人体组织介电特性磁共振断层成像(MR EPT)技术的研究

人体组织介电特性磁共振断层成像(MR EPT)是利用磁共振射频发射场中包含了组织介电特性分布信息的原理,通过检测磁共振射频发射场,再利用一定的重建算法,得到人体组织介电特性断层成像的新技术,是近几年磁共振领域的前沿研究之一。本文旨在介绍MR EPT基本原理,并以头部组织MR EPT成像为例进行说明。

磁共振组织介电特性断层成像在癌症早期发现中的应用

基于新原理、新机制、新材料、新发现的新型成像前沿技术研究及其实现将为早期诊断、精确诊断、微创治疗、精准治疗提供核心技术支撑。"高场磁共振新成像机制-组织介电特性断层成像技术及其在临床乳腺、颅脑肿瘤诊断中的应用研究"项目获得首批国家重点研发计划项目支持,该项目将开展磁共振组织介电特性断层成像(MR EPT)技术研究,以实现无创高分辨率组织介电特性断层成像,并在临床乳腺、颅脑肿瘤诊断中开展应用研究。鉴于组织癌变后其介电特性改变较大,介电特性改变甚至达到几倍以上,MR EPT技术有望为肿瘤早期发现带来新的工程技术手段。

人体组织电特性磁共振断层成像(MR EPT)技术进展

科学研究早已证实,人体组织的电特性参数(包括电导率和电容率)在正常组织与肿瘤组织之间差异较大,因此测量人体活体组织的电特性参数变化有可能成为肿瘤早期诊断的有效手段。磁共振成像(MRI)本质上是非电离电磁场,即强的静磁场、梯度磁场和射频电磁场与人体组织的相互作用,因此MRI影像信息中必然包含人体组织的电特性信息。MRI领域近年来新兴的研究热点之一人体组织电特性磁共振断层成像(MR EPT)技术,其就是研究如何从MRI影像信息中有效提取人体组织电特性信息。本文概述MR EPT技术的产生背景,从反映电磁场基本运动规律的麦克斯韦方程组出发,解析给出MR射频场与人体组织电特性参数之间的量化关系,深入剖析了3 T和7 T不同场强下MR EPT成像方法的国际研究进展以及潜在的技术突破口。同时,还介绍目前运用MR EPT技术开展的动物实验和前期临床人体测试等情况,展示这一新兴技术的诱人前景。

高分辨率磁共振电特性成像及脑肿瘤诊断初步研究

由于离子浓度变化等因素,正常组织和肿瘤组织的介电特性有显著的差异。采用磁共振介电特性成像重建电导率和介电常数分布,有可能跟踪肿瘤演进。该文推导出单一人体组织匀质条件下的新介电特性重建算法,为减小拉普拉斯运算引入的噪声,提出控制步长方法以提高图像数据的抗噪性。以正交单通道鸟笼型线圈和杜克头数据模型为对象,由Sim4Life软件仿真验证新介电特性重建算法的准确性。在GE 3T磁共振机Discovery MR750W平台上,结合稳态自由进动序列,采集了1例脑转移肿瘤被试的射频磁场数据,完成了单倍和2倍步长下的电导率分布重建。与原始相位像相比,电导率重建像的结构分辨力有明显提升。未来,新型磁共振介电特性成像与正电子发射断层成像等融合,有望在肿瘤的早期诊断方面取得应用。

基于高场3 T磁共振的人体组织电特性成像

结合现代的影像学方法,提出了一种基于磁共振成像的生物组织电特性成像方法.根据磁共振图像扫描信号中包含目标体的电导率和介电常数等信息这一原理,从法拉第定律和安培定律出发,推导出了激励射频磁场与电特性之间的关系.利用基于双角度法的自旋回波扫描序列,对志愿者头部进行了高场3 T下的磁共振成像实验,初步得到了质子密度像、射频场映像以及相应的电特性像.改进的算法中引入梯度项后,图像上不同组织内部的电特性变化更加明显.与传统电阻抗成像以及常规磁共振成像相比,本文的新型磁共振电特性成像兼具高对比度和高分辨率的特点,作为一种功能成像,有望在相关重大疾病的预防和诊断方面发挥作用.

磁共振电特性成像人体腹腔癌症仿真研究

将磁共振电特性成像（MREPT）方法用于人体腹腔部位,考察该成像方式用于人体腹腔肝癌及胰腺癌诊断的可行性. 采用鸟笼线圈同时作为射频发射和接收,基于射频发射场测量值重构人体腹腔内组织的电导率和相对介电率.包含1 0 种组织的人体腹腔模型上的仿真结果表明：在信噪比SNR= 3 0 的情况下,M REPT能够检测出位于组织内部半径为3 c m 的肝癌肿瘤和半径为1 c m 的胰腺癌肿瘤;由于逆问题重构公式中均质电特性的假设及拉普拉斯卷积的共同作用,可能无法检测出位于组织边界处的小体积癌症肿瘤.拉普拉斯卷积核的大小对重构结果的影响很大,在无噪声情况下,3 × 3 × 3 的卷积核的重构效果最好,但当SN R = 30.1 2 0 时,5 × 5 × 5 的卷积核是最佳选择.

磁共振拉莫尔频率下生物组织介电参数温度特性

磁共振成像(MRI)在生物医学上的应用越来越广泛,其中在肿瘤热消融过程中进行图像引导和温度监控是很有前景的应用之一。肿瘤组织接受热消融时,会在体内形成一定的温度梯度分布,由于组织介电特性是温度的函数,热消融引起的温度梯度会改变人体组织的介电特性分布,进而改变磁共振(MR)射频电磁场在组织内的分布,这种射频电磁场分布的改变将直接影响MRI质量和温度监测结果。同时组织的介电特性又是频率的函数,因此研究组织介电特性在MR不同拉莫频率下随温度的变化规律,对MRI引导的热消融治疗研究等具有重要价值。然而,组织在MR拉莫频率下的温度特性的相关研究未见文献报道。本文采用开端同轴传输线测量方法,研究了猪肝脏和膀胱组织介电特性在42.58MHz(1 T)、64 MHz(1.5 T)、128 MHz(3 T)、170 MHz(4 T)、298 MHz(7 T)、400 MHz(9 T)、468 MHz(11 T)等不同拉莫频率下随温度的变化规律,为相关研究提供基础数据支撑,部分填补了组织在MR拉莫频率下的温度特性研究空白。

永磁体磁共振电特性成像方法研究

磁共振电特性成像,是利用磁共振原始数据对被测生物组织的电特性进行重建的一种成像方法。利用有限元仿真软件,建立0.4 T主磁场下的射频线圈模型,测量仿真中射频场的分布情况。通过射频场空载和负载下射频场的均匀性,证明电特性的不同影响射频场的分布。用0.4 T永磁体磁共振设备对仿体和人体头部进行实验,并根据仿真数据和实验数据对电特性进行重建。结果表明,低场磁共振电特性在有无负载下,感兴趣区域的磁通密度均匀性相差将近4倍,磁通密度模值明显增加,这为磁共振电特性低场下发展提供一定的参考。

基于Bloch-Siegert Shift的7.0 T磁共振电特性成像研究

磁共振电特性成像是一种不同于质子密度成像的方法,该研究基于Bloch-Siegert shift(BSS),首先重建了射频场幅度,计算得到介电常数的分布,而射频场的相位是由磁化强度的相位分量近似得到,进而计算得到电导率的分布。实验利用Bruker 7.0 T磁共振设备,对两种水模和活体Balb/c小鼠进行了成像,得到电特性图像。结果表明,Bloch-Siegert B1+映像在成像效率上显著优于双角度B1+映像。该研究可为组织电特性的B1场成像选取合适的B 1mapping技术提供参考,为推动磁共振电特性的实用化提供基础研究支持。

头部异物两步核磁共振电阻抗成像仿真研究

在三层球和真实形状头模型(包括头皮、颅骨和大脑)上,采用基于径向基函数(RBF)神经网络的两步核磁共振电阻抗成像(MREIT)算法,对颅内病变组织阻抗成像进行了仿真研究.使用高分辨率的核磁共振成像系统对人体头部进行三维构建和不同组织边界区分,利用两步基于径向基函数神经网络的MREIT算法分别对颅内病变组织均匀阻抗和非均匀阻抗(每个单元的电阻抗值)分布进行估计.该两步MREIT算法适用于人体头部复杂组织结构的阻抗成像,仿真实验表明,采用MREIT技术对颅内占位性病变组织(血肿或脑瘤)的阻抗成像过程简单,重构的阻抗图像具有较高的精确性,算法具有一定的抗噪性能.

同时工作于四种频率的多频电阻抗断层成像系统

目的建立一个可减小组织阻抗动态变化影响的多频电阻抗断层成像数据采集系统。方法采用数字合成技术产生含有4种频率分量的激励信号,将其注入成像目标,然后采用正交序列数字解调法提取各频率分量下的阻抗信息。结果所实现的成像系统可工作于1.6～380kHz。在100kHz时,该系统仍具有65dB的共模抑制比。工作频率范围内,100Ω电阻上的测量精度优于-80dB。基于物理模型的成像结果可清楚的反映出模型内阻抗实、虚部等参数的变化情况。结论所建立的多频成像系统具有较高的测量精度,能够满足多频成像研究需要。

生物电阻抗脑断层成像正向问题仿真研究

目的 建立大脑的生物电阻抗模型 ,仿真研究生物电阻抗脑断层成像正向问题 .方法 利用大脑的磁共振成像结果构造模型 ,采用有限元方法计算正向问题 .结果 电极数和剖分方式对内部信息的提取有影响 ;电阻率变化的位置、面积和大小对边界电压值影响较大 .

在体兔脑组织电阻抗频率特性测量及EIT初步成像

通过频响分析仪 ,二电极法 ,对 10只家兔大脑缺血前后的脑阻抗频率特性进行在体测量 ,再尝试利用16电极 EIT成像系统 ,对兔脑阻抗的这一变化进行初步的动态成像实验。缺血模型采用的是颈总动脉结扎法 ,并经过单侧颈总动脉大脑供血区域染色实验 ,对缺血进行了验证。结果显示 ,在缺血脑损伤发生后 ,脑阻抗明显增大 ,在 10 Hz以下脑阻抗变化率可达 75 % ,在 1KHz～ 1MHz频率范围脑阻抗变化率约为 15 %且比较稳定 ,理论上完全满足成像要求 ,而且脑阻抗变化率可以作为一个成像变量 ;初步的动态成像结果显示 ,脑组织供血变化一侧与其电阻率变化位置相一致 ,从而进一步证明利用 EIT技术对脑功能变化进行检测。

正电子发射断层成像与计算机断层扫描的“异机二维”图像融合实验

目的:尝试一种基于体表定位的二维图像配准方法,实现"正电子发射断层成像"(PT)和"计算机断层扫描"(CT)异机图像的精确融合。方法:输入PT/CT原始数据后采用数字化格式转换,设计"9点3面"立体定位法进行配准,在实时工作站Mimics按照信息交互自动融合模式,通过讯号叠加技术完成图像融合结果:以肺癌患者的躯干冠状面为实例试验[PT+CT]二维图像的异机融合,生成了同时呈现躯干结构和代谢状况的互补影像,快捷而清晰。结论:图像融合具有明确放射诊断以及量化治疗方案的临床意义;在[PT+CT]联机设备尚未普及的情况下,异机融合是同机融合功用的技术补充。

生物组织介电特性测量研究进展

随着临床医学与电磁学研究的深入,生物组织介电特性被越来越多的学者所关注。一方面,生物组织介电特性是生物组织在电磁场作用下的固有属性,将决定电磁场在生物组织内的分布,且能够通过电磁技术手段进行测量。另一方面,当组织的生理或者病理状态发生改变时,其介电特性也将发生变化。大量基础研究早已证实组织癌变后其介电特性往往变化较大,甚至达到几倍,这一特点使生物组织介电特性在肿瘤早期发现等方面具有巨大的临床应用潜力。本文阐述了生物组织介电特性测量技术的发展,并在此基础上,介绍近几年来生物组织介电特性医学方面相关应用的研究。

7.0T电导率和介电常数成像

目的磁共振电特性成像是利用磁共振成像(MRI)原始数据对被测生物组织电特性分布重建的一种方法。组织电导率和介电常数是理解磁共振成像过程中特定吸收率(SAR)的关键,这些电特性信息对于射频热疗治疗方法也很重要。由于恶性组织的电导率和相对介电常数均高于周围的健康组织,因此相关电特性也具有一定的诊断价值。方法文章使用了7.0 T的MRI发射场映像数据来计算组织的电导率和介电常数图像。磁共振谱仪得到K空间数据,包含了复数矩阵形式的自旋进度的幅度和相位信息,利用双角度法得到对应的射频场B1+映像。结果最终得到298 MHz下的人体头部组织的电特性图像。结论该电特性成像方法是基于中心差分方程求解磁场变化量,计算得到电导率和介电常数分布。小组制定的电导率和相对介电常数计算方法有效可行,证明电导率和相对介电常数图像能够反映不同组织电特性的对比,为磁共振电特性成像技术的实用化研究提供参考。

开端同轴探头法测量组织介电特性的感应范围

目的研究开端同轴探头法测量介电特性参数的感应范围。方法利用介电特性参数分层模型结合微距测量装置的方式建立开端同轴探头法感应范围的测量模型,以感应深度表示垂直方向感应范围,以感应直径表示水平方向感应范围。利用介电特性参数存在差异的多种材料(特氟龙、去离子水、乙醇、梯度浓度氯化钠溶液),设置了介电特性差异化分层模型。为标定不同输出功率下介电特性测量系统的误差范围,我们测定了不同输出功率环境下的合成不确定度(TCU),确定测量实验最佳可变功率范围。感应范围测量实验中,根据可能对感应范围造成影响的测量参数设置对照组,包括功率(-10、-5、0、3、6、9 dBm)、频率(1~500 MHz)、特氟龙与去离子水、乙醇形成介电常数[ε]差异高低对比组、特氟龙与不同浓度氯化钠溶液形成电导率[σ]差异高低对比组,上述分组均被设置在感应深度与感应直径测量实验中。结果合成不确定度测量结果表明测量功率大于-10 dBm(0.10 mW)可以得到相对准确的测量结果(TCU<2%)。感应深度测量结果表明感应深度与功率正相关(P<0.05)随着测量功率上升感应深度在去离子水与乙醇溶液中逐渐增大,差异达到70μm;感应深度与被测物电导率负相关(P<0.05),随着氯化钠溶液浓度的上升,对应感应深度逐渐下降,差异达到270μm;高介电常数的去离子水测量组感应深度在不同测量参数环境下均大于低介电常数的乙醇测量组。测量参数变化对感应直径影响不显著,不同测量参数环境下感应直径稳定在固定范围内(1.0~1.8 mm),介于在探头内导体直径与绝缘层直径之间,小于探头直径。结论开端同轴探头法测量介电特性感应范围受测量参数与被测物介电特性参数共同影响,其中感应深度受影响较大。

家兔脑组织复电阻抗频率特性及其等效电路模型

目的 :研究大脑组织的复电阻抗频率特性 ,分析缺血对大脑组织复电阻抗频率特性的影响 ,构建大脑组织的复电阻抗等效电路模型。方法 :利用频响分析仪 (12 5 5B ,英国Solartron公司 ) ,二电极测量法 ,对 12只家兔正常、缺血状态大脑组织复电阻抗频率特性进行离体测量 ,脑缺血方法采用的是颈总动脉结扎法 ,等效电路模型分析采用阻抗分析软件 (Zplot 2 .1,英国Solartron公司 ) ,还经过脑组织病理学常规染色 (HE染色 )对脑缺血进行了验证。结果 :在缺血脑损伤发生后 ,脑组织复电阻抗实部、虚部均明显增大 ,电阻率变化率受频率影响较小 ,但脑组织复电阻抗虚部频率特性未呈现出单峰走势 ,经软件分析得到了脑组织的复电阻抗等效电路模型。讨论 :脑组织复电阻抗实部、虚部和电阻率变化率均可以作为成像变量 ;其复电阻抗等效电路模型显示整体脑组织的等效电路模型构成比较复杂 ,并非传统的生物组织三元件等效电路模型 。

人大脑组织复电阻抗频率特性及其等效电路模型(英文)

背景:电阻抗断层成像技术是对人体施加无伤害的电信号,通过体表测量其响应信号,用一定的重构算法得到人体内部的电阻抗或其变化的分布。在电阻抗断层成像中,各种组织的电阻抗频率特性对于利用电阻抗断层成像技术对病灶进行成像、定位或监测至关重要。目的:测量出人脑组织的电阻抗频率特性,并与已知的人体其他生物组织已知谱线和家兔脑组织曲线相比较。设计:观察性实验。单位:解放军第四军医大学生物医学工程系医学电子工程教研室。对象:实验于2000-04/06在解放军第四军医大学生物医学工程系医学电子工程教研室电阻抗断层成像实验室完成。两例人脑组织来自解剖教学用新鲜尸体,死亡时间<12h,成年男性。干预:分割2个人脑组织共得到15个样本,利用英国Solartron 公司频率响应分析仪(1255B),阻抗接口(1294)以及自制的测量盒,采用4电极分别测量出0.1～1×106H z频率范围内离体脑组织的复电阻抗频率特性。主要观察指标:在0.1～1×106Hz频率范围内电阻率频率特性曲线,复电阻抗实部、虚部频率特性曲线,复电阻抗等效电路模型。结果:人脑组织电阻率在0.1～100H z频率范围内约为1200Ω·cm ,在100～1×106Hz频率范围内随着频率的增高而减小至650Ω·cm 。人脑组织复电阻抗实部在0.1～100H z频率范围内比较稳定,在100～1×106Hz频率范围内随着频率的增高而减小。人脑组织复电阻抗虚部绝对值的频率特性曲线呈单调上升趋势。结论:人脑组织电阻率、复电阻抗实部频率特性曲线与其他生物组织(如肌肉、肝、肾、肺等)的谱线一致。人脑组织复电阻抗虚部绝对值的频率特性曲线同已知的其他动物组织(肌肉、肝、肾等)的复电阻抗虚部频率特性相比不同,但与离体家兔脑组织的曲线一致。脑组织的复电阻抗等效电路模型比已知的生物组织等效电路模型要复杂。

基于磁共振信号幅值的射频场映像技术研究

MRI领域近年来的新兴研究热点之一——磁共振介电特性成像(MR EPT)技术能通过检测射频场分布,实现活体组织介电特性断层成像。作为MR EPT技术基础之一的磁共振射频场映像(B_1 mapping)技术,其B_1场成像的质量直接影响着MR EPT算法的精度,因而准确、稳健的B_1 mapping技术对于后续的MR EPT算法至关重要。研究双角度法(DAM)和快速预饱和法(sat TFL)两种基于磁共振信号幅值的B_1 mapping技术的基本原理,以及其在体模和人体头部MR扫描中的应用,并利用FDTD仿真分析上述两种B_1 mapping技术的B_1场缩放系数(R_i)和平均相对差异系数(MRD),发现在低介电特性体模和脑白质B_1场成像中,利用FDTD仿真获得的B_1场缩放系数R_i与采用上述两种B_1 mapping技术获得的实际B_1场缩放系数R_i差异较小,它们的MRD在10%以内;然而在高介电特性体模和脑脊液B_1场成像中,采用DAM方法获得的B_1场缩放系数R_i要高于采用sat TFL方法获得的B_1场缩放系数R_i,且有DAM的MRD高达21%。研究的结果可为不同介电特性组织的B_1场成像选取合适的B_1 mapping技术提供参考,为推动MR EPT技术的实用化提供基础研究支持。