头颅柔性线圈与硬质线圈成像质量的比较研究

谭文莉 詹松华 康英杰 张 成 陈义磊 马 文李一婧 沈卫东 王 洋 玄倩倩

磁共振线圈可分为硬质线圈和柔性线圈，目前临床上使用的头颅磁共振线圈均为硬质线圈。提高头颅硬质磁共振线圈的图像信噪比主要通过提升线圈的通道数目实现，但通道数上升的同时线圈的造价将明显上升，同时影响成像的均匀性。因此本课题组设计了头颅柔性线圈，在不提升线圈通道的前提下，通过降低线圈与成像目标间的距离[1-2]，从而提升图像信噪比，降低头颅线圈的造价，避免对图像均匀性产生影响。本研究中将对头颅柔性14通道线圈、硬质16通道及24通道线圈的图像质量进行比较。

方 法

1.物理测试

根据中华人民共和国国家食品药品监督管理局YY/T 0482标准[3]，采用直径为150mm的球形水模，其特性（自旋密度 ，T1，T2）与患者身体类似（典型值：T1＜1200ms，T2＞50ms，自旋密度 ）。

扫描在联影1.5T uMR560磁共振进行。序列参数设置如下：采用二维单自旋回波、单层序列；扫描层面依次为横断面、矢状面、冠状面；TR=1000ms或TR≥信号产生材料的3T1，T1=314ms，取二者大者；TE=30ms，或TE≤信号产生材料的T2/3，T2=267ms，取二者小者；像素带宽（100±3）Hz；视野：250mm；矩阵256×256；层厚5mm；无信号平均。

测试步骤如下：

将水模放置在线圈的中心（图1），线圈及水模定位后，为防止漩涡伪影，在扫描前等待一段时间，使得水模稳定。对同一层面连续扫描两次得到图像，且第一次扫描结束到第二次扫描开始的时间＜5min，两次扫描期间不调整或校准。

图像按磁共振设备的典型临床重建算法处理，由操作者选择的滤波器（如失真校正，光滑和边缘增强的滤波器）均关闭，充分清除图像伪影。每个线圈的横断位、冠状位、矢状位分别选取3个ROI（图2）测量线圈的信噪比[4]，同时测量每个线圈在横断位、冠状位、矢状位图像上的均匀性。

2.临床测试

招募10例正常健康志愿者，所有志愿者签署研究知情同意书。采用联影1.5T uMR560磁共振进行成像，头颅线圈分别采用：①柔性14通道磁共振线圈（AHC14）；②硬质24通道线圈（HC24）；③硬质16通道线圈（HNC16），成像序列完全一致，分别为定位相、横断位T1WI、T2WI、DWI，每个线圈同一序列成像参数保持完全一致。

横断位T1WI成像参数如下：SE序列；TR=550ms；TE=11.9ms；BW=120Hz；FA=70；层厚/层间距=5mm/1mm；FOV=200mm×230mm；Matrix=223×256。横断位T2WI成像参数如下：FSE序列；TR=5000ms；TE=81.1ms；BW=190Hz；FA=150；层厚/层间距=5mm/1mm；FOV=200mm×230mm；Matrix=331×448。横断位DWI成像参数如下：epi序列；TR=3112ms；TE=82.8ms；BW=1510Hz；FA=90；层厚/层间距=5mm/1mm；FOV=230mm×230mm；Matrix=256×256。横断位图像以前后联合连线为中心层面。

图像信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）=感兴趣区平均信号强度（signal of measurement region of interest，SMROI）/同层背景噪声的标准差（standard deviation，SD）[5-6]，横断位T1WI、DWI图像ROI放置于左侧丘脑，横断位T2WI图像ROI放置于左侧侧脑室前角区域，同层背景噪声ROI置于左下角空白区域。

图像质量主观评价方法：由两位影像诊断医师主观地对三个线圈所获得的横断位T1WI、T2WI、DWI的图像质量进行评价。采用5级评分系统：5级，图像质量非常好，没有或仅有微量伪影，可以获得准确诊断；4级，图像质量好，有少量伪影，可以获得准确诊断；3级，图像质量中等，有信心获得正确诊断；2级，图像质量差，尚可获得诊断信息；1级，图像质量极差不能进行诊断。取两位影像诊断医师的均值作为该序列图像的评分。

3.统计学分析

对临床测试所获得的横断位T1WI、T2WI、DWI图像的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ONE-WAY ANOVA分析，组间分析采用LSD方法。图像质量主观评分进行非参数检验中的Kruskal-Wallis H检验进行分析。以上统计学分析P＜0.05认为差异具有统计学意义。

结 果

1.物理测试

图1 水膜放置示意图。A.头颅14通道柔性线圈；B.头颅24通道硬质线圈；C.头颅16通道硬质线圈。

图2 头颅14通道柔性线圈物理测试感兴趣区选取示意图。A.横断位感兴趣选取位置；B.冠状位感兴趣区选取位置；C.矢状位感兴趣区选取位置。

图3 三个线圈获得的同意受试者磁共振图像。A、B、C分别为头颅14通道柔性线圈T1WI、T2WI及DWI图像； D、E、F分别为头颅24通道硬质线圈T1WI、T2WI及DWI图像；G、H、I分别为头颅16通道硬质线圈T1WI、T2WI及DWI图像。

表1 AHC14、HC24、HNC16线圈物理测试的信噪比

表2 AHC14、HC24、HNC16线圈物理测试的均匀性

表3 AHC14、HC24、HNC16线圈临床测试的信噪比结果

表4 图像的主观评分

三个线圈的图像ROI选取位置及所获得信噪比见表1，除了冠状位ROI3，AHC14线圈在横断位、冠状位、矢状位各个ROI中均具有最高的信噪比，在冠状位ROI3中，HC24线圈具有更高的信噪比。三个线圈获得图像的均匀性结果见表2。在横断位中，AHC14线圈与HC24线圈具有相仿的均匀性；冠状位中HNC16线圈具有最高的均匀性， HC24线圈略高于AHC14线圈；矢状位中HNC16线圈具有最高的均匀性，AHC14线圈略高于HC24线圈。

2.临床测试

10例受试者均完成三个线圈的磁共振扫描。在信噪比方面（表3），三个线圈的横断位T1WI、T2WI、DWI图像的信噪比差异均具有统计学意义。在横断位T1WI、T2WI图像中，AHC14线圈的信噪比高于HC24线圈，HC24线圈的信噪比高于HNC16线圈，三者组间差异均具有统计学意义。在横断位DWI图像中，AHC14线圈、HC24线圈的信噪比高于HNC16线圈，差异具有统计学意义，尽管AHC14线圈的信噪比略高于HC24线圈的信噪比，但差异不具有统计学意义。

在图像的主观评分方面（表4，图3），三个线圈的横断位T1WI图像的主观评分差异具有统计学意义，AHC14线圈的主观评分最高，其次为HC24线圈，最低为HNC16线圈，进一步进行两组间比较显示，AHC14线圈与HNC16线圈的评分差异具有统计学意义（P=0.008），AHC14线圈与HC24线圈、HC24线圈与HNC16线圈的评分差异不具有统计学意义。横断位T2WI、DWI图像的主观评分差异在三个线圈间不具有统计学意义。

讨 论

在磁共振成像中，图像质量受到多种硬件因素的影响，包括磁体磁场强度、成像序列增加重建算法和射频线圈等。射频线圈发出并接收射频信号，是影响图像质量诸因素中相对比较容易进行改进的部件。

本研究在现有头颅硬质16通道线圈的基础上，采用两种方法提升头颅常规成像的图像质量，一种方法是增加线圈的单元数[7]，制备了头颅硬质24通道线圈，一种方法是缩短线圈与成像物体间的距离[8]，制备了头颅柔性14通道磁共振线圈，使得头颅线圈具有伸缩性，可以紧密包绕头颅。

在覆盖范围固定的前提下，当线圈变小时，接收到的电压信号变小，此时线圈所覆盖的水膜体积亦变小，此时线圈接收到的噪声也变小，噪声变少更多，故信噪比可以提升。当多个线圈组成阵列时，整个阵列的信噪比就会提高。但是，由于单元数增多，链路引入的噪声越多，故并非无限制的增加单元数目，信噪比会无限增加，存在一个折中值。同时单元数目多的线圈，均匀性会有降低。这是因为单元数目多，每个单元就会变小，表面信噪比会很高，但是延深度方向信噪比降低的非常快，使得均匀性变差。本研究中头颅硬质24通道线圈提升了线圈的单元数，图像信噪比较头颅硬质16通道线圈明显提升，不过在横断位、矢状位、冠状位三个方向的均匀性降低，与上述线圈成像原理有关。

局部线圈是谐振形式的近场天线，缩短成像目标与头颅线圈的距离，无线的场越强，接收到的电压越强，噪声的大小远远小于接收到的电压，故信噪比提高。当离线圈远时，天线的场强变弱，接收到的信号变弱，信噪比降低。本研究三个头颅线圈中，头颅柔性14通道磁共振线圈的信噪比高于头颅硬质16通道线圈，甚至高于提高线圈单元数目的头颅硬质24通道线圈，体现了成像目标与头颅线圈间距离对图像信噪比的决定性作用[9]。而且在横断位及矢状位，头颅柔性14通道磁共振线圈的均匀性高于头颅硬质24通道线圈，虽然略低于硬质16通道线圈。目前线圈均匀性的指标中，要求均匀性＞80%即为可接受的均匀性，头颅柔性14通道磁共振线圈在横断位、冠状位、矢状位的均匀性分别为84.38%、83.41%、86.68%，均＞80%，位于可接受的区间内。

本线圈也存在一些缺点，头颅柔性磁共振线圈比较柔软，在使用过程中需要对连接部位进行仔细观察，以防止线圈单元出现连接断裂的问题，后期将通过对其进行外形加固的方法改进线圈的稳定性。

头颅柔性磁共振线圈通过缩短线圈与检查部位间的距离提高了磁共振图像的信噪比，可以获得与更高线圈通道的头颅硬质线圈相仿的图像质量，为今后提高头颅线圈质量提供了另一种解决方法。

[1]Corea JR, Lechene PB, Lustig M, et al. Materials and methods for higher performance screen-printed fl exible MRI receive coils. Magn Reson Med, 2017, 78: 775-783.

[2]Corea JR, Flynn AM, Lechêne B, et al. Screen-printed fl exible MRI receive coils. Nat Commun, 2016, 7: 10839.

[3]YY/T 0482-2004, 医疗诊断用磁共振设备技术要求及试验方法.北京: 国家食品药品监督管理局, 2004.

[4]袁子龙，张照喜，邱建峰，等. 基于ACR体模的磁共振射频线圈性能的对比. 中国医疗设备，2015，30：100-103.

[5]Funama Y, Awai K, Nakayama Y, et al. Radiation dose reduction without degradation of low-contrast detectability at abdominal multisection CT with a low-tube voltage technique: phantom study.Radiology, 2005, 237: 905-910.

[6]张澍杰，饶圣祥，李轫晨，等. 1.5T与3.0T MR正常肝脏扩散成像的比较研究. 中国医学计算机成像杂志，2012，18：501-503.

[7]金 玮，王龙辰，李 斌. 磁共振射频线圈单元数对图像信噪比的影响. 中国医疗设备，2012，27：116-119.

[8]Gradl J, Höreth M, Pfefferle T, et al. Application of a Dedicated Surface Coil in Dental MRI Provides Superior Image Quality in Comparison with a Standard Coil. Clin Neuroradiol, 2016 Feb 11.[Epub ahead of print].

[9]张宏杰，宋枭禹，包尚联，等. 磁共振成像射频线圈技术. 中国医学影像技术，2005，21：1440-1441.