利用外置局部匀场线圈阵列改善前列腺磁共振成像与波谱的B0场均匀性研究

为解决前列腺磁共振成像中B0场不均匀导致的EPI几何畸变和MRS谱线增宽问题，本研究设计了一种16通道外置局部匀场线圈阵列，通过结合MRI系统一阶匀场线圈，在7名健康志愿者中实现了B0场标准差降低2Hz、DWI图像相似度系数提升至0.92（p=0.01）、 citrate谱线宽度缩减至7.9Hz（p=0.018）的显著改善，为多参数MRI精准诊断提供技术支撑。

　　

在磁共振成像技术飞速发展的今天，前列腺疾病的精准诊断仍面临严峻挑战——当医生试图通过功能磁共振序列观察前列腺微观结构时，图像中扭曲的解剖边界和波谱中模糊的代谢物峰常常成为诊断道路上的"拦路虎"。这些问题的根源在于前列腺特殊的解剖位置：毗邻充满气体的直肠，组织与空气间巨大的磁化率差异导致主磁场（B₀）出现局部扭曲，而传统的球形谐波匀场技术难以有效纠正这种高度局域化的场不均匀性。

这种磁场不均匀性对两种关键技术造成严重影响：基于回波平面成像（EPI）的扩散加权成像（DWI）会产生几何畸变，使得前列腺轮廓在图像中"变形"，影响病灶定位准确性；而磁共振波谱成像（MRSI）则会出现谱线增宽和频率偏移，导致代谢物定量分析误差。尤其令人困扰的是，肠道蠕动还会引起磁场随时间波动，使问题进一步复杂化。虽然通过注射解痉药物或使用直肠导管等患者准备手段能部分缓解问题，但始终未能从根本上解决磁场均匀性问题。

面对这一挑战，来自荷兰拉德堡德大学的研究团队另辟蹊径，将大脑成像中成功的局部匀场技术理念向前列腺领域拓展。Angeliki Stamatelatou等人在《Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine》发表的研究中，设计了一种专门针对前列腺的16通道外置匀场线圈阵列，通过物理方式改善磁场分布，为提升前列腺多参数MRI质量提供了新颖解决方案。

研究人员采用多学科交叉技术方法开展本研究：首先通过计算机仿真确定最优匀场策略（局部线圈阵列+一阶球形谐波组合）；随后利用定制化16通道匀场线圈系统（Dia, MR Shim GmbH）进行实体构建；在7名健康志愿者中采用配对设计比较传统匀场（一阶+二阶球形谐波）与新型匀场方案的效果；最终通过B₀场图分析、DWI图像畸变校正（Dice相似系数评估）和MRSI citrate谱线宽度测量等多维度指标进行效果验证。

B₀场图分析揭示均匀性改善

通过双回波梯度回波序列获取的B₀场图显示，使用附加匀场线圈阵列后，前列腺区域内共振频率偏移的标准差从18.5±4.7Hz降低至16.5±3.6Hz。尽管整体改善幅度看似不大，但重要改进发生在关键区域——特别是靠近直肠的前列腺后部区域，该区域传统上受肠道气体影响最严重。场图分析还表明，新型匀场策略在保持前列腺内部场均匀性的同时，避免了周边区域的剧烈场强变化，这一特性对后续成像质量至关重要。

DWI图像几何畸变显著减少

扩散加权成像结果显示，使用附加匀场线圈后，基于EPI序列的B50图像与解剖参考图像（T₂加权像）的Dice相似系数从0.90±0.02提升至0.92±0.02（p=0.01）。这种改善在初始图像质量较差的志愿者中尤为明显：志愿者3的DSC值从0.84大幅提升至0.93，相应B₀场不均匀性从24.7Hz降至18.1Hz。值得注意的是，图像质量改善与B₀场均匀性改善存在明确相关性，当场不均匀性超过20Hz时，附加匀场线圈的优势更加明显。

MRSI波谱质量全面提升

波谱成像结果令人鼓舞： citrate代谢物峰的线宽从8.3±5.7Hz缩减至7.9±3.6Hz（p=0.018），虽然均值改善看似有限，但关键进步体现在数据质量的全面提升。根据专家共识标准评分，使用附加匀场线圈后，数据集质量等级显著提升： "优秀"等级案例从2例增加至4例，"不可接受"等级案例从3例减少至0例。特别值得注意的是，波谱质量的改善稳定性显著增强——所有志愿者的 citrate线宽分布变异性均降低，表明新型匀场策略对运动等干扰因素具有更强鲁棒性。

仿真研究揭示最佳匀场策略

本研究的一个重要亮点是通过仿真分析确定了最优匀场组合策略。研究人员比较了两种方案：局部线圈阵列结合一阶球形谐波（add-on+1st） versus 结合一阶和二阶球形谐波（add-on+2nd）。仿真结果显示，虽然add-on+2nd方案在无运动条件下能提供稍好的理论匀场效果（改善1.67Hz），但其对外部磁场扰动极其敏感：当模拟≤9mm的组织位移时，该方案的性能急剧下降（平均偏离3.2Hz），而add-on+1st方案则表现稳定（平均仅偏离1.1Hz）。这一发现解释了为什么在实际临床应用中，有时更"简单"的匀场策略反而能产生更可靠的结果。

本研究通过创新性地将局部匀场技术应用于前列腺区域，成功证明了外置匀场线圈阵列在改善B₀场均匀性方面的有效性。研究结果不仅展示了客观测量指标的统计学显著改善，更重要的是揭示了这种改善的临床实用性——特别是在初始成像质量较差的情况下，附加匀场线圈能带来诊断价值的提升。

从技术层面看，这种匀场策略的核心优势在于其"针对性"和"鲁棒性"。与传统球形谐波匀场相比，局部线圈产生的磁场能够更精确地匹配前列腺区域的场不均匀模式，从而实现"精准矫正"；而放弃使用高阶球形谐波的决定则体现了研究人员对临床实用性的深刻理解——在面对不可避免的生理运动时，稳定性比理论上的完美更为重要。

值得注意的是，当前技术还存在一定局限性：匀场线圈的存在使接收信噪比降低约20%，这主要通过线圈设计和布局优化来克服。此外，匀场效果在一定程度上依赖于操作者正确选择匀场容积，未来需要通过自动化算法进一步标准化。

这项研究的真正价值在于其为精准医疗提供的技术支撑：更均匀的磁场意味着更可靠的成像数据，而更可靠的数据则直接转化为更准确的诊断结论。对于前列腺癌这种需要密切监测的疾病，能够清晰区分恶性与良性组织、精确评估肿瘤边界的成像技术具有不可估量的临床意义。

展望未来，这种局部匀场技术有望与动态匀场、实时运动补偿等先进技术结合，进一步拓展其应用潜力。特别值得期待的是在特殊患者群体（如髋关节假体植入者）中的应用，这些患者目前因严重磁化率伪影而难以获得高质量前列腺MRI。随着技术的不断成熟和优化，这种基于物理原理的场均匀性改善方案有望成为前列腺多参数MRI的标准配置，最终为临床医生提供更清晰、更可靠的诊断窗口。