滤波函数对提高7T 磁共振颅脑图像均匀度的价值

毕京凤，刘欣瑶，隋滨滨，荆京，张英魁

（首都医科大学附属北京天坛医院 国家神经系统疾病临床医学研究中心，北京 100070）

近年来，随着磁共振检查的普及，超高场磁共振在临床上的应用越来越被关注，超高场磁共振意味着更高的信噪比，更高的空间分辨率[1-2]，同时也意味着更多的挑战。随着磁共振场强的升高，根据拉莫尔定律，质子的进动频率升高，所需要的激发脉冲的频率升高，其波长缩短。波长变短不仅会导致在人体内穿透距离变短，同时与人体作用后会产生驻波效应，这些都会导致射频场的空间分布不均匀，最终影响图像的均匀度[3]；另一方面相控阵线圈的表面线圈效应也会导致图像的不均匀，这些影响在颅脑磁共振检查中对幕下结构更为显著，不利于幕下病灶的显示。本文旨在研究图像滤波函数对提高7T 超高场颅脑磁共振成像幕下结构图像均匀度的价值。

1 材料与方法

1.1 一般资料

选取2021 年11 月—2022 年1 月在北京天坛医院国家神经系统疾病临床医学研究中心进行7T超高场颅脑磁共振检查的白质脱髓鞘病变患者的磁共振影像学资料为研究对象，共46 例患者，其中男15例，女31例，年龄18～61岁，平均（33.9±11.0）岁。所有患者检查前均签署7T 超高场磁共振检查知情同意书。纳入标准：①所有被检查者均无磁共振检查禁忌症；②所有被检查者均能很好的配合完成检查，磁共振图像无明显运动伪影。

1.2 仪器与方法

采用西门子公司TERRA 7.0T 磁共振扫描仪，8通道并行发射模式（pTx）32 通道头颅相控阵线圈。在常规检查组套序列扫描完成后，12 例患者分别加扫勾选均衡化滤波函数和B1 滤波函数（B1-filter）的全脑矢状面3D 各向同性T1-MPRAGE 序列，34例患者仅加扫勾选B1 滤波函数的全脑矢状面3D各向同性T1-MPRAGE 序列，两组图像的定位与常规组套中3D 各向同性T1-MPRAGE 定位相同。扫描参数除勾选参数卡中的均衡化滤波函数或者B1滤波函数外其余与常规组套中3D T1-MPRAGE 相同。扫描参数：回波时TE 3ms,重复时间TR 2200ms，视野FOV=224 mm×224 mm，层厚0.7 mm，层间隔0 mm，成像矩阵320×320，反转角5°，反转时间TI 1 050 ms，采集带宽250 Hz/Px。扫描时间为6 分29 秒。用软海绵垫将患者头部固定，嘱患者检查过程中保持不动，定位中心在眉心，扫描范围：包括整个颅脑。勾选均衡化滤波函数或者B1 滤波函数对扫描时间无影响。

1.3 图像分析

1.3.1 图像均匀性的主观评分

分别将3 组3D T1-MPRAGE 图像导入西门子工作站自带的3D 后处理软件，由一位10 年以上工作经验的磁共振工作者在掩去序列相关信息的情况下进行图像均匀性的主观判读评分，评分标准如下：图像出现线样伪影0 分；图像信号明显不均匀，病变显示模糊1 分；图像均匀性较差，病变显示尚可2 分；图像信号较均匀，病变显示较清晰3 分；图像信号均匀，病变显示清晰4 分。记录评分结果并进行分析。

1.3.2 图像的客观评价

勾选均衡化滤波函数组图像存在明显的重建伪影，影响诊断，不再进行进一步分析，下面主要对另外两组图像进行分析。选取同一患者未勾选图像滤波函数和勾选B1 滤波函数的T1-MPRAGE 图像，在机器自带的图像浏览软件中打开并找到正中矢状面，首先在未勾选图像滤波函数组的图像的正中矢状面画感兴趣区（Region of interest，ROI），然后利用复制粘贴的方式画另外5 个ROI，将6 个ROI 分别移动到脑干（中脑和延髓位置各1 个）、脑脊液（四叠体池和第四脑室内脑脊液内各1 个）以及小脑半球（近幕下和近颅底各一个）等需要测量信号强度的位置，然后利用复制粘贴的方式将各个ROI 复制到勾选B1 滤波函数组的正中矢状面图像上，以保证所有ROI 大小相等（ROI 大小：22 mm2±1 mm2）且两组图像ROI 位置完全一致，记录各个ROI 内图像信号的平均值。根据公式计算图像均匀度[4，5]：

1.4 统计学分析

采用SPSS 24.0 统计分析软件对数据进行统计学分析，计量资料采用表示，采用配对t 检验分析两组图像均匀性的主观评分以及图像均匀度值，P＜0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 图像均匀性的主观评分结果

12 例勾选均衡化滤波函数组图像在3D 后处理软件中均出现明显线样重建伪影，在横断面重建图像上线样伪影呈前后方向走行，在冠状面重建图像上，线样伪影呈头足方向走行，出现率100%（12/12），主观评分得分为0 分；未勾选图像滤波函数组和勾选B1 滤波函数组图像主观评分分别为2.85±0.42 和3.93±0.25，差异有统计学意义（P=0.00）。

2.2 图像的客观评价结果

未勾选图像滤波函数组和勾选B1 滤波函数组图像的均匀度分别为脑干（0.78±0.03）和（0.97±0.07）、脑脊液（0.79±0.06）和（0.93±0.06）、小脑（0.76±0.08）和（0.91±0.08），勾选B1 滤波函数组图像均匀度明显优于未勾选图像滤波函数组。差异有统计学意义（P=0.00）。

表1 三组3D 各向同性T1-MPRAGE 图像的主观评分标准

表2 未勾选图像滤波函数组和勾选B1 滤波函数组图像均匀度的比较（）

表2 未勾选图像滤波函数组和勾选B1 滤波函数组图像均匀度的比较（）

图1 3D-T1-MPRAGE 序列正中矢状面。可见未勾选图像滤波函数的图像（图1a）明显不均匀，幕下结构显示欠佳；勾选B1 滤波函数的图像（图1b）均匀性明显改善，幕下结构显示清晰。Figure 1.Midsagittal slices of 3D-T1-MPRAGE with no filter(Figure 1a) and B1 filter(Figure 1b).The image with no filter(Figure 1a) is uneven,and the subtentorial structure is poorly displayed;Compared with Figure 1a,the uniformity of Figure 1b（with B1 filter) is obviously improved,and the subtentorial structure is clearly displayed.

图2 感兴趣区的绘制方法。在第一组图像（图2a）相应测量区域绘制ROI，利用复制粘贴的方式将ROI 复制到第二组图像（图2b），确保两组图像中的ROI 大小以及位置完全相同。Figure 2.Method of ROI drawing.Draw ROIs on the first set of images (Figure 2a) in corresponding measurement areas,copy and paste them to the second set of images (Figure 2b) to ensure that the size and position of the ROIs in the two sets of images are exactly the same.

3 讨论

磁共振图像的均匀度是磁共振成像中评估图像质量非常重要的成像参数之一，指对均匀物质进行成像时，成像系统在整个扫描体区域产生相同信号响应的能力。引起磁共振图像不均匀的原因有很多，主要包括：静磁场的不均匀、射频场的不均匀、射频线圈的制作工艺、近线圈效应、梯度脉冲校准或者涡流校正不完善等[6]。为了提高磁共振图像的均匀度，各个厂家的磁共振扫描仪上自带了多种优化图像的技术供操作者选择，以便在图像重建过程中对图像进行处理，以确保获得更加均匀的图像信号。本研究在西门子Terra 7T 成像设备多源并行发射模式下，对临床常用的两种优化技术B1 滤波函数（B1 filter）和均衡化滤波函数（Normalize）在改善图像均匀性的效果方面进行了研究，发现使用B1 滤波函数能够在不增加扫描时间的情况下明显改善超高场强磁共振成像的图像均匀度，提高图像质量；而均衡化滤波函数则会出现明显的条状重建伪影。具体原因：本研究中12 例患者加扫了勾选均衡化滤波函数组的3D 各向同性T1-MPRAGE 序列，在3D 后处理软件中横断面和冠状面的重建图像上均出现了条状重建伪影，出现率为100%（12/12）。分析其原因，主要是由于该滤波函数在每一个层面会根据不同的亮暗对不同位置的信号进行增强或者降低，同时对噪声也有相应的增强或者降低，可以改善某一层面内的信号均匀度，但是不能纠正由于B1 场不均匀导致的图像信号不均匀，对于7T 超高场磁共振成像来说，由于B1 场不均匀性显著，所以该方法不能实现整体图像均匀性的改善，因而出现在图像重建时不同层面之间的条状伪影。

本研究发现B1 滤波函数能够显著改善图像均匀性，主要原因是其能够在图像域降低表面线圈单元的B1+效应而增加线圈中心部分的B1+效应，可以明显的纠正B1 场的不均匀，从而改善图像的均匀性[7]。随着场强的升高，质子进动频率升高，用于激发质子产生磁共振信号的射频脉冲的频率越高，快速变化的射频脉冲即交变电磁波，频率越高，电磁波的穿透深度越低，更容易产生磁共振伪影。同时，射频系统发射射频脉冲进入人体后，由于人体阻抗不匹配形成以相同频率反向传输的反射。对于低场磁共振来说，射频脉冲的频率比较低，波长较长，远大于人体解剖截面。随着场强的升高，射频脉冲的频率升高，波长变短，当波长等于或者小于人体解剖截面时，射频脉冲在人体内形成驻波，使得射频在人体内不均匀，扫描后获得的磁共振图像不均匀，图像上出现低信号区域[8]。对于7T 磁共振扫描仪，其进动频率更高，波长更短，进入人体后进一步衰减，大概只有11 cm，小于人体颅脑横截面，B1 场不均匀更明显，驻波效应显著，图像不均匀更严重[9]。为了减小驻波效应对7T 超高场磁共振成像的影响，硬件设计上采用8 通道并行发射，在一定程度上降低了B1 场不均匀对图像的影响。但是即便如此，7T 颅脑磁共振成像中幕下结构的显示仍欠佳，不利于幕下病变的诊断。B1 滤波函数可以明显纠正B1 场的不均匀，因而可以改善图像的不均匀性。本研究比较了在7T 磁共振扫描仪上未勾选图像滤波函数组与勾选B1 滤波函数组图像的均匀度的差异，研究发现无论是从主观评分（两组图像的评分分别为2.85±0.42 和3.93±0.25），还是从客观评价方面（两组图像的均匀度分别为脑干（0.78±0.03）和（0.97±0.07）、脑脊液（0.79±0.06）和（0.93±0.06）、小脑（0.76±0.08）和（0.91±0.08）），勾选B1 滤波函数组的均匀度均明显优于未勾选图像滤波函数组，研究结果与使用3T 磁共振扫描仪的研究结果一致[7，10]。

综上所述，在7T 磁共振扫描仪多源并行发射模式下，使用B1 滤波函数能够在不增加扫描时间的情况下明显改善超高场强磁共振成像的图像均匀度，提高图像质量，建议在常规扫描中勾选该选项，以提高7T 颅脑磁共振检查的图像质量，有利于幕下病变的显示。