超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究開發(fā)

摘 要：針對(duì)我國在超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究起步較晚，且研究領(lǐng)域相對(duì)狹窄的實(shí)際，通過對(duì)110mT/m 大梯度強(qiáng)度梯度線圈、3.0T 高場強(qiáng)成像、圖像信號(hào)數(shù)字化處理等關(guān)鍵技術(shù)研究開發(fā)，項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)全球首創(chuàng)、替代進(jìn)口，為用戶和患者節(jié)省大量費(fèi)用，滿足高端醫(yī)療影像市場需求。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)磁體；磁共振成像；關(guān)鍵技術(shù)；研究開發(fā)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.012

目前，國內(nèi)臨床應(yīng)用較為成熟的磁共振成像（MRI）系統(tǒng)是 1.5T，它的性價(jià)比較高，適應(yīng)癥較廣，對(duì)腹部等部位的成像效果較好，但是由于磁場強(qiáng)度低，梯度系統(tǒng)限制，薄層的成像信噪比較差，磁敏感成像效果不夠好。山東華特磁電科技股份有限公司成立專門技術(shù)研發(fā)組，充分運(yùn)用公司技術(shù)研發(fā)中心平臺(tái)及現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合中科院研究員磁共振成像方面技術(shù)，研制超導(dǎo)磁共振成像3T系統(tǒng)，打破國外壟斷，滿足高端醫(yī)療影像市場需求，推動(dòng)企業(yè)動(dòng)能轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢和需求分析

關(guān)于超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)的研發(fā)，從總體上可分為三部分：第一部分是對(duì)磁體系統(tǒng)的研究，主要有超導(dǎo)磁體、梯度線圈、射頻發(fā)射線圈（包括收發(fā)一體線圈）、射頻接收線圈、室溫勻場線圈等；第二部分是對(duì)譜儀系統(tǒng)的研究，主要有譜儀控制臺(tái)、梯度功率放大器、射頻功率放大器、前置放大器、勻場電源、控制計(jì)算機(jī)（下位機(jī)）等；第三部分是對(duì)圖像工作站的分析，主要包括系統(tǒng)軟件、接口等。

（1）國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。目前，國際上只有 GE、PHILIPS、SIEMENS 三大巨頭在研發(fā) 3T 超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)。國內(nèi)生產(chǎn)磁共振整機(jī)的廠家由于缺少擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 3T 超導(dǎo)核磁共振成像技術(shù)，一直未能進(jìn)入高端醫(yī)療影像市場，只能研發(fā)銷售永磁 0.7T 和 1.5T 超導(dǎo)系列產(chǎn)品，在一定程度上制約了國內(nèi)高端影像裝備的發(fā)展和臨床診斷能力的提升。國內(nèi)僅有濰坊新力超導(dǎo)和上海聯(lián)影公司成功研制 3.0T 磁共振成像超導(dǎo)磁體，由于缺少分子成像系統(tǒng)，不能與國內(nèi)整機(jī)生產(chǎn)廠家配套。由于 3T 成像系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，成本高，其大量的應(yīng)用將推高這方面的醫(yī)療成本，因此產(chǎn)品目前屬國外壟斷。

（2）發(fā)展趨勢和需求。經(jīng)調(diào)研，我國超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)需求量大。目前我國應(yīng)用的 1.5T 醫(yī)療系統(tǒng)磁場強(qiáng)度低，梯度線圈、譜儀等配置低，很難提供非常清晰的圖像和實(shí)現(xiàn)快速掃描，在準(zhǔn)確判斷病灶，肢端關(guān)節(jié)、軟骨成像，肢端神經(jīng)系統(tǒng)、血管成像等方面離“精準(zhǔn)醫(yī)療”設(shè)備差距還很大。因此，我國每年需進(jìn)口 100 多臺(tái)醫(yī)用高場強(qiáng)磁共振設(shè)備，進(jìn)口設(shè)備的費(fèi)用高達(dá) 20億元人民幣，由于技術(shù)封鎖的原因，每年用于設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)的費(fèi)用也相當(dāng)可觀。因此，盡快研發(fā)出超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)，并將此系統(tǒng)應(yīng)用在高場強(qiáng)磁共振設(shè)備上已迫在眉睫。

2 預(yù)期解決的重大問題及其可行性

（1）擬解決的重大問題。1）110mT/m 大梯度強(qiáng)度梯度線圈開發(fā)。擬采用高階主動(dòng)勻場技術(shù)來提高成像區(qū)域的磁場均勻度，通過調(diào)節(jié)各勻場線圈的電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)主磁場不均勻性的校正，實(shí)現(xiàn) 160mmDSV均勻度<5ppm。2）圖像信號(hào)數(shù)字化處理技術(shù)的研究。通過前置放大器的 NMR 低噪聲信號(hào)經(jīng)過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，并實(shí)時(shí)輸出到主計(jì)算機(jī)，降低信號(hào)在傳輸過程中的干擾以及損耗。3）3.0T高場強(qiáng)成像技術(shù)。主要包括渦流校正技術(shù)、局域勻場技術(shù)、場圖校正技術(shù)、高分辨率 DWI-DTI 中相位修正技術(shù)、化學(xué)位移飽和技術(shù)、并行加速技術(shù)和非笛卡爾采集技術(shù)。4）系統(tǒng)集成。根據(jù)各組件技術(shù)特點(diǎn)及臨床需求，確定各部件測試方案及整機(jī)聯(lián)調(diào)方案。主要搞好各組件獨(dú)立性能及穩(wěn)定性測試，系統(tǒng)組裝和整機(jī)性能測試調(diào)試，成像方法集成及調(diào)試。5）DICOM3.0標(biāo)準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換的研究。DICOM 標(biāo)準(zhǔn)是目前醫(yī)學(xué)影像的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是 PACS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，在國際上廣泛應(yīng)用于各醫(yī)學(xué)成像設(shè)備及 PACS、RIS/HIS 等信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中，該項(xiàng)目將提供遵循DICOM3.0標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議的數(shù)字化數(shù)據(jù)接口，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備互連、遠(yuǎn)程診斷、對(duì)接醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)平臺(tái)，有利于各類型醫(yī)學(xué)圖像的開發(fā)、應(yīng)用和共享。

（2）可行性分析。1）項(xiàng)目核心人員經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)儲(chǔ)備厚實(shí)。主要技術(shù)研究人員楊文暉在磁共振成像技術(shù)領(lǐng)域，研究發(fā)展了高效梯度技術(shù)、多體位 MRI 系統(tǒng)開發(fā)、多通道數(shù)字化 MRI 譜儀控制臺(tái)技術(shù)、磁共振阻抗成像方法、磁共振成像方法和序列研究等，完全有能力研發(fā)成超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)。2）項(xiàng)目承擔(dān)單位實(shí)力雄厚、科研平臺(tái)層次高。公司設(shè)有國家博士后科研工作站、綜合院士工作站、山東省磁電工程技術(shù)研究中心、山東省企業(yè)技術(shù)中心、山東省磁力應(yīng)用裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等省級(jí)以上科研平臺(tái)。3）項(xiàng)目符合國家“十三五”規(guī)劃綱要及山東省“十三五”規(guī)劃中提出的支持重大核心醫(yī)療成像裝備 “超導(dǎo)核磁共振成像系統(tǒng)及關(guān)鍵部件” 的研發(fā)導(dǎo)向政策。

3 項(xiàng)目技術(shù)路線

（1）研究方法。在電磁場理論分析、數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)等方法的基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化改進(jìn)磁體系統(tǒng)、梯度系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)核譜儀控制臺(tái)系統(tǒng)的性能，攻克磁共振超導(dǎo)磁體、梯度線圈、分子成像方法等關(guān)鍵技術(shù)，通過子系統(tǒng)的測試與改進(jìn)，整機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，最終達(dá)到技術(shù)指標(biāo)。

（2）技術(shù)路線。該項(xiàng)目將針對(duì)超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研發(fā)并驗(yàn)證。在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì) 3T 超導(dǎo)磁體、MRI 分子影像技術(shù)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和研發(fā)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集成與整機(jī)聯(lián)調(diào)。

4 產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)

山東華特磁電科技股份有限公司發(fā)揮公司資金、人才和技術(shù)優(yōu)勢，成立專門技術(shù)研發(fā)組，加強(qiáng)超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計(jì)2年內(nèi)完成可供試驗(yàn)的成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全球首創(chuàng)，配套子公司濰坊新力超導(dǎo) “移動(dòng)式 3.0T 磁共振整機(jī)”臨床試驗(yàn)成功后，在 3 年內(nèi)完成 CFDA（國家食品藥品監(jiān)督管理總局）認(rèn)證。認(rèn)證通過后，每年可實(shí)現(xiàn)“50 臺(tái)（套）整機(jī)”銷售，銷售收入可達(dá) 2 億元，創(chuàng)利稅 5000 萬元，可節(jié)約 1 億元的外購成像系統(tǒng)成本費(fèi)用，并帶動(dòng)當(dāng)?shù)貦C(jī)電一體化、集成電路、嵌入式軟件等傳統(tǒng)和新興行業(yè)的快速發(fā)展，降低整個(gè)行業(yè)的產(chǎn)品和服務(wù)價(jià)格，促進(jìn)社會(huì)的和諧發(fā)展，在國內(nèi)外市場前景都非常廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]王秋良.開放式超導(dǎo)磁共振成像技術(shù)[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2014（06）.

[2]余相泉.超導(dǎo)磁共振主磁體勵(lì)磁測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2017（05）.

[3]倪志鵬.短腔、自屏蔽磁共振成像超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].物理學(xué)報(bào)，2013（02）.

作者簡介：王福波（1972-），男，山東臨朐人，本科，黨支部書記，工程師，研究方向：工業(yè)機(jī)械裝備，從事工業(yè)技術(shù)改造工作。