在任意磁场强度下对金属附近区域进行成像的开源模拟器

《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》：Open-Source Simulator of Imaging Near Metal at Arbitrary Magnetic Field Strengths

优化金属植入物MRI成像的仿真框架开发及验证

　　随着医学影像技术的不断进步，金属植入物在骨科手术中的应用日益广泛。这些植入物常用于关节置换、脊柱融合和骨折固定等治疗手段，特别是在治疗晚期骨关节炎、退行性椎间盘疾病和创伤或切除后的骨折稳定方面。据估计，2010年美国约有700万人接受了髋关节或膝关节置换手术，而这一数字在随后的十年中持续增长。从2012年到2021年，仅关节置换手术就进行了约250万例。这些手术的普及使得对金属植入物周围组织的准确成像变得尤为重要，尤其是在监测潜在并发症如植入物失效、脱位或感染方面。

在使用磁共振成像（MRI）进行金属植入物成像时，面临的主要挑战是金属与人体组织之间的磁化率差异。这种差异会导致磁场上出现显著变化，进而产生信号丢失、平面内和平面外的图像扭曲等伪影。磁化率差异的影响程度取决于金属的大小、形状、类型、方向以及所使用的磁场强度。为了克服这些挑战，研究者们开发了多种技术，例如视图角度倾斜（VAT）和多频谱成像（MSI）。这些技术通过增加额外的编码维度，有助于解决因离共振导致的信号位置模糊问题，从而在1.5特斯拉（T）和3特斯拉的设备上得到广泛应用。

近年来，研究者发现使用当代低场和中等场的MRI系统进行金属植入物成像具有巨大潜力。低场MRI系统由于磁场强度较低，能够减少磁化率伪影，这意味着在某些情况下，使用更少的频谱编码即可达到诊断所需的图像质量。例如，一项研究显示，在0.55特斯拉的磁场中，髋关节置换模型的金属伪影显著减少，甚至在某些情况下优于高场MRI。此外，钛合金材料因其较低的磁化率，在不同磁场强度下表现出了最小的伪影。

随着MRI技术的发展，特别是低场设备的普及，对成像协议的重新优化变得尤为必要。这种优化包括调整射频（RF）激励带宽、读取带宽、频谱编码数量、分辨率以及信噪比（SNR）之间的权衡。然而，进行此类优化的体内实验不仅耗时费力，还可能增加患者的扫描时间。因此，开发高效的模拟框架成为研究者探索参数空间和预测成像性能的重要工具。这些模拟工具可以在不依赖大量实验数据的情况下，帮助研究人员优化成像协议，从而加速临床应用的推进。

在本研究中，我们提出了一个基于多频谱成像技术的模拟框架，用于预测MRI在金属植入物附近的表现。该框架结合了三维人体解剖模型、三维植入物模型以及成像和序列参数，能够模拟在不同磁场强度下的金属伪影和图像质量。通过将磁化率信息映射到三维模型中，模拟框架能够计算磁化率引起的磁场变化，并基于这些变化生成模拟的原始数据。模拟过程中还加入了基于磁场强度、读取带宽和体素大小的双变量高斯噪声，以更真实地反映实际成像中的信噪比特性。最终，通过根均方和（root sum-of-squares）方法对频谱图像进行组合，以生成最终的图像输出。

为了验证该模拟框架的有效性，我们进行了体模和人体志愿者的实验。在0.55特斯拉和3特斯拉的设备上，分别使用相同的成像参数对植入物进行了扫描，并将模拟结果与实验图像进行了比较。结果显示，模拟图像在伪影的形状和大小上与实验图像高度一致，且能够准确预测磁场强度增加对信噪比和伪影尺寸的影响。通过这一验证过程，我们证明了该框架在预测金属伪影和图像质量方面的可靠性。

此外，我们还探讨了不同磁场强度和频谱编码数量对金属伪影的影响。结果显示，随着磁场强度的增加，金属伪影的范围和面积显著扩大，而频谱编码数量的增加则有助于减少伪影。在0.55特斯拉的磁场中，使用较少的频谱编码（如6个）也能实现有效的伪影减少，而在1.5特斯拉和3特斯拉的磁场中，需要更多的频谱编码才能达到相似的效果。同时，我们也分析了读取带宽和射频带宽对伪影和图像质量的影响，发现较低的读取带宽虽然有助于提高信噪比，但可能导致图像模糊，而较高的射频带宽则有助于更好地覆盖频率分布，从而恢复更多靠近植入物区域的信号。

研究还表明，不同材料的植入物对金属伪影的影响存在显著差异。例如，钛合金植入物在所有磁场强度下均表现出较小的伪影，而钴铬合金（CoCr）植入物则会产生更大的伪影。这一结果对于优化成像协议具有重要意义，特别是在选择合适的植入物材料和成像参数时。同时，通过使用不同的体模分辨率，我们还评估了离散化误差对模拟结果的影响，发现较低的体模分辨率可能导致较大的误差，而较高的分辨率则能够更准确地反映实际成像情况。

本研究的模拟框架不仅适用于特定的植入物配置，还能够扩展到其他人体模型，从而提高其通用性。该框架的开发为研究人员提供了一个高效的工具，使其能够在不依赖体内实验的情况下，探索不同磁场强度和植入物材料对成像性能的影响。然而，该框架仍存在一些局限性，例如未考虑涡流、梯度非线性、伴随场等编码不完美因素，这些因素可能在某些情况下对成像性能产生影响。此外，虽然我们对T1值进行了简单的幂律建模，但更复杂的模型可能会进一步提高模拟的准确性。

总之，这项研究通过开发一个高效的模拟框架，为MRI在金属植入物成像中的应用提供了新的思路和工具。该框架能够预测不同参数设置下的成像表现，帮助研究人员优化成像协议，减少对体内实验的依赖，从而加快临床应用的进程。未来的工作将进一步完善该框架，包括考虑更复杂的材料特性和成像参数，以及改进计算效率，以提高其在实际应用中的实用性。