磁共振弹性成像用于评估黏弹性特性

摘要

来源： Feng, Y., 等．利用压痕法与磁共振弹性成像对模拟软组织的明胶仿体进行黏弹性表征．J. Vis. Exp. (2022)

本视频演示了磁共振弹性成像（MRE）方法，通过分析剪切波在明胶模型中的传播来评估组织的黏弹性特性，该模型模拟脑组织。该过程包括利用磁共振成像（MRI）生成并捕捉剪切波，并分析波的传播模式以区分组织的硬度。

方案

1. 明胶仿体的制备

1. 根据需要称取明胶、甘油和水 表1将明胶粉末与水混合，制备明胶溶液。
   注意： 表1 显示了用于制备两种模体的各组分浓度。明胶浓度越高，模体越坚硬。
2. 将明胶溶液在水浴中加热至 60 °C。在保持温度的条件下，向明胶溶液中加入甘油。
   注意甘油通过提高明胶混合物的熔点和剪切模量来使其保持稳定¹⁷。
3. 搅拌溶液并再次加热至 60 °C。将混合溶液倒入用于磁共振弹性成像（MRE）和压痕测试的容器中。冷却至室温，等待溶液完全凝固。

2. 磁共振弹性成像或MRE 检测

1. 将振动板放置在明胶模体上方。确保模体与振动板之间的接触牢固（图1A）。
   注意： 振动板由聚酰胺材料制成，尺寸为 50 × 50 × 5 mm³。
2. 将明胶模体放入头部线圈中。在明胶模体周围放置海绵和沙袋，以确保模体固定稳妥。使用定制的电磁致动器并连接传动杆。将电磁致动器安装在头部线圈上，并将传动杆与振动板连接（图1B）。
3. 将致动器的电源线连接至放大器，控制线连接至控制器（图1C）。
4. 致动器与MRI扫描参数设置
   1. 在函数发生器中设置波形、振动频率和振幅。通过调节功率放大器设定所需的振动振幅。
      注意：此处函数发生器中波形设为正弦波；振动频率设为 40 Hz 或 50 Hz，振幅设为 1.5 Vpp。功率放大器中放大倍数设为 40%。
   2. 将函数发生器设置为触发模式。将触发线连接至磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）设备的外部触发端口。
   3. 将磁弹性共振（MRE）扫描（致动器）频率设置为与函数发生器输出频率相同，以确保运动编码梯度与振动板的运动同步。
5. 数据采集与分析
   1. 按照常规成像定位流程操作。采用基于二维梯度回波（GRE）的磁弹性共振（MRE）序列对明胶模体进行成像。GRE-MRE成像参数设置如下：翻转角 = 30°；TR/TE = 50/31 ms；视野 = 300 mm；层厚 = 5 mm；体素尺寸 = 2.34 × 2.34 mm²。
   2. 在一个正弦周期内采集四个时间点的相位图像。在每个时间点同时施加正向和负向的运动编码梯度。
   3. 基于所获取的相位图像，通过减去正负编码相位图像来消除背景相位。采用基于可靠性排序的算法对相位进行解缠绕。
   4. 对解缠绕后的相位图像应用快速傅里叶变换，提取运动的主成分。使用数字带通滤波器对相位图像进行滤波。采用二维直接反演（DI）算法估算剪切模量，获得储能模量 G' 和损耗模量 G''。
      ​注意： 带通滤波器的截止频率为 [0.04 0.08]。DI算法拟合窗口的大小为 11 × 11。

表1：制备两种明胶仿体所用明胶、甘油和水的质量及质量浓度。质量单位为克。

	明胶	水	甘油	总量
模型 1	100 (4.35%)	1200 (52.17%)	1000 (43.48%)	2300 (100%)
模型 2	160 (6.96%)	1140 (49.56%)	1000 (43.48%)	2300 (100%)

结果

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
24通道头部线圈 & 颈部线圈	联影医疗	100120	仪器设备
3T 磁共振扫描仪	联影医疗	uMR 790	仪器设备
采集板	研华科技有限公司	PCI-1706U	仪器设备
计算机-Windows	HP	790-07	仪器设备
电磁执行器	上海交通大学		仪器设备
函数发生器	RIGOL	DG1022Z	仪器设备
明胶	卡特多尔		试剂
甘油	Vance Bioenergy Sdn.Bhd		试剂
压痕控制程序	定制设计		软件；可通过以下网址访问：https://github.com/aaronfeng369/FengLab_indentation_code。
激光传感器	松下	HG-C1050	仪器设备
载荷传感器	换能器技术	GSO-10	仪器设备
MATLAB	Mathworks		软件
功率放大器	雅马哈	A-S201	仪器设备
音圈电机	SMAC Corporation	DB2583	仪器设备