2時，將ROI置于晶體中心，ROI形狀為橢圓形，面積為5 mm×5 mm；測量SD背景時，在眼部組織外掃描野內(nèi)的不同位置測量3次，取均值，ROI形狀為圓形，面積均為10 mm×10 mm。

1.3 統(tǒng)計學方法

統(tǒng)計學分析采用SPSS 11.5 (SPSS for windows)軟件。進行組間比較前先對資料進行正態(tài)性檢驗，數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布的取均值±標準差，不符合正態(tài)分布的取中位數(shù)。統(tǒng)計處理采用配對t檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 體模實驗結(jié)果

對于體模，F(xiàn)SE序列和FSPGR序列采用不同F(xiàn)OV相應T2WI、T1WI、FSPGR圖像(圖1～3)的SNR見表3，F(xiàn)OV減小所致SNR減小倍數(shù)比值的實測值和理論值見表4。環(huán)形眼表面線圈FSE序列采用不同層厚、間距的SNR值見表5。

表3 環(huán)形眼表面線圈不同F(xiàn)OV時各成像序列的體模圖像信噪比(SNR)Tab.3 The signal to noise ratio (SNR) of images with ring eye surface coils and different FOV

表4 環(huán)形眼表面線圈減小FOV時所得體模圖像SNR的變化(%)Tab.4 The changes of SNR of images with ring eye surface coils with FOV decrease (%)

FSE序列采用層厚/間距4.0 mm/0.5 mm、矩陣288×224，F(xiàn)OV分別為18 cm×18 cm、10 cm×10 cm、8 cm×8 cm時體模圖像空間分辨率分別是0.80 mm、0.45 mm、0.36 mm，隨著FOV由18 cm×18 cm分別減小為10 cm×10 cm、8 cm×8 cm時，空間分辨率分別提高了43.75%、55.00%，但同時伴SNR相應減小為原來的31%、20% (為理論值，實際減小值見表4)，因此綜合考慮 SNR和空間分辨率，對于環(huán)形眼表面線圈FSE序列(T1WI TR/TE：600.0/11.1 ms，T2WI TR/TE：3000.0/120.0 ms，矩陣：288×224，NEX 2，帶寬20.8 kHz，層厚：4.0 mm，間距：0.5 mm)，采用FOV為 10 cm×10 cm時可以同時獲得較高的SNR和空間分辨率。

表5 環(huán)形眼表面線圈不同層厚/間距、不同序列圖像的SNR測量結(jié)果Tab.5 The SNR of FSE and FSPGR images with ring eye surface coils and different slice thickness/interval

由表5看出，隨著層厚/間距減小，噪聲增大，SNR相應減小，對于環(huán)形眼表面線圈FSE序列層厚/間距4.0 mm/0.5 mm、3.0 mm/0.3 mm、2.0 mm/0.2 mm 三者比較，層厚/間距為4.0 mm/0.5 mm時SNR最大。

因此，對于環(huán)形眼表面線圈，F(xiàn)SE T1WI TR/TE：600.0/11.1 ms；T2WI TR/TE：3000.0/120.0 ms；矩陣288×224；NEX 2；帶寬 20.8 kHz；FOV 10 cm×10 cm，層厚/間距4.0 mm/0.5 mm為最適宜參數(shù)。

2.2 健康志愿者實驗結(jié)果

對于10名健康志愿者，掃描參數(shù)為FSE T2WI(TR/TE 3000.0/120.0 ms，矩陣288×224，NEX 2，帶寬 20.8 kHz，層厚/間距4.0 mm/0.5 mm)，F(xiàn)OV分別為18 cm×18 cm、10 cm×10 cm時，空間分辨率分別是0.80 mm、0.45 mm，頭線圈(圖4A，B)和環(huán)形眼表面線圈圖像(圖4C，D)的SNR和CNR實測值見表6，不同F(xiàn)OV不同線圈對應SNR、CNR比值見表7。

表6 不同F(xiàn)OV時對10名志愿者環(huán)形眼表面線圈與頭線圈SNR和CNR測量結(jié)果Tab.6 The SNR and CNR of images with eye surface coils,head coil and different FOV in volunteers (n=10)

表7 環(huán)形眼表面線圈與頭線圈不同F(xiàn)OV對應的SNR、CNR比值Tab.7 The ratios of SNR and CNR of images with ring eye surface coils, head coil and different FOV

對于環(huán)形眼表面線圈或頭線圈，F(xiàn)OV為18 cm×18 cm的圖像SNR、CNR均大于FOV為10 cm×10 cm的圖像(表6)，兩者的SNR、CNR(P值均＜0.01)的差異均有統(tǒng)計學意義。當FOV由18 cm×18 cm減小為10 cm×10 cm時，理論上圖像SNR將減小為原來的31%，實測值為環(huán)形眼表面線圈圖像SNR減小為原來的39.20% (65.17/166.22)，頭線圈圖像SNR減小為原來的13.88% (9.79/70.53)，即頭線圈圖像SNR減小程度高于眼表面線圈。

3 討論

評價MR圖像質(zhì)量的指標主要有SNR、CNR、分辨率和均勻度[2-5]。SNR大，說明有用的成像信號強，而干擾信號(即噪聲)弱，圖像清晰度好。疊加在信號上的噪聲使得像素值以平均值為中心上下變化，若波動幅度大、噪聲大，則SNR小，表現(xiàn)在圖像上某些區(qū)域由于噪聲而變得比平均像素更亮或更暗，結(jié)果使受檢體交界模糊，分辨率降低，圖像質(zhì)量差。MR成像參數(shù)多、復雜，對圖像質(zhì)量影響不同，主要成像參數(shù)包括TR、TE、FA、矩陣、FOV、掃描層厚、層間距、接收帶寬(BW)等。對成像參數(shù)的研究，不僅能獲取最佳成像參數(shù)，同時可以提高MRI檢查的效率和效果。在MR掃描儀中，TR、TE、FA、NEX等參數(shù)一般由設備制造商設置為最佳參數(shù)，而FOV及層厚、層間距等參數(shù)常因線圈、檢查部位及病灶大小不同而修改，因此在本研究中重點探討了FOV及層厚、層間距及使用不同接收線圈對圖像質(zhì)量的影響。

對環(huán)形眼表面線圈和頭線圈圖像對比研究結(jié)果表明，相同掃描條件下使用眼線圈獲得的圖像信號強度、SNR、CNR明顯高于頭線圈圖像。從線圈結(jié)構(gòu)、設計及特性方面可知，表面線圈因近成像部位，收集到的信號較強，可獲得較高SNR。本實驗數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)OV均為18 cm×18 cm時環(huán)形眼表面線圈圖像SNR、CNR分別是頭線圈的2.36倍、2.48倍，F(xiàn)OV均為10 cm×10 cm時環(huán)形眼表面線圈圖像SNR、CNR分別是頭線圈的分別是6.66倍、8.66倍。因此，F(xiàn)OV相同時，雖然環(huán)形眼表面線圈與頭線圈圖像的空間分辨率相同，但是環(huán)形眼表面線圈圖像的SNR高于頭線圈；使用頭線圈成像的優(yōu)勢在于成像范圍較環(huán)形眼表面線圈大。

無論對于環(huán)形眼表面線圈還是頭線圈，F(xiàn)OV減小時空間分辨率增加，SNR相應減低，但表面線圈SNR降低得相對較少。當其他掃描參數(shù)不變而FOV減小時，在理論上SNR將減小為新FOV與原FOV之比的平方，但是實際上頭線圈圖像SNR減小更顯著，噪聲增加更明顯。從本研究數(shù)據(jù)可以看出，F(xiàn)OV由18 cm×18 cm減小為10 cm×10 cm時，理論上圖像SNR將減小為原來的31% (表4)，實際上環(huán)形眼表面線圈圖像SNR減小為原來的39.20%，頭線圈圖像減小為原來的13.88%，頭線圈圖像SNR減小得更顯著。對于環(huán)形眼表面線圈無論FOV大小，均可獲得較高的圖像SNR；但是對于頭線圈，F(xiàn)OV過小時將導致噪聲明顯增多、SNR顯著下降。因此，使用頭線圈時適宜采用較大的FOV，不宜采用過小的FOV，如果為獲得更高的空間分辨率需要減小FOV時，應用環(huán)形眼表面線圈則更有利于保證圖像質(zhì)量。

當使用不同線圈、采用各自相應適宜參數(shù)時，所得圖像質(zhì)量仍存在不同，環(huán)形眼表面線圈采用適宜掃描參數(shù)可以得到更高的空間分辨率和SNR。當環(huán)形眼表面線圈采用FOV 10 cm×10 cm、層厚/間距4.0 mm/0.5 mm、矩陣288×224時，圖像空間分辨率可以達到0.45 mm、SNR為65.17±4.99 (表6)，而如果使用頭線圈獲得與相似的SNR (70.53± 6.58,表6)則需采用增大FOV至18 cm×18 cm(層厚/間距4.0 mm/0.5 mm、矩陣288×224)，所得空間分辨率為0.80 cm，故使用環(huán)形眼表面線圈可獲得更高空間分辨率，能夠更好地顯示眼及周圍結(jié)構(gòu)，視網(wǎng)膜脈絡膜復合體、虹膜睫狀體等細微結(jié)構(gòu)及小病變顯示更清晰。

對比FOV為 10 cm×10 cm時環(huán)形眼表面線圈圖像與FOV為 18 cm×18 cm時頭線圈圖像，SNR和CNR均無顯著性差異(P＞0.05)，但此時環(huán)形眼表面線圈圖像(FOV為10 cm×10 cm)的空間分辨率(0.45 mm)高于頭線圈(FOV為18 cm×18 cm)圖像(0.80 mm)(表7)。對比FOV為18 cm×18 cm時的環(huán)形眼表面線圈圖像與FOV為10 cm×10 cm時的頭線圈圖像，前者的SNR、CNR分別是后者的16.98倍(P＜0.01)、22.38倍 (P＜0.01)。因此，頭線圈宜采用較大FOV，環(huán)形眼表面線圈宜采用較小FOV，以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。綜合考慮SNR和空間分辨率，F(xiàn)SE T2WI (TR/TE 3000.0/120.0 ms，矩陣 288×224，NEX 2，帶寬 20.8 kHz)時，環(huán)形眼表面線圈適宜參數(shù)為FOV 10 cm×10 cm、層厚/間距4.0 mm/0.5 mm，而頭線圈較適宜參數(shù)為FOV 18 cm×18 cm、層厚/間距4.0 mm/0.5 mm，二者均可獲得較高的圖像質(zhì)量。

本研究所用3 in環(huán)形眼表面線圈為眼部MRI檢查專用線圈，理論上其有效FOV約為7.5 cm×7.5 cm左右。本環(huán)形眼表面線圈體模實驗數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)OV為10 cm×10 cm時T2WI SNR為94.01，明顯高于FOV為8 cm×8 cm時的56.90，后者的SNR僅為前者的61% ，因此可以認為使用3 英寸環(huán)形眼表面線圈時采用FOV 10 cm×10 cm能得到較高圖像質(zhì)量。最近，直徑更小的表面線圈已應用于臨床，應用1.5 T MR掃描儀和47 mm的環(huán)形眼表面線圈圖像像素最小可達156 μm，可以清晰顯示Tenon囊、瞼板、晶狀體小帶、睫狀體等微小結(jié)構(gòu)[6]。

使用環(huán)形眼表面線圈的優(yōu)勢在于高空間分辨率和高SNR。如上所述，同樣掃描條件時，環(huán)形眼表面線圈圖像的信號強度、SNR、CNR均高于頭線圈，能夠更好地顯示眼及周圍結(jié)構(gòu)，視網(wǎng)膜脈絡膜復合體、虹膜睫狀體等細微結(jié)構(gòu)顯示更清晰。即使采用較大的FOV，環(huán)形眼表面線圈圖像SNR也明顯高于采用較小FOV的頭線圈圖像。但是使用環(huán)形眼表面線圈也存在不足：(1)視野較小，本研究所用3 in環(huán)形眼表面線圈有效探測深度為7.5 cm左右，而眼球前后徑約2.4 cm，眼眶前后徑約4.8 cm、寬度約3.9 cm、高度約3.5 cm[7]，距環(huán)形眼表面線圈較遠的海綿竇及顱內(nèi)結(jié)構(gòu)無法顯示，因此環(huán)形眼表面線圈僅適宜檢查球內(nèi)病變及視神經(jīng)眶內(nèi)段前部的病變。如果病變可能累及眶尖和顱內(nèi)時，還需換用頭線圈觀察顱內(nèi)累及情況；(2)信號均勻性較差，隨著距表面線圈深度增加，信號逐漸減弱，眶尖結(jié)構(gòu)難以清晰顯示；(3)對運動敏感，患者配合欠佳時容易產(chǎn)生運動偽影，影響對小病變的觀察。

總之，在眼球MRI檢查中應合理選擇不同線圈和掃描參數(shù)，以獲得更高圖像質(zhì)量和更多診斷信息，觀察眼球細微結(jié)構(gòu)或小病變時可首選環(huán)形眼表面線圈，對于范圍較大的病變，例如眼眶病變、球內(nèi)病變累及球后和顱內(nèi)結(jié)構(gòu)者，應首選頭線圈。對于FSE序列，環(huán)形眼表面線圈最佳掃描參數(shù)組合為層厚/間距4.0 mm/0.5 mm、矩陣288×224、NEX 2、FOV為 10 cm×10 cm，頭線圈最佳掃描參數(shù)組合為層厚/間距為4.0 mm/0.5 mm、矩陣288×224、NEX 2、FOV為18 cm×18 cm。應用環(huán)形眼表面線圈能明顯提高圖像SNR和空間分辨率，有助于檢出小病變和早期明確病變有無鄰近球外侵及，有望在球內(nèi)病變分期和判斷有無球外侵犯方面發(fā)揮重要作用。

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