新生儿磁共振检查专用保育箱的设计

慕光睿，许光祖，毛苏杭，李杰，侯祥明，王瑞蕊，李烨，李国斌，李贤军，金超

1. 西安交通大学第一附属医院 医学影像科，陕西 西安 710061；2. 上海联影医疗科技有限公司，上海 201807；3. 中国科学院深圳先进技术研究院 劳特伯生物医学成像研究中心，广东 深圳 518055

引言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）以无创、无辐射等优点已成为新生儿、婴幼儿脑部影像检查的首选方法[1-8]。目前，临床上普遍采用给新生儿注射镇静剂后，采用标准成像设备进行图像采集。然而，新生儿（特别是早产儿）生理调节能力尚不健全、MRI检查耐受性差、对MRI过程中的噪音更为敏感。行新生儿MRI时需保证适宜的温度、湿度，且能实时监控生理指标。另外，扫描耗时长是制约MRI临床应用推广的重要瓶颈[9-10]。因此，面向早产儿、高危儿等特殊新生儿的专用设备装置与技术已成为国际医疗科技发展的热点。目前已有一些磁共振检查辅助设备的研究，用于保证新生儿维持稳定生命体征[11]，然而这些设备仅仅解决了新生儿运输成像过程中的一部分影响因素。德国Lammers Medical Technology公司研制推出针对新生儿检查的MRI兼容保育箱。该设备内置MRI兼容呼吸机和线圈，特别适宜于检查出生体重低于2000 g的高危儿，并能避免和减少行MRI时镇静剂的应用，在提升早产儿和低体重儿的MRI检查适宜性方面作用显著[12-14]。国内江苏美时医疗技术有限公司提出兼容MRI婴儿培育箱的设计框架，该设计可支持新生儿MRI检查，与国外产品功能相似，但尚未见相关产品面市及临床应用报道[15-16]。基于此，在新生儿MRI辅助设备研制方面，国外产品技术成熟但尚未进入中国市场。我国有必要在该领域实现关键技术难题的突破及相关设备的国产化。围绕此重大临床需求，笔者所在课题组研制成功新生与婴幼儿专用MRI兼容保育箱原型机，其可集成MRI线圈、脑电等多生理监测，兼具低噪声与快速扫描优点，有望极大提升新生儿MRI检查安全性与成功率。

1 MRI兼容保育箱系统设计

本课题设计的MRI兼容保温箱系统由箱体设计、主控与供电系统、新生儿专用扫描线圈构成。

1.1 箱体设计

本研究所设计的保育箱系统长高尺寸为970 mm×884 mm，小巧简洁，较德国LMT产品（长2 m）具有更加便捷的实用性（图 1～2）。

图1 MRI兼容保育箱系统外观设计

该保育箱箱体外观为透明设计，支持实时视觉监控，双侧紧急操作窗口可实现新生儿不开箱护理操作（图2）。箱体配有显示面板支持温度、湿度、呼吸、心跳显示及调节（图3），生理监控指标出现异常时，支持报警、提醒操作。此外，为了实现转运功能，箱体转运车配有万向无磁脚轮及脚刹，可实现各个方向移动、防滑、刹车功能，便于在医院内和医院间运送新生儿。

图2 MRI兼容保育箱箱体实物图

图3 显示面板实物图

1.2 主控与供电系统

该系统支持基本的生理监控、温度湿度监控以及系统部件之间的通信，用于维持保育箱运输、成像过程中保育箱的系统运行（图4）。供电系统中电池为无磁设计，支持充放电，包括电池管理以及电源控制，可持续使用至少60 min。

图4 主控与供电系统实物图

1.3 新生儿专用扫描线圈

已有一些研究证明采用定制化的线圈用于新生儿磁共振采集，相比于标准成人线圈，可大大提升图像质量[12,17-19]。本研究保育箱系统采用24通道线圈，线圈全长55 cm，支持0～3岁幼儿头部、背部和脊柱扫描，也可支持部分婴儿的全身扫描（图2和图5）。可实现高信噪比、高分辨的MRI，支持多方向并行加速成像。

图5 新生儿专用扫描线圈

2 MRI兼容保育箱系统运行测试

2.1 MRI兼容转运车电源模块

2.1.1 电源模块基本介绍

电源模块分为2部分，一部分为外部AC/DC电源，提供电气隔离及36 V电源，通过滤波板接入扫描间内供电；一部分为电池及电源模块，安装在转运车内，负责进行电源管理和备用电源管理。在移动过程中使用电池供电，在扫描间以及育婴房内时，使用外部隔离电源提供的36 V直流电源供电并同时给电池充电（图 6）。

图6 MRI兼容转运车电源模块工作流程示意图

2.1.2 电源模块指标测试

根据本系统的设计目标和功能要求，本项目对电源技术指标在常规环境和MR环境下分别进行测试，如表1所示，在连接或者不连接直流供电电源的情况下，开启系统，电源系统均能正确输出功率。

表1 电源模块技术指标及MR环境下兼容性测试方法及结果

本系统亦可支持婴儿转运车运行时长测试，在MR环境下，带上外部直流供电电源，开启系统全部功能，电源系统能一直支持保育箱工作；充满电源后，在断开输入电源情况下，能在磁共振环境下工作113 min。

2.2 恒温恒湿模块

新生儿体温调节能力较差，当环境温度变化时，新生儿可能出现体温过高（＞39℃）或体温过低（＜36℃），研究表明，这些可能导致持久的神经损伤，增加不良结果的发生风险[20-22]。

为了测试本系统温湿度调节的稳定性，本系统中将保育箱和该模块之间用通风管道相接，并在显示面板上设定控制稳定为25～37℃内任意一值，45 min内观察温度是否达到设定值。

在预热功能测试中，环境温度为19.5℃，控制温度设定为32℃、箱内布置5个温度巡检仪探头，38 min后温度达到设定值（图7），实现预热。随后，分别设定恒定温度为36℃、32℃，对温度控制功能进行测试，实验显示箱内温度存在小幅波动，整体较为稳定。其中平均转运培养箱温度指在稳定温度状态时，均匀间隔读取婴儿舱内垫子表面中心上面10 cm处的空气温度平均值。设备运行中，湿度控制范围为14%～90% RH，可实现恒湿控制。

图7 恒温模块测试结果

2.3 保育箱降噪模块

在降噪实现方面，本系统除采用新型MRI兼容吸音材料进行物理降噪外，还采用磁共振梯度联合设计的力矩平衡技术来降低震动噪声，并优化扫描序列来减少由于强梯度切换带来的震动噪声。

通过降低梯度的幅度以及切换频率，从而降低噪音。实验结果显示，MRI系统背景噪声值为58.8 dB，静音序列扫描噪声为59.3 dB，达到静音效果（图 8）。

图8 静音序列设计示意图

3 MRI兼容系统设计效果

本研究应用水模、动物作为测试对象，对研制的MRI兼容保育箱系统的设计效果进行了图像质量验证。

3.1 利用水模测试线圈对B0、B1场的影响

本研究保育箱系统专用MR线圈对B0、B1场的影响如图9所示，实验发现B0场整体在有无线圈对比时水模上条纹差异不超过两条，符合要求；线圈对B1最大影响不超过20%，符合要求。

图9 B0场以及B1场双翻角测试中，线圈成像效果对比

3.2 利用水模测试不同线圈下采集图像的信噪比

本研究对保育箱专用MR线圈与标准成人线圈成像质量进行定量分析，婴儿线圈头部和头颈联合线圈对比（图10），中心3个ROI的信噪比定量结果如表2所示。实验可得，中心区域新生儿头部专用线圈比标准成人头颈联合线圈的信噪比高29%～33%。

表2 新生儿专用线圈和头颈联合线圈水模成像的信噪比定量结果

图10 冠状面、矢状面新生儿专用线圈与头颈联合线圈水模成像对比

经验证，本研究研制的专业线圈，头部横断面的信噪比≥350；脊柱冠状面和矢状面的信噪比≥350；头部横断面的均匀性≥80；脊柱冠状面和矢状面的均匀性≥80，相对于标准成像设备，可达到更高质量的成像，提升临床诊断效率。

3.3 临床前动物实验测试线圈成像效果

本研究采用保育箱专用MR线圈对猕猴颅脑进行不同序列扫描，其分辨率为0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm。如图11所示，所采集图像能较好反映猕猴脑组织形态结构及灰白质对比度。

图11 临床前实验中采用保育箱专用线圈对猴子进行不同序列扫描

4 讨论

新生儿MRI可提供重要的诊断和预后信息，然而由于其对环境变化非常敏感，新生儿MRI仍是一项富有挑战的任务。新生儿尤其是早产儿生命体征较弱，往往需要密切监控，以维持稳定生理状态。使用标准磁共振设备对新生儿扫描成像时，搬运过程中的环境变化以及成像过程中的镇静剂、噪音等可能对新生儿生命体征造成不利影响。同时，由于新生儿头部太小，使用标准成人磁共振线圈采集的图像往往质量较低，限制后期疾病的诊断与量化。

可兼容MR设备的保育箱可很好地克服以上困难，允许早产儿以及生命体征不稳定的新生儿直接从新生儿重症监护室运输至磁共振设备处，从而安全便捷地采集图像。目前已有相关设备的研发报道，江苏美时医疗公司研发的婴儿培育箱作为其NEONA儿科磁共振机的配套专用设备，目前还未投入商业销售[16]。本研究所设计保育箱系统具有很好的适配性能，可与不同型号MR设备兼容。Monika等[23]介绍了采用8通道线圈的MR兼容保育箱对早产儿以及极低体重的新生儿采集磁共振图像。德国LMT Medical Systems分别研发了具有8、12、16通道线圈的MR兼容保育箱，用以进一步提升图像采集质量。本课题开发出一款小尺寸24通道高密度线圈，通过采用前沿的快速扫描技术，包括单方向加速因子2～4、双方向并行加速技术、部分傅里叶采集技术，实现扫描时间比常规扫描减少50%以上，在提升扫描效率的同时，可获得具有更优信噪比的高分辨率磁共振图像。MRI中产生的噪音可能会对新生儿的听力造成损伤，同时引起运动伪影，降低图像质量。Paley等[24]提出的MR兼容保育箱设计中，保温箱体引入隔音泡沫垫，同时为受检婴儿配备特制耳罩，用以降低噪音。本课题采用隔音材料进行物理降噪的同时，采用力矩平衡技术和扫描序列优化技术来大幅降低震动噪声，实现静音。

本文的研究中还存在一些提升空间：① 在保育箱系统的恒温恒湿模块中，目前加湿的方式是热风通过水箱从而满足湿度要求，此方式在保育箱内比较干燥时不能快速提升湿度且不能实现湿度精确控制，后期准备采用电子医用加湿器能更迅速、精确控制保育箱内湿度；② 在保育箱系统的降噪模块中，目前主要通过力矩平衡技术降低磁共振的噪声。在一些序列比如epi、tof中，力矩平衡技术降噪效果有限，可以通过k空间轨迹的特殊设计，在不显著增加扫描时间，不降低图像质量条件下进行静音优化。另外还可以开发声学噪音的预估系统，利用事先测定的系统特征响应函数，结合当前序列参数下的梯度仿真波形，进一步地预估当前序列参数下的声学噪音强度。

综上所述，本研究设计了一种可兼容MR设备的保育箱，解决了强磁场下监控设备工作的稳定性，以及保育箱自身对磁共振系统磁场和射频场的干扰，从而在保证新生儿安全的同时保证MR高质量成像，形成了可集成磁共振线圈、脑电等多生理监测的MR兼容保育箱系统的原型样机。该设备使用安全便捷，可很好地避免婴儿运输、磁共振扫描中产生的生命体征不稳定、扫描图像质量差等问题。同时，该设备兼容性强，可与已有的MR设备配合使用，相对于儿童专用磁共振设备，成本更加低廉，使用场景更广，为新生儿MRI提供了一种安全有效的方式，有望在临床应用中提高医生的工作效率。