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技术研究
合成磁共振成像不同带宽对T1、T2及PD测量值的影响—体膜研究
郑作锋 王振常 尹红霞 杨家斐 张东坡 马隽

Cite this article as: Zheng ZF, Wang ZC, Yin HX, et al. The effect of bandwidth on evaluation of T1, T2 relaxation times and proton density using synthetic MRI: A phantom study[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(1): 98-102.本文引用格式:郑作锋, 王振常, 尹红霞, 等. 合成磁共振成像不同带宽对T1、T2及PD测量值的影响—体膜研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(1): 98-102. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.01.019.


[摘要] 目的 观察多动态多回波序列(multi-dynamic multi-echo,MDME)不同带宽对T1、T2及质子密度(proton density,PD)测量值的影响。材料与方法 3种具有不同T1、T2及PD的体膜[脑灰质(gray matter,GM),白质(white matter,WM),脑脊液(cerebrospinal fluid,CSF)]分别行7组不同带宽(19.23 kHz~100.00 kHz)的MDME序列扫描,每组序列扫描9次。使用MAGiC (magnetic resonance imaging compilation)软件分别测量GM、WM、CSF的T1、T2及PD值。组内之间的差异程度用组内变异系数(coefficient of variation,CV)表示,组间的差异程度用组间CV表示。每组GM、WM的T1差异性及T2差异性比较采用配对样本t检验,PD差异性比较采用Wilcoxon检验。结果 测量所得T1、T2及PD值最大组内CV分别为2.09%,8.73%,10.61%;最大组间CV分别为1.36%,2.85%,3.72%。每组内GM与WM的T1值以及T2值之间的差异有统计学意义(P<0.01),PD值之间的差异无统计学意义(P>0.05)。结论 当接收带宽在19.23 kHz~100.00 kHz变化时,T1、T2测量值不受带宽影响。当带宽低于50 kHz时,PD测量值可重复性减低。
[Abstract] Objective To evaluate the effect of bandwidth on quantification of T1, T2 relaxation times and proton density using multi-dynamic multi-echo sequence.Materials and Methods: Phantoms consisting of 3 kinds of materials with different T1, T2 and PD [gray matter (GM), white matter (WM), cerebrospinal fluid (CSF)] were included in the study. The phantoms were scanned 9 times using MDME sequence with 7 sets of scan parameters with different bandwidths (19.23 kHz—100.00 kHz). T1, T2, and PD maps were acquired and processed using MAGiC (magnetic resonance imaging compilation) post-processing software, and T1, T2, PD values were acquired. Intragroup coefficient of variation (CV) was performed to evaluate the reproducibility of measured values. Intergroup CV was used to evaluate the discrepancy of measured values across all the groups. The T1, T2 values between GM and WM were compared with paired-samples t test. The PD values between GM and WM were compared with Wilcoxon singled Rank test. Statistical analysis was performed using SPSS software (SPSS for Windows, 23.0.0.0, IBM).Results The highest intragroup CVs of T1, T2 and PD were 2.09%, 8.73%, 10.61%, respectively. The highest intergroup CVs of T1, T2 and PD values were 1.36%, 2.85%, 3.72%, respectively. Significant differences were revealed when comparing T1 and T2 values between GM and WM (P<0.01) and no significant differences were found when comparing PD values between GM and WM (P>0.05).Conclusions T1 and T2 measurements are not affected by bandwidth within range of 19.23 kHz—100.00 kHz. Repeatability of PD measurements is reduced when the bandwidth is below 50 kHz.
[关键词] 合成磁共振成像;T1弛豫;T2弛豫;质子密度
[Keywords] synthetic magnetic resonance imaging;T1 relaxation;T2 relaxation;proton density

郑作锋 1, 2   王振常 1*   尹红霞 1   杨家斐 2   张东坡 2   马隽 2  

1 首都医科大学附属北京友谊医院放射科,北京 100050

2 北京市垂杨柳医院放射科,北京 100022

王振常,E-mail:cjr.wzhch@vip.163.com

全部作者均声明无利益冲突。


收稿日期:2021-07-27
接受日期:2021-11-09
中图分类号:R445.2 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.01.019
本文引用格式:郑作锋, 王振常, 尹红霞, 等. 合成磁共振成像不同带宽对T1、T2及PD测量值的影响—体膜研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(1): 98-102. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.01.019

       合成磁共振成像(synthetic magnetic resonance imaging, SyMRI)是一种较新的定量磁共振成像方法,它采用多动态多回波序列(multi-dynamic multi-echo, MDME),一次扫描可获得T1、T2及质子密度(proton density,PD)定量图谱,合成不同加权的图像[1]。既往有研究表明使用SyMRI方法对体膜和脑组织测量所得T1、T2、PD值具有较高的准确性和可重复性[2]。目前SyMRI已在中枢神经系统[3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]、骨肌关节系统[10, 11]、乳腺[12, 13]、脊柱[14, 15, 16]、消化系统[17]、泌尿生殖系统[18]等方面有不同程度的应用,其中在颅脑应用最为广泛。T1、T2、PD值是组织的物理特性,对于特定组织而言其数值是恒定的,理论上改变扫描参数不会引起定量值的变化,但实际测量数值受物理模型的影响,可能会出现一定差异。既往对颅脑SyMRI研究表明不同的层面内分辨率、层厚、层间距对T1、T2、PD定量测量值有一定的影响[19, 20]。在临床工作中,不同影像中心MDME序列扫描参数会有差别,尤其接收带宽的差异比较大。接收带宽是指MR系统采集信号时接收频率编码方向上的信号频率范围,其大小可以影响图像质量,比如信噪比[21]。带宽的变化是否会影响定量测量值,目前还不清楚。本研究将体膜作为研究对象,观察不同带宽对MDME序列T1、T2及PD测量值的影响,以对不同扫描参数下定量测量值的一致性评价提供依据。

1 材料与方法

1.1 一般资料

       本研究为前瞻性研究。选取万东公司(Beijing Wandong Medical Technology Co.,Ltd)生产的脑灰质、白质、脑脊液模拟体膜作为研究对象。3种体膜由不同物质混合而成,其T1、T2及PD值分别与脑灰质(gray matter,GM)、白质(white matter,WM)、脑脊液(cerebrospinal fluid,CSF)相似。体膜1 (WD-TP001):六水合氯化镍0.25 g,琼脂9.6 g,山梨酸钾0.1 g以及1000 g水混合而成,标记为GM;体膜2 (WD-TP002):六水合氯化镍0.5 g,琼脂11 g,山梨酸钾0.1 g以及1000 g水混合而成,标记为WM;体膜3 (WD-TP003):五水硫酸铜0.02 g,1000 g水混合而成,标记为CSF。

1.2 检查方法

       扫描设备为3.0 T磁共振扫描仪(SIGNA Pioneer; GE Healthcare, Milwaukee, USA),采用32通道头线圈。SyMRI扫描采用MDME序列,该序列为多层面激发、多饱和延迟、多回波的快速自旋回波序列。扫描过程中使用2个回波时间来推算T2值,4个延迟时间来推算T1值,每层产生8幅图像。通过以下公式1计算单位体素内T1、T2、PD值,同时对B1场进行校准。公式1中α为90o激励脉冲,θ为120o饱和脉冲,A为总体信号强度比例因子,与诸多因素有关,包括线圈敏感性、射频链放大倍数以及体素体积[22]

       将MDME序列依据不同的带宽,设定7组不同的扫描参数,带宽范围为19.23 kHz~100.00 kHz,分别记录为bandwidth 1 (BW1)~bandwidth 7 (BW7)。将3种体膜置于一起,用束带捆扎后置于扫描床上,分别接受7组不同扫描参数的SyMRI扫描。扫描层数为20层,层厚为4 mm,层间距1 mm,回波链(echo train length,ETL)为16,矩阵为288×224,视野(field of view,FOV)为240×240,其余扫描参数见表1。所有体膜均扫描9次,每次包括7组不同带宽的MDME扫描序列,一共行63组MDME序列扫描,每两次扫描时间间隔至少一天,扫描前将体膜静置30 min。扫描结束后将图像传至工作站。图像处理采用MAGiC (magnetic resonance imaging compilation)软件(software version 100.1.1,GE Healthcare, USA),可同时获得T1 map、T2 map、PD map以及不同加权的图像(图1)。

图1  BW1组扫描所得质子密度加权成像图(TR/TE:8000 ms/10 ms)。长箭所示为CSF(脑脊液),短箭所示为WM(白质),细箭所示为GM(灰质)。矩形框为ROI范围示意图。
Fig. 1  PDWI (proton density weighted image) (TR/TE:8000 ms/10 ms) acquired from MDME sequence with group BW1 protocol. Long arrow is for CSF (cerebrospinal fluid), short arrow is for WM (white matter), and thin arrow is for GM (gray matter). The rectangular ROI (region of interest) is shown on CSF.
表1  7组MDME序列不同扫描参数
Tab. 1  Scanning parameters of 7 SyMRI sequences

1.3 定量值测量

       T1、T2及PD值测量采用感兴趣区(regions of interest,ROI)划分的方法。选取扫描图像中的第10层作为测量层面,通过MAGiC软件在SyMRI图像上手工勾画矩形ROI,尽量选取图像中最大范围作为ROI (图1)。ROI勾画完毕后可同时获得T1、T2及PD值。

1.4 统计学方法

       根据扫描参数中不同带宽的设定值,将T1、T2、PD测量值分为7组(BW1~BW7)。分别计算每组GM、WM及CSF的T1、T2及PD值的均值和标准差。组内9次测量之间的差异程度用组内变异系数(coefficient of variation, CV)表示,各组之间的差异程度用组间CV表示,组间CV的计算以每组的平均值为基础。每组GM、WM的T1值差异性比较、T2值差异性比较符合正态分布采用配对样本t检验。每组GM、WM的PD值不符合正态分布,其差异性比较采用Wilcoxon检验。统计学软件为SPSS (SPSS for Windows,23.0.0.0,IBM)。

2 结果

       3种体膜均完成63组MDME序列扫描。GM、WM及CSF总体测量所得T1、T2及PD均值和标准差如下:GM:T1值为(1096±13.2) ms,T2值为(146±4.1) ms,PD值为97.0%±3.3%;WM:T1值为(574±5.6) ms,T2值为(141±3.2) ms,PD值为95.6%±6.6%;CSF:T1值为(2528±52) ms,T2值为(1763±127) ms,PD值为99.6%±0.6%。

       T1、T2及PD值最大组内CV分别为2.09% (CSF),8.73% (CSF),10.61% (WM)。T1、T2及PD值最大组间CV分别为1.36% (CSF),2.85% (GM),3.72% (WM),详见表2。每组内GM与WM的T1值之间的差异有统计学意义(P<0.01),GM与WM的T2值之间的差异有统计学意义(P<0.01),GM与WM的PD值之间的差异无统计学意义(P>0.05)。GM与WM测量值之间的差异见表3

表2  MDME序列对GM、WM、CSF测量所得T1、T2及PD值的组内与组间CV
Tab. 2  The intragroup and intergroup CVs for T1, T2 and PD values of GM, WM and CSF using MDME sequence
表3  MDME序列7个带宽组对GM与WM测量所得T1、T2及PD值的差异性比较(P值)
Tab. 3  Comparation of T1, T2 and PD values between GM and WM in 7 groups (P value)

3 讨论

       本研究使用MDME序列,以脑灰质、白质、脑脊液模拟体膜为研究对象,观察扫描参数中接收带宽的变化对测量所得T1、T2及PD定量值是否有影响。研究结果表明,当带宽在19.23 kHz~100.00 kHz变化时,对体膜测量的T1、T2值无明显影响,这为MDME序列的多中心研究提供了基础支撑。

3.1 MDME序列不同带宽组内T1、T2测量值的可重复性评价

       Hagiwara等[23]采用不同厂家的3.0 T MRI扫描仪使用MDME序列以及厂家预设的扫描参数对NIST/ISMRM (National Institute of Standards and Technology/International Society for Magnetic Resonance in Medicine) MRI体膜分别进行多次扫描,结果显示,T1、T2值最大组内CV分别为2.07%,7.60%。本研究选取7组不同的扫描带宽,使用每组带宽参数对体膜进行多次扫描,研究结果显示T1、T2值最大组内CV分别为2.09%,8.73%,其中GM、WM的T1、T2值最大组内CV均小于2%,与既往研究结果相似。T1、T2定量值是脑组织分割及体积测量的基础,West等[24]认为当测量值差异程度小于3%时,不影响脑组织分割、体积测量以及加权图像的合成,本研究结果提示带宽在19.23 kHz~100.0 kHz之间变化时,不论使用哪种带宽,MDME序列对GM及WM的T1、T2值测量均具有很好的可重复性。本研究中CSF的T2值具有较大的组内CV,这与既往研究结果一致[22]。CSF的T2测量值变异较大的可能原因为MDME序列在信号采集过程中仅采用两个TE值来测量组织的T2值,这对于T2弛豫时间较长或较短的组织在拟合T2弛豫曲线过程中会产生误差,导致T2值的变异较大。Ji等[25]认为当测量组织的T1、T2值超过某一阈值范围时,测量所得的T1、T2值变异增大。因此,采用MDME序列来定量评价含有液性成分的病变时要谨慎。

3.2 MDME序列不同带宽组间T1、T2测量值差异的评价

       MDME序列已在国内多家影像中心使用,并且其带宽范围可在一定程度上手动调节。接收带宽增加可以引起信噪比的下降,这是否会影响MDME序列不同带宽组之间的T1、T2测量值,目前还不清楚,这也决定了MDME序列在多中心研究中的定量评价是否可靠。本研究结果显示,在不同带宽条件下测量所得T1、T2值的组间CV均小于3%,甚至部分组织(CSF的T2值)的组间CV小于组内CV。这提示,带宽在19.23 kHz~100.0 kHz之间变化时,对T1、T2定量测量值不会有太大影响,而本研究中的带宽范围基本包括了临床上常用的范围。我们发现,在MDME序列扫描参数中,随着带宽的增加,TE1及TE2值有逐渐减小的趋势(表1)。对于自旋回波序列,增加带宽,可以缩短回波间隙,这可能是MDME序列扫描参数自行动态调整的结果,总体上对测量值影响不大,这也证实了MDME序列对T1、T2测量的可靠性。

3.3 PD测量值的局限性

       Hagiwara等[23]使用3.0 T MR扫描仪对NIST/ISMR体膜测量结果显示PD值最大组内CV为12.86%。Krauss等[2]将含有12种不同比例的水和重水混合物作为体膜,使用1.5 T MR扫描仪多次测量结果显示PD值最大组内CV为5.54% (大于T1及T2值组内CV)。本研究结果显示GM及WM的PD测量值组内变异较大,最大组内CV为10.61% (WM),与既往研究相仿,尤其当带宽处于较低范围时(19.23 kHz~50.00 kHz,GM与WM的PD值组内CV均大于3%)。这一方面可能跟MDME序列本身有关,该序列在计算PD过程中更加依赖于信号强度,而MDME序列信号采集过程中受诸多因素影响,比如B1场多次扫描之间的不均匀性、有效饱和脉冲角度与有效激励脉冲角度之间的转化过程等都会对信号产生影响,虽然MDME序列后处理过程中对此做了校正,但并非完美。另一方面,接收带宽的大小与MR读出梯度场强有关,可影响图像的对比度、信噪比、回波间隙,化学位移等,当带宽缩小时可以增加化学位移的像素数,更容易引起图像质量的下降,进而会增加PD测量值的变异程度。另外本研究发现,采用PD值并不能很好地区分GM与WM两种物质,当带宽大于62.5 kHz时GM与WM的PD值曲线基本重合(图2E),而采用T1、T2值可以完全区分GM与WM (图2A2C),其具体原因尚不清楚,提示使用T1、T2值作为观察指标可能更有临床意义。

图2  MDME序列不同带宽组对GM、WM、CSF测量所得T1、T2及PD值的变化。除CSF T2值、GM与WM的PD值之外,组内CV均小于3%。除WM PD值之外,组间CV均小于3%。GM:灰质;WM:白质;CSF:脑脊液;BW:带宽;PD:质子密度;CV:变异系数。
Fig. 2  The T1, T2 and PD values of GM, WM and CSF in different groups. The intragroup CVs were less than 3% except for T2 values of CSF and PD values of GM and WM. The intergroup CVs were less 3% except for PD values of WM. GM: gray matter; WM: white matter; CSF: cerebrospinal fluid; BW: bandwidth; PD: proton density; CV: coefficient of variation.

3.4 研究的局限性

       本研究有以下局限性:(1)体膜所代表的弛豫时间范围虽然包括了最常用的灰质、白质及脑脊液,但其覆盖范围仍较窄,使用标准的NIST/ISMRM体膜可能更有说服力。(2)仅使用了GE公司的MAGiC序列,未对其他厂家的MDME序列进行研究,多个厂家扫描参数的对比评价可能对多中心研究更有价值。(3)未对人体进行扫描,在以后的研究中可以对颅脑及基本病变进行评价。

       总之,MDME序列可在较短时间内完成扫描并获得T1、T2及PD定量值,其中T1、T2测量值具有较高的可重复性,并且当接收带宽在19.23 kHz~100.00 kHz之间变化时,T1、T2测量值不受带宽影响。PD测量值在接收带宽较低时其可重复性低于T1、T2值。使用T1、T2值作为观察指标可能会更好地反映组织之间的差异。

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