新世代磁振造影技術:高時空解析度寬頻磁振造影序列開發及應用

Abstract

磁振造影是生物醫學研究的一種強大且非侵入性的成像方式，磁振造影還提供了相當多的對比影像，例如 T1、T2、T2*、質子密度等，在生物醫學應用中利用磁振造影，可以提供神經造影和分子成像的分析。在過去的幾年裡，磁振造影已成為研究患病大腦病理生理學的重要工具，但是現代的磁振造影技術空間和時間的分辨率仍屬偏低。 寬頻磁振造影利用通訊系統的概念，增加造影的頻寬來加速成像，在這項研究中，我們提出了兩種寬頻磁振造影技術來提高成像過程的空間/時間分辨率，分別是對單張掃描加速的技術Single-Excited Wideband MRI (SE-WMRI)，以及可以同時掃描截取多張影像的Multi-Excited Wideband MRI (ME-WMRI)，本論文從理論基礎到實作在造影平台上，加上影像後處理來確保影像品質，通過序列設計和充分的信號處理，不受硬體限制即可獲得加速造影成像。 所提出的寬頻磁振技術研究，可以提供更快、更高分辨率、更薄的切片成像或更高信雜比的磁振造影成像，在西門子的3T MRI上利用SE-WMRI提供了上述的人體大腦掃描結果。在動物儀器的Bruker 7T MRI實現了ME-WMRI的快速掃描應用，這些技術可以全面增強造影技術，不僅可應用於高解析神經結構成像，在擴散張量影像和功能性磁振造影連接分析研究有所幫助，提升該神經結構的精確定量分析。在SE-WMRI中，相同時間下可以提升人體大腦解析度從1mm2到0.5mm2，也可以將時間轉成提高訊雜比，相同時間下訊雜比從33.34提升到48.75。而ME-WMRI提供了神經掃描的增強，包含擴散張量影項(DTI)及功能性磁振造影(fMRI)，該技術提升SNR來達到穩定的神經分析，使方向性強度的誤差減少56.9% (從0.072到0.041)，角度差減少了64% (從25.3⁰到16.2⁰)。 在我們提出的SE-WMRI上適用於大範圍編碼的掃描，在高空間解析度但需要長時間的掃描特別適用，此項技術使用斜向採樣來達到加速，會因為待測物的形狀而有不同的加速倍率，在長型的掃描如脊椎或全身掃描使用3D SE-WMRI可以達到約10倍加速，在正方形的待測物則約3倍加速；而ME-WMRI適應於需要更高時間解析度的掃描，在高速掃描序列Echo-Planar Imaging (EPI)上，ME-WMRI的技術可以進一步使掃描時間縮短，使得功能性磁振造影有更高的時間解析約2倍，能進一步使頭動雜訊減少得到穩定的分析結果。如果要達到更高的掃描倍率，受限於梯度磁場的分辨率、切換率及RF吸收率，寬頻磁振造影可以結合其他加速技巧如Hadamard及Parallel Imaging來進一步加速。 寬頻磁振造影帶來更高的時間/空間分辨率，適用於各種人類/動物儀器，該技術使任何當前的 MRI 系統都能夠轉變為更快更清楚的掃描，提供病患好的醫療品質，不需要增加額外硬體設備。總而言之，所提出的寬頻磁振技術，希望為精準醫學提供快速、高分辨率和高質量掃描，來造福世界各國的人們。