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胎儿磁共振安全问题研究
【摘要】：磁共振(MEGNETIC RRESONANCE, MR)成像方法自问世以来,以其对软组织的高对比分辨率、任意方向直接切层成像、无损伤、无电离辐射等优点一直广泛应用于临床。将磁共振成像(MRI)应用到对人类胎儿的临床检查是自20世纪80年代第一次尝试并逐渐发展起来。在将磁共振检查运用到胎儿之前,对胎儿诊查的常规筛查手段一般为超声(Ultrasound,US)设备。相对于超声检查,虽然磁共振成像空间分辨率高,但早期的磁共振设备和检查费用较昂贵,扫描时间长,运动伪影难以避免。九十年代后,随着采样技术、编码技术、序列改进等各种磁共振技术的发展,成像时间大大减少,胎儿运动对图像的影响已大大降低,胎儿MRI逐渐应用于胎儿各系统。胎儿磁共振广泛应用在中枢神经系统检查中,对于脑室扩大、胼胝体发育异常、后颅窝病变(各种畸形及后颅窝病变)、皮层发育异常、蛛网膜囊肿、透明膜囊肿、出血、钙化等诊断相当可靠。对于心脏横纹肌瘤、心包囊肿等胎儿心脏病均有更好的诊断效果。综上所述,磁共振检查视野大、软组织对比分辨率高、不受母体情况和羊水量多少的影响,无辐射、无损伤,适用于胎儿诊断,能补充超声检查的局限性,提供更多的产前诊断信息,胎儿磁共振检查在国内外发展十分迅速。考虑到无法控制胎儿的运动,胎儿磁共振扫描倾向于使用快速成像序列,例如：平衡式稳态自由进动序列(balance-FFE)和单次激发快速自旋回波序列(SSTSE),这是两个应用最多的序列,其他还有弥散加权DWI序列(缺血)、fMRI(视听觉反射)、MRS(肝脏、心脏、脑的代谢产物)等许多序列可以用于胎儿。磁共振主要利用核磁共振原理进行成像,不存在放射线和电离辐射,至今为止,尚未发现短时间暴露于静磁场会对胎儿的发育造成危害。尽管如此,在孕期前三个月,胚胎尚处于细胞的分化发育期,受外界各种因素影响带来损伤的程度还不明确,为最大程度的保护胎儿,目前普遍的建议是对孕3月以内的胎儿,不主张做磁共振检查,对孕程3个月以上的胎儿,通常选择场强不超过1.5 T的磁共振设备,不选择更高磁场强度的磁共振,并不是静磁场的强度增大会带来明显的危害,而是磁共振成像时的射频脉冲使组织温度升高,以及梯度线圈中的电流高速切换产生洛伦兹力使线圈振动产生的噪声,可能会更容易对胎儿的发育带来损伤。场强越高,射频能量越高、梯度噪音更大,本文主要针对高场(3.0 T)磁共振检查中,孕期人体对射频能量的吸收及胎儿磁共振检查中的噪音防护进行研究。1射频热点相关研究特异性吸收率(specific absorption rate, SAR)是指单位质量的对象吸收的射频能量(W/KG),是衡量人体射频能量吸收的参数。FDA、IEC、ICNIRP对SAR值都做了相应规定。SAR值的基本计算公式如下：每一点的SAR值需要该点的电导率、密度以及电场强度。早期的研究以均匀场以及均匀介质建立模型,因电磁场的均匀性会被负载影响,且人体各组织器官的电导率和密度都非均匀,因此,在均匀场强和介质的假设上得到的模拟结果比如与真实SAR值分布有较大误差,为了得到更准确的结果,我们使用时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)方法建立了磁共振常用鸟笼线圈的仿真模型和怀孕女性盆腔的三维电磁模型,用以进行SAR值的仿真计算。时域有限差分方法基本原理是：以麦克斯韦微分方程为基础,在时域和空域交替地离散化采样,最后得到以具有两阶精度的中心有限差分格式来近似地代替原来微分形式的方程。在我们给出边界条件及初始值后,每一时刻空间中电磁场的值便可以使用时域有限差分方法步进地求得。对于女性盆腔模型,我们获得了一位未怀孕女性志愿者的CT扫描数据,设定阈值每一层数据进行图像分割处理,由于子宫和肌肉的灰度值不具显著性差异,我们在阈值分割的基础上,再人工将子宫和宫腔内的组织液分割处理,并结合解剖知识,去除伪影,最后将数据导入Mimics软件,通过优化以后,得到各组织器官区分明确的真实女性三维盆腔模型。胎儿的数据,因为伦理关系无法直接获得扫描图像,我们根据文献报道的数据,建立了13周大小胎儿的模型,与真实女性三维盆腔模型相结合,得到怀孕女性的盆腔三维模型。为提高分割效率,我们对自动分割方法进行了研究,采用了无监督多尺度吉波斯随机场分割算法。该算法抗干扰能力强,鲁棒性好,效率高,但是分割结果仍需人工进行优化,因此在下一步的实验中,我们仍然使用更精确的人工分割数据建立的人体三维模型。将所得的盆腔模型导入SEMCAD软件,按国际应用物理学协会提供的人体电磁参数(电导率σ和相对介电常数ε),给对应组织器官赋值,最终得到人体模型相对应的三维电磁模型。频率不同时,电磁参数不同,因此我们做不同场强仿真计算时,给人体模型赋予对应的电磁参数,就可以得到相应场强时的人体三维电磁模型。我们接下来探讨了加载非均匀负载(未怀孕女性)时,不同场强磁共振射频B1场均匀性受到的影响,对不同场强,我们选取过子宫中心点的横截面,记最大磁场值为1,对归一化的结果数据取其dB值。从研究结果可以看到,随着射频场场强的升高(64Mhz对应1.5 T,128Mhz对应3.0 T,296Mhz对应7.0 T),B1场的均匀性下降。通过对加载怀孕女性和未怀孕女性负载的B1场分布进行对比,可以看出怀孕女性过子宫中心点横截面上的磁场均匀性进一步降低,影响磁共振成像的质量。我们建立的三维电磁模型,有助于线圈优化设计的验证。我们分别计算了未怀孕女性在1.5 T、3.0 T、7.0 T场强时的局部SAR值和平均SAR值,以及怀孕女性在1.5 T、3.0 T场强的局部SAR值和平均SAR值。结果表明,1.5 T磁共振的局部SAR值并未超过安全阈值,随着射频频率的增强,SAR值也逐渐升高。对于未怀孕女性,当磁通密度达到3.0 T时,超出了FDA规定的安全阈值的组织为皮肤SAR平均值和皮肤SAR局部最大值；7.0 T时,各部位SAR平均值都超过阈值,皮肤和肌肉SAR的局部最大值都超出了FDA规定的安全阈值,组织液的SAR局部最大值已非常接近安全阈值。怀孕女性的平均SAR值和局部SAR值都比为怀孕女性高,3.0 T胎儿磁共振时, 皮肤SAR的平均值已经超出了安全阈值,羊水SAR的平均值已非常接近安全阈值, 子宫肤和羊水的SAR局部最大值增幅较大,羊水局部SAR最大值已经接近IEC给出的安全阈值。包裹胎儿的羊水处出现局部能量热点,有可能对胎儿发育造成危害,相关安全性需要引起注意。2胎儿磁共振梯度噪声防护早期的研究发现,如果怀孕期间暴露在一定程度的噪声下,胎儿在宫内和产后的发育都会受到一定程度的影响。目前IEC对磁共振噪声的安全规定限值是140dB,对做磁共振的病人而言,超过99dB(A)时则要求有耳罩等听力保护装置(IEC(2010))。场强越高,梯度噪声越强,随着对磁共振成像的要求及磁共振技术的发展(更薄的层厚、更高的场强等),将会导致更高的磁共振梯度噪声。当磁共振梯度噪声超过安全阈值时,对成人可以采用辅助防护手段进行保护,对胎儿的相关防护一直未有针对性的研究。本文针对高场(3.0T)胎儿磁共振扫描中胎儿噪声问题,给出简易可行的保护方案,确保在MR系统符合产品噪声标准要求的前提下,胎儿接收到的噪声在可靠的安全阈值范围内,有助于胎儿磁共振的安全防护。声音在真空中不能传播,我们利用这一众所周知的原理设计了一个双层的半圆柱形有机玻璃罩。内外层之间形成2cm的空腔,底部留有一个自封闭的抽气口,使用真空泵通过抽气口抽取空腔中的空气,形成真空遮罩。人体或其他被测生物可通过入口放入双层真空罩,入口用类似的双层真空部件封闭,缝隙使用消音棉封闭。我们将分贝仪的麦克风置入双层真空罩,先在静音室测试了双层真空罩内不同位置的声音衰减效果。实验结果表明,在不使用双层真空罩时,噪音分贝值80.4dB,使用双层真空罩后,对噪音的衰减幅度大约为7dB,内腔各位置噪声水平差异不超过1dB。当我们测试-450mbar时,双层真空罩因无法承受大气压力而破裂。在磁共振噪音测试中,我们使用-400mbar真空度,测量内腔中心位置的噪声水平。不同的磁共振扫描序列会产生不同强度的噪音,我们选择了部分常用磁共振序列,进行了相应的测量,磁共振场强3.0T。结果显示,噪音水平随着TR、TE,层厚、视域范围(FOV)不同而不同,更短的TR、TE,更薄的层厚和更小的视域范围,会产生更强的噪声。在未使用真空罩以前,噪音都超过了规定的安全阈值。使用了我们所设计是双层真空罩以后,噪音水平范围降到了84.4dB(A)到104.2dB(A)之间,除了T1WI_THRIVE序列,其他序列的梯度噪音都降到了99dB(A)以下,且对于各扫描序列的衰减效果不同,衰减幅度最高的是T2WI TSE2序列(26.9dB(A)),衰减幅度最小的是DWI磁共振扫描序列(15.5dB(A))。结合各噪声频谱进行分析,若噪音的频谱中含有幅值较高的频率,则双层真空罩的衰减作用也较强,而若是噪音的频谱能量较分散,即使噪声本身整体分贝值高,衰减的幅度也不够高。实验证明,我们设计的双层真空罩可以有效降低磁共振检查中产生的梯度噪声。对部分常规序列,其梯度噪声都可以降至国际标准安全阈值以下,可以有效地对胎儿磁共振检查提供噪声防护。
【关键词】：
【学位授予单位】：南方医科大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2015【分类号】：R714.5;R445.2【目录】：
摘要3-9ABSTRACT9-19第一章 绪论19-28 第一节 胎儿磁共振的发展19-21 第二节 胎儿磁共振的安全问题21-24
2 射频热点分布安全及国际标准要求21-23
3 梯度噪声安全及国际标准要求23-24 第三节 本文组织结构24-25 参考文献25-28第二章 胎儿磁共振射频热点安全研究28-68 第一节 射频热点计算机仿真方法28-36
1 电磁场仿真方法28-29
2 时域有限差分方法理论29-31
3 FDTD方法实现31-35
4 鸟笼线圈的仿真35-36
5 小结36 第二节 胎儿及母体三维电磁模型36-49
1 真实盆腔及胎儿三维数值模型37-46
2 盆腔及胎儿三维电磁模型46-48
3 小结48-49 第三节 射频场及射频热点在胎儿及母体的分布49-65
1 磁共振射频线圈B1场分布49-55
2 磁共振射频热点分布55-65 参考文献65-68第三章 胎儿磁共振梯度噪声安全防护研究68-88 第一节 胎儿磁共振的梯度噪声特点研究68-72 第二节 胎儿磁共振梯度噪声安全防护设计提出72-75
1 带抽气口的双层真空罩设计72-73
2 真空双层罩的噪声衰减实验73-75 第三节 胎儿磁共振梯度噪声安全防护效果讨论75-84
1 真空度选择75
2 不同磁共振扫描序列梯度噪音及双层真空罩衰减结果75-83
3 小结83-84 参考文献84-88第四章 总结及展望88-91攻读学位期间成果91-92致谢92-93
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