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MRI 技术发展十年回顾

2021-12-27 10:47     来源:好医工     磁共振成像PET/MRI

2003 年在 MRI 研发领域发生了一件大事。这年 11 月 诺贝尔医学奖评委会宣布 本年度的诺贝尔生理或医学奖授予了美国的保罗· C·劳特伯(Paul C Lauterbur)和英国的皮特· 曼斯菲尔德(Peter Mansfield) 表彰他们对磁共振成像技术做出的杰出贡献。

30 年前 Paul Lauterbur 揭示了利用磁场叠加的方式精确激发不同的组织并对相应的核磁共振信号进行精确的定位,稍后的1976 年,英格兰诺丁汉大学Peter Mansfield 首次成功地对活体进行了手指的核磁共振成像。

1980年第一台可以用于临床的全身MRI在Fonar公司诞生在美国,第一台医用磁共振于1984年获得 FDA认证。从此以后,磁共振成像走过了从理论到实践、从形态到功能、从二维到四维、从宏观到微观的发展历史。

如果说1901年获得诺贝尔物理学奖的X光线和1979年获得诺贝尔医学奖的CT成像技术是上个世纪医学影像诊断设备的巨大成就,那么磁共振成像技术的发展则代表着21世纪医学影像诊断设备和技术的发展。

今天 MRI 已经确立了其在影像诊断的重要地位,并取代了许多传统影像诊断技术。它在中枢神经系统中的应用已成为疾病诊断的金标准;在骨关节、软组织病变的诊断中是举足轻重的手段。特别是近几年来,超高场磁共振在脑功能成像、频谱成像、白质纤维束成像、心脏检查、冠心病诊断、腹部、盆腔等脏器的检查技术得到了飞速发展。

回顾10多年来MRI 发展的历程,是我们这一代人都亲眼目睹和亲身的。无论是MRI设备本身的性能改善和发展,还是成像技术和成像原理有新的突破。我们都为之兴奋,因为新技术的出现在为实验研究提供了更好的手段的同时,更重要的是为解决病患的痛苦提供了工具,为更进一步地了解疾病的本质提供了武器。

这十年 MRI 的发展,我们经历了,从一般到特殊形态诊断阶段,经历了从单纯形态到结合功能诊断的阶段,也正在经历从宏观诊断向微观和分子水平诊断的发展阶段。能比较有效地说明问题 我想还是必须粗略地从MRI 的硬件和软件两方面着手进行总结。

90 年代以来,尤其是90 年代中期后,由于基础科学研究的进步,计算机、新材料和制造工业的发展、商业竞争不断加剧,MRI的发展可以说是长上了翅膀。MRI的发展部分既要归功于诸如计算机的更新速度和新材料的层出不穷等等,也要归功于MRI 制造商花巨资进行的研发工作。

但是在许多商业化的新技术背后有很多大学、研究机构和科学家的辛勤工作,我无法在这里一一列举,只是将最著名的几项发明和创新做一些介绍。

90 年代早期,我们这一代 MRI 使用者在临床上所使用的机器是什么性能的呢?我想如果在这里介绍的话,现在的使用者是无法体会技术进步给我们带来的好处。那时的MRI普遍的场强是0.3-1.0T,1.5T 是凤毛麟角的好设备;梯度场一般都小于 10mT/m,即使1.5T 的 MRI 也不会超过15 mT/m,切换率一般也最多在 10-35T/m-s 之间。线圈都是单通道单线圈组的,负责后处理的计算机运行速度慢,每幅图象的处理时间平均都在1-2s。由于可供应用的扫描序列比较少,几乎没有一种快速扫描序列,因此检查一个病人的时间最短的也要半小时以上。当时有的医院不了解 MRI 的特点,以为像CT一样的图象就能诊断疾病,为了加快检查速度,只做T1加权的序列,结果造成了许多病变的漏诊。

90 年代中期,为了提高MRI工作效率,也为了让科学家已经发明的快速扫描序列能尽快地在临床上应用。首先要在 MRI 的硬件上有重大的突破,因为所有的快速扫描序列或方法都需要有强大的梯度场和高切换率支持,例如 EPI 序列需要至少20-40 mT/m 的梯度场,小于0.5ms 的上升时间,也就是讲切换率要达到100T/m-s以上。

90 年代中期前的 MRI 虽然已经具备了 15 mT/m的梯度场,50T/ms以上的切换率,以及不到半秒的图象重建时间,但是要轻松完成 EPI扫描任务还有点困难。90年代中期后,计算机技术的发展以及磁场屏蔽技术的进步,MRI 的梯度场强度已经达到了 20 mT/m以上,切换率也达到100T/ms以上。此时的 MRI 实现快速扫描已经没有了障碍。

为了在时间和空间上都要获得更高的分辨率,也为了使 MRI不在是一个单纯的形态学诊断工具,必须在 MRI 的性能上有所突破。这里我将近十年来 MRI 在磁体技术、梯度技术、射频和线圈技术和成像技术方面我们所了解的情况做一些介绍。

磁体近十年来的发展令人惊叹

十年前,人们更多谈论和购买的还是 0.5T 与 1.0T 磁体 就像我们现在热衷1.5T一样。1996 年,一项旨在降低超导磁体运行成本的,4K 技术首先在 0.5T 上悄然实现了,七年的液氦(在当时是极为昂贵的消耗品)充填周期与稳定运行,近乎零的消耗带给普通用户的喜悦是发自内心的,如今这项技术已经平民化,融入到很多超导产品中。十年里,磁体技术并不都是围绕着高场超导磁体而展开,在低场磁体技术的发展中同样取得了令人耳目一新的成绩。

由于采用了垂直磁场技术,线圈的设计也有了创新,可以采用包绕式的线圈的设计取代传统水平磁场的鞍状线圈,这样可使线圈的灵敏度提高1.4 倍。在低场 MRI 中,化学位移伪影、磁敏感性的降低和流动伪影的改善使得低场 MRI 在临床应用方面独树一帜,有相当数量的低场 MRI,在临床上发挥着重要的作用。尤其从商业的角度来讲,低场MRI制造成本低,安装要求低,运行成本也很低。因此,它的市场前景非常看好,在临床上各个领域都有广泛地使用。

十年前,科学家们开始关注病人接受磁共振检查时的感觉,对防止幽闭恐惧症发生的激烈讨论,迫使物理学家想办法缩短磁体的长度,增加病人的舒适空间,虽然他们知道缩短磁体的代价可能是磁场均匀性的变坏最终影响成像质量。从关怀患者的角度考虑,为了提高患者在扫描过程中的舒适度,减少幽闭恐惧症对被检者的影响,有关的设备厂商开始不断对磁体技术进行改进。随着基础匀场和动态线性、动态高阶匀场技术的不断发展与成熟,磁体的长度也在不断缩短。另一方面,同样基于这种以患者为中心的设计理念以及磁共振在介入治疗领域的拓展,垂直磁场、开放式设计的磁共振也得到了广泛应用。

本世纪初,1.5m 长的磁体上市了,虽然在减少幽闭恐惧症的发生,改善病人在检查时的环境上做出了重要的贡献。但直到现在,这项工作仍在探索,我们还不能象CT那样让病人完全自由地脱离狭小的检查空间。工程师们试图再找到一个为各方所接受设计,因为一切均源于对患者的关爱。对病人舒适空间的不断探求,催生出了全新一代的垂直开放式磁场的磁体,并于1995年首先在永磁体上实现。永磁开放式磁共振购买成本与运行成本相对低廉,磁共振得以大踏步地走进广大基层用户,从而启动了磁共振两极化高速发展历史进程,为临床应用的普及做出了巨大的贡献。

1995年,波士顿Brigham and Women’s医院的Ferenc Jolesz教授构思发明的可以满足临床手术要求的全360度开放的术中超导磁共振诞生了,这位匈牙利后裔被人们亲切地称为“双面包圈”磁共振之父。从那时起,磁共振从医学影像诊断的自由王国诗史般地迈入了全新的微创、精确治疗领域。

1999年,垂直开放的超导 0.7T 磁体出现了,2004年的RSNA上第一台全身应用型的开放式超导。1.0T磁共振被正式推向市场,现在用于脑功能研究的垂直开放超导3.0T也将面世,病人可以或站、或坐在磁体里接受检查。

超高场的 MRI 可以成倍提高图象的信噪比,大大提高空间和时间分辨率,对于高分辨率成像和功能甚至分子影像学的发展有极其重要的意义。1991 年,FJ Davies 教授领导来自以色列、英国的工程小组制造出了世界上首台 2.0T 超导磁体。从此,高场强 MRI 的概念已经突破了1.5T 的范围,迈入了超高场强的领域。

但是,由于相应的检查序列、软件技术和临床需要,并没有和超高场强磁体的开发平行发展,2.0T 超导磁体虽然完成了商业化过程,推出了相应的整机,但它在临床实践中并没有达到预期的效果。两年后,人们同时见到了3.0T、4.0T 的磁体面世,基于同样的理由它们在实验室工作了相当长的时间。

直到本世纪初,3.0T 超高场磁体及商业化整机完全适应了临床和科研两方面的需要,使得市场的需求高速增长,目前全球 3.0T 超高场 MRI 已经装机的估计已超过了 400 台,由此也带来了神经系统心血管系统的应用飞速进步。

不久前来华访问的 Keith R. Thulborn 教授在伊利诺伊大学介绍了应用 9.4T 磁共振进行基因、蛋白及细胞代谢等分子水平功能影像的研究。同样 在纽约大学、俄亥俄大学和欧洲的多家研究中心,4.7T、7T 和 8T 的超高场磁体正在紧张工作。当然这些磁体技术的突破目前还仅限于极少数的研究机构。

十年中磁体技术的发展有如下特征 超导带来更高的磁场强度,舒适开放的设计已深入人心,永磁体引起的两极化成为现实。

梯度技术是提高 MRI 成像速度的关键

早在 1973 年美国的 Paul Lauterbur 教授与英国的 Peter Mansfield 教授就已系统地阐释了梯度磁场的原理与成像的方法。但限于物理元器件材料水平发展的缓慢与成像方法流派的众多,90 年代早期,梯度技术仍在低水平徘徊。这期间有代表性的设计出自 Peter Mansfield 教授在 1991 年支持设计的 “共振式”梯度系统,该系统于 1994 年成功地实现平面回波成像(EPI)扫描。

“共振式” 设计系统复杂,速度慢,无法对扫描序列进行精确相位控制,因此满足不了各种高级脉冲序列的要求。到了1995 年,一种名为 HORIZON 的全新“非共振式”设计问世了,并迅速统一了行业标准。从那时起,随着大功率半导体器件的日臻成熟,“非共振式 梯度”作为当代磁共振技术的核心内涵得以快速发展。

到 1998年,面向专业要求进行优化设计的超快速梯度系统被开发出来了,但人们很快发现技术的进步有时会遇到难以逾越的障碍。当衡量梯度性能的两个指标:梯度强度与切换率提高到一定水平时,被检查的病人就会出现外周神经肌肉受刺激灼伤的损害。理论上讲其最大值可以实现得很高很高,但在现实中,出于保护人体的安全的要则,无法用梯度的最大值对人体实施扫描。

如何解决超快速应用与病人体伤害的这对矛盾呢?靠单个梯度线圈不行,工程师们想到两套梯度线圈的解决方案。两套梯度线圈的设计理念最初源于以色列的科学家 Paul R Harvey 教授在 1996 年的研究,旨在通过两个线性场的叠加来达到增加梯度强度的目的 ,以弥补当时梯度放大器功率的不足。随着半导体元器件的进步,这项技术已无明显的用武之地。2000 年底,科学家利用了这个原理,在同一个静磁场内安置两套梯度线圈联合应用的梯度技术再次闪亮登场。

通过两套不同切换率的超强梯度线圈分别建立不同的“靶向性"应用(精细与全身)的线性场独立实施扫描,从而很好地解决了发展中的热点、难点问题。在随后的时间里,又出现了利用两套梯度放大器带动单套梯度线圈的设计方式,在进一步提高了梯度场强、梯度切换率的同时,也有效地解决了扫描视野受限的难题。

射频技术与线圈技术的革命

线圈技术从最早 1983 年的线性极化线圈发展到圆形极化或者正交线圈,由于正交线圈是通过在相位上正交的两组线性极化线圈组合而成,结果是所需的射频功率降低 50%,同时 SNR(信号噪声比)提高 40%,在临床上就可以获得更高的图像分辨率,更快的图像采集速度。但是单个线圈的扫描范围无法满足日益增长的临床需要和大范围的体部扫描,大范围血管成像等。

90 年代初以 Roemer PB 教授为首的团队发明了”相控振“射频技术,相控阵线圈技术出现了。将多个线性极化线圈或正交线圈组成一个相控阵,每一个组成元素称为线圈单元,整个大线圈称为相控阵线圈。相控阵线圈的出现使得磁共振的临床向更大的成像范围和更高的采集速度发展。相控阵技术在临床上使用了很长时间,为 MRI 在较大范围的扫描提供了解决方法。但是,相控阵技术并没有解决扫描的速度和效率问题,尤其是大范围的快速扫描问题。

本世纪初,多通道采集技术开始崭露头角,它利用多组发射通道和接受线圈,同时工作 并行采集。这样大大提高了工作效率,加快了扫描的速度。

2002 年。多通道高速“相控阵”射频平台与高密度“靶向性”线圈两项革命性技术的问世,使得 MRI 图像的分辨率、扫描速度与对比度有了前所未有的质的飞跃。通过使用高密度、“靶向性”线圈和“靶向性”的脉冲序列,将此两项技术突破完美地结合,可以对特定器官进行高清晰度、特异性的快速扫描。

2003 年公布的 Tim 技术,可在一次检查当中,组合 76 个线圈单元,同时从 32 个射频接收通道接收和处理信号,从而在应用灵活性等方面对磁共振扫描方式进行了重新诠释。无需任何手工的线圈调整和设置,也无须任何反复的病人定位(根据不同的线圈),就可完成最大 205 厘米的扫描范围。这意味着无论是头部、还是全脊柱、全腹部 、甚至是全身扫描,Tim 技术都能以高效率、高流通量方式完成。

图象采集技术的进步 是科学家辛勤劳动的结果

1986 年,德国科学家 J.Hennig 在《医学磁共振杂志 Magn. Reson. Med. 》上发表了关于 RARE 的论文。他声称利用SE多次回波技术和革新的 k 空间填充方法可以实现快速的 MR 扫描 ,扫描速度将是原来 SE 方法的数倍甚至数十倍,这种快速的 MR 成像方法就是今天我们普遍使用的快速自旋回波 FSE 技术。J.Hennig 因此被称为 FSE 之父,并且获得了2003 年的 Max Planck Research Award for Biosciences and Medicine。

在近十年的 MRI 发展中起了重要作用的 EPI 序列是英国诺丁汉大学的 Peter Mansfield 在 1978 年提出的概念,直到 90年代中期 EPI 技术才完全商业化,在临床上得到广泛的应用。EPI 序列的应用为 MRI 进入功能成像时期立下了汗马功劳。

1999 年,苏黎世瑞士联邦技术学院 (ETH)的 Pruessmann KP 教授提出了基于多通道射频谱仪及相控阵线圈技术的k-空间并行采集技术-SENSE。这项技术的运用,对于加快扫描速度,提高图像的空间/时间分辨率、减少磁敏感性伪影及运动伪影、有着及其重要的作用。同时,该技术也有效地解决了伴随着磁体场强的升高、梯度性能提升而随之而来的诸如特殊射频吸收率成倍增加、扫描噪声提高等难题。因此,目前该技术已被广泛采用。

同年,美国的 Pipe JG 教授发表了“螺旋桨”方式采集技术(PROPELLER) 的文章,磁共振数据 K 空间采集方式象飞机螺旋桨那样转动,经过这种扫描,病人不自主运动给成像带来的各种伪影神奇般地消失了,同时还能大大降低磁敏感性伪影,并增加信噪比,无法镇静的儿童病患,老年患者的成像质量有了前所未有的提高。

1996 年,荷兰马斯特里赫特大学附属医院的Kai-Yiu Ho M.D.,成功地在 MRI 扫描仪上进行了持续自动移床的扫描。1999 年 5 月,飞利浦利用了该项技术,并将其命名为MobiTrak (Moving Bed Imaging-跟踪移床扫描) ,目前该技术已被作为外周血管增强磁共振造影的最佳手段,并被广泛应用于全身成像,它可以解决超短磁体纵向扫描视野受限的缺陷,从而扩大扫描的范围。

在 MRI 成像技术取得突飞猛进的同时,临床医学专家和教授对 MRI 的应用研究也取得了日新月异的成就。早在1985年,法国学者 Le Bihan 就提出了在 MRI 中水的弥散加权成像方法。1990 年,斯坦福大学的 Michael Moseley 教授发表了重要的研究文章,探讨水弥散加权成像在中风病人中的应用,他们发现在常规 MRI 尚未显示脑梗死的病灶时 DiffusionWeighted Imaging 即可明确显示病灶。由此才引发了通过弥散加权成像诊断超急性脑卒中研究的热潮,临床医师们到此也意识到了 EPI 的巨大功用。1993 年,来自贝尔实验室的 Ogawa S教授使用 EPI 序列开展研究,发表了著名的脑功能成像 (fMRI) 应用的论文,奏响了神经功能研究的华彩乐章。

国内的应用研究也方兴未艾,早在 1996 年,李果珍教授领导的中医针刺麻醉的 fMRI 的研究工作就已达到了世界水平。1994 年 Basser 教授发表有关 diffusion tensor imaging 的论文,提出利用 DTI 技术,我们可以显示脑内神经传导束的形态。除了中枢神经系统, 心脏领域的磁共振应用在过去的十年也得到了大大的加强。

80 年代末,Mansfield 教授曾公布了 EPI 完成的快速心脏扫描的结果,但成像质量远不能令人满意。90 年代初期,波士顿的 Atkinson DJ 教授发表了使用特殊设计的梯度回波序列完成的心脏灌注的研究结果,开创了使用磁共振进行心肌梗塞检查的先河,引起学术届的巨大反响。

1998 年,荷兰的 Wielopolski PA 教授使用抑脂的全真稳态进动序列,进行了冠脉的高清晰采集,限于本文主要回顾 MRI 有关技术方面的进展,很多新的临床应用进展留待将来有机会再讨论。

综上所述,伴随跨世纪的十年技术应用的不断积累与进取,由磁共振引领的一场新的影像技术的革命已经开始了,我们对未来光明的前景充满信心。

文章来源:复旦大学附属华山医院终身教授、复旦大学原副校长 冯源教授

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