便携磁共振成像

中科院长春光机所 2021-12-22 14:45

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本文概述便携磁共振成像装置

研发进展和产业化状况

一、前言

人体磁共振成像（MRI）发明于上个世纪70年代^[1]。在所有医学成像方式中，MRI提供了最佳的软组织对比度，是诊断神经系统疾病，心脏疾病，肌肉骨骼疾病的重要手段。而且，和CT相比较，MRI没有电离辐射，是一种安全的成像。

但是，目前普遍使用的传统1.5 T和3T磁共振扫描仪采用的是超导磁体，体积庞大且不容易移动，一般必须安装在医院内（如图1所示）。

与传统的大型磁共振仪器相比，便携磁共振扫描仪可以被带到患者的床边，以便及时现场成像，故而一直为人们所期待，自2019年底以来，无论是在学术界还是产业界，便携磁共振都成为了焦点。

图1 磁共振扫描仪

图源：www.medicalcareerhq.com

传统的1.5T 和3T磁共振扫描仪采用超导磁铁，售价与场强有关，通常在一百万美元/T左右（不包括安装和维护费用），通常情况下会占用三个房间，一个房间用于盛放磁铁，一个作为控制室，一个是机房，重量在15-20吨左右。

由于费用昂贵，在国内，一般只有一二线城市里的大医院才有，平均每一百万人口共用6台磁共振扫描仪^[2]，在国外也基本只有大医院和大学、研究所才有^[3]。也就是说，三四五线城市和偏远的地区几乎没有超导磁共振扫描仪。

当然，即使在大城市或者经济比较发达的地区，由于昂贵的费用，定期的MRI扫描也难以实现，例如，将MRI包括在每年的体检套餐里，对于发现早期癌症很有必要，但就现有条件而言这是不现实的。另外，对于那些需要进行大量频繁MRI扫描的科学研究，比如用MRI观察人脑的变化，从而把握、分析痴呆症的形成过程的研究，也会由于高扫描费用而选择减少扫描观察的次数，影响研究的质量。

传统扫描仪体积庞大，可移动性小，严重的限制了它的应用。这样的庞然大物只能一直安装在医院的放射科，其他的科室借不了，也去不了重症病房。那些需要用MRI导航的手术，也只能把病人来回搬运于放射科和手术室之间，这大大地增加了病人感染的风险。除此之外，这样庞大的磁共振扫描仪也去不了偏远山区，更没有办法带上救护车，去救灾现场甚至是战场进行及时的成像诊断。

磁共振怎么变得可移动，怎么小型化，怎么价格大众化，怎么把它在所需时带到需要的地点，是科研人员，工程师，工业界需回答的紧急问题。

为此，我们通过分析一台MRI扫描仪当中，哪个部分最占空间。我们都知道传统的基于傅里叶变换的磁共振成像需要“两静一动”三大磁场，分别是静态均匀主磁场（B0）, 静态线性梯度场（G），还有动态射频磁场（B1）（如图2所示）。射频磁场的频率由B0通过回旋磁比（gyromagnetic ratio）决定。主磁场，梯度场和射频磁场是由磁铁，梯度线圈和射频线圈分别提供。其中，占用主要空间的是提供主磁场的磁铁。超导磁铁，电磁铁，永磁铁是用来提供磁场的不同途径，不同类型的磁铁，在实现可移动，小型化，大众化方面的空间和潜力也不同。当然，价格的大众化，仪器的功耗和硬件成本也必须考虑在内。

图2 “‘两静一动’”三大磁场示意图

图源https://www.medventura.com

二、超导系统的移动化、小型化、大众化

传统超导磁体是长筒状的，扫描时人平躺着被送进长筒中孔。磁铁的长度在145cm （GE MR 450W，1.5T^[4]）到297cm（西门子，7T^[5]）之间不等，覆盖全身或者大半个身体，孔直径的范围在60cm到70cm之间。2020年11月发布的西门子0.55T 系统的孔直径可以达到80cm^[6]。超导磁体的优点是场强高，场均匀好，可开关，缺点是占用空间大，高功耗，高硬件成本。在2000年左右，西门子和飞利浦把1.5T/3T超导扫描仪装在了拖车上制成移动式的MRI^[7-8]。这是让MRI动起来的最直接的方法，可占用的空间和成本都无法降下来。

1992年的美国专利中有关于超导MRI小型化的介绍，分别是胸部1T的磁体和头部2T的磁体^[9]。这个专利里描述的超导磁体都是为身体特定部位成像而设计的，故而磁体的占用空间大大减小。文献【9】里面的超导磁体重半吨，场均匀度维持在10ppm（part per million）以下（图3）。三十年过去了，近几年这种提供身体特定部位成像的超导磁体再一次兴起。明尼苏达大学和哥伦比亚大学以头部和躯干的超导局部成像为目标进行合作（图4），正在紧急研发中，值得持续关注^[10]。这个研发，有望把超导磁体的大小与重量大大地减少。另外在小型化的超导方面，西门子最新发布的0.55T能做到占地小于2 m X 2 m^[6]，引起了同行的关注。

图3 一种超导磁体

图源：US Patent 5,382,904, Structured coil electromagnets for magnetic resonance imaging and method for fabricating the same, 1992

图4：头部和躯干的超导局部成像^[10]

图源：Tommy Vaughan et al Columbia University, New York

三、电磁铁系统的移动化、小型化、大众化

电磁铁是超导磁铁在没有超导低温时的形态，没有超导低温，线圈的电阻变大，能支持的电流就小，产生的磁场就相对低。而且，电流在线圈会产生热。在用于电磁铁的，通常比较简易的散热系统下，系统的散热能力会限制电磁铁的电流和通电的时间，进而限制它的场强和工作的时间。相对于超导磁铁，电磁铁的优点是低功耗和低成本，开关更便捷；占用空间方面可能差不多；而缺点是场强偏低，通常小于10mT。

电磁铁在超极化磁共振肺成像运用很多^[11]。近几年，比较著名的是哈佛医学院/麻省综合医院Matthew Rosen团队的一套用于头部成像的电磁系统^[12-13]（如图5）。他们采用的是四线圈双平面水冷加空气冷却的电磁铁设计，在20cm的球体容积直径（DSV，diameter of spherical volume）里面实现6.5mT 的平均场强和15ppm的匀场后均匀度。这个系统体积有半间房大小（2.2m x 2.2m x 1m），半吨重。国内重庆大学设计了一种用于脑部MRI的电磁铁，场强为6.5 mT, 250 mm DSV 磁场均匀度理论上可以达到10ppm^[14]。

图5 哈佛医学院/麻省综合医院Matthew Rosen团队

用于头部成像的电磁系统^[12-13]

四、永磁铁系统的移动化、小型化、大众化

永磁铁最大的特点是磁场本身不需要电，也不需要冷却，所以比起另外两种MRI，永磁MRI结构相对简单，功耗低。当然它也有的一个明显的缺点，那就是无法把磁场关掉，即使是运输的过程中也如此。关于磁性材料在磁共振和磁共振成像的研究和应用，大家可以参考文献【15】。

永磁MRI提供的场强在10mT到1T的区间，比超导磁铁低，但是比电磁铁高很多。主要可以分为三个类型，大系统，中型系统和便携系统。大系统类似于一个超导系统，可以帮全身各个部位成像。一般用C-型^[16]或者H-型（C-型的一种对称的变形）（如图6）。C-型/H-型是利用磁铁结合铁结构体形成一个回路，其中永磁铁密集排列，南极跟北极分别对齐，并开口，在开口中间形成均匀的磁场进行成像，视场可以达到40cm DSV。西门子的0.35T磁共振扫描仪就是基于C-型永磁体的一个设计^[17]。整个磁体能在40cm DSV的视场实现小于100ppm的均匀度。当然，实现这个的代价是需要一个庞大的磁体，需占用一间房（233 cm x 206 cm x 160 cm），重17.6吨。

图6 C-型和H-型

C-型/H-型MRI体积大的问题在后来特定部位成像理念发展时得到了很大的改善。我们在这里把这类系统称为永磁MRI的中型系统。意大利公司Esaote®有一个O-型系列，专做膝盖脚踝成像，视场是14cm DSV，场强是0.31T^[18]。虽然视场变小了，但整个系统只占地2.8 m x 3.2 m. 日本筑波大学MRI研究组的肩膀MRI扫描仪^[19]是个小型化的C-型磁铁，也属于这种类型。英国帝国理工也研发了膝盖MRI成像的小型系统^[20-22]，他们的磁铁阵是能够产生横向磁场的新型磁铁阵^[22]。国内重庆大学基于H型磁体，研发了一种用于脑部成像的MRI系统，整个系统重量为350 kg^[23]。

永磁MRI的便携系统，一般为桌面大小，用于特定部位成像。实现了真正意义上的可移动，小型化，和价格大众化，最近几年在科研界和产业界都受到了极大的关注。国外主要的研究组有哈佛医学院/麻省综合医院，新加坡科技与设计大学，荷兰莱顿大学和加拿大的阿尔伯塔大学等，国内有东南大学、重庆大学、中国科学院苏州医工所等。

比较起之前的C-型/H-型密集永磁铁阵，便携系统以稀疏处理的Halbach阵列（海尔贝克阵列）^{[24-27,28.29]}和双极轮阵列（inward-outward ring-pair array）^[30-34]（如图7所示），再加上是以特定部位成像的概念为主，所以体积和重量可以大大减小。对这种便携系统的研发主要集中在头部成像，用的是圆筒阵列^{[25-27,33-34]}。对这样的便携系统而言，在实现20cm DSV视场的前提下，再同时实现高场和匀场是相当困难的。通常出现的情况是平均场会被拉低。莱顿大学的磁铁就是一个例子^[27]。他们在20cm DSV的视场里，场匀到了2400ppm，平均场强是50mT。匀场是基于傅里叶成像的需要，也就是匀场作为主磁场，又在其上加梯度电线圈提供的线性梯度场进行成像。如果匀场的需要被打破，也就是把永磁阵列提供的场当成是主磁场和梯度场的总和来进行成像，磁铁阵列的设计会有更多自由度，同时场强也可维持在较高数值。从图表2的第五行（莱顿大学的磁铁阵列^[27]）和其他各行的对比就可以看出这个趋势，放弃了场的均匀度，平均场强都较高。对于这个利用永磁阵列提供总场进行成像的理念的综合分析和解读，新加坡科技与设计大学进行了一定的研究，可以在文献【35】和【36】里找到。

图7 海尔贝克阵列和双极轮阵列

其中一个重要的优势是永磁阵列相当于提供了部分或者是全部的梯度场，可以减少电梯度线圈的数量和能耗，从而达到简化系统硬件和减少系统总能耗的目的。当然，对于永磁阵列提供的总场，去掉主磁场剩下的梯度场可能是近似线性的，有可能是其他非线性的分布。关于非线性梯度场，早在2015年，就有用Halbach阵列所产生的一个四极分布的磁场直接进行成像，完全不用梯度线圈的实例^[25-26]。在这种成像体系里，不同区域因为梯度的不同，呈现不同的成像质量。对于Halbach阵列所产生的一个四极分布的磁场，由于在中心区域的梯度接近于零，只能成模糊的像。关于什么样的非线性场分布能有好的成像效果，详细的剖析可以在文献【35】里找到。至于永磁阵列产生近似线性梯度场的例子，可以在文献【37-39】找到。在这种情况下，一个方向上的近似的线性梯度场需要另外两个方向上的电梯度线圈进行辅助。

关于永磁铁和永磁铁阵在磁共振和磁共振成像的研究和应用，大家可以参考调查文献【40】。关于永磁铁MRI的产业化，2019年成立的Hyperfine正式风起云涌，他们用的是68mT的永磁铁，为便携磁共振成像开了个好头。国内外其它一些研究机构，也在产业转化中，相信在不久的将来，会看到更多的商业化产品。

表1：超导磁铁MRI，电磁铁MRI，永磁铁MRI的比较

表2：永磁MRI的便携系统对比

五、结语

便携磁共振成像装置的开发和产业化是一件关乎人类生命健康的大事，它可以在大众经济可承受的范围内更及时地提供相关疾病的诊断、监控和预防。当然，这个事业也需要更多人力、物力和资金的投入，以便能够快速地、健康地发展。

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