新生兒磁共振檢查專用保育箱的設(shè)計

慕光睿，許光祖，毛蘇杭，李杰，侯祥明，王瑞蕊，李燁，李國斌，李賢軍，金超

1. 西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 醫(yī)學(xué)影像科，陜西 西安 710061；2. 上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司，上海 201807；3. 中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 勞特伯生物醫(yī)學(xué)成像研究中心，廣東 深圳 518055

引言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）以無創(chuàng)、無輻射等優(yōu)點已成為新生兒、嬰幼兒腦部影像檢查的首選方法[1-8]。目前，臨床上普遍采用給新生兒注射鎮(zhèn)靜劑后，采用標(biāo)準(zhǔn)成像設(shè)備進(jìn)行圖像采集。然而，新生兒（特別是早產(chǎn)兒）生理調(diào)節(jié)能力尚不健全、MRI檢查耐受性差、對MRI過程中的噪音更為敏感。行新生兒MRI時需保證適宜的溫度、濕度，且能實時監(jiān)控生理指標(biāo)。另外，掃描耗時長是制約MRI臨床應(yīng)用推廣的重要瓶頸[9-10]。因此，面向早產(chǎn)兒、高危兒等特殊新生兒的專用設(shè)備裝置與技術(shù)已成為國際醫(yī)療科技發(fā)展的熱點。目前已有一些磁共振檢查輔助設(shè)備的研究，用于保證新生兒維持穩(wěn)定生命體征[11]，然而這些設(shè)備僅僅解決了新生兒運輸成像過程中的一部分影響因素。德國Lammers Medical Technology公司研制推出針對新生兒檢查的MRI兼容保育箱。該設(shè)備內(nèi)置MRI兼容呼吸機(jī)和線圈，特別適宜于檢查出生體重低于2000 g的高危兒，并能避免和減少行MRI時鎮(zhèn)靜劑的應(yīng)用，在提升早產(chǎn)兒和低體重兒的MRI檢查適宜性方面作用顯著[12-14]。國內(nèi)江蘇美時醫(yī)療技術(shù)有限公司提出兼容MRI嬰兒培育箱的設(shè)計框架，該設(shè)計可支持新生兒MRI檢查，與國外產(chǎn)品功能相似，但尚未見相關(guān)產(chǎn)品面市及臨床應(yīng)用報道[15-16]?；诖?，在新生兒MRI輔助設(shè)備研制方面，國外產(chǎn)品技術(shù)成熟但尚未進(jìn)入中國市場。我國有必要在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)難題的突破及相關(guān)設(shè)備的國產(chǎn)化。圍繞此重大臨床需求，筆者所在課題組研制成功新生與嬰幼兒專用MRI兼容保育箱原型機(jī)，其可集成MRI線圈、腦電等多生理監(jiān)測，兼具低噪聲與快速掃描優(yōu)點，有望極大提升新生兒MRI檢查安全性與成功率。

1 MRI兼容保育箱系統(tǒng)設(shè)計

本課題設(shè)計的MRI兼容保溫箱系統(tǒng)由箱體設(shè)計、主控與供電系統(tǒng)、新生兒專用掃描線圈構(gòu)成。

1.1 箱體設(shè)計

本研究所設(shè)計的保育箱系統(tǒng)長高尺寸為970 mm×884 mm，小巧簡潔，較德國LMT產(chǎn)品（長2 m）具有更加便捷的實用性（圖 1～2）。

圖1 MRI兼容保育箱系統(tǒng)外觀設(shè)計

該保育箱箱體外觀為透明設(shè)計，支持實時視覺監(jiān)控，雙側(cè)緊急操作窗口可實現(xiàn)新生兒不開箱護(hù)理操作（圖2）。箱體配有顯示面板支持溫度、濕度、呼吸、心跳顯示及調(diào)節(jié)（圖3），生理監(jiān)控指標(biāo)出現(xiàn)異常時，支持報警、提醒操作。此外，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)運功能，箱體轉(zhuǎn)運車配有萬向無磁腳輪及腳剎，可實現(xiàn)各個方向移動、防滑、剎車功能，便于在醫(yī)院內(nèi)和醫(yī)院間運送新生兒。

圖2 MRI兼容保育箱箱體實物圖

圖3 顯示面板實物圖

1.2 主控與供電系統(tǒng)

該系統(tǒng)支持基本的生理監(jiān)控、溫度濕度監(jiān)控以及系統(tǒng)部件之間的通信，用于維持保育箱運輸、成像過程中保育箱的系統(tǒng)運行（圖4）。供電系統(tǒng)中電池為無磁設(shè)計，支持充放電，包括電池管理以及電源控制，可持續(xù)使用至少60 min。

圖4 主控與供電系統(tǒng)實物圖

1.3 新生兒專用掃描線圈

已有一些研究證明采用定制化的線圈用于新生兒磁共振采集，相比于標(biāo)準(zhǔn)成人線圈，可大大提升圖像質(zhì)量[12,17-19]。本研究保育箱系統(tǒng)采用24通道線圈，線圈全長55 cm，支持0～3歲幼兒頭部、背部和脊柱掃描，也可支持部分嬰兒的全身掃描（圖2和圖5）?？蓪崿F(xiàn)高信噪比、高分辨的MRI，支持多方向并行加速成像。

圖5 新生兒專用掃描線圈

2 MRI兼容保育箱系統(tǒng)運行測試

2.1 MRI兼容轉(zhuǎn)運車電源模塊

2.1.1 電源模塊基本介紹

電源模塊分為2部分，一部分為外部AC/DC電源，提供電氣隔離及36 V電源，通過濾波板接入掃描間內(nèi)供電；一部分為電池及電源模塊，安裝在轉(zhuǎn)運車內(nèi)，負(fù)責(zé)進(jìn)行電源管理和備用電源管理。在移動過程中使用電池供電，在掃描間以及育嬰房內(nèi)時，使用外部隔離電源提供的36 V直流電源供電并同時給電池充電（圖 6）。

圖6 MRI兼容轉(zhuǎn)運車電源模塊工作流程示意圖

2.1.2 電源模塊指標(biāo)測試

根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)和功能要求，本項目對電源技術(shù)指標(biāo)在常規(guī)環(huán)境和MR環(huán)境下分別進(jìn)行測試，如表1所示，在連接或者不連接直流供電電源的情況下，開啟系統(tǒng)，電源系統(tǒng)均能正確輸出功率。

表1 電源模塊技術(shù)指標(biāo)及MR環(huán)境下兼容性測試方法及結(jié)果

本系統(tǒng)亦可支持嬰兒轉(zhuǎn)運車運行時長測試，在MR環(huán)境下，帶上外部直流供電電源，開啟系統(tǒng)全部功能，電源系統(tǒng)能一直支持保育箱工作；充滿電源后，在斷開輸入電源情況下，能在磁共振環(huán)境下工作113 min。

2.2 恒溫恒濕模塊

新生兒體溫調(diào)節(jié)能力較差，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，新生兒可能出現(xiàn)體溫過高（＞39℃）或體溫過低（＜36℃），研究表明，這些可能導(dǎo)致持久的神經(jīng)損傷，增加不良結(jié)果的發(fā)生風(fēng)險[20-22]。

為了測試本系統(tǒng)溫濕度調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)中將保育箱和該模塊之間用通風(fēng)管道相接，并在顯示面板上設(shè)定控制穩(wěn)定為25～37℃內(nèi)任意一值，45 min內(nèi)觀察溫度是否達(dá)到設(shè)定值。

在預(yù)熱功能測試中，環(huán)境溫度為19.5℃，控制溫度設(shè)定為32℃、箱內(nèi)布置5個溫度巡檢儀探頭，38 min后溫度達(dá)到設(shè)定值（圖7），實現(xiàn)預(yù)熱。隨后，分別設(shè)定恒定溫度為36℃、32℃，對溫度控制功能進(jìn)行測試，實驗顯示箱內(nèi)溫度存在小幅波動，整體較為穩(wěn)定。其中平均轉(zhuǎn)運培養(yǎng)箱溫度指在穩(wěn)定溫度狀態(tài)時，均勻間隔讀取嬰兒艙內(nèi)墊子表面中心上面10 cm處的空氣溫度平均值。設(shè)備運行中，濕度控制范圍為14%～90% RH，可實現(xiàn)恒濕控制。

圖7 恒溫模塊測試結(jié)果

2.3 保育箱降噪模塊

在降噪實現(xiàn)方面，本系統(tǒng)除采用新型MRI兼容吸音材料進(jìn)行物理降噪外，還采用磁共振梯度聯(lián)合設(shè)計的力矩平衡技術(shù)來降低震動噪聲，并優(yōu)化掃描序列來減少由于強(qiáng)梯度切換帶來的震動噪聲。

通過降低梯度的幅度以及切換頻率，從而降低噪音。實驗結(jié)果顯示，MRI系統(tǒng)背景噪聲值為58.8 dB，靜音序列掃描噪聲為59.3 dB，達(dá)到靜音效果（圖 8）。

圖8 靜音序列設(shè)計示意圖

3 MRI兼容系統(tǒng)設(shè)計效果

本研究應(yīng)用水模、動物作為測試對象，對研制的MRI兼容保育箱系統(tǒng)的設(shè)計效果進(jìn)行了圖像質(zhì)量驗證。

3.1 利用水模測試線圈對B0、B1場的影響

本研究保育箱系統(tǒng)專用MR線圈對B0、B1場的影響如圖9所示，實驗發(fā)現(xiàn)B0場整體在有無線圈對比時水模上條紋差異不超過兩條，符合要求；線圈對B1最大影響不超過20%，符合要求。

圖9 B0場以及B1場雙翻角測試中，線圈成像效果對比

3.2 利用水模測試不同線圈下采集圖像的信噪比

本研究對保育箱專用MR線圈與標(biāo)準(zhǔn)成人線圈成像質(zhì)量進(jìn)行定量分析，嬰兒線圈頭部和頭頸聯(lián)合線圈對比（圖10），中心3個ROI的信噪比定量結(jié)果如表2所示。實驗可得，中心區(qū)域新生兒頭部專用線圈比標(biāo)準(zhǔn)成人頭頸聯(lián)合線圈的信噪比高29%～33%。

表2 新生兒專用線圈和頭頸聯(lián)合線圈水模成像的信噪比定量結(jié)果

圖10 冠狀面、矢狀面新生兒專用線圈與頭頸聯(lián)合線圈水模成像對比

經(jīng)驗證，本研究研制的專業(yè)線圈，頭部橫斷面的信噪比≥350；脊柱冠狀面和矢狀面的信噪比≥350；頭部橫斷面的均勻性≥80；脊柱冠狀面和矢狀面的均勻性≥80，相對于標(biāo)準(zhǔn)成像設(shè)備，可達(dá)到更高質(zhì)量的成像，提升臨床診斷效率。

3.3 臨床前動物實驗測試線圈成像效果

本研究采用保育箱專用MR線圈對獼猴顱腦進(jìn)行不同序列掃描，其分辨率為0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm。如圖11所示，所采集圖像能較好反映獼猴腦組織形態(tài)結(jié)構(gòu)及灰白質(zhì)對比度。

圖11 臨床前實驗中采用保育箱專用線圈對猴子進(jìn)行不同序列掃描

4 討論

新生兒MRI可提供重要的診斷和預(yù)后信息，然而由于其對環(huán)境變化非常敏感，新生兒MRI仍是一項富有挑戰(zhàn)的任務(wù)。新生兒尤其是早產(chǎn)兒生命體征較弱，往往需要密切監(jiān)控，以維持穩(wěn)定生理狀態(tài)。使用標(biāo)準(zhǔn)磁共振設(shè)備對新生兒掃描成像時，搬運過程中的環(huán)境變化以及成像過程中的鎮(zhèn)靜劑、噪音等可能對新生兒生命體征造成不利影響。同時，由于新生兒頭部太小，使用標(biāo)準(zhǔn)成人磁共振線圈采集的圖像往往質(zhì)量較低，限制后期疾病的診斷與量化。

可兼容MR設(shè)備的保育箱可很好地克服以上困難，允許早產(chǎn)兒以及生命體征不穩(wěn)定的新生兒直接從新生兒重癥監(jiān)護(hù)室運輸至磁共振設(shè)備處，從而安全便捷地采集圖像。目前已有相關(guān)設(shè)備的研發(fā)報道，江蘇美時醫(yī)療公司研發(fā)的嬰兒培育箱作為其NEONA兒科磁共振機(jī)的配套專用設(shè)備，目前還未投入商業(yè)銷售[16]。本研究所設(shè)計保育箱系統(tǒng)具有很好的適配性能，可與不同型號MR設(shè)備兼容。Monika等[23]介紹了采用8通道線圈的MR兼容保育箱對早產(chǎn)兒以及極低體重的新生兒采集磁共振圖像。德國LMT Medical Systems分別研發(fā)了具有8、12、16通道線圈的MR兼容保育箱，用以進(jìn)一步提升圖像采集質(zhì)量。本課題開發(fā)出一款小尺寸24通道高密度線圈，通過采用前沿的快速掃描技術(shù)，包括單方向加速因子2～4、雙方向并行加速技術(shù)、部分傅里葉采集技術(shù)，實現(xiàn)掃描時間比常規(guī)掃描減少50%以上，在提升掃描效率的同時，可獲得具有更優(yōu)信噪比的高分辨率磁共振圖像。MRI中產(chǎn)生的噪音可能會對新生兒的聽力造成損傷，同時引起運動偽影，降低圖像質(zhì)量。Paley等[24]提出的MR兼容保育箱設(shè)計中，保溫箱體引入隔音泡沫墊，同時為受檢嬰兒配備特制耳罩，用以降低噪音。本課題采用隔音材料進(jìn)行物理降噪的同時，采用力矩平衡技術(shù)和掃描序列優(yōu)化技術(shù)來大幅降低震動噪聲，實現(xiàn)靜音。

本文的研究中還存在一些提升空間：① 在保育箱系統(tǒng)的恒溫恒濕模塊中，目前加濕的方式是熱風(fēng)通過水箱從而滿足濕度要求，此方式在保育箱內(nèi)比較干燥時不能快速提升濕度且不能實現(xiàn)濕度精確控制，后期準(zhǔn)備采用電子醫(yī)用加濕器能更迅速、精確控制保育箱內(nèi)濕度；② 在保育箱系統(tǒng)的降噪模塊中，目前主要通過力矩平衡技術(shù)降低磁共振的噪聲。在一些序列比如epi、tof中，力矩平衡技術(shù)降噪效果有限，可以通過k空間軌跡的特殊設(shè)計，在不顯著增加掃描時間，不降低圖像質(zhì)量條件下進(jìn)行靜音優(yōu)化。另外還可以開發(fā)聲學(xué)噪音的預(yù)估系統(tǒng)，利用事先測定的系統(tǒng)特征響應(yīng)函數(shù)，結(jié)合當(dāng)前序列參數(shù)下的梯度仿真波形，進(jìn)一步地預(yù)估當(dāng)前序列參數(shù)下的聲學(xué)噪音強(qiáng)度。

綜上所述，本研究設(shè)計了一種可兼容MR設(shè)備的保育箱，解決了強(qiáng)磁場下監(jiān)控設(shè)備工作的穩(wěn)定性，以及保育箱自身對磁共振系統(tǒng)磁場和射頻場的干擾，從而在保證新生兒安全的同時保證MR高質(zhì)量成像，形成了可集成磁共振線圈、腦電等多生理監(jiān)測的MR兼容保育箱系統(tǒng)的原型樣機(jī)。該設(shè)備使用安全便捷，可很好地避免嬰兒運輸、磁共振掃描中產(chǎn)生的生命體征不穩(wěn)定、掃描圖像質(zhì)量差等問題。同時，該設(shè)備兼容性強(qiáng)，可與已有的MR設(shè)備配合使用，相對于兒童專用磁共振設(shè)備，成本更加低廉，使用場景更廣，為新生兒MRI提供了一種安全有效的方式，有望在臨床應(yīng)用中提高醫(yī)生的工作效率。