金瑋，李斌

上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備處，上海市，200030

在我國醫(yī)療事業(yè)高速發(fā)展的今天，磁共振成像以高于CT數(shù)倍的軟組織分辨能力，直接顯示任意角度切面圖像和無電離輻射的優(yōu)點(diǎn)使其成為醫(yī)院影像診斷最為重要的手段之一。在磁共振成像系統(tǒng)幾十年的發(fā)展過程當(dāng)中，新技術(shù)層出不窮。磁體方面從最初的永磁型磁共振發(fā)展到如今最普遍的超導(dǎo)型磁共振，提高了場(chǎng)強(qiáng)和磁場(chǎng)均勻度；梯度系統(tǒng)由單梯度發(fā)展到雙梯度，克服了外周神經(jīng)刺激問題；射頻系統(tǒng)從開始的兩通道發(fā)展到到現(xiàn)在主流的16通道甚至32通道，出現(xiàn)了雙源和四源發(fā)射技術(shù)，與并行成像技術(shù)相結(jié)合，在大大縮短了掃描時(shí)間的同時(shí)又提高了信噪比，這些磁共振子系統(tǒng)的不斷改良帶來了更快的掃描速度和更優(yōu)秀的圖像質(zhì)量。

如今，在常規(guī)磁共振一味增加射頻通道數(shù)和提高場(chǎng)強(qiáng)時(shí)卻遇到了保真度下降和噪聲增加的瓶頸，光纖磁共振的誕生不僅在很大程度上解決了上述問題，而且還改變了磁共振發(fā)展的方向。從此磁共振系統(tǒng)不再是純粹射頻通道的堆加或是梯度參數(shù)的改進(jìn)，而是從系統(tǒng)材質(zhì)上進(jìn)行改良以獲得更好的成像效果。

1 新光纖磁共振的硬件技術(shù)

1.1 射頻系統(tǒng)的創(chuàng)新

新一代磁共振系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是在射頻接收通路中先進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而傳輸?shù)男盘?hào)是數(shù)字而不是模擬，但是人體內(nèi)的質(zhì)子共振信號(hào)被特定線圈采集后，傳輸?shù)缴漕l信號(hào)接收板這一步驟中，模擬信號(hào)具體在什么位置被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，現(xiàn)今幾家主流廠商在處理這一問題時(shí)采取了兩種不同的方式。

1.1.1 線圈內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換

線圈采集到的模擬信號(hào)在傳輸時(shí)由于各種原因會(huì)有損失，那么模擬信號(hào)越快轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，則損失越少。信號(hào)是由線圈所采集，最快的轉(zhuǎn)化就是在線圈采集到信號(hào)之后。Philips公司最新的Ingenia提出了dStream影像鏈這一概念，其一大特點(diǎn)就是在表面線圈內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在信號(hào)被采集到線圈內(nèi)時(shí)就進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。這種射頻線圈內(nèi)的直接數(shù)字化，使單根光纖可以傳輸任意多通道線圈的數(shù)字信號(hào)，于是射頻通道數(shù)取決于線圈通道而非磁共振射頻接收系統(tǒng)，解放了磁共振系統(tǒng)本身。這也就意味著無需升級(jí)磁共振系統(tǒng)本身射頻通道，就可以連接任意多通道的線圈，為未來臨床應(yīng)用的拓展提供了無限的接收平臺(tái)。這樣的升級(jí)方式無疑可以大大降低現(xiàn)有設(shè)備的升級(jí)成本，使得目前許多8通道和16通道的機(jī)型可以配備更多通道的線圈，全面提高圖像質(zhì)量。

1.1.2 磁體內(nèi)置射頻系統(tǒng)

射頻信號(hào)在磁體間和設(shè)備間傳輸?shù)木嚯x相當(dāng)長，這不但造成了信號(hào)衰減，更增加了信號(hào)擾動(dòng)磁場(chǎng)的可能，更有甚者，有些醫(yī)院由于場(chǎng)地條件限制，機(jī)房布局不合理，造成更長距離的信號(hào)傳輸。相比較Philips Ingenia設(shè)備的線圈內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器，Siemens公司提出了磁體內(nèi)置射頻的概念，即將射頻發(fā)射和接收組件全部置于Skyra磁體內(nèi)，這樣一來接收射頻信號(hào)所需距離和時(shí)間都大大縮短，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后再傳輸回設(shè)備間的圖像重建器。其好處就是整個(gè)射頻回路與梯度控制環(huán)路耦合，形成實(shí)時(shí)反饋環(huán)路來控制射頻信號(hào)的發(fā)射接收，達(dá)到提升射頻場(chǎng)的時(shí)間穩(wěn)定性，最終提升成像質(zhì)量。

1.2 傳輸介質(zhì)的更替

從人體接收的模擬信號(hào)在轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)之后通過光纖進(jìn)行傳輸。

傳統(tǒng)的磁共振射頻系統(tǒng)接收信號(hào)的過程如圖1所示，表面線圈接收來自人體的模擬信號(hào)后經(jīng)由前端接口電路和濾波板傳輸?shù)皆O(shè)備間再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后交由重建器處理數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像。

圖1 傳統(tǒng)磁共振射頻系統(tǒng)接收信號(hào)過程Fig.1 The traditional MRI RF system received signal process

前端接口電路位于磁體間離磁體很近，濾波板位于磁體間與設(shè)備間的墻上，而進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的RX板在設(shè)備間，可以看到整個(gè)過程中，系統(tǒng)從接收信號(hào)開始到最后形成圖像經(jīng)過了很長一段信號(hào)傳輸過程，常規(guī)情況下磁共振的模擬信號(hào)在銅軸電纜中傳輸，模擬信號(hào)噪聲大且干擾嚴(yán)重，同時(shí)在漫長的傳輸過程中無可避免地有一部分模擬信號(hào)損失，根據(jù)信噪比的定義同等情況下噪聲增大必然造成圖像質(zhì)量下降。

對(duì)于光線磁共振來講，由于傳輸介質(zhì)是光纖，整個(gè)傳輸過程大大加快，同時(shí)傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)模擬信號(hào)損失的情況，這就相當(dāng)于抑制了噪聲從而保證圖像的信噪比。一些醫(yī)院因?yàn)閳?chǎng)地原因，設(shè)備機(jī)房的位置布局往往不太合理，造成長距離傳輸信號(hào)損失，把傳輸介質(zhì)更換為光纖可以將長距離傳輸信號(hào)的劣勢(shì)降到最低。

1.3 梯度系統(tǒng)的統(tǒng)一

在磁共振全身成像中，梯度場(chǎng)的幅度與掃描FOV的關(guān)系可以表示為FOV=1/γ Gt，其中γ是拉莫頻率，G是梯度場(chǎng)，當(dāng)FOV很小時(shí)施加的梯度場(chǎng)必須很大，由此磁共振梯度一直在追求更高的幅度值和更快的切換時(shí)間。然而，高性能的梯度帶來了外周神經(jīng)刺激問題，于是為了解決這一問題雙梯度應(yīng)運(yùn)而生[1-4]。市場(chǎng)上較早的Philips公司的Achieva系列和GE公司的HDx系列都是采用了雙梯度放大器帶動(dòng)雙梯度線圈的運(yùn)行模式。

隨著梯度系統(tǒng)的不斷發(fā)展，雙梯度系統(tǒng)的弊端開始顯現(xiàn)。梯度渦流補(bǔ)償在雙梯度模式下很難達(dá)到最優(yōu)，雙梯度互相之間的耦合調(diào)試?yán)щy，生產(chǎn)維修成本高等[5]。同時(shí)，由于并行成像技術(shù)發(fā)展成熟縮短了掃描時(shí)間，多源射頻發(fā)射技術(shù)很好地解決了均勻性問題，于是各個(gè)廠家的最新磁共振產(chǎn)品，如Ingenia、Skyra、MR360等，都摒棄了雙梯度系統(tǒng)轉(zhuǎn)而采用單一梯度驅(qū)動(dòng)。最新的磁共振其三軸梯度峰值最高可以分別達(dá)到45 mT/m，切換率可以達(dá)到200 m/T/s，梯度的爬升時(shí)間僅為225 ms，切換的時(shí)間相當(dāng)短，這對(duì)于臨床在持續(xù)掃描超快TE快速M(fèi)RA或是EPI成像時(shí)至關(guān)重要。

2 新光纖磁共振的軟件技術(shù)

2.1 偽影抑制技術(shù)

傳統(tǒng)的磁共振在EPI成像以及基于EPI的DWI掃描過程中會(huì)遇到化學(xué)偽影問題，這是由于在超導(dǎo)環(huán)境下水和油的共振頻率有差異導(dǎo)致了圖像上兩者空間位置出現(xiàn)分離。在進(jìn)行EPI序列和GRE序列掃描時(shí)，這種差異不會(huì)明顯體現(xiàn)出來，但是在DWI序列掃描時(shí)系統(tǒng)編碼方向的采樣帶寬很低，因此DWI序列掃描時(shí)化學(xué)位移偽影非常明顯[6]。GE公司的MR360磁共振依靠SPSP射頻脈沖與高幅度高切換率的梯度相結(jié)合給出了一種遏制此類偽影的方法。SPSP脈沖在掃描時(shí)避開掃描層中的脂肪信號(hào)而只激發(fā)掃描層中的水信號(hào)，這樣不但抑制了化學(xué)位移偽影，而且不必像傳統(tǒng)磁共振那樣因?yàn)椴捎脡褐蛄蠭R和SPAIR而帶來低信噪比。SPSP脈沖離不開高性能的梯度系統(tǒng)，沒有了梯度系統(tǒng)的快速切換，SPSP射頻脈沖的施加時(shí)間將顯著延長，由此帶來的后果就是TE增加，信噪比下降。

除了化學(xué)位移偽影，磁敏感偽影和GHOST也是傳統(tǒng)磁共振擴(kuò)散技術(shù)現(xiàn)在面臨的兩大難題。光纖磁共振通過提高信噪比，采用高性能梯度在最大程度上減少了這兩種偽影，擴(kuò)散B值和單層采集時(shí)間都可以達(dá)到高清標(biāo)準(zhǔn)，在臨床上利用光纖磁共振的這一優(yōu)勢(shì)可以通過定量分析擴(kuò)散系數(shù)判定病變性質(zhì)，對(duì)諸如腫瘤治療監(jiān)控等提供合格的平臺(tái)。

2.2 多核頻譜技術(shù)

單體素波譜成像和多維化學(xué)位移成像是當(dāng)下波譜分析最常用的技術(shù)。單體素波譜可以顯示頭部腫瘤，退行性病變和代謝類疾病異常等，包含了SE和STEAM技術(shù)。高端的三維化學(xué)位移技術(shù)可以掃描三維波譜數(shù)據(jù)來產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的圖像[7]，繼而優(yōu)化感興趣區(qū)域進(jìn)行三維化學(xué)位移成像，其頻譜數(shù)據(jù)可以用頻譜圖和彩色代謝圖表示出來，與常規(guī)解剖圖像疊加后清晰地顯示代謝類病變異常。在最新的多核頻譜技術(shù)中，包括3He、7Li、13C、17O、19F、23Na、31P和129Xe都可以成為激發(fā)對(duì)象，配合發(fā)射-接收線圈實(shí)現(xiàn)單共振和雙共振。更進(jìn)一步，基于氫質(zhì)子的核overhauser效應(yīng)科研的開展也成為了可能。

2.3 全身MRA成像技術(shù)

受到磁共振線圈等硬件上的制約，全身血管成像一直是當(dāng)前磁共振難以攻克的難題。結(jié)合西門子最新的TIM 4G線圈和全身成像軟件，磁共振終于可以做到從頭到腳一站式掃描。

TIM全身成像軟件提供了全身MRA及形態(tài)學(xué)檢查協(xié)議，結(jié)合高性能的梯度以及IPAT加速技術(shù)，進(jìn)行全掃描容積的高分辨率高對(duì)比度采集。另外，Skyra還提供了TIRM快速反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列支持對(duì)身體內(nèi)腫瘤轉(zhuǎn)移分布的評(píng)價(jià)，在不需要更換線圈的操作下解決了全身MRA成像難題。

2.4 圖像融合技術(shù)

CT、MR、PET等在影像診斷中各具優(yōu)勢(shì)，將這些設(shè)備的圖像融合在一起有助于提高診斷的準(zhǔn)確性。光纖磁共振在圖像融合方面以磁共振設(shè)備為中心平臺(tái)，與PET、CT、XA等圖像進(jìn)行alpha混合、MIP數(shù)據(jù)融合等，藉此呈現(xiàn)各方向上解剖圖中的關(guān)鍵點(diǎn)。

3 小結(jié)

磁共振成像技術(shù)發(fā)展到今天，單一地提升射頻和梯度性能無法解決磁共振本身存在的一些缺陷，新一代磁共振設(shè)備通過改變信號(hào)傳輸材料和重新設(shè)計(jì)射頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來更大地發(fā)揮磁共振成像的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)改進(jìn)原先存在的不足，使得原本臨床和科研中遇到的瓶頸被一一突破。硬件技術(shù)的發(fā)展是為了更好地服務(wù)軟件，軟件技術(shù)的發(fā)展離不開硬件，相信將來會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)7 T的磁共振應(yīng)用于臨床，會(huì)出現(xiàn)16通道甚至32通道射頻發(fā)射系統(tǒng)，但是更重要的是會(huì)有更多磁共振系統(tǒng)本質(zhì)上的革新和再造。光纖磁共振引領(lǐng)了這一趨勢(shì)，Ingenia和Skyra等機(jī)型的逐步普及將為醫(yī)學(xué)影像事業(yè)帶來更多發(fā)展的空間。

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