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·1 ·20 卷 12 期 ≠ 2005. 12磁共振已经成为一种成熟的重要的临床成像方法 , 不仅仅因为它能根据诊断需要提供成像组织灵活多样的对比度 , 而且通过磁共振技术可以进行解剖和生理学的研究。近年来 , 受益于高科技特别是计算机技术的飞速发展 , 随着各种硬件和高级临床应用软件层出不穷的创新 , 磁共振扫描的技术和临床应用都呈现加速发展的态势 , 磁共振一直面临的临床和科研领域的一些难题 , 如伪影问题、心血管成像、功能与分子影像及 M R治疗等也有较大突破。其中起到关键作用的集中在超导技术、数字信号处理、并行采集技术、网络化等。1 磁共振成像设备的发展磁共振硬件技术的发展主要体现在高性能磁体、双梯度系统、多通道相控阵线圈以及并行采集技术等 , 提高了图像信噪比 ,缩短了扫描时间。1. 1 磁体的发展体现为超高场、短磁体、开放性以及低损耗等方面。 临床应用上磁共振系统的静磁场强度在 0. 2 T 到 3 T 之间 ,低场开放永磁和高场管状超导的磁体并存 ,已经有 0. 7 T 的开放磁共振 ,更高磁场强度的磁体也在不断的开发 ,已经有 4 T甚至 7 T 的磁共振用于科研 ,主要用于脑功能的研究。追求理想的信噪比和快速的扫描速度一直是人们多年来不懈的追求目标 ,众所周知 ,磁场强度越高 ,信噪比越高 , 扫描时间越短。由于高场磁共振在信噪比、分辨率、扫描时间上占有优势 , 1. 5 T 磁共振对组织和病变的显示、对微细结构和微小病变的显示检出率优于中低场磁共振 , 同时缩短了患者的检查时间 ,另外还可以开展波谱、功能成像的研究 ,已经成为当前市场的主流。然而人们并未满足于 1. 5 T 所带来成熟丰富的临床应用经验 ,开始对 3 T 磁共振有很大的兴趣。全身超高场磁共振在临床应用和科学研究中具有一系列的优点 , 如信噪比更高 , 功能与分子成像的结果更可靠 , 更有利于心脏和冠状动脉成像等。现在的第三代 3 T 磁共振已经解决了超高场磁共振面临的许多挑战和局限 , 例如双梯度线圈的采用使梯度系统的性能大大提高 , 新的磁体技术实现全身检查所必需的大而有效的扫描视野 , 真空降噪技术等的应用有效解决了噪声问题 , 磁体的自[收稿日期 ] 2005 - 07 - 15 [修回日期 ] 2005 - 09 - 05[本文作者 ] 倪萍 高级工程师 国家卫生部临床医学工程专家库专家 中华医学会专科会员
专 论
磁共振成像设备新进展
倪 萍 , 蔡 华
(南京军区福州总医院 医学工程器材科 , 福建 福州 350025)
[摘 要 ] 受益于高科技特别是计算机技术的飞速发展 , 磁共振成像设备近年来呈现出飞速发展的态势 , 体现为超高场、短磁
体、开放性以及低损耗等方面的高性能磁体、高性能的双梯度系统以及减低涡流、静音降噪技术 ,多通道相控阵线圈以及并行采集
技术等 ,提高了图像信噪比 ,缩短了扫描时间 ,为许多新技术在临床的运用奠定了硬件的基础 ,很好地解决了困扰临床很长时间的
伪影、心血管成像等难题 ,满足临床与科研的需要。高性能的计算机系统、后处理工作站、D ICO M 3. 0 兼容、以及人性化的操作界面
是磁共振另一特点。
[关键词 ]磁共振 ;磁体性能 ;梯度 ;并行采集
[中图分类号 ] R445. 2 [文献标识码 ]A [文章编号 ]1007 - 7510 (2005) 12 - 0001 - 04
The ne w development of ma gnet ic resonance ima ging
N I Ping , CA I Hua
( Fuzho u Ge neral Ho spit al of N a njing Milit a ry Regio n , Fuzho u Fujia n 350025 ,China)
Abstract : The develop me nt of M R focuses in hi gh perfo r ma nce magnet , t win grads t ech nolo gy , p hased ar ray coil a nd
p arallel imaging tech nolo gy. These t ech nolo gies raise SN R of images a nd sho rt e n t he ima ging time . Ma ny new clinical
t ech nolo gies have bee n ope ned o ut in o rder to solve t he p ro ble ms w hich have bee n faced fo r a lo n g time , such as ar t i2
f act s , imaging of heart a nd so o n. The y also meet t he needs of clinic a nd scie nt ific research . Ot her adva nce me nt s in
M R I tech nolo gy have made in high perfo r ma nce co mp ute r , adva nce dat a ma na ge me nt a nd so o n.
Key words : M R I ; magnet perfo r ma nce ; t win grads ; parallel imaging
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20 卷 12 期 ≠ 2005. 12·2 ·
屏蔽技术使 3 T 磁体对场地的要求只相当于九十年代初期的
1. 5 T 磁体 , 脉冲序列的优化有效地控制了射频能量的吸收
( SA R) ,同时多通道相控阵线圈以及并行采集技术的成熟应用
克服了 3 T 大量数据的接收、传输、及处理的瓶颈问题 ,目前 3 T
超高场磁共振已经成为成熟的临床和科研的高级双重平台 , 是
未来磁共振市场最快的增长点。
在超高场磁共振不断发展成熟之际 , 低场的开放永磁型磁
体也在迅速发展 , 它有许多高场所无法取代的优点 , 如不需要
消耗液氦 ,运转费用低廉 ; 噪声小 ,化学位移伪影小 ,射频能量
的吸收也少 ; 克服了幽闭恐惧症 , 便于儿童和重症患者的监护
以及介入的开展。为了在开放的同时追求更高的信噪比、更快
的成像速度 , 一方面提高永磁体场强和梯度、射频等的硬件指
标 ,另一方面 ,高场的许多脉冲序列被移植到低场中 ,许多高场
的功能也可以在开放型低场磁共振中得以实现。随着硬件软件
配置全面升级 , 现在的低场永磁磁共振与传统的低场磁共振相
比 , 图像质量有了较大提升 , 其性能和临床诊断移植了除波谱
和脑功能成像外的所有高场磁共振的功能。开放磁共振自上世
纪九十年代推出后 , 取得了良好的市场效果 , 特别在我国偏远
地区及中小医院依然具有广阔的市场。
由于人们对介入磁共振成像和运动医学中动态研究兴趣
的增加 , 为各种成像目的专门
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
的磁共振成像系统不断的出
现 ,如车载可移动的磁共振系统便于体检 ,还有乳腺专用机、心
脏专用机、四肢关节专用机以及介入治疗专用机等 , 用于手术
导航的的磁共振已经面世。随着人性化设计理念的深入人心 ,
开放系统还将继续强劲发展 , 现在甚至已经出现 1. 0 T 超导全
开放磁体系统。
一种被称为 Inside - o ut 的磁共振技术被研发出来 , 与传
统磁共振把被成像人体置于磁体内部不同 , 该技术将在磁体外
实现成像 , 实际上是一种微探针成像技术 , 把微型磁体加上微
型 R F 线圈 , 然后将其置于血管内实现成像。由于是近距离成
像 , 因此灵敏度大大提高 , 空间分辨率可达 0. 1m m , 能获得高
分辨的血管壁 M R 图像 , 还可以用于对前列腺癌的检测和病
程分期 ,或检测直肠癌、肺癌以及外周血管病变。
超导磁体的性能不仅体现在磁场强度的提高上 , 而且还包
括磁场屏蔽、匀场技术、液氦消耗成本的降低、制冷剂检测等方
面 ,总体来说 ,磁体性能的提高以尽量少的液氦消耗、尽可能低
的杂散磁场、容易安装维护为标志。磁体的制造者不断改进设
计 , 随着基础匀场和动态线性、动态高阶匀场技术的不断发展
和成熟 , 在保证磁场均匀度的同时 , 超导的管状磁体可以做得
更短、更开放、更人性化。在磁屏蔽上 ,有源屏蔽已经普遍使用 ,
使杂散磁场更小 , 高场磁共振对场地的要求降低 , 现在的 3 T
只需要过去 1. 5 T 所要求的面积。液氦消耗随着磁体制造工艺
的改进已经降到很低 , 如有的超导磁体采用了使磁体高稳定运
行的“4 K 冷头”,再辅以高效的保温设计 ,正常情况下可以做到
三年加一次液氦。另外 , 人们已经发现了临界温度在 100 K 的
超导材料 , 如果将这些高温超导材料用于超导磁体的制造 , 那
么 M R 磁体将告别液氦冷却时代 , 改用液氮即可 , 费用也就随
之大大降低。另外各厂家在磁体的安全性能方面采取了许多措
施 , 如使用实时磁体动态监测技术 , 对磁体的运行过程的各种
数据如温度、压力、液氦面等进行采集 ,便于及时了解磁体的状
况 ,一旦出现异常会及时报警 ,使发生失超的可能性降至最低 ,
大大提高了超导磁体运行的可靠性和安全性。
1. 2 梯度系统向高性能的双梯度方向发展
梯度强度、梯度切换率和爬升时间是梯度系统重要的性能
指标 ,它决定了最小层厚、最短的回波时间以及重复时间等 ,不
仅影响成像时间 , 而且决定图像的空间分辨率。梯度系统的发
展主要朝着高线性与快速响应的方向发展 , 以适应快速扫描序
列中梯度脉冲快速上升和翻转的需要 , 目前已达到 30~
40m T/ m ,有的甚至达 60m T/ m ;梯度切换率达到 200m T/ m/
s 或更高。
为了追求尽可能快的扫描速度 , 各公司都不断提高梯度场
的强度和梯度切换率。由于梯度场的快速开关会对人体造成刺
激 , 包括快速切换产生洛伦茨力带来的强大噪声 , 以及人体感
应电流对神经末梢的电刺激等 , 因此它的发展有个极限 , 必须
在受检者的生理忍受的安全极限之内 , 图 1 表示了梯度线圈长
度和周围神经刺激的安全范围的关系。线圈越短 , 临床检查的
安全范围越大 , 也就是说对于较短的梯度线圈 , 可以实现较高
的梯度性能。于是出现了双梯度系统。所谓双梯度 ,就是在主梯
度线圈内增设一个较短的梯度线圈 , 可以根据需要分别工作 ,
对于头部和心脏等对扫描速度要求较高的检查 , 用短磁体实现
高性能 ; 对于体部扫描等扫描范围较大的部位 , 特别是肥胖病
人 ,则用大的梯度线圈 ,这样可以实现各自的功能。双梯度技术
的采用 , 在实现最佳成像性能的同时大大提高了病人的流通
量 ,革新的技术优化了每一次扫描的时间 ,信噪比 ,分辨率和图
像质量。使用者能在两种梯度模式间自由切换 (精细扫描和全
身扫描) ,进而提高空间分辨率、信噪比和扫描覆盖范围。不仅
可以进一步提高梯度系统的性能 , 而且有效地减少了梯度场对
人体的刺激 , 特别适合于头部及心脏的功能性检查。双梯度系
统的出现使磁共振系统的性能出现突破性进展 , 进入了双梯度
时代。
图 1 梯度线圈长度范围与 PN S 曲线的关系
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·3 ·20 卷 12 期 ≠ 2005. 12
涡流是梯度系统设计中令人头痛的问题 , 它严重影响磁
场的均匀度 ,导致图像的伪影 ;而且涡流导致磁体发热 ,增加了
液氦的消耗。人们采取各种方法降低涡流 , 如采用特殊磁体结
构 ,或用高阻材料来制造磁体 ,从而减少涡流。噪声问题近年也
已引起各厂家重视 , 梯度线圈工作时在主磁场作用下产生洛伦
兹力 ,会使线圈在梯度场切换期间剧烈振荡 ,发出很大噪声。现
代临床成像要求常规地运用超快速的成像序列如 D W - E P I、
F R FS E 等 , 这些都依赖于很高的梯度场强度和梯度切换率。
高性能梯度带来更大噪声 , 有的达到一百多分贝 , 高技术序列
正是影响病人安全的噪声的根源 , 这不仅会造成病人的不适和
恐惧 , 而且对听力造成损害。静音技术正是平衡考虑到这些高
端应用和病人的安全性与舒适性 , 其核心主要包括以下几个方
面。一是真空腔 ,噪声通过空气的振动而传播的 ,真空是隔绝声
音传导的最有效措施 , 把梯度线圈置于封闭的真空腔内 , 以阻
断噪声的传播途径 , 因此大大减少了传递到病人的噪声水平 ;
还有的采用有源噪声控制技术 , 即采集目标区域的噪声进行分
析 , 在此基础上生成一个方向相反强度相等的声音信号 , 使之
与原噪声相互抵消 ; 有的通过改进脉冲序列达到降低噪声的目
的。另外 , 有的公司采用降阻尼材料的特殊设计应用使噪声阻
尼材料整合在发射接收的射频系统中 , 进一步提高降低噪声的
效果。
1. 3 射频系统朝多通道相阵线圈、并行采集技术及数字信号处
理的方向发展
磁共振射频系统由射频线圈、发射接收系统、射频功放等
组成 , 线圈是磁共振系统信号采集的设备 , 其灵敏度直接关系
到图像的好坏。它的发展已经从线极化到圆极化 , 从单通道到
多通道相控阵甚至全景一体化线圈 , 从硬到软 , 从体外到腔
内。这几年来 ,在磁共振设备中 ,射频线圈得到飞速发展 ,比如
肢体血管成像多通道线圈 , 带有光刺激的脑功能成像线圈 , 心
脏相控阵线圈 , 前列腺线圈 , 经鼻插入的食管线圈以及经导管
插入的血管内线圈等。有的公司推出“靶线圈”技术 ,针对不同
部位的生理特点而专门设计线圈 ,这是射频线圈发展的方向。
相控阵线圈技术的研制最早用来使表面线圈在保持线圈
固有信噪比的同时使获得的图像信号强度一致 , 在它的基础上
研制的并行采集技术是当前磁共振发展技术的一个热点 , 是磁
共振梯度编码形式的有利补充。众所周知 , 成像速度由梯度系
统的性能决定 , 然而梯度系统硬件不可能无限制的提高 , 受到
噪声、周围神经刺激阈值、以及制造成本、制造工艺的限制 , 当
它的发展几乎到达一个极限时 , 多线圈并行采集技术的出现并
在临床检查中的成功应用无疑起到一个“山穷水尽疑无路 , 柳
暗花明又一村”的效果 ,令人激动不已。并行采集技术利用与接
收线圈敏感特性相关的空间信息 , 通过增加笛卡尔傅立叶成像
K 空间中采样线的间距 ,减少相位编码采样步数 ,保持 K 空间
大小不变 , 使扫描时间在保持成像空间分辨率的情况下得到减
少。常见的有 S EN S E、SMA S H ,A SS E T ,i PA T 等等 ,并行采
集技术是在对成像空间分辨率及信噪比影响不大的前提下 , 缩
短扫描时间 , 从而降低腹部扫描时屏气的时间 , 提高时间分辨
率 ,缩短回波间隔 ,减少图像模糊及扭曲。在扫描时间不变的情
况下 , 它可以提高成像的空间分辨率或增加扫描层数 , 这在对
比增强磁共振血管成像的扫描中特别重要 , 可以在造影剂团注
后首过时得到更高分辨率的图像。在实际的临床应用中它的应
用十分广泛 ,特别在腹部成像、心脏成像、脑功能成像、弥散加
权成像等要求快速扫描的序列取得良好的效果。对于超高场
(3 T 及以上) 磁共振系统 , 多线圈并行采集技术的应用不仅仅
使得成像时间缩短 , 更重要的是它使成像所需的射频脉冲的数
量减少 , 减少病人对射频能量的吸收 (特别在腹部扫描) , 解决
了超高场磁共振在 SA RS 限制上所面临的难题。随着多通道线
圈的进一步开发和完善 , 以及软件算法方面的不断改进提高 ,
相信并行采集技术也将得到进一步的完善 , 其临床应用将越来
越广泛。
另外 , 射频系统的发射接收已经实现了全数字化和多通
道 ,在过去几年里 ,由于梯度系统的性能大大提高 ,梯度线圈的
切换极快 ,同时磁场强度不断提高 ,超高场磁共振的逐步推广 ,
导致对信号数字化处理的速度要求更高。先进的数字信号处理
(D SP) 方法允许采用一种新的方法处理时域的编码数据 ,硬件
上随着模数转换速度的提高 , 数字信号处理方法使得磁共振信
号以更高的频率采集 , 具有更好的保真性。磁共振系统不仅实
现了全数字化发射和信号接收 , 而且多路射频接收信号同时接
收和传输 ,高密度“靶向性”线圈和特定的脉冲序列 ,加上高性
能的高速成像链 , 避免了成像过程中的瓶颈效应 , 实现了最佳
的信噪比、分辨率和采集速度。某公司的 HDM R 就采用了全
程 32 通道可扩展带宽高性能超高速的成像链 , 配备了强大的
均衡的阵列处理技术 , 使成像链更加均匀 , 实现了线圈元素 -
接收通道 - 处理器的 1 - 1 - 1 均衡成像链 , 真正实现了射频发
射、信号接收、数据处理的数据直通。
2 其他辅助的性能特点
2. 1 先进的数据管理及适应医院信息化网络建设的要求
随着许多快速成像技术的广泛应用 , 如多通道并行采集技
术、螺旋扫描、辐射扫描等 ,在提高信噪比加快扫描速度的同时
需要计算机处理、存储大量的数据 , 因此当今及未来的磁共振
系统对计算机的性能要求进一步提高 , 大多采用速度高、体积
小、大容量、多任务的工作站作为主机。同时一般的磁共振系统
还配备专门的辅助工作站用作专门的图像后处理、三维显示、
M RA 重建等 , 同时为整个系统提供高效、强大和灵活的数据
管理功能 , 允许图像数据以通用的数据格式输出到便携的媒体
如 CD - RO M 、甚至 DVD 上 ,可以在家用电脑上读出图像 ,便
于病人的会诊 ,更有利于学术上的交流。
近年来 , 随着数字化成像技术、计算机技术和网络技术的
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20 卷 12 期 ≠ 2005. 12·4 ·准确进行相位测量的有效方法 ,其抗干扰能力强 ,测量准确 ,精度高。相关测试技术可应用于诸多领域 , 如相关测距、相关测速、流量检测、系统动态特性及系统故障诊断中 ,以及其它可通过延时相位测量间接可测的物理量的测量。[参考文献 ][ 1 ] 雷玉堂 ,王庆有 ,何加铭 ,等 . 光电检测技术 [ M ]. 北京 :中国计量出版社 , 1997.[ 2 ] 刘利秋 . 相关分析技术在工程测量中的应用分析与研究[J ] . 沈阳航空工业学院学报 , 2004 , (10) :67 - 69.[ 3 ] J . S. 贝达特 ,A . G. 皮尔索 . 相关分析和谱分析的工程应用[ M ]. 北京 :国防工业出版社 ,1983.[ 4 ] 雷振山 . L abV I EW 7 Exp ress 实用技术教程[ M ]. 北京 :中国铁道出版社 ,2004. ☆(上接第 6 页)
快速发展 , 各大医院的数字化建设的步伐越来越快 , PA CS 已
在国内大多数医院迅速发展并日益成熟 , 它全面解决了医学图
像的获取、显示、存储、传输和管理。医学数字成像和通信标准
D ICO M 3. 0 是美国放射协会和美国电器制造商协会联手制定
的、第一个广为接受的全球性医学数字成像和通信标准 , 目前
几乎所有的 M R 系统都是 D ICO M 3. 0 兼容的 , 这样便于简单
的接入 PA CS 网络。
医院网络化建设可以使得磁共振检查病人的信息登记、预
约、收费在网络中实现 ,避免重复输入信息 ;甚至可以事先根据
病人情况选择好相应的扫描序列 ,缩短检查时间。通过互联网 ,
还可以实现不同场地间扫描序列的共享 , 生产厂家也可以对设
备进行远程的诊断和维护。
2. 2 人性化的设计理念已经深入人心
磁共振的设计者不仅在磁体的设计上追求人性化 , 如尽可
能的开放、短磁体 ,各种降噪技术 ,界面更友好 ,颜色更加鲜艳 ,
提供受检者一个舒适温馨的成像环境 , 而且各种功能按钮、过
程显示、对讲系统等的设计也均体现了人性化原则。同时 ,操作
控制台继续朝窗口式 、鼠标控制的图形用户界面 GU I
(grap hical use r int e rf ace) 发展 ,许多主要的磁共振生产厂商
将操作系统从 U N IX 平台移植到 W INDO W 平台 , 使操作更
通俗易用。另外高分辨的液晶显示器已经取代传统笨重的
CR T 显示器。
2. 3 先进的临床应用层出不穷
磁共振技术的飞速发展归根到底还是为了解决一直面临
的临床和科研领域的一些难题 ,如伪影问题、心血管成像、功能
与分子影像以及 M R 介入等 ,这是磁共振发展的根本。磁共振
技术的发展 ,高速成像链的问世 ,使得 M R I 图像质量、成像速
度和临床功能为一体化的影像模式迈上新的台阶 , 能够提供前
所未有的图像细节和先进功能。
磁共振血管成像 M RA 的算法和数据处理进一步研制和
完善 , M RA 的显示比过去简单的最大密度投影 M IP 具有更
少的伪影 ,首过对比剂增强 M RA 的图像可以和 D SA 相媲美 ,
在疾病的确诊中得到广泛的认可 , 使病人免受介入检查的痛
苦。功能磁共振 f M R I 的统计学特征的研究近年来取得显著的
进展 ,利用血氧水平依赖对比机制进行的 f M R I 研究最初用来
研究正常和异常的脑功能 , 虽然这种方法目前对临床实践还没
有产生显著的影响 ,但是对于语言、记忆、注意、意识和思维等
大脑高级功能的机制的研究正在成为磁共振研究领域的新的
热点。也正因此 ,超高场 3 T 磁共振受到极大的推崇。磁共振图
像和其它影像设备如 P E T、脑磁图等的图像融合继续成为研
究发展的方向之一 , 该技术对于立体定向外科手术和放射手术
(如 X 刀、光子刀等)的治疗计划意义特别重大。随着开放磁共
振成像速度的提高以及磁场强度的提高 , 磁共振图像引导下的
外科和介入手术将进一步得到发展 , 由于磁共振没有电离辐
射 , 而且具有 C T 等成像设备所无法比拟的软组织对比度 , 因
此将在介入治疗方面具有极大的开发潜力。
磁共振技术尽管已经比较成熟 , 但是它日新月异的发展令
人振奋 ,并且耳目一新 ,它已经成为最广泛的诊断工具。目前磁
共振技术快速发展所面临的主要问题是受过专门训练并对磁
共振有一定研究的技术员和放射科医生的缺乏 , 由于磁共振是
一门多学科融合并且迅速发展的新兴学科 , 新的临床应用层出
不穷 ,大量的序列开发、功能的实现需要医生、技术员和工程人
员的共同努力 ,才能将磁共振所固有的功能潜力完全发挥。
随着科学技术的发展 , 科学技术人员和临床医生的共同努
力 ,磁共振的明天会更美好。相信 21 世纪它仍然富有极大的生
命力 ,得到持续的快速的发展。
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