0 引言

       新生儿神经系统疾病发病率逐年增加，尤其是早产儿（因过早暴露于宫外环境，脑组织发育进程可能被干扰），若不及时诊断和干预治疗，后期将可能出现严重的神经发育问题，如脑发育迟缓、脑瘫等，给个人家庭及社会带来沉重负担^{[1, 2]}。磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）可观察新生儿脑组织发育情况，能够及早发现新生儿神经系统疾病，且无电离辐射危害，是目前新生儿神经系统检查的重要选择^{[3, 4, 5]}。但新生儿头颅体积较小，常规MRI头线圈体积较大，其成像质量难以满足神经影像诊断的需要，存在图像信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）较差，灰白质对比度欠佳等不足，亟需一种专用线圈改善新生儿神经系统MRI的图像质量。新生儿头线圈可改善这一问题，由于其大小贴近新生儿头颅，可明显提高图像SNR和对比噪声比（contrast-to-noise ratio, CNR），且能缩短扫描时间，提高新生儿MRI检查成功率，减少镇静剂的使用。GILBERT等^[6]通过儿童神经射频线圈明显改善了3个月至3岁儿童的颅脑MRI图像SNR，缩短了MRI采集时间，提高了检查的成功率。但此线圈主要针对出生3个月以上的新生儿，对体积较小、出生不久的新生儿尤其是早产儿成像效果可能不佳。慕光睿等^[7]研发团队研制一款新生儿与婴幼儿专用MRI兼容保育箱原型机，可集成MRI线圈、脑电等装置，但未对其线圈图像质量进行详细比较，且比较结果未见明显优势。为弥补这一缺陷，本研究将合作研发一专用于早产儿及出生不久的新生儿头线圈，测试其与成人头线圈在新生儿颅脑MRI中的图像SNR、CNR和并行采集能力，希望能够改善新生儿神经MRI的图像质量，降低扫描时间，为临床诊断提供更多有价值的信息。

1 材料与方法

1.1 线圈研制

       本研究所研制线圈为16通道头线圈，16单元设计，16通道输出，设计拓扑图见图1，上半部分包括9个通道，下半部分包括7个通道。其中头部的前半部为8个单元，分为2段，头顶为上半段3个单元，靠近嘴鼻处的为下半段共5个单元，其中间单元对应一个大的口鼻开窗，既方便新生儿呼吸，又可作为新生儿状态的观测窗口。线圈整体可分为前后两部分，一个重要的创新点为前半部分设计得较深，后半部分设计得较浅。这样既可以保护新生儿颈椎，又可在放置新生儿的时候，颈部承托的手可没有阻碍地将新生儿颅脑放置到线圈顶部，从而获得更高的SNR（越靠近顶部，SNR越高）。线圈高宽分别为25 cm和31 cm，为多次临床测试所得结果，可在不影响呼吸的情况下，最大程度贴近新生儿头颅表面。经临床使用，该线圈可为新生儿提供一个安全、舒适的环境，适合新生儿MRI检查。

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图1  新生儿头线圈的设计拓扑图。上半部分包括9个通道，下半部分包括7个通道。
Fig. 1  The design topology of infant head coil. The top half consists of 9 channels and the bottom half consists of 7 channels.

1.2 体外实验

1.2.1 研究对象

       Siemens标准圆柱形体模，长39 cm，直径14 cm，主要成分为硫酸镍、水和氯化钠，总容积为5300 mL。

1.2.2 MRI检查方法

       采用西门子3.0 T超导型核MRI仪（Shyra，西门子医疗系统有限公司，德国）进行扫描，将体模放置在线圈中心，并用维生素胶囊标记位置，用定位灯定位到维生素胶囊位置后进床，之后让体模充分静置10 min再开始扫描。先用16通道新生儿头线圈（IP160，苏州众志医疗科技有限公司，中国）扫描。扫描结束后，更换西门子自带20通道成人头线圈，重复上述过程，保证两次扫描前体模充分静止，并且两次扫描相同层面。两次扫描均使用质子密度加权成像（proton density weighted imaging, PDWI）序列，不使用并行采集，扫描参数均一致，扫描参数：TR 30.0 ms，TE 6.00 ms，层厚5 mm，FA 15°，FOV 160 mm×160 mm，矩阵128×128。

1.2.3 新生儿体模图像的SNR分析

       通过MATLAB（R2016b，MathWorks，美国）平台处理体模的PDWI图像，计算得到两线圈的SNR，进行定量分析并做差值得到SNR比值图。

1.3 临床试验

1.3.1 研究对象

       前瞻性收集2022年8月至2023年12月于滨州医学院附属医院接受MRI检查的足月或早产新生儿，随机分为试验组和对照组两组。纳入标准：（1）足月出生新生儿或纠正胎龄≥37周的早产儿；（2）临床或超声提示无脑损伤和其他伴随疾病；（3）无MRI扫描禁忌证。排除标准：（1）图像经2名具有3年以上经验的影像医师（均为主治医师）诊断为脑损伤或其他脑疾病者；（2）无法配合完成MRI检查者。本研究所收集的足月儿为由于喂养困难需完善MRI检查的新生儿，纠正胎龄≥37周的早产儿为评估是否存在脑发育不良而需完善MRI检查的新生儿。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经滨州医学院伦理委员会批准，全体受试者监护人均签署了知情同意书，批准文号：2022-376。

1.3.2 MRI检查方法

       采用上述MRI仪和线圈以相同参数扫描新生儿，试验组以16通道新生儿头线圈、对照组以20通道成人头线圈扫描。新生儿仰卧、头先进，扫描前提前喂养、镇静（直肠内注入水合氯醛灌肠剂，30~50 mL/kg）（特丰制药有限公司，中国）并用襁褓裹紧。扫描过程采用小棉垫降低噪声并固定头部，去除新生儿口鼻处被褥，保持呼吸道通畅，并嘱监护人监视新生儿呼吸等情况。扫描新生儿颅脑T2WI以测试图像SNR和CNR，参数：TR 4820 ms，TE 114 ms，层厚4 mm，FA 150°，FOV 180 mm×146 mm，矩阵320×224，加速因子R=2。之后调整加速因子R=2、3、4、5、6，扫描5次以测试线圈的并行采集能力。

1.3.3 新生儿图像SNR与CNR分析

       利用西门子图像后处理工作站（西门子医疗系统有限公司，德国）分析新生儿颅脑T2WI，选择基底神经节最大层面，分别于双侧丘脑、基底神经节和额叶6个区域勾画圆形感兴趣区（region of interest, ROI），双侧丘脑ROI面积为45 mm²、双侧基底神经节ROI面积为28 mm²、双侧额叶ROI面积为32 mm²。测量这6个ROI的信号强度（signal intensity, SI），记为SI（ROI）；于空气部分四个角相同区域勾画4个115 mm²大小一致的圆形ROI，计算该空气部分的SI和信号标准差（signal standard deviation, Ssd），分别记为SI（空气）和Ssd（空气）。ROI在T2WI中的位置见图2。通过公式（1）计算得到不同脑区的SNR。之后单独勾画双侧额叶白质部分，测量该区域SI，记为SI（额叶白质），分别与双侧基底神经节区和丘脑的SI做差，所得差值的绝对值除以Ssd（空气）得到灰白质CNR^[8]。所有ROI勾画均由2名神经影像诊断医师协商手动完成，2名均为主治医师，诊断年资分别为7年与5年。

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图2  男，纠正胎龄≥37周早产儿，出生时胎龄为36周，纠正胎龄为38周+1天，不同ROI在T2WI上的位置。图中1、3、5代表右侧基底神经节、丘脑和额叶的ROI位置、大小，SI和Ssd；图中2、4、6代表左侧基底神经节、丘脑和额叶的ROI位置、大小，SI和Ssd；图中7、11、12、13代表空气部分的ROI位置、大小，SI和Ssd。ROI：感兴趣区；SI：信号强度；Ssd：信号标准差。
Fig. 2  Preterm infants with corrected gestational age ≥ 37 weeks, male, gestational age at birth is 36 w, correct gestational age is 38 w + 1 d, the location of different ROI on T2WI. In the figure, the 1, 3 and 5 represent the ROI position, size, SI and Ssd of the right basal ganglia, thalamus and frontal lobe; In the figure, the 2, 4 and 6 represent the ROI location, size, SI and Ssd of the left basal ganglia, thalamus and frontal lobe; In the figure, the 7, 11, 12, and 13 represent the ROI position, size, SI, and Ssd of the air portion. ROI: region of interest; SI: signal intensity; Ssd: signal standard deviation.

1.3.4 新生儿图像并行采集能力分析

       由2名具有3年以上神经影像诊断医师（均为主治医师）独立评价不同加速因子（R=2、3、4、5、6）时T2WI图像的卷褶伪影情况，评估两线圈开始出现卷褶伪影时的加速因子。若二者结果不一致，再邀请具有28年诊断经验的高年资主任医师进行评估。

1.3.5 统计学分析

       首先进行样本量估算，根据先前研究资料，取两组均数差值为91.1，样本标准差为72.2^[9]，检验水准α为0.05，Ⅱ型错误β为0.05，检验功效（1-β）为0.95。根据计量资料样本含量计算公式[式（2）]计算本研究所需的样本参考数量，其中σ为估计的标准差，d为两组均值之差。实验数据分析通过SPSS（22.0，IBM，美国）统计分析软件进行。对两组出生时胎龄、体质量、SNR和CNR数值进行正态性验证，符合正态性分布，利用两独立样本t检验进行分析，结果以均数±标准差表示；不符合正态性分布，利用非参数秩和检验中的Mann-Whitney检验进行分析，结果以中位数（上下四分位数）表示。两组性别差异采用χ²检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 磁共振体模图像SNR

       新生儿头线圈SNR平均约为成人头线圈的1.4倍，部分皮层表层区域超过2倍，如图3所示。

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图3  磁共振体模图像信噪比（SNR）比较。3A为新生儿头线圈SNR图，3B为成人头线圈SNR图，图中蓝色表示SNR为0，越接近蓝色表示SNR越低，越接近红色表示SNR越高；3C为新生儿头线圈与成人头线圈SNR比值图，越接近红色表示SNR越高。
Fig. 3  The comparison of signal-to-noise ratio (SNR) in magnetic resonance phantom images. 3A is the SNR diagram of neonatal head coil; 3B is the SNR diagram of adult head coil, the blue indicates that the SNR is 0, the closer to blue the lower the SNR, and the closer to red the higher the SNR in the figure. 3C is the SNR diagram of neonatal head coil and adult head coil, the closer to red, the higher the SNR.

2.2 临床试验

2.2.1 人口统计学信息

       本研究共纳入新生儿44例，其中试验组20例，对照组24例。因本研究样本量估算结果为16例，所以本研究纳入的样本量可满足该研究需要。两组在出生时胎龄和体质量差异均无统计学意义，详见表1。

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表1  人口统计学信息
Tab. 1  The demographic information

2.2.2 新生儿图像SNR

       新生儿头线圈在双侧丘脑、基底神经节和额叶处的SNR均高于成人头线圈，差异具有统计学意义（P<0.001），见表2。

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表2  临床试验中新生儿头线圈与成人头线圈图像SNR比较
Tab. 2  The comparison of SNR between neonatal head coil image and adult head coil image in clinical experiments

2.2.3 新生儿图像CNR

       新生儿头线圈在双侧额叶白质与丘脑、基底神经节的灰白质CNR均高于成人头线圈，差异具有统计学意义（P<0.001），见表3。

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表3  临床试验中新生儿线圈与成人线圈灰白质图像CNR的比较
Tab. 3  The comparison of CNR of gray and white matter image between neonatal coil and adult coil in clinical experiment

2.2.4 新生儿图像并行采集情况

       两线圈所采集图像完整，结构清晰。在加速因子R=4时，成人头线圈图像开始出现较明显卷褶伪影，新生儿头线圈未见明显卷褶伪影，如图4所示。

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图4  两线圈在加速因子R=2、3、4、5、6时的T2WI图。新生儿头线圈：女，纠正胎龄≥37周早产儿，出生时胎龄34周+4天，纠正胎龄为37周+6天；成人头线圈：女，纠正胎龄≥37周早产儿，出生时胎龄35周+1天，纠正胎龄为37周。
Fig. 4  The T2WI images of the two coils at acceleration factor R = 2, 3, 4, 5, 6. Neonatal head coil: preterm infants with corrected gestational age ≥ 37 weeks, female, gestational age at birth is 34 w + 4 d, correct gestational age is 37 w + 6 d; Adult head coil: preterm infants with corrected gestational age ≥ 37 weeks, female, gestational age at birth is 35 w+1 d, correct gestational age is 37 w.

3 讨论

       本研究主要通过体外和临床实验共同检测新生儿头线圈的成像质量。体外实验主要通过处理分析体模图像，得到线圈SNR图和二者差值，结果显示新生头线圈SNR高于成人头线圈，线圈边缘更明显，这主要是为了弥补大多数新生儿图像中央区域SNR高于边缘区域的缺陷。临床试验主要通过勾画ROI的方式计算新生儿不同脑区图像质量，结果显示新生儿头线圈的图像SNR和CNR均高于成人头线圈。另外为测试并行采集能力，本研究比较了两线圈在不同加速因子时的T2WI图像，结果表明，新生儿头线圈在加速因子为4时仍具有较好的图像质量，而成人头线圈图像SNR下降明显，卷褶伪影增多，新生儿头线圈具有较好的并行采集能力。这项研究具有良好的临床应用价值及推广前景，对未来改善新生儿神经系统检查的图像质量，加快新生儿MRI扫描速度，提高新生儿检查成功率具有重要意义，有助于推动影像技术在儿科领域的发展。

3.1 新生儿头线圈可提高图像SNR

       现有MRI设备主要通过成人头线圈扫描新生儿头颅，但新生儿头颅较小，图像质量欠佳，尤其是图像SNR^[10]，限制新生儿颅脑MRI的应用。有研究显示胎龄范围在24~42周之间的新生儿，出生体质量在1500~5000 g的男性新生儿出生身长和头围中位数范围分别为40.4~52.1 cm和28.4~35.2 cm；女性新生儿出生身长和头围中位数范围分别为40.4~51.8和28.4~35.1 cm^[11]。AWATA等^[12]研究显示，胎龄小于30周的极低出生体质量新生儿在出生时的身长范围为（33.3±3.6）cm，FENTON等^[13]研究显示，小胎龄新生儿出生时的体质量和头围分别为（33.9±2.2）、（24.9±1.8）cm。本研究所用线圈长高宽分别为75.5、25、31 cm，符合新生儿身长和头围大小，可在不影响呼吸情况下贴近新生儿颅脑表面，改善新生儿颅脑的MRI质量，在临床适用于出生3个月以下的新生儿，体质量和身长应不超过8 kg和69 cm。本研究结果显示，新生儿头线圈可改善新生儿颅脑和体模图像的SNR，对提高新生儿图像质量具有重要临床意义。本研究结果也与一些学者的研究结果相似。有研究显示，内置新生儿线圈的磁共振兼容恒温箱可改善新生儿图像质量、减少镇静剂的使用^[14]。GHOTRA等^[15]设计并评价了一种专用于新生儿和婴儿MRI的32通道阵列线圈，结果显示该磁共振阵列线圈提高了成像的敏感度、空间分辨力和受试者容忍度，同时也减少了镇静剂的使用，提高了MRI检查的成功率。而本研究所用新生儿头线圈设计主要面向足月或早产新生儿，临床使用起来更具有针对性。RIOS等^[16]研究发现，13通道新生儿头线圈可提高新生儿图像SNR，头部区域的平均SNR增加了68%，皮层区域的平均SNR增加了122%。相比之下，本研究所用新生儿头线圈增加了通道数量，且增加了CNR评价指标，图像质量得到提升。

3.2 新生儿头线圈可提高图像CNR

       CNR同样是衡量MRI图像质量的一个重要指标，CNR值越大，说明两种不同组织的对比度越好，图像质量越好^[17]。新生儿由于脑组织未完全发育成熟，大部分脑白质区域尚未出现髓鞘化，髓磷脂含量较低^{[18, 19, 20, 21]}，在MRI过程中脑灰质与白质的对比度较差，影响临床诊断。本研究通过对比双侧额叶白质与丘脑、基底神经节的灰白质CNR，发现新生儿头线圈可改善新生儿MRI图像脑灰白质对比度较低的问题，对临床诊断新生儿神经系统疾病及脑发育情况具有较大价值。丘脑、基底神经节和脑白质等脑区为临床诊断新生儿相关疾病的重要脑区^{[22, 23, 24]}，如新生儿缺氧缺血性脑病，常引起基底神经节、丘脑等区域发生改变^{[25, 26]}。本研究显示新生儿头线圈可改善这些重要脑区的SNR和CNR，对诊断新生儿早期、微小病变具有较大的临床应用价值。

3.3 新生儿头线圈可加快MRI扫描速度

       并行采集技术为一种可加快扫描速度，降低扫描时间的MRI技术^[27]，主要利用多组阵列线圈^[28]，减小线圈体积来改善MRI图像SNR，可有效减少检测到的噪声幅度并提高扫描速度。并行采集能力主要基于硬件设备性能，性能较好的硬件设备能增强并行采集能力，加快MRI扫描速度。新生儿在扫描过程中经常会遇到运动伪影问题，导致扫描时间延长甚至失败。这可能与新生儿未镇静充分、MRI噪声较大、未做好降噪等有关，但由于新生儿呼吸中枢尚未发育完全，镇静存在呼吸暂停的风险^{[29, 30]}，所以MRI扫描时间不宜过长。因此，对于新生儿MRI检查，降低扫描时间具有重要意义。本研究结果显示，该研究所用新生儿头线圈具有较高的并行采集能力，可缩短扫描时间，对提高新生儿MRI检查的安全性和成功率具有重要意义。

3.4 未来的研究方向

       尽管本研究所用新生儿头线圈可提高图像质量，加快扫描速度。但完全解决新生MRI检查问题仍存在诸多困难。其一，新生儿，尤其是早产儿，作为特殊群体，生命体征不稳定，较长的扫描时间为其MRI检查带来了一定的不可行性和危险性。因此新生儿在检查过程中应时刻监视呼吸、心率等情况，保持体温和电解质稳定以及配备抢救装备十分重要。目前可通过配备MRI兼容转运箱，MRI兼容呼吸机，MRI兼容血氧、心电监护仪等辅助装备来解决这一问题^[29]。另外有些医院通过在新生儿重症监护室（neonatal intensive care unit, NICU）配备MRI仪来解决这一问题，避免了新生儿离开病房到放射科进行MRI的局限^{[31, 32, 33, 34]}。其二，新生儿在MRI检查过程中会受噪声影响，MRI噪声是否会对新生儿听力造成永久性损伤尚未被证明，但有相关研究显示在做好充分听力保护后，MRI检查并不会对新生儿听力造成明显损伤^{[35, 36]}。即便如此，MRI噪声会影响新生儿MRI过程，产生运动伪影降低MRI图像质量。新生儿头线圈配备降低噪声装置，可提高新生儿MRI的图像质量和成功率。其三，随着7.0 T MRI逐渐应用于临床，7.0 T MRI设备将会提高新生儿MRI的图像质量^{[37, 38]}，如果配备新生儿头线圈，将很大程度提升新生儿神经系统的成像质量。

3.5 本研究的局限性

       本研究也具有一定的局限性，因新生儿监护人顾虑导致纳入此项研究的新生儿数量较少。本线圈设计也未考虑不同胎龄和出生体质量新生儿颅脑大小不一致的情况，后期将进一步改进完善。

4 结论

       本研究研制的新生儿头线圈具有SNR、CNR较高，并行采集能力较强的优势，可同时提高新生儿神经系统MRI的图像质量和扫描速度，具有较大的临床应用潜力。