关于磁共振成像设备的调研报告
摘要：受益于高科技特别是计算机技术的飞速发展，磁共振成像设备已成为世界上使用最为成功的医疗装备之一。通过学习医学仪器课程，结合本人课题对磁共振成像设备进行了调研。 关键词：磁共振成像设备，医学仪器
引言
磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)设备是通过被成像物体在静磁场、梯度场和射频场共同作用下产生的电磁脉冲的共振发射和共振接收采集数据、通过图像重建实现对被成像物体可视化的高新技术产品，是20世纪多学科发展和交叉的结晶。从20世纪80年代初第一台磁共振扫描仪问世至今，全世界都有MRI设备应用于医学影像诊断、医学基础研究，甚至应用于医学治疗(MRI介入治疗)等，MRI设备已成为世界上使用最为成功的医疗装备之一。近年来，受益于高科技特别是计算机技术的飞速发展，随着各种硬件和高级临床应用软件层出不穷的创新，磁共振扫描的技术和临床应用都呈现加速发展的态势，各国在该领域的研发投入也快速增长，近年已形成年产值达千亿美元的市场。目前，该领域的研究和产业化仍在高速发展，应用领域不断拓展。当前，多源发射技术代表了最新最尖端的射频发射技术，是高场磁共振的发展方向，其本质如同CT经历了单排到双排、多排一般，磁共振的发射源也完成了单源到多源的进程。
1 MRI设备的构造[1]
MRI设备包括磁体、射频系统、梯度系统、以及控制系统和冷却系统等，这些部分负责MR信号产生、探测与编码。模数转换部分、计算机部分等负责数据处理、图像重建、显示与存储。主磁体用以提供强大的静磁场，保持高度均匀的磁场强度。磁体部分的重要指标是场强、时间稳定性和磁场均匀度。目前临床上所用的场强为1．5T。磁体的类型分为永磁、常导和超导三类：永磁材料经外部激励电源一次充磁后，去掉激励电源仍长期保持磁性，场强易保持稳定，但磁体较重，场强较低，目前限制在0．5T以下；常导磁场强度也较低，耗电比较大，一般要通电数小时后，磁场才能达到稳定状态；超导是目前用的比较多的，高场强(>0．5T)
都用超导磁体，静场均匀度和稳定性好，但为了维持超导状态，必须要将超导线圈浸人液氮，使用过程也要定时补充液氦，运行费用较高，但由于磁体冷却系统的改进以及液氦价格的下跌，运行费用也在下降。射频系统负责发射、放大、接受。射频小信号单元，射频放大器，发射线圈，接收线圈(又叫表面线圈，是MRI检查时置于受检部位或器官表面的较小的射频线圈)与信号接收后处理单元组成了射频系统。射频系统是为了激发人体内氢原子核产生MR信号并接受。MRI的射频线圈已发展到第四代。第一代是线性极化表面线圈；第二代是圆形极化表面线圈；第三代是圆形极化相控阵线圈，提高了灵敏度，显著增加了图像的信噪比；19xx年再进一步推出第四代相控阵线圈，称为一体化全景相控阵线圈。 梯度系统是对因为射频而产生的共振信号做空间编码(定位)。它用于产生在主磁场中瞬时的有方向的磁场，该磁场沿一定方向其强度会呈线性梯度变化，其磁场强度为主磁场的几百分之一，对人体放射的MR信号提供了选层和空间定位的三维编码。梯度场由x、y、z三个梯度磁场线圈组成，并有驱动器以便在扫描过程中快速改变磁场的方向与强度，迅速完成三维编码。梯度系统最重要指标是梯度强度和梯度切换率。前者代表磁场随空间的变化，后者反映磁场随时间的变化率，梯度线圈对快速和超快速成像至关重要。
2 磁共振成像技术及设备的现状
磁共振成像技术经历了漫长的发展过程。19xx年美国科学家Felix Blocch等发现物质磁共振现象，19xx年美国科学家Raymond Damadian申请磁共振扫描用于人体思路的专利，19xx年英国科学家研制成功组织内磁共振光谱仪．19xx年第一台磁共振扫描仪研制成功，19xx年实现心脏循环磁共振实时成像，19xx年用于研究与测量人类大脑的磁共振功能成像仪 (functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)[2]问世，19xx年移动式MRI扫描仪投入商业生产。此后，磁共振成像技术蓬勃发展，已成为临床不可或缺的影像设备，目前几乎被用于人体各部位的检查，是医院的核心装备之一。
2．1 国外的现状
美国、德国、荷兰、日本等把MRI设备的研发和军工产品的研发结合起来，作为军工力量和具有高回报率的民用市场产品的结合点组成了庞大的研发群体。经过世界范围内的重组后，现在MRI技术主要掌握在GE，Siemens和Philips等公司，并把MRI设备的研发和市场占有率作为竞争的一个重要技术指标，不仅生产超导MRI设备，而且还生产永磁MRI设备。由于中国是永磁体材料钕铁硼的主要生产国。加上劳动力相对便宜，这些大公司通过把生产线移到中国或者收购国内生产永磁MRI产品的公司进入中国的MRI制造业市场。跨国公司把永磁产品的基地移到中国已成趋势，但是研发的重点仍然在这些公司的源头国家，使得原本处于优势地位的GE，Siemens和Philips等公司的优势更加明显。现在东芝、日立和岛津等日本公司尚处于二流水平。
20xx年以来，美国等西方国家把发展高场作为努力方向，美国FDA批准在临床使用3T和4T MRI设备．形成了采购和使用3T MRI设备的高潮。GE，Siemens和Philips公司相继推出了正式的3T产品，Philips的3T MRI设备后来居上并处于相对领先地位。作为研究设备，美国一些大学的研究所(中心)先后推出了7T和8T的超高场MRI设备，并开始投入研究工作，成为这个行业发展中的亮点。但这些设备太复杂，高场应该体现的优势还没有充分显现出来，进一步追求更高场的努力受到某种程度的抑止。
同时，小型、开放式的技术得到很大发展，各种专用或特殊用途的MRI设备正在不断投入市场，部件的性能在提高，带动整机指标不断提高。这些专用设备在市场的应用大大减低了系统及其应用的成本，进一步推动了MRI技术的普及。
2．2 国内的现状
国内最早开始研发MRI设备的是安科公司，实际采用的主要是Analogic公司的全套技术，通过开发永磁体，形成第一代产品和一定的生长能力，但二次开发和持续开发都不成功。
中国现在已有数个具一定实力的永磁生产公司，但其原始开发能力较差，进一步升级换代遇到了困难。目前国内声称可提供
磁共振成像设备的厂家已超过10家，国内厂家提供的磁共振成像设备占国内现有设备总数的25％～35％，但销售额只占10％以下，产品主要集中在低端。
在磁共振成像设备研发的原材料方面，国内有丰富的磁性材料资源，成为国际永磁型磁体的材料基地，近年这些材料性能质量提高很快，价格下降幅度也很大，推动了永磁型MRI设备在中国的发展。超导材料方面，国内稀土资源极其丰富。已能生产合乎要求的超导棒材，并为国外超导线材生产厂家供货。但国内目前尚难供应质量合格的超导线材，磁体设计技术、电磁场设计技术、低温超导工艺等与发达国家有一定差距。
国外主流厂家磁共振成像设备的核心部件谱仪都依靠自己生产．安科公司等国内企业也在开发具有自主知识产权的谱仪，但产品性能竞争力还比较低。从降低系统成本考虑，国内一些厂家在进行射频功放和梯度放大器的开发．但尚不能与专用设备商竞争。
国内缺乏从物理原理、关键技术研究到磁共振成像技术、工程、工艺的一条龙研究梯队，缺乏比较全面的综合科学和技术骨干，优秀人才少，高级人才培养十分薄弱．从事磁共振成像研究的机构太少，与国外的差距还比较大。
在中国，MRI设备基本上已在地区一级医院普及。今后若干年MRI设备将很快在发达地区的县、大城市的社区普及，在其他地区也会很快普及到县级医院，其目前的需求量大约在200～300台／年。中国每年从国外购买的高档医疗设备中，MRI设备占有重要份额，已成为世界上MRI设备增长速度最快的市场。
从应用上看，除了少数超高场设备外，国内能够紧跟上世界MRI设备潮流，在临床使用上并不落后，但是研究型设备太少。从学科上看，国内基本没有具有原始创新性的MRI产品，部件级的研发也没有系统地开展。从临床上看．MRI设备的功能尚没有很好地开发，需要组织工程技术人员、医生一起开发设备功能，使设备处于更好的工作状态。目前，MRI设备的质量保证工作实际上由外国公司承担．这是跨国公司通过供应包括零部件配置费在内的服
务，也是他们从中国市场获得超额利润的另一个渠道。中国应重视设备质量控制和治疗保证工作[3]。
3 磁共振成像设备的发展
磁共振硬件技术的发展主要体现在高性能磁体、双梯度系统、多通道相控阵线圈以及并行采集技术等，提高了图像信噪比，缩短了扫描时间。
3．1 磁体的发展
磁体的发展体现为超高场、短磁体、开放性以及低损耗等方面。临床应用上磁共振系统的静磁场强度在0．2T到3T之间，低场开放永磁和高场管状超导的磁体并存，已经有0．7T的开放磁共振，更高磁场强度的磁体也在不断的开发，已经有4T甚至7T的磁共振用于科研，主要用于脑功能的研究。近年来更高磁体的磁共振设备也在不断的研究之中。追求理想的信噪比和快速的扫描速度一直是人们多年来不懈的追求目标，众所周知，磁场强度越高，信噪比越高，扫描时间越短。由于高场磁共振在信噪比、分辨率、扫描时间上占有优势，1．5T磁共振对组织和病变的显示、对微细结构和微小病变的显示检出率优于中低场磁共振，同时缩短了患者的检查时间，另外还可以开展波谱、功能成像的研究，已经成为当前市场的主流。然而人们并未满足于1．5T所带来成熟丰富的临床应用经验，开始对3T磁共振有很大的兴趣。全身超高场磁共振在临床应用和科学研究中具有一系列的优点，如信噪比更高，功能与分子成像的结果更可靠，更有利于心脏和冠状动脉成像等。现在的第三代3T磁共振已经解决了超高场磁共振面临的许多挑战和局限，例如双梯度线圈的采用使梯度系统的性能大大提高，新的磁体技术实现全身检查所必需的大而有效的扫描视野，真空降噪技术等的应用有效解决了噪声问题，磁体的自屏蔽技术使3T磁体对场地的要求只相当于九十年代初期的1．5T磁体，脉冲序列的优化有效地控制了射频能量的吸收(SAR)，同时多通道相控阵线圈以及并行采集技术的成熟应用克服了3T大量数据的接收、传输、及处理的瓶颈问题，目前3T超高场磁共振已经成为成熟的临床和科研的高级双重平台，是未来磁共振市场最快的增长点。在超高
场磁共振不断发展成熟之际，低场的开放永磁型磁体也在迅速发展，它有许多高场所无法取代的优点，如不需要消耗液氦，运转费用低廉；噪声小，化学位移伪影小，射频能量的吸收也少；克服了幽闭恐惧症，便于儿童和重症患者的监护以及介入的开展。为了在开放的同时追求更高的信噪比、更快的成像速度，一方面提高永磁体场强和梯度、射频等的硬件指标，另一方面，高场的许多脉冲序列被移植到低场中，许多高场的功能也可以在开放型低场磁共振中得以实现。随着硬件软件配置全面升级，现在的低场永磁磁共振与传统的低场磁共振相比，图像质量有了较大提升，其性能和临床诊断移植了除波谱和脑功能成像外的所有高场磁共振的功能。开放磁共振自上世纪九十年代推出后，取得了良好的市场效果，特别在我国偏远地区及中小医院依然具有广阔的市场。
由于人们对介入磁共振成像和运动医学中动态研究兴趣的增加，为各种成像目的专门设计的磁共振成像系统不断的出现，如车载可移动的磁共振系统便于体检，还有乳腺专用机、心脏专用机、四肢关节专用机以及介入治疗专用机等，用于手术导航的磁共振已经面世。随着人性化设计理念的深入人心，开放系统还将继续强劲发展，现在甚至已经出现1．0T超导全开放磁体系统。
一种被称为Inside-out的磁共振技术被研发出来，与传统磁共振把被成像人体置于磁体内部不同，该技术将在磁体外实现成像，实际上是一种微探针成像技术，把微型磁体加上微型RF线圈，然后将其置于血管内实现成像。由于是近距离成像，因此灵敏度大大提高，空间分辨率可达0，1mm，能获得高分辨的血管壁MR图像，还可以用于对前列腺癌的检测和病程分期，或检测直肠癌、肺癌以及外周血管病变。超导磁体的性能不仅体现在磁场强度的提高上，而且还包括磁场屏蔽、匀场技术、液氦消耗成本的降低、制冷剂检测等方面，总体来说，磁体性能的提高以尽量少的液氦消耗、尽可能低的杂散磁场、容易安装维护为标志。磁体的制造者不断改进设计，随着基础匀场和动态线性、动态高阶匀场技术的 断发展和成熟，在保证磁场均匀度的同时，超导的管状磁体可以做得更短、更开放、更人性化。在磁屏蔽上，有源屏蔽已经普
遍使用，使杂散磁场更小，高场磁共振对场地的要求降低，现在的3T只需要过去1．5 T所要求的面积。液氦消耗随着磁体制造工艺的改进已经降到很低，如有的超导磁体采用r使磁体高稳定运行的“4K冷头”，再辅以高效的保温设计，正常情况下可以做到三年加一次液氦。另外，人们已经发现了临界温度在100K的超导材料，如果将这些高温超导材料用于超导磁体的制造，那么M R磁体将告别液氦冷却时代，改用液氮即可，费用也就随之大大降低。另外各厂家在磁体的安全性能方面采取了许多措施，如使用实时磁体动态监测技术，对磁体的运行过程的各种数据如温度、压力、液氦面等进行采集，便于及时了解磁体的状况，一旦出现异常会及时报警，使发生失超的可能性降至最低，大大提高了超导磁体运行的可靠性和安全性。
3．2 梯度系统的发展
梯度系统向高性能的双梯度方向发展。梯度强度、梯度切换率和爬升时间是梯度系统重要的性能指标，它决定了最小层厚、最短的回波时间以及重复时间等，不仅影响成像时间，而且决定图像的空间分辨率。梯度系统的发展主要朝着高线性与快速响应的方向发展，以适应快速扫描序列中梯度脉冲快速上升和翻转的需要，目前已达到30～40m T／m，有的甚至达60m T／m；梯度切换率达到200m T／m／s或更高。为了追求尽可能快的扫描速度，各公司都不断提高梯度场的强度和梯度切换率。由于梯度场的快速开关会对人体造成刺激，包括快速切换产生洛伦茨力带来的强大噪声，以及人体感应电流对神经末梢的电刺激等，因此它的发展有个极限，必须在受检者的生理忍受的安全极限之内，线圈越短，临床检查的安全范围越大，也就是说对于较短的梯度线圈，可以实现较高的梯度性能。于是出现了双梯度系统。所谓双梯度，就是在主梯度线圈内增设一个较短的梯度线圈，可以根据需要分别工作，对于头部和心脏等对扫描速度要求较高的检查，用短磁体实现高性能；对于体部扫描等扫描范围较大的部位，特别是肥胖病人，则用大的梯度线圈，这样可以实现各自的功能。双梯度技术的采用，在实现最佳成像性能的同时大大提高了病人的流通
量，革新的技术优化了每一次扫描的时间，信噪比，分辨率和图像质量。使用者能在两种梯度模式间自由切换(精细扫描和全身扫描)，进而提高空间分辨率、信噪比和扫描覆盖范围。不仅可以进一步提高梯度系统的性能，而且有效地减少了梯度场对人体的刺激，特别适合于头部及心脏的功能性检查。双梯度系统的出现使磁共振系统的性能出现突破性进展，进入了双梯度时代。
涡流是梯度系统设计中令人头痛的问题，它严重影响磁场的均匀度，导致图像的伪影；而且涡流导致磁体发热，增加了液氦的消耗。人们采取各种方法降低涡流，如采用特殊磁体结构，或用高阻材料来制造磁体，从而减少涡流。噪声问题近年也已引起各厂家重视，梯度线圈工作时在主磁场作用下产生洛伦兹力，会使线圈在梯度场切换期间剧烈振荡，发出很大噪声。现代临床成像要求常规地运用超快速的成像序列如DW-EPI、FR FSE等，这些都依赖于很高的梯度场强度和梯度切换率。高性能梯度带来更大噪声，有的达到一百多分贝，高技术序列正是影响病人安全的噪声的根源，这不仅会造成病人的不适和恐惧，而且对听力造成损害。静音技术正是平衡考虑到这些高端应用和病人的安全性与舒适性，其核心主要包括以下几个方面。一是真空腔，噪声通过空气的振动而传播的，真空是隔绝声音传导的最有效措施，把梯度线圈置于封闭的真空腔内，以阻断噪声的传播途径，因此大大减少了传递到病人的噪声水平；还有的采用有源噪声控制技术，即采集目标区域的噪声进行分析，在此基础上生成一个方向相反强度相等的声音信号，使之与原噪声相互抵消；有的通过改进脉冲序列达到降低噪声的目的。另外，有的公司采用降阻尼材料的特殊设计应用使噪声阻尼材料整合在发射接收的射频系统中，进一步提高降低噪声的效果。
3．3 射频系统的发展
射频系统朝多通道相阵线圈、并行采集技术及数字信号处理的方向发展。磁共振射频系统由射频线圈、发射接收系统、射频功放等组成，线圈是磁共振系统信号采集的设备，其灵敏度直接关系到图像的好坏。它的发展已经从线极化到圆极化，从单通道
到多通道相控阵甚至全景一体化线圈，从硬到软，从体外到腔内。这几年来，在磁共振设备中，射频线圈得到飞速发展，比如肢体血管成像多通道线圈，带有光刺激的脑功能成像线圈，心脏相控阵线圈，前列腺线圈，经鼻插入的食管线圈以及经导管插入的血管内线圈等。有的公司推出“靶线圈”技术，针对不同部位的生理特点而专门设计线圈，这是射频线圈发展的方向。
相控阵线圈技术的研制最早用来使表面线圈在保持线圈固有信噪比的同时使获得的图像信号强度一致，在它的基础上研制的并行采集技术是当前磁共振发展技术的一个热点，是磁共振梯度编码形式的有利补充。众所周知，成像速度由梯度系统的性能决定，然而梯度系统硬件不可能无限制的提高，受到噪声、周围神经刺激阈值、以及制造成本、制造工艺的限制，当它的发展几乎到达一个极限时，多线圈并行采集技术出现并在临床检查中的成功应用。并行采集技术利用与接收线圈敏感特性相关的空间信息，通过增加笛卡尔傅立叶成像K空间中采样线的间距，减少相位编码采样步数，保持K空间大小不变，使扫描时间在保持成像空间分辨率的情况下得到减少。常见的有SENSE、SMASH，ASSET，iPAT等等，并行采集技术是在对成像空间分辨率及信噪比影响不大的前提下，缩短扫描时间，从而降低腹部扫描时屏气的时间，提高时间分辨率，缩短回波间隔，减少图像模糊及扭曲。在扫描时间不变的情况下，它可以提高成像的空间分辨率或增加扫描层数，这在对比增强磁共振血管成像的扫描中特别重要，可以在造影剂团注后首过时得到更高分辨率的图像。在实际的临床应用中它的应用十分广泛，特别在腹部成像、心脏成像、脑功能成像、弥散加权成像等要求快速扫描的序列取得良好的效果。对于超高场(3T及以上)磁共振系统，多线圈并行采集技术的应用不仅仅使得成像时间缩短，更重要的是它使成像所需的射频脉冲的数量减少，减少病人对射频能量的吸收(特别在腹部扫描)，解决了超高场磁共振在SARS限制上所面临的难题。随着多通道线圈的进一步开发和完善，以及软件算法方面的不断改进提高，相信并行采集技术也将得到进一步的完善，其临床应用将越来越广泛。另外，射频系统的发射接收已经实现了全数字化和多通道，在过去几年里，由于梯度系统的性能大大提高，梯度线圈的切换极快，同时磁场强度不断提高，超高场磁共振的逐步推广，导致对信号数字化处理的速度要求更高。当前，多源发射技术代表了最新最尖端的射频发射技
术，是高场磁共振的发展方向，其本质如同CT经历了单排到双排、多排一般，磁共振的发射源也完成了单源到多源的进程[4]。先进的数字信号处理(DSP)方法允许采用一种新的方法处理时域的编码数据，硬件上随着模数转换速度的提高，数字信号处理方法使得磁共振信号以更高的频率采集，具有更好的保真性。磁共振系统不仅实现了全数字化发射和信号接收，而且多路射频接收信号同时接收和传输，高密度“靶向性”线圈和特定的脉冲序列，加上高性能的高速成像链，避免了成像过程中的瓶颈效应，实现了最佳的信噪比、分辨率和采集速度。
4 中国磁共振成像技术及设备发展的策略[5]
MRI设备的科技含量高、临床应用广、前景好、需求大，中国应积极开展MRI设备和技术的研究及开发，瞄准世界领先水平，以自主创新为主，逐步形成企业发挥主体作用、产学研相结合的自主创新模式。中国发展MRI设备须遵循如下策
略：
(1)政府居主导地位，发挥导向作用
MRI设备是高技术、高投入、高产出领域，政府应引导、促进企业的自主创新：① 在国家科学技术医疗器械领域的总体规划和长期发展目标中，体现MRI发展方向和核心技术，为企业等发展产业技术发挥导向作用；② 制定产业政策，为企业自主创新技术适时给予支援和资助；③ 对国内市场采取适当的保护措施．为企业技术创新和产品竞争力的提高创造有利条件。
(2)注重产学研结合，提升综合优势
从世界范围看，发达国家研发MRI设备的主力在企业。由于国内企业目前处在发展阶段，尚没有企业具备这种能力，所以建立大学或研究所与企业联合研发模式，是中国发展MRI产业的好办法。国内的研发机构和企业成本相对较低，具有价格和服务方面的优势，应加快我国MRI产业的发展，向用户提供经济、实用的MRI设备，积极参与MRI领域的国际竞争。
(3)选择重点技术攻关
根据MRI设备及其关键技术的研发及产品情况，充分利用中国的优势，选择重点技术攻关。在选择重点技术攻关时，应遵循以下原则：
1)以抢占永磁高端主流产品世界先进水平为目标。国内已能生产一般的永磁系统，国家设立的研发项目必须超过现有产品的
所有性能指标。投放资金重点培育有发展潜力的高水平群体。
2)在特殊用途的MRI设备研发方面有所突破。重点关注介入治疗或手术导航的MRI设备、颈动脉血管成像专用设备等。目前发展和实现在非均匀场MRI成像理论方面已取得一定成果，一旦研发成功，将可达到世界领先水平。
5 结论
磁共振技术尽管已经比较成熟，但是它日新月异的发展令人振奋，并且耳目一新，它已经成为最广泛的诊断工具。目前磁共振技术快速发展所面临的主要问题是受过专门训练并对磁共振有一定研究的技术员和放射科医生的缺乏，由于磁共振是一门多学科融合并且迅速发展的新兴学科，新的临床应用层出不穷，大量的序列开发、功能的实现需要医生、技术员和工程人员的共同努力，才能将磁共振所固有的功能潜力完全发挥。随着科学技术的发展，科学技术人员和临床医生的共同努力，磁共振的明天会更美好。其中多源磁共振自20xx年上半年面世以来已经在国内市场占据显著地位，这种目前最先进的基于个体差异的多源射频管理技术具有传统磁共振所无法比拟的优势，被认为是代表了今后高场磁共振乃至超高场磁共振的发展方向。相信未来它仍然富有极大的生命力，得到持续的快速的发展。
参考文献
[1]崔琦,孙国君,顾宏清,磁共振成像设备发展趋势,上海生物医学工程,2007,28（4）：240-242.
[2]王君,刘嘉,功能性磁共振成像的应用和发展前景,现代仪器,2008,1.
[3]崔琦,孙国君,顾宏清．磁共振成像设备发展趋势[J]．上海生物医学工程．2007(4)：240-242．
Cui Qi, Sun Guojun, Gu Hongqing．Shanghai Journal of Biomedical Engineering,2007(4)：240—242.
[4]胡从云,多源磁共振技术——21世纪高场磁共振的发展方向,医疗卫生装备,2010,31（6）:131-132.
[5]唐晓英,刘志文,刘伟峰,等,磁共振成像技术及设备发展策略,科技导报,2008,26（9）:90-92.