《Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine》：Towards an anthropomorphic MRI phantom mimicking static and dynamic B0 field variations in the human cervical spinal cord
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本研究针对脊髓MRI中静态与动态B0场变异导致的信号丢失、几何畸变和重影等顽固伪影，研发了一种可模拟上述B0场特征的拟人化颈椎体模。该体模采用3D打印的解剖外壳与椎骨，并集成了外部呼吸模拟系统，在7T场强下成功复现了体内观测到的空间场模式与时间场波动。其低成本、模块化、可重复且无毒的特性，为发展和测试脊髓MRI的B0场校正策略提供了有价值的工具。
脊髓，作为大脑与身体之间的信息高速公路，其精细结构的成像对诊断多发性硬化、脊髓损伤等神经系统疾病至关重要。然而，利用磁共振成像（MRI）技术看清脊髓，尤其是使用对微小磁敏感差异极为敏感的T2*-加权序列时，科学家们却面临着“磁场捣蛋鬼”的困扰。这些“捣蛋鬼”就是静态和动态的B0主磁场变异。
静态变异如同地形起伏。人体不同组织（如骨骼与软组织）的磁敏感性不同，会在磁场中产生微扰，特别是在骨骼（如椎骨）与软组织交界处，会形成强烈的、空间交替的局部磁场图案。这种不均匀的“地形”会导致两个主要问题：一是沿成像层面方向（通过层面）的磁场梯度会使信号失相位，造成图像中特定区域信号神秘“消失”；二是它会干扰扫描仪梯度系统的空间编码，导致图像发生几何“扭曲”。动态变异则像不时刮起的“磁风”，主要由呼吸周期中肺部空气容积变化引起，导致B0场随时间波动。这会在多激发（multi-shot）采集的图像中产生令人烦恼的“重影”伪影。在超高场7T MRI中，这些效应被进一步放大，成为了高质量脊髓成像，特别是定量成像中的持久性挑战。
为了攻克这些难题，研究人员需要不断开发和测试新的成像序列与校正算法。然而，早期研发严重依赖均质体模（内部材质均匀的模型），它们无法复现人体解剖和生理带来的复杂磁场挑战。而在体（in vivo）实验又受限于扫描时间、受试者舒适度及伦理等因素，且条件难以精确重复。因此，一个能忠实模拟人体脊髓所经历的真实静态与动态B0场环境的拟人化体模，成为了连接理想化测试与真实人体应用之间的关键桥梁。这样的体模可以加速新技术的开发，允许更长时间的测试，并确保不同校正方法能在完全相同的条件下进行公平比较。
此前的研究要么只模拟了背景静态场，要么仅用离体人类脊柱材料模拟了呼吸效应，存在成本高、难以复制、有生物危害或无法整合所有B0场变异成分等局限。为此，研究团队在《Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine》上发表论文，报告了他们成功研发的一种新型拟人化颈椎体模，该体模首次将静态（背景场和局部场）与动态B0场变异整合于一体。
研究采用的关键技术方法主要包括：1) 基于医学影像的3D打印建模与制造：利用开源性平均头颈胸部模型，通过3D打印（尼龙材料）制作了按人体比例缩放的拟人外壳；同时，基于一名健康志愿者高分辨率MP2RAGE序列的图像，手动分割了C1至T1颈椎，并使用已知具有负磁敏感性的Rigid 10K树脂进行3D打印，制作椎骨模型。2) 定制化呼吸模拟系统：设计了一个由步进电机控制的自动化系统，通过拉动内置铁质订书钉的塑料管在体模胸部上方沿特定路径往复运动，来模拟呼吸引起的周期性磁场波动，其运动模式可编程以复现真实呼吸曲线。3) 多模态7T MRI数据采集与评估：在7T MRI扫描仪上，对体模和四名健康志愿者进行了一系列序列扫描，包括用于评估静态场不均匀性的B0场图、用于评估动态场波动的快速场图序列以及用于可视化B0场效应对图像质量影响的多回波梯度回波序列。4) 基于傅里叶的磁场模拟与验证：对分割出的椎骨赋予假设的均匀磁化率值，采用傅里叶方法模拟其产生的局部静态B0场，并将模拟结果与实测场图进行线性回归比较，以验证椎骨是椎管内局部静态场主要来源的假设，并估算磁化率差异。
研究结果：
1. 静态场不均匀性
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背景场匹配：体模在椎管内复现了与在体数据一致的背景B0场空间分布模式，即在颈椎上下端呈正性场偏移，中间区域呈负性偏移。
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局部场图案成功复现：3D打印的椎骨准确复现了在体观察到的、沿椎管背侧缘交替变化（椎间隙处负偏移，椎体两侧正偏移）的特征性局部静态场空间图案。然而，由于所用打印材料与溶液之间的磁化率差异（估算约为-0.41 ppm）小于在体估算的椎骨与软组织间差异（平均-1.3 ± 0.1 ppm），导致场强约为在体的三分之一。
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局部梯度与信号丢失关联：从局部场图推导出的z方向梯度图显示，在椎间隙附近（尤其是背侧）梯度值最高，这与在多回波梯度回波图像中观察到的信号丢失空间模式高度相关。体模成功复现了这些梯度模式及相应的信号丢失特征，尽管强度较低。
2. 呼吸诱导的场波动
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空间与时间特性复现：呼吸模拟系统成功复现了在体观察到的呼吸诱导B0场波动的关键特征。在屏气（吸气与呼气）状态下获得的场图差异显示，体模产生的平滑空间场偏移模式与在体数据相似，峰值强度可达140 Hz。
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动态波动与伪影：在自由呼吸状态下，导航回波（navigator echo）估计的场波动随时间变化的轨迹显示，体模系统产生了与在体数据强度和周期性相似的波动。这些动态波动在体模的多回波梯度回波图像中导致了与在体图像特征相似的非相干重影伪影，且伪影负荷在较长回波时间和较低椎体水平（场波动更大）更为明显。
结论与意义：
本研究成功开发并验证了一个低成本、模块化、可重复且无生物危害的拟人化颈椎MRI体模。该体模首次将脊髓成像中面临的静态（背景和局部）与动态B0场变异整合于一个系统中进行模拟。尽管局部静态场的强度由于材料限制低于在体值，但其空间模式被高度还原；呼吸模拟系统则很好地复现了动态场波动的时空特性及其导致的图像伪影。
这项研究的重要意义在于：第一，它为解决脊髓MRI，特别是7T超高场成像中B0场变异这一长期挑战，提供了一个高度可控且可靠的实验平台。研究人员可以利用此体模，在无需进行在体扫描的早期阶段，大量测试和优化各种先进的B0场校正技术，如动态匀场、导航回波校正等，从而加速技术研发进程。第二，体模的模块化和可定制性展现了巨大潜力。椎骨模型可以基于特定患者（包括病理状态如脊柱侧弯）的CT或MRI数据打印，使得体模能够模拟特定解剖结构甚至病理性条件下的磁场环境，拓宽了其在个性化医疗和特定疾病研究中的应用前景。第三，该研究验证了利用3D打印物体塑造局部B0场这一核心概念的可行性。这不仅适用于脊髓，也为身体其他受磁敏感伪影困扰部位（如腹部、肺部）的体模开发提供了新思路。通过精心选择或设计具有特定磁化率的打印材料，未来可以更精确地模拟复杂的体内磁场环境。
总之，这项研究不仅仅是一个体模的制造，更是向更高效、更精准的MRI序列开发和评估方法论迈进的重要一步。它架起了一座从“理想实验室条件”通往“复杂人体环境”的桥梁，有望最终推动脊髓乃至全身高质量MRI成像技术的进步。
