磁共振成像(Magnetic resonance imaging, MRI)是一种无电离辐射的断层成像技术,它利用射频线圈所发射的特定频率的射频(Radio frequency, RF)激励脉冲来激发人体组织中不断自旋的原子核(通常是氢质子),从而产生核磁共振(Nuclear magnetic resonance, NMR)信号。这些经过梯度编码具有人体组织空间位置信息的NMR信号被接收线圈采集,并经过计算机后处理系统的重建处理,就可以得到用于临床诊断的MR图像,临床医生可以依据这些清晰的MR图像对人体内部各个组织器官的结构和生理特征进行准确地分析和诊断。迄今为止,MRI已经被广泛应用于临床上对人体各种组织病变进行检查和诊断,此外MRI技术还被普遍应用到生命科学的各项前沿的研究领域中。与超声、CT(Computed tomography)和X-ray等成像手段相比,MRI具有很多独特的成像优势：一、MRI有众多成像参数：有质子共振频率(Proton resonance frequency, PRF)、横向弛豫时间(Transverse relaxation time)、纵向弛豫时间(Longitudinal relaxation time)等,因此MRI能够在临床检查中为医生提供更多有价值的疾病诊断信息,从而可以更精确地对患者的疾病进行诊断：二、MRI可以在任意切面上对人体组织进行成像,可以在不改变人体体位的前提下对患者进行各个不同方向断层的成像,这样就可以对人体组织的解剖结构或者病变情况进行立体追踪；三、由于MRI的机理建立于使用人体组织外特定频率的RF激励脉冲来激发人体内部的原子核共振来产生NMR信号,因此不存在任何电离辐射(而CT却有电离辐射),从而使人体组织可以在相对安全的情况下进行MR扫描；四、MR对胎儿成像有着很高的诊断价值。由于MRI对人体的软组织具有极高的组织分辨率,且在成像中具有广泛的成像视野,所以在胎儿磁共振检查中可以很清晰地观察到胎儿的生理结构,从而发现有价值的诊断信息；五、在MRI检查中不会出现气体及骨伪影。相比于低场(≤1.5T)下的MRI,磁共振在高场(3T)下的成像具有更高的时间、空间分辨率和更高的信噪比(Signal to noise rate, SNR)。目前MR设备的发展正在朝着高场甚至超高场(≥7T)的方向进步。随着场强的升高,MRI在神经、血管、骨关节等应用中表现出更佳的疾病诊断价值,因此场强的升高可以进一步提升MRI的质量。然而,高场MRI也存在很多急需解决的挑战。由于人体组织具有各异的电磁参数(电导率和介电常数),所以当人体组织之外的RF激励脉冲作用于人体组织的时候,会由于不同的人体组织具有不同的电磁参数而产生介质共振效应,也称作抗电效应。介质共振效应会导致所施加的RF激励脉冲在人体组织中产生不同程度的衰减,使分布在人体组织中的B1+场变得不均匀。所以,即使RF线圈能够在自由空间中产生非常均匀的B1+场,但加载不均匀的人体组织之后,B1+场则会变得很不均匀。而B1+场的不均匀则会直接降低MRI的SNR、对比度、均匀性和特定组织抑制效果,从而在很大程度上降低MR图像的清晰度,降低图像的诊断价值,不利于临床医生对疾病进行准确的诊断。此外,在高场下,外在施加的高强度RF脉冲与人体组织之间复杂的相互作用所产生的抗电效应和驻波效应会导致射频能量在人体组织中的聚集,而射频能量的沉积必然又会导致人体局部组织或全身组织温度的升高,这样可能会对人体产生潜在的热损伤危害。在学术界通常采用比吸收率(Special absorption rate, SAR)来衡量在MRI中人体组织对RF脉冲的吸收功率,并制定了相应的SAR安全标准。因此,在利用高场MRI高时间、空间分辨率和高SNR等优势的同时,B1+场不均匀和SAR值升高所带来的不安全因素是不得不面对的挑战。本项研究围绕胎儿磁共振成像(Fetus MRI)展开。目前在实际临床上,MRI对于胎儿的检查可以为常规的超声检查提供补充的诊断信息。MR在对胎儿进行中枢神经系统(Central nervous system, CNS),颈部肿块、脸、上鄂、胸部、腹部以及无菌感染等方面的诊断中都表现出很高的价值。特别是对胎儿CNS的诊断具有很高的图像分辨率,可以为临床医生提供非常有价值的信息。目前对胎儿进行的MRI主要还处于1.5T,这主要是考虑到对胎儿有很严格的SAR安全限制。高的SAR值会不可避免地引起胎儿局部组织温度的上升,这样会对胎儿的成长发育产生不可估量的风险。目前已经有研究小组在利用高场MRI中高时间、空间分辨率、SNR优势来提高对胎儿进行MR检查的诊断效果。这些研究都首先要考虑在成像中孕妇和胎儿的安全性。因此,随着未来MRI技术在胎儿疾病诊断中的发展,fetus MRI可以在安全的前提下进行成像将仍然是重要的研究课题之一。分析研究MRI中B1+场和SAR值分布需要采用工程领域的数值分析方法。这类问题需要考虑不规则的边界、复杂的物质结构,因此求解这一类电磁场问题需要借助特定的电磁场数值分析方法,常用的电磁场数值分析方法有时域有限差分(Finite-difference time-domain, FDTD)、矩量法(Method of moment, MoM)、有限元法(Finite element method, FEM)和有限积分技术(Finite intergral technology, FIT)。其中,本文采用的FDTD数值分析方法是用有限差分式来取代时域Maxwell旋度方程中的微分式,继而求得有限差分形式的电磁场分量。这种电磁场数值分析方法不受介质几何形状的限制,而且容易对复杂媒质进行建模仿真。因此,在对以人体组织为负载的复杂结构的电磁场分析中有着广泛的应用。此外,FDTD数值分析方法具有很高的宽频带响应,可以借助Fourier变换在得到时域数据后进行处理得到整个频带的响应。因而FDTD方法很适用于在仿真中对RF线圈进行调谐,使MR射频线圈到达谐振状态。MoM数值分析方法需要占用较大内存,它是对存有电流分布的区域进行离散化操作,不适用于对以复杂的人体组织为负载的介质进行分析。FEM数值分析方法则可分为前置处理、求解计算和后置处理三个求解过程,FEM方法计算程序复杂冗长,而且这种方法只是在区域上求解电磁场问题,因此需要繁多初始数据,整个电磁场数值求解过程过于冗长,并不利于分析实际中遇到的复杂电磁场问题。本项研究采用FDTD方法来对电磁场、人体负载以及高介电材料(High dielectric material, HDM)之间的相互作用进行数值分析。在使用FDTD数值分析方法分析RF脉冲与人体负载相互作用之前,首先需要建立准确的人体三维电磁模型。在实际应用中有两种构建人体三维模型的方法,一种是以实际临床扫描的CT或者MR数据为基础在Mimics软件中进行手工分割,再经过三维重建；另一种则是通过数值模型组合形式得到。本文第三章首先以真实成人女性盆腔模型的建立为例阐明第一种人体三维电磁模型的建立方法。这种建立方法以人体CT断层扫描数据为基础,通过精确的人工分割和体绘制的方式来建立三维模型,然后对这个三维模型进行有限元剖分和三角面片优化,再赋予各个不同组织相应的电磁参数和密度值来建立人体三维电磁模型。本文的仿真将上述真实成人女性盆腔模型与一个13周数值胎儿模型相结合,构建一个孕妇女性盆腔电磁模型,其中包含子宫、胎盘、羊水、胎儿身体和胎儿脑等组织。最近众多的研究结果表明应用HDM可以改变MRI中B1+场分布,所以可通过应用HDM来改善MRI的图像质量。研究结果表明,在高场3T或者超高场7T下应用水、超声胶体等介电材料可以减少在MRI过程中所形成的伪影,并且能够显著地增强NMR信号的强度。随着钛酸钙、钛酸钡等新型高介电常数的HDM在MRI中的应用,HDM可以显著地改变B1+场的分布,使得材料附近区域组织的NMR信号得到明显增强。这意味着从对HDM周围区域进行MRI的角度而言,RF场的发射效率得到了提升,那么在取得相同RF激励效果的情况下,所需要的射频能量则可以得到一定程度的降低。胎儿在进行MRI时,主要面临SAR值可能超出安全标准问题,可通过利用HDM来解决。本文的研究也正是从胎儿成像的安全性出发,研究HDM在降低SAR值提高胎儿磁共振成像安全性作用。本项研究使用FDTD数值分析方法,分别在1.5和3T下对不同形状、厚度、介电常数的HDM时的SAR值进行仿真计算,研究通过应用HDM来降低fetusMRI中SAR值来提高fetus MRI中孕妇及胎儿安全性的可行性。在仿真计算中通过混合成人女性盆腔模型和一个13周的胎儿数值模型来构建一个13周孕期的孕妇女性盆腔模型。通过仿真计算,结果表明,在1.5和3T两种场强下都可以通过应用合适的HDM来显著地降低胎儿及母体在fetus MRI时SAR值,从而显著提高fetus MRI中胎儿的安全性。从目标层的人体组织SAR分布图中可以看出,在取得胎儿局部SAR(Local SAR)最大值最优化的情形中,local SAR主要分布在肌肉、皮肤、胎儿等组织中,在取得最佳胎儿local SAR最佳值的时候,SAR得到了显著的降低,而且没有产成新的RF热点。在应用每种形状HDM取得最佳胎儿local SAR最大值的时候,也考虑了相应情况下感兴趣区域(Region of interest, ROI)内的B1+场均匀性,仿真计算的结果表明应用HDM取得最佳胎儿local SAR最大值时,ROI内的B1+场均匀性变化很小,这充分说明应用HDM取得最佳胎儿local SAR最佳值时并不会对实际的成像质量产生比较大的影响。通过本项仿真研究,可以看出HDM在fetus MRI中的合理使用有益于胎儿的安全性。但是考虑到实际的技术限制和伦理的要求,本文的仿真计算只使用了截断的孕妇盆腔模型,未来还需要构建全身孕妇模型来更精确地进行仿真计算。此外,以后还需要使用装有电场探头的孕妇体模配合实际的HDM在MR设备上进行实测研究。本文首先介绍课题研究的研究背景、目前的研究现状和本文的内容结构。其中着重地讲述了MRI系统的发展历程、MR的性能优缺点及目前在临床上的应用现状。接下来详细地介绍MRI的基本物理原理、成像质量参数以及常用的成像序列,然后又介绍MRI系统的硬件组成及其作用。接下来谈论电磁场数值分析方法的基本原理,其中首先讲述了如何通过手工分割CT图像来构建用于FDTD仿真的人体三维电磁模型,然后讲述了几种常用的电磁场数值分析方法,其中着重讲解了在本项研究中所使用的FDTD数值分析方法的基本原理。接下来,具体而详细地阐述本项研究的内容。首先谈论fetus MRI技术在临床上的重要应用价值,然后分析目前fetus MRI依然面临的众多挑战。从这些挑战中,可以看出安全性是fetus MRI的重要挑战,所以接下来阐述HDM在MRI中降低SAR值的研究情况。然后对本项研究立意进行阐述,接下来给出实验过程、结果和讨论。最后对硕士期间研究课题进展情况进行总结,同时对下一步工作也进行展望。