磁共振成像技術(shù)處于高速發(fā)展期

■ 文/寧瑞鵬

寧瑞鵬，華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院上海市磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師。

廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和不斷提高的應(yīng)用需求促進(jìn)了磁共振成像技術(shù)在軟硬件功能和性能、脈沖序列設(shè)計(jì)和優(yōu)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(chǎng)中與外加射頻磁場(chǎng)發(fā)生共振而產(chǎn)生影像的成像技術(shù)。作為醫(yī)學(xué)影像核心技術(shù)之一，磁共振成像在許多方面有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，例如優(yōu)良的軟組織對(duì)比度、空間分辨率高、可任意方向斷層掃描、無(wú)電離輻射等。在臨床應(yīng)用中，大部分磁共振信號(hào)都來(lái)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(lái)，磁共振成像在醫(yī)學(xué)臨床診斷和神經(jīng)科學(xué)研究等方面得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。在此過(guò)程中，一方面磁共振成像技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了其在各應(yīng)用領(lǐng)域的推廣；另一方面，廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和不斷提高的應(yīng)用需求也促進(jìn)了磁共振成像技術(shù)在軟硬件功能和性能、脈沖序列設(shè)計(jì)和優(yōu)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(shù)仍處于高速發(fā)展期，相關(guān)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究吸引了國(guó)內(nèi)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(lái)看，磁共振圖像具有多參數(shù)、多對(duì)比度的特點(diǎn)。其既可以獲得縱向弛豫時(shí)間加權(quán)像、橫向弛豫時(shí)間加權(quán)像和質(zhì)子密度加權(quán)像等常規(guī)對(duì)比度圖像，還可以獲得擴(kuò)散加權(quán)像、擴(kuò)散張量纖維束示蹤像、灌注加權(quán)像、磁敏感加權(quán)像以及波譜成像等多種復(fù)雜對(duì)比度圖像。近年來(lái)，隨著臨床和科研應(yīng)用需求的不斷提高，包括T1-mapping、T2-mapping和磁敏感定量成像在內(nèi)的多種定量磁共振成像方法得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。定量磁共振成像可以為醫(yī)生和研究人員提供更客觀和更詳細(xì)的指標(biāo)，是磁共振成像技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

從應(yīng)用的角度來(lái)看，人體中除了肺部由于氫原子核少導(dǎo)致磁共振信號(hào)微弱之外，其他部位都可以進(jìn)行常規(guī)掃描。由于一些人體重要器官不斷做非剛體運(yùn)動(dòng)（例如腹部臟器），而常規(guī)磁共振成像的掃描時(shí)間較長(zhǎng)，因此如何在保證圖像對(duì)比度和信噪比的同時(shí)，提高磁共振成像掃描速度一直是磁共振領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。包括多回波快速成像、部分K空間填充和并行采集在內(nèi)的多種技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于高場(chǎng)磁共振系統(tǒng)，提高成像速度。近年來(lái)，壓縮感知技術(shù)和GPU并行計(jì)算開(kāi)始逐步被引入磁共振領(lǐng)域，進(jìn)一步提高圖像采集和重建的速度，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線磁共振成像。

除了可以獲得組織結(jié)構(gòu)信息，磁共振成像還可以獲得功能信息。隨著各國(guó)“腦計(jì)劃”的開(kāi)展，BOLD-fMRI成為磁共振領(lǐng)域最大的熱點(diǎn)之一。當(dāng)大腦完成某項(xiàng)任務(wù)時(shí)，相應(yīng)腦區(qū)的神經(jīng)元被激活，需要消耗更多的能量和氧。與之相適應(yīng)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(huì)影響瞬時(shí)磁共振信號(hào)的強(qiáng)度，因此利用BOLD-fMRI圖像的時(shí)間序列可以分析人腦的活動(dòng)。目前，該領(lǐng)域處于快速發(fā)展階段，大量醫(yī)學(xué)、心理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)研究者基于神經(jīng)活動(dòng)與BOLD信號(hào)之間的關(guān)系來(lái)探索腦疾病、情緒和認(rèn)知障礙以及正常心理認(rèn)知活動(dòng)的神經(jīng)機(jī)制。現(xiàn)階段，該領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸在于，BOLD信號(hào)是神經(jīng)活動(dòng)的間接反映，其時(shí)間分辨率和延遲受限于神經(jīng)活動(dòng)所產(chǎn)生的代謝變化。因此，與EEG、MEG等其他儀器結(jié)合使用，是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)解決分辨率和延遲問(wèn)題的可行方案。當(dāng)然，聯(lián)合使用多種儀器就不可避免地涉及儀器平臺(tái)兼容的問(wèn)題，這對(duì)儀器研發(fā)者和制造商來(lái)說(shuō)，既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。

磁共振成像設(shè)備的硬件系統(tǒng)主要包括磁體、梯度、射頻、成像譜儀和計(jì)算機(jī)等子系統(tǒng)，以及各種接收線圈和生理信號(hào)同步裝置等外圍設(shè)備。如果我們將整套磁共振成像設(shè)備看成是一個(gè)人，那么磁體相當(dāng)于心臟，成像譜儀相當(dāng)于大腦。前者為磁共振信號(hào)的產(chǎn)生提供“能量”，后者指揮其他硬件部件協(xié)同工作進(jìn)行成像掃描。

磁共振成像技術(shù)

從儀器研發(fā)和制造的角度來(lái)看，近年來(lái)磁共振成像技術(shù)的進(jìn)展主要體現(xiàn)在7T（特斯拉）磁共振獲得CE認(rèn)證和3T磁共振的不斷完善，以及低場(chǎng)開(kāi)放型磁共振成像系統(tǒng)的異軍突起。磁共振成像設(shè)備根據(jù)其磁場(chǎng)強(qiáng)度和所使用磁體類型可以分為高場(chǎng)超導(dǎo)型和低場(chǎng)永磁型兩大類。其中，高場(chǎng)超導(dǎo)型設(shè)備成像速度快、圖像質(zhì)量高、實(shí)驗(yàn)方法更加豐富，是每天需要掃描大量患者的大醫(yī)院或者進(jìn)行科學(xué)研究工作的機(jī)構(gòu)的首選。而低場(chǎng)永磁型設(shè)備的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備成本和維護(hù)成本低，雖然在成像速度和圖像質(zhì)量上無(wú)法和超導(dǎo)設(shè)備相比，但其圖像質(zhì)量仍然可以滿足常規(guī)臨床檢查的需要，對(duì)于每天處理患者數(shù)量不多的中小醫(yī)院來(lái)說(shuō)特別實(shí)用。此外，在食品檢測(cè)等特殊應(yīng)用領(lǐng)域，低場(chǎng)磁共振發(fā)揮著不可替代的作用。

磁體系統(tǒng)是產(chǎn)生磁共振信號(hào)所必需的靜磁場(chǎng)的關(guān)鍵部件，其主要性能指標(biāo)包括磁場(chǎng)強(qiáng)度、均勻度、穩(wěn)定性和孔徑大小等。這些指標(biāo)直接關(guān)系到信噪比、圖像均勻性和偽影等圖像質(zhì)量問(wèn)題。各大磁共振制造商一直努力研制場(chǎng)強(qiáng)更高、磁場(chǎng)均勻度和穩(wěn)定性更優(yōu)良的磁體。采用超導(dǎo)磁體是提高場(chǎng)強(qiáng)的主要途徑，而且隨著超導(dǎo)材料和低溫制冷技術(shù)的進(jìn)步，超導(dǎo)磁體的性價(jià)比不斷提升。目前，國(guó)內(nèi)少數(shù)磁共振設(shè)備廠家已經(jīng)具備了獨(dú)立研制和生產(chǎn)磁共振成像超導(dǎo)磁體的能力，并且緊跟國(guó)際前沿推出大孔徑短磁體。另一方面，近年來(lái)高性能的低場(chǎng)開(kāi)放型永磁磁共振設(shè)備也逐漸受到青睞。由于主磁場(chǎng)強(qiáng)度的高低與磁體的造價(jià)成正比，且在整機(jī)造價(jià)中占很高的比重，低場(chǎng)系統(tǒng)目前仍具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。此外，低場(chǎng)系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)高開(kāi)放度，因此在食品檢驗(yàn)等領(lǐng)域低場(chǎng)設(shè)備具有技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，這與制造商努力將高場(chǎng)磁共振設(shè)備的技術(shù)移植到低場(chǎng)系統(tǒng)從而大大提升了低場(chǎng)系統(tǒng)的圖像質(zhì)量是分不開(kāi)的。

成像譜儀是磁共振成像系統(tǒng)的核心控制設(shè)備，負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)其他硬件部件協(xié)同工作進(jìn)行成像掃描，以及數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信。成像譜儀具有很高的技術(shù)含量，其性能和功能在很大程度上決定了整套成像系統(tǒng)的品質(zhì)，多年來(lái)一直是磁共振學(xué)界和業(yè)界的研究熱點(diǎn)。隨著高場(chǎng)磁共振成像技術(shù)以及實(shí)時(shí)成像技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)成像譜儀采集和處理數(shù)據(jù)的要求越來(lái)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(dú)立的多路高性能接收通道并行工作。此外，在高場(chǎng)磁共振系統(tǒng)中，射頻場(chǎng)不均勻的問(wèn)題顯得尤為突出，需要采用多通道線圈來(lái)解決這一問(wèn)題，這也需要成像譜儀配備獨(dú)立的多路接收通道。另一方面，增加接收通道對(duì)提高數(shù)據(jù)采集速度是有利的，但同時(shí)加重了數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)，因此需要在兩者之間達(dá)到需求平衡。目前，常規(guī)高場(chǎng)磁共振成像系統(tǒng)需要配置至少16路獨(dú)立接收通道，在使用具有更高通道數(shù)的接收線圈（例如32通道接收線圈）時(shí)，一般先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行模擬合成，然后再輸送到接收通道。

從國(guó)內(nèi)的發(fā)展情況來(lái)看，磁共振成像在醫(yī)學(xué)和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)處于國(guó)際先進(jìn)水平，一些優(yōu)勢(shì)學(xué)科已經(jīng)處于領(lǐng)先水平。在磁共振成像儀器技術(shù)方面，近年來(lái)在國(guó)家和地方政府的大力支持下，國(guó)內(nèi)多家企業(yè)和科研院所聯(lián)合攻關(guān)，在關(guān)鍵部件和系統(tǒng)集成技術(shù)等方面都取得了令人矚目的成就，但仍與國(guó)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(guó)內(nèi)的研究能夠保持緊跟國(guó)際前沿?zé)狳c(diǎn)，但原創(chuàng)性工作相對(duì)較少。這一方面與國(guó)內(nèi)獨(dú)立掌握儀器制造技術(shù)較晚不利于開(kāi)展原創(chuàng)性工作有關(guān)，另一方面也與長(zhǎng)期以來(lái)企業(yè)、醫(yī)院和科研單位的合作機(jī)制有關(guān)。但是，在多方努力下，這一局面正在逐步改觀。