基于squid的超低场反向投影法磁共振成像

摘要

超低场磁共振成像(ULF MRI)是一种利用超导量子干涉器件(SQUID)传感器的超灵敏探测器在微特斯拉场范围内检测MR信号的有效成像技术。在本研究中，我们设计并开发了一个基于squid的ULF MRI系统，该系统具有频率可调的测量场，通过水幻来表征其性能。为了增强MR信号，在激发前使用一个500 mT的海尔巴赫磁铁对样品进行预极化磁化。基于自旋回波(SE-)的脉冲序列的信噪比(SNR)在单次扫描中可达70。然后利用基于反投影成像方法的最大似然期望最大化(MLEM)算法成功重建了图像。结果表明，该方法的面内分辨率为1.8 × 1.8 mm²表明基于squid的MRI在ULF的可行性。

1.简介

传统的磁共振成像(MRI)利用高磁场、梯度场和射频脉冲产生体内器官的图像，是临床研究中最重要的方法之一。此外，它在物理、化学、生物和医学等领域也有广泛的应用。1- - - - - -4］．MRI信号由法拉第电磁感应获得，其强度随磁场强度的平方成线性变化[5］．因此，传统MRI通常采用超导磁体来提高信噪比[6］．但随着磁场强度的增大，均匀性降低。近十年来MRI所采用的进动场从1.5 T上升到目前的3 T临床标准。研究系统甚至使用高达14t的电场[7- - - - - -9］．然而，在许多MRI应用中，超高场并不是最佳选择，例如，在金属存在的情况下进行成像，或在使用大而昂贵的磁铁不切实际的情况下[10］．相比之下，超低场MRI (ULF MRI)已经发展了几十年，具有各种优势，如由磁场的不均匀性产生的伪影较少，体积更小，系统成本更低[1，11］．ULF磁共振技术在化学、生理学和生物医学方面有广泛的应用，如水的成像、人脑、前臂和手腕[12- - - - - -14］．

尽管许多常规MRI实验都是基于法拉第感应线圈进行的，因为其成本低、制备简单，但ULF MRI的信噪比将大大降低，因为与常规高场MRI相比，测量场的强度要小得多(1%∼∼∼∼)。为了抵消ULF MRI中信噪比的损失，有必要探索一种新的弱磁共振信号采集方法，以提高灵敏度[11，15］．为减轻法拉第感应的灵敏度损失，采用超导量子干涉器件(squid)检测MR信号[10，11］．由低转变温度超导体制成的squid是最灵敏的磁场探测器[15- - - - - -17］．当与非调谐超导磁强计或梯度计耦合时，它们就成为极其灵敏的磁场探测器，实现了量级为的磁场噪声 ［13，15，18，19］．

近年来，基于squid的ULF MRI的研究受到了广泛关注。Espy等人使用7通道ULF MRI系统检测有害物质和人脑[20.，21］．Clarke等人在ULF的132中展示了幽灵和甜椒的高分辨率图像μT (18，22］．此外，他们还获得了基于ULF MRI系统在130的磁场中工作的人脑图像μT (23，24］．Espy等人利用鱿鱼在微特斯拉磁场中对人脑、人手、液体炸药和水等多种样本进行了图像构建，其分辨率足以揭示解剖学特征[25，26］．Huang等人利用三个正交的squid作为参考通道，通过测量水幻影消除ULF MRI中的条纹伪影，获得了高质量的一维和二维MR图像[27］．Vogel等人演示了一种编码磁铁阵列在样本周围移动，通过反向投影生成3d图像[28］．

本文设计并开发了一个基于squid的ULF MRI系统，并通过在不同直径的模体内部使用多杆进行成像实验来表征该系统的性能。自旋回波(SE)信号的单次测量信噪比可达70。该系统实现了1.8 × 1.8 mm的面内分辨率²基于反投影成像方法。

2.材料和方法

2.1.ULF MRI系统设计

ULF MRI系统如图所示1(一)．整个系统被封闭在一个3.03 × 2.8 × 2.75 m的房间里^3.)由8毫米厚的铝板构成，可提供2 ~ 9千赫(20分贝以上)的射频屏蔽。超低测量领域，B_米，是用一对直径为1.35米的亥姆霍兹线圈产生的。[13，29，30.］．的力量B_米场是100∼200μT，它产生4.25 ~ 8.5 kHz的质子自旋共振频率。两组梯度线圈，(dB_z/ dx),(dB_z/ dy)，在两个横向方向提供梯度场，大小为1.45 × 1.02 m²0.9 × 1.28 m²,分别。的梯度场(dB_z/ dz)由一组直径1.2米的麦克斯韦线圈产生。所有的梯度场都在100 ~ 400之间μT / m。三层哈尔巴赫磁铁被用来预极化样品(图1 (b))，场强为500公吨(B_p)．海尔巴赫磁铁是一种新型的永磁体，由向不同方向磁化的磁块构成，并排列成提供一个均匀的磁场，磁场基本上包含在阵列内部[31］．在预极化过程中，幻影被放置在哈尔巴赫磁铁内圆柱形孔的中心区域(~ 500 mT)(图2 (b))．为了在预极化后将样品从磁铁快速移动到SQUID传感器，在哈尔巴赫磁铁和SQUID下方的测量位置之间放置了一个由聚甲基丙烯酸甲酯制成的滑轨。磁铁和滑轨由前后两个相同高度(0.83 m)的木箱支撑(如图)2(一个)),分别。在每次测量之前，样品被预极化15秒以增强MR信号。根据T₁(必威2490约4 s)的水，极化效率可达97%以上。预极化后，一旦幻影移到检测区域，脉冲序列就由光电开关触发。磁体与SQUID的距离为1.10 m，样品的输运时间小于800 ms，由于在输运过程中磁化衰减，对应标称预极化场为290 mT。

数字3.描述了ULF MRI系统的数据采集过程，其中梯度场在实验过程中始终存在B₁利用脉冲产生磁共振信号。在本工作中，选择Supracon公司的CE2S蓝色型SQUID传感器用于测量脉冲序列产生的磁共振信号[23］．CE2S蓝色型SQUID的参数为l_在= 420 nH输入线圈电感和0.26μA /Φ₀(Φ₀=h/ 2e≈2.07 × 10⁻¹⁵Tm²)输入电流灵敏度。二级梯度仪绕成1-2-1弯，基线直径为50mm，环路直径为50mm，连接到集成到SQUID芯片上的输入线圈。通量噪声为 除了鱿鱼的内在 鱿鱼圈里面。SQUID以铌薄膜为基础，封装在超导铌屏蔽层中，以保护其免受外部磁噪声的影响。探测器参考最低回路的磁场噪声为 ，该最低回路与室温外表面的距离小于20mm。

2.2.投影成像

反投影是频率编码过程的一种扩展。背投影成像的目的是通过不同角度的梯度场获得物体内部结构的二维表示。梯度场是恒定的，并应用于所需切片的不同角度。只考虑从0到180度的投影，因为不同180度的投影是彼此的镜像(图4)．梯度角是由两个不同方向的梯度场的线性组合决定的。这种方法是对每个投影进行反向投影，并将所有反向投影相加以生成一个切片[28，32］．

从图中可以看出4，得到样本的YZ平面图像，频率编码梯度( ）可分解为正交梯度方向(而且 ）按以下比例:

应用两个正交梯度的线性组合，但只有组合梯度的方向发生变化，例如，36个投影的角度增量约为4.98度。必威2490

2.3.脉冲序列

为了增加有效采集时间，设计了基于自旋回波(SE-)的脉冲序列，如图所示5．幻影首先在海尔巴赫磁铁中预极化15秒，然后迅速被运送到测量位置。预极化场(B_p)当样品移动出哈尔巴赫阵列并到达测量位置时，样品所经历的绝热减少[24］．一旦样品到达，立即触发光电开关，产生TTL信号，开始激励和后续的信号采集。注意两个恒定梯度字段(而且 ）在整个扫描过程中都有应用。一个π由一对线圈产生的/2脉冲垂直作用于测量场，使质子自旋开始进动。随后,一个π脉冲被用来获得回波信号。在实验过程中，回波时间(TE)是可变的。梯度方向由变化决定而且通过连续值。在信号被记录后，样品被运送回磁体进行下一次测量。

注意，SQUID传感器提供的电压输出在小范围内与检测到的磁场呈线性关系。由于振荡磁场产生的振幅B₁脉冲比信号大得多，这将导致SQUID传感器的工作点移位。为此，采用SQUID CTRL (SQUID的低温开关控制)来保证工作点的稳定性。在B₁激发时，低温开关将被激活，使SQUID的输入电路高于其超导转变温度，从而断开与SQUID耦合的电路。

3.结果

3.1.信噪比评价

信噪比是MRI的主要限制因素。为了评估所设计系统的信噪比，使用基于FID的脉冲序列在单次扫描中获得了一个自由感应衰减(FID)信号(图1)6)．类似于上面讨论的脉冲序列(图5),一个π预极化后施加/2脉冲2ms。低温开关在π/2脉冲来避免对SQUID传感器的大场冲击，从而获得信号。如图所示7时，信号持续时间约为500毫秒(图5)必威24907(一))，在5.5 kHz时的信噪比约为必威249011.57 (b))．FID信号的衰减是指数级的。拟合曲线如图所示8．的方程一个_支撑材= 21.66 (pT)·e^−0.0059t（一个_支撑材为FID信号幅值，t为采集时间)，取相关系数的平方，R², 0.99。

ULF MRI系统的测量场在室温下由一对亥姆霍兹线圈提供，这使得测量场可以调整。数字9描述了测量的拉莫尔频率，f_l，和水流，我．的线性方程f_l= 5.0506 (kHz/A)·我(A) + 0.8357 (kHz)取相关系数的平方，R², 0.9996。拟合的直线验证了ULF MRI系统具有频率可调的测量场，并提供了测量场的精确关系。垂直截距(0.8357 kHz)非零也很明显，这表明在水平面上(XZ)的地电场等效为19.6μT对静磁场有贡献。

此外，我们使用了基于se的脉冲序列6)来评估单次扫描的信噪比，因为自旋回波将消除由于局部场的不均匀性造成的衰减。测量信号绘制在图中10没有平均，这说明SE信号持续时间约为900毫秒(图必威249010 ())，在5.46 kHz时，信噪比约必威2490为~ 70(图10 (b))．因此，选择基于se的序列进行实验，信号持续时间和信噪比均有明显提高。

3.2.幻影实验

通过应用基于se的脉冲序列，三种幻像被用来表征ULF MRI系统的性能(图5)．数字11(a)是一个直径35毫米、高52毫米的圆柱形塑胶模体的照片，由7根直径5毫米的杆组成。在25°C条件下，用电阻率为18.2 MΩ/cm的纯净水填充模型。通过计算幻影的频率分辨率和图像分辨率(表1)，可以得出，采集时间(51.2 ms、102.4 ms和204.8 ms)越长，图像分辨率越高。数据11(b) -11(d)在相同的采集速率(100 kHz)但不同的采集时间下，用反向投影成像方法构建的三张幻影二维图像。从图中可以看出11(b)∼11(d)，可以明显看出，随着采集时间的增加，图像分辨率逐渐提高，这与计算结果一致。

另一个幽灵(图12(一个))，与上面描述的尺寸(外径和长度)相同，也被用于测量。幻影内部的几根杆子直径不同，分别为3.5 mm、3 mm、2.5 mm、2.2 mm、2 mm和1.8 mm。重建后的图像(图12 (b))表明，可以区分直径为3.5 mm、3 mm和2.5 mm的模体内部杆。

为了演示ULF MRI系统的最高图像分辨率，一个由12根直径1.8毫米的塑料棒组成的模体(图12 (c))用于测量。基于反投影成像方法的最大似然期望最大化(maximum likelihood expectation maximization, MLEM)算法成功重构出典型的幻影图像(图1)12 (d))[33，34］．分辨率为1.8 × 1.8 mm²水幻影是通过72次测量得到的。获取这幅图像的总时间约为20分钟。必威2490与2.5 × 1.9 mm的分辨率相比，提高了成像分辨率和采集时间²英格利斯和同事先前获得的成像时间约为26分钟必威2490[29］．因此，探测一个1.8 × 1.8 mm大小的物体是可行的²基于squid的ULF MRI系统。

4.讨论

不可否认的是，ULF MRI测量在物理、化学、生物和医学方面发挥着越来越大的作用，因为ULF MRI系统与传统MRI相比成本更低。尽管低场MRI可能永远不会取代高场扫描仪，但在某些应用中，它的使用可能非常有吸引力。例如，ULF MRI方法可为机场安检提供开放式MRI系统[11急诊室和野战医院[20.，25]，并可与脑磁图(MEG)相结合，记录有关大脑的解剖和功能(生物磁学)信息[必威249023，24］．而且，ULF MRI的独特优势是更高T₁-低场MRI对比，已被提出用于识别组织[35- - - - - -37］．这种增强T₁-对比是在使用基于squid的ULF MRI进行病理研究时对高场MRI的一种有前景的补充。在没有显著意义的情况下，它也很重要T₁-强磁场下不同组织类型的对比[38］．

本文论证了基于squid的ULF用于基于反向投影成像方法的MRI测量的可行性。反向投影法简化了成像脉冲序列，由样品在不同应用梯度、不同角度下的一系列投影组成。与傅里叶成像相比，每个投影的梯度场不需要在微秒内打开或关闭。然而，由于在测量过程中梯度是恒定的，因此有必要保持电源的低噪声。此外，通过简单地应用切片选择梯度脉冲，反向投影方法可以扩展到3D成像[30.］．

在本研究中，通过使用不同直径的多杆在三种模体中进行成像实验，来表征ULF-MRI系统的性能。采用500 mT的预极化场对磁共振信号进行增强。结果表明，该系统可成像1.8 × 1.8 mm的水幻影²使在金属存在的情况下对样品进行成像成为可能的分辨率。构建的图像(图12)与水幻影没有很好地复制，这似乎是不完整的，好像缺少了图像的一部分。出现这种现象的原因是水幻影被水平放置在SQUID的底部。由于幻影的上半部离SQUID传感器较近，而下半部离SQUID传感器较远，因此根据毕奥-萨伐尔定律，下半部的信噪比相对于上半部较小。注意，碰撞产生的振动也会在样品运输过程中造成图像伪影。

在软组织测量中，传输过程中的磁化衰减是限制弛豫时间短的组织检测的主要原因。一种潜在的方法可以通过操纵分子进入长寿命状态来增加弛豫时间[39］．长寿命状态允许自旋磁化存储相当长的一段时间，通常至少比T₁对于相同的分子[40］．

在未来的工作中，可以通过在测量位置周围放置一个极化线圈来改进预极化方法。因此，样品预极化后无需输运过程即可直接测量，样品磁化衰减进一步减小。这种改进的预极化技术为ULF MRI系统在组织成像方面提供了一个潜在的应用。prepolarization字段B_p也需要增加，以提高样本重建图像的质量。然而，在屏蔽室内脉冲大磁场诱导涡流方面有缺点。此外，可以尝试编程一个商用的数字光谱仪来实现更多的脉冲序列，以提高系统的成像分辨率。

5.结论

我们设计了一个基于squid的MRI系统，并论证了MRI在超低场的可行性。采用基于se的脉冲序列获得的单次测量信噪比可达70。成像分辨率达到1.8 × 1.8 mm²利用基于反投影法的最大似然期望最大化(MLEM)算法。尽管近年来ULF MRI有了长足的发展，但要在可接受的时间内提高成像分辨率，以补充高场MRI，还需要进一步的改进。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可从通讯作者(changy@sibet.ac.cn而且xiaodong.yang@sibet.ac.cn)要求。

的利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

基金资助:国家自然科学基金(NSFC)项目(11675254、11505281);江苏省社会综合发展项目(BE2017670);中国科学院装备研发计划项目(no. 1);YZ201445。

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