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。

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。

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。

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。

国外农产品及食品介电特性测量技术及应用

了解农产品和食品的介电特性对于微波设备和基于介电特性的物质组成成份检测仪的研发具有重要的意义。为了给国内农产品和食品介电特性的研究提供借鉴,该文介绍了目前国外常用的介电特性测量技术——平行极板技术、同轴探头技术、传输线技术、自由空间法和谐振腔技术;说明了各测量技术的特点、测试系统的组成和适用范围;综述了各技术在农产品和食品介电特性研究中的应用情况;并指出中国目前在该领域研究中存在的问题和今后的研究重点。

食品的介电特性在食品干燥过程中的在线无损检测技术

选用标准蔗糖、新鲜胡萝卜、葱、蘑菇和生菜为原料,研究干燥过程中原料电特性参数电容和水分含量的变化规律以及它们之间的相关性。结果表明60℃温度下热风干燥几种新鲜蔬菜,其水分含量随着干燥时间的延长而下降,到一定的水分含量后质量不再发生变化,电容的变化趋势与水分的变化相同,质量不变时电容也趋于恒定,两者之间存在极显著的线性正相关性,说明干燥过程中水分含量的测定可以用检测相对应点的电容值来计算,从而实现在线、无损监控食品干燥过程。

利用介电特性对食品加工过程进行非破坏性检测技术的研究

选用标准蔗糖和新鲜胡萝卜、葱为材料,研究干燥过程中原料电物性及水分含量变化规律的相关性。结果表明,60℃温度下热风干燥几种新鲜蔬菜,其水分含量随着干燥时间的增加而下降,电容值的变化趋势与水分的变化相同,两者存在极显著的线性相关性。水分的变化规律可以用相对应点的电容的变化来说明,从而对干燥终点的非破坏性及连续性检测和控制成为可能。

磁共振弥散张量纤维束成像技术在听神经瘤中的应用

目的研究术前应用磁共振弥散张量纤维束成像技术(DTI)行面神经成像,并联合术中面神经电生理监测技术在术中听神经瘤的面神经保护应用。方法选取2016年1月-2017年2月于该院就诊的听神经瘤11例患者,术前采用面神经DTI显示肿瘤与面神经的关系,术中行面神经动态、电刺激肌电图,并检验DTI对面神经的定位准确与否,术后评估面神经功能。结果患者听神经瘤面神经可通过DTI成像技术显示,面神经均位于肿瘤腹侧,7例位于肿瘤中部1/3,2例位于肿瘤下部1/3,2例位于肿瘤上部1/3,术前定位结果与术中所见吻合率为100%。10例肿瘤全切除,1例内听道部分肿瘤残余。患者面神经均解剖保留,保留率为100%。术后随访1~12个月,面神经功能House-Brackmann标准Ⅰ级4例,Ⅱ级6例,Ⅲ级1例。结论通过术前面神经DTI定位和术中神经电生理监测的技术,有助于术中定位和保护面神经,可提高听神经瘤术中面神经的解剖及功能保留率。

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。

电旋转技术用于少根根霉孢囊孢子介电性的测定

利用电旋转技术研究了少根根霉 (Rhizopusarrhizus)孢囊孢子的电旋转谱 ,在发现另外两个峰的同时 ,在场频500Hz附近又发现了1个明显的正旋转峰。同时还发现萌发孢囊孢子与休眠孢囊孢子的电旋转谱有明显的差别,其负旋转峰值明显地小于休眠孢囊孢子的负旋转峰值。借助经修改的椭圆细胞双壳模型 (two -shellmodel)模拟出了原生质膜和原生质的电常数 ,结果表明萌发孢子的原生质膜和原生质的电导率较休眠孢子的相应电导率有明显增大。说明电旋转技术能够反映活细胞的生理变化。

非线性绝缘电介质介电特性表征与测试

非线性是导致问题复杂化的关键因素之一，且存在于几乎所有物理现象之中。电气绝缘介质的非线性介电行为在科学层面提供了更广泛的研究空间，同时在工程技术层面为电气绝缘结构设计、更高电压等级电力设备研发提供了新的破解瓶颈问题的技术途径。具有电场调控功能的非线性绝缘材料，被称为“智能绝缘材料”，已在大型电机端部绝缘和电缆附件防电晕结构得到广泛的应用。随着高压直流绝缘技术的进步，电气绝缘材料和绝缘结构非线性介电特性和机理研究得到越来越广泛的关注。非线性绝缘介质介电特性的表征和测试技术是极具挑战的研究课题，又是基础研究和工程应用技术研究不可回避的关键性基础问题。稳态直流电场下，非线性绝缘介电特性用伏安特性或电导率与电场强度关系来表征，相应测试技术比较简单。稳态交流电场场下，用等效（相对）介电常数和等效电导率与电场强度关系来表征，测试技术的关键是如何准确地分解阻性和容性电流。暂态电场下非线性绝缘介电特性的表征参数体系尚未建立，测试技术最为复杂，相关研究亟待开展。

新型交流介电式种子分选机技术参数的分析

将传统介电式种子分选机的电极导线在分选滚筒的圆柱表面上改进为轴向分布，可以使种子从送料斗里出来后马上与滚筒运动达成同步，使种子在电场中充分极化，增大电场引力．这样的介电式种子分选机分选性能高，分选范围大．

无机介质材料的微波介电特性测量

对当前微波介质材料研究中常用的传输线法,空腔微扰法,平行短路板法,谐振腔法,分裂圆柱形谐振腔法等几种有代表性的测试方法作了概括介绍,并对相应的不同测试方法的测试精度及优缺点进行了评价。相对于频域测试,时域测试法具有固有的宽频带、快速以及简便等优点,该方法近来越来越受到重视。

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。

自触发心脏磁共振成像

目的探讨和实现一种自触发磁共振心脏成像(CMRI)。方法将心电图(ECG)信号和呼吸信号从监测信号中提取出来,然后将K空间数据重新排列、重建,得到心脏图像。结果自触发CMRI克服了传统的导联法难以获得稳定ECG信号的缺点,可提高扫描效率,得到高品质的亮血和黑血小鼠心脏电影图像。结论采用自触发CMRI可以实现小鼠心脏电影成像以及黑血成像,并用于评价其心脏结构和功能。