高场MRI的SAR问题和抗电效应及解决方案

王晓明

【摘 要】3.0T超导磁共振的SAR问题、抗电效应，多源发射技术解决了图像质量的问题及在应用中的体会。

【关键词】SAR问题；抗电效应；解决方案

【中图分类号】R811.1 【文献标识码】A 【文章编号】2095-6851（2018）08--01

SAR是特殊射频吸收率（SAR，Specific Absorption Rate）用于度量人体对射频功率的吸收状况。SAR表达为人体单位体重所吸收的功率，其单位为W/kg。MRI射频场由线圈中的交变电流产生，置于该射频场中人体的能量沉积SAR可进一步地表示为射频场强，人体电导常数以及频率的函数。根据该公式可以得到SAR的以下特点：SAR和工作频率的平方成正比；SAR和射频场强B1的平方成正比；SAR和组织的电导率成正比。

在MRI扫描中，SAR必须控制在一定的安全范围内。方法一是在空线圈和负载线圈两种情况下测量发射线圈的前进和发射功率，估算人体所吸收的功率，然后根据射频占空比和人体质量计算SAR。或者使用功率射线圈的功率，通过校正被人体吸收功率的比例系数，由体重得到SAR。另一个方法是校正发射功率和一致的B1幅度。在线圈的几何结构固定的情况下，吸收的功率和人体的质量之间的线性关系。这样一来就可以将SAR和B1以及序列的射频占空比联系起来。

在低场强下，上述方法可以很好地满足实际的需要。但是对于高场成像，时域有限差分（FDTD，Finite Difference Time Domain）模拟计算表面，局部SAR比平均SAR以更快的速度逼近安全限度，成为提高扫描速度的致命杀手。在这种情况下，上述方法将无法适用于实际MRI安全的临床应用。

产生局部SAR的原因主要有两个：一是发射线圈元件和人体表面的容性偶合产生的电场；另一个是由人体电性质决定的射频发射场电场的再分布。在高场下，如果仅仅考虑平均SAR值，几乎可以肯定会导致局部SAR超标。在3.0T下，当平均SAR还远低于4W/kg的全身安全值时，局部SAR已经远超出这个安全阈值了。当扫描的SAR值逼近安全限度时，将强制系统进行如下的参数调整：（1）较少扫描的片层数。（2）降低序列中射频脉冲的角度。（3）强制使用较长时间的TR。（4）约束快速自旋回波序列的使用。这样，将限制扫描的速度，延长检查时间，无法使用最佳的序列参数，从而影响图像的对比度等。

降低SAR的方法优化发射线圈设计（1）局部SAR是发射线圈和人体互相作用的结果。建立由发射线圈和仿真人体组成的模型，利用FDTD仿真技术研究B1场和SAR的分布，对线圈设计有指导意义。从3.0T下不同长度的发射体线圈的B1场分布，仿真的结果是：长的发射体线圈的射频场均匀性并不比短线圈好，这个结果在实际应用中也得到了证实。和短线圈相比，长线圈的平均SAR和局部SAR都比短线圈高得多，高50%以上，这不仅需要小号更高的功率的射频放大器，而且SNR也比短线圈低。（2）减小B1幅度降低SAR。SAR和序列的射频占空比是线性关系，但是和B1场的幅度之间是平方关系。因此只要小幅降低B1就可以达到SAR大幅度减少。翻转角B1和脉冲长度是线性关系，这样在B1减小的情况下，仍可以维持一定的翻转角，而且不会对扫描时间造成太大的影像。实践证明，控制序列B1的幅度是控制SAR的有效手段。（3）TSE序列中采用连续改变翻转角（FAS，Flip Angle Sweeps）技术减低SAR，在长回波链的TSE应用中，初始部分的回波中快速降低重聚脉冲角至一个小值，并在其后的回波中维持这个小角度。角度下降的原则是在边角的过程中使磁化达到伪稳态。由于在回波链的大部分时间使用的是较小的重聚脉冲角。SAR大幅度降低，在一定的时间内可扫描的片层增加，提高了扫描效率。（4）并行采集技术减低SAR，SENSE技术广泛用于加快扫描速度，缩短扫描时间。从另一个角度来讲，SENSE技术又可以用来降低SAR。SAR值随着B1幅度的平方增加，随一定时间内射频脉冲的个数线性上升。

我院使用的飞利浦Achieva3.0T TX扫描仪，采用多源并行发射技术，从根本上解决高场3.0T的SAR问题。平均SAR和局部SAR的分布是发射线圈和人体相互作用的結果。优化线圈设计采用短发射线圈，可以有效地降低SAR。传统上发射体线圈是正交发射，在空载的情况下，可以得到均匀的B1场分布。但是在有空载的情况下，稍微偏离正交条件，采用椭圆驱动在一些情况下能够改善SAR的分布。由于人体的个体差异性较大，FDTD电磁场仿真证实不同的体型，人体在线圈内的位置变化都能引起SAR分布的改变。因此采用固定的发射设置并不能满足不同体型的病人SAR优化需求。

抗电效应成像介质的抗电性质主要由介电常数和电导率常数决定。介电常数是描述介质极化性质的物理量，当介质在外加电场时会感应电荷而削弱电场，高介电常数的介质置于电场中，场的强度会发生可观的下降。电导率表示介质传输电流能力的强弱。在射频发射场B1中，介质的电导性产生屏蔽效应使B1幅度下降；介电性则产生部分聚焦效应。人体不同组织抗电性质不同，因此在不同组织和器官中，对B1场的影响是介电性和导电性效应的复杂组合效应。

水模像上观察到的图像不均匀，是由于入射和反射电磁波叠加产生驻波造成B1场不均匀导致。其次，实际人体组织不等同于单一介质，由于组织的不同特性和高电导率，人体和射频场之间的相互作用，即不同的介质间入反射电磁波相长和相消的复杂干涉机制，也是B1不均匀的一个主要原因。

空载的发射线圈能够产生均匀的B1分布。当不同体型和人体置入发射线圈后，人体的体型在线圈内的相对位置等因素都影响B1场的分布，通过电磁仿真模拟，实际的B1场呈现个体差异很大的不均匀性。B1场的空间变化导致翻转角的不均匀。

使用发射线圈和模拟人体组成的电磁仿真系统能很好地研究高场抗电效应作用下射频场分布的问题。抗电效应导致了图像中出现阴影区，严重时阴影区的解剖形态都无法分辨，图像的诊断价值也不高。

B1场的不均匀性导致翻转角的偏离和图像的阴影，同时由于激发翻转角和图像对比度有关，不均匀B1像的对比度也是不均匀的；良好的脂肪压制效果需要在视野内每个空间位置的翻转角都是一致的，不均匀的B1同样导致抑脂不均匀。

补偿抗电效应的常规技术（1）多元接收线圈补偿发射线圈的不均匀性。 MRI图像的信号强度是由发射场和接收场共同决定的：抗电效应引起发射场的不均匀性。根据互易原理，同样的发射线圈用于接受时，会产生和发射场一样的非均匀偏差，二者的乘积关系作用于图像上。如果使用多通道线圈，用于接收时，情况则会得到改善：在3.0T这样的高场强下，由于抗电聚焦效应，鸟笼式容积发射线圈中心的B1场较强；多元接收线圈的每个单元的接收灵敏度随远离线圈而降低。二者的灵敏度分布互相补偿，得到均匀的图像。（2）基于SENSE的图像均匀性校正，在进行正式序列扫描前，获取发射线圈和多通道接收线圈的低分辨率参考图像，得到阵列多通道线圈的灵敏函数，使用得到的灵敏函数进行SENSE重建，得到均匀的图像。（3）绝热脉冲实现均匀压脂，脂肪压制需要压脂脉冲的翻转角180度满足要求，要实现均匀压脂需要均匀的翻转角分布，翻转角和脉冲的B1成正比，因此B1均匀性成为压脂的必要条件，抗电效应造成的非均匀的B1分布，影响压脂的效果。有一类脉冲具有和常规脉冲的不同的特性；绝热脉冲对B1场的不均匀性不敏感，当射频功率B1超过一定阈值时翻转角维持不变。只要使用满足阈值要求的B1幅度，在B1不均匀的情况下，仍能实现均匀的翻转角分布，在B0场均匀的前提下，实现均匀压脂。（4）使用抗电衬垫改善B1不均匀性使用溶液或生物胶质制成的抗电袋放置在腹部，可以在一定程度上减轻抗电效应引起的B1不均匀性，改善图像的质量。但是使用外加抗电袋需要考虑；对危重患者，抗电袋的重量会引起不适感；其效果和使用的序列有关；使用效果的个体差异性；在短TE序列参数的情况下，附加垫本身的信号可能是可见的；摆放方式影响使用的效果，配方含有顺磁性试剂时，得到最佳的抗电补偿的摆放可能带来静磁场的畸变，影响压脂的效果。（5）椭圆驱动发射，穿通的单发射源系统采用正交驱动。正交驱动并不能再人体中产生最均匀的B1场。当在一定程度偏离正交驱动时，能够使人体内B1场的不均匀性得到改善。单发射源系统只能采用固定的设置，不能对每一个病人进行个性化的调整。

补偿抗电效应的根本解决方案：多元发射高场系统从根本上解决抗电效应引起的B1长不均匀性的问题，必须进行射频发射匀场，即使用多个视频源，每个视频源对应独立的功率放大器，这样就可以独立灵活地控制每个发射源的幅度、相位、波形等参量，多个发射源对应的发射线圈单元合成均匀的发射场B1，多元发射系统能偶施行针对每个病人的个性化RF匀场。为了说明个性化RF匀场的必要性，不同解剖部位的模拟匀场设置并不重合；所有的模拟值和实际数据点偏离原点；不同部位的实际数据点有很大的离散性；由于数据点的离散型，只有少数的数据点靠近每个部位实际数据的平均位置。因此针对每个人体进行个性化的射频匀场是必要的。如果只是使用固定的平均设置，就會有相当一部分病人得不到最佳的射频匀场。而只有多源发射系统才能提供基于个体差异的射频匀场。

实性射频匀场带来图像质量的全面改善：抗电效应导致的图像阴影消失，均匀性提高；翻转角准确均匀，图像对比度均匀一致，图像诊断价值高，有利于定量分析；压脂效果均匀。均匀的B1场分布不仅消除了图像的抗电阴影，SAR的分布均匀性得到很大提高，局部高SAR的热点消失。局部SAR是约束3T扫描速度增加的主要原因，均匀的SAR分布意味着系统可以以更快的速度扫描，消除局部热点叶同时提高了扫描的安全性。飞利浦Achieva3.0T TX扫描仪解决了抗电效应，提高了图像的质量[1]。

总之，超高场下SAR的分布不均匀。不仅有扫描安全的问题，而且会限制扫描的速度，使高场的优势不能得到充分地发挥。多元发射技术通过射频匀场使SAR的分布均匀化，从根本上解决了局部SAR的安全问题，同时解除了对扫描速度的制约。人体和射频场之间的相互作用使B1场的分布长线个体差异很大的不均匀性，多源发射技术使用多个独立的发射源，灵活调节相位、幅度、波形、频率等发射参数，进行个性化匀场，改善B1分布使图像质量得到提高，而且能够提高扫描速度。

参考文献

飞利浦MRI临床科研部