Ticept：通过组织成分评估实现宽带电学特性成像的定量多核磁共振（MRI）技术 $$ {}^1 $$H $$ {}^{23} $$Na $$ {}^{39} $$K

《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》：Ticept: Wideband Electrical Properties Tomography by Tissue Composition Assessment With Quantitative 1 $$ {}^1 $$H 23 $$ {}^{23} $$Na 39 $$ {}^{39} $$K Multinuclear MRI

本研究提出了一种基于MRI测量钠、钾和水含量的新方法TiCEPT，结合Maxwell-Garnett混合模型，成功实现了50-600MHz范围内人体组织介电性质的非侵入式估算，验证了其在phantom和健康志愿者中的有效性，误差分别为7.9%和4.0%，并揭示了个体间有效电导率的显著差异。

　　本文介绍了一种新的非侵入式方法，用于估计人体组织在50至600 MHz宽频率范围内的介电特性。传统的测量方法存在精度不足和仅能提供单频数据的局限性，而准确的介电特性对于医疗设备的设计和安全性评估至关重要，因为这些评估越来越依赖于基于计算模型的方法。因此，开发一种能够准确测量人体组织介电特性的方法成为研究的重点。

该研究提出了一种基于组织成分的介电特性估计方法，称为TiCEPT（Tissue Composition Electrical Properties Tomography）。这种方法通过定量多核磁共振成像（MRI）测量组织的主要成分，如钠、钾和水分，然后利用混合模型将这些成分与组织的介电特性联系起来。实验中使用了肌肉模拟物和六名健康志愿者进行测试，以评估该方法的可行性。结果显示，使用Maxwell–Garnett混合模型时，模拟物中的实相对介电常数误差为7.9%，有效电导率误差为4.0%，而人体测量值与文献报道的数值范围一致。此外，人体之间的介电特性差异较大，有效电导率差异高达29%，这进一步强调了准确测量人体介电特性的必要性。

在方法部分，研究使用了定量多核MRI技术，通过三维加权密度适配的堆叠星星方案（stack-of-stars scheme）测量钠和钾的浓度，同时利用反转恢复涡旋回波序列（inversion recovery turbo spin echo sequence）获取水分的体积分数。这些数据被用于混合模型的输入，以预测组织的介电特性。此外，研究还对不同混合模型进行了比较，包括Maxwell–Garnett方程、Bruggeman方程以及Birchak和Looyenga方程，以评估哪一种模型最适合用于介电特性估算。

在实验中，研究团队使用了多种肌肉模拟物，其中包含不同成分的组合，如去矿化水、琼脂、花生油、蛋白质粉和NaCl盐，以模拟人体组织的介电特性。这些模拟物被置于含有2.4克/升NaCl的容器中进行MRI测量，以确保测量环境与人体相似。同时，研究团队对模拟物进行了标准介电特性测量，以验证其方法的准确性。结果显示，模拟物的介电特性与文献数据相符，且误差在可接受范围内。

人体实验部分，研究团队在六名健康志愿者（3男3女，平均年龄32.6岁，BMI为23.9）中测试了该方法的可行性。通过定量MRI测量志愿者的钠、钾和水分含量，结合混合模型计算其介电特性，并与Gabriel等人的文献数据进行比较。结果显示，志愿者的介电特性与文献数据相符，且在有效电导率方面误差较小。然而，人体之间的介电特性存在显著差异，这表明需要个性化的测量方法。

研究还分析了温度对介电特性估计的影响。当假设体温比实际高1°C时，实相对介电常数的误差为0.4%/°C，有效电导率的误差为1.6%/°C。此外，研究还进行了误差传播分析，考虑了T1测量误差和钠、钾浓度测量误差，得出总体误差为5%（实相对介电常数）和13%（有效电导率）。这些结果表明，尽管方法具有一定的准确性，但在低频范围内（50-200 MHz）的误差仍较高，这可能与混合模型的适用性有关。

研究团队指出，未来的工作应包括更大的志愿者和患者群体，以进一步了解不同人群之间的介电特性差异，如健康与疾病个体。此外，开发一种专门针对生物组织的混合模型可能有助于提高方法的准确性。研究还提到，该方法在200 MHz以上的频率范围内具有较高的准确性，但在低频范围内的误差仍需改进。最后，研究强调了进一步验证该方法的必要性，特别是在人体测量中，以确保其在实际应用中的可靠性。