磁共振成像技术及设备

磁共振成像技术及设备中国医科大学临床医学七年制93K4B张增赠[摘要]阐述了磁共振成像技术和设备在医学应用中的优势，分析了磁共振成像技术及设备的历史现状及发展趋势，探讨了中国磁共振成像技术及设备的发展策略，提出了磁共振成像技术的重点攻关建议。[关键词]磁共振成像；医学应用；重点技术【Abstract】ThispaperdiscussestheadvantageoftheMagneticResonanceImaging(MR1)technologyinthemedicalapplication,analyzesthestateoftheartanditsdevelopmenttrendbothinChinaandabroa~andexploresthedevelopmentstrategyoftheMRItechnologyanditsequipmenLSeveralsuggestionsalemadeconcerningthekeytechnologyofMRLKey:wordsMagneticResonanceImaging；medicalapplicationstrategy；keytechnology磁共振成像(MagneticResonanceImaging，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。[编辑]MRI在医学上的应用[编辑]原理概述氢核是人体成像的首选核种：人体各种组织含有大量的水和碳氢化合物，所以氢核的核磁共振灵活度高、信号强，这是人们首选氢核作为人体成像元素的原因。NMR信号强度与样品中氢核密度有关，人体中各种组织间含水比例不同，即含氢核数的多少不同，则NMR信号强度有差异，利用这种差异作为特征量，把各种组织分开，这就是氢核密度的核磁共振图像。人体不同组织之间、正常组织与该组织中的病变组织之间氢核密度、弛豫时间T1、T2三个参数的差异，是MRI用于临床诊断最主要的物理基础。当施加一射频脉冲信号时，氢核能态发生变化，射频过后，氢核返回初始能态，共振产生的电磁波便发射出来。原子核振动的微小差别可以被精确地检测到，经过进一步的计算机处理，即可能获得反应组织化学结构组成的三维图像，从中我们可以获得包括组织中水分差异以及水分子运动的信息。这样，病理变化就能被记录下来。人体2/3的重量为水分，如此高的比例正是磁共振成像技术能被广泛应用于医学诊断的基础。人体内器官和组织中的水分并不相同，很多疾病的病理过程会导致水分形态的变化，即可由磁共振图像反应出来。MRI所获得的图像非常清晰精细，大大提高了医生的诊断效率，避免了剖胸或剖腹探查诊断的手术。由于MRI不使用对人体有害的X射线和易引起过敏反应的造影剂，因此对人体没有损害。MRI可对人体各部位多角度、多平面成像，其分辨力高，能更客观更具体地显示人体内的解剖组织及相邻关系，对病灶能更好地进行定位定性。对全身各系统疾病的诊断，尤其是早期肿瘤的诊断有很大的价值。[编辑]磁共振成像的优点与1901年获得诺贝尔物理学奖的普通X射线或1979年获得诺贝尔医学奖的计算机层析成像（computerizedtomography,CT）相比，磁共振成像的最大优点是它是目前少有的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法。如今全球每年至少有6000万病例利用核磁共振成像技术进行检查。具体说来有以下几点：1.对软组织有极好的分辨力。对膀胱、直肠、子宫、阴道、骨、关节、肌肉等部位的检查优于CT；2.各种参数都可以用来成像，多个成像参数能提供丰富的诊断信息，这使得医疗诊断和对人体内代谢和功能的研究方便、有效。例如肝炎和肝硬化的T1值变大，而肝癌的T1值更大，作T1加权图像，可区别肝部良性肿瘤与恶性肿瘤；3.通过调节磁场可自由选择所需剖面。能得到其它成像技术所不能接近或难以接近部位的图像。对于椎间盘和脊髓，可作矢状面、冠状面、横断面成像，可以看到神经根、脊髓和神经节等。不像CT只能获取与人体长轴垂直的横断面；4.对人体没有电离辐射损伤；5.原则上所有自旋不为零的核元素都可以用以成像，例如氢（1H）、碳（13C）、氮（14N和15N）、磷（31P）等。。2磁共振成像技术及设备的现状和发展磁共振成像技术经历了漫长的发展过程。1946年美国科学家FelixBlocch等发现物质磁共振现象，1972年美国科学家RaymondDamadian申请磁共振扫描用于人体思路的专利，1974年英国科学家研制成功组织内磁共振光谱仪．1986年第一台磁共振扫描仪研制成功，1987年实现心脏循环磁共振实时成像，1993年用于研究与测量人类大脑的磁共振功能成像仪fMRI问世，1999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国外的现状和发展美国、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2001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4TMRI设备．形成了采购和使用3TMRI设备的高潮。GE，Siemens和Philips公司相继推出了正式的3T产品，Philips的3TMRI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国内现状和发展国内最早开始研发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闭。3中国磁共振成像技术及设备发展的策略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。3．1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。3．2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。3．3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。4中国磁共振成像重点攻关技术建议及展望中国MRI设备重点攻关技术应从以下方面切入。1)加强以抢占世界主流产品为目标的关键部件技术研究，设立国家预研项目，加快研发速度。可针对高端永磁MRI系统中两个关键部件设立预研项目：①高端永磁MRI系统的磁体预研．主要让匀场技术有所突破，在主磁场体积和重量基本不增加的情况下，使主磁场的场强达到4000Gs以上，争取接近7000Gs。为研发永磁高端产品并把现在高场系统上的成像技术移植到永磁系统打基础。②高端永磁MRI系统的软件谱仪预研，主要完成原理样机设计和制作．DDS工艺设计和计算机模拟，完成相应的样机。2)为了使永磁产品达到世界先进水平、某些方面达到领先水平，建议开展以下工作：①配合永磁体研发，开展逆向梯度线圈的设计，把梯度线圈、屏蔽线圈和匀场设计统一起来，使包括永磁体在内的磁体模块的性能指标达到最优化；②完成可用于8通道对氢核成像的软件谱仪的设计、制作和性能测试，针对高场永磁MRI系统，完成相应的调试，使得成像参数最佳化；③完成射频线圈的设计优化，尤其是并行采集用的8通道相控阵线圈的