基于信噪差分比方法的磁共振射频线圈在头颅血管造影中的对比研究

【作者】王龙辰，李斌，肖云峰，乔瑞华

1上海交通大学附属第六人民医院医学工程部，上海，200233

2上海交通大学附属第六人民医院放射科，上海，200233

近年来随着MRI梯度硬件技术的发展，为高分辨率和快速的图像采集提供了一种强大的手段，尤其是在颅脑磁共振血管造影方面，使非常细小的血管可视化成为可能。为了提高MRA的信噪比，需要采用高灵敏度和均匀性的射频接收线圈。线圈灵敏度的提高可以检测到更为细小的血管[1]。

线圈的优化对得到理想的MRI分辨率和对比度是很重要的。目前进行MRA成像的为正交鸟笼线圈。带有底座的正交鸟笼线圈，比标准鸟笼线圈在MRA成像中能得到更好的图像均匀性，对血管的可视化更好[2]。表面线圈在等于其半径的深度内，能获得很好的信噪比[3]。本文在相关文献[4-5]的基础上，对8通道相控阵表面头线圈和带有底座的16通道正交鸟笼头线圈在MRA应用中的性能进行了比较研究。本文没有试图确定最好的MRA线圈，但提供了更多线圈参数的相关信息，以及它们对MRA图像质量的影响。

1 材料和方法

信噪比的测试是在体模上进行的，血管背景的信噪差分比是在MRA图像不同的解剖位置上进行的。虽然信噪比能较好的描述某个射频线圈的相对磁场密度和磁场的均匀性，但标准的信噪比方法并不能说明由于解剖结构、生理结构和信号采集方法的不同产生的差异。因此，如不对信号质量进行其他方面的测试，很难评估不同射频线圈带来的好处[6]。

1.1 磁共振设备和线圈

磁共振成像设备为3.0T Intera Achiva（Philips Medical System，Best，Netherlands）。两种线圈分别为：8通道相控阵只接收表面头线圈和带有底座的16通道正交收发鸟笼头线圈。

图1 带有底座的鸟笼头线圈Fig.1 Birdcage head coil with endcap

1.2 体模测试

体模实验是为了测试两种线圈进行磁共振成像的信噪比和均匀度。采用的序列为T2权重的自旋回波T2W-TSE，重复时间TR=3000 ms，回波时间TE=80 ms，成像视野为 FOV=300*239*119，层厚=4 mm，层间距=1 mm，层数=24，成像矩阵=672*672，采集次数NSA=2，分别进行了横轴面和矢状面成像。采用的体模为Philips标配的圆柱形体模，容积3000mL，内部填充Philips配送的矿物油(Mineral Oil)溶液。

信噪比的测试采用单幅图像测试的方法[7-8]，分别在横轴面和矢状面图像中心取相同的感兴趣区域(ROI)，测量信号的强度；在图像周围的空气区域中测量信号的标准差，得到噪声信号的强度。

信噪比（SNR）按下式进行计算：

其中，S为感兴趣区域的平均信号强度，即感兴趣区域的平均像素值，单位为1；SD为噪声信号强度，即各空气区域的像素标准差，单位为1。信噪比SNR的单位为1。本文测量了感兴趣区域的信噪比，以及感兴趣区域沿X轴、Y轴和Z轴方向（如图1）的信噪比曲线。对横轴面图像的感兴趣区域进行了三维投影，得到均匀度的三维图形，其结果既能反映感兴趣区信噪比的总体表现，又能反映出信噪比在某个方向上的变化情况。

1.3 人体测试

志愿者性别男，年龄24岁，体重60kg，对其分别应用两种线圈进行了MRA成像，采用的序列为3D TOF。实验要求志愿者的头部放于线圈中心，并且在实验过程中保持不动。对MRA图像，进行了血管信噪差分比（SDNR）测试[9]。血管信噪差分比按下式进行计算：

其中Svp是血管峰值信号，Sba是背景平均信号，σnoise是图像噪声信号。

峰值信号的测试采取先确定一条血管中心线，沿这条线方向确定血管的峰值信号。背景信号是在环绕血管的环形区域内计算得到的。内环包括整个血管和部分容积像素，外环要包括足够大的背景像素，但同时不能包含其他血管。背景区域的噪声信号是通过测量空气区域当中的信号标准差得到的。

2 结果

2.1 体模研究

按照上述方法，分别计算了8通道相控阵表面头线圈和带有底座的鸟笼头线圈的信噪比(见表1)，可得到8通道相控阵表面头线圈信噪比是鸟笼头线圈的4.50倍的结果。

图2 相控阵表面头线圈和鸟笼头线圈在不同方向上的信噪比曲线Fig.2 The SNR lines in different directions with two coils

表1 两种线圈图像信噪比参数Tab.1 SNR of images with two coils

根据实验数据，绘制了沿X轴、Y轴和Z轴方向的信噪比曲线（如图2）。

从图2(a)和(b)可知，两种线圈边缘部分的信噪比有突起，但不论边缘部分还是中间部分，相控阵表面头线圈的信噪比都明显高于比鸟笼头线圈。从图2(c)可知，鸟笼头线圈的信噪比越靠近底座端值越高。

另外，对图像均匀度的测试，采用AAPM（美国医学物理师学会）推荐的方案[10]，分别得到的两幅横断面图像的均匀度为98.92%和99.29%。将两幅图像的像素值分别进行三维投影[11]，如图3所示。

图3 两种线圈体模横断面图像投影Fig.3 projection of phantom images with two coils

2.2 人体成像

分别应用两种线圈对同一志愿者进行MRA成像，成像时间分别为15分22秒和20分17秒，得到最大强度投影（MIP）图像如图4所示。可以看出，相控阵表面头线圈比鸟笼头线圈能得到更好的血管细节。

对每个线圈，分别选择了四条血管进行了血管信噪差分比(SDNR)分析[6,12]，如图5所示。图5(b)中横坐标为图5(a)中的各垂线到图像中垂线的距离。可以看出，相控阵表面头线圈对这四条血管成像的SDNR值都高于鸟笼头线圈。

图5 线圈SDNR分析图Fig.5 SDNR for evaluating coils

对两幅图像进行信噪比进行分析，得到四条血管的信噪比值见表2所列。可以看出，相控阵表面头线圈在4条血管的信噪比都明显高于鸟笼头线圈。

表2 两种线圈对四条血管分别成像的信噪比Tab.2 SNR for selected vessels with two coils

3 讨论

由图2两种线圈的信噪比曲线可知，相控阵表面头线圈的信噪比远远高于鸟笼头线圈，并且信噪比曲线均匀性较好，并未呈马鞍形。这是由于采用的相控阵表面头线圈为容积结构，使得B1场的均匀性有了很大提高。由图2(c)可知，鸟笼头线圈越接近底部信噪比越高，曲线呈斜线下降。这是由底座中的线圈造成的，越靠近底座，线圈敏感度越好。图2中信噪比曲线的突起是由于体模容器产生的信号引起的。

虽然研究表明，相控阵表面头线圈在进行体模成像时，图像信噪比高于鸟笼头线圈，但采用的体模并不能模拟血管结构。寻求合适的体模进行成像研究，对线圈评价将有更大的帮助。另外，应用不同的成像序列，可能会得到更好的图像信噪比。

本研究在进行SDNR分析时采用血管的峰值信号，而非血管的平均信号，主要是考虑到血管信号和背景信号很难区分，血管平均信号中很难保证没有背景信号。通过研究可知，同一线圈不同血管处的SDNR值不一样，表明SDNR值不仅与线圈的敏感度有关，还与血管的位置、大小等因素有关。本研究虽然只对一名志愿者进行了初步成像分析，还是可以看出两个图像之间存在差异，更进一步的分析研究需对更多样本成像。

4 结论

通过在常规信噪比基础上，应用信噪差分比方法对体模和人体成像的研究，发现在3.0T磁共振成像中，相控阵表面头线圈比鸟笼头线圈能得到更好的图像信噪比和血管信噪差分比。目前临床上应用相控阵头线圈进行MRA成像时，会联合使用并行成像技术，这会使成像时间缩短，但信噪比也随之下降。同样的对照研究，还可以对这种扫描技术进行评价，并可以指导对扫描参数的正确设置。另外，还可以对图像均匀度和磁场均匀性等进行研究。

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