超高场MRI射频场生物热效应与快速成像技术研究

Owing to the unclearness of complex radiofrequency (RF) field biological thermal effect in ultra-high-field MRI systems, for the safety concerns, 7T human imagers are currently in operation for research purposes only, and have not been approved for in clinical settings. Several approaches have been developed for reducing the RF biological thermal effect, but only address one of two main areas: RF transmission or reception, can not balance both, and thus the improvement is limited. Based on the 7T human MRI system recently equipped by and sited at Zhejiang University, this project will construct a novel dedicated 7T patient-specific RF model for accurate monitoring/control of local tissue heating, develop the safe and fast imaging RF technology and an inverse-field-based approach for coil sensitivity mapping, consider both in RF transmission and reception stages to reduce the RF thermal effect, the specific absorption rate (SAR) monitoring/control should be improved obviously, and would be helpful for bridging the transition of the 7T MRI from research to clinical application. The novel research work of this project includes: Simulation study of 7T MRI RF thermal effect with different load conditions, to construct a dedicated 7T subject-specific RF model for accurate monitoring/control of local tissue heating, and to develop a new signal-processing scheme for optimal sampling and fast reconstruction of the complex MR signal at 7T.

由于超高场MRI中复杂的射频场生物热效应尚不十分清楚，出于安全性上的考虑7T MRI目前还只是用于科研，还没在临床上使用。虽然有不少研究者研发多种技术来降低这个生物热效应，但都只是从射频发射或信号接收中的一个方面来进行，二者不能兼顾，因而效果不佳。本项目依托浙江大学新近购置的科研专用7T人体MRI，通过构建能准确监控人体局部组织发热的个体化射频模型，研发安全快速成像的专用射频技术，以及线圈敏感性标测的逆场方法等，同时从射频发射与信号接收二个方面来降低射频场生物热效应，有望取得理想的效果，从而促进7T MRI从科研走向临床应用的步伐。本项目主要创新研究内容有：不同载荷条件下的7T MRI射频场生物热效应仿真研究；7T MRI专用的监控人体局部组织发热的个体化射频模型构建；7T下复杂MR信号优化采集和快速重建的信号处理新方法研究。

超高场MRI中的射频场生物热效应是一个值得关注的问题，而快速成像一直是MRI领域的研究热点之一。本项目主要针对超高场MRI射频场生物热效应与快速成像技术开展研究，主要研究内容有：1）7T MRI射频场生物热效应仿真研究；2）7T MRI专用的射频模型构建；3）复杂MR信号优化采集和快速重建算法研究。本项目的主要研究成果有：1）提出了一种通过构建个体化的人体电磁模型进行MRI射频场生物热效应仿真计算的方法，仿真试验结果表明，我们的方法能够准确计算出7T MRI 射频场作用下患者的局部SAR值“热点”，而传统采用通用模型的方法未能计算出这些局部SAR值“热点”。在此基础上，我们通过附加高介电材料来改善射频线圈的传输效率和接受灵敏度，从而达到提高磁共振图像的信噪比和减少SAR值的目的。2）我们设计制作了一个7T MRI专用的头部射频阵列线圈。不同于传统的开环设计方案，我们采用光耦合电流和磁场探针进行了射频校准信号采集，从选定位置采集的电流和场数据可以使得采用少量的射频电缆进行射频传输的反馈控制。经测试该线圈性能良好。3）提出了一种基于人工稀疏的非笛卡尔采样的部分并行成像算法，试验结果表明人工稀疏可以大大提高传统非笛卡尔成像的并行成像图像质量；针对磁共振动态成像，提出了一种基于动态非笛卡尔成像的三维人工稀疏算法，与传统并行成像相比，该算法能得到更好的重建结果。与二维人工稀疏算法相比，该方法得到的图像伪影更少，噪声更低。与国际上新型k-t类算法（iGRASP，k-t SPIRiT）相比，该算法能得到更好或与其相当的图像质量，而算法运算效率更高，成像速度快4倍。我们还提出了一种基于人工稀疏的k-t PCA动态磁共振成像算法，该法通过消除由稀疏性重建得到的初始图像误差，从而提高了重建的时间分辨率和信噪比，改善了高倍加速重建中的图像质量。另外，我们还在非笛卡尔采样方式下实现了磁共振线圈通道压缩技术，从而能够有效减少图像重建时间。本项目部分研究成果获得了2017年国家技术发明二等奖。