基于胸部CT结构影像仿真人体心脏B0磁场：改善心脏MRI诊断精准度的新策略

《Zeitschrift für Medizinische Physik》：Simulation of B 0 magnetic field conditions in the human heart for improved diagnostic MRI

本刊推荐阅读：为解决心脏平衡稳态自由进动（bSSFP）MRI因B0磁场不均匀导致的暗带伪影问题，研究人员开展了一项创新性研究，利用现成的胸部-腹部-骨盆CT图像，基于经典电动力学原理仿真计算心脏B0磁场分布。研究通过将仿真结果与同一批患者的体内测量B0图进行对比，验证了该仿真方法具有高度准确性（平均相关性r=0.92）。这项工作为开发定制化、先进的心脏B0磁场校正方法和更稳健的心脏MRI奠定了坚实基础。

　　

在心血管疾病高发的今天，心脏磁共振成像（CMR）作为一种无创评估心脏功能与结构的重要工具，其诊断潜力却未能完全发挥。一个长期存在的“绊脚石”便是图像伪影——尤其是在广泛用于心脏电影成像的平衡稳态自由进动（bSSFP）序列中，经常出现的黑色带状信号丢失区域。这些恼人的暗带伪影，其“元凶”被指向了扫描时施加的主磁场B₀在人体内的不均匀分布。人体内不同组织（尤其是充满空气的肺与周围组织）间的磁化率差异，会在组织-空气界面（如心膈角附近）产生局部磁场扰动，从而破坏bSSFP序列的信号稳定性。尽管MRI扫描仪通常配备有基于低阶球谐函数（SH）形状的B₀匀场技术来试图纠正这些不均匀性，但对于心脏区域复杂且个体差异巨大的B₀扰动，常规匀场往往力不从心，暗带伪影依旧难以控制。

要开发更高级的B₀匀场技术，关键在于深入了解不同人群心脏区域的B₀磁场条件。然而，获取这些数据本身就是一个挑战。传统的通过MRI直接测量B₀图的方法，受限于心电图（ECG）触发、屏气要求等因素，往往空间分辨率不足，且这些辅助性的B₀图很少被存入诊断协议中，导致人群B₀数据严重匮乏。那么，有没有一种方法，能够绕开这些限制，大规模、高精度地“预测”或“计算”出个体心脏的B₀磁场分布呢？

由哥伦比亚大学等机构的研究团队在《Zeitschrift für Medizinische Physik》上发表的最新研究，给出了一条充满希望的路径：利用临床上广泛存在、空间分辨率优异的胸部-腹部-骨盆计算机断层扫描（CT）结构图像，基于经典电动力学第一性原理，仿真计算出心脏的B₀磁场分布。这篇题为《Simulation of B₀magnetic field conditions in the human heart for improved diagnostic MRI》的论文，核心目的就是对他们此前提出的这一创新仿真方法，进行最直接的“实战”验证——将基于CT的仿真结果，与同一批患者体内实际测量的B₀图进行并排比较，看看计算出来的磁场，究竟有多接近真实情况。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几个关键技术方法：首先，他们招募了6名因主动脉瓣狭窄或癌症而接受过临床胸腹盆CT扫描的患者，并在3T MRI扫描仪上对这些同一批患者进行了额外的心脏B₀图体内测量，采用了优化的、缩短屏气时间的两段扫描策略以提高空间分辨率。其次，基于患者的CT图像，他们使用团队自主研发的电磁仿真软件B0DETOX，通过快速傅里叶变换方法计算全身的B₀磁场分布。在计算前，为确保解剖结构一致，他们利用额外的MR胸部扫描图像对CT图像进行了配准和空间变换。最后，他们将仿真得到的高分辨率B₀图重采样至与体内测量图相同的分辨率，并通过多种量化指标进行比对，包括B₀值之间的相关性分析、球谐函数系数分解以及从一阶到五阶的理论匀场后残余不均匀性的比较。

研究结果

方法学优化与数据获取

研究人员首先优化了体内B₀图采集序列，将屏气时间从23秒缩短至13秒，验证了缩短协议在保持B₀图形状和数据质量方面的可用性，这使得患者扫描更加可行。0图序列扫描时间缩短。缩短屏气时间的协议显示出与更长屏气时间相似的B₀图形状和数据质量。">

仿真与体内测量B₀图的直接对比

这是研究的核心验证部分。结果显示，基于CT仿真计算的B₀图与体内实测B₀图表现出极好的一致性。

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  整体一致性：在一个示例受试者中，两者显示出强相关性（r = 0.94）。对所有六名受试者的分析表明，平均相关系数高达0.92，证明了仿真方法在捕获整体B₀场分布方面的准确性。0图显示出极好的一致性，相关系数为0.94。">
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  局部场模式相似性：在通过理论计算移除了代表整体场梯度的低阶（一阶和二阶）球谐函数项后，仿真与体内测量的B₀图都显示出高度相似的局部B₀场模式，尤其是在心膈角附近和心脏下区域。这表明仿真不仅能复现整体场，还能精准捕捉那些对高级匀场至关重要的局部不均匀性细节。0偏移、一阶和二阶匀场分析后的场图比较。仿真与体内测量的场图在B₀场分布上表现出强烈的空间相关性。">
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  临床切面视图的一致性：在临床相关的心脏短轴视图以及两个正交斜位切片上，仿真与体内测量的B₀图也显示出高度相似的场形状和一致的局部不均匀性位置，进一步验证了仿真结果在临床应用视角下的可靠性。
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  匀场分析参数对比：线性匀场分析后，仿真与体内测量得出的球谐函数系数值总体相近，残余场的标准偏差也相似。这意味著基于仿真数据推导出的匀场需求（如需要补偿的梯度大小）与实际情况吻合。

高阶匀场潜力评估

研究对仿真和体内的B₀图进行了从一阶到五阶的理论球谐函数匀场分析。结果显示，随着匀场阶数的提高，两组B₀图的残余不均匀性均呈下降趋势，且下降幅度相似。在不同匀场阶数下，两组之间平均残余B₀不均匀性的绝对差异很小（范围在0.25 Hz到2.3 Hz之间）。这强烈表明，基于CT仿真得到的B₀图可以有效地用于评估和设计高阶匀场策略。0图进行一至五阶球谐函数匀场分析。两组场图都显示随着匀场阶数提高，残余B₀不均匀性降低。">

研究结论与意义

结论

本研究通过对同一患者队列的仿真与体内测量结果，全面验证了此前提出的基于结构CT图像仿真心脏B₀条件的方法。仿真B₀图与体内测量B₀图之间超过90%的相关性，以及在不同匀场分析层次上表现出的高度一致性，充分证明该仿真方法能够准确计算由组织-空气界面引起的非均匀磁场形状和幅度。

讨论与重要意义

研究的成功验证具有多方面的重要意义：

1. 1.
   根源证实：高度一致性证实了心脏内的B₀不均匀性主要（90%以上）由全身组织（特别是肺腔）与空气界面间的磁化率差异引起，澄清了其物理根源。
2. 2.
   数据来源创新：该方法克服了传统MRI测量B₀图的局限性，开创了从现成、高分辨率的CT结构图像中大规模获取心脏B₀数据的全新途径。
3. 3.
   推动高级匀场技术发展：仿真的B₀图可用于在大量人群数据上进行理论匀场分析，评估高阶匀场（如三阶、五阶）的潜在收益，从而激励厂商开发配备更高阶匀场线圈的系统。更重要的是，这些人群数据为设计定制化、最优化的局部匀场线圈阵列（如多线圈匀场技术）提供了不可或缺的“设计蓝图”。
4. 4.
   拓宽应用场景：该仿真方法不仅适用于高场强（如3T）心脏MRI的伪影校正，对于佩戴金属植入物（如植入式心律转复除颤器）的患者在低场强（如1.5T、0.5T）下的扫描也极具价值。通过仿真植入物在固有心脏B₀场上叠加的强磁场，可以指导开发更先进的匀场方案来 mitigating（减轻）其影响。
5. 5.
   助力序列开发：准确的B₀仿真可以整合到MRI脉冲序列开发框架中，用于设计和测试对B₀不均匀性更鲁棒的成像方法，如改进的bSSFP、T2* mapping等序列，从而在源头上提升图像质量和定量测量的准确性。

总之，这项研究为心脏B₀磁场的精准仿真提供了坚实的实验验证。它架起了一座连接高分辨率结构影像（CT）与复杂磁场物理的桥梁，有望彻底改变心脏B₀匀场技术的开发模式，从“事后弥补”走向“事前预测”和“个性化设计”，最终为实现更清晰、更可靠、更普惠的心脏磁共振诊断铺平道路。