李春舫，王浩宇，聶彬彬，左真濤，馬林，彭瑞云*

1.解放軍軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院，北京 100850；2.解放軍總醫(yī)院放射診斷科，北京 100853；3.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，中國(guó)科學(xué)院核分析技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049；4.中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所，腦與認(rèn)知科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101；*通訊作者 彭瑞云pengry@bmi.ac.cn

腦是微波輻射的敏感靶器官，微波輻射對(duì)腦結(jié)構(gòu)和功能均可造成影響[1-6]。探索微波輻射劑量與腦結(jié)構(gòu)和功能損傷之間的關(guān)系是研究微波輻射腦部生物效應(yīng)的基礎(chǔ)。大鼠是微波輻射生物效應(yīng)研究中的重要生物模型。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的不斷發(fā)展，CT、MRI等已廣泛應(yīng)用于通用大鼠模型的構(gòu)建中[7-8]。其中，基于 MRI構(gòu)建的通用大鼠模型可提供良好的軟組織對(duì)比度，并得到廣泛應(yīng)用[9-11]。然而，基于通用模型的微波輻射劑量計(jì)算忽視了受試個(gè)體之間的差異，這種個(gè)體差異會(huì)造成劑量計(jì)算的不準(zhǔn)確，最終影響量效關(guān)系研究的可靠性。基于MRI的個(gè)性化大鼠頭部模型構(gòu)建中存在諸多難題，在掃描過(guò)程中大鼠的呼吸和心跳等所引起的運(yùn)動(dòng)偽影會(huì)嚴(yán)重影響MRI成像質(zhì)量，對(duì)模型的構(gòu)建產(chǎn)生破壞性影響。

周期性旋轉(zhuǎn)重疊平行線(xiàn)增強(qiáng)重建（periodically rotated overlapping parallel lines with enhanced reconstruction，PROPELLER）掃描序列能夠有效控制運(yùn)動(dòng)引起的偽影[12]。本研究旨在提出一種基于PROPELLER掃描序列獲得的T2加權(quán)MRI圖像構(gòu)建個(gè)性化大鼠頭部模型的方法，并驗(yàn)證其應(yīng)用于計(jì)算微波輻射劑量的可行性，為精確的個(gè)性化微波輻射劑量計(jì)算及微波輻射致腦損傷的評(píng)估提供參考。

1 材料與方法

1.1 MRI檢查 選取 1只約 450 g雄性 Wistar大鼠，在3.0T MRI掃描儀（GE Discovery 750 MR）上使用四通道小動(dòng)物專(zhuān)用線(xiàn)圈進(jìn)行 T2加權(quán)像橫斷位掃描。為盡量避免掃描過(guò)程中大鼠呼吸和心跳運(yùn)動(dòng)造成偽影對(duì)圖像質(zhì)量的影響，本研究選用PROPELLER掃描序列。掃描參數(shù)：TR 8083 ms，TE 160 ms，翻轉(zhuǎn)角142°，成像范圍為100 mm×100 mm，層內(nèi)分辨率0.195 mm×0.195 mm，矩陣512×512，層厚1.5 mm，層間距0 mm，層數(shù)16，成像時(shí)間7 min 33 s。為檢驗(yàn)PROPELLER掃描結(jié)果對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)偽影的抑制作用，本研究采用傳統(tǒng)T2加權(quán)快速自旋回波掃描序列對(duì)大鼠頭部進(jìn)行掃描。掃描參數(shù)：TR 3500 ms，TE 99.68 ms，成像范圍100 mm×100 mm，層內(nèi)分辨率0.195 mm×0.195 mm，矩陣512×512，層厚1.5 mm，層間距0 mm，層數(shù)16，成像時(shí)間8 min 4 s。

1.2 個(gè)性化大鼠頭部結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建方法 參考大鼠斷層解剖彩色圖譜，根據(jù)T2加權(quán)PROPELLER圖像中各組織之間圖像對(duì)比度以及相對(duì)空間位置關(guān)系，使用基于MATLAB編寫(xiě)的程序以及iSEG（Zurich Med Tech AG）對(duì)包括腦、皮膚、脂肪、肌肉、骨骼和眼（玻璃體）等在內(nèi)的各主要組織逐層進(jìn)行圖像分割。最終獲得個(gè)性化大鼠頭部結(jié)構(gòu)模型，該模型整體大小為100 mm×100 mm×24 mm。

1.3 電磁輻射模擬計(jì)算方法 ①在個(gè)性化大鼠頭部結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上為各組織賦以相應(yīng)的物理參數(shù)，包括相對(duì)介電常數(shù)ε、電導(dǎo)率σ和組織密度ρ，以構(gòu)建相應(yīng)的電磁模型。在L波段（1.5 GHz）、S波段（3 GHz）和X波段（10 GHz）下，大鼠頭部各主要組織的物理參數(shù)見(jiàn)表1[13]。②分別采用L波段、S波段和X波段平面波，平均功率密度為10 mW/cm2，模擬微波自大鼠頭部模型背側(cè)入射，微波的電場(chǎng)（E）方向和磁場(chǎng)（H）方向互相垂直且均垂直于波的傳輸（k）方向。電場(chǎng)矢量均垂直于大鼠頭部模型長(zhǎng)軸（E極化），大鼠處于空氣中，空間外邊界設(shè)置為吸收邊界。為減小電磁波在網(wǎng)格中傳播時(shí)發(fā)生的畸變，要求網(wǎng)格邊長(zhǎng)δ滿(mǎn)足10δ≤λ，其中λ為入射波波長(zhǎng)。對(duì)于本研究中的最高頻率10 GHz（X波段）微波輻射，其在大鼠頭部組織中最短波長(zhǎng)λ=3.94 mm（眼玻璃體中），大鼠頭部模型網(wǎng)格化邊長(zhǎng)設(shè)為δ=0.2 mm可滿(mǎn)足上述要求。計(jì)算空間為長(zhǎng)方體，空間的網(wǎng)格總數(shù)為363×317×241。將個(gè)性化大鼠頭部電磁模型導(dǎo)入計(jì)算空間，運(yùn)用時(shí)域有限差分方法（finite difference time domain，F(xiàn)DTD）模擬微波與模型中各組織的相互作用過(guò)程，得到大鼠頭部各組織比吸收率（specific absorption rate，SAR）值分布。模擬過(guò)程在電磁生物仿真軟件Sim4Life（Zurich Med Tech AG）中進(jìn)行[14]。收斂級(jí)別（convergence level，CL）設(shè)定為－50 dB。為檢驗(yàn)基于個(gè)性化大鼠頭部模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在Sim4Life軟件提供的通用大鼠模型（Big Male Rat v1.x）基礎(chǔ)上同樣進(jìn)行模擬仿真，模擬方式及參數(shù)同上[15]。

2 結(jié)果

2.1 大鼠頭部組織分割及個(gè)性化模型構(gòu)建 使用PROPELLER和傳統(tǒng)快速自旋回波 T2加權(quán)掃描序列獲得的大鼠頭部結(jié)構(gòu)像見(jiàn)圖1。采用PROPELLER掃描序列可有效地控制大鼠呼吸和心跳引起的運(yùn)動(dòng)偽影所致圖像模糊，從而為構(gòu)建個(gè)性化的大鼠頭部模型提供了保證。使用優(yōu)化參數(shù)后的PROPELLER掃描序列獲得的大鼠頭部T2加權(quán)MRI結(jié)構(gòu)圖像見(jiàn)圖2A～C。參考大鼠斷層解剖彩色圖譜，對(duì)T2加權(quán)MRI圖像中腦、眼、皮膚、脂肪、肌肉和骨骼等組織進(jìn)行分割，見(jiàn)圖2D～F。經(jīng)過(guò)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整后，T2加權(quán)PROPELLER掃描序列能夠提供較好的組織對(duì)比度，為大鼠腦、眼、皮膚、脂肪、肌肉和骨骼等主要組織的圖像分割提供了保證，見(jiàn)圖2G。

表1 L波段、S波段和X波段下個(gè)性化大鼠頭部組織物理參數(shù)

圖1 PROPELLER掃描序列與傳統(tǒng)快速自旋回波掃描序列獲得的T2加權(quán)圖像比較。A～C分別為PROPELLER掃描序列獲得的T2加權(quán)像；D～F分別為對(duì)應(yīng)層面用傳統(tǒng)快速自旋回波掃描序列獲得的T2加權(quán)像；箭示呼吸運(yùn)動(dòng)偽影

圖2 大鼠頭部組織分割。A～C分別為PROPELLER掃描序列獲得的T2加權(quán)像；D～F分別為相應(yīng)的組織分割后結(jié)果；G為個(gè)性化大鼠頭部模型

2.2 大鼠頭部微波輻射SAR值分布 通過(guò)FDTD方法進(jìn)行模擬計(jì)算，不同波段（L、S和 X）微波輻射下，大鼠頭部SAR值分布情況見(jiàn)圖3。當(dāng)微波輻射從背側(cè)入射時(shí)，隨著頻率的升高（由L到X波段），微波入射深度逐漸變小。L波段時(shí)，高SAR值區(qū)域位于腦中心部位，見(jiàn)圖3A、D；S波段時(shí)，高SAR值分布區(qū)域向背側(cè)移動(dòng)，見(jiàn)圖3B、E；X波段時(shí)，高SAR值區(qū)域限于背部表層，見(jiàn)圖3C、F。對(duì)大鼠腦部的SAR值量化分析結(jié)果顯示，在不同頻率的微波輻射下，全腦平均 SAR值隨頻率增加而降低，L波段微波輻射從背側(cè)入射時(shí)全腦平均SAR值約為S波段微波輻射時(shí)的1.44倍，約為X波段微波輻射時(shí)的4.77倍?；趥€(gè)性化大鼠頭部模型計(jì)算得到的大鼠腦部平均SAR值分布規(guī)律與基于Sim4Life軟件提供的通用大鼠模型（Big Male Rat v1.x）模擬方針結(jié)果所顯示的規(guī)律一致。見(jiàn)圖4。

圖3 不同波段微波輻射從背側(cè)入射時(shí)大鼠頭部SAR值分布。色柱示相應(yīng)偽彩色所表示SAR值，箭示高SAR值區(qū)

圖4 基于個(gè)性化大鼠頭部模型與通用大鼠模型計(jì)算得到的大鼠腦部平均SAR值分布比較。色柱示相應(yīng)偽彩色所表示SAR值，箭示高SAR值區(qū)

3 討論

本研究提出了一種基于T2加權(quán)PROPELLER掃描序列的個(gè)性化大鼠頭部模型構(gòu)建方法，利用該方法構(gòu)建的模型能夠準(zhǔn)確顯示腦、眼、皮膚、脂肪、肌肉和骨骼等主要組織的形態(tài)、分布及相互之間的位置關(guān)系。一方面，利用PROPELLER掃描序列對(duì)運(yùn)動(dòng)偽影的抑制作用，可以獲得清晰的大鼠頭部 MRI斷層圖像，為模型的構(gòu)建提供保證；另一方面，經(jīng)過(guò)掃描參數(shù)優(yōu)化所得到的 T2加權(quán)圖像能夠提供良好的主要組織間對(duì)比度，便于組織分割。此外，在個(gè)性化大鼠頭部模型基礎(chǔ)上，本研究還分別模擬了不同波段（L、S和X波段）微波輻射從背側(cè)入射時(shí)大鼠頭部SAR值分布，并量化分析了全腦的平均SAR值，表明了該個(gè)性化模型應(yīng)用于微波輻射劑量學(xué)研究的可行性。由量化分析結(jié)果可見(jiàn)，在平均功率密度相同的條件下，隨著微波輻射頻率增高，全腦平均SAR值降低。當(dāng)微波輻射頻率較低時(shí)（如L波段），其入射深度較深，故全腦平均SAR值較高；而當(dāng)微波輻射頻率較高時(shí)（如X波段），其入射深度較淺，故全腦平均SAR值較低。這一現(xiàn)象是由高頻微波的“趨膚效應(yīng)”所致。

微波輻射劑量計(jì)算是微波輻射生物效應(yīng)研究的基礎(chǔ)。1981年，SAR值正式被美國(guó)國(guó)家輻射防護(hù)委員會(huì)采用，成為學(xué)術(shù)界認(rèn)可的電磁輻射劑量單位并得到廣泛使用。SAR值可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)劑量學(xué)和理論劑量學(xué)兩種方法獲得。實(shí)驗(yàn)劑量學(xué)主要是通過(guò)對(duì)生物仿真模型中的物理量（如電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度等）進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，作為模型中SAR值計(jì)算的基礎(chǔ)[16-19]。受生物仿真模型復(fù)雜度的限制以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境因素的影響，實(shí)驗(yàn)劑量學(xué)誤差較大。理論劑量學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)建立具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物體模型更為客觀和精確地描述電磁場(chǎng)與生物體之間的相互作用?；贛RI構(gòu)建的通用大鼠模型能夠精確地描述大鼠組織結(jié)構(gòu)，在電磁輻射劑量學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用。Hyun等[9]利用基于MRI構(gòu)建的通用大鼠模型，研究了不同頻率電磁輻射下大鼠腦大小和介電常數(shù)對(duì)SAR值的影響。Gajsek等[10]研究了實(shí)驗(yàn)劑量學(xué)和通用大鼠模型理論劑量學(xué)計(jì)算結(jié)果的一致性。蘇鎮(zhèn)濤等[11]基于 MRI構(gòu)建的通用大鼠模型，研究了高功率脈沖微波照射時(shí)大鼠體內(nèi)SAR值。

然而在具體的研究中，上述通用大鼠模型均忽視了個(gè)體差異帶來(lái)的影響，會(huì)引起SAR值劑量計(jì)算的偏差，最終影響微波輻射生物效應(yīng)研究的可靠性。本研究提出的個(gè)性化大鼠頭部模型構(gòu)建方法利用PROPELLER掃描序列的特點(diǎn)，解決了呼吸和運(yùn)動(dòng)偽影對(duì)大鼠頭部 T2加權(quán)結(jié)構(gòu)成像及組織分割造成的破壞性影響。與基于通用大鼠模型的劑量計(jì)算結(jié)果相比，基于該方法構(gòu)建的個(gè)性化大鼠頭部模型微波輻射劑量計(jì)算在能夠準(zhǔn)確反映不同波段微波輻射下 SAR值分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，避免了通用模型無(wú)法對(duì)研究中每只大鼠提供精確劑量分布的問(wèn)題，為個(gè)性化的微波輻射劑量計(jì)算、相應(yīng)的微波輻射腦損傷及有針對(duì)性的防治研究提供了條件。

本研究提出的一種基于T2加權(quán)PROPELLER掃描序列的個(gè)性化大鼠頭部模型構(gòu)建方法可有效抑制呼吸和運(yùn)動(dòng)對(duì)圖像造成的破壞性影響，并可準(zhǔn)確計(jì)算出不同波段（L、S和X波段）微波輻射下大鼠頭部各組織的SAR值分布，從而用于精確的個(gè)性化微波輻射劑量計(jì)算及微波輻射致腦損傷的評(píng)估。本研究提出的基于T2加權(quán)PROPELLER掃描序列的模型構(gòu)建方法尚存在進(jìn)一步改進(jìn)的空間。今后可根據(jù)研究需求將腦部進(jìn)一步細(xì)分為灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液等部分進(jìn)行模型構(gòu)建。此外，本研究中T2加權(quán)在3T MRI掃描儀下獲得，受信噪比的限制，其空間分辨率有待提高。可使用4.7T或7T等高場(chǎng)小動(dòng)物MRI掃描儀進(jìn)行掃描，獲得更精確的大鼠頭部三維模型，從而進(jìn)一步提高電磁輻射劑量計(jì)算的準(zhǔn)確性。

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