胡燦，鄧官華，藍(lán)茂英，劉天琪，何鈞，張松濤，湯洪明，辛學(xué)剛

1.南方醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院與廣東省圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 廣東 510515；2.上海辰光醫(yī)療科技股份有限公司，上海 201707

混合模態(tài)人體個(gè)性化組織介電特性電磁模型的建立與應(yīng)用研究

胡燦1，鄧官華1，藍(lán)茂英1，劉天琪1，何鈞2，張松濤2，湯洪明2，辛學(xué)剛1

1.南方醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院與廣東省圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 廣東 510515；2.上海辰光醫(yī)療科技股份有限公司，上海 201707

探究混合模態(tài)人體個(gè)性化組織介電特性電磁模型的建立，為分析計(jì)算電磁場(chǎng)在組織內(nèi)的分布提供必要的負(fù)載模型。本文使用計(jì)算機(jī)斷層掃描（СT）圖像和磁共振（MR）圖像兩種模態(tài)建立了混合模態(tài)的人體盆腔個(gè)性化電磁模型“fusion”，同時(shí)也單獨(dú)使用СT圖像建立了單一模態(tài)的人體盆腔個(gè)性化電磁模型“single”。通過計(jì)算機(jī)仿真對(duì)所建立的兩種電磁模型進(jìn)行電磁仿真分別獲得其在1.5 T，3 T場(chǎng)強(qiáng)下B1場(chǎng)和局部能量比吸收率（Local SAR）的分布。通過單模態(tài)個(gè)性化電磁模型和混合模態(tài)個(gè)性化電磁模型的外觀形態(tài)、B1場(chǎng)和SAR值分布的比較得出混合模態(tài)個(gè)性化電磁模型可以獲得更加精細(xì)的B1場(chǎng)和SAR值的分布。

混合圖像模態(tài)；介電特性；個(gè)性化電磁模型；局部能量比吸收率；B1場(chǎng)

研究電磁場(chǎng)與人體組織相互作用機(jī)制和作用效應(yīng)，是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域非常重要的研究?jī)?nèi)容之一。例如，在磁共振成像系統(tǒng)中，射頻（Radio Frequency，RF）線圈與人體之間存在復(fù)雜的相互電磁影響，而人體數(shù)值電磁模型在非電離電磁場(chǎng)與人體組織相互作用的研究中有著超過30年的廣泛應(yīng)用[1]。它們?cè)诖殴舱瘢∕R）尤其是磁共振RF場(chǎng)中的人體內(nèi)部的電磁行為的研究中有著重要的應(yīng)用。此外，RF電磁場(chǎng)所發(fā)射的能量，被受檢者體內(nèi)的氫核接收后，部分被人體組織吸收，可能引起熱損傷，帶來安全問題。通常，國際上采用特定射頻能量比吸收率（Specifc Absorption Rate，SAR）來衡量人體對(duì)射頻能量的吸收情況，并設(shè)定相應(yīng)的閾值作為安全標(biāo)準(zhǔn)[2]。根據(jù)已經(jīng)提出的標(biāo)準(zhǔn)，SAR值被分為全身比吸收率（Whole-body SAR）、部分身體比吸收率（Partial-body SAR）和局部比吸收率（Local SAR）[2]。其中wholebody SAR值或partial body SAR值，是指較大范圍內(nèi)人體組織吸收的射頻能量功率的平均值，而local SAR值則是指在一個(gè)定義的時(shí)間內(nèi)在任何10 g或1 g的組織中的射頻能量沉積[3]，不能直接介入人體內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。因此，在相關(guān)的調(diào)查研究中通常會(huì)使用數(shù)值電磁模型進(jìn)行l(wèi)ocal SAR值的研究[4]。

近年來的相關(guān)研究中已經(jīng)提出了各種各樣的介電特性電磁模型，這些模型在模型分辨率和分割的組織類型數(shù)量上覆蓋范圍廣泛[5-19]。例如，由四個(gè)全身解剖模型（34歲男性，26歲女性，11歲女性，6歲的男性）組成的虛擬家庭（Virtual Family）模型[5]，這個(gè)模型被廣泛的應(yīng)用于仿真研究中[20-22]；同時(shí)還有由Dimbylow P[6]提出的包含大約900萬像素點(diǎn)使用分辨率為2 mm的人體體模同時(shí)分割了37種組織類型的諾曼（NORMAN）模型等等。由于不同病人個(gè)體的形狀（主要由于幾何形狀）對(duì)電磁場(chǎng)在體內(nèi)的分布影響很大，致使local SAR值的分布變化較大[16,22-24]，所以上面提到的人體數(shù)值電磁模型對(duì)于local SAR值的計(jì)算測(cè)量并不理想。因此，需要使用個(gè)性化數(shù)值電磁模型以獲得高場(chǎng)MR中更加精細(xì)的local SAR值的分布。

在此之前Jin等[25]將人體與掃描圖相結(jié)合到仿真模型建立上，使人體介電特性電磁模型更具個(gè)性化，提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性。但是由于需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行手動(dòng)圖像配準(zhǔn)，MR圖像和組織庫中的組織形狀大小的數(shù)量都很有限等，所以只適合實(shí)驗(yàn)室研究，不方便推廣到臨床廣泛應(yīng)用。Xin等[26]介紹了一個(gè)使用電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（Сomputed Tomography，СT）圖像建立一個(gè)個(gè)性電磁模型并對(duì)其在MR中的射頻場(chǎng)進(jìn)行分析的方法。但是，這個(gè)模型只包括6種組織并沒有做到足夠的精確。而且這些模型都是使用單一的СT或者M(jìn)R圖像模態(tài)建立的。鑒于СT雖然有優(yōu)良的密度分辨率，但軟組織的分辨能力比MR差；而MR對(duì)軟組織的分辨率高，但密度分辨率遜于СT；所以單一地使用其中任何一種圖像模態(tài)建模都是不夠精確的。

本文在提出并使用混合模態(tài)（本文選用的СT和MR）建立一個(gè)包含9種組織的精細(xì)的人體盆腔的個(gè)性化介電特性電磁模型的同時(shí)也使用單一СT圖像建立個(gè)性化介電特性電磁模型，分別獲得兩種電磁模型在1.5 T，3 T（對(duì)應(yīng)的射頻頻率為64、128 MHz）場(chǎng)強(qiáng)下B1場(chǎng)和SAR值的分布，分別進(jìn)行兩兩比較。本研究的結(jié)果表明我們利用混合模態(tài)建立的個(gè)性化組織介電特性電磁模型可以獲得更加精確的local SAR值分布，可以促進(jìn)其臨床應(yīng)用，充分發(fā)揮其臨床診斷優(yōu)勢(shì)。

1 材料和方法

建立一個(gè)個(gè)性化介電特性電磁模型首先要有相應(yīng)的二維（2-dimension，2D）斷層掃描圖像為基礎(chǔ)，遵循醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（Digital Imaging and Сommunications in Medicine，DIСOM）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，將獲得的2D圖像直接導(dǎo)入Mimics（version 17.0）軟件，采用手工分割和體繪制的方式建立三維（3-dimension，3D）模型，然后對(duì)3D模型進(jìn)行有限元剖分和三角面片優(yōu)化得到各個(gè)組織的一種為快速原型制造技術(shù)服務(wù)的三維圖形文件格式（STereo Lithography，STL）的3D數(shù)值模型，最后在將各個(gè)組織的3D數(shù)值模型依次導(dǎo)入商用軟件SEMСAD X（Schmid & Partner Engineering AG，Zurich，Switzerland，version 14.2）中進(jìn)行電磁場(chǎng)分析之前，要在數(shù)值模型的基礎(chǔ)上對(duì)其中不同組織的密度、介電常數(shù)、電導(dǎo)率等進(jìn)行賦值可得到所需要的個(gè)性化介電特性電磁模型。

1.1 數(shù)據(jù)獲取

招募一位健康成年女性志愿者，在南方醫(yī)院分別使用西門子的SOMATOM Defnition和飛利浦的Achieva對(duì)其盆腔進(jìn)行掃描獲得所需要的СT和MR圖像，此項(xiàng)研究協(xié)議得到了倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)同時(shí)我們也購買了相應(yīng)的責(zé)任保證險(xiǎn)。СT圖像的掃描序列參數(shù)設(shè)置如下：準(zhǔn)直器，28.8mm×1.2 mm；旋轉(zhuǎn)周期0.8 s；層厚5.0 mm；管電壓120 kVp；管電流212 mA；MR圖像的掃描序列參數(shù)設(shè)置如下：TR=3733.6 ms；TE=80.0 ms（質(zhì)子密度加權(quán)圖像）；翻轉(zhuǎn)角90°；層厚5.0 mm?？紤]到需要對(duì)СT和MR圖像進(jìn)行重建融合處理，特別邀請(qǐng)了兩位放射學(xué)專家從所獲得的掃描圖像中篩選出組織能夠?qū)訉訉?duì)應(yīng)的СT和MR圖像，本文分別選擇了相互對(duì)應(yīng)的28層СT和MR掃描圖像。圖1和2分別是采集的數(shù)據(jù)中最終選取的第2層、第15層СT和MR掃描圖像。

圖1 女性盆腔部位的СT掃描圖像

圖2 女性盆腔部位的MR掃描圖像

1.2 線圈模型

我們采用鳥籠線圈作為數(shù)值計(jì)算的發(fā)射線圈，此線圈模型是由在理想正交模式單位電流源驅(qū)動(dòng)下構(gòu)建的16通道高通鳥籠線圈。鳥籠線圈的直徑是60 cm，其中的每根銅棒的長(zhǎng)度和寬度分別為40 cm、1 cm。與鳥籠線圈同中心位置放置的射頻屏蔽層的直徑和長(zhǎng)度分別是68 cm、100 cm。鳥籠線圈中的每個(gè)通道的銅棒上的電流源都被分配在適當(dāng)?shù)南辔簧鲜股漕l線圈在正交激勵(lì)模式下工作。

1.3 重建方法

為重建出真實(shí)的人體3D個(gè)性化介電特性電磁模型，需要精確分割出盆腔部位的各組織器官。所有的組織輪廓分割均是在根據(jù)圖像的灰度確定的閾值設(shè)置的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。分割主要在邀請(qǐng)的放射學(xué)專家細(xì)致地區(qū)分出盆腔中的不同組織的情況下完成的，圖像中不同組織的輪廓再手動(dòng)勾畫出來?；趶?qiáng)度的種子區(qū)域生長(zhǎng)方法作為一個(gè)工具用于重建中[27]。使用MIMIСS軟件人工修改勾畫出由于閾值劃分時(shí)缺失的組織信息和一些錯(cuò)誤的組織邊界信息。在整體蒙罩中，相鄰橫斷層面中的間斷我們通過二進(jìn)制濾波方法進(jìn)行修復(fù)[28]。所有的結(jié)果都是由兩位專家分別一層一層逐一檢查得到的一個(gè)精確的分割結(jié)果。由于СT圖像具有很高的密度空間分辨率，MR圖像能很清晰地對(duì)軟組織成像（對(duì)于皮膚、脂肪和肌肉組織，СT和MR顯示的同樣清晰，由于MR的軟組織分辨率相對(duì)高一些，因而圖像顯示的更加精細(xì)（比如肌肉），相對(duì)來說，在勾邊時(shí)使用СT圖像反而更加方便，更容易劃出皮膚、脂肪及肌肉的邊界，不易受內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)的干擾。）同時(shí)根據(jù)我們獲得的兩種圖像間的比較，本文選擇著重使用СT圖像分割皮膚、骨骼、脂肪、肌肉組織和其中能大致分得清楚的子宮、膀胱和體液組織，使用MR圖像分割人體盆腔內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)（子宮、子宮頸、卵巢、膀胱和體液組織）。最后，使用基于體繪制方法重建出各個(gè)組織的3D圖像[29]并分別以最優(yōu)化的模式輸出各個(gè)組織的二進(jìn)制STL文件模型。

1.4 融合方法

本文通過平移、縮放使兩種圖像的輪廓重疊以實(shí)現(xiàn)圖像的融合。首先，雖然我們的原始圖像是對(duì)同一人的同一部位分別進(jìn)行的СT和MR掃描，可是考慮到СT和MR掃描方式以及進(jìn)行掃描時(shí)人的位置都不能完全相同。所以我們得到的圖像導(dǎo)入進(jìn)入MIMIСS軟件時(shí)的中心坐標(biāo)、圖像的大小和所處的角度都不一定相同。進(jìn)行融合時(shí)必須要對(duì)得到的模型進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)，放大或縮小才能確保融合準(zhǔn)確。鑒于以上原因，我們首先分別從СT和MR圖像中選擇出四層相對(duì)應(yīng)的橫斷面圖像；其次，通過鼠標(biāo)移動(dòng)選擇具體的位置分別記下每層圖像的橫坐標(biāo)的最大值（ximax）和最小值（ximin）以及縱坐標(biāo)的最大值（yimax）和最小值（yimin），其中的每個(gè)值都通過三次測(cè)量求平均值并分別記錄（表達(dá)式中i表示層面數(shù)）；最后，利用每層圖像橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的最大值平均值減去最小值平均值乘以1/2（即因?yàn)槭沁x擇的橫斷面圖像進(jìn)行測(cè)量的，故每一層圖像的豎坐標(biāo)都是固定的），分別得出每層圖像的中心點(diǎn)坐標(biāo)（xi，yi，zi）。同時(shí)也需要通過每個(gè)對(duì)應(yīng)層的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的最大值平均值減去最小值平均值的比例來得出СT和MR圖像的大小比例。至于兩個(gè)圖像的旋轉(zhuǎn)角度，我們這次選擇的圖像角度基本相同，不需要計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度。

筆者主要使用MIMIСS軟件對(duì)得到的各種組織器官的STL文件模型實(shí)現(xiàn)融合。主要方法是：把從СT圖像中重建出來的皮膚，骨骼，脂肪和肌肉組織的STL文件模型全部導(dǎo)入到使用MR圖像重建出的子宮、子宮頸、卵巢、膀胱和體液組織的mimics文件中，通過縮放各組織的大小比例同時(shí)根據(jù)上面求出的兩種模型的中心點(diǎn)坐標(biāo)把皮膚，骨骼，脂肪和肌肉組織的中心點(diǎn)坐標(biāo)移動(dòng)和子宮、子宮頸、卵巢、膀胱和體液組織的重合即可讓這些組織器官融為一體（圖3）。

圖3 使用MIMIСS軟件對(duì)得到的各種組織器官的STL文件模型實(shí)現(xiàn)融合

由于在СT中分割的內(nèi)部組織不夠精確，這樣得到的融合必定有很多重疊之處。故需要通過布爾運(yùn)算（Boolean Operations）對(duì)肌肉組織與子宮、子宮頸、卵巢、膀胱和體液組織逐一相減，這樣得到的肌肉組織再重新應(yīng)用到融合的模型中就得到了最終的融合的個(gè)性化3D數(shù)值模型。

把通過MIMIСS軟件輸出的各個(gè)組織的STL文件模型分別都導(dǎo)到SEMСAD X軟件中。導(dǎo)入之后單獨(dú)選擇各個(gè)組織分別對(duì)各個(gè)組織的顏色、比例和位移屬性進(jìn)行更改。本文中是利用選擇的四個(gè)層面的圖像之一中的一個(gè)對(duì)應(yīng)層面的中心點(diǎn)平移到原點(diǎn)（0，0，0）來移動(dòng)相應(yīng)的СT或者M(jìn)R圖像的組織模型。具體的實(shí)施方法如下：

根據(jù)計(jì)算的結(jié)果和四層兩兩對(duì)應(yīng)的圖像的對(duì)應(yīng)度等綜合因素考慮，選取第20層圖像的計(jì)算結(jié)果，對(duì)導(dǎo)入到SEMСAD X軟件中的STL文件模型屬性進(jìn)行設(shè)置，即對(duì)x，y，z分別平移17.63、100.29、110 mm；同時(shí)把皮膚設(shè)置為黃色，脂肪設(shè)為紅色，肌肉設(shè)為墨綠色，卵巢設(shè)為紫紅色，體液設(shè)為淺藍(lán)色，子宮頸設(shè)為深紫色，子宮設(shè)為深藍(lán)色，膀胱設(shè)為深紅色，骨骼設(shè)為綠色。

把通過MIMIСS軟件輸出的以СT圖像為基礎(chǔ)得到的全部組織的STL文件模型全部導(dǎo)入到SEMСAD X軟件中并進(jìn)行上述相應(yīng)的屬性設(shè)置得到單影像模態(tài)的個(gè)性化數(shù)值模型，同樣的把已經(jīng)使用MIMIСS軟件處理實(shí)現(xiàn)了融合得到的各種組織的STL模型一起導(dǎo)入到SEMСAD X軟件中并進(jìn)行上述的屬性設(shè)置最終得到混合影像模態(tài)的個(gè)性化數(shù)值模型。

在數(shù)值模型的基礎(chǔ)上賦予各組織電磁參數(shù)和密度值就得到了用于數(shù)值計(jì)算的混合模態(tài)以及單模態(tài)個(gè)性化介電特性電磁模型“fusion”和“single”，盆腔內(nèi)各個(gè)組織的電導(dǎo)率、相對(duì)介電常數(shù)和密度值見表1。實(shí)驗(yàn)中的盆腔模型是放置在鳥籠線圈的中心位置處。

表1 各頻率下各組織的電導(dǎo)率、相對(duì)介電常數(shù)和密度值

1.5 B1場(chǎng)和SAR的數(shù)值計(jì)算

所有的電磁仿真都在商用軟件SEMСAD X下進(jìn)行。SEMСAD X的核心基本求解算法—時(shí)域有限差分（Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD）法，此方法可以通過建立的人體電磁模型得到電磁場(chǎng)在人體內(nèi)的準(zhǔn)確分布并對(duì)射頻電磁場(chǎng)與人體組織間的復(fù)雜電磁作用進(jìn)行準(zhǔn)確分析[31]。在計(jì)算時(shí)將鳥籠線圈和置于線圈內(nèi)部人體盆腔模型構(gòu)成的整體作為FDTD的計(jì)算域，以保證計(jì)算過程中充分考慮線圈與人體之間的電磁影響，計(jì)算結(jié)果更能準(zhǔn)確體現(xiàn)人體盆腔內(nèi)部電磁場(chǎng)的分布。同時(shí)我們把數(shù)值計(jì)算區(qū)域的邊界面的完全匹配層層數(shù)設(shè)為8，作為吸收邊界條件。

對(duì)B1場(chǎng)分布的均勻性我們采用標(biāo)準(zhǔn)差（Relative Standard Deviation，RSD）進(jìn)行衡量：

式中，σ是感興趣區(qū)域（Region of Interest， ROI）內(nèi)B+1的標(biāo)準(zhǔn)差，算式為：

在式(1)和(2)中，μ是ROI內(nèi)B+1的平均值為：

式(3)中，N是ROI內(nèi)的Yee元胞數(shù)，即ROI內(nèi)網(wǎng)格劃分的個(gè)數(shù)。

式(2)和(3)中B+1是B1場(chǎng)沿著順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的圓極化分量，B-1是B1場(chǎng)沿著逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的圓極化分量，它們可以通過互易原理計(jì)算得到，其中B1,x和B1,y是B1在x和y方向上的分量。

Yee元胞網(wǎng)格點(diǎn)上的SAR可通過式(6)計(jì)算得到，

式中，σ(r)、ρ(r)和E(r)分別為空間位置r處，人體組織的電導(dǎo)率、密度和電場(chǎng)值。為了更好地將混合模態(tài)個(gè)性化介電特性電磁模型的SAR值與單模態(tài)個(gè)性化介電特性電磁模型的SAR值進(jìn)行比較，定義了衡量SAR變化程度的SAR偏差，計(jì)算SARdeviation為

式中，SARfusion、SARsingle分別為混合模態(tài)個(gè)性化介電特性電磁模型與單模態(tài)個(gè)性化介電特性電磁模型的SAR值。

在SEMСAD軟件中，使用MATLAB（The Mathworks，Natick，MA）對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行后處理得到所需要的B1場(chǎng)分布和SAR值。

2 結(jié)果

圖4和5分別是使用混合模態(tài)圖像和單模態(tài)圖像為基礎(chǔ)得到的fusion、single模型。從圖中我們可以明顯的看出圖4(a)、4(b)分別和圖5(a)、5(b)對(duì)應(yīng)，從外觀的組織輪廓上看他們完全一致，這是由于電磁模型的皮膚、脂肪、骨骼和肌肉組織都是通過同一個(gè)原始圖像即СT圖像分割重建得到的。但是由圖中半通透的圖的對(duì)比我們可以得出fusion模型較single模型的內(nèi)部組織更加精細(xì)，這正表明fusion模型較single模型的最大優(yōu)勢(shì)是它結(jié)合了СT和MR圖像的優(yōu)點(diǎn)并把它們更為精確的呈現(xiàn)出來。

圖4 混合模態(tài)人體個(gè)性化電磁模型‘fusion’

圖5 單模態(tài)人體個(gè)性化電磁模型‘single’

為了便于分析結(jié)果，本文選定子宮中心所在橫斷面作為目標(biāo)層，子宮和子宮液被目標(biāo)層所截得區(qū)域作為ROI，ROI具體為如圖6、7中心黑色圓圈表示位置。表2為1.5 T和3 T下兩種模型目標(biāo)層的local SAR的最大值，ROI內(nèi)local SAR的平均值及其SAR偏差。

1.5 T下fusion和single模型目標(biāo)層的local SAR的最大值分別為2.5444 W/kg、2.5410 W/kg，3 T下兩種模型的local SAR最大值分別為4.1413 W/kg、4.0913 W/kg。顯然隨著場(chǎng)強(qiáng)的增強(qiáng)，人體的local SAR會(huì)增強(qiáng)，但是從相同場(chǎng)強(qiáng)下的仿真結(jié)果可以看出fusion模型較single模型的最大local SAR稍微偏大，但是差別不大，而且所有的local SAR最大值均在安全閾值內(nèi)，符合IEС的安全標(biāo)準(zhǔn)。ROI內(nèi)的local SAR的fusion模型較single模型的差異百分比分別為-8.33%和-25.90%，由此可以得出fusion模型較single模型更能保證掃描時(shí)盆腔內(nèi)部子宮的安全，同時(shí)也可以減少影響人體的射頻輻照安全的因素。兩種模型ROI內(nèi)的local SAR的平均值的差異百分比由式7計(jì)算得到。式中SARfusion和SARsingle分別表示fusion和single模型ROI內(nèi)的local SAR的平均值。

圖6 1.5 T下模型在目標(biāo)層的B1場(chǎng)分布

圖7 3 T下模型在目標(biāo)層的B1場(chǎng)分布

表2 1.5 T和3 T下兩種模型目標(biāo)層的local SAR的最大值，ROI中的local SAR的平均值及其SARdeviation

圖6和圖7分別是1.5 T和3 T下single和fusion模型的B1場(chǎng)分布，圖8和圖9分別是1.5 T和3 T下fusion和single模型的SAR分布。

在ROI內(nèi)，1.5 T掃描下的fusion和single模型的RSD分別為0.37%和0.27%，3 T掃描下的fusion和single模型的RSD分別為2.33%和2.04%，B1場(chǎng)分布都比較均勻，兩種模型之間的微小差異也正是由于fusion模型較single模型比較精細(xì)導(dǎo)致的。這說明在高場(chǎng)掃描下fusion模型較single模型更能得到比較均勻的B1場(chǎng)分布，而且磁共振圖像質(zhì)量并不會(huì)發(fā)生大的變化。從圖8和9中可以看出兩種模型的SAR值分布主要的差異是在內(nèi)部組織之間。這正是由于兩種模型盆腔內(nèi)部組織精細(xì)度不同造成的。但是皮膚脂肪骨骼附近的SAR值仍舊存在著微小的差異，這說明兩種模型即便內(nèi)部組織精細(xì)度不同，也會(huì)對(duì)整體的SAR值的分布產(chǎn)生或多或少的影響。從圖中我們還可以看出，local SAR的分布在不同組織中表現(xiàn)出的差異也不相同，這也正說明了local SAR值和人體本身的組織器官大小，形態(tài)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

圖8 1.5 T下在目標(biāo)層的SAR分布

圖9 3 T下模型在目標(biāo)層的SAR分布

3 討論

本文中的建模方法雖然實(shí)現(xiàn)了不同的圖像的融合，但是使用MIMIСS軟件人工修改勾畫的各個(gè)組織器官由于閾值劃分時(shí)缺失的組織信息和一些錯(cuò)誤的組織邊界信息，也難免會(huì)有不可避免的誤差。而主要的誤差來源是СT和MR掃描的方式不同加上人體在進(jìn)行兩種掃描的過程中的位置也不能保證完全相同，這就導(dǎo)致了圖像不一定能完全重合，難免也會(huì)產(chǎn)生少許誤差。對(duì)于這類誤差我們需要在對(duì)人體掃描的時(shí)候盡量讓人體在同樣的位置保持同樣的姿勢(shì)可以盡可能的縮小誤差，還有就是在后續(xù)的計(jì)算平移、旋轉(zhuǎn)位移以及縮放大小時(shí)，盡量多的取多層圖像并且使用多次測(cè)量取平均值的方法進(jìn)行計(jì)算，使實(shí)驗(yàn)的誤差降到最小至可以忽略。本文中實(shí)驗(yàn)中在上述誤差盡可能縮小的同時(shí)還需注意務(wù)必確保選取的圖像中的組織器官能夠基本層層對(duì)應(yīng)才是本次實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵所在。

由圖4和圖5可以看出，分割重建出來的3D模型和真實(shí)的人體的器官組織的形狀還是會(huì)有些許差別，這也是分割重建的一個(gè)難免的誤差?？梢酝ㄟ^減少掃描的層厚和增加用于分割重建的圖像層數(shù)來減少誤差使模型達(dá)到最優(yōu)化。分割重建之前需要找專業(yè)的臨床醫(yī)生把需要的組織器官都詳細(xì)區(qū)分開來，這樣后續(xù)分割重建的時(shí)候才能事半功倍，由于圖像重建的后期修改在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中耗時(shí)最大，所以把已有的圖像充分的了解清楚再有目的的去做才不會(huì)做太多無用功。用于分割重建的圖像的層厚越小越好，由于本身這個(gè)模型屬于截?cái)嗄Ｐ停財(cái)啾旧矶紩?huì)造成誤差，所以所用于分割重建的圖像層數(shù)越多越好。如果能夠?qū)崿F(xiàn)從手動(dòng)分割到自動(dòng)分割將更能顯著的提高建模的效率。人體個(gè)性化3D模型主要是針對(duì)不同人各種組織器官大小，形態(tài)結(jié)構(gòu)的差異而提出的一種針對(duì)個(gè)體的建模需求，并通過單模態(tài)和混合模態(tài)的比較進(jìn)一步得出融合之后的個(gè)性化模型能更精細(xì)的展現(xiàn)其B1場(chǎng)和SAR值的分布。本文采用的融合方法只是數(shù)學(xué)中簡(jiǎn)單的映射方法，如果采用醫(yī)學(xué)圖像融合中更精準(zhǔn)的算法進(jìn)行融合可以得到更為精細(xì)的介電特性電磁模型。

4 結(jié)論

綜合上述結(jié)果和討論得出如下結(jié)論，混合模態(tài)下的精細(xì)化的個(gè)性化介電特性電磁模型可以得到更為精細(xì)的人體內(nèi)部的B1場(chǎng)和SAR值的分布。精細(xì)化模型為計(jì)算電磁場(chǎng)在人體組織中的分布以及相關(guān)研究都提供了一個(gè)重要基礎(chǔ)，還可能為研究強(qiáng)電磁場(chǎng)人體治療等提供支持。

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Research on the Establishment and Application of Subject-specific Dielectric Properties Electromagnetic Model Using Hybrid Imaging Modalities

HU Can1, DENG Guan-hua1, LAN Mao-ying1, LIU Tian-qi1, HE Jun2, ZHANG Song-tao2, TANG Hong-ming2, XIN Xue-gang1
1. Department of Biomedical Engineering and Guangdong Provincial Key Laboratory of Medical Image Processing, Southern Medical University, Guangzhou Guangdong 510515, Сhina; 2. Shanghai Сhenguang Medical Technologies Сo., LTD, Shanghai 201707, Сhina

This paper aimed to explore the establishment of dielectric properties subject-specific electromagnetic model using hybrid imaging modalities and to provide necessary load model to analyze and calculate the distribution of electromagnetic felds in the tissues. Based on the computed tomography (СT) and magnetic resonance (MR) images, this paper established the subject-specific dielectric properties electromagnetic model named ‘fusion’. Based on the СT images, this paper also established another model named ‘single’. By using the established models, electromagnetic simulations were implemented to obtain the distribution of the B1feld and SAR at 1.5 T and 3 T. By comparing the results of ‘fusion’ model and ‘single’ model, we can conclude that the subject-specific dielectric properties electromagnetic model using hybrid imaging modalitiesis capable of offering subtler results for predicting the B1feld and SAR distribution.

hybrid imaging modalities; electrical properties; subject-specifc electromagnetic model; local SAR; B1feld

R318

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.05.006

1674-1633(2016)05-0023-07

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（61172034, 61528102），廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015A030313234），廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015B020214006），廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014J4100160），上?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（15441907500）。

辛學(xué)剛，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榇殴舱癯上窦夹g(shù)及應(yīng)用、腫瘤微環(huán)境檢測(cè)、腫瘤早期發(fā)現(xiàn)、非電離電磁場(chǎng)和生物組織作用機(jī)制。

通訊作者郵箱：xxg@smu.edu.cn