混合模态个性化电磁模型研究及其在胎儿磁共振中的应用

发布时间：2017-06-28 09:10

  本文关键词：混合模态个性化电磁模型研究及其在胎儿磁共振中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)的发展期开始于1978年,随后逐渐发展为一种普遍的影像检查技术。磁共振(Magnetic Resonance,MR)设备与目前其他的影像设备比,它具有成像参数多、无辐射、对比度特性丰富等优点,现如今它在临床有着广泛应用,对人类各种疾病的诊断有着相当重要的作用。MRI的物理基础是核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)现象,其具体的工作原理是MRI对静磁场中的人体施以特定频率的射频脉冲,使得氢质子被激励而发生核磁共振现象,在停止脉冲之后,质子在弛豫过程中产生MR信号,之后需要对MR信号进行空间编码、图像重建才能获得最终的MR图像。MRI有分辨率高、无辐射损伤、多参数成像、可以任意层面成像等,同时它在用于生物体结构、新陈代谢的研究中也有着举足轻重的作用,现在也在生命科学以及临床诊断方面有着广泛的应用。MR较现在比较常用的X线成像、计算机断层扫描(Computed Tomography, CT)、超声三种医学影像检查方法来说有以下优点：软组织分辨率高以及组织对比度特性丰富,对人体的肌肉、肌腱、筋膜等精细结构的成像效果好；全方位任意断层成像,在三维空间上可以全面显示人体的各个组织器官；可以多参数成像,临床中常用的MRI参数有横向弛豫时间、纵向弛豫时间、质子密度、体内液体流动等,通过各个参数之间的调节,然后再结合其他的技术可以极大的获得更多的诊断信息,更有利于诊断医生对疾病的诊断与治疗；磁共振系统的射频(Radio Frequency,RF)脉冲工作主要是氢质子在射频电磁场的激发下产生高能态与低能态间的转换,所以说受检者不会受到电离辐射的损害；在进行心脏和血管成像是不需要注射造影剂,可以减少病人由于进行插管以及造影剂静脉注射带来的痛苦和风险。与此同时MRI以它比较高的软组织对比度、无电离辐射和多参数成像的优势在临床上也被广泛应用于对孕妇和胎儿的成像,并在胎儿疾病的诊断方面应用广泛。与临床上常规的超声检查相比,胎儿MR成像可以提供更多有价值的诊断信息。MR同样也存在以下问题,主要表现在：由于磁共振设备成本高而带来的磁共振地检查费用也高出一般的临床成像检查费用很多；进行磁共振扫描时数据的采集需要时间较长,磁共振成像的速度也相对较慢；MRI要求和禁忌比较多,比如金属物品会在扫描时对磁场产生影响,为避免其对图像质量产生影响,受检者在进行磁共振扫描时不能携带任何金属物品。所以说体内装有心脏起搏器或者有金属植入物的受检者都不适合进行MRI检查,正是由于电磁场的问题,现在磁共振检查室内依旧不能使用其他监护、抢救类的设备,故MR一般不用于急诊和病情危重的病人做检查；病人的呼吸及身体的移动等都会给图像带来伪影,MR图像极易受这些伪影的影像而降低图像的质量；在进行MR扫描时,由于射频发射线圈激励产生的射频电磁波与人体组织之间发生相互作用时有可能会导致组织发生热损伤。即在高场磁共振中进行MR扫描时人体内部的射频能量沉积是一个重要的安全问题。国际上通常采用特定射频能量吸收率(specific absorption rate, SAR)来衡量人体对射频能量的吸收情况,同时设定对应的阈值作为安全标准。依据现有的标准,SAR值通常被划分为全身SAR值、部分身体SAR值和局部SAR值。全身SAR值或部分身体SAR值,是指较大范围内人体组织吸收的射频能量功率的平均值,而local SAR值则是指在一个定义的时间内在任何10克或1克的组织中的射频能量沉积。另一方面,由于MR在对胎儿检查方面也面临着很多挑战,比如母体不舒服性,技术方面的挑战和专业人员的缺乏等问题,尤其是对胎儿MRI检查时的SAR安全性问题。为降低胎儿磁共振的SAR值,相关的研究中提出可以应用高介电材料(High dielectric material, HDM)来降低SAR值以提高磁共振成像的安全性。由于local SAR值不能直接介入人体内进行测量,所以在相关的调查研究中通常会使用数值电磁模型进行局部SAR值的研究。而人体解剖的数值电磁模型在生物电磁领域中相关的计量学、组织间交互的研究中有超过30年的广泛应用。特别地,它们对MR尤其是磁共振射频(RF)场中的人体内部的电磁行为的研究有着重要的应用。在相关的文献中已经提出了各种各样的电磁模型,这些模型在模型分辨率和分割的组织类型数量上覆盖范围广泛。例如,由四个解剖全身模型(34岁男性,26岁女性,11岁女性,6岁的男性)组成的虚拟家庭(Virtual Family)模型,这个模型被广泛的应用于仿真研究中；同时还有由Peter J Dimbylow提出的包含大约900万像素点使用分辨率为2毫米的人体体模同时分割了37种组织类型的诺曼(NORMAN)模型等等。由于不同病人个体的形状(主要由于几何形状)对局部SAR值的测量影响很大,所以上面提到的人体数值电磁模型对于局部SAR值的计算并不理想。因此,我们需要使用个性化数值电磁模型为获得高场MRI中精确的局部SAR值分布。在此之前Jin Jin和Feng Liu等已经提出了在MRI中使用个性化模型来提高SAR值评估的概念。他们建立个性化电磁模型的方法是,使用已有的MRI图像和组织库为基础,建立一个可行的指标用于评估图像的相似性从而选择出用于匹配的模型。图像的配准技术被用于调整MRI图像和组织库的相应属性以获得最终的个性化体素模型。这个方法很大程度上提高了评估SAR值的准确度,但是它仍然存在不足,比如MRI图像和组织库中的组织形状大小的数量有限等等。Xin等人介绍了一个使用CT图像建立一个个性电磁模型并对其在MRI中的射频场进行分析。但是,那个只包括6种组织的模型并不是足够的精确。而且这些模型都是使用单一的CT或者MR图像模态建立的。鉴于CT有优良的密度分辨率,而MR对软组织的分辨率高,所以单一的使用其中任何种图像模态建模都是不够精确的。本论文提出使用混合模态建立一个包含9种组织的精细个性化电磁模型的方法,并在3T场强下对所建立的模型使用SEMCAD软件进行电磁仿真获得其B1场和SAR值的分布。另外我们通过把HDM应用到基于此混合模态个性化电磁模型建立方法所建立的胎儿磁共振图像(fetus MRI)中,并对fetus MRI的安全性进行了初步研究。主要实验是在3T场强下使用SEMCAD软件进行电磁仿真来研究通过使用HDM降低fetus MRI中的SAR值以提高其成像安全性的可行性,并对结果进行分析,同时也计算出了具体的SAR值降低幅度。结果表明通过调整HDM的厚度、介电常数以及其在孕妇模型中放置的策略位置可以相对有效的减低fetus MRI中的SAR值,保证fetus MRI中的SAR安全性。本论文中通过对混合模态个性化电磁模型的实验结果的研究与讨论,我们得出以下结论,使用混合模态图像建立的人体个性化电磁模型对传统形式下基于单一模态图像建立的人体通用电磁模型中local SAR研究存在的误差有一定的研究,能够提供更好的预测B,+场和SAR值的分布。对于高能非电离电磁场作用于人体时,其在人体内能量分布的计算以及场的分布有一定的参考价值。这也更有利于分析在高场MRI中的local SAR的安全性问题,同时也能更好的帮助人们评估在广泛的电磁场分布环境中的射频能量吸收量。下一步工作中,我们致力于实现手动分割到自动分割的转变,提高建模的效率也使后续实验更为快速顺畅的进行。另一方面,在对基于混合模态个性化电磁模型建立方法建立的fetus MRI的安全性的初步研究中,我们得到在3T下使用适当的含有最优的介电常数的HDM放置在fetus MRI的适当的策略位置在下,可以相对有效的减低其SAR值,保证其SAR安全性。在接下来的研究中,我们希望使用HDM可以提供一个简单有效而且低成本的方法去降低3T下的fetus MRI的SAR值。
【关键词】：磁共振成像 混合模态 胎儿磁共振成像 local SAR B_1场
【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】：R445.2;R714.5
【目录】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-17
• 1.1 磁共振成像发展13-14
• 1.2 研究背景14-16
• 1.3 本文的主要工作16
• 1.4 本文的结构16-17
• 第二章 MRI基本原理及射频电磁场数值分析方法17-32
• 2.1 MRI的物理基础17-19
• 2.1.1 原子核自旋与磁矩17
• 2.1.2 外磁场的原子核17-18
• 2.1.3 核磁共振现象18-19
• 2.2 MR信号19-21
• 2.2.1 弛豫和弛豫时间19-21
• 2.2.2 磁共振信号的产生与检测21
• 2.3 MRI的空间定位21-23
• 2.3.1 层面选择21-22
• 2.3.2 频率编码和相位编码22-23
• 2.4 磁共振成像设备组成及其功能23-25
• 2.4.1 主磁体23-24
• 2.4.2 梯度线圈24-25
• 2.4.3 射频线圈25
• 2.5 MRI射频电磁场数值分析方法25-32
• 2.5.1 射频电磁场与人体组织相互作用25-27
• 2.5.2 时域有限差分方法(FDTD)27-32
• 第三章 混合模态个性化电磁模型的建立与研究32-42
• 3.1 个性化电磁模型的重要性32
• 3.2 混合模态个性化电磁模型的建立32-35
• 3.3 仿真实验35-36
• 3.4 结果与讨论36-42
• 第四章 基于混合模态电磁模型的胎儿磁共振安全研究42-54
• 4.1 胎儿磁共振介绍42-43
• 4.2 高介电材料(HDM)应用43
• 4.3 实验方案43-45
• 4.4 结果与讨论45-54
• 第五章 总结和展望54-55
• 参考文献55-64
• 硕士期间学术成果64-65
• 致谢65-66

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