光纤磁共振成像技术的发展

金玮，李斌

上海交通大学附属第六人民医院医学装备处，上海市，200030

在我国医疗事业高速发展的今天，磁共振成像以高于CT数倍的软组织分辨能力，直接显示任意角度切面图像和无电离辐射的优点使其成为医院影像诊断最为重要的手段之一。在磁共振成像系统几十年的发展过程当中，新技术层出不穷。磁体方面从最初的永磁型磁共振发展到如今最普遍的超导型磁共振，提高了场强和磁场均匀度；梯度系统由单梯度发展到双梯度，克服了外周神经刺激问题；射频系统从开始的两通道发展到到现在主流的16通道甚至32通道，出现了双源和四源发射技术，与并行成像技术相结合，在大大缩短了扫描时间的同时又提高了信噪比，这些磁共振子系统的不断改良带来了更快的扫描速度和更优秀的图像质量。

如今，在常规磁共振一味增加射频通道数和提高场强时却遇到了保真度下降和噪声增加的瓶颈，光纤磁共振的诞生不仅在很大程度上解决了上述问题，而且还改变了磁共振发展的方向。从此磁共振系统不再是纯粹射频通道的堆加或是梯度参数的改进，而是从系统材质上进行改良以获得更好的成像效果。

1 新光纤磁共振的硬件技术

1.1 射频系统的创新

新一代磁共振系统的最大特点就是在射频接收通路中先进行模数转换，从而传输的信号是数字而不是模拟，但是人体内的质子共振信号被特定线圈采集后，传输到射频信号接收板这一步骤中，模拟信号具体在什么位置被转化为数字信号，现今几家主流厂商在处理这一问题时采取了两种不同的方式。

1.1.1 线圈内置模数转换

线圈采集到的模拟信号在传输时由于各种原因会有损失，那么模拟信号越快转化为数字信号，则损失越少。信号是由线圈所采集，最快的转化就是在线圈采集到信号之后。Philips公司最新的Ingenia提出了dStream影像链这一概念，其一大特点就是在表面线圈内置模数转换器，在信号被采集到线圈内时就进行模数转换。这种射频线圈内的直接数字化，使单根光纤可以传输任意多通道线圈的数字信号，于是射频通道数取决于线圈通道而非磁共振射频接收系统，解放了磁共振系统本身。这也就意味着无需升级磁共振系统本身射频通道，就可以连接任意多通道的线圈，为未来临床应用的拓展提供了无限的接收平台。这样的升级方式无疑可以大大降低现有设备的升级成本，使得目前许多8通道和16通道的机型可以配备更多通道的线圈，全面提高图像质量。

1.1.2 磁体内置射频系统

射频信号在磁体间和设备间传输的距离相当长，这不但造成了信号衰减，更增加了信号扰动磁场的可能，更有甚者，有些医院由于场地条件限制，机房布局不合理，造成更长距离的信号传输。相比较Philips Ingenia设备的线圈内置模数转换器，Siemens公司提出了磁体内置射频的概念，即将射频发射和接收组件全部置于Skyra磁体内，这样一来接收射频信号所需距离和时间都大大缩短，经过模数转换后再传输回设备间的图像重建器。其好处就是整个射频回路与梯度控制环路耦合，形成实时反馈环路来控制射频信号的发射接收，达到提升射频场的时间稳定性，最终提升成像质量。

1.2 传输介质的更替

从人体接收的模拟信号在转化为数字信号之后通过光纤进行传输。

传统的磁共振射频系统接收信号的过程如图1所示，表面线圈接收来自人体的模拟信号后经由前端接口电路和滤波板传输到设备间再进行模数转换，然后交由重建器处理数字信号转变为图像。

图1 传统磁共振射频系统接收信号过程Fig.1 The traditional MRI RF system received signal process

前端接口电路位于磁体间离磁体很近，滤波板位于磁体间与设备间的墙上，而进行模数转换的RX板在设备间，可以看到整个过程中，系统从接收信号开始到最后形成图像经过了很长一段信号传输过程，常规情况下磁共振的模拟信号在铜轴电缆中传输，模拟信号噪声大且干扰严重，同时在漫长的传输过程中无可避免地有一部分模拟信号损失，根据信噪比的定义同等情况下噪声增大必然造成图像质量下降。

对于光线磁共振来讲，由于传输介质是光纤，整个传输过程大大加快，同时传输的是数字信号，不会出现传统模拟信号损失的情况，这就相当于抑制了噪声从而保证图像的信噪比。一些医院因为场地原因，设备机房的位置布局往往不太合理，造成长距离传输信号损失，把传输介质更换为光纤可以将长距离传输信号的劣势降到最低。

1.3 梯度系统的统一

在磁共振全身成像中，梯度场的幅度与扫描FOV的关系可以表示为FOV=1/γ Gt，其中γ是拉莫频率，G是梯度场，当FOV很小时施加的梯度场必须很大，由此磁共振梯度一直在追求更高的幅度值和更快的切换时间。然而，高性能的梯度带来了外周神经刺激问题，于是为了解决这一问题双梯度应运而生[1-4]。市场上较早的Philips公司的Achieva系列和GE公司的HDx系列都是采用了双梯度放大器带动双梯度线圈的运行模式。

随着梯度系统的不断发展，双梯度系统的弊端开始显现。梯度涡流补偿在双梯度模式下很难达到最优，双梯度互相之间的耦合调试困难，生产维修成本高等[5]。同时，由于并行成像技术发展成熟缩短了扫描时间，多源射频发射技术很好地解决了均匀性问题，于是各个厂家的最新磁共振产品，如Ingenia、Skyra、MR360等，都摒弃了双梯度系统转而采用单一梯度驱动。最新的磁共振其三轴梯度峰值最高可以分别达到45 mT/m，切换率可以达到200 m/T/s，梯度的爬升时间仅为225 ms，切换的时间相当短，这对于临床在持续扫描超快TE快速MRA或是EPI成像时至关重要。

2 新光纤磁共振的软件技术

2.1 伪影抑制技术

传统的磁共振在EPI成像以及基于EPI的DWI扫描过程中会遇到化学伪影问题，这是由于在超导环境下水和油的共振频率有差异导致了图像上两者空间位置出现分离。在进行EPI序列和GRE序列扫描时，这种差异不会明显体现出来，但是在DWI序列扫描时系统编码方向的采样带宽很低，因此DWI序列扫描时化学位移伪影非常明显[6]。GE公司的MR360磁共振依靠SPSP射频脉冲与高幅度高切换率的梯度相结合给出了一种遏制此类伪影的方法。SPSP脉冲在扫描时避开扫描层中的脂肪信号而只激发扫描层中的水信号，这样不但抑制了化学位移伪影，而且不必像传统磁共振那样因为采用压脂序列IR和SPAIR而带来低信噪比。SPSP脉冲离不开高性能的梯度系统，没有了梯度系统的快速切换，SPSP射频脉冲的施加时间将显著延长，由此带来的后果就是TE增加，信噪比下降。

除了化学位移伪影，磁敏感伪影和GHOST也是传统磁共振扩散技术现在面临的两大难题。光纤磁共振通过提高信噪比，采用高性能梯度在最大程度上减少了这两种伪影，扩散B值和单层采集时间都可以达到高清标准，在临床上利用光纤磁共振的这一优势可以通过定量分析扩散系数判定病变性质，对诸如肿瘤治疗监控等提供合格的平台。

2.2 多核频谱技术

单体素波谱成像和多维化学位移成像是当下波谱分析最常用的技术。单体素波谱可以显示头部肿瘤，退行性病变和代谢类疾病异常等，包含了SE和STEAM技术。高端的三维化学位移技术可以扫描三维波谱数据来产生代谢产物的图像[7]，继而优化感兴趣区域进行三维化学位移成像，其频谱数据可以用频谱图和彩色代谢图表示出来，与常规解剖图像叠加后清晰地显示代谢类病变异常。在最新的多核频谱技术中，包括3He、7Li、13C、17O、19F、23Na、31P和129Xe都可以成为激发对象，配合发射-接收线圈实现单共振和双共振。更进一步，基于氢质子的核overhauser效应科研的开展也成为了可能。

2.3 全身MRA成像技术

受到磁共振线圈等硬件上的制约，全身血管成像一直是当前磁共振难以攻克的难题。结合西门子最新的TIM 4G线圈和全身成像软件，磁共振终于可以做到从头到脚一站式扫描。

TIM全身成像软件提供了全身MRA及形态学检查协议，结合高性能的梯度以及IPAT加速技术，进行全扫描容积的高分辨率高对比度采集。另外，Skyra还提供了TIRM快速反转恢复序列支持对身体内肿瘤转移分布的评价，在不需要更换线圈的操作下解决了全身MRA成像难题。

2.4 图像融合技术

CT、MR、PET等在影像诊断中各具优势，将这些设备的图像融合在一起有助于提高诊断的准确性。光纤磁共振在图像融合方面以磁共振设备为中心平台，与PET、CT、XA等图像进行alpha混合、MIP数据融合等，藉此呈现各方向上解剖图中的关键点。

3 小结

磁共振成像技术发展到今天，单一地提升射频和梯度性能无法解决磁共振本身存在的一些缺陷，新一代磁共振设备通过改变信号传输材料和重新设计射频系统结构来更大地发挥磁共振成像的优势，同时改进原先存在的不足，使得原本临床和科研中遇到的瓶颈被一一突破。硬件技术的发展是为了更好地服务软件，软件技术的发展离不开硬件，相信将来会出现场强7 T的磁共振应用于临床，会出现16通道甚至32通道射频发射系统，但是更重要的是会有更多磁共振系统本质上的革新和再造。光纤磁共振引领了这一趋势，Ingenia和Skyra等机型的逐步普及将为医学影像事业带来更多发展的空间。

[1] Harvey PR,Katznelson E.The modular gradient coil：an holistic approach to power efficient and high performance whole-body MR without peripheral nerve stimulation[J].MAGMA,1999(9):152-155.

[2]Harvey PR,Katznelson E.Modular Gradient Coil：A new concept in high-performance whole-body gradient coil design[J].Magn Reson Med,1999.2:561-570.

[3]Harvey PR,Mansfield P.Avoiding peripheral nerve stimulation：gradient waveform criteria for optimal resolution in echo-planar imaging[J].Magn Reson Med,1994,32(2):236-241.

[4] Harvey PR.The modular(twin)gradient coil-high resolution,high contrast,diffusion weighted EPI at 1.0 Tesla[J].Magn Reson Mater Phy,1999,8(1):43-47.

[5]何文胜.磁共振影响系统双梯度技术的发展和现状[J],中国医疗设备,2010,25(11):51-54.

[6]GE医疗,OpTix MR引领1.5T进入光纤时代[J].中国医院院长,2011,20:77.

[7]霍珊珊,沈智威,陈耀文,等,多体素1H磁共振频谱绝对定量脑内代谢物的方法[J].国际生物医学工程杂志,2011,34(3):174-178.