局部勻場在磁共振全身彌散成像中的應(yīng)用

朱小飛，劉錦，朱開國，韓宇，休思捷，張帆

第四軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院放射科，西安710038

全身彌散加權(quán)成像是近年來發(fā)展起來的一種全新的磁共振檢查技術(shù)，由于費用低，特異性高，在臨床中的應(yīng)用日益增多。全身彌散成像與全身解剖像的聯(lián)合應(yīng)用在腫瘤的分期，放化療評估，腫瘤的原發(fā)灶篩查及轉(zhuǎn)移方面具有較高經(jīng)濟價值[1-2]。但是由于其成像的特殊性，圖像質(zhì)量常常受到很多因素的影響，最常出現(xiàn)的就是圖像的截斷偽影，而截斷偽影主要發(fā)生在頸部和胸部交界處。筆者選取40例進(jìn)行全身彌散掃描的患者，在偽影經(jīng)常出現(xiàn)的頸胸交界處分別添加局部勻場，分析局部勻場對圖像截斷偽影的影響。

1 材料與方法

1.1 一般資料

選取40例2016年5月至12月在我院進(jìn)行全身彌散掃描的患者，其中男性24例，女性16例，年齡42～70歲，平均年齡52.6歲。檢查前所有患者均了解檢查過程和檢查內(nèi)容，并簽署知情同意書。

1.2 檢查方法

采用德國Siemens 1.5 T Aera超導(dǎo)磁共振掃描儀，用全景一體化線圈(Tim線圈)，頭頸聯(lián)合線圈，以及兩個體線圈聯(lián)合使用，采集范圍包含頭頂至盆腔。掃描參數(shù)：擴散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)采用單次激勵自旋回波(echo planar imaging，EPI)成像序列(DWI-STIREPI序列)，TR 13 600 ms，TE 79 ms，TI 170 ms，視野(FOV) 40 cm×40 cm，矩陣128×128，擴散敏感因子b=800，采集次數(shù)(NEX)為5，層數(shù)50，層厚5 mm，層間距0，并行采集因子為2。受檢者仰臥于掃描床上，頭先進(jìn)，自由呼吸。掃描范圍分四段采集，在完成一段數(shù)據(jù)的采集后，檢查床自動移至下一段進(jìn)行掃描，掃描時間約21 min。由于截斷偽影常出現(xiàn)在頸胸交界處，故在掃描第一段和第二段時，也就是在頸胸交界處添加局部勻場和未添加局部勻場的情況下分別掃描。FOV呈長條形，不宜過大，中心位于頸胸交界處。具體添加局部勻場方式如圖1所示。

1.3 數(shù)據(jù)處理

掃描結(jié)束后利用西門子3D后處理軟件對圖像進(jìn)行最大信號投影法(MIP)重建圖像，并利用黑白翻轉(zhuǎn)，得到類似于正電子發(fā)射計算機斷層顯像(positron emission tomography，PET)的圖像。并在矢狀面觀察頸胸交界處，即第一段和第二段之間有無截斷偽影出現(xiàn)。由于在矢狀位重建圖像上，所有的截斷偽影都不同程度地向前移位，而矢狀位對于移位的觀察最為敏感和準(zhǔn)確。在考慮對圖像質(zhì)量影響很小和不影響診斷的前提下，將是否有截斷偽影定義為：在矢狀位重建圖像上，在有截斷處將上位椎體分為3等份，下位椎體向前移位不超過1等份視為無截斷偽影，超過1等份視為出現(xiàn)截斷偽影。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，對兩組圖像的結(jié)果采用配對設(shè)計的χ2檢驗進(jìn)行比較，以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，以P＜0.01為差異具有顯著統(tǒng)計學(xué)意義。

圖1 A：局部勻場在矢狀位上的定位；B：局部勻場在冠狀位的定位；C：局部勻場在橫斷位上的定位 圖2 添加勻場和未添加勻場時，偽影出現(xiàn)的情況(n=40)Fig. 1 A: The location of local shimming on sagittal. B: The location of local shimming on coronal. C: The location of local shimming on transverse.Fig. 2 Different appearances of artifacts between adding local shimming and no local shimming (n=40).

2 結(jié)果

在40例患者中，在沒有添加局部勻場的情況下，有36例在頸胸交界處出現(xiàn)了截斷偽影，4例無截斷偽影；在添加了局部勻場的情況下，有5例在頸胸交界處出現(xiàn)了截斷偽影，35例無截斷偽影(圖2)。在沒有添加局部勻場的情況下，在重建的圖像上能看到明顯的截斷偽影，不利于病變的顯示；添加局部勻場后，截斷偽影的出現(xiàn)明顯減少，圖像質(zhì)量效果明顯提高，更有利于觀察者觀察(圖3)。添加局部勻場和未添加局部勻場兩組圖像之間的差異具有顯著統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.01；表1)。

圖3 矢狀位最大密度投影(maximum intensity projection，MIP)重建圖像. A：未在頸胸交界處添加局部勻場，可看到明顯的截斷偽影；B：在頸胸交界處添加局部勻場，未出現(xiàn)截斷偽影Fig. 3 Sagittal whole body diffusion weighted imaging. A: Obvious truncation artifact appeared with no local shimming at the cervicothoracic junction. B: No truncation artifact was observed after adding local shimming.

表1 截斷偽影出現(xiàn)率比較Tab.1 Comparison of appearances of truncation artifacts

3 討論

WB-DWI在2004由日本學(xué)者Takahara等[3]提出。它是將DWI和EPI以及短時反轉(zhuǎn)恢復(fù)(short time inversion recovery，STIR)脂肪抑制技術(shù)相結(jié)合，在自由呼吸情況下完成人體大范圍掃描，根據(jù)情況可掃描至盆腔或膝關(guān)節(jié)。由于其應(yīng)用了脂肪抑制技術(shù)，能夠很好地對體部的背景信息進(jìn)行屏蔽，使腫瘤病變的檢出率明顯增加[4]。掃描完成后對采集到的圖像經(jīng)3D-MIP處理重建，并經(jīng)黑白反轉(zhuǎn)技術(shù)得到類似PET的影像效果，被業(yè)內(nèi)稱為類PET技術(shù)[5]。但是由于DWI技術(shù)的特殊性，其圖像常受到各種因素的影響，從而影響圖像的拼接效果，導(dǎo)致截斷偽影的出現(xiàn)。導(dǎo)致截斷偽影出現(xiàn)主要有以下幾方面的因素。

3.1 受檢者自身因素

受檢者自身因素包含外在因素和內(nèi)在因素，前者主要是指受檢者行檢查時體內(nèi)或者體外含有金屬物質(zhì)或磁性物質(zhì)，如假發(fā)，假牙，避孕環(huán)，磁療衣褲，金屬拉鏈等其他的金屬物質(zhì)。金屬物質(zhì)和磁性物質(zhì)可造成局部磁化率發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致明顯的磁場扭曲，破壞主磁場的均勻性，導(dǎo)致大片的信號損失和圖像變形，嚴(yán)重影響圖像的拼接效果[6]。內(nèi)在因素主要是指人體不同組織的磁化率差異，由于不同組織抗磁性磁化率不同，這就使得磁場中的人體具有磁場非均勻性的特點[7]。在做MRI檢查時，磁化率磁相差較大的兩種組織界面會出現(xiàn)偽影，這種偽影稱為磁化率偽影，主要表現(xiàn)為局部信號的增強或減弱，常同時伴隨著組織的變形[8]。由于磁敏感偽影常出現(xiàn)在人體組織自身敏感差異較大的組織界面附近，體內(nèi)磁化率相差較大的場所是空氣和組織的交界面，其中最常見的就出現(xiàn)在頸胸交界處，磁敏感偽影常導(dǎo)致圖像變形而影響拼接效果，表現(xiàn)為圖像的截斷。在行全身彌散掃描時，由于WB-DWI采用的是EPI序列，沒有180o相位聚焦脈沖，對磁場不均勻更為敏感，磁化率偽影將更為嚴(yán)重[9]。頸部形態(tài)不規(guī)則，下部與肺相接，而肺由于含有大量的空氣，頸部組織和肺組織兩者之間的磁化率相差很大，這種情況下組織界面就會出現(xiàn)明顯的磁場梯度，從而影響磁場的均勻性，導(dǎo)致圖像的錯誤定位。當(dāng)兩段圖像進(jìn)行拼接時，就會導(dǎo)致截斷偽影的出現(xiàn)。導(dǎo)致產(chǎn)生磁敏感偽影最主要的因素是局部磁場的不均勻，而保證局部磁場均勻性的最好方式就是添加局部勻場[10]。局部勻場即所謂的有源勻場，指通過適當(dāng)調(diào)整勻場線圈陣列中各線圈的電流強度，使周圍的局部磁場發(fā)生變化來調(diào)節(jié)主磁場以提高磁場整體均勻性的過程。局部勻場FOV不宜過大，F(xiàn)OV較小更能保持局部磁場的均勻性[11]。通過在頸胸交界處添加局部勻場，就能很好地保持磁敏感差異較大部位磁場的均勻性，盡可能減少磁敏感偽影的影響，防止重建圖像時截斷偽影的出現(xiàn)。在添加了局部勻場的情況下，仍然有5例在頸胸交界處出現(xiàn)了截斷偽影。主要是由于局部勻場是通過調(diào)節(jié)有源線圈的的電流值，使其產(chǎn)生特定方向的線性或高階梯度場來修正磁場空間分布，其調(diào)節(jié)值必定在一定范圍內(nèi)。如果受檢者由于病理因素使頸胸交界處含氣量增加或者生理因素使交界處形態(tài)變得不規(guī)則，則會進(jìn)一步加重磁敏感效應(yīng)，超過局部勻場的調(diào)節(jié)范圍，從而導(dǎo)致截斷偽影的出現(xiàn)。

3.2 設(shè)備自身因素

設(shè)備自身因素主要包含梯度場渦流和靜磁場均勻性。脈沖梯度磁場由梯度線圈產(chǎn)生，在產(chǎn)生脈沖梯度的同時會感應(yīng)出渦流，渦流會導(dǎo)致回波信號的變形和缺失，從而造成偽影[12]。由法拉第電磁感應(yīng)原理可知，變化的磁場在周圍的金屬體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，簡稱渦流。梯度線圈被各種金屬導(dǎo)體材料所包圍，因而在梯度快速開關(guān)的同時，必然會產(chǎn)生渦流。渦流的存在會大大影響梯度場的變化，使原本規(guī)則的梯度場波形變得不規(guī)則，也就是使梯度場的線性變差，從而引起圖像畸變或信號幅度減小。由梯度場產(chǎn)生的渦流造成的DWI圖像扭曲不僅會嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量，而且會造成空間定位的錯誤，從而影響圖像的拼接效果[9]。高質(zhì)量的磁共振圖像需要高均勻的靜磁場，不均勻的磁場會影響自旋磁矩的分布，造成自旋質(zhì)子旋進(jìn)頻率不一致，從而造成磁共振信號失真[13]。在理想的均勻磁場中，所有質(zhì)子將共振同一頻率上，物體中的每個像素必然由圖像中一個像素來代表。而在非均勻磁場中，單位體素范圍內(nèi)場強為△B0的變化，將引起共振頻率在中心頻率f0附近發(fā)△f的變化，使成像體的影像由一個點擴展到△f/△BW個像素(△BW為單位體素的帶寬)，在均勻性差的磁場中成像時，本應(yīng)屬于一個像素的信號被分配到附近的幾個像素，從而造成圖像的失真。由于EPI序列為平面回波成像，沒有180o聚焦脈沖的相位重聚，因而對磁場均勻性要求較高，不均勻的磁場會導(dǎo)致自旋質(zhì)子在相位方向就會發(fā)生偏差，錯誤的頻率填入K空間，就會導(dǎo)致信號失真，圖像發(fā)生變形，從而導(dǎo)致圖像拼接時截斷偽影的出現(xiàn)[8]。

3.3 受檢者體位擺放

患者擺位是否標(biāo)準(zhǔn)，也影響著磁場的均勻度。越靠近磁場中心，磁場越均勻，如果擺放不正，身體偏離磁場中心，就會造成局部磁場的不均勻，DWI序列對磁場均勻度要求較高，不均勻的磁場會影響圖像的成像質(zhì)量，可能會影響圖像的拼接效果。所以在掃描過程中保持受檢者身體長軸位于磁體中心而且處于同一水平面，能夠改善成像的質(zhì)量及拼接效果[9]。

綜上所述，隨著超導(dǎo)磁共振的大量應(yīng)用以及各種補償方法的提升，已經(jīng)能很好地保證磁共振系統(tǒng)穩(wěn)定性，梯度保真性，靜磁場均勻性。在日常的磁共振全身彌散成像中，在規(guī)范化擺位的情況下，以及去除患者鐵磁性偽影影響的情況下，對拼接效果影響最大的是組織界面的磁化率偽影。而去除磁化率偽影的最好方式就是保持局部磁場的均勻性，這時在頸胸交界處，也就是在第一段和第二段交界處分別添加局部勻場，就能很好地防止截斷偽影的出現(xiàn)，對改善圖像的質(zhì)量具有重大的意義。然而本研究也有不足之處，由于磁共振是多參數(shù)成像，不同的參數(shù)設(shè)置和組合對全身彌散成像質(zhì)量有著不同的影響，有研究指出，不同的磁場強度和不同的TE設(shè)置對磁敏感的影響也會各不相同[14-15]，所以如何合理地使用和設(shè)置各種參數(shù)，減少全身彌散檢查的偽影，還有許多值得研究的地方。如今全身彌散成像在很多方面已經(jīng)能與PET-CT等相媲美[16]，隨著磁共振技術(shù)的不斷發(fā)展，磁共振彌散成像也將發(fā)揮越來越大的作用。

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