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在高磁場中的磁共振成像
摘要：近年來，更多研究員致力于較高的磁場強度(3-4 T)的臨床設定和研究。較高的磁場強度是由于它更高的信號強度，預計提供更高的空間分辨率或減少總的掃瞄時間。雖然除磁共振信號強度外，磁場還有諸多因素，但是相同的成像參數在低磁場強度下可在信號方面呈現出不同，或在3T或更高的磁場強度下從信噪比上形成對比。因此，這些因素在不同的磁場里聯合作用的結果估計在效用方面會有不同。這篇文章闡述了磁共振成像在更高的磁場強度下實際的科學應用。首先，討論了在以前的文獻和實驗中證明過的幾個導致一些實際應用中的磁共振成像的變化，例如阻尼時間，造影劑的影響，射頻線圈的設計，維持一個安全值和磁場強度的轉換。第二，討論了當電磁場（≤1.5T）從3T轉換到4T時，如何才能獲得強磁場的最大效益。此外，還討論了磁共振顯微鏡，它是高磁場強度的一個超前應用，用來對獲得效益和其他因素進行定量估計以幫助確定一個實際可行的成像方法。
1.引言
由于現今技術的發(fā)展，在較高磁場強度下的全身磁共振掃描器 (≥3 T)已被應用在了臨床設定和研究中。起初，安裝在較高的磁場的一個主要原因是大腦的函數磁共振成像依賴于血氧水平的高度敏感度。近來，更多研究員正致力于較高的磁場強度的常規(guī)臨床設定和研究。由于更高的信號強度，對較高磁場下的核磁共振成像的期望是提高信號干擾比，它最重要的好處是縮短成像的時間和實現更高的空間分辨率。問題是當電磁場（≤1.5T）從3T轉換到4T時，如何提高實際的效益。一些研究報告并討論了在較高磁場下核磁共振成像的好處。例如不同腦組織損傷或心臟結構的成像。Dougherty等人發(fā)表了在電磁場4T下前心肌層信號噪聲比是在1.5T下的2.9倍。Bernstein等人展示了在電磁場為3T下的強反差圖像，得出當電磁場為3T時較高的空間分辨率可提高判斷準確性的結論。加之，如果較高的磁場可形成更好的質量的圖像，那么對減少造影劑總注入量的設想就變的可行。例如，血管的核磁共振造影需要覆蓋動脈周圍或肺的很大區(qū)域。盡管這樣的推斷很難證明較高磁場對除信號噪聲比以外的其他圖像的影響。
利用許多理論和實驗研究已經證明磁場依存性。除了信號噪聲比以外，磁場依存性在阻尼時間理論及磁共振造影劑效果中都有明確詳述。決定信號噪聲比的有成像參數，射頻線圈的敏感度和器械調整，如磁場均勻度，激勵脈沖或再聚焦脈沖設置的準確性等等。這些理論和實際操作證實的試驗表明成像因素在不同的成像領域里是不同的。與阻尼時間和磁共振造影劑效果不同，在較高磁場下信號強度的效果需要在幾乎相同的試驗環(huán)境比較。所以，對信號噪聲比和對比噪聲比來說在較高或較低（≤1.5T）磁場下，對他們實際差別的定量是非常必要的。盡管在理論價值上，對信號噪聲比和對比噪聲比的直接比較的研究是相當稀少的。因此，在信號噪聲比中獲得多少效益或者我們如何把一般磁場強度（通?！?.5T）轉換到較高的磁場強度，對此我們依然不明確。在這篇文章里，我們涉及到磁場的相關變化，例如，磁共振信號的圖像，阻尼時間，造影劑的影響， 射頻線圈的設計和安全性。接著，我們將用科學和技術設計出在較高磁場環(huán)境下，相對人類安全的實驗量化磁共振成像，對其進行科學評估。此外就是磁共振顯微鏡的可行性，它將在更高的領域進行前瞻性討論。
2.信噪比和載噪比
在過去十年，針對哪一個是最適合作為磁場強度的問題一直進行著強烈的爭論。對較高磁場強度領域的興趣源自于信號噪聲比隨著場強的增強而增大，并且信號強度和噪音有著不同的磁場依賴性。
信號強度 ∝ 旋轉數×每次旋轉的感應電壓。
如Eq (1)所顯示，理論上，從核共振實驗中得到的信號強度是應遵循在靜態(tài)磁場中旋轉數的兩倍這樣比例的，每次旋轉的感應電壓隨場強的增強而成線性增加。噪聲在靜態(tài)磁場中是成比例的，當所有的噪聲來源于一個樣本，將導致信號噪聲比在靜態(tài)磁場中也是成比例的。另一方面，當所有的噪音來自射頻線圈，噪音與ω1/4成正比，從而導致信噪比與ω7/4成正比。因此，信噪比在4T時將比在1.5T時增加超過2.7倍。如果這是真的，既然信噪比是一些圖像的平均值的平方根，那么要獲得同樣的信噪比所需要的時間就減少一個因素8。為了證實這個理論，我們在這兩個領域作為一個課題對大腦進行了成像。為了使我們盡可能直接的在同臺實驗設備相同實驗課題中用磁共振掃描儀（美國威斯康星州密爾沃基通用電氣系統(tǒng)Signa TM）與配套頭部線圈都進行了4T和1.5T的磁場強度比較 圖1顯示的是T1加權圖像（上）和T2加權圖像（下）中獲得同樣水平的大腦的同一主題。每幅圖片分別獲得與傳統(tǒng)自旋回波序列與同一成像參數為1.5和4T。這些圖像表明即使以相同的成像參數獲得的圖像，各組織之間也會形成鮮明的對比。在定量SI測量中，我們發(fā)現4T時SI增加了白質和灰質的問題（圖1）.此外不同的成像參數下這些增強的比例也是不同的。4T時提供了與1.5T使用相同參數的一個不同的組織，這可能不符合理論值。
3.松弛時間
正如上文所討論，生物組織的信噪比被認定為近似一定比例的電場強度。然而，因為上述理論假設除磁場以外所有參數都是一致的,可能實現的信噪比增益也許會少一點。產生差異的一個原因是增加磁場強度的同時增加了在T1的松弛時間。SI是松弛時間的一個功能，反過來說，也就是磁場的附件[ 3 ] 。從理論上講， T1值增大了大多數生物組織的磁場依賴性，該組織的組織水的相關時間（τc）是大約為10-8秒[ 13 ] ，反之,T2值并沒有改變（圖 2 ） 。類似于人體上的松弛時間已出版了文學作品。 Jezzard等人和 Duewell等人提出了一個關于人體科學的在大腦和一些周邊組織在1.5和4T磁場強度時的類似的T1和T2松弛時間 [ 9,10 ] （表 1 ） 。在任何組織中， T1松弛時間在高磁場有所延長，而T2松弛時間有些縮短。這些結果和以前的報告是一致的（圖2 ）。為了證實這一現象，我們用相同的人身模型在4T和1.5T時對同一帶有磁頭線圈的全身磁共振掃描儀進行實驗[ 14 ] 。每個人體模型包括不同濃度的Gd復雜水溶液代表不同的松弛時間的組織。在這項研究中，列車的自旋回波圖像與不同的紅素或測試獲得了相同的上面描述的商業(yè)臨床用的帶有磁頭線圈掃描器。所有模型的松弛時間（T1 ，T2）在1.5T和4 T時都從擬合曲線上確定了。這次驗證研究結果表明，任何表T1松弛時間， 在4T比在 1.5T要長（ 1.10 -1.47倍），而T2在兩個場強中是相同的或略有縮短（表2 ） 。
此外，一個標準的相對增強磁共振血管造影序列（三維擾相梯度回顧收購或梯度回波同）相同的成像參數序列是用來確認SI的變化。甚至，預計在臨床推廣使用的Gd濃度范圍中，在4T時最高的信噪比與在1.5T時相比增加至少1.59倍。此外，這些信噪比和載噪比的增強功能是一個我們使用的翻轉角功能。這些成果的基礎上，在載噪比中采用高磁場與信噪比中有相同的利益,甚至在每個磁場中沒有最好的成像參數也是如此。
表1 在人體組織中對T1和T2的馳豫時間比較情況 [9,10]
組織 T1(ms) T2(ms)
______________________ ______________ ____
1.5T 4T 1.5T 4T
大腦a
灰質 0.9-1.3* 1.72 77-90 63
白質 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 室溫條件下在摻雜水溶液的時候對T1和T2馳豫時間的比較并修改編號[14]
Gd 濃度 (mmol/l) T1(ms) T2(ms)
_____________________ _____________________
1.5T 4T 1.5T 4T
0 2556 3636 1643 1504
0.125 1067 1566 911 862
0.5 419 562 384 351
1.25 191 253 160 160
2.5 123 142 84 83
5 67 81 43 42
在室溫狀況下梯度回波序列的SI，即松弛時間和最佳翻轉角（a0：恩斯特角）之間的關系 ，可表示如下：
（ 2 ）
和 （ 3 ）
其中，β是比例因子,α是翻轉角。 SI在個別組織任何成像序列條件下取決于其弛豫時間（ T1和T2* ）。這意味著，由于松弛時間在不同的磁場中交替，同一套成像參數將無法獲得同樣的（磁場）強度。由于T1值在高磁場比在低磁場要長，所以在一架TR ，大概翻轉角也是如此，應不再（較小的翻轉角）以在較高磁場優(yōu)化相同樣本的信噪比。使用更長的一架TR ，在較高的場強中SI的優(yōu)勢將是少于在單位時間。換句話說，因為在高磁場強度中通過長的T1松弛時間來加強的主要限制是通過一架TR來反映 ，所以單位時間內的信噪比和恩斯特角度脈沖以及最短可實現價值TR/T1一起被優(yōu)化 。優(yōu)化成像參數的必要性是在以前的工作中被提出的。Keiper等人[15]比較有用的診斷腦白質異常多硬化患者下列優(yōu)化成像參數1.5至4T他們的研究結果表明磁共振成像在4特的強度（ 512 * 256矩陣）中可描繪在1.5 T（ 256 * 192矩陣）中無法檢測到的小病變，這意味著在4T強度中更高的分辨率可以在同一患者用幾乎相同的總掃描時間提供更高的診斷準確性。
由于T2時刻值與T2*的值從理論上講在每一個磁場都是相同的，并且在不同條件下的一些組織中T2*的值比T2時刻值少的很多，因而我們用T2*值取代了T2時刻的值進行研究。而大量磁化系數如下式所示與磁場成正比的關系：
（ 4 ）其中，Δχ是磁化率不同的毗鄰物質，B0（=ω）是靜磁場，R是截面半徑，GZ是讀出的梯度。然而，T2*效應取決于T2在組織1/T2*中與T2’的函數關系（R2*=R2+R2’）較短的T2時刻和T2*時刻，值在較高的磁場強度下會給信噪比和載噪比造成較大的跌幅，預計也會出現在一些組織中，如肺癌。以前我們發(fā)現隨著相對造影劑劑量從0.05—0.2mmol/kg體重的增加，載噪比會增加中央肺動脈，但是周圍肺動脈并沒有增加。因此臨床應用應認真考慮最佳的成像參數，特別是當一個不可取T2*效應可能參與的時候，更應該考慮最佳的成像參數。