磁共振成像技術處于高速發展期

■ 文/寧瑞鵬

寧瑞鵬，華東師范大學物理與材料科學學院上海市磁共振重點實驗室高級工程師。

廣泛的應用領域和不斷提高的應用需求促進了磁共振成像技術在軟硬件功能和性能、脈沖序列設計和優化、圖像重建和處理等方面的不斷提升和拓展。

磁共振成像是利用人體中原子核在磁場中與外加射頻磁場發生共振而產生影像的成像技術。作為醫學影像核心技術之一，磁共振成像在許多方面有其獨到的優勢，例如優良的軟組織對比度、空間分辨率高、可任意方向斷層掃描、無電離輻射等。在臨床應用中，大部分磁共振信號都來自人體水中的氫原子核。除了氫核磁共振成像之外，還有碳、鈉和磷原子核磁共振成像。近年來，磁共振成像在醫學臨床診斷和神經科學研究等方面得到了廣泛關注和應用。在此過程中，一方面磁共振成像技術的進步推動了其在各應用領域的推廣；另一方面，廣泛的應用領域和不斷提高的應用需求也促進了磁共振成像技術在軟硬件功能和性能、脈沖序列設計和優化、圖像重建和處理等方面的不斷提升和拓展。磁共振成像技術仍處于高速發展期，相關的基礎研究和應用研究吸引了國內外大批科研人員和工程師。

磁共振成像方法

從成像方法的角度來看，磁共振圖像具有多參數、多對比度的特點。其既可以獲得縱向弛豫時間加權像、橫向弛豫時間加權像和質子密度加權像等常規對比度圖像，還可以獲得擴散加權像、擴散張量纖維束示蹤像、灌注加權像、磁敏感加權像以及波譜成像等多種復雜對比度圖像。近年來，隨著臨床和科研應用需求的不斷提高，包括T1-mapping、T2-mapping和磁敏感定量成像在內的多種定量磁共振成像方法得到了越來越廣泛的關注。定量磁共振成像可以為醫生和研究人員提供更客觀和更詳細的指標，是磁共振成像技術發展的重要方向之一。

從應用的角度來看，人體中除了肺部由于氫原子核少導致磁共振信號微弱之外，其他部位都可以進行常規掃描。由于一些人體重要器官不斷做非剛體運動（例如腹部臟器），而常規磁共振成像的掃描時間較長，因此如何在保證圖像對比度和信噪比的同時，提高磁共振成像掃描速度一直是磁共振領域的研究熱點。包括多回波快速成像、部分K空間填充和并行采集在內的多種技術已經被廣泛用于高場磁共振系統，提高成像速度。近年來，壓縮感知技術和GPU并行計算開始逐步被引入磁共振領域，進一步提高圖像采集和重建的速度，從而實現實時在線磁共振成像。

除了可以獲得組織結構信息，磁共振成像還可以獲得功能信息。隨著各國“腦計劃”的開展，BOLD-fMRI成為磁共振領域最大的熱點之一。當大腦完成某項任務時，相應腦區的神經元被激活，需要消耗更多的能量和氧。與之相適應的是，附近血管中血流量以及氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的比例將隨之改變，這些改變會影響瞬時磁共振信號的強度，因此利用BOLD-fMRI圖像的時間序列可以分析人腦的活動。目前，該領域處于快速發展階段，大量醫學、心理學和神經科學研究者基于神經活動與BOLD信號之間的關系來探索腦疾病、情緒和認知障礙以及正常心理認知活動的神經機制。現階段，該領域的技術瓶頸在于，BOLD信號是神經活動的間接反映，其時間分辨率和延遲受限于神經活動所產生的代謝變化。因此，與EEG、MEG等其他儀器結合使用，是未來一段時間內解決分辨率和延遲問題的可行方案。當然，聯合使用多種儀器就不可避免地涉及儀器平臺兼容的問題，這對儀器研發者和制造商來說，既是機遇也是挑戰。

磁共振成像設備的硬件系統主要包括磁體、梯度、射頻、成像譜儀和計算機等子系統，以及各種接收線圈和生理信號同步裝置等外圍設備。如果我們將整套磁共振成像設備看成是一個人，那么磁體相當于心臟，成像譜儀相當于大腦。前者為磁共振信號的產生提供“能量”，后者指揮其他硬件部件協同工作進行成像掃描。

磁共振成像技術

從儀器研發和制造的角度來看，近年來磁共振成像技術的進展主要體現在7T（特斯拉）磁共振獲得CE認證和3T磁共振的不斷完善，以及低場開放型磁共振成像系統的異軍突起。磁共振成像設備根據其磁場強度和所使用磁體類型可以分為高場超導型和低場永磁型兩大類。其中，高場超導型設備成像速度快、圖像質量高、實驗方法更加豐富，是每天需要掃描大量患者的大醫院或者進行科學研究工作的機構的首選。而低場永磁型設備的優勢在于設備成本和維護成本低，雖然在成像速度和圖像質量上無法和超導設備相比，但其圖像質量仍然可以滿足常規臨床檢查的需要，對于每天處理患者數量不多的中小醫院來說特別實用。此外，在食品檢測等特殊應用領域，低場磁共振發揮著不可替代的作用。

磁體系統是產生磁共振信號所必需的靜磁場的關鍵部件，其主要性能指標包括磁場強度、均勻度、穩定性和孔徑大小等。這些指標直接關系到信噪比、圖像均勻性和偽影等圖像質量問題。各大磁共振制造商一直努力研制場強更高、磁場均勻度和穩定性更優良的磁體。采用超導磁體是提高場強的主要途徑，而且隨著超導材料和低溫制冷技術的進步，超導磁體的性價比不斷提升。目前，國內少數磁共振設備廠家已經具備了獨立研制和生產磁共振成像超導磁體的能力，并且緊跟國際前沿推出大孔徑短磁體。另一方面，近年來高性能的低場開放型永磁磁共振設備也逐漸受到青睞。由于主磁場強度的高低與磁體的造價成正比，且在整機造價中占很高的比重，低場系統目前仍具有價格優勢。此外，低場系統更容易實現高開放度，因此在食品檢驗等領域低場設備具有技術上的優勢。當然，這與制造商努力將高場磁共振設備的技術移植到低場系統從而大大提升了低場系統的圖像質量是分不開的。

成像譜儀是磁共振成像系統的核心控制設備，負責控制系統其他硬件部件協同工作進行成像掃描，以及數據處理和數據通信。成像譜儀具有很高的技術含量，其性能和功能在很大程度上決定了整套成像系統的品質，多年來一直是磁共振學界和業界的研究熱點。隨著高場磁共振成像技術以及實時成像技術的發展，人們對成像譜儀采集和處理數據的要求越來越高。例如，多通道并行采集是提高成像速度的有效方法，但需要成像譜儀具有獨立的多路高性能接收通道并行工作。此外，在高場磁共振系統中，射頻場不均勻的問題顯得尤為突出，需要采用多通道線圈來解決這一問題，這也需要成像譜儀配備獨立的多路接收通道。另一方面，增加接收通道對提高數據采集速度是有利的，但同時加重了數據處理的負擔，因此需要在兩者之間達到需求平衡。目前，常規高場磁共振成像系統需要配置至少16路獨立接收通道，在使用具有更高通道數的接收線圈（例如32通道接收線圈）時，一般先對接收信號進行模擬合成，然后再輸送到接收通道。

從國內的發展情況來看，磁共振成像在醫學和神經科學領域的應用已經處于國際先進水平，一些優勢學科已經處于領先水平。在磁共振成像儀器技術方面，近年來在國家和地方政府的大力支持下，國內多家企業和科研院所聯合攻關，在關鍵部件和系統集成技術等方面都取得了令人矚目的成就，但仍與國際上磁共振成像三大制造商存在一定差距。在磁共振成像方法上，國內的研究能夠保持緊跟國際前沿熱點，但原創性工作相對較少。這一方面與國內獨立掌握儀器制造技術較晚不利于開展原創性工作有關，另一方面也與長期以來企業、醫院和科研單位的合作機制有關。但是，在多方努力下，這一局面正在逐步改觀。