车载式磁共振成像系统的研制

2014-02-07刘志超王晓枫张志强刘海峰

中国医学装备 2014年5期

刘志超杨炯王晓枫张志强刘海峰*

车载式磁共振成像系统的研制

刘志超①杨炯①王晓枫①张志强①刘海峰①*

目的：研制具有诊断精确、性能稳定以及机动性和环境适应性强的车载式磁共振成像系统设备，保障应急医疗任务的完成。方法：运用相关专业技术，通过磁共振系统及车载系统布局设计，结合具体实际情况，基于开放型永磁核磁设备进行研制。结果：本研究从车载式磁共振成像系统及多方面因素进行设计研发，具有磁通会聚的恒定磁场技术、磁场反馈主动磁场稳定技术以及流线型射频发射技术等多项技术创新，采用多通道采集和多轨迹扫描技术对图像进行处理，利用现代化的信息系统快速成像，保证图像清晰，实现了固定式开放型永磁磁共振系统的功能要求。结论：车载式磁共振成像系统能够显著提高应急现场救治诊断的便捷性与准确性，达到快速、高效处理野外突发事件医疗能力的要求。

车载；核磁共振；成像系统；研制

刘志超，女，(1986- )，硕士研究生，医师。武警总医院医务部，从事卫勤救援研究工作。

目前，就围绕应急抢险救灾展开快速、有效的医疗救护，提高伤员救治率，降低伤死率是军队医疗应急研究的一项重要课题[1]。而传统诊疗技术在处置灾害现场的救治方面难以达到迅速、准确的诊断需求。研制灵活性强、精确性高的诊断设备，能够提高妥善处理突发事件的能力。

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)技术因其具有高组织分辨力、空间分辩力和无硬性伪迹、无放射损伤等诸多优点，已广泛应用于临床。但由于其成像装置原理和构造十分复杂，所涉及到的强磁场、强射频场和高速切换的强梯度场、低温超导环境以及制冷系统等会存在许多不安全因素，从而加大了此类设备的研制难度[2]。因此，在救援医学领域依旧缺乏完善的车载式MRI诊断设备，严重限制了现场致命疾病的快速准确诊断[3-5]。

1 国内外车载式MRI系统研究现状

近年来，移动式CT已逐步应用于处置突发事件的医疗诊断中，解决了颅脑外伤及腹部闭合伤等一系列问题，但因其对火器伤等造成的实质脏器和软组织复合损伤无法精确诊断，仍然存在一定的技术局限性。Schütz等[6]将车载式MRI应用于马拉松比赛现场的救治保障工作，由于其设备车身长度均＞13 m，机动性能差，只适合在路面平坦的城市道路工作，难以应对战争或自然灾害等爆发时所处的恶劣环境。鉴于战场及灾害现场条件下，伤病员的时效救治直接关系到病死率，而准确的伤情诊断和评估有赖于高精度诊断设备的支持。此外，实时、全面地收集数据将有利于战场救护和灾害救援医学领域相关伤病的研究，并意味着车载式MRI是一种在重大自然灾害环境下的医疗保障体系中不可缺少的医疗设备之一[7]。目前，虽然国内部分医疗机构已将移动CT、移动DR等大型医疗设备应用于灾害救援医学领域，但车载式MRI的应用及相关研究尚属空白。

2 车载式MRI系统设备结构组成及功能

车载式MRI的设计制造是基于开放型永磁核磁设备标准而开发，以实现在车载环境下与固定核磁共振标准系统相同的功能，其应用需从载体的移动性能、不同环境路况下设备稳定性、使用安全性、运行成本、功能配置以及图像质量等多方因素加以评估。

2.1 设计组成和功能参数

(1)主磁场强度。由于场强的提高要以更高的技术支持为前提，因此习惯上常以主磁场强度作为整个MRI系统最具代表的性能参数。磁体主要分为超导磁体和永磁体，场强在0.5 T以上的系统多采用超导磁体。这种磁体的缺点是磁体结构复杂，需定期补充液氦。超导磁体需要额外的制冷设备为液氦容器降温，因此运行成本较高，而且增加了系统故障概率。低场强的磁体多为永磁型磁体，虽然场强较低，均匀性不如超导磁体，对温度变化非常敏感。但其具有结构简单、造价低，不消耗能量、维护保养方便等突出优点。本设计制造的车载式MRI系统采用场强强度为0.45 T的主磁体，通过反馈式主动控制达到磁场稳定的效果，磁场稳定度可达0.1 ppm/h，磁体净空间为40 cm。系统采用的开放式磁体实现了“轻量化”、“可旋转”的需求，既具有高中场的优势，又同时具有开放型设备的应用优点。

(2)梯度磁场及切换率。其主要作用是完成MRI信号的空间定位，此外一些快速扫描序列及梯度回波也有赖于梯度场的作用。其性能决定了扫描速度、空间分辨率以及图像几何失真度等，本系统梯度最大电流为200 A，输出电压为160V。线性度：40 cm×40 cm×30 cm椭球优于2.1%；主磁场均匀度：40 cm×40 cm×30 cm椭球优于30 ppm；磁场稳定方法：反馈式主动控制；磁场稳定度：0.1 ppm／h，磁体净空间40 cm；最大梯度率：20 mT/m。梯度场切换率反映梯度场到达某一预定值的速度，在常规梯度基础上附加梯度线圈，通过两个梯度系统的叠加，在局部范围内达到较高的梯度场强，本系统切换率：60 mT/ms；梯度线圈：三维一体化平板指纹式线圈。

(3)射频系统。系统主要功能是实施射频激发并收集MRI信号，高场机器应用中要测量患者体重，以保证患者的射频吸收总量在安全限度之内。在场强一样的前提下，本系统功率放大器采用最大输出率为5000 W。

(4)车载系统。车载MRI系统的承载和运输工具由带有缓冲结构的底盘和磁屏蔽恒温车厢构成，同时配备了发电机、空调及液压系统等装置。为保证MRI系统的正常工作与固定式系统相同，扫描间采用屏蔽以隔离外界的干扰。由于车载式MRI带磁体运输，为了保证现场人员安全，车厢采取了磁屏蔽措施，严格限制高斯线在要求的范围内[7]。同时包括减震、温控等若干自行研发系统(如图1、图2所示)。

图1 车载式MRI承载车体结构示意图

图2 车体内部结构示意图

2.2 车载式MRI技术特点

针对车载式MRI成像技术的要求，与传统常规系统相比具有下述特点。

(1)磁通会聚的恒定磁场技术。由于车载系统的特殊使用环境，要求磁体系统维护方便，体积小巧、轻便。本系统与超导系统相比，不需要添加液氦等昂贵制冷剂，使用方面不需要特别的维护，与野战及移动使用环境兼容性好。磁通会聚技术可使磁体系统在具有较强磁场强度的前提下，其重量较传统磁体减轻60%左右，体积明显减小，有效满足车载及特定环境空间等的实际要求。

(2)采用磁场反馈主动磁场稳定技术。与现有恒定磁场系统相比，本系统采用磁场跟踪技术，通过获得当前磁场强度及其变化数据，通过主动技术调节磁场，可将磁场锁定，其稳定性达到超导磁体系统水平，且不受温度等外界物理因素变化的影响。

(3)流线型射频发射技术。该技术可在提高成像区射频场均匀性的同时，减少射频场的逸散，提高成像的均匀性，减少人体噪声对成像的影响。

(4)合理减振下的多通道采集和多轨迹扫描。由于核磁车内设备较为精密，部分为便携式设备，需移动使用，不可固定安装[7]。车载磁体在野外工作时会受到频繁振动冲击等机械环境损害，可能造成设备损坏和影响设备精度，因此对车载设备的抗振性能要求逐步提高，需要系统解决减震和固定问题[8-9]。

为了确保本研究设备在车载野战环境下能够稳定工作，研制设计合理、规范的隔振缓冲系统，以保证磁体设备的性能稳定、成像准确[10]。除合理选择减震效果显著的汽车底盘增加平稳度外，对医疗设备上的固定联接处、移动设备的放置处及工作台采用合理的二次减震措施，在合理的减振条件下，采用4通道相控阵采集技术，能够有效增强图像质量，多轨迹扫描技术可有效抑制运动和呼吸尾影。

(5)信息化系统。所用系统为医学影像信息系统，该系统的应用，显著提高影像诊断效率，达到快速、便捷提取所需图像信息的能力要求，在野战救援条件下为医生提供了网络化及信息化的协同工作平台，能够高效、便捷的发挥设备的最大应用价值[11]。

2.3 成像结果

结合车载式MRI系统良好的屏蔽和恒温系统，保障成像系统的抗外界干扰能力，利用图像处理技术提高核磁成像质量，获得最佳影像信息，成像速度快，图像清晰，达到准确处理图像目的(如图3所示)[12]。

图3 车载式MRI头部横断位(左图)及矢状位(右图)图像

3 结语

基于固定式开放型永磁磁共振系统，运用相关专业技术，通过MRI系统布局设计，成功研发车载核磁现代化医学影像设备，以车载式成功实现固定式开放型永磁磁共振系统的功能，扩展了使用环境和技术的应用范围。以其灵活机动的特性，既可节约资源、节省经费，成为部队卫勤车载保障新的单元模块，同时也具备独立诊断，完成救治任务的能力，能够满足未来高新技术条件下机动、快速的军队卫勤保障要求，有利于在灾害救援现场的普及应用[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

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.05.015