本文是一篇医学论文，为了验证其有效性与稳定性，本文进行了人体成像实验，5名健康志愿者被用来评估不同采集方法所获得的数据抗噪声干扰的能力，且根据结果找出最佳的编码矩阵系数，分别在四腔位和短轴位上证明了所提方法的稳定性。
1绪论
1.1研究背景及意义
据世界卫生组织报告[1]，2019年心血管疾病年均致死人数高达1790万，位列非传染性疾病中全球致死率的之最。在2019年新冠肺炎全球大流行的背景下，世界范围内面临着人口老龄化和代谢危险因素流行的双重挑战，导致心血管疾病的发病率与死亡率呈现持续上升的趋势。此外，《中国心血管健康与疾病报告》揭示[2]，由于我国居民普遍存在不健康的生活方式，心血管病危险因素的群体庞大，伴随着人口老龄化的加速，心血管病的发病率和死亡率仍在不断升高，并且尚未观察到疾病负担减轻的拐点。我国心血管疾病患者数量已达3.3亿。中国心血管病在城乡居民总死亡原因中占据首位，每5例死亡中有2例死于心血管病，且患病率逐年上升，严重威胁居民健康，同时也给社会带来沉重的经济负担。这凸显了心血管疾病的诊断与治疗在世界范围内的紧迫性。
磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）技术是一种强大的医学影像工具，可无创地获取生物体组织的形态、功能和代谢等多种信息。目前，MRI不仅在临床上成为全身疾病重要的诊断手段，而且在生命科学研究中是一种高度依赖的精密仪器[3]。MRI的基本原理是利用人体中特定元素的质子（通常是氢）在均匀磁场（主磁场）中受到特定频率的射频场（Radio Frequency，RF）激发时，引起质子共振并产生磁共振信号。经过梯度系统进行空间编码和傅里叶数学变换后，生成用于临床诊断或科学研究的磁共振图像。相对于超声、计算机断层扫描（Computed Tomography，CT）和正电子发射断层扫描（Positron Emission Tomography，PET）等医学影像技术，MRI具有更丰富的对比度、更好的软组织分辨率和功能成像能力，且无放射性损伤。因此，MRI目前是临床上最重要和最有价值的影像诊断手段，特别适用于脑和外周神经系统、骨关节、乳腺、腹部、盆腔等各类疾病的早期鉴别诊断[4,5]。同时，高场MRI在脑科学研究方面也扮演着不可替代的角色，为脑认知和神经环路研究提供了重要工具[6]。
1.2国内外的研究现状
为了解决UHF-MRI中射频场不均匀的问题，目前采用的两类主要方法分别是优化发射线圈和pT x技术[20]。通过优化发射线圈，可以设计更先进、更匹配特定解剖结构的线圈，或者通过设计匀场单元在现有线圈上添加匀场单元，改变电磁场分布，以提高射频场的局部均匀性。另一方面，pTx技术利用多通道射频激发单元，在不同时间和空间同时激发多个脉冲，以提高射频场的均匀性。这种方法具有高度的灵活性和特异性，能够独立控制每个激发单元，通过补偿不同通道之间的射频场差异来实现均匀激发，为优化超高场MRI射频场提供了有效手段[21]。
1.2.1优化线圈改善磁场均匀性
MRI系统中的发射线圈在成像中扮演着重要的角色，其主要功能是产生满足要求的射频场，以产生核磁共振信号。随后接收线圈接收生物组织中产生的核磁共振信号，并将这些信号转换成电信号，以供图像重建使用。接收线圈的性能直接影响图像的SNR和采集速度等关键参数，进而影响时间和空间分辨率。线圈的结构和相对位置的设计对于快速获取高质量图像至关重要。一些研究侧重于设计新的射频线圈结构，特别关注射频场均匀度较差的区域，以提高视场（Field of View，FOV）内的射频场均匀度。Gomez等[22]在头部成像线圈的基础上加入匀场单元提高发射场均匀度。在超高场心脏磁共振成像中的工作中，有学者通过设计不对称的收发一体线圈阵列结构，成功降低了结构间的耦合度，分别在猪和人类心脏磁共振7T扫描中，降低了匀场的难度，提高了激发效率，并降低了SAR的风险[23,24]。
2超高场心脏磁共振成像理论与技术
2.1超高场心脏磁共振成像
2.1.1磁共振成像原理
磁共振成像作为一项具有革命性意义的医学影像技术，在临床和科学研究领域的研究中占据着不可获取的地位。其基本原理是在强磁场和射频脉冲的作用下，原子核发生共振，从而提供了关于生物组织内部结构、功能和代谢过程的丰富信息，为疾病的诊断与治疗提供了新的手段和方法。其具有出色的对比度，由于其利用不同组织的磁共振信号特性来生成图像，因此能够提供出色的软组织对比度，使医生能够清晰地区分不同类型的组织结构，从而更准确地进行诊断。而且MRI具有较高的空间分辨率。通过调整参数和技术，MRI能够提供高分辨率的图像，能够显示微小的解剖结构和病变，使医生能够更精确地定位和识别病变部位。此外，MRI是一种非侵入性的检查方法，不需要使用放射性物质或其他有害物质，对患者安全无害。这使得MRI成为一种广泛应用于儿童和孕妇等特殊人群的影像学检查方法。另外，MRI技术还具有多模态成像的能力，可以通过调整参数和序列来获取不同类型的图像，例如T1加权图像、T2加权图像、灌注加权图像等，从而提供更全面的信息，帮助医生做出更准确的诊断。MRI通常使用氢质子作为成像的常规质子源，下文也将以氢原子为讨论对象。磁共振成像目前是临床和科研领域中最为重要的成像方法之一[6]。
2.2射频映射技术
为了实现目标区域内质子的磁共振信号产生[5]，需要利用射频发射链路（Tx）生成与拉莫尔频率相匹配的激发场，使得质子的自旋被偏离平衡位置。每个Tx由于相对位置与被测对象的电磁性质差异，其产生的射频场分布呈现复杂的空间分布，即在不同空间位置具有差异的幅值和相位分布。这种Tx产生的射频磁场通常被称为B1+场。相对的，B1−场是被测对象内被激发的质子所产生的磁场，被接收链路（Rx）测量得到的信号。通常情况下，B1+场在距离Tx较近的区域强度较大，并随着距离的增加而逐渐减小。然而，当使用多个发射通道时，不同通道产生的复杂B1+场相互干扰，使最终的场叠加态难以预测。为了调制发射线圈产生的射频场分布，需要测量不同发射通道产生的B1+场，通常称为分通道射频映射（B1+Mapping）。基本的方法是通过成像序列测量信号并计算出成像区域的实际分布，而相对相位可以通过成像序列获得的图像相位计算得出[16]。通常情况下，需要使用专用的采集序列获得，常用的B1+Mapping的方法包括双角度法[44]、实际翻转角法[45]、布洛克-西格特偏移法[46]、预饱和快速小角度激发序列[47]、双聚焦回波采集法等[48]。这些方法由于检测原理不同，各自具有不同优缺点，在不同应用场景与目的中需要选择更适用的成像序列。
3分通道射频映射方法研究...................................23
3.1心电门控控制校准序列采集.......................................23
3.2多样本统计优化结果的初始相位...................................24
3.3多通道编码激发映射方法.........................................24
4电磁仿真模型及多通道并行激发高效射频匀场方法.............31
4.1 SAR仿真模型建立及分析.........................................31
4.1.1仿真模型的建立...............................31
4.1.2 SAR模型的建立.................................32
5高效射频匀场方法在临床成像中的应用研究...................41
5.1采集与验证方案.........................41
5.1.1临床序列采集方法............................41
5.1.2激发结果评价方法...........................42
5高效射频匀场方法在临床成像中的应用研究
5.1采集与验证方案
5.1.1临床序列采集方法
磁共振系统数据的收集均在上海联影医疗有限公司的5T磁共振设备（uMRJupiter，中国上海）上进行，利用系统自带的8×8kw八通道体发射系统（VTC-5T-600）。数据的采集使用了一套由24通道柔性体线圈和48通道脊柱线圈组成的联合接收系统。该研究获得了机构审查委员会的批准，并在扫描前获得了每位受试者的书面知情同意，5名男性健康受试者参与了匀场方法对比的实验，志愿者相关信息如表5.1所示。1名女性健康受试者参与了不同电影序列的图像质量对比实验（36岁；154cm；48kg）。所使用的成像序列参数如表5.2所示，其中TR，TE相关参数会根据对象在扫描时的心率进行微调。相较于使用低翻转角度的梯度自旋回波序列的心脏电影（GRE_CINE），快速自旋回波序列（FSE）和平衡稳态自由进动梯度回波序列（bSSFP）序列对射频场均匀度要求更为严格，其图像差异性更加明显。故本文选用了T2加权的FSE序列（T2-FSE）作为黑血成像序列，而bSSFP序列作为亮血的心脏电影序列（bSSFP_CINE）。所有成像序列均在屏气联合心电门控下完成采集。
6总结与展望
6.1研究工作总结
心脏磁共振成像技术相较于其他临床成像序列能够非入侵地获取心脏解剖结构、进行心脏功能评估等信息，但随着场强的提升，射频场不均匀以及扫描序列SAR过高等问题逐渐凸显，影响了成像序列的开发和成像结果，是阻碍超高场心脏磁共振成像临床应用的重要原因。因此，保证5T下的心脏磁共振射频场均匀、安全激发是在超高场成像研究的关键问题。本文主要针对多通道并行激发射频匀场方法的信号采集、优化、应用等方面进行了较为全面的研究和分析。
为提高分通道射频映射的准确性，本文提出了一种基于多样本统计结果的初始相位联合多通道编码技术和心电门控技术的单通道磁场采集技术。为了验证其有效性与稳定性，本文进行了人体成像实验，5名健康志愿者被用来评估不同采集方法所获得的数据抗噪声干扰的能力，且根据结果找出最佳的编码矩阵系数，分别在四腔位和短轴位上证明了所提方法的稳定性。结果表明，相比于传统单通道激发可以有效提高所获数据的抗噪声能力，提高了所获得的分通道射频映射的准确性，避免了由于射频映射不准确而引起的匀场结果失控的问题。
为提高射频射频激发效率，降低SAR过高的风险，提出了一种多通道并行激发的高效射频匀场优化方法，在优化损失函数中加入了射频激发强度和外部区域的射频均匀性正则项，通过调整正则化因子，保证在成像目标区域的磁场均匀性损失不大的前提下，提高激发效率，降低所需的射频激发功率。利用15个电磁场仿真模型与传统的射频匀场方法进行结果对比，结果表明，所提出的方法可以在现有人体模型中有着较好的射频匀场结果，与传统匀场方法的射频场相比，均匀性无显著性差异，安全激发效率可以平均提升64.25%，为临床序列的优化提供了空间。
参考文献（略）