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超高场——更高灵敏度的优势

基于超高场(Ultra High Field, UHF)的磁共振应用直接获益于其高灵敏度。譬如:更高的信噪比,有助于获取更高的分辨率和/或使用更短的扫描时间,或者有利于使杂核成像。

超高分辨率磁共振成像

为避免部分容积效应,从而提高数据质量和改善数据分析,往往需要最高分辨率。可是,如果被研究对象各个体素中的信号不够强,那么由此产生的低信噪比会妨碍对图像的分析。超高场(UHF)仪器可以获得更大的信噪比,因此可以直接转换为更高分辨率。这使得研究人员能够将分辨率推向“活体 MRI 组织学”的方向,并有助于一系列疾病模型中数据质量的提高[1,2]。

除解剖成像外,许多磁共振成像方法也得益于灵敏度的提高。譬如,在 BOLD fMRI 中,可以定义更精确的刺激方式,因为信噪比增大使得对刺激强度的要求降低。此外,随着分辨率的提高,fMRI 精度越来越不受体素大小的限制,而是受限于到达神经元活动点的血流被特别精确(空间和时间上)调节的程度如何 [3]。另外,对于高分辨率 fMRI,部分容积效应的降低有望进一步提高信噪比 [4]。具有小体素尺寸的高分辨率 fMRI 将额外受益于超高场,因为它在热噪声主导的状态下工作,因此,在这种情况下,相比较低磁场而言超高场可以显著地提高灵敏度[4]。

In vivo mouse brain

在15.2特斯拉的磁场强度下,使用磁共振成像超低温探头采集超高分辨率、高对比度 T2 加权活体小鼠大脑数据。方法:RARE,分辨率: (29 x 29) µm2,断层厚度:203 微米,断层: 12,扫描时间:26 分钟。

参考:

[1] Petiet A, Aigrot M-S, Stankoff B. Gray and White Matter Demyelination and Remyelination Detected with Multimodal Quantitative MRI Analysis at 11.7T in a Chronic Mouse Model of Multiple Sclerosis. Frontiers in Neuroscience. 2016;10:491. doi:10.3389/fnins.2016.00491.
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5081351/

[2] Ong HH, Webb CD, Gruen ML, Hasty AH, Gore JC, Welch EB. Fat-water MRI of a diet-induced obesity mouse model at 15.2T. Journal of Medical Imaging. 2016;3(2):026002. doi:10.1117/1.JMI.3.2.026002.
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4877437/

[3] Polimeni, J. and Uludağ, K., Neuroimaging with ultra-high field MRI: Present and future. NeuroImage, 2018; 168: 1-6. doi: 10.1016/j.neuroimage.2018.01.072
www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29410013

[4] Uludağ, K., and Blinder P., Linking brain vascular physiology to hemodynamic response in ultra-high field MRI. Neuroimage, 2018; 168 279-295. doi: 10.1016/j.neuroimage.2017.02.063.
www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28254456

吞吐量更高

由于磁共振成像系统的可用时间有限,需要大量动物,或者模型不稳定,通常需要更短的测量时间。

当使用较低场强时,通常需要更长的测量时间来获得足够的信噪比。使用超高场可以显著缩短测量时间,原因在于,譬如,灵敏度提高两倍就可以在四分之一的时间内获得分辨率相同、质量相似的图像 [5]。因此,可以减少数据平均值的数量,节省的时间可以投入到其他主题或进一步的研究。

In vivo mouse brain 400

在15.2特斯拉的磁场强度下,使用磁共振成像超低温探头可获得典型的高分辨率、快速 T2 加权活体小鼠大脑数据。方法:RARE,分辨率:(47 x 49) µm²,断层厚度:400 微米,断层:12,扫描时间:1 分钟。

推动杂核成像的发展

超高场下获得的高信噪比的另一个好处是,低旋磁比、四倍矩和低丰度的杂核成像可以得到显著改善,甚至首次得以实现 [5,6,7,8]。

这开创了许多不同的研究应用,如钠(²³Na)成像等。钠磁共振成像目前应用十分广泛。譬如,在临床系统中,钠浓度测量用于研究组织活力 [9]。由于灵敏度高,使用超高场非常有助于钠成像 [7]。此外,超高场磁共振成像可潜在地实现氧(17O)成像的突破,氧成像支持直达细胞氧代谢。细胞氧代谢在阿尔茨海默氏症和帕金森氏症以及癌症等疾病中都发生了改变。因此,17O 磁共振成像具有显示大脑局部病理变化的潜力,这也说明了这种成像方法的重要性 [8]。

参考:

[5] Nowogrodzki A. The world’s strongest MRI machines are pushing human imaging to new limits. Nature 563, 24-26 (2018), doi: 10.1038/d41586-018-07182-7
www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30382222

[6] Öz G, Tkáč I, Uğurbil K. Animal models and high field imaging and spectroscopy. Dialogues in Clinical Neuroscience. 2013;15(3):263-278.
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3811099/

[7] Deutsches Krebsforschungszentrum:
www.dkfz.de/en/medphysrad/projectgroups/t7_x-nuclei/t7_x-nuclei_Na_MRI

[8] Deutsches Krebsforschungszentrum:
www.dkfz.de/en/medphysrad/projectgroups/t7_x-nuclei/t7_x-nuclei_O_MRK

[9] Thulborn KR, Lu A, Atkinson IC, Damen F, Villano J. Quantitative Sodium MR Imaging and Sodium Bioscales for the Management of Brain Tumors. Neuroimaging clinics of North America. 2009;19(4):615-624. doi:10.1016/j.nic.2009.09.001.
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3718497/