劉志超 楊 炯 王曉楓 張志強(qiáng) 劉海峰*

車載式磁共振成像系統(tǒng)的研制

劉志超①楊 炯①王曉楓①?gòu)堉緩?qiáng)①劉海峰①*

目的：研制具有診斷精確、性能穩(wěn)定以及機(jī)動(dòng)性和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的車載式磁共振成像系統(tǒng)設(shè)備，保障應(yīng)急醫(yī)療任務(wù)的完成。方法：運(yùn)用相關(guān)專業(yè)技術(shù)，通過磁共振系統(tǒng)及車載系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)，結(jié)合具體實(shí)際情況，基于開放型永磁核磁設(shè)備進(jìn)行研制。結(jié)果：本研究從車載式磁共振成像系統(tǒng)及多方面因素進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，具有磁通會(huì)聚的恒定磁場(chǎng)技術(shù)、磁場(chǎng)反饋主動(dòng)磁場(chǎng)穩(wěn)定技術(shù)以及流線型射頻發(fā)射技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，采用多通道采集和多軌跡掃描技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，利用現(xiàn)代化的信息系統(tǒng)快速成像，保證圖像清晰，實(shí)現(xiàn)了固定式開放型永磁磁共振系統(tǒng)的功能要求。結(jié)論：車載式磁共振成像系統(tǒng)能夠顯著提高應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)救治診斷的便捷性與準(zhǔn)確性，達(dá)到快速、高效處理野外突發(fā)事件醫(yī)療能力的要求。

車載；核磁共振；成像系統(tǒng)；研制

劉志超，女，(1986- )，碩士研究生，醫(yī)師。武警總醫(yī)院醫(yī)務(wù)部，從事衛(wèi)勤救援研究工作。

目前，就圍繞應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)展開快速、有效的醫(yī)療救護(hù)，提高傷員救治率，降低傷死率是軍隊(duì)醫(yī)療應(yīng)急研究的一項(xiàng)重要課題[1]。而傳統(tǒng)診療技術(shù)在處置災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的救治方面難以達(dá)到迅速、準(zhǔn)確的診斷需求。研制靈活性強(qiáng)、精確性高的診斷設(shè)備，能夠提高妥善處理突發(fā)事件的能力。

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)技術(shù)因其具有高組織分辨力、空間分辯力和無硬性偽跡、無放射損傷等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于臨床。但由于其成像裝置原理和構(gòu)造十分復(fù)雜，所涉及到的強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)射頻場(chǎng)和高速切換的強(qiáng)梯度場(chǎng)、低溫超導(dǎo)環(huán)境以及制冷系統(tǒng)等會(huì)存在許多不安全因素，從而加大了此類設(shè)備的研制難度[2]。因此，在救援醫(yī)學(xué)領(lǐng)域依舊缺乏完善的車載式MRI診斷設(shè)備，嚴(yán)重限制了現(xiàn)場(chǎng)致命疾病的快速準(zhǔn)確診斷[3-5]。

1 國(guó)內(nèi)外車載式MRI系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

近年來，移動(dòng)式CT已逐步應(yīng)用于處置突發(fā)事件的醫(yī)療診斷中，解決了顱腦外傷及腹部閉合傷等一系列問題，但因其對(duì)火器傷等造成的實(shí)質(zhì)臟器和軟組織復(fù)合損傷無法精確診斷，仍然存在一定的技術(shù)局限性。Schütz等[6]將車載式MRI應(yīng)用于馬拉松比賽現(xiàn)場(chǎng)的救治保障工作，由于其設(shè)備車身長(zhǎng)度均＞13 m，機(jī)動(dòng)性能差，只適合在路面平坦的城市道路工作，難以應(yīng)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)或自然災(zāi)害等爆發(fā)時(shí)所處的惡劣環(huán)境。鑒于戰(zhàn)場(chǎng)及災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)條件下，傷病員的時(shí)效救治直接關(guān)系到病死率，而準(zhǔn)確的傷情診斷和評(píng)估有賴于高精度診斷設(shè)備的支持。此外，實(shí)時(shí)、全面地收集數(shù)據(jù)將有利于戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)和災(zāi)害救援醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)傷病的研究，并意味著車載式MRI是一種在重大自然災(zāi)害環(huán)境下的醫(yī)療保障體系中不可缺少的醫(yī)療設(shè)備之一[7]。目前，雖然國(guó)內(nèi)部分醫(yī)療機(jī)構(gòu)已將移動(dòng)CT、移動(dòng)DR等大型醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用于災(zāi)害救援醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，但車載式MRI的應(yīng)用及相關(guān)研究尚屬空白。

2 車載式MRI系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)組成及功能

車載式MRI的設(shè)計(jì)制造是基于開放型永磁核磁設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)而開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)在車載環(huán)境下與固定核磁共振標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)相同的功能，其應(yīng)用需從載體的移動(dòng)性能、不同環(huán)境路況下設(shè)備穩(wěn)定性、使用安全性、運(yùn)行成本、功能配置以及圖像質(zhì)量等多方因素加以評(píng)估。

2.1 設(shè)計(jì)組成和功能參數(shù)

(1)主磁場(chǎng)強(qiáng)度。由于場(chǎng)強(qiáng)的提高要以更高的技術(shù)支持為前提，因此習(xí)慣上常以主磁場(chǎng)強(qiáng)度作為整個(gè)MRI系統(tǒng)最具代表的性能參數(shù)。磁體主要分為超導(dǎo)磁體和永磁體，場(chǎng)強(qiáng)在0.5 T以上的系統(tǒng)多采用超導(dǎo)磁體。這種磁體的缺點(diǎn)是磁體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需定期補(bǔ)充液氦。超導(dǎo)磁體需要額外的制冷設(shè)備為液氦容器降溫，因此運(yùn)行成本較高，而且增加了系統(tǒng)故障概率。低場(chǎng)強(qiáng)的磁體多為永磁型磁體，雖然場(chǎng)強(qiáng)較低，均勻性不如超導(dǎo)磁體，對(duì)溫度變化非常敏感。但其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，不消耗能量、維護(hù)保養(yǎng)方便等突出優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)制造的車載式MRI系統(tǒng)采用場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度為0.45 T的主磁體，通過反饋式主動(dòng)控制達(dá)到磁場(chǎng)穩(wěn)定的效果，磁場(chǎng)穩(wěn)定度可達(dá)0.1 ppm/h，磁體凈空間為40 cm。系統(tǒng)采用的開放式磁體實(shí)現(xiàn)了“輕量化”、“可旋轉(zhuǎn)”的需求，既具有高中場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，又同時(shí)具有開放型設(shè)備的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)。

(2)梯度磁場(chǎng)及切換率。其主要作用是完成MRI信號(hào)的空間定位，此外一些快速掃描序列及梯度回波也有賴于梯度場(chǎng)的作用。其性能決定了掃描速度、空間分辨率以及圖像幾何失真度等，本系統(tǒng)梯度最大電流為200 A，輸出電壓為160V。線性度：40 cm×40 cm×30 cm橢球優(yōu)于2.1%；主磁場(chǎng)均勻度：40 cm×40 cm×30 cm橢球優(yōu)于30 ppm；磁場(chǎng)穩(wěn)定方法：反饋式主動(dòng)控制；磁場(chǎng)穩(wěn)定度：0.1 ppm／h，磁體凈空間40 cm；最大梯度率：20 mT/m。梯度場(chǎng)切換率反映梯度場(chǎng)到達(dá)某一預(yù)定值的速度，在常規(guī)梯度基礎(chǔ)上附加梯度線圈，通過兩個(gè)梯度系統(tǒng)的疊加，在局部范圍內(nèi)達(dá)到較高的梯度場(chǎng)強(qiáng)，本系統(tǒng)切換率：60 mT/ms；梯度線圈：三維一體化平板指紋式線圈。

(3)射頻系統(tǒng)。系統(tǒng)主要功能是實(shí)施射頻激發(fā)并收集MRI信號(hào)，高場(chǎng)機(jī)器應(yīng)用中要測(cè)量患者體重，以保證患者的射頻吸收總量在安全限度之內(nèi)。在場(chǎng)強(qiáng)一樣的前提下，本系統(tǒng)功率放大器采用最大輸出率為5000 W。

(4)車載系統(tǒng)。車載MRI系統(tǒng)的承載和運(yùn)輸工具由帶有緩沖結(jié)構(gòu)的底盤和磁屏蔽恒溫車廂構(gòu)成，同時(shí)配備了發(fā)電機(jī)、空調(diào)及液壓系統(tǒng)等裝置。為保證MRI系統(tǒng)的正常工作與固定式系統(tǒng)相同，掃描間采用屏蔽以隔離外界的干擾。由于車載式MRI帶磁體運(yùn)輸，為了保證現(xiàn)場(chǎng)人員安全，車廂采取了磁屏蔽措施，嚴(yán)格限制高斯線在要求的范圍內(nèi)[7]。同時(shí)包括減震、溫控等若干自行研發(fā)系統(tǒng)(如圖1、圖2所示)。

圖1 車載式MRI承載車體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 車載式MRI技術(shù)特點(diǎn)

針對(duì)車載式MRI成像技術(shù)的要求，與傳統(tǒng)常規(guī)系統(tǒng)相比具有下述特點(diǎn)。

(1)磁通會(huì)聚的恒定磁場(chǎng)技術(shù)。由于車載系統(tǒng)的特殊使用環(huán)境，要求磁體系統(tǒng)維護(hù)方便，體積小巧、輕便。本系統(tǒng)與超導(dǎo)系統(tǒng)相比，不需要添加液氦等昂貴制冷劑，使用方面不需要特別的維護(hù)，與野戰(zhàn)及移動(dòng)使用環(huán)境兼容性好。磁通會(huì)聚技術(shù)可使磁體系統(tǒng)在具有較強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的前提下，其重量較傳統(tǒng)磁體減輕60%左右，體積明顯減小，有效滿足車載及特定環(huán)境空間等的實(shí)際要求。

(2)采用磁場(chǎng)反饋主動(dòng)磁場(chǎng)穩(wěn)定技術(shù)。與現(xiàn)有恒定磁場(chǎng)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)采用磁場(chǎng)跟蹤技術(shù)，通過獲得當(dāng)前磁場(chǎng)強(qiáng)度及其變化數(shù)據(jù)，通過主動(dòng)技術(shù)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)，可將磁場(chǎng)鎖定，其穩(wěn)定性達(dá)到超導(dǎo)磁體系統(tǒng)水平，且不受溫度等外界物理因素變化的影響。

(3)流線型射頻發(fā)射技術(shù)。該技術(shù)可在提高成像區(qū)射頻場(chǎng)均勻性的同時(shí)，減少射頻場(chǎng)的逸散，提高成像的均勻性，減少人體噪聲對(duì)成像的影響。

(4)合理減振下的多通道采集和多軌跡掃描。由于核磁車內(nèi)設(shè)備較為精密，部分為便攜式設(shè)備，需移動(dòng)使用，不可固定安裝[7]。車載磁體在野外工作時(shí)會(huì)受到頻繁振動(dòng)沖擊等機(jī)械環(huán)境損害，可能造成設(shè)備損壞和影響設(shè)備精度，因此對(duì)車載設(shè)備的抗振性能要求逐步提高，需要系統(tǒng)解決減震和固定問題[8-9]。

為了確保本研究設(shè)備在車載野戰(zhàn)環(huán)境下能夠穩(wěn)定工作，研制設(shè)計(jì)合理、規(guī)范的隔振緩沖系統(tǒng)，以保證磁體設(shè)備的性能穩(wěn)定、成像準(zhǔn)確[10]。除合理選擇減震效果顯著的汽車底盤增加平穩(wěn)度外，對(duì)醫(yī)療設(shè)備上的固定聯(lián)接處、移動(dòng)設(shè)備的放置處及工作臺(tái)采用合理的二次減震措施，在合理的減振條件下，采用4通道相控陣采集技術(shù)，能夠有效增強(qiáng)圖像質(zhì)量，多軌跡掃描技術(shù)可有效抑制運(yùn)動(dòng)和呼吸尾影。

(5)信息化系統(tǒng)。所用系統(tǒng)為醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用，顯著提高影像診斷效率，達(dá)到快速、便捷提取所需圖像信息的能力要求，在野戰(zhàn)救援條件下為醫(yī)生提供了網(wǎng)絡(luò)化及信息化的協(xié)同工作平臺(tái)，能夠高效、便捷的發(fā)揮設(shè)備的最大應(yīng)用價(jià)值[11]。

2.3 成像結(jié)果

結(jié)合車載式MRI系統(tǒng)良好的屏蔽和恒溫系統(tǒng)，保障成像系統(tǒng)的抗外界干擾能力，利用圖像處理技術(shù)提高核磁成像質(zhì)量，獲得最佳影像信息，成像速度快，圖像清晰，達(dá)到準(zhǔn)確處理圖像目的(如圖3所示)[12]。

圖3 車載式MRI頭部橫斷位(左圖)及矢狀位(右圖)圖像

3 結(jié)語(yǔ)

基于固定式開放型永磁磁共振系統(tǒng)，運(yùn)用相關(guān)專業(yè)技術(shù)，通過MRI系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)，成功研發(fā)車載核磁現(xiàn)代化醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，以車載式成功實(shí)現(xiàn)固定式開放型永磁磁共振系統(tǒng)的功能，擴(kuò)展了使用環(huán)境和技術(shù)的應(yīng)用范圍。以其靈活機(jī)動(dòng)的特性，既可節(jié)約資源、節(jié)省經(jīng)費(fèi)，成為部隊(duì)衛(wèi)勤車載保障新的單元模塊，同時(shí)也具備獨(dú)立診斷，完成救治任務(wù)的能力，能夠滿足未來高新技術(shù)條件下機(jī)動(dòng)、快速的軍隊(duì)衛(wèi)勤保障要求，有利于在災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)的普及應(yīng)用[15]。

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Research and development ofVehicle mounted magnetic resonance imaging system

LIU Zhi-chao, YANG Jiong, WANG Xiao-feng, et al// China Medical Equipment,2014,11(5):40-43.

Objective:To adapt to the anti-terrorism, disaster relief emergency medical support tasks, we need to develop a device mounted magnetic resonance imaging system for diagnostic accuracy, stable performance, flexibility and adaptability to environment, etc.Methods:Use of relevant expertise, systems and automotive systems by magnetic resonance layout, combined with the actual situation of the specific research based on open type permanent magnetic resonance equipment.Results:The research of design and manufactory onVehicle-mouted magnetic resonance imaging system, for example mobility, stability, safety, operation cost, function configuration and image quality. With a constant magnetic field, magnetic flux convergence, feedback active magnetic field technology and streamlined RF technology and a number of technical innovation, the images were processed using technology channel acquisition and multitask scanning, using fast imaging of modern information system, ensure the image clarity. Using the relevant professional and technical, by magnetic resonance system andVehicle system layout design, combined with the actual situation of open type permanent magnetic for the research and development. TheVehicle type magnetic resonance successfully fixed opening type permanent magnetic resonance system functional requirements.Conclusion:TheVehicle type magnetic resonance imaging system can significantly improve the treatment of the disaster site rescue army diagnostic convenience and accuracy, fast and efficient security processing field emergency capability requirements.

Vehicle; Nuclear magnetic resonance; Imaging system; Research and development

1672-8270(2014)05-0040-04

R445.2

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.05.015

2014-03-09

①武警總醫(yī)院醫(yī)務(wù)部 北京 100039

*通訊作者：haifengliu333@163.com

[First-author’s address]Department of Medical Administration, General Hospital of Chinese People's Armed Police Forces, Beijing 100039, China.