基于组织电特性成像法的7T磁共振射频脉冲序列优化设计研究

Ultra-high-field (UHF) MRI has great potential in clinical applications as well as in aiding neuroscience studies; however, elevated tissue heating due to RF exposure has been the major safety concern to restrain its wide use. To ensure RF safety and fully exploit the entire range of benefits inherently offered by UHF MRI, a novel approach has been proposed in this study: first we develop a new electrical properties (EPs) tomography method, which takes into account of the inhomogeneous distribution of EPs and applies to multi-channel coil array, therefore overcoming the limitations of existing methods; then, the local SAR is quantitatively estimated, based on which the RF pulse sequence is optimized and designed, so the local SAR is constrained within the safety level, while the MRI signal is fully and homogeneously excited, with the image quality largely enhanced. The current practice in UHF MRI pulse sequence design utilizes local SAR values obtained from numerical simulations, which is a generic yet conservative estimation; whereas in the proposed approach, local SAR is calculated on a subject-specific basis, so the pulse is “tailored” to every subject. A series of numerical evaluations and 7T MRI experiments will be conducted over physical phantoms, biological tissues, and post-mortem animal organs, in order to evaluate the efficacy and feasibility.

超高场磁共振有巨大的临床应用与神经科学研究潜力，但伴随扫描产生的组织发热效应是主要安全隐患。为保障扫描安全，同时发挥超高场磁共振的成像优势，本项目创新性的提出一套工程解决方案：首先开发一种全新的在体电特性定量成像方法，重建空间分布不均匀的组织电特性，并应用于主流的多通道阵列线圈，克服传统算法的不足；然后定量预测组织局部能量沉积（SAR），并依此优化设计射频脉冲序列，实现对局部SAR在安全范围内的精确控制，同时充分且均匀激发磁共振信号、最大化提高成像的信噪比与对比度。当前业界在超高场磁共振射频脉冲序列设计中对SAR值的获取基于大量数值模型仿真结果，不能反映成像个体的特异性；而本项目SAR值的测量来自在体测量与重建，是被试个体真实物理参数和特定实验环境的反映，射频脉冲序列针对被试“量身定做”。拟通过计算机仿真以及水模模型、离体生物组织、死后生物器官的7T磁共振实验定量评估该方案的有效性与可行性

超高场磁共振有巨大的临床应用与神经科学研究潜力，但伴随扫描产生的组织发热效应是主要安全隐患。为保障扫描安全，同时发挥超高场磁共振的成像优势，本项目创新性的提出一套工程解决方案，实现对局部SAR在安全范围内的精确控制，同时充分且均匀激发磁共振信号、最大化提高成像的信噪比与对比度；其中SAR值的测量来自在体测量与重建，是被试个体真实物理参数和特定实验环境的反映，射频脉冲序列针对被试“量身定做”，使得超高场磁共振“看得更清楚、看得更安全”。.项目资助期间，项目负责人分别在3T、7T、9.4T与16T主磁场环境下进行了水模型和生物活体实验，实验对象包括大小鼠、猫、猕猴以及人体，新的软硬件设计将超高场磁共振成像的电磁辐射引起的组织热效应降低45%以上、信号强度均匀性提升44%以上；获得了脑皮层0.06 ~ 0.8毫米级微结构与功能图像，将空间和时域信噪比分别提升了5倍和2倍以上，实现了亚毫米尺度脑结构与功能安全的高分辨率成像。.在该项目的资助下，项目负责人共计发表SCI期刊论文12篇（项目负责人均为第一或通讯作者），期刊包括《Science》子刊《Science Advances》、医学成像一区杂志《IEEE Transactions on Medical Imaging》与《NeuroImage》、生物医学工程一区杂志《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》以及环境学一区杂志《Ecotoxicology and Environmental Safety》等；与此同时，项目负责人撰写的关于“超高场磁共振人与猴脑成像”论文发表在《Current Opinion in Biomedical Engineering》（特邀综述）和《中国生物医学工程学报》。获得11项专利授权。项目资助期间共计指导2名硕士研究生与1名博士研究生毕业（其中2人获校级优秀毕业生、1人获校级与省级优秀毕业生，1人获研究生国家奖学金）。