头颅柔性线圈在功能性磁共振成像中的应用*

詹松华，谭文莉，马文，张成，陈义磊，康英杰，李一婧，沈卫东

（上海中医药大学附属曙光医院 1.放射科；2.针灸科，上海 201203）

射频线圈在磁共振成像过程中起着发射射频脉冲、接收信号的作用，是磁共振系统中的重要组成部分。目前头颅磁共振成像均采用硬质线圈，为保证绝大多数检查者适用的原则，头颅线圈的内径必须大于绝大多数检查者的头颅，这就使得成像目标与线圈间存在一定的距离。本课题组前期研发了可以调节线圈内径的头颅柔性线圈，降低头颅与线圈间的距离，以充分提高图像的信噪比[1-2]。本研究意在检验头颅14通道柔性线圈在血氧水平依赖功能磁共振成像（blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging,BOLD fMRI）中的价值。

1 资料与方法

1.1 志愿者入组及排除条件

招募11例上海中医药大学学生作为正常健康志愿者，签署知情同意书。入组标准：①右利手；②年龄20～40岁；③性别：男女不限；④既往1 个月内未接受药物及针灸治疗。

1.2 磁共振检查

采用联影1.5T uMR560磁共振进行成像，头颅线圈分别采用①硬质24通道线圈（24-channel array hard head coil, HC24）；②柔性14通道磁共振线圈（14-channel flexible head coil, AHC14）；③硬质16通道线圈（16-channel hard normal head coil, HNC16），成像序列包括定位相、矢状位3D T1WI、BOLD fMRI，每个线圈成像序列、序列参数保持完全一致。

矢状位3D T1WI成像参数如下：gre_fsp序列；TR=10.5 ms；TE=4.4 ms；TI=1 120；BW=150 Hz；FA=15； 层 厚 =1 mm；FOV=220 mm×256 mm；Matrix=330×256；以大脑镰为中心层面。横断位BOLD fMRI成像参数如下：epi序列；TR=3 000 ms；TE=30 ms；BW=2 250 Hz；FA=90； 层 厚/层 间 距=3.5 mm/0 mm；FOV=225 mm×225 mm；Matrix=64×64，共 100 个动态。

足三里刺激模式：进行BOLD fMRI扫描前由针灸科医生进行左侧足三里穴位的进针，观察受试者状态，确认受试者存在“得气”的感觉，并连接电针刺激仪。BOLD fMRI刺激方式采用组块设计，即“基线-任务刺激”模式，前10个动态的数据受试者处于静息状态，为排除磁共振信号偏移予以剔除，第 11～25、41～55、71～85动态为静息状态，第 26～40、56～70、86～100动态为刺激状态。电针刺激采用改进的华佗牌低频脉冲治疗仪（G6805-2），连续波，频率2 Hz，电流128 μA～16.3 mA，电压 67 mV～8.5 V，以志愿者能忍受为限度。受试者在3个线圈中的足三里刺激强度相同。

1.3 图像质量评价方法

图像信噪比的测量：根据公式图像信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）=平均测量兴趣区信号强度（signal of measurement region of interest,SMROI）/同层背景噪声的标准差（standard deviation, SD）计算信噪比。矢状位T1WI图像ROI置于胼胝体压部，横断位BOLD fMRI图像ROI置于左侧丘脑，同层背景噪声ROI均置于左下角空白区域。取图像ROI内平均信号强度作为该受试者的SMROI。

图像质量主观评价方法：两位影像诊断医师通过盲法对3个线圈所获得的3D矢状位T1WI的图像质量进行评价。图像质量分为5级：5级，图像质量非常好，没有或仅有微量伪影，可以精确区分灰白质；4级，图像质量好，有少量伪影，可以区分灰白质；3级，图像质量中等，有信心区分灰白质；2级，图像质量差，部分区域无法区分灰白质；1级，图像质量极差不能区分灰白质。取两位影像诊断医师评分的均值作为该序列图像的评 分。

1.4 BOLD fMRI图像后处理

所有BOLD fMRI数据采用SPM12（statistical parametric mapping, SPM）进行后处理。数据处理步骤包括：①时间层校正；②矫正头动；③空间标准化；④空间平滑：半高全宽窗（full width at half maxima, FWHM）为8 mm，对空间标准化后的图像进行空域滤波。

1.5 统计学方法

将获得的图像信噪比及主观评分数据采用SPSS 13软件包进行分析。图像信噪比进行正态分布及方差齐性检验，如符合正态分布将进行ONEWAY ANOVA分析，组间分析采用最小显著性差异法（least significant difference, LSD）。矢状位3D T1WI图像质量主观评分进行非参数分析中的Kruskal-Wallis H检验。P ＜0.05为差异具有统计学意义。SPM后处理中AHC14线圈图像采用单样本t检验进行组内分析，AHC14线圈、HC24线圈、HNC16线圈间激活区的差异采用配对t检验进行两两比较。P ＜0.01、cluster size =10为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 图像信噪比

矢状位3D T1WI图像、横断位BOLD fMRI的信噪比在3个线圈间差异具有统计学意义（P ＜0.05）。见表1。AHC14、HC24线圈的信噪比高于HC16线圈，AHC14线圈的3D T1WI、BOLD fMRI图像信噪比分别较HNC16线圈提升 20.69%、39.69%。3D T1WI、BOLD fMRI图 像中，AHC14、HC24线圈信噪比差异无统计学意义（P ＞0.05）。

2.2 图像主观评分结果

尽管HC24线圈的矢状位3D T1WI图像主观评分略高于AHC14、HNC16线圈，但3个线圈评分差异不具有统计学意义（P ＞0.05）。见表1。

表1 AHC14、HC24、HNC16线圈临床测试的信噪比及主观评价结果 （±s）

表1 AHC14、HC24、HNC16线圈临床测试的信噪比及主观评价结果 （±s）

注：1）与AHC14线圈比较，P ＜0.05；2）与HC24线圈比较，P ＜0.05；3）与 HNC16 线圈比较，P ＜0.05。

线圈 3D T1WI信噪比 BOLD信噪比 3D T1WI主观评分/分AHC14 155.95±15.873） 260.80±31.473） 4.75±0.26 HC24 166.85±15.143） 293.08±54.653） 4.90±0.21 HNC16 129.22±16.481）2） 190.42±29.241）2） 4.75±0.24 F值/Chi-Square值 14.94 17.11 4.92 P值 0.000 0.000 0.085

2.3 BOLD fMRI

11例受试者中，有4例由于头动因素予以排除，7例受试者平均年龄为26岁，男女比例为4︰3。AHC14线圈针刺足三里时任务态BOLD fMRI激活区域见表2。正激活的区域主要位于针刺下肢的对侧，负激活的区域主要位于针刺下肢的同侧（见图1）。AHC14线圈与HC24线圈获得的BOLD fMRI图像进行配对t检验显示，脑功能活动增加的区域主要位于右侧颞中下回及额下回，脑功能活动减低的区域位于左侧额中回及海马旁回（见表2、图2）。AHC14线圈与HNC16线圈获得的BOLD fMRI图像进行配对t检验显示，脑功能活动增加的区域位于右侧颞中回及额下回，脑功能活动减低的区域位于右侧颞下回及额中回（见表3、图3）。HC24线圈与HNC16线圈获得的BOLD fMRI图像进行配对t检验显示，脑功能活动增加的区域位于右侧额上回、两侧顶下小叶，脑功能活动减低的区域位于右侧丘脑及额下回（见表3）。

表2 针刺足三里时采用AHC14线圈成像BOLD fMRI激活区域

表3 针刺足三里时采用3个线圈成像BOLD fMRI激活区域的差异

图1 采用头颅柔性14通道线圈采集针刺左侧足三里任务态BOLD fMRI图像的后处理结果

图2 与头颅硬质24通道线圈比较，头颅柔性14通道线圈显示的脑功能活动不同区域

图3 与头颅硬质16通道线圈比较，头颅柔性14通道线圈显示的脑功能活动不同区域

3 讨论

任何一个射频线圈，接收到的都是信号和噪声，故评价一个射频线圈的质量时，信噪比是重要的考量标准[3]。头颅柔性14通道磁共振线圈通过降低成像目标与线圈间的距离[4]，使图像的信噪比得以提升。传统头颅硬质线圈需要适合99%以上人群的头颅内径进行设计[5]，对于头颅较小的受检者而言，线圈与头颅间距离增大。头颅柔性线圈通过可调节内径从而个性化适应受检者头颅大小。与传统的头颅硬质16通道线圈相比较，头颅柔性14通道磁共振线圈在线圈通道数下降的情况下，可以提升20%以上的信噪比。而BOLD fMRI序列为获得较高的空间分辨率，常牺牲图像的信噪比。通过采用头颅柔性14通道磁共振线圈进行BOLD fMRI，理论上更易于发现细小的脑功能活动改变区域，可以为临床BOLD fMRI研究提供更可靠的试验结果。

头颅柔性14通道柔性线圈获得的3D T1WI和BOLD fMRI图像的信噪比，与24通道头颅硬质线圈比较差异无统计学意义，两者均与硬质16通道线圈差异存在统计学意义。说明14通道柔性线圈提升了图像的信噪比，同时线圈所需要的通道数明显降低，因此制造线圈的成本将更低。不过，3个线圈获得的3D T1WI图像主观评分差异无统计学意义，这可能是由于主观图像质量的评价主要取决于肉眼对于图像的分辨，而肉眼对于一定范围内的信噪比变化并不敏感所致。本研究中并未对BOLD fMRI原始图像进行主观图像质量评价，主要是由于BOLD fMRI成像的图像信噪比低，而且其主要结果往往通过软件后处理进行呈现，因此对原始图像的主观评价不具有临床意义。

本研究中采用电针刺激足三里穴的任务态BOLD fMRI检查来检验头颅柔性14通道线圈在BOLD fMRI中的价值。这是因为足三里为外周穴位，刺激方法相对比较成熟，所获得的结果可以与既往研究相比较。笔者的研究显示电针刺激左侧足三里穴主要的脑功能活动增加的区域为右侧颞中回、额下回、额中回，脑功能活动减低的区域主要为左侧额中回、海马旁回。这与付平等[6]研究结果相似，其认为电针针刺右侧足三里主要激活区域为对侧的前额叶、颞叶。徐春生等[7]研究了11例手针刺激左侧足三里的受试者，主要为右侧额中回、额下回正激活，双侧海马旁回负激活，与本研究结果相似。在采用相同刺激模式、相同受试者情况下，本研究进一步分析了不同头颅磁共振线圈获得的电针刺激足三里任务态BOLD fMRI的差异，发现采用AHC14线圈成像时出现显示的脑功能活动增加的区域明显多于HC24和HNC6线圈，而显示的脑功能活动减低的区域也集中在采用AHC14线圈成像的单样本t检验显示的负激活区内。提示在进行任务态fMRI成像时，AHC14线圈可以更多地显示存在细微改变的脑功能区。

不过针灸的针刺方式、BOLD fMRI设计模式及参数、后处理方法、受试者类型及数量等因素，也会影响脑内激活区的范围和程度，从而出现不同的结果。HUI等[8]认为在针刺右侧足三里“得气”状态下，脑内功能区主要表现为广泛的抑制。张嵘等[9]手针刺激右侧足三里穴，主要激活区为双侧颞中回、额中上回、同侧岛叶、枕上回以及对侧中央前后回、岛盖、角回。武媛媛等[10]对不同性格的健康志愿者进行双侧足三里电针刺激的BOLD fMRI成像，认为“外向性”组激活脑区包括：右侧额下回、额上回、小脑山顶、颞上回、双侧额中回、缘上回、中央后回、左侧小脑山坡、中央前回及颞中回等，右侧额内侧回为负激活。徐春生等[11]2012年的研究认为，即使在同一批针刺左侧足三里的受试者中进行随机抽样，获得的各组的后处理结果也存在巨大的差异。孙曼等[12]的研究显示采用不同的重复时间也会影响BOLD fMRI的结果。

综上所述，头颅柔性14通道线圈通过降低线圈与成像物体间的距离提升信噪比，可以获得与24通道硬质线圈相仿的图像质量，并可进行相关的BOLD fMRI磁共振检查，获得理想的成像效果。