7 特斯拉心脏磁共振成像

摘要

超高场磁共振固有的灵敏度增益为心脏高空间分辨率成像带来了前景。本文介绍了一种在7特斯拉下进行心血管功能磁共振（CMR）的定制化方案，该方案采用先进的多通道射频线圈、磁场匀场技术以及触发采集策略。

摘要

超高场强（主磁场强度 B₀ ≥ 7 特斯拉）下的心脏磁共振成像（CMR）得益于更高磁场强度下固有的信噪比（SNR）优势，有望实现更优的信号对比度和空间分辨率。尽管已取得令人鼓舞的成果，超高场强 CMR 仍面临诸多挑战，包括能量沉积限制以及射频场不均匀性和主磁场不均匀性等物理现象。此外，磁流体动力学效应使得数据采集与心脏运动的同步变得困难。目前，这些挑战正通过探索新型磁共振技术加以应对。若所有障碍均得以克服，超高场强 CMR 可能为功能学 CMR、心肌组织表征、微结构成像或代谢成像带来新的机遇。鉴于这一潜力，我们证明：针对 7 特斯拉场强下 CMR 定制的多通道射频（RF）线圈技术，结合高阶 B₀ 匀场以及备用的心电触发信号，可实现高保真的功能学 CMR。采用所提出的成像方案，可在与较低场强下相当的检查时间内完成心腔定量分析。为分享这一经验并推动该专业技术的传播，本文详细描述了我们为 7 特斯拉场强下功能学 CMR 所定制的设备配置与成像方案。

引言

心血管磁共振（CMR）具有明确的临床价值，其临床适应证范围不断扩大^1,2。其中，心脏形态和功能的评估尤为重要，通常通过分段屏气的二维（2D）电影（CINE）成像技术，对整个心动周期中的心脏运动进行追踪和可视化来实现。尽管对空间-时间分辨率、血液-心肌对比度以及信噪比（SNR）要求较高，但数据采集受到心脏和呼吸运动的限制，且需多次屏气，加之需要覆盖整个心脏或左心室，往往导致扫描时间较长。并行成像、同时多层成像或其他加速技术有助于缓解与运动相关的限制^3,4,5,6。

此外，为了利用更高磁场下固有的信噪比（SNR）增益，磁场强度 B₀ = 3 特斯拉的高场系统在临床常规中正被越来越多地采用^7,8。这一发展也推动了对超高场（B₀≥7 特斯拉，f≥298 MHz）心脏磁共振（CMR）的研究^{9,10,11,12,13,14}。更高场强所带来的信噪比提升以及血液-心肌对比度的增强，有望转化为功能型 CMR 的性能提升，实现超越当前极限的空间分辨率^15,16,17。相应地，基于磁共振（MR）的心肌组织表征、代谢成像和微结构成像也将迎来新的可能性¹³。迄今为止，多个研究团队已证实了 7 特斯拉下 CMR 的可行性，并已开发出专门针对超高场的成像技术^{17,18,19,20,21,22}。鉴于这些令人鼓舞的进展，超高场 CMR 的潜力仍远未被充分挖掘¹³。然而，物理现象和实际障碍，如磁场不均匀性、射频（RF）激发场的非均匀性、离共振伪影、介电效应、局部组织加热以及与场强无关的射频功率沉积限制，使得超高场成像面临挑战^10,17。后者用于控制射频引起的组织加热，以确保安全运行。此外，基于心电图（ECG）的触发可能受到磁流体动力学（MHD）效应的显著影响^19,23,24。为应对组织内波长变短所带来的挑战，研究人员已提出专为 7 特斯拉 CMR 设计的多通道收发射频线圈阵列^21,25,26,27。并行射频发射技术可实现发射场的调控，即所谓的 B₁+ 匀场（shimming），有助于减轻磁场不均匀性和磁化率伪影^18,28。尽管在当前阶段，其中一些措施可能增加实验复杂性，但这些概念已被证明具有实用价值，并有望推广至临床常用的 1.5 T 或 3 T CMR 场强。

目前，在1.5 T和3 T场强下，二维平衡稳态自由进动（bSSFP）电影成像（CINE imaging）是临床功能性心脏磁共振（CMR）的参考标准¹。近年来，该序列已成功应用于7特斯拉场强，但仍面临诸多挑战¹⁹。为应对射频功率沉积限制，采用了针对患者的B₁⁺ 匀场及额外的射频线圈调整，并通过精细的B₀匀场以控制该序列典型的带状伪影。在评估左心室（LV）功能时，平均扫描时间为93分钟，导致检查时间超出临床可接受范围。在此背景下，扰相梯度回波序列提供了一种可行的替代方案。在7特斯拉场强下，左心室功能评估的总检查时间报告为（29 ± 5）分钟，与较低场强下的临床成像方案相当²¹。扰相梯度回波序列的心脏磁共振成像得益于超高场下延长的T₁弛豫时间，从而获得优于1.5 T梯度回波成像的血液-心肌对比度。这使得心包、二尖瓣和三尖瓣以及乳头肌等细微解剖结构清晰可辨。相应地，在7特斯拉下基于扰相梯度回波的心腔定量结果与1.5 T下二维bSSFP电影成像所得左心室参数高度一致²⁰。此外，最近研究已证明，在7特斯拉下使用高分辨率扰相梯度回波序列可实现准确的右心室（RV）心腔定量²⁹。

认识到超高场强心血管磁共振（CMR）所面临的挑战与机遇，本研究提出了一种专为7特斯拉科研型磁共振成像仪上的功能型CMR采集而定制的实验装置与操作流程。该流程阐述了其技术基础，展示了如何克服各类技术障碍，并提供了实用性的操作建议，以尽量减少额外的实验负担。所提出的成像方案在空间分辨率上实现了四倍提升 与 当今的临床实践。旨在为临床应用者、医师科学家、转化研究人员、应用专家、MR放射技师、技术人员以及该领域的新进人员提供指导。

方案

本研究已获得澳大利亚昆士兰大学昆士兰伦理委员会的批准，并已从所有参与研究的受试者处获得知情同意。

1. 受试者

1. 在昆士兰大学内部招募年满18岁以上的志愿者。
2. 知情同意
   1. 在受试者进入磁共振成像（MRI）安全区域前，告知其接受检查可能存在的风险。具体说明超高磁场暴露情况以及接受MRI检查的可能禁忌证。告知受试者参与检查为自愿行为，且在任何时候均可中止检查。须获得书面形式的知情同意。
   2. 向受试者解释检查流程。由于成像在呼气末屏气期间进行，而稳定的屏气对图像质量至关重要，因此在扫描前应对受试者进行呼吸技术指导。
   3. 所有受试者在进入MRI安全区域前须进行书面MRI安全筛查，并在进入扫描室前再次确认。存在MRI检查禁忌证者（e.g.，起搏器、植入式除颤器、其他不安全的医疗植入物或幽闭恐惧症）应予以排除。
3. 要求受试者在进入扫描室前更换为手术服。

2. 准备

1. 设置运行专用32通道所需附加硬件 ¹H型心脏收发射频线圈²⁶ 在患者检查床上，按照所述方案进行 图1a 和 b. 除了一个小型功率分配器盒子（图1c），辅助线圈设备包含一个功率分配箱和一个移相器箱（图1d）以及一个发射/接收接口箱（图1e用于放置在受试者下方和上方的两个射频线圈部分。其较大部分容纳了局部发射电子元件，这是在7特斯拉下进行信号激发所必需的，因为传统鸟笼式体线圈在1.5 T和3.0 T下常用，但在7 T下不可用。
2. 将额外的射频线圈硬件放置在患者检查床的顶端，具体位置如图所示。 图1b 并使用卡口式尼尔-康西尔曼（BNC）电缆将各个模块连接在一起。由于患者检查床进入磁共振成像仪孔洞的距离有限，需确保在检查床上为线圈结构预留足够的空间，以保证受试者心脏能够定位在磁体等中心时，线圈中心与磁体等中心重合。
3. 将发射/接收接口盒连接到检查床的四个线圈插孔上。
4. 将后部线圈阵列的中心置于距检查床顶端147 cm处图1b）。该标记点用于确定后部线圈阵列的放置位置，以确保当检查床完全推入磁体孔内时，受试者的心脏位于磁体的等中心处。将线圈准确放置于预设的标记位置对于保证系统最佳运行至关重要。通过包括多名不同身高的志愿者在内的预实验，确定后部线圈阵列的最佳位置以及辅助设备的摆放位置。
5. 将后部线圈阵列的四根电缆连接到发射/接收接口盒上对应后部阵列的插孔中。
6. 将前部线圈阵列的四个模块与顶部阵列的Tx/Rx接口盒连接，然后将阵列翻转至辅助线圈设备上方，以便受试者定位。
7. 将三个心电图电极连接至受试者身体。遵循厂商提供的电极放置指南，以确保系统触发算法的最佳运行。
8. 将受试者置于检查床上（图1f）。关键的是，必须确保受试者的心脏位于后部线圈的中心位置，以保证扫描处于磁体的等中心点内。由于受试者的身高不同，其头部可能需要放置在线圈/接口盒连接器上方，因此应小心放置电缆，并使用适当的缓冲垫以确保受试者的舒适性和配合度。
9. 将触发装置连接到心电图电极。
10. 将脉冲触发装置连接至受试者的食指。当心磁效应（MHD效应）导致心电图信号严重失真时，使用该第二装置进行触发。
11. 将安全挤压球交给受试者。
12. 为受试者佩戴耳机和耳塞，以减少噪声暴露，并便于与受试者进行沟通。
13. 将前部线圈放置于受试者胸部，使连接 E-F 和 G-H 插头的电缆分别位于受试者头部的右侧和左侧。
14. 将受试者推入扫描仪孔内。手动执行推进操作，并确保检查床控制装置的速度按钮处于关闭位置，以保证推进过程中受试者的安全。请勿使用自动模式，因为该模式下的可变床速是为神经影像优化的，且扫描仪硬件限制了检查床自动推入孔内的距离。
15. 通过内部对讲系统确认是否能与受试者进行沟通，并询问受试者是否感觉良好。
16. 磁共振成像
    1. 沿三个物理梯度轴运行基本定位扫描（预扫描），用于切片规划和B₀-匀场。
    2. 使用心电图触发的快速低角度激发（FLASH）序列，采集参数如下：视野（FOV）= 400 mm，矩阵 = 192 × 144，每梯度轴层数 = 1，层厚 = 8 mm，回波时间（TE）= 1.24，重复时间（TR）= 298 ms，翻转角 = 10°。
    3. 应用并行磁共振成像技术，加速因子为2，参考线为24，并采用广义自校准部分并行采集（GRAPPA）重建。
    4. 使用定位图像确认受试者的心脏位于磁体的等中心位置。如有必要，重新调整受试者位置。
17. 3^rd B0匀场顺序
    1. 打开 3^rd 顺序垫片工具（图2a）并重置全部3个^rd 顺序匀场电流（图2b).
    2. 为覆盖心脏区域的适当匀场指定匀场体积（图 2c).
    3. 运行一个非触发的、高级流动补偿的二维多回波FLASH匀场序列，用于计算3^rd 调节匀场电流。使用以下参数：视野（FOV）= 400 × 400 mm，矩阵 = 80 × 80，层数 = 64，层厚 = 5.0 mm，TE1 = 3.06，TE2 = 5.10，TR = 7 ms，翻转角 = 20°，并行磁共振成像（GRAPPA），加速因子 = 2，参考线 = 24。
    4. 计算并应用 3^rd 调整匀场电流，打开下一个实验方案并复制上述匀场体积，然后执行 设置匀场 开始菜单中的程序（图2a。接下来，打开 手动调整 窗口在 选项 菜单 (图 2d）。在 3D 垫片 点击标签页 计算 | 应用 以设置2的匀场电流^nd 顺序图2e）。最后，通过单击设置匀场电流 设置 Shim_3rd 在 3^rd 顺序垫片工具（图2b).
    5. 关闭 手动调整 保持垫片体积和垫片电流在后续检查过程中固定不变。请注意，匀场过程可能因系统而异。
18. 获取更多定位像以支持双斜位层面规划。除非另有说明，所有定位像均采用屏气状态下心电门控的二维FLASH序列，扫描参数如下：视野（FOV）= 360 × 290 mm，矩阵 = 256 × 206，层厚 = 6.0 mm，TE = 1.57，TR = 3.9 ms，翻转角 = 35°，并行磁共振成像（GRAPPA），加速因子：2，参考线数：24。指导患者在呼气末屏住呼吸。采用高翻转角或分段 cine 采集方案（见下文）以获得更优的对比度。
    1. 获取双腔定位像（1层），定位方向在轴向定位像上垂直于室间隔壁图3a).
    2. 获取四腔心定位像（1个层面），该层面计划为垂直于二腔心定位像层面，穿过二尖瓣和左心室心尖。图3b).
    3. 获取短轴定位像（7层，视野范围 = 360 × 330 mm），定位线需垂直于四腔心定位像，与二尖瓣平行，并垂直于室间隔壁图 3c).
19. 进行CINE图像采集。采用高分辨率屏气触发的ECG门控分段2D FLASH序列，参数如下：视野（FOV）= 360 × 270 mm，矩阵 = 256 × 192 / 264 × 352，层厚 = 4.0 mm，TE = 3.14，TR = 6.3 ms，翻转角 = 35–55°，分段数 = 7，平行磁共振成像（GRAPPA），加速因子 = 2/3，时间分辨率 = 42.6/44.3 ms。
    1. 从左心室四腔视图（水平长轴，HLA）切面开始。规划中心切面，使其穿过二尖瓣和三尖瓣的中心以及左心室心尖。图3d在呼气末屏气期间，对每一层进行单独扫描。
    2. 接下来，获取左心室短轴切面。将其规划为垂直于HLA且平行于二尖瓣，以覆盖从基底部到心尖部的整个左心室（图3e）。为确保准确的功能检测，应将第一层切面精确定位于二尖瓣瓣叶附着处，使切面中心位于心室内部。同样，每次扫描应在呼气末的单次屏气期间完成每一层切面的采集。

结果

志愿者心脏电影成像检查的代表性结果如图所示 图4显示的是人心脏短轴和四腔长轴视图的舒张期与收缩期时间帧。短轴视图具有明显更高的空间分辨率（图 4a, 4b, 4e, 4f）与长轴视图相比（图 4c, 4d, 4g, 4 h可以清晰观察到。在短轴和长轴切面上，图像均具有充足的信噪比和血液-心肌对比度，能够清晰显示心肌壁，即使采用低至4毫米的薄层扫描亦能实现。所使用的并行成像加速技术以高质量重建图像，且未出现明显的噪声增强。

由于心电图R波识别失败，右侧图像采集采用了基于脉搏血氧...

讨论

在7特斯拉下可成功进行功能性心脏磁共振（CMR）检查。基于场强提升带来的信噪比增益，与1.5或3特斯拉相比，可在该场强下以显著更高的空间分辨率获取人的心脏电影（CINE）图像。在较低的临床场强下，通常采用6至8 mm的层厚和1.2至2.0 mm的面内体素边长^1,30，而在7特斯拉下，可实现4 mm的层厚和1.0 mm的面内各向同性分辨率。

在7特斯拉下获得的结果令人鼓舞。尽管未进行B₁+匀场，且实验开销保持在最低限度以实现临床可接受的心腔定量检查时间，但图像质量仍可与1.5 T或3 T下获得的图像质量相媲美。偶尔，图像质量会因局部射频场不均匀引起的信号缺失而略有下降。在此类情况下，采用通过并行发射技术实现的B₁+匀场可能会带来改善。尽管该方法在临床应用前景中颇具吸引力且日益临近实际应用，但仍需进一步考虑比吸收率（SAR）的管理问题。

在触发方面，心电图（ECG）信号偶...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
7 特斯拉磁共振成像系统	Siemens		研究用设备
32 通道 -1H-心脏线圈	MRI.Tools GmbH		用于 7.0 特斯拉磁共振成像和波谱分析的发射/接收射频线圈
心电图触发装置	Siemens
脉冲触发装置	Siemens