MRI引导下微波消融中用于质子共振频移热测量及成像的有源电磁干扰抑制

《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》：Active Electromagnetic Interference Suppression for MRI and Proton Resonance Frequency Shift Thermometry During MRI-Guided Microwave Ablation

　　

本研究旨在开发一种基于软件的主动电磁干扰（EMI）抑制（AES）框架，应用于全身多通道磁共振成像（MRI）系统，以实现MRI引导下微波消融（MWA）过程中可靠的MRI成像与MR热测量。除主成像线圈外，研究人员将一组未加载的标准体部阵列线圈放置于成像容积之外，作为"辅助线圈"用于检测和表征EMI。在每个时间帧，主成分分析（PCA）对辅助线圈数据进行压缩，以提取主导的EMI模式。随后，耦合入主线圈的EMI通过通道特异性脉冲响应函数进行建模，并在逐帧基础上从主线圈数据中减去。该框架通过在3T条件下进行并行成像加速的凝胶体模和活体猪模型MWA实验进行评估。质子共振频移（PRF）MR热测量准确性通过光纤探针进行评估。PRF衍生的热剂量预测与消融后MRI及组织大体病理学结果进行比较。AES有效抑制了EMI诱导的伪影并显著改善了图像质量，使信噪比（SNR）提升40倍（体模）和13倍（在体），EMI抑制率>92%。可靠的PRF温度图谱得以实现，消融区域和非加热区域的时间平均绝对误差（tMAE）分别<1.4°C和<0.3°C。热剂量估计与消融后MRI及大体病理学结果一致。研究人员所提出的AES框架有效抑制了消融设备相关的EMI，并实现了MWA过程中可靠的MRI和MR热测量。该方法可整合至现有重建流程中，以促进MRI引导MWA及其他受EMI影响的介入治疗的更广泛临床应用。

**研究背景与问题**

微波消融（MWA）是治疗不可切除的原发性和转移性肝肿瘤的常见热消融技术。与射频（RF）消融相比，MWA具有升温更快、可通过多个 applicator 实现更大凝固体积、以及对热沉效应敏感性较低等优势，已成为治疗极早期和早期肝细胞癌（HCC）以及其他不适合手术的肝恶性肿瘤的首选消融方式。有效的热消融需要在实现清晰消融边缘（5-10 mm）的同时，最小化对周围结构的意外损伤，因此可靠的术中温度监测至关重要。MRI具有优异的软组织对比度和灵活的扫描方位，对于CT或超声难以显示的病变具有独特优势；基于质子共振频移（PRF）的MR热测量可实现非侵入性温度监测，提供实时温度图谱和热剂量估算。尽管MRI引导MWA的可行性已在前列腺癌和肝癌治疗中得到验证，但其临床推广仍受限制，主要障碍在于MWA系统产生的EMI会污染MRI k空间数据，导致重建图像中出现噪声样伪影，严重影响术中监测并导致PRF温度测量误差。现有EMI抑制策略主要依赖硬件修改（如增加物理屏蔽或滤波器）或间歇性消融策略（在图像采集期间暂停加热），但这些方法需要专用设备或设备改造，会中断消融方案或不适合常规临床工作流程。

**研究目的与结论**

本研究的目标是开发和评估一种基于软件的AES框架，以抑制全身多通道MRI系统中与消融设备相关的EMI，实现MRI引导MWA过程中稳健的MRI和MR热测量。该AES框架利用额外的标准接收线圈进行EMI检测和表征，然后在逐帧基础上对采集的成像k空间数据中的不需要的EMI进行建模和抑制，无需预先采集的成像数据、设备修改或工作流程中断。研究人员通过在3T MRI系统上进行并行成像加速的凝胶体模和活体猪模型MWA实验对该AES框架进行了评估。

研究结果表明，AES显著改善了凝胶体模和活体猪肝脏消融实验中的图像质量，SNR分别提升40倍和13倍，EMI抑制率>92%。AES还实现了各种MWA系统操作模式下可靠的PRF温度图，相对于光纤温度探针，加热区域的温度tMAE<1.4°C，非加热区域<0.3°C。这些改进促进了基于MRI的热剂量估算，消融边界清晰，与猪MWA实验中的消融后MRI和组织病理学结果一致。该研究发表在《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》。

**关键技术方法**

本研究采用的主要技术方法包括：第一，利用标准18通道体部阵列线圈作为辅助线圈放置于患者床尾成像容积之外，以无负载（空气填充）状态专门感知和表征EMI。第二，采用主成分分析（PCA）对辅助线圈数据进行通道压缩，保留解释>95%累积方差的主导主成分以提取EMI模式，同时实现EMI检测——当第一主成分解释的方差百分比（^PVE₁）超过95%阈值时判定为EMI污染帧。第三，建立通道特异性脉冲响应函数模型，将PCA压缩后的辅助数据与通道特异性脉冲响应函数进行线性卷积来建模各主通道中的EMI，并通过最小二乘法估计脉冲响应，再从原始主通道k空间数据中减去预测的EMI。第四，采用广义自动校准部分并行采集（GRAPPA）进行并行成像重建，结合自适应线圈组合，并在噪声去相关（ND）后应用AES以优化性能。第五，PRF热测量采用累积复共轭相位差分方法解决快速加热中的相位卷绕问题，并通过基于图像自导航器的多基线运动补偿（moco）方法缓解在体呼吸运动伪影，热剂量计算采用43°C累积等效分钟（CEM43）模型。第六，使用光纤探针验证温度测量准确性，并将热损伤区与消融后T1加权MRI及大体病理学结果进行对比验证。样本队列包括1个凝胶体模实验和3只雄性Yorkshire猪（体重30-40 kg）的肝脏在体消融实验。

**研究结果**

**AES在凝胶体模消融实验中的性能**：MWA系统在所有主通道中产生了覆盖k空间数据的宽带EMI，导致幅度和相位图像的严重SNR朴槿损失。AES显著抑制了该干扰，恢复了所有通道的图像质量，中位SNR提升16.3倍（最高23.5倍），中位EMI抑制率（^η）达96.0%（最高98.3%）。基线与AES重建图像之间的复差显示最小结构化信号，表明AES有效去除EMI的同时未损害底层MRI数据。在整个消融过程中性能稳定。在不同MWA操作模式下，AES将图像质量恢复至与参考帧相当的水平，Standby、Pumping和Ablation模式的SNR改善分别为16.9倍、37.7倍和39.8倍，EMI抑制率分别为93.8%、95.3%和95.2%。天线尖端和MWA诱导的信号变化得到清晰分辨。

**AES对温度监测的影响**：无AES时，严重EMI伪影使PRF温度图谱不可靠，尤其在Pumping和Ablation模式下。AES成功恢复SNR并解析出温度图谱上的消融区。与光纤温度探针的ROI基础PRF温度测量比较，三个探针位置的tMAE分别为1.39°C、0.29°C和0.28°C。

**AES在活体猪消融实验中的性能**：EMI表现出与体模实验相似的宽带特性，导致幅度和相位图像质量下降。AES有效抑制了这些伪影，中位SNR提升3.2倍（最高14.7倍），中位EMI抑制率70.2%（最高93.8%）。复差图像未显示可见解剖结构，确认有效抑制EMI的同时保留了信号。在不同MWA操作模式下，AES成功将图像质量增强至与参考帧相当水平，Standby、Pumping和Ablation模式的SNR改善分别为5.5倍、7.6倍和13.0倍，EMI抑制率分别为81.7%、87.0%和92.4%。多通道辅助线圈数据未经压缩时图像质量随通道数增加而退化，而PCA压缩实现了最高SNR和抑制率。

**PRF温度图谱性能**：10分钟连续MWA期间，强EMI持续存在导致基线PRF温度图谱出现显著SNR损失、温度波动增加和伪影。应用AES后，解剖细节可见，消融区和天线路径清晰描绘，温度波动水平大幅降低。非加热区域的温度波动被显著抑制。

**热剂量评估**：AES实现了可靠的CEM43热剂量图谱，清晰描绘消融区，非消融肝区无意外热剂量累积。PRF基础的热损伤区与消融后立即采集的3D T1加权MRI高信号区以及肝脏大体病理学结果总体一致。

**讨论部分总结**

**与其他EMI抑制方法的比较**：现有EMI抑制策略主要包括硬件修改（被动屏蔽或内联RF滤波器）和间歇性消融技术。硬件方法需要定制组装，复杂化设备设置，影响临床工作流程，需 extensive 质量保证，并可能阻碍法规合规。间歇性方法暂停能量输送以减轻设备干扰，但固有地中断治疗消融占空比，降低热测量图像的时间更新率，且缺乏对实际消融期间效果的直接基于图像的监测。先前提出的软件技术基于经验阈值用预采集帧数据替换污染k空间线，但可能引入温度偏差或延迟，尤其在MWA快速加热期间，且数据不匹配或变化的EMI水平可导致错误。相比之下，本研究的PCA检测模块通过分析辅助线圈数据的谱能量分布识别EMI，无需刚性信号阈值即可区分污染水平；结合逐帧自适应EMI表征和建模方案，自动适应变化的EMI条件，无需预采集数据或单独校准阶段即可实现稳健EMI抑制和SNR恢复。

**PCAEMI检测和辅助线圈压缩**：使用完整辅助线圈通道组直接进行EMI建模会引入冗余自由度，降低卷积核估计的稳健性。PCA压缩通过提取主导EMI子空间解决此问题，同时降低维度并抑制残留MRI信号泄漏至辅助线圈。对比显示，单独使用各通道导致可变EMI抑制性能，增加未压缩通道数则降低图像质量，而PCA压缩和主导主成分提取在所有配置中实现最高SNR和EMI抑制率。每帧PCA压缩增加约15 ms处理时间，与整体重建时间相比可忽略不计。辅助线圈数据方差在消融期间由单一主成分主导，与MWA发生器的单一EMI源一致；而系统关闭条件下呈现热噪声的更广方差分布。95%阈值在两种数据集中可靠区分这些条件，但在多EMI源或变化噪声环境中可能需要重新校准。

**与其他AES方法的比较及更广泛意义**：本研究AES框架在三个方面具有优势：（1）低硬件成本和复杂度——使用标准18通道柔性体部阵列定位于患者床尾，无需定制EMI传感器，利用现有MRI扫描仪设备，可自由重新定位，不干扰介入工作流程；（2）算法稳健性和计算效率——小核尺寸（L_x=3, L_y=1）足以实现>92%的稳定EMI抑制率，单传输函数每图像时间帧适用于MWA等单一主导宽带EMI源场景，帧间变化（如发生器模式切换）通过逐帧核更新适应，MATLAB中处理时间<40 ms/帧，兼容实时延迟要求；（3）与标准并行成像重建的无缝兼容性——AES在k空间域操作，可直接整合至现有并行成像重建流程，无需架构变更。与深度学习EMI抑制方法相比，本方法无需预训练，核从同时采集的辅助线圈数据中实时估计， inherently 适应扫描会话内变化的EMI条件，非常适合实时MR热测量等动态成像应用。

此外，AES与标准多通道MRI重建模块（如噪声去相关和并行成像）兼容。研究显示ND后应用AES（ND→AES）在所有操作模式中没有最高SNR和EMI抑制率，可能因为ND首先去除静态通道间噪声相关性，使AES能够更有选择性地建模剩余结构化时变EMI。建议采集预扫描噪声校准数据时关闭消融系统，以最小化时变EMI对噪声协方差矩阵的潜在污染。

本研究在凝胶体模实验和临床前活体猪肝脏消融实验中验证了AES的可行性。体模实验为评估算法性能和热测量准确性提供了受控平台，在体实验证实了该方法在真实介入MRI设置中的稳健性。除MRI引导MWA外，该AES框架可能有益于广泛的MRI引导介入治疗，包括RF消融、高强度聚焦超声治疗、激光治疗和机器人辅助程序。更稳健的EMI抑制还可能放宽介入MRI suites中的屏蔽约束，改善术中通讯设备的使用，并支持额外MRI条件工具和监测系统的集成。

**研究局限性**：第一，该概念验证和技术可行性研究仅在1个凝胶体模和3只猪中评估了AES性能，未来需要更多受试者实验评估稳健性和受试者间变异性以证明临床可行性。第二，研究仅评估了1台MRI系统、1种辅助线圈配置和1种MWA系统，需要进一步研究不同场强MRI扫描仪、不同辅助线圈配置和消融系统上的性能。第三，AES框架为离线回顾性实现，扫描仪上的内联实现和前瞻性评估将进一步促进临床转化。

**研究结论**：研究人员开发并评估了一种基于模型的主动EMI抑制框架，该框架抑制消融设备相关干扰，在具有多通道接收线圈的全身MRI系统上实现MRI引导MWA过程中可靠的MRI和PRF MR热测量。该方法基于软件，在逐帧基础上自适应运行，并与现有标准多通道MRI重建兼容。通过在不改变现有临床工作流程的情况下改善图像质量和温度监测，该方法可促进MRI引导MWA及其他受EMI影响的MRI引导介入治疗的更广泛临床采用。