0 引言

       在MRI超高场（≥7.0 T）技术的临床应用中，射频脉冲波长随着场强增加而缩短。与既往场强提升不同[从52 cm（1.5 T）到26 cm（3.0 T）]，7.0 T场强下射频脉冲电磁波波长（11 cm）已小于正常头颅尺寸。射频场（B1+）在小脑区域产生的介电效应减弱了脉冲信号^[1]。随着脑科学研究逐渐深入到局部脑区，小脑研究已成为脑科学领域重点关注的热点问题。影像研究表明，除长期以来认为的小脑控制运动任务^[2]外，小脑还参与许多与认知相关的功能活动，如语言、学习、记忆和情感等过程^{[3, 4]}。7.0 T MRI以超高分辨率和超高信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）为脑科学研究带来了深远的变革^{[5, 6, 7]}，但介电效应却极大制约了7.0 T MRI的小脑研究及未来的全脑临床应用，改善小脑区域成像质量成为了7.0 T MRI亟待解决的重要问题。

       许多研究为提升7.0 T MRI B1+场进行了有效的探索，如小脑专用射频线圈^[8]和高介电常数（high dielectric constant, HDC）材料等。HDC材料的感应位移电流可以作为二次场源与主射频场叠加提升覆盖区域B1+场强度，增强7.0 T MRI中的低信号区域的图像质量^{[9, 10]}，具有操作简单、价格低廉和不增加特异性吸收率（specific absorption rate, SAR）的优势。传统的HDC材料，如BaTiO3已在3.0 T MRI腹部成像^[11]及7.0 T MRI颞叶或颞颌关节成像^[12]中用于提高B1+场强度，有效改善了图像质量。近年来，BaTiO3/CaTiO3制备的HDC材料为血氧水平依赖性成像（blood oxygenation level-dependent, BOLD）在7.0 T MRI小脑区域的图像质量带来了增益^[13]，然而其在小脑区域常规序列的实践能力和应用范围尚缺乏验证。本研究拟探究BaTiO3/CaTiO3配比的HDC材料对7.0 T MRI下多种序列小脑区域图像质量的改善效能，明确在7.0 T MRI下HDC材料的信号增强效果及适用范围，为未来7.0 T MRI临床和科研模式下小脑图像的改善与应用提供定量数据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究为单中心、前瞻性研究，遵守《赫尔辛基宣言》，通过陆军军医大学第一附属医院伦理委员会审批（批准文号：KY2020191），获得所有受试者知情同意并签署知情同意书。于2022年11月至2022年12月期间在陆军军医大学第一附属医院招募受试者行7.0 T MRI扫描。纳入标准：（1）本院体检中心体检指标无异常；（2）年龄20~40岁。排除标准：（1）合并严重感染，或患有可能威胁生命的不稳定疾病；（2）患者检查配合欠佳导致图像质量不佳；（3）有MRI检查禁忌证。共招募10例受试者[男5例，年龄27~34（30.60±2.58）岁；女5例，年龄26~32（29.20±2.99）岁]。

1.2 图像采集

       HDC材料为BaTiO3、CaTiO3粉末与D2O配置的湿水泥状混合物HDC垫（Larmor Device, Hangzhou, China）（图1），尺寸为10 cm×20 cm。

       扫描方法：7.0 T MRI（Terra, Siemens Healthcare, Erlangen, Germany）搭配Nova 1Tx/32Rx头部相控阵线圈采集。首先将HDC垫放在枕后进行射频场场图（B1 map）、T2加权成像快速自旋回波序列（T2WI-turbo spin echo, T2WI-TSE）、梯度回波（gradient recalled echo, GRE）的T1磁化准备快速梯度回波成像（T1-magnetization prepared rapid gradient echo, T1-mprage）、平面回波（echo planar imaging, EPI）的扩散加权成像（diffusion weighted imaging, DWI）；任务结束后移除HDC垫，重复整个方案作为对照组进行比较。扫描序列及其参数见表1。

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图1  高介电常数（HDC）材料（1A）及使用示意图（1B）。
Fig. 1  High dielectric constant (HDC) material (1A) and application diagram (1B).

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表1  MRI序列参数表
Tab. 1  MRI sequence parameters

1.3 图像质量评价

       所有图像在后处理工作站（Siemens, Syngovia, VE 11U）进行分析。

       主观评分：分别由两名具有5年（主治医师）和10年（副主任医师）神经影像诊断经验的放射科医师对端脑和小脑的T2WI-TSE、T1-mprage、DWI图像采用Likert 5分量表法进行评级：5分为非常满意，图像质量优秀，可用于诊断；4分为满意，图像质量良好，可用于诊断；3分为一般，图像质量有瑕疵，不影响诊断；2分为欠满意，图像质量欠佳，影响诊断；1 分为不满意，图像质量差，不能诊断（评分≥3分的图像为总体评价优良）^[14]。

       客观评分：所有图像的测量感兴趣区（region of interest, ROI）均设置为1 cm圆形，受试者两次图像ROI位置保持相同的解剖位置。四个ROI等距放置于图像背景四角并测量每个ROI标准差（standard deviation, SD），取平均值为图像背景SD均值。T2WI-TSE和DWI（b=1000 s/mm²）：根据影像解剖学对端脑半卵圆中心及室间孔层面左右脑白质区分别放置ROI测量信号强度（signal intensity, SI），取平均值计算端脑SNR；在听神经层面及内听道层面左右小脑中央部放置ROI测量SI，取平均值计算小脑SNR，SNR测量示意图见图2。B1 map和T1-mprage：在正中矢状面，放置ROI于端脑、小脑图像解剖结构中央部测量SI^[15]。SNR计算见公式（1）^[14]。

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图2  信噪比（SNR）测量示意图。2A：端脑半卵圆中心层面T2WI 勾画示意图；2B：室间孔层面DWI（b=1000 s/mm2）勾画示意图；2C：正中矢状面T1 磁化准备快速梯度回波成像（T1-mprage）勾画示意图；2D：听神经层面T2WI勾画示意图；2E：内听道层面T2WI 勾画示意图；2F：正中矢状面B1 map 勾画示意图。
Fig. 2  Schematic diagram of signal-to-noise ratio (SNR) measurement. 2A: T2WI outline at the central level of telencephalon semiovale; 2B: the outline of diffusion weighted imaging (DWI) (b=1000 s/mm2) at the foramen of ventricle; 2C: Outline of T1-magnetization prepared rapid gradient echo (T1-mprage) in midsagittal plane; 2D: T2WI outline of the auditory nerve level; 2E: T2WI outline at the level of the internal auditory canal; 2F: Schematic representation of B1 map delineation in the midsagittal plane.

1.4 统计学分析

1.4.1 样本量计算

       本研究对图像质量的优良性验证，参照HDC材料对照研究^[16]，采用单样本诊断试验方法计算样本量，计算公式见式（2）。

       其中，p为特异度（取值0.9），p0为临床能接受的敏感度（最低标准取值0.9），z代表标准正态分布对应的分位数，双侧检验z0.05=1.96，α设为0.05，把握度（1-β）设为80%，容许误差δ设为0.2^[14]。

1.4.2 统计学分析

       采用SPSS 26.0统计分析软件。符合正态分布的计量资料以x¯±s表示，两组配对样本之间比较采用配对t检验；偏态分布的计量资料以M（Q1，Q3）表示，两组比较采用Mann-Whitney U检验。采用组内相关系数（intra-class correlation coefficient, ICC）检验医师间评估图像质量的一致性，ICC>0.75为一致性好。P<0.05认为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料

       样本量计算表明，样本量应该大于9例；本研究纳入10例受试者符合样本量数量规范要求。2名神经影像医师对受试者端脑和小脑影像质量评估的一致性较好（ICC：0.85~0.93）。

2.2 主观评价

       T2WI-TSE为代表的SE序列、T1-mprage为代表的GRE序列和DWI为代表的EPI序列进行主观评价显示：T2WI-TSE、T1-mprage和DWI序列的图像质量在HDC组和对照组的端脑Likert 5评分中差异均无统计学意义（P>0.05）；在小脑中，HDC组T2WI-TSE和DWI序列的图像质量评分均优于对照组（P<0.05）（表2）。HDC垫成像对比图见图3。

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图3  女，30岁, 颅脑相同层面相同窗宽窗位对比示意。高介电常数（HDC）垫成像对比图。3A：T2加权成像快速自旋回波序列（T2WI-TSE）小脑图像非常满意（5分）；3B：T2WI-TSE小脑图像满意（4分）；3C：表观弥散系数（ADC）小脑图像欠满意（2分）；3D：T1磁化准备快速梯度回波成像（T1-mprage）端脑图像满意（4分），小脑图像满意（4分）；3E：T2WI-TSE小脑图像欠满意（2分）；3F：T2WI-TSE小脑图像欠满意（2分）；3G：ADC小脑图像不满意（1分）；3H：T1-mprage，端脑图像满意（4分），小脑图像一般（3分）；T2及ADC对比可见小脑区域结构可见性得到了明显提升。但序列不同则实践表现不同，HDC对T1-mprage图像改善性较小。
Fig. 3  Female, 30 years old, images are scaled under same window width and window level. The comparison image of using and not using high dielectric constant (HDC) pad. 3A: T2WI-turbo spin echo (T2WI-TSE) cerebellar image is very satisfied (5 score); 3B: T2WI-TSE cerebellar image is satisfied (4 score); 3C: Apparent diffusion coefficient (ADC) cerebellar image is dissatisfied (2 score); 3D: T1-magnetization prepared rapid gradient echo (T1-mprage) telencephalic image is satisfied (4 score) and cerebellar image is satisfied (4 score); 3E: T2WI-TSE cerebellar image is dissatisfied (2 score); 3F: T2WI-TSE cerebellar image is dissatisfied (2 score); 3G: ADC cerebellar image is very dissatisfied (1 score); 3H: T1-mprage, telencephalic image is satisfied (4 score), cerebellar image is unsure (3 score). The structural visibility of cerebellar regions in both T2WI and ADC image are significantly improved when using the HDC pad, and improvement on T1-mprage images are not significantly, as different scanning sequence has different behavior.

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表2  图像质量主观评价对照
Tab. 2  Subjective evaluation of image quality

2.3 客观评价

       B1 map、T2WI-TSE、T1-mprage和DWI序列在HDC组和对照组的端脑中SNR差异均无统计学意义（P>0.05）；在小脑中，HDC组B1 map和T2WI-TSE序列的图像SNR均优于对照组（P<0.05）（表3）。

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表3  两组图像的SNR比较
Tab. 3  SNR comparison of two groups of images

3 讨论

       本研究探索了7.0 T场强下BaTiO3/CaTiO3制备的HDC垫对不同成像序列小脑区域介电伪影的改善效能。使用B1 map测量了有无HDC垫情况下的全脑射频场分布，采用三种经典的MRI序列进行主客观分析；虽然不同的序列实际应用效果不同，但总体而言HDC垫的运用效果显著，既不干扰端脑原有的B1+分布，又使小脑区域成像获得增益。本研究提供了低成本和高质量的7.0 T MRI小脑成像临床解决方案，为7.0 T MRI下小脑临床应用及全脑成像研究进行了有价值的探索。

3.1 7.0 T MRI下HDC材料的不同序列实践能力

       在本研究中，B1 map序列是最能客观反映HDC垫对B1+场影响的序列^[17]。在小脑区域，B1 map的SNR测量显示HDC垫明显提升了SI。但在不同序列的实践应用中，HDC材料对所在区域B1场的改善效能不同。由于180°重聚脉冲的信号采集模式，TSE序列对B1+在小脑区域信号降低和HDC的改善表现最直观^[18]。客观测量显示HDC垫对T2WI-TSE序列的小脑区域有较大的信号提升，从而在主观评分方面提高了7.0 T MRI小脑成像的诊断能力。HDC增益后，小脑T2WI-TSE序列达到了临床诊断的图像需求，覆盖全脑的T2WI为7.0 T MRI走向常规临床应用带来了可能。

       T1-mprgae序列本质为施加了磁化准备脉冲的3D扰相梯度回波序列，目前在脑科学研究中广泛应用^[19]。由于其图像权重主要取决于磁化准备脉冲，7.0 T MRI B1+场主要干扰灰白质和脑脊液对比度，对于信号减弱的表现不敏感。在主客观评分方面，本研究中T1-mprgae序列两组差异无统计学意义。这与既往3.0 T MRI耳蜗植入物图像干扰评估研究^[20]中T1-mprage表现出较好抗场不均匀伪影能力的结果相一致。值得一提的是，在T1-mprage的基础上，针对7.0 T MRI B1+场问题，研究人员通过采集一次180°反转脉冲后两个不同TI时间的信号来消除磁场共性不均匀，获得的高质量T1结构成像序列[磁化准备双快速梯度回波序列（T1- magnetization prepared 2 rapid acquisition gradient echo, T1-mp2rage）]已在7.0 T MRI中应用^[21]。HDC对B1+改善的性质有望提升T1-mp2rage序列对于小脑结构成像效能，值得在后续研究中探索。

       既往研究中，DWI在7.0 T MRI的应用价值存在一定争议^[22]。一方面，7.0 T场强下化学位移效应更为明显，DWI在射频脉冲激发后使用一连串正反梯度切换进行EPI读出，容易积累相位差，导致图像空间畸变^[23]；另一方面，7.0 T场强下脑组织T1弛豫较3.0 T场强延长，T2弛豫较3.0 T场强缩短。梯度场切换更加速了T2^*衰减，故而EPI采集到的信号也较低。本研究在小脑区域DWI的SNR受物理因素限制及N/2 ghost伪影影响，测量值并不稳定，客观评价未能检测出HDC垫对于小脑区域SNR的提升；主观评价方面，可见HDC垫使用后，增加了小脑区域信号可见性，HDC垫数据增加了未来脑科学研究者使用7.0 T MRI进行扩散成像研究的信心。

3.2 HDC材料的临床实用性

       在临床实用性上，首先HDC垫未干扰正常区域的B1+信号。这与既往的研究^[24]一致。本研究在端脑区域，B1 map、T2WI-TSE、T1-mprage和DWI对端脑主客观评价差异均无统计学意义（P>0.05）。在安全性方面：传导电流与电导率的乘积越大，SAR越大，而HDC的电导率低于人体组织一个数量级^[25]，不存在自身高SAR值的风险；与垫子接触的组织内位移电流远大于传导电流，亦不会诱发高SAR值的发热问题，其射频安全性问题已有大量文献报道^{[26, 27]}。临床使用方面：其湿水泥状态具有自贴合的优势，可以自适应形状。大小无特殊要求，头颅线圈内覆盖小脑区域即可。生理安全方面：BaTiO3被认为具有一定毒性^[28]，D2O摄入过多会影响人体代谢^[29]，但其材料密封性良好，不存在泄漏风险。

3.3 研究局限性

       本研究具有一定局限性：（1）本研究所用TSE、GRE、EPI序列未能完全代表这一类型所有序列的情况。例如，实践中为了配合正反向梯度切换提升采集速度，GRE多采用小角度激发以获取短TR，但并非所有GRE序列都如此（BOLD采用90°脉冲激发^[30]）。（2）由于7.0 T场强反复进出磁场容易致晕^{[31, 32]}，长时间扫描容易产生运动伪影，因此本研究样本量较小，并且诸如T1-mp2rage、扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）等序列并未进行拓展研究。在本研究证实HDC增加小脑区域信号的能力后，后续的其他序列实用效能仍待大量实验验证。（3）本研究主要解决小脑成像问题，未对颞叶、垂体等区域进行同时研究。

4 结论

       总之，本研究为HDC垫在7.0 T MRI小脑成像的应用场景提供了实践证据与数据。HDC为图像提供增益的同时兼具不干涉其他脑区成像质量效果的优点，为7.0 T MRI下小脑临床应用及全脑成像研究提供了新机会。