亚洲丶国产丶欧美一区二区三区_97色伦欧美日韩视频_隔壁老王精品国产_久久精品日本免费线

專注高端智能裝備一體化服務(wù)
認(rèn)證證書(shū)

【兆恒機(jī)械】磁共振成像發(fā)展與超高場(chǎng)磁共振成像技術(shù)

  • 點(diǎn)擊量:
  • |
  • 添加日期:2021年03月25日

摘要 20世紀(jì)70年代磁共振成像技術(shù)的發(fā)明為生物醫(yī)學(xué)成像開(kāi)辟了一個(gè)極富生命力的領(lǐng)域。隨著技術(shù)的進(jìn)步和生命科學(xué)研究的深入,磁共振成像技術(shù)正向超高場(chǎng)發(fā)展。文章將在介紹磁共振成像技術(shù)發(fā)展的歷史后,結(jié)合作者的認(rèn)識(shí),簡(jiǎn)要介紹超高磁共振成像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)方面的進(jìn)展。

關(guān)鍵詞 磁共振成像,超高場(chǎng),超導(dǎo)磁體,梯度

01
概述

自古以來(lái),人類出于對(duì)自身的認(rèn)識(shí),受疾病的困擾等原因,總是力圖探究人體自身的結(jié)構(gòu)和內(nèi)在的信息。由于條件的限制,那時(shí)只能通過(guò)外部手段試圖間接地獲取人體內(nèi)部的信息,因而創(chuàng)造出傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中的種種手段,比如中醫(yī)的望、聞、問(wèn)、切等方法?,F(xiàn)代科技的發(fā)展,使得人們可以通過(guò)一些物理的方法獲取人體內(nèi)部的圖像,從而能夠更精確地診斷疾病,更深入地認(rèn)識(shí)人體自身。比如常用的X光、CT、超聲、磁共振等成像方法,不僅可以獲得人體的內(nèi)部構(gòu)造圖像,還可以獲取生命活動(dòng)過(guò)程的影像。

1895 年德國(guó)物理學(xué)家威廉·倫琴發(fā)現(xiàn)X 射線,開(kāi)創(chuàng)了醫(yī)學(xué)影像的先河。1978 年,一位名叫G. N. Hounsfield 的工程師公布了計(jì)算機(jī)斷層攝影的結(jié)果。這是繼X射線發(fā)現(xiàn)后,放射醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里最重要的突破,也是20 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的重大成就之一。Hounsfield 與Cormack 由于在放射醫(yī)學(xué)中的劃時(shí)代貢獻(xiàn)而獲得了1979 年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。超聲成像設(shè)備的發(fā)展得益于在“二戰(zhàn)”中雷達(dá)與聲納技術(shù)的發(fā)展。20 世紀(jì)50 年代,簡(jiǎn)單的A型超聲診斷儀開(kāi)始用于臨床。到了70 年代,能提供斷面動(dòng)態(tài)的B型儀器問(wèn)世。80 年代初問(wèn)世的超聲彩色血流圖是目前臨床上使用的高檔超聲診斷儀。1945 年美國(guó)學(xué)者發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象。70 年代后期人體磁共振成像獲得成功。2003 年,諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了對(duì)磁共振成像研究作出杰出貢獻(xiàn)的美國(guó)科學(xué)家Paul C. Lauterbur 和英國(guó)科學(xué)家Peter Mansfied。

磁共振成像(magnetic resonance imaging,簡(jiǎn)稱MRI)通過(guò)檢測(cè)人體發(fā)射出的微弱電磁波,計(jì)算出人體內(nèi)部結(jié)構(gòu),其設(shè)備通常具有如圖1 所示的外觀。

image.png

圖1 目前常用的兩類醫(yī)用磁共振成像裝置

磁共振成像的基本原理來(lái)自于1946 年美國(guó)學(xué)者Bloch 和Purcell 的發(fā)現(xiàn)。在外磁場(chǎng)的作用下,利用人體自身發(fā)出的磁共振信號(hào),獲得人體內(nèi)部的磁共振斷層圖像。

自然界中的任何物質(zhì)都是由分子或原子組成的,如水分子H—O—H,是由2 個(gè)氫原子與1個(gè)氧原子組成。氫原子核中只有1 個(gè)質(zhì)子,有著沿自身軸旋轉(zhuǎn)的固有本性,質(zhì)子距原子核中心有一定距離。因此質(zhì)子自旋就相當(dāng)于正電荷在環(huán)形線圈中流動(dòng),在其周圍會(huì)形成一個(gè)小磁場(chǎng)。從經(jīng)典物理上看,所有含奇數(shù)質(zhì)子的原子核均在其自旋過(guò)程中產(chǎn)生自旋磁動(dòng)量,也稱核磁矩,它具有方向性和力的效應(yīng)。核磁矩的大小是原子核的固有特性,它決定磁共振信號(hào)的敏感性。氫的原子核最簡(jiǎn)單,只有單一的質(zhì)子,故具有最強(qiáng)的磁矩,最易受外來(lái)磁場(chǎng)的影響,并且氫質(zhì)子在人體內(nèi)分布最廣,含量最高,因此傳統(tǒng)的磁共振成像絕大多數(shù)都選用1H為靶原子核。人體內(nèi)的每一個(gè)氫質(zhì)子可被視作為一個(gè)小磁體(圖2)。

image.png

圖2 氫原子核的自旋產(chǎn)生磁場(chǎng)

從微觀量子力學(xué)上看,原子核的自旋是微觀粒子繞著軸高速旋轉(zhuǎn)(如地球自轉(zhuǎn)),其自旋的原因是存在自旋角動(dòng)量(固有角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的矢量和),自旋情況由核的自旋量子數(shù)I 來(lái)表征:

image.png

I=0,ρ=0,沒(méi)有自旋,不能產(chǎn)生自旋角動(dòng)量,不會(huì)產(chǎn)生共振信號(hào)。只有當(dāng)I >0 時(shí),才產(chǎn)生共振信號(hào)。

當(dāng)I≠0 時(shí)原子核具有自旋角動(dòng)量,同時(shí)電子繞著原子核運(yùn)動(dòng),等效于環(huán)電流,因此原子核周圍出現(xiàn)磁場(chǎng),原子核等效為磁棒。設(shè)原子核的磁矩為μN(yùn),其方向垂直于環(huán)電流方向,與自旋角動(dòng)量重合,其大小為:

image.png

其中,γN是核的旋磁比,與原子核運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān),h為普朗克常量。

無(wú)外磁場(chǎng)時(shí),自旋核的取向是任意的,其產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是任意的,宏觀上物質(zhì)沒(méi)有磁性;當(dāng)處于外磁場(chǎng)時(shí),自旋核的角動(dòng)量受到外磁場(chǎng)力矩作用而成一定規(guī)律排列。在直角坐標(biāo)系中,取z軸方向與磁場(chǎng)B0同向。那么,原子核的自旋角動(dòng)量在z 軸上的投影Pz的計(jì)算公式如下:

image.png

其中m為原子核的磁量子數(shù),共有2I 1 個(gè)可取的值,對(duì)應(yīng)于核自旋在空間的2I 1個(gè)可取向。

外磁場(chǎng)除了影響自旋角動(dòng)量外,還影響核磁矩μ。核磁矩在z 軸上的投影計(jì)算公式如下:

image.png

其中m為原子核的磁量子數(shù)。此外,磁場(chǎng)對(duì)磁矩的作用會(huì)使磁矩具有一定的附加能量。核磁矩的附加能量計(jì)算公式如下:

image.png

從上面幾個(gè)公式可知,核磁矩在磁場(chǎng)中的能量也是量子化的,稱為能級(jí)。m為正的能級(jí)稱為低能級(jí);m為負(fù)的能級(jí)稱為高能級(jí)。相鄰能級(jí)之間的能量差是一個(gè)常數(shù):

image.png

其大小與外磁場(chǎng)強(qiáng)度B0有關(guān)。

無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)的一個(gè)能量級(jí),在磁場(chǎng)作用下分裂成了2I 1 個(gè)能量級(jí),稱為塞曼能級(jí),這種分裂稱為塞曼分裂。磁共振頻率和原子核本身特性和外磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。

磁共振現(xiàn)象從微觀量子力學(xué)解釋,是指在一定條件下塞曼能級(jí)之間的共振吸收躍遷現(xiàn)象,當(dāng)處于外磁場(chǎng)作用下的自旋核接受拉莫頻率電磁波輻射,自旋核吸收的能量恰好等于兩個(gè)能級(jí)能量差時(shí),處于低能級(jí)的自旋核會(huì)躍遷到高能級(jí)處,就稱這個(gè)現(xiàn)象為核磁共振現(xiàn)象。躍遷到高能級(jí)的原子核,會(huì)同時(shí)向低能級(jí)弛豫,這一過(guò)程對(duì)外釋放能量,這些能量信號(hào)能夠被外部裝置接收,磁共振成像所采集的信號(hào)就是這種信號(hào),因此,從本質(zhì)上講,磁共振成像采集的是成像體自身發(fā)出的電磁信號(hào),相比其他電磁成像的物理原理,這是一個(gè)具有顯著特色的物理方法。

在靜磁場(chǎng)中,自旋核發(fā)生塞曼能級(jí)分裂,處在高能級(jí)和低能級(jí)的原子核數(shù)基本相等。在外部射頻場(chǎng)的照射作用下,自旋核可以發(fā)生能級(jí)躍遷,對(duì)于每一個(gè)自旋核來(lái)說(shuō),由下而上和由上而下的躍遷概率相同,但由于低能級(jí)上的核數(shù)較多,總的來(lái)說(shuō)仍出現(xiàn)凈吸收現(xiàn)象。人體內(nèi)包含大量的氫質(zhì)子,在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí),這些小磁體磁矩的方向是雜亂無(wú)章的,若此時(shí)將人體置于一個(gè)強(qiáng)大磁場(chǎng)中,這些小磁體的磁矩必須按磁場(chǎng)磁力線的方向重新排列。此時(shí)的磁矩有兩種取向:大部分順磁力線排列,它們的位能低,狀態(tài)穩(wěn);小部分逆磁力線排列,其位能高。兩者的差稱為剩余自旋,由剩余自旋產(chǎn)生的磁化矢量稱為凈磁化矢量,亦稱為平衡態(tài)宏觀磁場(chǎng)化矢量M0。在絕對(duì)溫度不變的情況下,兩種方向質(zhì)子的比例取決于外加磁場(chǎng)強(qiáng)度,磁場(chǎng)越高M(jìn)0越大,圖像的信噪比越高。

在MR的坐標(biāo)系中,主磁場(chǎng)方向一般稱為Z軸或稱縱軸,垂直于主磁場(chǎng)方向的平面為XY平面或稱水平面,平衡態(tài)宏觀磁化矢量為M,每個(gè)氫質(zhì)子除了自旋以外,其自旋軸還將繞著外磁場(chǎng)的方向(Z軸)旋轉(zhuǎn),稱其為進(jìn)動(dòng),其旋轉(zhuǎn)頻率稱為拉莫爾(Larmor)頻率γ,B為主磁場(chǎng)強(qiáng)度。

image.png

自從核磁共振現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后,隨著電子技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,磁共振成像方法被提出。從1978 年到1982 年,一些有實(shí)力、有遠(yuǎn)見(jiàn)的醫(yī)療器械公司注意到了MRI的巨大潛力,相繼開(kāi)始了MRI的商品化工作,他們投入了大量的資金,從各個(gè)大學(xué)網(wǎng)羅了一批專家,競(jìng)相試制。20世紀(jì)80 年代初有幾家公司的MRI樣機(jī)試制成功,并開(kāi)始了臨床試用。1983—1984 年美國(guó)儀器與藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)了4 家公司生產(chǎn)的MRI 機(jī)器上市,這標(biāo)志著核磁共振成像技術(shù)的基本成熟和MRI商品階段的開(kāi)始。1989 年國(guó)產(chǎn)0.15 T臨床磁共振成像設(shè)備由中國(guó)科學(xué)院電工研究所、聲學(xué)研究所等聯(lián)合科健公司開(kāi)發(fā)成功。

02
 磁共振成像發(fā)展簡(jiǎn)史

談到磁共振成像的發(fā)展,不得不從Bloch 和Purcell 說(shuō)起。珀塞爾(Purcell)1912 年8 月30 日出生于美國(guó)依利諾斯州的泰勒威里(Taylorville),1929 年進(jìn)入普渡大學(xué),1933 年從電機(jī)工程系畢業(yè),后來(lái)興趣轉(zhuǎn)向物理。1938 年珀塞爾在哈佛大學(xué)取得博士學(xué)位。1940 年,他到麻省理工學(xué)院輻射實(shí)驗(yàn)室工作,探索新頻帶和發(fā)展新微波技術(shù)。在靜磁場(chǎng)中核磁矩的能量處于量子化能級(jí),即能量決定于核回旋比和磁量子數(shù)。在熱平衡狀態(tài)下,粒子按玻爾茲曼定律分布,低能級(jí)的粒子數(shù)目多于高能級(jí)。若粒子在滿足共振條件的射頻電磁場(chǎng)作用下,則處于低能級(jí)的粒子吸收射頻場(chǎng)能量而躍遷到高能級(jí);處于高能級(jí)的粒子又可把能量交給晶格而回到低能級(jí)來(lái)。如果樣品的弛豫時(shí)間不太長(zhǎng),足以建立新的平衡,保持低能級(jí)粒子數(shù)多于高能級(jí)的,便可觀察到持續(xù)的核磁共振信號(hào)。珀塞爾把這樣的實(shí)驗(yàn)稱為“核磁共振吸收”。

1945 年12 月24 日,帕塞爾、托雷和龐德聯(lián)名寫(xiě)給《物理評(píng)論》編輯部題為“固體中核磁矩共振吸收”的一封信中,首次報(bào)告了在凝聚態(tài)物質(zhì)中觀察到的核磁共振現(xiàn)象。被觀測(cè)的物質(zhì)是置于強(qiáng)度為0.71 T磁場(chǎng)中的大約500 g 石蠟,線圈調(diào)諧到30 MHz,對(duì)磁場(chǎng)的掃描功率保持在10—11 W,在29.8 MHz 處記錄到線寬為40000 Hz 的核磁共振吸收譜線。

布洛赫(Bloch)1905 年10 月23 日出生于瑞士的蘇黎世,進(jìn)入蘇黎世的聯(lián)邦工業(yè)大學(xué),后來(lái)到德國(guó)萊比錫大學(xué)繼續(xù)研究,并于1928 年獲得博士學(xué)位。1934 年到斯坦福大學(xué)任教。布洛赫通過(guò)射頻接收的一般方法來(lái)檢測(cè)核磁矩的重新取向,他確信在1 cm3的水中,質(zhì)子在幾千高斯的磁場(chǎng)中共振時(shí),將會(huì)在圍繞的線圈上感應(yīng)出超過(guò)接收機(jī)噪聲的射頻電壓,信噪比不小于3。1945 年秋,在一個(gè)磁鐵兩極之間,有兩個(gè)軸線相互垂直的線圈,一個(gè)是發(fā)射線圈,另一個(gè)是接收線圈,兩線圈的軸線均與主磁場(chǎng)垂直。布洛赫認(rèn)為,核磁共振的基本事實(shí)在于核磁矩取向的改變。當(dāng)核磁矩在射頻場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)向時(shí),宏觀磁化矢量隨之改變。按照電磁感應(yīng)定律,這時(shí)在接收線圈上便產(chǎn)生一感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)??紤]到射頻場(chǎng)比探測(cè)的信號(hào)強(qiáng)得多,所以發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合必須相當(dāng)微弱,因此把它們安排成互相垂直的位置。在共振條件下,射頻場(chǎng)使核磁矩轉(zhuǎn)向,并弱耦合到接收線圈作為載波。發(fā)射線圈的端部還安裝兩塊半圓形導(dǎo)電片,以調(diào)節(jié)漏感的幅值和相位,從而可檢測(cè)到吸收信號(hào)或發(fā)射信號(hào)。在第一次觀察到核感應(yīng)信號(hào)的成功實(shí)驗(yàn)中,射頻頻率為7.76 MHz,相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.1826 T。

在此基礎(chǔ)上,Bloch 和Purcell 開(kāi)發(fā)了測(cè)量固態(tài)物質(zhì)核磁共振的儀器。

Raymond Damadian (State University of New York)用他的NMR設(shè)備,驗(yàn)證了同一組織的不同狀態(tài),或者不同組織的T1弛豫時(shí)間的差別,這是磁共振成像的生物特性基礎(chǔ)。1973 年P(guān)aul Lauterbur(State University of New York,圖3)描述了采用梯度磁場(chǎng)技術(shù)進(jìn)行的磁共振成像,通過(guò)反投影方法獲得二維圖像[1]

image.png

圖3 Paul Lauterbur 教授和世界上第一幅MRI圖像:4.2 mm直徑的試管中裝滿蒸餾水

1977 年7 月8 日,Peter Mansfield 和Andrew A. Maudsley 獲得了手指的斷層圖像,這是世界上第一幅人體圖像(圖4(a))。Peter Mansfield 還獲得了第一幅腹部圖像( 圖4(b))。1977 年Raymond Damadian完成了首臺(tái)磁共振成像儀的建造。

image.png

圖4 (a)世界上第一幅人體磁共振圖(Peter Mansfield)。他的學(xué)生Andrew Maudsley的手指頭;(b)腹部圖像

1974年4月,Richard Ernst注意到Lauterbur 在Raleigh (North Carolina)一次會(huì)議上的報(bào)告,他認(rèn)為采用脈沖梯度磁場(chǎng)可以取代Lauterbur的back-projection 成像方法。Richard Ernst 采用脈沖梯度磁場(chǎng)的方法,通過(guò)引入相位和頻率編碼,采用傅里葉變換的方法進(jìn)行二維磁共振成像(圖5),該方法隨后成為磁共振成像的標(biāo)準(zhǔn)方法。

image.png

圖5 Richard Ernst和早期的頭部磁共振傅里葉成像

1978 年Raymond Damadian 建立了FONAR公司,在1980 年制造了首臺(tái)商業(yè)MRI 掃描儀。1982 年Robert N. Muller 獲得第一幅磁化轉(zhuǎn)移磁共振圖像。1984 年FONAR公司獲得首個(gè)磁共振成像設(shè)備FDA許可證。1986年Jürgen Hennig 等人發(fā)明了RARE(rapid acquisition with relaxation enhancement)成像方法,Axel Haase 等開(kāi)發(fā)了FLASH(fast low angle shot)序列。1982 年Lauterbur 實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了三維磁共振成像,并在10 年后獲得商業(yè)應(yīng)用。1977 年Mansfield 發(fā)展了Echo-planar imaging(EPI),并且與Ian Pykett一起獲取了第一幅EPI 圖像。1965 年Edward O. Stejska 和John E. Tanner(the University of Wisconsin)對(duì)擴(kuò)散成像做了早期的研究。擴(kuò)散成像(Diffusion magnetic resonance imaging)用于探測(cè)水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),目前已經(jīng)廣泛用于MR神經(jīng)系統(tǒng)成像,20世紀(jì)90年代實(shí)現(xiàn)了腦功能成像。

在磁共振成像裝備的發(fā)展方面,以磁場(chǎng)強(qiáng)度為代表,從早期的永磁0.3 T開(kāi)始,出現(xiàn)過(guò)各種磁場(chǎng)強(qiáng)度的MRI 設(shè)備,比如永磁的0.2 T、0.3 T、0.5 T 等,超導(dǎo)的0.5 T、1 T、1.5 T、2 T、3 T、4.7 T、7 T、8 T、9.4 T、10.5 T、11.75 T 等,經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,超導(dǎo)MRI的磁場(chǎng)強(qiáng)度逐步固定下來(lái),臨床設(shè)備的磁場(chǎng)強(qiáng)度有1.5 T、3 T和7 T,這種標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展方便了磁體和射頻供應(yīng)商的產(chǎn)品開(kāi)發(fā),這兩個(gè)技術(shù)的發(fā)展也極大地促進(jìn)了MRI的技術(shù)提高。但是,從磁共振成像的歷史看,一個(gè)明顯的特征是成像原理和方法的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于硬件技術(shù)的發(fā)展。比如EPI 方法早在20 世紀(jì)70 年代就由Mansfield 提出,但是實(shí)際上得到大規(guī)模的應(yīng)用是在90 年代以后,主要的限制是磁共振成像各種硬件技術(shù)的限制。磁共振成像裝備在發(fā)展上需要解決眾多技術(shù)性的問(wèn)題。比如,早期的磁共振成像裝置均沒(méi)有渦流屏蔽設(shè)計(jì),導(dǎo)致梯度在磁體上產(chǎn)生較大的渦流,對(duì)一些成像方法有嚴(yán)重的干擾,一些永磁MRI 甚至無(wú)法有效運(yùn)行快速自旋回波序列?,F(xiàn)在的MRI 裝置早已普遍采用主動(dòng)屏蔽的梯度技術(shù),使得磁體的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性得到極大的提高。由于磁體的設(shè)計(jì)和工藝水平的提高,磁場(chǎng)在成像區(qū)內(nèi)的均勻性達(dá)到非常高的水準(zhǔn)(比如0.1 ppm),使得EPI 等序列可以順利運(yùn)行。

磁共振成像經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于醫(yī)學(xué)臨床和科學(xué)研究,其發(fā)展也遠(yuǎn)超當(dāng)初的水平,磁場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)從開(kāi)始的幾千高斯發(fā)展到目前的十萬(wàn)高斯甚至更高,其應(yīng)用也早已超出了臨床的范圍,已經(jīng)成為生命科學(xué)研究的重要工具。

03
超高場(chǎng)磁共振成像技術(shù)

迄今為止,所有人類成像的MRI系統(tǒng)的分辨率最高為200 μm,而且設(shè)計(jì)都以氫質(zhì)子的磁共振信號(hào)為出發(fā)點(diǎn)。由于腦科學(xué)研究的深入,需要更高分辨率的MRI系統(tǒng),使得人類成像的分辨率提高到50—100 μm的水平,并且可進(jìn)行比如代謝水平等的功能性成像。另一方面,23Na 等攜帶豐富代謝信息的非質(zhì)子核素也可以提供磁共振信號(hào),但由于其信號(hào)信噪比很低,當(dāng)前的MRI設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)對(duì)這類核素的磁共振成像。

根據(jù)磁共振物理學(xué)原理,圖像信噪比和頻譜分辨力隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而增強(qiáng)。想要提高磁共振成像的成像性能,需要進(jìn)一步提高M(jìn)RI系統(tǒng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度以及提高M(jìn)RI系統(tǒng)的梯度性能,以達(dá)到理想的信噪比,從而滿足超高分辨率成像的需要。越高的場(chǎng)強(qiáng)就會(huì)激發(fā)越多的自旋原子核參與成像,從而具有更高的靈敏度、分辨率、信噪比、對(duì)比度和影像清晰度。

超高場(chǎng)MRI的極高信噪比增益,可以實(shí)現(xiàn)高靈敏的X核成像。根據(jù)核磁共振原理,除了傳統(tǒng)的1H核外,大量的自旋原子核(X 核)也可以進(jìn)行磁共振成像,而其中一些是生命新陳代謝過(guò)程中至關(guān)重要的元素或其同位素,如23Na、13 C、19F、31P等。但是,在生命體中和1H相比,X核豐度有限;因此也只有在極高磁場(chǎng)的磁共振下,更多的X核被激發(fā)并參與成像,才能夠獲得高靈敏度和足夠的信噪比,使得高質(zhì)量X核成像成為現(xiàn)實(shí)。例如,60%的腦能量用于細(xì)胞膜的鈉鉀轉(zhuǎn)運(yùn),維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定亦具有重要意義,因此極高場(chǎng)磁共振的Na成像可以對(duì)于腦的細(xì)胞密度和細(xì)胞膜代謝高靈敏度分析實(shí)現(xiàn)突破。

因此,磁共振成像技術(shù)目前的發(fā)展趨勢(shì),是朝著更高磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)展,以期獲得更高分辨率的圖像,并實(shí)現(xiàn)多核成像。圖6 顯示了磁場(chǎng)強(qiáng)度的高低對(duì)圖像分辨率的影像,(a)為7 T 磁場(chǎng)下的圖像,(b)為0.35 T磁場(chǎng)下的圖像,二者的圖像分辨率可見(jiàn)一斑。

image.png

圖6 T2 加權(quán)成像(a)7 T 下的成像,分辨率約0.3 mm;(b)0.35 T下的成像,分辨率約1 mm

由于超高場(chǎng)(7 T以上)磁共振成像得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)和廣泛應(yīng)用前景,西方各國(guó)學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和政府機(jī)構(gòu)均高度重視,成為當(dāng)前磁共振成像領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。7 T 人體磁共振成像系統(tǒng)正在迅猛發(fā)展,西門(mén)子已推出7 T 臨床產(chǎn)品,目前全球裝機(jī)量正在迅猛增長(zhǎng)。更為先進(jìn)的研究型9.4 T人體磁共振成像系統(tǒng),目前全球已建和在建的也超過(guò)了4 臺(tái)。另外,國(guó)內(nèi)自行建造的9.4 T人類磁共振成像裝置也進(jìn)入了總體調(diào)試階段,它的建成不僅是國(guó)內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度最高的超高場(chǎng)磁共振成像裝置,在亞洲也是首屈一指。

目前國(guó)際上在建最高場(chǎng)強(qiáng)人體磁共振成像系統(tǒng)是正在法國(guó)研制的、耗資達(dá)2億多歐元的11.75 T系統(tǒng),已經(jīng)完成了超導(dǎo)磁體的建造工作,正在進(jìn)行調(diào)試,這預(yù)示著更高磁場(chǎng)強(qiáng)度的極高場(chǎng)(Extremely High Field,EHF)系統(tǒng)的研制呼之欲出。

2017 年,西門(mén)子公司將目前用于臨床的最高磁場(chǎng)強(qiáng)度的7 T 磁共振成像設(shè)備推向臨床,相應(yīng)地,國(guó)際電工學(xué)會(huì)將人體磁場(chǎng)安全限制也放寬到了8 T。

目前已經(jīng)建成的人類成像的最高磁場(chǎng)強(qiáng)度的裝置是位于明尼蘇達(dá)大學(xué)的10.5 T,由西門(mén)子公司為其建造(圖7)。

image.png

圖7 MAGNETOM 10.5 T(2008 年開(kāi)始建造,2018 年3 月1 月進(jìn)行人體掃描) (a)磁體;(b)射頻線圈;(c)人體圖像

該裝置的性能參數(shù)為:磁體重量110噸,被動(dòng)屏蔽,室溫孔徑88 cm,磁體長(zhǎng)度4.1 m,磁體寬度3.2 m,磁場(chǎng)均勻性<0.07 ppm/25 cm DSV,運(yùn)行溫度3 K,導(dǎo)線長(zhǎng)度433 km(NbTi 線)。該裝置2018 年3 月正式報(bào)告進(jìn)行了人體掃描實(shí)驗(yàn)[2]。

除了人體成像的超高場(chǎng)磁共振成像裝置外,用于動(dòng)物臨床前應(yīng)用的裝置在磁場(chǎng)強(qiáng)度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在了前面,10 年前就出現(xiàn)了16.4 T/26 cm動(dòng)物成像MRI 機(jī),德國(guó)的Bruker公司在幾年前也推出了更高磁場(chǎng)的動(dòng)物成像機(jī)—— 21 T/11 cm動(dòng)物成像MRI機(jī)(圖8)。

image.png

圖8 (a)21 T MRI磁體;(b)大鼠的腦部高分辨率成像(分辨率26 μm)

04
超高場(chǎng)MRI 的電磁場(chǎng)問(wèn)題

超高場(chǎng)MRI裝置的核心是超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。傳統(tǒng)的MRI超導(dǎo)磁體中的線圈采用NbTi 合金導(dǎo)線繞制[3],在7 T以下的設(shè)備上,NbTi 導(dǎo)線有上佳的表現(xiàn)。到了9.4 T 以上,在設(shè)計(jì)上則需要專門(mén)的策略,其臨界電流密度在9.4 T的磁場(chǎng)背景下接近了極限(圖9(a))[4]。對(duì)于11.7 T 的MRI磁體,有采用進(jìn)一步降低導(dǎo)線溫度的方案,使NbTi 導(dǎo)線依然能夠正常運(yùn)行(圖9(b))。更高的磁場(chǎng)則需要采用Nb3Sn材料。

image.png

圖9 (a)臨界電流密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系(NdTi、Nb3Sn、HTS);(b)法國(guó)能源署11.75 T人體成像MRI磁體

法國(guó)CEA的11.75T人體磁共振成像裝置參數(shù)為:磁體溫度1.8 K,磁場(chǎng)強(qiáng)度11.75 T, 磁場(chǎng)均勻度0.5 ppm/22 cm DSV,90 cm 室溫孔徑,主動(dòng)屏蔽。

超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的磁場(chǎng)均勻性是核心指標(biāo)之一,為達(dá)到所需要的均勻性指標(biāo),磁體在設(shè)計(jì)建造時(shí),需要幾個(gè)階段的設(shè)計(jì)與工藝制造:(1)設(shè)計(jì)一個(gè)繞組陣列,補(bǔ)償磁場(chǎng)的軸向變化,并且采用多個(gè)補(bǔ)償線圈,達(dá)到設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)均勻性。同時(shí),磁體通常配置多組的勻場(chǎng)線圈,用于勵(lì)磁后的磁場(chǎng)調(diào)節(jié);(2)磁體建造完成后,對(duì)實(shí)際的磁場(chǎng)形態(tài)測(cè)量; (3) 通過(guò)勻場(chǎng),補(bǔ)償實(shí)際磁場(chǎng)的不均勻性。

磁場(chǎng)的均勻性是超導(dǎo)磁體線圈設(shè)計(jì)的非常重要的方面, 然而,力的設(shè)計(jì)始終是一個(gè)嚴(yán)酷的問(wèn)題。任何磁體線圈的設(shè)計(jì),如果力和應(yīng)力超過(guò)某些限制,超導(dǎo)線圈將不可逆轉(zhuǎn)的損壞。另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是電流密度的最大值,它將影響超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)穩(wěn)定性和使用穩(wěn)定性。

勻場(chǎng)是超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)精細(xì)調(diào)整的一個(gè)過(guò)程,任何MRI 超導(dǎo)磁體建造完成時(shí),其初始的磁場(chǎng)均勻度都達(dá)不到使用要求,這個(gè)主要是磁體建造時(shí)的誤差帶來(lái)的。通常,超高場(chǎng)MRI磁體均需要超導(dǎo)勻場(chǎng)線圈,在超導(dǎo)磁體建造時(shí),即將多組的超導(dǎo)勻場(chǎng)線圈繞制在主線圈的外側(cè),調(diào)試時(shí)分別通過(guò)改變每組線圈的電流調(diào)節(jié)磁場(chǎng)均勻性,完成后將線圈閉環(huán)。

被動(dòng)勻場(chǎng)常常在超導(dǎo)磁體的勻場(chǎng)中被采用[5]。被動(dòng)勻場(chǎng)時(shí)通過(guò)在磁體內(nèi)壁或者梯度線圈內(nèi)部設(shè)置的若干個(gè)抽屜中放置導(dǎo)磁的材料實(shí)現(xiàn)的,該材料被飽和極化后,其磁場(chǎng)引起超導(dǎo)線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的變化,通過(guò)在適當(dāng)位置放置適當(dāng)?shù)膶?dǎo)磁材料,可以補(bǔ)償磁場(chǎng)的不均勻,并且具有很高的效率。圖10(a)為CAS的9.4 T MRI系統(tǒng)所使用的梯度線圈,在其中設(shè)置有36個(gè)抽屜,可進(jìn)行高階的勻場(chǎng)。

image.png

圖10 (a)制作完成的9.4 T梯度線圈;(b)繞制中的勻場(chǎng)線圈

在超高場(chǎng)MRI中,采用被動(dòng)勻場(chǎng)可能會(huì)帶來(lái)其他的問(wèn)題,比如溫度引起的磁場(chǎng)漂移和均勻性的變化,因此,需要仔細(xì)選擇勻場(chǎng)材料,并且盡量減少勻場(chǎng)材料的使用。

室溫勻場(chǎng)(RT shim)對(duì)于超高場(chǎng)磁體系統(tǒng)的磁場(chǎng)調(diào)整是必不可少的,它是對(duì)在磁體溫孔內(nèi)設(shè)置的若干組銅線圈施加電流,其產(chǎn)生的磁場(chǎng)補(bǔ)償磁體磁場(chǎng)的不均勻性。一般地,室溫勻場(chǎng)由多組線圈構(gòu)成,比如CAS的9.4 T 系統(tǒng)就采用了14 組室溫勻場(chǎng)線圈(圖10(b)),其參數(shù)如表1所示。

image.png

表1 CAS 9.4 T勻場(chǎng)線圈參數(shù)

超高場(chǎng)MRI 的梯度系統(tǒng)面臨一些新的問(wèn)題。梯度系統(tǒng)的性能主要由2 項(xiàng)指標(biāo)來(lái)表征:磁場(chǎng)梯度的最大強(qiáng)度(Gmax)和切換率。目前,商用的梯度Gmax 一般可以達(dá)到60 mT/m, 最大切換率200 T/m/s。對(duì)于梯度線圈的設(shè)計(jì)一般還是采用逆向方法進(jìn)行[6,7],并通過(guò)正向的優(yōu)化得到最終的線圈結(jié)構(gòu)[8,9]。圖11為CAS 9.4 T系統(tǒng)所采用的一種梯度線圈,其最大梯度強(qiáng)度Gmax 可達(dá)到80 mT/m,切換率達(dá)到400 T/m/s,由于采用非對(duì)稱設(shè)計(jì),PNS得到有效的減小。

image.png

圖11 9.4 T非對(duì)稱內(nèi)插梯度線圈

在超高場(chǎng)MRI中,梯度系統(tǒng)的運(yùn)行噪聲將高于普通的設(shè)備,其噪聲的主要來(lái)源是梯度線圈內(nèi)施加脈沖電流后,繞組在主磁場(chǎng)下洛倫茲力的作用產(chǎn)生的。1.5 T的設(shè)備最大的噪聲可達(dá)到120 dB[10],而對(duì)于11.7 T 的設(shè)備,最大的噪聲接近140 dB,必須對(duì)受試者加以聽(tīng)力保護(hù)。雖然有些靜音的措施,比如采用隔音材料[11],甚至修改序列和梯度脈沖的波形等,但是對(duì)于專門(mén)的成像掃描,噪聲依然是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。

梯度線圈的振動(dòng)對(duì)于超高場(chǎng)MRI也是需要注意的問(wèn)題。繞組的受力與電流和磁場(chǎng)均成正比(式8)。

image.png

超高場(chǎng)MRI 的梯度電流通??梢赃_(dá)到700 A以上,對(duì)于一個(gè)繞組長(zhǎng)度幾百米的線圈,繞組承受的總的電磁力可超過(guò)200 噸,這些力均作用在線圈的結(jié)構(gòu)上。由于超高場(chǎng)MRI的磁體通常都比較長(zhǎng),在梯度線圈放置的空間內(nèi)其磁場(chǎng)基本上為一個(gè)均勻的磁場(chǎng),梯度線圈都是對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此總的力與力矩都是平衡的。但是線圈的振動(dòng)是不可避免,特別是在接近線圈的共振頻率時(shí),小的電流即可引起線圈的振動(dòng)(圖12)[12],因此梯度線圈需要有堅(jiān)實(shí)的骨架支撐,線圈總重量可超過(guò)2噸[13]。

image.png

圖12 梯度線圈的振動(dòng)模擬計(jì)算

超高場(chǎng)MRI的射頻場(chǎng)設(shè)計(jì)也是一個(gè)較為困難的問(wèn)題。由于射頻頻率超過(guò)了300 MHz,介電常數(shù)引起的問(wèn)題非常突出。圖13 是一個(gè)在7 T 下的成像結(jié)果,可以看到在圖像內(nèi)部的信號(hào)非常不均勻,由于射頻波長(zhǎng)的極度縮短,組織的介電常數(shù)對(duì)射頻場(chǎng)的分布有極大的影響,這也是目前超高場(chǎng)MRI 需要解決的重要問(wèn)題之一。目前的9.4 T以上的MRI設(shè)備還難以獲得人體體部掃描的良好圖像,其主要應(yīng)用還是做頭部的掃描。

image.png

圖13 超高場(chǎng)下的射頻場(chǎng)不均勻性

SAR值升高是射頻場(chǎng)另一個(gè)問(wèn)題,隨著射頻頻率的提高,組織對(duì)射頻能量的吸收急劇上升,可導(dǎo)致組織局部的溫度升高。SAR值的計(jì)算可由式9表示。

image.png

σ為組織電導(dǎo)率,ρ為組織密度。對(duì)于SAR值各國(guó)和國(guó)際組織均有嚴(yán)格的限制,因?yàn)檫^(guò)量的射頻能量的吸收可能會(huì)對(duì)受試者造成危害。

圖14 是一個(gè)SAR值對(duì)大腦溫度升高的一個(gè)仿真結(jié)果[14],對(duì)于平均SAR=3 W/kg的頭部掃描,7 T(右側(cè))下的溫度升高顯著高于3 T(左側(cè))。因此在超高M(jìn)RI中均需要配置一個(gè)可靠的SAR值監(jiān)控裝置。

image.png

圖14 局部SAR值的仿真結(jié)果

為了形成一個(gè)較為均勻的射頻場(chǎng),超高場(chǎng)MRI一般都采用多通道的激勵(lì)線圈,通過(guò)調(diào)整每個(gè)線圈的相位,實(shí)現(xiàn)均勻的激發(fā)。

05
超高場(chǎng)磁共振成像的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在高場(chǎng)磁共振成像設(shè)備開(kāi)發(fā)方面較晚,1.5 T 臨床MRI 產(chǎn)品大約在2009 年前后才完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā),目前國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的最高磁場(chǎng)強(qiáng)度的臨床MRI 產(chǎn)品是3 T,在國(guó)家科技計(jì)劃的支持下,有企業(yè)正在開(kāi)發(fā)3.2 T 和5 T 的臨床MRI 產(chǎn)品。因此,國(guó)內(nèi)目前在超高場(chǎng)MRI的成果主要體現(xiàn)在應(yīng)用方面,為科研的需要,國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)采購(gòu)了大量的超高場(chǎng)磁共振成像設(shè)備,這其中又分為兩類:一類是用于動(dòng)植物成像的設(shè)備,磁場(chǎng)強(qiáng)度普遍較高,主要有7 T、9.4 T和11.75 T三種磁場(chǎng)強(qiáng)度;另一類是人類成像設(shè)備,目前只有7 T 人類全身磁共振成像裝置。

對(duì)于超高場(chǎng)MRI技術(shù)和設(shè)備的研發(fā),國(guó)內(nèi)一些機(jī)構(gòu)在做嘗試。筆者所在團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)協(xié)作,曾經(jīng)在2016 年開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)自主研發(fā)的7 T 磁共振動(dòng)植物成像系統(tǒng),采用自行研制的7 T 超導(dǎo)磁體、梯度線圈、譜儀控制臺(tái)等核心部件,成功完成系統(tǒng)的建造和測(cè)試,所獲得的測(cè)試圖像分辨率達(dá)到150 μm(圖15)。

image.png

圖15 (a)7 T/210 MRI 原型系統(tǒng);(b)梯度線圈(600 mT/m/300 A);(c)測(cè)試圖像(FLASH序列,分辨率150 μm)

目前正在中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所調(diào)試的9.4 T人類全身磁共振成像裝置,是采用自主研發(fā)的核心部件研制的國(guó)內(nèi)最高水平的磁共振成像裝置,現(xiàn)已完成了系統(tǒng)的整合,并獲取了模體的圖像,近期將完成系統(tǒng)調(diào)試(圖16)。該裝置的性能參數(shù)為:磁體運(yùn)行溫度4.2 K,80 cm 室溫孔徑,磁場(chǎng)均勻度0.05 ppm/22 cm,被動(dòng)屏蔽。

image.png

圖16 9.4 T人類全身磁共振成像裝置(CAS)

隨著應(yīng)用需求的提高,超高場(chǎng)MRI有向更高磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)展的趨勢(shì),2016 年開(kāi)始,國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界陸續(xù)提出了建造14 T甚至20 T人類成像裝置的可能性。從技術(shù)上看,因?yàn)樾】讖降膭?dòng)物成像裝置已經(jīng)做到了21 T,因此采用混合磁體方案是有可能達(dá)到14 T 以上中等孔徑的極高磁場(chǎng)強(qiáng)度的,實(shí)現(xiàn)人類的腦部成像。這種MRI裝置的出現(xiàn),可將人類探索生命過(guò)程的影像技術(shù)提升到亞微米時(shí)代,并且由于X核成像的實(shí)現(xiàn),能夠獲得前所未有的生命活動(dòng)的信息。

06
結(jié)束語(yǔ)

磁共振成像技術(shù)是人類了不起的一項(xiàng)技術(shù)發(fā)明,不僅為人們提供了一種安全有效的臨床醫(yī)學(xué)診斷工具,而且為人類認(rèn)識(shí)自己開(kāi)辟了一種可視化的研究途徑。作為一種強(qiáng)有力的研究方法,超高場(chǎng)磁共振成像將向更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)展,從而獲得更為精細(xì)的圖像?,F(xiàn)有的磁共振動(dòng)物成像的磁場(chǎng)強(qiáng)度為21 T,但是目前可穩(wěn)態(tài)運(yùn)行磁體的最高磁場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)27 T,這就為更強(qiáng)大的磁共振成像裝置的建設(shè)提供的基礎(chǔ),未來(lái)可能出現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)25 T,甚至達(dá)到30 T的極高場(chǎng)磁共振成像裝置,這就可以為科學(xué)研究提供一種活體觀察細(xì)胞尺度生命活動(dòng)的顯微成像方法,通過(guò)4D電影成像,動(dòng)態(tài)觀察研究生命活動(dòng)過(guò)程,正是應(yīng)用的需求和技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)超高場(chǎng)磁共振成像的發(fā)展。