1.5T、3T和7T下MR EPT技术核心算法在介电特性非均匀组织中的重建误差研究

发布时间：2017-07-27 14:26

  本文关键词：1.5T、3T和7T下MR EPT技术核心算法在介电特性非均匀组织中的重建误差研究

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【摘要】：生物组织在电磁场作用下表现出一定的电磁特性,即磁特性和电特性。其中磁特性指磁导率μ,由于人体组织属于非磁性物质,其磁导率值接近真空磁导率,因此人体组织的磁导率可以被看作常数；电特性也被称为介电特性,它包括介电常数和电导率,分别用宏观参数ε和σ表示。其中介电常数有时也被称作电容率,同时电导率和电阻抗互为倒数关系,因此电导率也可用电阻抗特性来反映。生物组织介电特性的大小跟多种因素有关：首先,生物组织介电特性具有频率依赖性,当组织处于时谐电场中时,其介电特性同外加电场的频率相关,在不同频率下,组织的介电特性会发生改变,一般随着频率的升高,人体各组织的介电常数随之减小,电导率却反而增大；其次,组织的介电特性还随组织温度变化而变化,不同温度下组织的介电特性是有差异的；另外,组织的介电特性还与组织内离子浓度,蛋白质含量及结合水与自由水的比例等有关,当组织的生理或者病理状态发生改变时,其介电特性也会发生变化。相关文献已表明,人体癌症组织与对应的正常组织的介电特性的差异较大,可达到30%以上甚至几倍,例如在25℃和200MHz条件下,正常乳腺组织的电导率和相对介电常数(相对介电常数为介电常数与真空介电常数的比值)分别为0.12S/m和20.2,而癌变乳腺组织的分别为0.79S/m和60.5,癌变情况下乳腺组织的电导率和相对介电常数值分别约是正常情况下的7倍和3倍。这种由于组织、器官生理或者病理状态发生改变导致的组织介电特性变化,有可能为癌症的早期诊断提供有价值的信息,甚至还有可能用于监测正常组织演化成癌症组织的整个过程。因此,生物组织的介电特性成像具有巨大的临床应用潜力。磁共振介电特性断层成像(Magnetic resonance electric property tomography, MR EPT)是继开端同轴线法、电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography, EIT)和磁共振电阻抗断层成像(Magnetic resonance electrical impedance tomography, MREIT)之后发展起来的新的介电特性成像方法。该成像技术不需要额外的测量电极,也不需要向人体注入电流,只需要使用标准磁共振成像系统和配套射频线圈即可,介电特性成像质量由其仅有的三个成像环节(磁共振图像质量、B1 mapping技术和磁共振介电特性断层成像重建算法)共同决定,相比其他几种技术在临床运用中更具优势。磁共振介电特性断层成像的核心重建算法是wen等提出的以修改了的亥姆霍兹方程为基础的算法,当已知组织内的发射场分布时,便可由该算法求解组织内部的介电特性分布。在推导该算法的过程中需假设组织介电特性在小范围内保持不变,该假设在介电特性均匀的组织负载中应用时是成立的,此时MR EPT核心重建算法的误差较小,由该假设引起的误差可以被忽略。但是MR EPT核心重建算法在介电特性非均匀的组织负载中应用时,由该假设引起的误差比较大。近年来,MR EPT相关研究所采用的场强主要集中在1.5T、3 T和7T,在MR EPT核心重建算法中组织的电导率和介电常数与发射场之间的关系与频率有关,并且在磁共振工程实践中得到的磁共振图像信噪比也随频率增大而增大,所以在不同的场强下,磁共振介电特性断层成像核心算法在非均匀组织中应用时的误差可能不一样。针对磁共振介电特性断层成像核心算法在非均匀组织中存在的误差,目前,相关文献只在3 T场强下分析了该误差,在1.5 T和7 T场强下尚未有文献对该误差进行量化分析。本文分别在1.5T、3T和7T频率下量化分析MR EPT核心算法在非均匀组织中的误差,并对这三个频率下的误差进行比较。MR EPT技术的三个成像环节中,B1 Mapping技术是一个重要组成部分,该环节为后续的介电特性重建提供基础数据,由B1 Mapping技术得到的发射场数据将直接影响到介电特性重建结果的质量。目前,通过B1 Mapping技术可以比较容易地得到发射场的幅度,但由于其相位与接收场相位是混合在一起的,现有技术无法将其分离出来,因而无法直接测量得到,而且在工程实践中测量误差是不可避免的,因此为了能获得较准确的发射场数据,并以此为基础用于MREPT核心算法误差的量化分析,本文借助电磁仿真实验来得到较为准确的发射场的相位和幅度,在尽量减小B1 Mapping技术的影响的情况下,集中研究MR EPT核心算法误差。SEMCAD是一款基于时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)算法的三维全电磁仿真设计软件。本研究中的电磁仿真实验是通过该电磁分析软件来完成的,可以分为五步。第一步,在SEMCAD中建立一个高通鸟笼线圈。高通鸟笼线圈由16个支柱、2个圆环、2个单位电流源和32个电容组成,其中16个支柱两两平行,分布于2个圆环之间,相邻支柱间的间隔相等,每个圆环上等间隔分布有16个电容,2个电流源位于同一圆环上,电流方向相反；第二步,建立介电特性非均匀的电磁模型。该模型是由40个介电特性均匀的薄片沿x方向(平行于鸟笼线圈腔体方向为Z轴方向)叠加组成的一长方体模型,各薄片的介电特性随x正方向线性增大,整个模型的介电特性变化范围涵盖了人体大脑主要组成成分(白质、灰质和脑脊液)的介电特性值(128MHz,37℃)。第三步,获取1.5T、3T和7T频率下非均匀电磁模型的发射场分布。将长方体模型置于高通鸟笼线圈中心,通过调节鸟笼线圈2个环上电容的电容值,使线圈分别在64MHz(1.5T)、128MHz(3T)和298MHz(7T)频率下达到谐振状态,并对电磁计算区域进行网格划分,然后运行软件,进而获得非均匀电磁模型的发射场分布。第四步,利用MR EPT核心算法计算得到成像区域组织介电特性分布。从根本上讲,磁共振成像系统是负载与特定电磁场相互作用的系统,因此它检测到的信号必然携带负载内部的电磁特性分布信息。MREPT核心算法建立了负载介电特性与所测得的电磁场(发射场)之间的直接关系,获得负载的发射场分布后,便可由MR EPT核心算法求出负载的介电特性分布。第五步,计算介电特性重建结果的误差。在SEMCAD中,获取电磁模型磁场分布的同时还可以获得电磁模型内部真实的介电特性分布,借助模型的真实介电特性分布,便可以计算介电特性重建结果的误差。本研究分别计算重建结果的绝对误差和相对误差分布,用它们来评估重接结果误差的分布情况,除此之外还求得每幅重建图像模型区域内的平均相对误差,以此来评估整个重建区域误差情况。为了更加全面的考察MR EPT核心算法在非均匀电磁模型中应用时的误差情况,本研究分别计算了电磁模型在垂于x、y和z轴方向的截面上介电特性重建结果的误差。电磁模型同一截面上介电特性重建结果的相对误差随着场强的升高而降低。当场强分别为1.5T、3T和7T时,垂直于x轴方向的平面上电导率重建结果的平均相对误差分别为3.33%、2.21%和1.28%,相对介电常数的分别为20.70%、11.22%和5.21%；垂直于y轴方向的平面上电导率重建结果的平均相对误差分别为7.06%、6.85%和5.14%,相对介电常数的分别为18.24%、6.30%和2.51%；垂直于z轴方向的平面上电导率重建结果的平均相对误差分别为8.15%、7.12%和5.47%,相对介电常数的分别为25.72%、10.57%和3.98%。本课题比较了1.5 T,3 T和7 T下MR EPT核心算法在非均匀组织中的重建误差。在不同场强下,该算法的重建误差不同,随着场强的增大,重建结果的误差减小。当场强为最大值7T时,电导率和相对介电常数的平均相对误差可分别减小为1.28%和2.51%。本文在不同频率下MR EPT核心算法在非均匀组织中的重建误差的分析结果,对高精度的MR EPT重建技术有一定的参考价值,为推动将这一新技术早日应用到癌症早期发现临床诊断中做出贡献。
【关键词】：磁共振介电特性断层成像 组织介电特性 非均匀模型 场强 误差分析
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R312
【目录】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 绪论14-17
• 第二章 生物组织介电特性相关研究概述17-43
• 2.1 生物组织介电特性的含义及其研究意义17-19
• 2.1.1 生物组织介电特性的含义17
• 2.1.2 生物组织介电特性的研究意义17-19
• 2.2 生物组织介电特性的测量方法19-43
• 2.2.1 开端同轴线法19-27
• 2.2.2 MR EIT技术27-34
• 2.2.3 MR EPT技术34-43
• 第三章 不同场强磁共振系统中MR EPT核心重建算法在非均匀组织中的误差研究43-59
• 3.1 引言43-44
• 3.2 模型建立及射频场计算44-45
• 3.3 组织介电特性重建45-46
• 3.4 误差计算46
• 3.5 结果与讨论46-59
• 3.5.1 垂直于x轴的平面46-51
• 3.5.2 垂直于y轴的平面51-55
• 3.5.3 垂直于z轴的平面55-59
• 第四章 总结与展望59-60
• 参考文献60-67
• 攻读学位期间成果67-68
• 致谢68-69

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本文编号：581875