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高场MRI的SAR问题和抗电效应及解决方案

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王晓明

【摘要】3.0T超导磁共振的SAR问题、抗电效应，多源发射技术解决了图像质量的问题及在应用中的体会。

【关键词】SAR问题；抗电效应；解决方案

R811.1A2095-6851（2018）08--01

SAR是特殊射频吸收率（SAR，SpecificAbsorptionRate）用于度量人体对射频功率的吸收状况。SAR表达为人体单位体重所吸收的功率，其单位为W/kg。MRI射频场由线圈中的交变电流产生，置于该射频场中人体的能量沉积SAR可进一步地表示为射频场强，人体电导常数以及频率的函数。根据该公式可以得到SAR的以下特点：SAR和工作频率的平方成正比；SAR和射频场强B1的平方成正比；SAR和组织的电导率成正比。

在MRI扫描中，SAR必须控制在一定的安全范围内。方法一是在空线圈和负载线圈两种情况下测量发射线圈的前进和发射功率，估算人体所吸收的功率，然后根据射频占空比和人体质量计算SAR。或者使用功率射线圈的功率，通过校正被人体吸收功率的比例系数，由体重得到SAR。另一个方法是校正发射功率和一致的B1幅度。在线圈的几何结构固定的情况下，吸收的功率和人体的质量之间的线性关系。这样一来就可以将SAR和B1以及序列的射频占空比联系起来。

在低场强下，上述方法可以很好地满足实际的需要。但是对于高场成像，时域有限差分（FDTD，FiniteDifferenceTimeDomain）模拟计算表面，局部SAR比平均SAR以更快的速度逼近安全限度，成为提高扫描速度的致命杀手。在这种情况下，上述方法将无法适用于实际MRI安全的临床应用。

产生局部SAR的原因主要有两个：一是发射线圈元件和人体表面的容性偶合产生的电场；另一个是由人体电性质决定的射频发射场电场的再分布。在高场下，如果仅仅考虑平均SAR值，几乎可以肯定会导致局部SAR超标。在3.0T下，当平均SAR还远低于4W/kg的全身安全值时，局部SAR已经远超出这个安全阈值了。当扫描的SAR值逼近安全限度时，将强制系统进行如下的参数调整：（1）较少扫描的片层数。（2）降低序列中射频脉冲的角度。（3）强制使用较长时间的TR。（4）约束快速自旋回波序列的使用。这样，将限制扫描的速度，延长检查时间，无法使用最佳的序列参数，从而影响图像的对比度等。

降低SAR的方法优化发射线圈设计（1）局部SAR是发射线圈和人体互相作用的结果。建立由发射线圈和仿真人体组成的模型，利用FDTD仿真技术研究B1场和SAR的分布，对线圈设计有指导意义。从3.0T下不同长度的发射体线圈的B1场分布，仿真的结果是：长的发射体线圈的射频场均匀性并不比短线圈好，这个结果在实际应用中也得到了证实。和短线圈相比，长线圈的平均SAR和局部SAR都比短线圈高得多，高50%以上，这不仅需要小号更高的功率的射频放大器，而且SNR也比短线圈低。（2）减小B1幅度降低SAR。SAR和序列的射频占空比是线性关系，但是和B1场的幅度之间是平方关系。因此只要小幅降低B1就可以达到SAR大幅度减少。翻转角B1和脉冲长度是线性关系，这样在B1减小的情况下，仍可以维持一定的翻转角，而且不会对扫描时间造成太大的影像。实践证明，控制序列B1的幅度是控制SAR的有效手段。（3）TSE序列中采用连续改变翻转角（FAS，FlipAngleSweeps）技术减低SAR，在长回波链的TSE应用中，初始部分的回波中快速降低重聚脉冲角至一个小值，并在其后的回波中维持这个小角度。角度下降的原则是在边角的过程中使磁化达到伪稳态。由于在回波链的大部分时间使用的是较小的重聚脉冲角。SAR大幅度降低，在一定的时间内可扫描的片层增加，提高了扫描效率。（4）并行采集技术减低SAR，SENSE技术广泛用于加快扫描速度，缩短扫描时间。从另一个角度来讲，SENSE技术又可以用来降低SAR。SAR值随着B1幅度的平方增加，随一定时间内射频脉冲的个数线性上升。

我院使用的飞利浦Achieva3.0TTX扫描仪，采用多源并行发射技术，从根本上解决高场3.0T的SAR问题。平均SAR和局部SAR的分布是发射线圈和人体相互作用的結果。优化线圈设计采用短发射线圈，可以有效地降低SAR。传统上发射体线圈是正交发射，在空载的情况下，可以得到均匀的B1场分布。但是在有空载的情况下，稍微偏离正交条件，采用椭圆驱动在一些情况下能够改善SAR的分布。由于人体的个体差异性较大，FDTD电磁场仿真证实不同的体型，人体在线圈内的位置变化都能引起SAR分布的改变。因此采用固定的发射设置并不能满足不同体型的病人SAR优化需求。

抗电效应成像介质的抗电性质主要由介电常数和电导率常数决定。介电常数是描述介质极化性质的物理量，当介质在外