采用高介电常数材料降低MRI射频单位吸收率及提高其信噪比的方法

摘要

将多个层状或套状的高介电常数及低电导率材料插入射频线圈、或线圈的导电物体与样本之间，实现提高信噪比，改善图像对比度，并降低磁共振成像设备或磁共振波谱仪在人体内导致的射频单位吸收率(SAR)。本发明的较佳实施例可以用作现成射频线圈的辅助设备或者直接做到射频线圈之中以改善射频线圈在发射和接收方面的性能。

说明书

有关联邦政府赞助工作的声明

本发明得到了美国国立卫生研究院(NIH)给予的R01 AG02771号资 助的支持，美国政府对本发明享有一定的权利。

接续案申请信息

本专利申请主张2009年12月2日提交的申请号为61/266109的美国临 时申请的优先权，在此将该临时申请一并列入本专利申请作为参考。

技术领域

本发明涉及射频电磁场(标记为B1)领域，应用于磁共振成像(MRI) 及磁共振波谱(MRS)仪器，尤其涉及一种将具有高介电常数(High Dielectric  Constant,HDC)或低导电率的材料应用于磁共振成像或者核磁共振仪器中 产生射频磁场的方法。

背景技术

在MRI和MRS成像系统的数据采集过程中，射频线圈通常用于产生 或接收射频磁场(B1)以对测量样本如人体组织进行激发并检测测量样本 如人体组织中的磁共振信号。射频磁场可以由单一射频线圈或者一组射频 线圈产生,并可对被检样本或人体组织进行激发而使被检样本或人体组织 产生核自旋。核自旋产生的磁共振信号可由激发核自旋的射频线圈接收也 可由其他射频线圈接收。本发明改善了射频磁场发送和接收用的射频线圈 的效能。射频线圈的效能包括由单元输入电流在感兴趣区域(ROI)内所产生 的射频磁场B1的均匀性与强度。在一般情况下，输入单元电流时的射频线 圈产生的射频磁场B1越强，其越能转化成样本组织的较佳接收灵敏度和较 低的射频热量，当射频热量达到一定的程度时，可能对人体有害。射频线 圈的接收灵敏度是通过实验的方式对标准化成像协议得到的感兴趣区域中 所测得的图像信号信噪比(简称信噪比，SNR)来评估。射频磁场中的热效应 可以通过计算人体内射频单位吸收率(Specific Absorption Rate,SAR)的分 布情况来进行评估。

磁共振成像的信噪比对图像质量而言是极为重要的，因为MRI本质 上是一种低信噪比的仪器。为了能够在给定的图像数据采集时间内获得更 高的图像信噪比，人们已经付出了极大的努力和投入了大量的资源。具体 地，这其中就包括使用比目前的1至1.5特斯拉更高但极其昂贵的3至7特斯 拉的静态磁场强度。不幸的是，静态磁场强度的提高会导致更高频率的射 频磁场，反过来，这又极大增强了组织的射频热效应并产生不均匀的射频 磁场。这两个问题对高磁场MRI在人类成像的发展上构成了严重挑战。本 发明在图像获得过程中提供了一种新颖的利用高介电常数材料在样本体内 增强射频磁场B1的强度、降低射频单位吸收率的方法。

高磁场(3-8特斯拉)人体成像系统中的最近实验数据表明，人体本身 的高介电常数对人体内的射频磁场有着重要的作用。在确定样本内部射频 B1场的分布时，线圈中样本的电气性能、几何尺寸以及相对位置都是重要 因素。因此，利用高介电常数材料能够促进样本或人体内部射频B1场分布 的调整及样本和线圈之间的耦合。富等发明人(详细内容请参1992年第23期 的医用磁共振杂志287至301页富·TK、海斯·CE、康·YW发表的名称为 在高磁场成像时减少射频渗透的文章)提出了一种通过“在射频共振器的线 圈和屏蔽体之间的空间加载介质”，并通过4特斯拉的磁共振成像系统进行 观察，以校正人体内射频不均匀性的方法。在富的理论分析的基础上，他 提出在线圈和屏蔽体之间的空间加载具有合适的相对介电常数的介质材料 来改变线圈的传播常数，进而来最终调整射频均匀性。通过理论计算，富 预测，在线圈和屏蔽体之间的空间加入相对介电常数在30和40之间的介电 材料将会在分别对应1.5特斯拉、64兆赫和4特斯拉、170兆赫的核磁共振成 像系统中，在40厘米直径的匀质体内，超过中央直径30厘米的区域内,可将 射频磁场的不均匀性从+/-15％降低到+/-3％。然而，他们在4特斯拉下的 实验结果表明：改进射频磁场的均匀性的同时有增加射频功率和降低线圈 的灵敏度。本发明与富的方法具有至少三个实质区别：第一，本发明是将 介电材料插入线圈与标本之间的空间，而富的方法是将介电材料加载在线圈 与屏蔽体之间，实际上，本发明是将介电材料放置于射频线圈的相对侧，正 如富的实验结果所示，富的方法产生了完全对立的结果：提高了射频能量要 求和降低了线圈灵敏度；第二，理论基础完全不同，本发明中，高介电常数 材料是用于配合由射频线圈和样本产生的射频磁场，富的方法中,高介电常 数材料用于控制射频共振器本身的轴向传播系数；第三，富的方法中，介电 材料的选择是在射频线圈或共振器的特定设计和形状基础上进行，原则上， 本发明选择介电材料时不需要知道射频线圈的设计，然而，为了达到最优的 效果，本发明中的HDC垫发展成与特定的线圈设计相匹配。

同样为了解决在4特斯拉下头部成像的射频磁场不均匀性的问题， 奥尔索普等发明人(详细内容请参1998年第40期的医用磁共振杂志49至54 页奥尔索普·DC、康尼克·TJ、米兹瑟·G发表的名称为高静磁场强度下 改善射频磁场均匀性的螺旋管线圈的文章)提拱了一种应用于高磁场磁共 振成像的新型螺旋射频线圈设计。然而，根据这种螺旋管线圈设计所获得 的图像显示人体头部上方的信号减弱。这种信号减弱是由于组织和头顶的 空气之间介电特性的突然变化以及他的线圈设计理论分析是基于无限长圆 筒的数学模型而引起的。为了缓解与螺旋管线圈设计相关的这一额外问题， 在图像数据的采集中，介质垫被引入进来且位于线圈的末端。但是，在奥 尔索普的实验中，引入这种介质垫是专门为补偿由于使用螺旋管线圈所造 成的信号减弱。本发明中的HDC垫放置于任意种类的射频线圈内部，用于 改善特定的射频线圈的效能。

发明内容

针对要成像的整个样本上获得强且均匀分布的射频磁场B 1是非常 渴望的，本发明的目的之一在于将高介电常数材料(如液体材料、固体材料或 者混合物)设置到射频线圈，用于改变射频磁场，从而在样本内部获得满意的 磁场分布。高介电常数材料中的“高”是指材料的介电常数的值高于样本组 织的数值，该样本组织检查时配合射频线圈发射和接收的电磁波。本发明中 较佳实施例中填有高介电常数材料的垫或垫圈在后面统称为HDC垫。

本发明的另一目的在于将高介电常数材料做到射频线圈之中，降低样 本内部的感兴趣区域内激发特定偏转角度所需的能量。

本发明的另一目的在于将一个或者一组射频接收线圈内设置高介电 常数材料，用于改善样本图像的信噪比。

对于本技术领域的特定应用，期待仅仅在样本的某个部分或者感兴趣 区域获得强且均匀的射频磁场B 1。本发明的另一目的在于将射频接收线圈或 者样本内设置高介电常数材料，用于改善射频线圈的性能，提高ROI区域或 者HDC材料附近的信噪比，降低射频发射能量和激发时的样本射频单位吸收 率。

本发明的另一目的在于将HDC材料用作捕捉射频磁场而减少线圈的 辐射而造成的能量损失。高磁场MRI(例如3特斯拉、4特斯拉、7特斯拉或者 更高)射频磁场场频增加时，射频辐射损失越明显。

本发明的另一目的在于将HDC材料用于增强造影剂。

本发明的原理在于在射频线圈及组织之间插入一层HDC材料或遮罩 HDC材料，所述HDC材料可以是固体例如陶瓷材料、或者液体例如水、或者 氘、或者水性胶状、或带有任何添加剂以实现调整介电常数的悬浮液。对本 发明而言，HDC材料最适合的形状、数量、机械性能、电学性能取决于具体 的应用环境，例如射频线圈的结构、射频磁场的谐振频率。对于水性胶状HDC 垫，HDC垫上的信号的去除可以通过添加少量的二氯化锰、或者其他核磁共 振信号释放化合物、或者将水替换成氘(重水)来实现。

附图说明

结合下面的图示和详细描述，本领域的技术人员可以更加清楚理解 到上面所描述到的本发明的新颖技术要点、以及其他新颖技术要点和独特 优势。

图1a显示的是鸟笼线圈的计算机模型，图1b显示的是套有HDC垫的人 体头部模型。

图2显示的是横断面(左)、矢状(中)及冠状(右)平面中的几个椭圆形感 兴趣区域的例子，这几个椭圆形感兴趣区域为信噪比测量及均匀性评估鉴定 T2加权像强度。

图3显示的是HDC垫的添加导致所有脑图像的中部区域存在暗区，这 是由于未经HDC垫优化的射频功率水平过度倾斜(左栏)。右栏的图像是通过 使用带有下列衰减值的输入射频功率所得到的。最右栏的图像是通过90度偏 转角、14.5分贝下的最终功率衰减而获得的，这比没有HDC垫的衰减高出3 分贝。

图4是横断面的、矢状的及冠状的脑图，其中上部的三幅图像是在带 有HDC垫的情况下得到的，而下部的三幅图像则是在不带有HDC垫的情况下 得到的。另外，图1显示区域的信噪比的值被测量且显示在每幅图像的下方。

图5显示的是相互垂直的三个平面在128兆赫下测量所计算出的B₁⁺图 像，其中上部的三幅图像是在带有HDC垫的情况下得到的，而下部的三幅图 像则是在不带有HDC垫的情况下得到的。对应图像中沿着虚线的B1⁺图像分 布被绘制在图像的底部。所有的B₁⁺图像的输入功率均为1瓦。

具体实施方式

参照图1-图5所示，本发明的较佳实施例在下面将得到详细描述，本 领域的技术人员将理解到结合附图的详细技术描述仅仅是用于举例说明， 并不构成对本发明保护范围的限制。本发明的保护范围的详细内容请参考 权利要求书中内容。

理论解释：

对于导电介质材料(例如人类大脑的组织)，根据安培定律及麦克斯威尔 校正法，样本内的射频磁场受传导电流(J_c)和位移电流(J_d)的影响，公式 如下：

其中，B是磁通量密度；E是电场；ω是角频率；ε_r是相对介电常数；ε₀是真空介电常数；σ是导电率；μ是磁导率；是表示传导电流和位移电 流之间90度相位差的单位复数。

对于平面波在均匀介质中的传导，导电电流会引起射频磁场在传播方向 上衰减，而具有90度相移的位移电流作为促进射频电磁波传播的次要场源。 在这种情况下，到B 1场的两个源的相反分布可参考传导电流(J_c)和位移电 流(J_d)的比值，公式如下：

原则上，低导电率(σ)及高相对介电常数(ε_r)的材料能够提高局部射频磁 场B1场强度以将射频磁场的频率范围提高到足以引起位移电流比的传导电 流更强。这个公式描述了电介质材料内部的关系。随后，传播入样本内的射 频波被高介电常数材料增强后具有更强的幅度。因此，在一般情况下，在磁 共振成像中的感兴趣区域附近布置HDC垫应能够增强局部射频磁场B1的强 度，同时改善信噪比和减少整体射频单位吸收率。这里所说的“高介电常数” 中的“高”是指材料的介电常数值，在射频线圈发送和接收射频时，高于样本 组织的介电常数值。本发明实施方式中所述的HDC垫是指垫片充满HDC材料 后所构成的整体。

为人体头部成像而设计的HDC垫：

图1b所示的是本发明优选实施方式中与射频线圈和人体头部相关的几何 外形。本发明图示的实施方式是头盔形式的HDC垫，其中包含约6公升的蒸 馏水。所述HDC垫与人体头部的上部相符，前部延伸到略高于眼睛的程度， 两侧略高于耳朵，后部略低于后脑壳。HDC垫的厚度为3毫米。

计算机模拟：

有关改变射频磁场B1分布的HDC垫如何设置的量化评价，取决于线圈和 样本具体的几何形状和尺寸。因此，在本发明的实施方式中，必须确定计算 机模拟数值。在接下来的计算机模拟中，头盔状的HDC垫被用来演示发明的 功效。

时域有限差分法(FDTD)的数值模型被用来计算128兆赫下图1a中样 本及线圈模型的射频磁场分布。图1a中的128兆赫对应于3特斯拉的静态磁场 强度。所有执行FDTD计算的软件都是商业上能够获得的(例如XFDTD， Remcom公司，州立大学，宾夕法尼亚州)，并且仿真模拟结果的后处理是由 设置在MATLAB(MathWorks公司，纳提克马萨诸塞州)的自行编制程序执 行的。具体地，创建一个2毫米等距分辨率的三维网格，区域为57*50*42cm³。 该计算是以-35分贝的收敛进行以确保能够达到稳态。廖氏边界条件被用来作 为网格的外部边界截取。在那种使用之后，实验用的线圈按照如下要求做成 模型：12梯次高通鸟笼铜线圈(尺寸为内径32.8厘米、长度为25.4厘米、外径 为40.0厘米)。这个线圈模型被处于实际线圈中的电容位置上，及两个端环上 均匀间隔的24个电流源驱动。用于FDTD计算的人体头部模型包括16种类型 的组织。并且，在128兆赫下的电学性能对应于由超过头顶的均匀3厘米厚水 层(导电率(σ)=0.0047 S/m²，相对介电常数(ε_r)=78)所模拟的HDC垫，除了图 1b所示的脸部。

实验测量：

人脑图像能够通过使用内径26厘米、长度29厘米的正交12元高通鸟笼线 圈的3特斯拉全身系统(布鲁克，拜尔斯品，埃特林根，德国)来获得。横断 面脑图像可以在线圈进行了调整及匹配后由同样成像参数，在头部周围的有、 无HDC垫获得。各种情况下，射频功率都将被校准。在放置及/或移除HDC 垫的过程中、重新调整线圈和以90度/180度的偏转角调整射频功率，对象始 终保持在磁铁中。偏转角的输入功率在有或者没有HDC垫时均可被手动调 节，同时将通过大脑中枢的、层厚为2.5厘米的5个横断面的总信号进行放大。 层厚为5毫米、矩阵为128*128、偏转角为180度及视野为30厘米的快速自旋回 波(RARE)图像能够被通过大脑且以5毫米间隔的横断面、矢状、冠状面获 得。以两个人体作为对象，将实验重复四次。根据宾夕法尼亚州立大学医学 院的机构审查委员会的制度要求，被实验的人在参与本项实验之前，必须征 得其书面同意。

信噪比(SNR)是通过使用如上两种情形下所获得的影像来测得的。 平均信号强度是通过椭圆形的感兴趣区域计算得出的。在有、无HDC垫情况 下，所示的15幅图像中的每一个椭圆形感兴趣区域都基本覆盖了大脑的绝大 部分。在每个方向的椭圆形区域的例子如图2所示。噪声的测量是通过计算覆 盖了29cm²的感兴趣区域的标准偏差而得到的。所述感兴趣区域为穿过每幅 图像顶部且无可视信号或假象的区域。

结论：

图3左栏显示了在增加HDC垫和重新调谐线圈后，但是在重新优化射频功 率前(使用没有HDC垫的优化功率值)的人类大脑的横断面图像。使用图3 中底部数值的射频功率并带有HDC垫的图像位于图3底部。此外，增加HDC 垫以后，随着射频磁场B1的增强，以前大脑中产生90度/180度激发/再聚焦脉 冲的射频功率可以产生了更大的偏转角。用于激发和再聚焦脉冲的功率要求 降低3分贝，最大限度地提高信号，获得的图像如图3中最右栏所示。

图4显示的是分别在有、无HDC垫的情况下，所获得的横断面、矢状 及冠状面的图像对比。大脑中如图1所示的椭圆区域的信噪比被测量出来并且 列在每个相应图像的下方。从所获得的15个平面图，发现在有HDC垫的情况 下，信噪比提高了20%至40%(平均27%)，但是图像强度的整体均匀性在所有 情形下均类似。上述的反复实验中，信噪比均在相同的范围内。

图5显示的是分别在有、无HDC垫的情况下，按照实验安排的相互垂 直的三个平面内计算的B₁⁺分布。所有的磁场中，传输给线圈的功率均为1瓦。 如图4所示，在这两种情形下，计算出的B₁⁺分布在活体内呈现出相似的特性。 射频磁场在HDC垫包围的大脑区域内比较强，但是在未被HDC垫包围的脸和 颈部以外的区域内比较弱。在保持相同输入功率的情况下，当存在HDC垫时， 位于头部及垫的上部以外的B₁⁺更弱。这可以从图5中位于图像下方的折线图 看出，特别是B₁⁺沿图像中虚线以上的部分。黑色和灰色的线条分别表明在有 和无HDC垫时B₁⁺的情况。围绕在线圈元件及线圈元件与屏蔽体之间(中间折 线图可以清楚的看到)的射频磁场减少了70％以上，由此可见，当存在HDC 垫时，为了维持同样的射频功率，线圈中只需要更小的电流。对于感兴趣区 域，与活体内的实验结果类似，通过模拟仿真计算出来的平均B₁⁺在有HDC 垫的情况下平均提高了12%至20%，但是线圈中的源电流却降低了。上述计 算机模拟结果证明对于给定的偏转角，HDC垫能够提高图像的信噪比，同时 降低了射频功率要求。

讨论：

3特斯拉的发射/接收体积线圈，在增加围绕头部的HDC垫的情况下，能 够降低射频功率接近50%，同时提高图像信噪比接近27%。从图4的图像可以 观察到，在整个大脑，HDC垫不会引起明显的局部偏磁场。此外，大脑中的 图像的均匀性有所改善。在增加HDC垫的情况下，从大致相同的大脑体积所 获得的全部15幅图像中，椭圆形区域的信号强度分布的标准偏差平均减少了 12％。大脑区域的均匀性通常受所谓的中心亮斑干扰，然而由于射频波效应， 大脑区域的均匀性明显减少。

比较图4有、无HDC垫的影像，在有HDC垫的情况下，大脑中相对于 颈部和面部的图像强度远远大于没有HDC垫时。这可能是由于被HDC垫包围 的区域，给定输入功率的射频磁场B1增强了。线圈中B1场的分布受HDC垫 包围区域的强位移电流而改变，从而导致在HDC垫附近形成更强的B1场。这 些实验数据表明，在感兴趣区域内局部增强B1场能够被延伸至整个大脑中被 HDC垫合理的覆盖范围，但是位于样本外的B1场被削弱了。作为一个直接结 果，HDC垫降低了大脑成像中的平均射频单位吸收率。另外，因为信噪比与 B1场强度和相应射频功率的平方根的比率成正比，因此，增加HDC垫就提高 了信噪比。图5概括的数值模拟结果与实验数据一致，并且清楚地表明HDC 垫提高了大脑中B1场的强度。当B1+图像被标准化到单元输入功率时，设置 HDC垫能够增强整个大脑区域的B1场，但是未被HDC垫覆盖的大脑会因为该 HDC垫而消弱。在这种情况下，线圈中较小的输入电流能够提高大脑中的 B1+。这在图5的中间折线图中是极为明显的，其中线的两端穿过线圈电流元 件。由于头顶的磁场相对于其他任何部位是比较高的，一个较大百分比的输 入功率也消耗在该区域。为了保持图5中各种情况下的总输入功率相同，相较 于没有HDC垫，在具有HDC垫时，线圈只需要较小的电流，但是在HDC垫覆 盖的区域以外，产生更低的B1场。因此，总体而言，HDC垫的存在提高了被 其包围的人体头部的B1场和射频能量的传递效能。

本技术领域的技术人员应该明白，本发明的进一步发展将在磁共振成 像中更好的减少射频单位吸收率和改善区域信噪比。这里所提到的3特斯拉下 的活体实验数据表明，围绕在人体头部或者人体其他部分上的HDC垫可用于 提高在各种情况下射频线圈的性能。一种体积可调节的HDC垫可用于提高射 频线圈的性能，同时增加舒适度和减少对患者的移动。这对儿童患者特别有 利，因为大多数射频线圈是为成人设计的。在某些情况下，将介电材料直接 整合到射频线圈的制作中也是有利的。作为本发明较佳实施例的进一步改进， 可以对本发明较佳实施例中的材料位置、尺寸、几何形状和介电常数分布进 行改善，以获得最优的B1场改善。

在本发明的较佳实施例中，水作为电介质来展示本发明的预期效果， 因为水具有相对较高的介电常数和低传导率，并且水容易获得、价格低廉且 无毒。然而，从技术角度来看，在本技术领域中某些特定应用下，水并不是 最合适的介质材料，因为它会产生强烈的信号。这些信号使接收器容易饱和 以及降低数字化仪的动态范围，另外水的运动和几何外形难以控制。重水 (D₂O)和高介电常数的材料(例如重水中参杂钛酸钡悬浮液)可以用来代替 水。本技术领域的技术人员应当了解，某些陶瓷材料的介电常数高达数千， 它们也可以用于本发明的其他实施方式中。

本技术领域的技术人员应当领会，3特斯拉下给定射频线圈内围绕人 体头部的HDC垫的策略设置将可以降低射频传输功率及提高整个大脑的成 像信噪比，并且经过进一步的开发和改善，使用HDC垫将会提供一个相对简 单和低成本的方法，提高各种应用场景中磁共振成像的质量和安全。

本技术领域的技术人员同样应当领会，针对本发明的较佳实施例和其 他实施例的改动都是有可能在本发明的范围内。这些改动包括优化HDC垫的 大小、形状、厚度和体积，以使特定的身体部分或器官在特殊应用下能够适 应各种静磁场强度的磁共振成像系统。这些改动还可以包括构想及加工作为 HDC垫的高介质材料、挑选合理介电常数的HDC材料并将该HDC材料整合入 射频线圈的制造中。其他的改善包括采用HDC垫和将本发明的其他实施方式 做到具有不同静态磁场强度的磁共振成像系统之中。

本发明的保护范围并不局限于实施方式中较佳实施例的描述，保护范 围以权利要求书中的内容为准。