高場MRI的SAR問題和抗電效應(yīng)及解決方案

王曉明

【摘 要】3.0T超導(dǎo)磁共振的SAR問題、抗電效應(yīng)，多源發(fā)射技術(shù)解決了圖像質(zhì)量的問題及在應(yīng)用中的體會。

【關(guān)鍵詞】SAR問題；抗電效應(yīng)；解決方案

【中圖分類號】R811.1 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-6851（2018）08--01

SAR是特殊射頻吸收率（SAR，Specific Absorption Rate）用于度量人體對射頻功率的吸收狀況。SAR表達為人體單位體重所吸收的功率，其單位為W/kg。MRI射頻場由線圈中的交變電流產(chǎn)生，置于該射頻場中人體的能量沉積SAR可進一步地表示為射頻場強，人體電導(dǎo)常數(shù)以及頻率的函數(shù)。根據(jù)該公式可以得到SAR的以下特點：SAR和工作頻率的平方成正比；SAR和射頻場強B1的平方成正比；SAR和組織的電導(dǎo)率成正比。

在MRI掃描中，SAR必須控制在一定的安全范圍內(nèi)。方法一是在空線圈和負載線圈兩種情況下測量發(fā)射線圈的前進和發(fā)射功率，估算人體所吸收的功率，然后根據(jù)射頻占空比和人體質(zhì)量計算SAR。或者使用功率射線圈的功率，通過校正被人體吸收功率的比例系數(shù)，由體重得到SAR。另一個方法是校正發(fā)射功率和一致的B1幅度。在線圈的幾何結(jié)構(gòu)固定的情況下，吸收的功率和人體的質(zhì)量之間的線性關(guān)系。這樣一來就可以將SAR和B1以及序列的射頻占空比聯(lián)系起來。

在低場強下，上述方法可以很好地滿足實際的需要。但是對于高場成像，時域有限差分（FDTD，F(xiàn)inite Difference Time Domain）模擬計算表面，局部SAR比平均SAR以更快的速度逼近安全限度，成為提高掃描速度的致命殺手。在這種情況下，上述方法將無法適用于實際MRI安全的臨床應(yīng)用。

產(chǎn)生局部SAR的原因主要有兩個：一是發(fā)射線圈元件和人體表面的容性偶合產(chǎn)生的電場；另一個是由人體電性質(zhì)決定的射頻發(fā)射場電場的再分布。在高場下，如果僅僅考慮平均SAR值，幾乎可以肯定會導(dǎo)致局部SAR超標(biāo)。在3.0T下，當(dāng)平均SAR還遠低于4W/kg的全身安全值時，局部SAR已經(jīng)遠超出這個安全閾值了。當(dāng)掃描的SAR值逼近安全限度時，將強制系統(tǒng)進行如下的參數(shù)調(diào)整：（1）較少掃描的片層數(shù)。（2）降低序列中射頻脈沖的角度。（3）強制使用較長時間的TR。（4）約束快速自旋回波序列的使用。這樣，將限制掃描的速度，延長檢查時間，無法使用最佳的序列參數(shù)，從而影響圖像的對比度等。

降低SAR的方法優(yōu)化發(fā)射線圈設(shè)計（1）局部SAR是發(fā)射線圈和人體互相作用的結(jié)果。建立由發(fā)射線圈和仿真人體組成的模型，利用FDTD仿真技術(shù)研究B1場和SAR的分布，對線圈設(shè)計有指導(dǎo)意義。從3.0T下不同長度的發(fā)射體線圈的B1場分布，仿真的結(jié)果是：長的發(fā)射體線圈的射頻場均勻性并不比短線圈好，這個結(jié)果在實際應(yīng)用中也得到了證實。和短線圈相比，長線圈的平均SAR和局部SAR都比短線圈高得多，高50%以上，這不僅需要小號更高的功率的射頻放大器，而且SNR也比短線圈低。（2）減小B1幅度降低SAR。SAR和序列的射頻占空比是線性關(guān)系，但是和B1場的幅度之間是平方關(guān)系。因此只要小幅降低B1就可以達到SAR大幅度減少。翻轉(zhuǎn)角B1和脈沖長度是線性關(guān)系，這樣在B1減小的情況下，仍可以維持一定的翻轉(zhuǎn)角，而且不會對掃描時間造成太大的影像。實踐證明，控制序列B1的幅度是控制SAR的有效手段。（3）TSE序列中采用連續(xù)改變翻轉(zhuǎn)角（FAS，F(xiàn)lip Angle Sweeps）技術(shù)減低SAR，在長回波鏈的TSE應(yīng)用中，初始部分的回波中快速降低重聚脈沖角至一個小值，并在其后的回波中維持這個小角度。角度下降的原則是在邊角的過程中使磁化達到偽穩(wěn)態(tài)。由于在回波鏈的大部分時間使用的是較小的重聚脈沖角。SAR大幅度降低，在一定的時間內(nèi)可掃描的片層增加，提高了掃描效率。（4）并行采集技術(shù)減低SAR，SENSE技術(shù)廣泛用于加快掃描速度，縮短掃描時間。從另一個角度來講，SENSE技術(shù)又可以用來降低SAR。SAR值隨著B1幅度的平方增加，隨一定時間內(nèi)射頻脈沖的個數(shù)線性上升。

我院使用的飛利浦Achieva3.0T TX掃描儀，采用多源并行發(fā)射技術(shù)，從根本上解決高場3.0T的SAR問題。平均SAR和局部SAR的分布是發(fā)射線圈和人體相互作用的結(jié)果。優(yōu)化線圈設(shè)計采用短發(fā)射線圈，可以有效地降低SAR。傳統(tǒng)上發(fā)射體線圈是正交發(fā)射，在空載的情況下，可以得到均勻的B1場分布。但是在有空載的情況下，稍微偏離正交條件，采用橢圓驅(qū)動在一些情況下能夠改善SAR的分布。由于人體的個體差異性較大，F(xiàn)DTD電磁場仿真證實不同的體型，人體在線圈內(nèi)的位置變化都能引起SAR分布的改變。因此采用固定的發(fā)射設(shè)置并不能滿足不同體型的病人SAR優(yōu)化需求。

抗電效應(yīng)成像介質(zhì)的抗電性質(zhì)主要由介電常數(shù)和電導(dǎo)率常數(shù)決定。介電常數(shù)是描述介質(zhì)極化性質(zhì)的物理量，當(dāng)介質(zhì)在外加電場時會感應(yīng)電荷而削弱電場，高介電常數(shù)的介質(zhì)置于電場中，場的強度會發(fā)生可觀的下降。電導(dǎo)率表示介質(zhì)傳輸電流能力的強弱。在射頻發(fā)射場B1中，介質(zhì)的電導(dǎo)性產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)使B1幅度下降；介電性則產(chǎn)生部分聚焦效應(yīng)。人體不同組織抗電性質(zhì)不同，因此在不同組織和器官中，對B1場的影響是介電性和導(dǎo)電性效應(yīng)的復(fù)雜組合效應(yīng)。

水模像上觀察到的圖像不均勻，是由于入射和反射電磁波疊加產(chǎn)生駐波造成B1場不均勻?qū)е隆Ｆ浯危瑢嶋H人體組織不等同于單一介質(zhì)，由于組織的不同特性和高電導(dǎo)率，人體和射頻場之間的相互作用，即不同的介質(zhì)間入反射電磁波相長和相消的復(fù)雜干涉機制，也是B1不均勻的一個主要原因。

空載的發(fā)射線圈能夠產(chǎn)生均勻的B1分布。當(dāng)不同體型和人體置入發(fā)射線圈后，人體的體型在線圈內(nèi)的相對位置等因素都影響B(tài)1場的分布，通過電磁仿真模擬，實際的B1場呈現(xiàn)個體差異很大的不均勻性。B1場的空間變化導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)角的不均勻。

使用發(fā)射線圈和模擬人體組成的電磁仿真系統(tǒng)能很好地研究高場抗電效應(yīng)作用下射頻場分布的問題。抗電效應(yīng)導(dǎo)致了圖像中出現(xiàn)陰影區(qū)，嚴重時陰影區(qū)的解剖形態(tài)都無法分辨，圖像的診斷價值也不高。

B1場的不均勻性導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)角的偏離和圖像的陰影，同時由于激發(fā)翻轉(zhuǎn)角和圖像對比度有關(guān)，不均勻B1像的對比度也是不均勻的；良好的脂肪壓制效果需要在視野內(nèi)每個空間位置的翻轉(zhuǎn)角都是一致的，不均勻的B1同樣導(dǎo)致抑脂不均勻。

補償抗電效應(yīng)的常規(guī)技術(shù)（1）多元接收線圈補償發(fā)射線圈的不均勻性。 MRI圖像的信號強度是由發(fā)射場和接收場共同決定的：抗電效應(yīng)引起發(fā)射場的不均勻性。根據(jù)互易原理，同樣的發(fā)射線圈用于接受時，會產(chǎn)生和發(fā)射場一樣的非均勻偏差，二者的乘積關(guān)系作用于圖像上。如果使用多通道線圈，用于接收時，情況則會得到改善：在3.0T這樣的高場強下，由于抗電聚焦效應(yīng)，鳥籠式容積發(fā)射線圈中心的B1場較強；多元接收線圈的每個單元的接收靈敏度隨遠離線圈而降低。二者的靈敏度分布互相補償，得到均勻的圖像。（2）基于SENSE的圖像均勻性校正，在進行正式序列掃描前，獲取發(fā)射線圈和多通道接收線圈的低分辨率參考圖像，得到陣列多通道線圈的靈敏函數(shù)，使用得到的靈敏函數(shù)進行SENSE重建，得到均勻的圖像。（3）絕熱脈沖實現(xiàn)均勻壓脂，脂肪壓制需要壓脂脈沖的翻轉(zhuǎn)角180度滿足要求，要實現(xiàn)均勻壓脂需要均勻的翻轉(zhuǎn)角分布，翻轉(zhuǎn)角和脈沖的B1成正比，因此B1均勻性成為壓脂的必要條件，抗電效應(yīng)造成的非均勻的B1分布，影響壓脂的效果。有一類脈沖具有和常規(guī)脈沖的不同的特性；絕熱脈沖對B1場的不均勻性不敏感，當(dāng)射頻功率B1超過一定閾值時翻轉(zhuǎn)角維持不變。只要使用滿足閾值要求的B1幅度，在B1不均勻的情況下，仍能實現(xiàn)均勻的翻轉(zhuǎn)角分布，在B0場均勻的前提下，實現(xiàn)均勻壓脂。（4）使用抗電襯墊改善B1不均勻性使用溶液或生物膠質(zhì)制成的抗電袋放置在腹部，可以在一定程度上減輕抗電效應(yīng)引起的B1不均勻性，改善圖像的質(zhì)量。但是使用外加抗電袋需要考慮；對危重患者，抗電袋的重量會引起不適感；其效果和使用的序列有關(guān)；使用效果的個體差異性；在短TE序列參數(shù)的情況下，附加墊本身的信號可能是可見的；擺放方式影響使用的效果，配方含有順磁性試劑時，得到最佳的抗電補償?shù)臄[放可能帶來靜磁場的畸變，影響壓脂的效果。（5）橢圓驅(qū)動發(fā)射，穿通的單發(fā)射源系統(tǒng)采用正交驅(qū)動。正交驅(qū)動并不能再人體中產(chǎn)生最均勻的B1場。當(dāng)在一定程度偏離正交驅(qū)動時，能夠使人體內(nèi)B1場的不均勻性得到改善。單發(fā)射源系統(tǒng)只能采用固定的設(shè)置，不能對每一個病人進行個性化的調(diào)整。

補償抗電效應(yīng)的根本解決方案：多元發(fā)射高場系統(tǒng)從根本上解決抗電效應(yīng)引起的B1長不均勻性的問題，必須進行射頻發(fā)射勻場，即使用多個視頻源，每個視頻源對應(yīng)獨立的功率放大器，這樣就可以獨立靈活地控制每個發(fā)射源的幅度、相位、波形等參量，多個發(fā)射源對應(yīng)的發(fā)射線圈單元合成均勻的發(fā)射場B1，多元發(fā)射系統(tǒng)能偶施行針對每個病人的個性化RF勻場。為了說明個性化RF勻場的必要性，不同解剖部位的模擬勻場設(shè)置并不重合；所有的模擬值和實際數(shù)據(jù)點偏離原點；不同部位的實際數(shù)據(jù)點有很大的離散性；由于數(shù)據(jù)點的離散型，只有少數(shù)的數(shù)據(jù)點靠近每個部位實際數(shù)據(jù)的平均位置。因此針對每個人體進行個性化的射頻勻場是必要的。如果只是使用固定的平均設(shè)置，就會有相當(dāng)一部分病人得不到最佳的射頻勻場。而只有多源發(fā)射系統(tǒng)才能提供基于個體差異的射頻勻場。

實性射頻勻場帶來圖像質(zhì)量的全面改善：抗電效應(yīng)導(dǎo)致的圖像陰影消失，均勻性提高；翻轉(zhuǎn)角準(zhǔn)確均勻，圖像對比度均勻一致，圖像診斷價值高，有利于定量分析；壓脂效果均勻。均勻的B1場分布不僅消除了圖像的抗電陰影，SAR的分布均勻性得到很大提高，局部高SAR的熱點消失。局部SAR是約束3T掃描速度增加的主要原因，均勻的SAR分布意味著系統(tǒng)可以以更快的速度掃描，消除局部熱點葉同時提高了掃描的安全性。飛利浦Achieva3.0T TX掃描儀解決了抗電效應(yīng)，提高了圖像的質(zhì)量[1]。

總之，超高場下SAR的分布不均勻。不僅有掃描安全的問題，而且會限制掃描的速度，使高場的優(yōu)勢不能得到充分地發(fā)揮。多元發(fā)射技術(shù)通過射頻勻場使SAR的分布均勻化，從根本上解決了局部SAR的安全問題，同時解除了對掃描速度的制約。人體和射頻場之間的相互作用使B1場的分布長線個體差異很大的不均勻性，多源發(fā)射技術(shù)使用多個獨立的發(fā)射源，靈活調(diào)節(jié)相位、幅度、波形、頻率等發(fā)射參數(shù)，進行個性化勻場，改善B1分布使圖像質(zhì)量得到提高，而且能夠提高掃描速度。

參考文獻

飛利浦MRI臨床科研部