超高磁场强度及均匀度在磁共振成像(MRI)中的优势分析

李培勇 齐玉宁 程东芹 张义廷 王兆连 潍坊新力超导磁电科技有限公司 （潍坊 261205）

超高磁场强度及均匀度在磁共振成像(MRI)中的优势分析

李培勇 齐玉宁 程东芹 张义廷 王兆连 潍坊新力超导磁电科技有限公司 （潍坊 261205）

随着超导磁体技术的不断发展，成像区实现了更高的磁场强度，并在磁共振成像领域得到应用和快速发展。本文首先对磁共振成像系统的发展作了综述，然后从核磁共振信号形成的物理原理出发，论述了超高磁场强度及磁场均匀度在成像中具有的优势。

磁共振成像 超导磁体 超高场强 磁场均匀度 信噪比 空间分辨率 扫描速度

李培勇，工程师，研究方向：超导技术研发与应用；齐玉宁，工程师，研究方向：超导技术研发；程东芹，工程师，研究方向：超导技术研发；张义廷，工程师，研究方向：超导技术研发；王兆连，高级工程师，研究方向：超导技术应用

1.磁共振成像系统发展现状

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）设备是大型医院影像诊断的核心设备，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超导磁共振成像系统的成像质量和成像功能，开始对3.0T超高场磁共振有很大的兴趣。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，功能与分子影像的结果更可靠，更有利于心脏和冠状动脉成像等。

2.磁共振成像系统的工作机制及物理原理

在磁共振成像系统中，磁体系统提供均匀主磁场（B0），对于超导磁体系统来说包括超导磁体、冷却系统、供电保护和控制系统，主磁体是MRI成像的基础，人体与组织样品在外磁场的作用下发生磁化，产生MRI系统测量的物理对象：磁化强度矢量（M0）；射频系统是产生射频（radio frequency，RF）的物质基础，射频脉冲使磁化的质子吸收射频能量产生磁共振，质子在弛豫过程中释放能量，发出磁共振信号，被接收子系统检测接收；梯度系统提供成像所需梯度场，形成质子磁共振信号的三维坐标信息，从而实现层面选择、相位编码、频率编码，在梯度回波和其他一些快速成像序列中，梯度磁场的翻转还起着射频激发后自旋系统的相位重聚作用，磁场梯度在空间定位、回波形成以及多种对比度形成上起到关键作用（如扩散、流动敏感等）；谱仪系统是射频和梯度系统的控制中心；控制台系统提供用户接口。

图1. 磁共振成像系统工作机制

核磁共振是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。人体中的氢原子核在静磁场B0中以拉莫尔频率进动，射频线圈发射射频脉冲，激发氢质子发生共振从而产生横向磁化矢量，这种射频脉冲必须与氢质子进动频率相同。同时进行空间定位编码，关掉射频脉冲，质子发生T1、T2弛豫，接收线圈采集人体发出的MRI信号，K空间填充，经由计算机系统作傅里叶转换处理，并显示图像。

3.超高磁场和均匀度在磁共振成像中的作用和优势

随着国际及国内超导磁体技术的发展，成像区域已实现了超高磁场强度、高均匀度等优点。其在磁共振成像中的优势体现在如下几个方面：

图2. 信噪比与磁场强度的关系（在高场下，信噪比与磁场强度近似线性关系）

图3. 信噪比与层厚的关系

图4. SNR@3.0T≈2×SNR@1.5T

a、信噪比（SNR）明显提高，空间分辨率提高。由于成像区域磁场强度的增加，磁敏感性增加，图像信噪比也随之几乎线性增加，实现更薄层扫描，成像矩阵更高，从而提高空间分辨率，有利于小病灶的检出。

b、扫描速度加快。共振频率随场强线性增加（ω=ΥB0），氢质子在1.5T背景磁场下的共振频率是63.9MHz，在3.0T背景磁场下的共振频率是127.8MHz，更高的共振频率带来更快的质子相位周期，更快的质子相位周期带来更高的信噪比，信噪比越高，越有利于系统成像速度。数据表明相同条件下，平均扫描时间可以比1.5T磁共振节省约20%。

图5. 更高的空间分辨率成像

图6. 更薄层厚

图7. 不同场强下的信噪比（序列TSE，11回波，扫描时间7分钟，20cm FOV，512×512 (0.4mm×0.4mm)，3mm 层厚）

图8. T1弛豫与磁场强度的关系

图9. 超高场磁共振成像功能图

c、T2WI（T2加权成像）对比加强。组织的T1、T2弛豫时间在不同程度上依赖于场强，在3.0T超高场，纵向弛豫速度减慢，T1时间增加，而横向弛豫出现更快，T2时间缩短，T2WI对比加强。

d、3.0T的频谱效应明显高于1.5T。在3.0T上的频谱成像更具有科研意义和临床诊断价值，尤其是在多核频谱和含量较少的元素的频谱研究和成像领域，3.0T无疑是更好的手段。

e、3.0T在脑皮层功能的研究领域和成像领域是1.5T难以企及的。在3.0T的磁共振上才可以开展真正有价值的皮层功能区的成像和研究。

f、3.0T磁共振上可以开展很多独有的研究。例如结合一些先进的生物制剂，可以进行组织或病变的基因成像、分子成像等，能够提前预知病变的发生、发展和预后。

图10. 磁共振23Na成像—恶性乳腺病变（A,D1H成像；B,E1H增强成像；C,F23Na成像）

图1 1. 7T磁共振谱成像—人体大脑1H谱

g、7T磁共振的优势。7T以上的超高场磁共振成像还具备代谢和多核成像功能。由于7T以上的超高场磁共振成像具有极高的信噪比，因此，对于丰度较低的核可以进行成像，从而具备获取人体代谢信息的成像功能。

4.结语及展望

近年来，随着超导磁体和成像技术的不断革新，3.0T高场磁共振成像系统已获得长足发展，现在的3.0T超导磁共振成像技术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；新的磁体技术实现了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3.0T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3.0T大量数据的接收、传输及处理的瓶颈问题。

目前3.0T超高场磁共振成像系统已经成为临床和科研的高级双重平台，也将是未来磁共振市场最快的增长点。随着超导磁体技术的提高，7T及更高磁场强度的磁共振超导磁体及成像技术逐渐成熟，7T以上的超高场磁共振成像具有极高的信噪比，对于丰度较低的核可以进行成像，从而具备获取生物代谢信息的成像功能，可以为蛋白质结构生物学、药学、临床医学、认知神经学等研究领域提供可靠的高清晰成像研究平台，为人类深入研究生命科学做出更大贡献。

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Analysis of the Advantages of Super High Magnetic Field Strength and Homogeneity in Magnetic Resonance Imaging (MRI)

LI Pei-yong QI Yu-ning CHENG Dong-qin ZHANG Yi-ting WANG Zhao-lian
Weifang Xinli Superconducting Magnet Technology Co., Ltd. (Weifang 261205)

With the continuous development of superconducting magnet technology, super high magnetic field strength in the imaging area become available and got rapid development in the feld of magnetic resonance imaging. This paper frstly summarizes the development status of magnetic resonance imaging system, and then briefy explain the physical principle of MRI signal generation, and fnally discusses the advantages of super high magnetic feld strength and homogeneity in magnetic resonance imaging.

magnetic resonance imaging(MRI), superconducting magnet, super high magnetic feld strength, homogeneity, SNR, spatial resolution, scanning speed

1006-6586(2017)01-0015-04

R445.2

A

2016-11-01