调整射频增益在改善心脏磁共振图像均匀性中的应用

黄欣,王歌亮,赵文哲,王怡名,宋哲凡,李延寿,郭建新

(西安交通大学第一附属医院医学影像科,陕西西安 710061)

高磁场磁共振具有超高的空间分辨率和软组织对比度,目前已被广泛应用于临床[1]。针对心脏成像,心脏磁共振因其无辐射、无创、多参数、时间与空间分辨率高等特点,已成为心功能成像的金标准[2]。在磁共振扫描中,信号的不均匀常会降低图像的信噪比,严重影响临床的诊断。之前的研究表明,通过手动调整射频发射增益值(transmit gain,TG)可改善磁共振乳腺动态增强图像均匀度[3]。虽然目前没有直接研究表明通过调整增益可改善心脏磁共振检查中的信号均匀性,但相关研究已为本研究提供了一定的可行性。本研究旨在探讨通过调整射频增益值来改善心脏磁共振的信号均匀性。

1 资料与方法

1.1 研究对象

数据收集于西安交通大学第一附属医院,时间为2018年7月至2018年9月。本研究遵循的程序符合医院医学伦理委员会制定的标准,得到伦理委员会的批准。所有受试者均签署知情同意书。纳入标准:①无磁共振检查禁忌证;②窦性心律且率齐;无其他异常;③对研究知情同意。排除标准:①心肺功能异常,无法配合磁共振检查;②严重心律失常;③磁共振检查禁忌证;④幽闭恐惧症;⑤外部原因导致图像质量较差,无法进行评估。最终,本研究纳入11例志愿者,年龄20～53岁,平均年龄32.41岁。按照志愿者的体质量指数(body mass index,BMI)将数据分为正常组和超重组:正常组(18.5 kg/m2＜BMI＜23.9 kg/m2),超重组(BMI≥24 kg/m2)。

1.2 仪器与扫描方法

所有志愿者均使用美国GE Discovery 750 3.0T超导磁共振扫描仪进行数据采集,扫描仪配置32通道心脏专用相控阵线圈及心电门控和呼吸门控,采用黑血双反转恢复序列获得T1加权和T2加权图像,屏气黑血三反转恢复序列获得FST1 加权和FST2加权图像。

扫描参数:层厚8.00 mm,矩阵256×160,带宽±100 MHz,视野35 cm×35 cm,回波长度10 ms。T1加权图像:TR 857 ms,TE 8.0 ms;T2 加权图像:TR 984 ms,TE 82.9 ms;FST1加权图像:TR 909 ms,TE 8.0 ms;FST2加权图像:TR 1017 ms,TE 82.9 ms。我们将增益设置为0进行了图像采集,所得图像中心信号消失,图像无法诊断,如图1所示,因此本研究未将TG=0 设置为对照。本研究将增益值设置为150、160、170、180、190,所有序列在不同增益脉冲下进行图像采集。

图1 增益(TG=0)的黑血三反转心脏短轴图像,图像中心信号消失,图像无法诊断Fig.1 The short-axis image of black blood three-inversion heart with gain (TG=0).The signal in the center of the image disappeared,and the image could not be diagnosed.

1.3 图像分析

扫描获得的图像导入GE ADW4.6工作站进行分析。图像质量由两名经验丰富的影像科医师根据双盲法原则采用四分法分别进行评分。国际心脏磁共振影像质量评价标准:1分表示图像伪影严重,无法清晰显示组织结构及信号;2 分表示图像伪影中等,组织结构及信号中度伪影;3分表示图像轻微伪影,组织结构及信号较清晰;4分表示图像无伪影,组织结构及信号显示清晰[4-5]。

1.4 统计学分析

本研究的统计均基于SPSS完成,计量资料以均数±标准差表示。对不同增益脉冲下扫描的图像,分别计算所有志愿者图像的平均分,利用方差分析比较不同组图像的质量。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 研究对象的基本情况

共入组11例完成心脏磁共振检查的志愿者,其中男性志愿者6例,女性志愿者5例。根据BMI分组,正常组包括6例志愿者,超重组包括5例志愿者。两组间体质量和BMI存在统计学差异,其他均无统计学差异(表1)。

表1 研究人群的一般资料Tab.1 General information of the study population

2.2 BMI正常组的图像分析

图2显示了正常组的心脏磁共振图像,通过对不同增益值的图像进行分析发现,改善增益可有效消除图像中存在的明显的信号丢失暗带。

图2 正常组不同增益脉冲的图像比较Fig.2 Image comparison of normal group recombination with different gain pulses

对于屏气黑血三重反转恢复序列(FST1加权图像和FST2加权图像),增益的过量增加导致脂肪抑制和黑血效果的恶化。对FST1加权图像,增益值为150、160、170、180 和190 的图像质量评分分别为(3.333 3±0.651 3)、(3.916 7±0.288 7)、(3.666 7±0.492 4)、(3.166 7±0.717 7)和(2.333 3±0.984 7)。最佳增益为160,与增益为150、180和190组比较均具有统计学差异(P=0.009 6、0.002 8、0.000 1),与增益为170组比较不具有统计学差异(P=0.081 9)。

对FST2加权图像,增益值为150、160、170、180和190的图像质量评分分别为(3.083 3±0.793 0)、(3.333 3±0.798 5)、(3.250 0±0.866 0)、(2.666 7±0.985 7)和(2.000 0±0.852 8)。最佳增益为160,与增益为180和190 组比较均具有统计学差异(P=0.038 8、0.003 2),与增益为150和170组比较不具有统计学差异(P=0.444 1、0.806 5、0.079 3)。

对于屏气黑血双反转恢复序列T1加权图像,增益值为150、160、170、180和190的图像质量评分分别为(3.333 3±0.492 4)、(3.666 7±0.492 4)、(3.833 3±0.389 2)、(3.333 3±0.492 4)和(2.333 3±0.984 7)。最佳增益值为170,与增益为150、180和190组比较均具有统计学差异(P=0.011 4、0.011 4、0.000 1),与增益为160 组比较不具有统计学差异(P=0.367 3)。

对于屏气黑血双反转恢复序列T2加权图像,增益值为150、160、170、180和190的图像质量评分分别为(3.000 0±1.044 4)、(3.500 0±0.797 7)、(3.416 7±0.668 6)、(3.166 7±0.717 7)和(2.250 0±0.753 8)。最佳增益值为170,与增益为190组比较具有统计学差异(P=0.000 7),与增益为150、160和180组比较不具有统计学差异(P=0.201 1、0.784 1、0.293 6)。图3所示为正常组不同增益的图像质量评分箱形图。

图3 正常组不同增益脉冲的图像质量评分箱形图Fig.3 Box plots for scoring image quality of different gain pulses in the normal group

2.3 BMI超重组的图像分析

对于超重组志愿者(BMI≥24 kg/m2),增益值的增加不能提升图像质量,反而导致所有图像的质量下降,特别是在脂肪抑制和黑血效应及心肌信号均匀性方面(图4)。

图4 超重组不同增益脉冲的图像比较Fig.4 Image comparison of super-recombined pulses with different gains

对屏气黑血三重反转恢复序列FST1加权图像,增益值为150、160、170、180和190的图像质量评分分别为(3.200 0±0.421 6)、(3.800 0±0.421 7)、(3.700 0±0.483 1)、(3.100 0±0.567 6)和(2.100 0±0.737 9)。最佳的增益为160,与增益为150、180和190组比较均具有统计学差异(P=0.005 2、0.005 8、0.000 1),与增益为170 组比较不具有统计学差异(P=0.627 8)。

对屏气黑血三重反转恢复序列FST2加权图像,增益值为150、160、170、180和190的图像质量评分分别为(3.400 0±0.516 4)、(3.800 0±0.421 7)、(3.600 0±0.516 4)、(2.700 0±0.948 7)和(1.700 0±0.675 0)。最佳的增益为160,与增益为180和190组比较均具有统计学差异(P=0.003 6、0.000 1),与增益为150和170 组比较不具有统计学差异(P=0.073 9、0.355 3)。

对于屏气黑血双反转恢复序列T1加权图像,增益值为150、160、170、180和190的图像质量评分分别为(3.000 0±0.471 4)、(3.600 0±0.516 4)、(3.900 0±0.316 2)、(3.600 0±0.516 4)和(2.300 0±0.675 0)。最佳增益值为170,与增益为150和190组比较均具有统计学差异(P=0.000 1、0.000 1),与增益为160和180组比较不具有统计学差异(P=0.134 6、0.134 6)。

对于屏气黑血双反转恢复序列T2加权图像,增益值为150、160、170、180和190的图像质量评分分别为(3.300 0±0.483 0)、(3.700 0±0.483 0)、(3.800 0±0.421 6)、(3.300 0±0.483 0)和(2.200 0±0.788 8)。最佳增益值为170,与增益为180和190组比较均具有统计学差异(P=0.023 9、0.000 1),与增益为150和160 组图像比较不具有统计学差异(P=0.023 9、0.627 8)。图5所示为超重组不同增益的图像质量评分箱形图。两位影像科医师评价了所有序列在不同增益脉冲下的图像质量。对两名影像诊断医师的主观评分进行一致性检验的结果显示,两位医师的的一致性良好(kappa均大于0.60)。

图5 超重组不同增益的图像打分箱形图Fig.5 Super-recombination of image scoring box plots with different gains

3 讨 论

本研究表明,调节射频增益值可以在一定程度上改善心肌的信号均匀性。在正常组和超重组,对黑血三重反转恢复序列(包括FST1 加权图像和FST2加权图像)的最佳增益为160;对黑血双反转恢复序列(包括T1加权图像和T2加权图像)的最佳增益为170。

在磁共振成像系统中,磁场的不均匀性主要来自两个方面。一个是由射频线圈与人体之间存在相互电磁产,射频线圈产生的射频电磁场与人体相互作用,产生的抗电共振现象以及射频电磁场振幅相长和相消的复杂干涉机制,会造成人体内部磁场的分布不均匀[3,6];另一个是由于射频线圈缠绕的物理限制以及无法做到精准的电磁控制导致[3]。在人体心脏磁共振成像中,由于心脏的运动,血液边界和线圈敏感性问题使不均匀性放大,从而导致信号丢失,对诊断造成不利的影响[7-8]。

王文生等[3]将调整射频发射增益用于3.0T 磁共振乳腺动态增强成像中,在实际工作中,进行乳腺扫描时经常会出现左右两侧腺体严重的图像不均匀,这种图像不均匀会严重影响诊断;他们通过调整TG改善这种不均匀,并且对胸壁和腺体信号强度进行测量,发现可以手动调整TG 值可以极大改善图像均匀度而且对于一般体质量的患者TG 调节至120左右即可。每个序列在预扫描时会根据患者体重匹配适合的SAR值,同时找到一个能产生最大信号强度的射频增益。大部分情况下,系统自己计算的射频增益能够满足信噪比、图像均匀度、SAR 值等成像要素间的相互平衡,但是3T 上无法做到精准的电磁控制,导致射频场一定程度的不均匀,并且单射频系统对射频场不均匀会有放大效应,使得系统计算的TG 值不是非常准确,造成图像信号不均匀。我们对正常组和超重组进行不同增益脉冲(150、160、170、180和190)下的黑血双反转恢复序列和屏气黑血三反转恢复序列扫描,发现对于黑血三重反转恢复序列TG 调整为160即可,对黑血双反转恢复序列TG 调整为170即可。综上,调节增益的使用可大大改善均匀性,而不会出现信号丢失,并改善心脏磁共振信号的均匀性,对临床诊断具有很大帮助。

本研究的局限性:①入组的志愿者数量偏少,在统计上可能会由于数据量过小而带来统计偏差。但我们以往的研究发现,通过对TG 值进行调整可以明显改善乳腺图像的均匀度;近期在心脏黑血MRI中的研究发现,射频增益技术可以有效改善心脏黑血图像质量,提高心肌信号的均一性。因此,调节增益值可以改善心肌信号均匀性,从而提高图像的质量[3,9]。②虽然本研究的图像质量评估由两名影像科医师分别独立完成,但仍存在一定的主观性。在未来的研究中,我们还会采用客观的评价指标来评估图像的质量。③本研究仅评估了左心室短轴的心肌情况,没有对其他层面进行分析。④序列的翻转角、射频、增益、患者体质量、序列参数、通道设计等很多因素都会影响到实际的成像效果和图像均匀度,在目前的研究中,我们还未能考虑这些影响因素。

综上,本研究发现,通过调整增益值可大大改善图像的不均匀性,从而提高图像的质量,有利于图像诊断,对实际临床工作具有指导性的重要意义。