局部匀场在磁共振全身弥散成像中的应用

朱小飞，刘锦，朱开国，韩宇，休思捷，张帆

第四军医大学唐都医院放射科，西安710038

全身弥散加权成像是近年来发展起来的一种全新的磁共振检查技术，由于费用低，特异性高，在临床中的应用日益增多。全身弥散成像与全身解剖像的联合应用在肿瘤的分期，放化疗评估，肿瘤的原发灶筛查及转移方面具有较高经济价值[1-2]。但是由于其成像的特殊性，图像质量常常受到很多因素的影响，最常出现的就是图像的截断伪影，而截断伪影主要发生在颈部和胸部交界处。笔者选取40例进行全身弥散扫描的患者，在伪影经常出现的颈胸交界处分别添加局部匀场，分析局部匀场对图像截断伪影的影响。

1 材料与方法

1.1 一般资料

选取40例2016年5月至12月在我院进行全身弥散扫描的患者，其中男性24例，女性16例，年龄42～70岁，平均年龄52.6岁。检查前所有患者均了解检查过程和检查内容，并签署知情同意书。

1.2 检查方法

采用德国Siemens 1.5 T Aera超导磁共振扫描仪，用全景一体化线圈(Tim线圈)，头颈联合线圈，以及两个体线圈联合使用，采集范围包含头顶至盆腔。扫描参数：扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)采用单次激励自旋回波(echo planar imaging，EPI)成像序列(DWI-STIREPI序列)，TR 13 600 ms，TE 79 ms，TI 170 ms，视野(FOV) 40 cm×40 cm，矩阵128×128，扩散敏感因子b=800，采集次数(NEX)为5，层数50，层厚5 mm，层间距0，并行采集因子为2。受检者仰卧于扫描床上，头先进，自由呼吸。扫描范围分四段采集，在完成一段数据的采集后，检查床自动移至下一段进行扫描，扫描时间约21 min。由于截断伪影常出现在颈胸交界处，故在扫描第一段和第二段时，也就是在颈胸交界处添加局部匀场和未添加局部匀场的情况下分别扫描。FOV呈长条形，不宜过大，中心位于颈胸交界处。具体添加局部匀场方式如图1所示。

1.3 数据处理

扫描结束后利用西门子3D后处理软件对图像进行最大信号投影法(MIP)重建图像，并利用黑白翻转，得到类似于正电子发射计算机断层显像(positron emission tomography，PET)的图像。并在矢状面观察颈胸交界处，即第一段和第二段之间有无截断伪影出现。由于在矢状位重建图像上，所有的截断伪影都不同程度地向前移位，而矢状位对于移位的观察最为敏感和准确。在考虑对图像质量影响很小和不影响诊断的前提下，将是否有截断伪影定义为：在矢状位重建图像上，在有截断处将上位椎体分为3等份，下位椎体向前移位不超过1等份视为无截断伪影，超过1等份视为出现截断伪影。

1.4 统计学方法

采用SPSS 20.0软件进行统计学分析，对两组图像的结果采用配对设计的χ2检验进行比较，以P＜0.05为差异具有统计学意义，以P＜0.01为差异具有显著统计学意义。

图1 A：局部匀场在矢状位上的定位；B：局部匀场在冠状位的定位；C：局部匀场在横断位上的定位 图2 添加匀场和未添加匀场时，伪影出现的情况(n=40)Fig. 1 A: The location of local shimming on sagittal. B: The location of local shimming on coronal. C: The location of local shimming on transverse.Fig. 2 Different appearances of artifacts between adding local shimming and no local shimming (n=40).

2 结果

在40例患者中，在没有添加局部匀场的情况下，有36例在颈胸交界处出现了截断伪影，4例无截断伪影；在添加了局部匀场的情况下，有5例在颈胸交界处出现了截断伪影，35例无截断伪影(图2)。在没有添加局部匀场的情况下，在重建的图像上能看到明显的截断伪影，不利于病变的显示；添加局部匀场后，截断伪影的出现明显减少，图像质量效果明显提高，更有利于观察者观察(图3)。添加局部匀场和未添加局部匀场两组图像之间的差异具有显著统计学意义(P＜0.01；表1)。

图3 矢状位最大密度投影(maximum intensity projection，MIP)重建图像. A：未在颈胸交界处添加局部匀场，可看到明显的截断伪影；B：在颈胸交界处添加局部匀场，未出现截断伪影Fig. 3 Sagittal whole body diffusion weighted imaging. A: Obvious truncation artifact appeared with no local shimming at the cervicothoracic junction. B: No truncation artifact was observed after adding local shimming.

表1 截断伪影出现率比较Tab.1 Comparison of appearances of truncation artifacts

3 讨论

WB-DWI在2004由日本学者Takahara等[3]提出。它是将DWI和EPI以及短时反转恢复(short time inversion recovery，STIR)脂肪抑制技术相结合，在自由呼吸情况下完成人体大范围扫描，根据情况可扫描至盆腔或膝关节。由于其应用了脂肪抑制技术，能够很好地对体部的背景信息进行屏蔽，使肿瘤病变的检出率明显增加[4]。扫描完成后对采集到的图像经3D-MIP处理重建，并经黑白反转技术得到类似PET的影像效果，被业内称为类PET技术[5]。但是由于DWI技术的特殊性，其图像常受到各种因素的影响，从而影响图像的拼接效果，导致截断伪影的出现。导致截断伪影出现主要有以下几方面的因素。

3.1 受检者自身因素

受检者自身因素包含外在因素和内在因素，前者主要是指受检者行检查时体内或者体外含有金属物质或磁性物质，如假发，假牙，避孕环，磁疗衣裤，金属拉链等其他的金属物质。金属物质和磁性物质可造成局部磁化率发生显著变化，导致明显的磁场扭曲，破坏主磁场的均匀性，导致大片的信号损失和图像变形，严重影响图像的拼接效果[6]。内在因素主要是指人体不同组织的磁化率差异，由于不同组织抗磁性磁化率不同，这就使得磁场中的人体具有磁场非均匀性的特点[7]。在做MRI检查时，磁化率磁相差较大的两种组织界面会出现伪影，这种伪影称为磁化率伪影，主要表现为局部信号的增强或减弱，常同时伴随着组织的变形[8]。由于磁敏感伪影常出现在人体组织自身敏感差异较大的组织界面附近，体内磁化率相差较大的场所是空气和组织的交界面，其中最常见的就出现在颈胸交界处，磁敏感伪影常导致图像变形而影响拼接效果，表现为图像的截断。在行全身弥散扫描时，由于WB-DWI采用的是EPI序列，没有180º相位聚焦脉冲，对磁场不均匀更为敏感，磁化率伪影将更为严重[9]。颈部形态不规则，下部与肺相接，而肺由于含有大量的空气，颈部组织和肺组织两者之间的磁化率相差很大，这种情况下组织界面就会出现明显的磁场梯度，从而影响磁场的均匀性，导致图像的错误定位。当两段图像进行拼接时，就会导致截断伪影的出现。导致产生磁敏感伪影最主要的因素是局部磁场的不均匀，而保证局部磁场均匀性的最好方式就是添加局部匀场[10]。局部匀场即所谓的有源匀场，指通过适当调整匀场线圈阵列中各线圈的电流强度，使周围的局部磁场发生变化来调节主磁场以提高磁场整体均匀性的过程。局部匀场FOV不宜过大，FOV较小更能保持局部磁场的均匀性[11]。通过在颈胸交界处添加局部匀场，就能很好地保持磁敏感差异较大部位磁场的均匀性，尽可能减少磁敏感伪影的影响，防止重建图像时截断伪影的出现。在添加了局部匀场的情况下，仍然有5例在颈胸交界处出现了截断伪影。主要是由于局部匀场是通过调节有源线圈的的电流值，使其产生特定方向的线性或高阶梯度场来修正磁场空间分布，其调节值必定在一定范围内。如果受检者由于病理因素使颈胸交界处含气量增加或者生理因素使交界处形态变得不规则，则会进一步加重磁敏感效应，超过局部匀场的调节范围，从而导致截断伪影的出现。

3.2 设备自身因素

设备自身因素主要包含梯度场涡流和静磁场均匀性。脉冲梯度磁场由梯度线圈产生，在产生脉冲梯度的同时会感应出涡流，涡流会导致回波信号的变形和缺失，从而造成伪影[12]。由法拉第电磁感应原理可知，变化的磁场在周围的金属体内产生感应电流，这种电流的流线在金属体内自行闭合，简称涡流。梯度线圈被各种金属导体材料所包围，因而在梯度快速开关的同时，必然会产生涡流。涡流的存在会大大影响梯度场的变化，使原本规则的梯度场波形变得不规则，也就是使梯度场的线性变差，从而引起图像畸变或信号幅度减小。由梯度场产生的涡流造成的DWI图像扭曲不仅会严重影响图像质量，而且会造成空间定位的错误，从而影响图像的拼接效果[9]。高质量的磁共振图像需要高均匀的静磁场，不均匀的磁场会影响自旋磁矩的分布，造成自旋质子旋进频率不一致，从而造成磁共振信号失真[13]。在理想的均匀磁场中，所有质子将共振同一频率上，物体中的每个像素必然由图像中一个像素来代表。而在非均匀磁场中，单位体素范围内场强为△B0的变化，将引起共振频率在中心频率f0附近发△f的变化，使成像体的影像由一个点扩展到△f/△BW个像素(△BW为单位体素的带宽)，在均匀性差的磁场中成像时，本应属于一个像素的信号被分配到附近的几个像素，从而造成图像的失真。由于EPI序列为平面回波成像，没有180º聚焦脉冲的相位重聚，因而对磁场均匀性要求较高，不均匀的磁场会导致自旋质子在相位方向就会发生偏差，错误的频率填入K空间，就会导致信号失真，图像发生变形，从而导致图像拼接时截断伪影的出现[8]。

3.3 受检者体位摆放

患者摆位是否标准，也影响着磁场的均匀度。越靠近磁场中心，磁场越均匀，如果摆放不正，身体偏离磁场中心，就会造成局部磁场的不均匀，DWI序列对磁场均匀度要求较高，不均匀的磁场会影响图像的成像质量，可能会影响图像的拼接效果。所以在扫描过程中保持受检者身体长轴位于磁体中心而且处于同一水平面，能够改善成像的质量及拼接效果[9]。

综上所述，随着超导磁共振的大量应用以及各种补偿方法的提升，已经能很好地保证磁共振系统稳定性，梯度保真性，静磁场均匀性。在日常的磁共振全身弥散成像中，在规范化摆位的情况下，以及去除患者铁磁性伪影影响的情况下，对拼接效果影响最大的是组织界面的磁化率伪影。而去除磁化率伪影的最好方式就是保持局部磁场的均匀性，这时在颈胸交界处，也就是在第一段和第二段交界处分别添加局部匀场，就能很好地防止截断伪影的出现，对改善图像的质量具有重大的意义。然而本研究也有不足之处，由于磁共振是多参数成像，不同的参数设置和组合对全身弥散成像质量有着不同的影响，有研究指出，不同的磁场强度和不同的TE设置对磁敏感的影响也会各不相同[14-15]，所以如何合理地使用和设置各种参数，减少全身弥散检查的伪影，还有许多值得研究的地方。如今全身弥散成像在很多方面已经能与PET-CT等相媲美[16]，随着磁共振技术的不断发展，磁共振弥散成像也将发挥越来越大的作用。

参考文献 [References]

[1] Tomizawa M, Shinozaki F, Uchida Y, et al. Diffusion-weighted whole-body imaging with background body signal suppression/T2 image fusion and positron emission tomography/computed tomography of upper gastrointestinal cancers. Abdom imaging, 2015,40(8): 3012-3019.

[2] Del Vescovo R, Frauenfelder G, Giurazza F, et al. Role of wholebody diffusion-weighted MRI in detecting bone metastasis. Radiol Med, 2014, 119(10): 758-766.

[3] Takahara T, Imai Y, Yamashita T, et al. Diffusion weighted whole body imaging with background body signal suppression (DWIBS):technical improvement using free breathing, STIR and high resolution 3D display. Radial Med, 2004, 22(4): 275-282.

[4] Jing YP, Zhang HX, Gao ZR. Study of clinical application value in background inhibiton of diffusion weighted (PET-LIKE) imaging. J Pract Med Imaging, 2016, 17(6): 527-529.荆彦平, 张海霞, 高峥嵘. 背景抑制全身弥散加权成像临床应用价值研究. 实用医学影像学杂志, 2016, 17(6): 527-529.

[5] Gerwin P, Alexander R, Stefan O, et al. Whole-body MRI and management of cancer patients. Eur Radial, 2006, 16(6): 1216-1225.

[6] Sun J, Xu ZS, Xie GH. Discussion of classification and elimination of MR image artifact. Inform Med Equipment, 2007, 22(1): 82-84 .孙杰, 徐子森, 解桂花. MR图像伪影的种类及消除方法的探讨. 医疗设备信息, 2007, (1): 82-84 .

[7] Zhao XP. Magnetic resonance imaging. Beijing: Science Press, 2004:1006-1007.赵喜平. 磁共振成像. 北京: 科学出版社, 2004: 1006-1007.

[8] Yang ZH, Fen f, Wang XY. A guide to technique of magnetic resonance imaging. Beijing: People's Military Medical Press, 2013: 449-451.杨正汉, 冯逢, 王宵英. 磁共振技术指南. 北京: 人民军医出版社,2013: 449-451.

[9] Yang YG, Guo G, Zheng Y. Factors affecting whole bode diffusionweighted imaging. J Shantou University Med College, 2009, 22(3): 150-152 .杨永贵, 郭岗, 郑晔, 等. 影响全身弥散技术成像效果的因素. 汕头大学医学院学报, 2009, 22(3): 150-152 .

[10] Gatidis S, Graf h, Weiß J, et al. Diffusion-weighted echo planar MR imaging of the neck at 3T using integrated shimming: comparison of MR sequence techniques for reducing artifacts caused by magneticfield inhomogeneities. Magn Reson Mater Phy, 2017, 30(1): 57-63.

[11] Hu M, Ji YL, Wang JW. A preliminary study on semi FOV technique to reduce the magnetic susceptibility artifact of the abdominal FIESTA sequence. Chin Imaging J Integrated Traditional Western Med, 2014, 12(6): 21-23.胡梅, 季丽雅, 王建伟. 半FOV匀场技术纠正FIESTA. 中国中西医结合影像学杂志, 2014, 12(6): 21-23.

[12] He WJ, Zhu YZ, Wang WZ. Quantitative experiment and analysis of gradient-induced eddy currents on magnetic resonance imaging. J Biom Engineer, 2017, 34(2): 220-226.何汶静, 祝元仲, 王文周. 磁共振梯度涡流场的定量实验与分析.生物医学工程学杂志, 2017, 34(2): 220-226.

[13] Su Jin, Yuan XY, Liu XL. In fluence of unstable field on MRI signal.J Changchun University Technol, 2016, 37(3): 274-276.苏晋, 袁小燕, 刘小利. 不稳定场对磁共振信号影响分析. 长春工业大学学报, 2016, 37(3): 274-276.

[14] Wei L, Li L, Peng YF. Whole-body diffusion-weighted MRI on 3.0 tesla system. Magn Reson Imaging, 2016, 7(12): 957-960 .魏来, 李莉, 彭屹峰. 3.0 T磁共振全身弥散成像技术可行性及临床应用价值. 磁共振成像, 2016, 7(12): 957-960.

[15] Jiang B, You H, Feng F. Study on the correlation echo time of EPI in ultra-high field MR and signal loss due to magnetic susceptibility artifact. Inform Med Equipment, 2007, 22(6): 8-10.姜波, 有慧, 冯逢. 超高场MR EPI序列中回波时间与磁敏感伪影造成信号丢失的相关性研究. 医疗设备信息, 2007, 22(6): 8-10.

[16] Regacini R, Puchnick A, Shigueoka D, et al. Whole-body diffusionweighted magnetic resonance imaging versus FDG-PET/CT for initial lymphoma staging: systematic review on diagnostic test accuracy studies. Sao Paulo Med, 2015, 133(2): 141-150.