主磁场，射频双源，线圈数字化进展——飞利浦MR创新史_张宇.docx

创新为你用有意义的创新改善人们的生活“创新不仅仅指某项发明，更应指投入实际应用的发明，即实用性创新。” 哈罗德埃文斯伟大的公司向来不满足于迎合消费者的简单需求， 而是通过研发高技术含量的差异化创新产品开创新的市场，引领行业发展的潮流。成功的创新必须是创新与体验的完美结合，历史上每一次产业和产品的突飞猛进都是建立在贴近用户需求的创新基石之上。飞利浦通过调研发现唯有关乎客户的、有意义的创新，才能满足客户在当前环境下的与他们息息相关的需求，才能改善他们的现实生活。 2013年11月， 飞利浦发布了新的品牌定位”创新为你”，定位传承了公司“带给人们有意义的创新”这一优良传统。 新的品牌口号根植于飞利浦的一贯理念，即只有基于对消费者需求和渴望深入洞察的创新才是有意义的。作为医疗保健，优质生活和照明领域的全球领导者，飞利浦始终坚持以人为本，致力于通过及时地推出有意义的创新来改善世界人民的健康水平， 使得世界更加可持续发展。凭借在医疗保健全球领先的技术和强大的创新实力，飞利浦通过不断推出有意义的创新，提供符合消费者需求的医疗产品及解决方案，不断改善世界的医疗保健水平。飞利浦医疗保健的独特之处在于关注的起点是人病人和医务工作者，而非技术。通过深入了解病人和医生的医疗体验，得以发现真正的市场和医疗需求。飞利浦在超声、数字化成像、病人监护、血管造影、手动及自动心脏体外除颤器（AED）、放射肿瘤模拟及计划解决方案和计算机断层扫描等医护高端领域均处于领导地位。飞利浦医疗正在越来越多的医疗设备领域中发挥行业领导者的作用。 飞利浦磁共振创新史磁共振成像系统，尤其是超高场磁共振成像系统，作为当今最为复杂、最具创新力的尖端医疗影像设备之一，其技术的发展更是日新月异。飞利浦是以科技为先导的公司，拥有一系列领先的创新技术，一直引领着磁共振的发展方向。早在1973年，飞利浦就在荷兰中心实验室开始了磁共振成像的研究。自此以后， 飞利浦始终在追求创新的道路上孜孜不倦，上下求索: 1983年，首次推出了世界第一台1.5T全身超导磁共振临床扫描设备；1989年发布了全球第一台全身应用的超导紧凑型短磁体磁共振成像系统；1999年，率先在市场上推出具备并行采集技术的磁共振机； 2008年，发布了业内首台具有多源发射技术的3.0T磁共振产品；2012年，再一次带来了划时代的创新产品：全球首台真正意义上的全数字磁共振等等。飞利浦多次推动了磁共振技术领域前所未有的创新，为磁共振影像事业做出了巨大的贡献。在此我们将集中向您分享飞利浦磁共振的技术创新历史，带您回顾飞利浦磁共振的神奇之旅。我们也希望借此机会开启与广大飞利浦用户和未来朋友群的沟通和交流，让您感受到飞利浦全新的品牌理念：创新为你！最后，我们向支持、关心和帮助飞利浦医疗的每一位专家、用户和同仁表示真诚地感谢。我们也将始终恪守飞利浦自创始之初便坚持的“用有意义的创新改善人们的生活”，与您携手一起为人类的健康事业而努力！飞利浦磁共振的早期发展史19731989任何尖端的科技创新都是从零开始的。核磁共振之父, 诺贝尔奖获得者保罗劳特伯刚提出核磁共振成像理论不久，飞利浦的科研人员就开始从事磁共振的研究。十几年的时间里，飞利浦从无到有,多次带给世界历史性的创新发明，极大地推动了磁共振技术的发展。NMR 时代(1973-1983)早在1973年， 在世界上首台CT扫描仪仅仅发布一年之后，核磁共振的先驱之一：飞利浦的科学家罗伯洛赫尔和他的同事们便开始在荷兰的中心实验室从事核磁共振的研究（图1），并在后来得到了著名的核磁共振图像：“诺丁汉的橙子”（图2）。随着研究人员的队伍的不断壮大，中心实验室在1978年组建了团队开展“质子项目”的研究。1979年，中心实验室拥有了当时世界上最强大的一台长达1米的0.15T磁体（图3）。1980年12月3号，他们得到了第一幅人类头部核磁共振图像（图4）。在优化了序列设计后，他们又获得了体部图像，放射科医生也第一次看到了可分辨的器官（图5）。1981年7月30日，实验室又成功获取到世界上第一张二维傅里叶变换后的图像（图6）。123456图1:图2:图3:图4:图5:图6:洛赫尔的小孔径实验系统用来验证保罗劳特伯的发现诺丁汉的橙子“质子项目”团队成员，Jrgen Heinzerling (第二排左起第二个)拿着用来匀场的特殊工具，后来他成为Medicamundi杂志的主编1980年12月3日，中心实验室成功获得欧洲第一个人类头部核磁共振图像早期的可显示不同器官的腹部图像1981年7月30日，世界上第一个二维傅里叶变换后的图像MRI 时代 (1983-1989)1983年末，美国放射学会推荐将核磁共振（NMR）改为磁共振(MR)以缓解公众特别是患者对于对于核医学的担心，磁共振成像的术语也沿用至今。上世纪80年代初，超导磁体逐渐开始流行起来。超导拥有更高的场强，更均匀的磁场，这样可以大幅度提高图像质量。为响应时代的潮流，飞利浦于1983年生产出第一台超导磁共振Gyroscan S5(图7)。当时的超导磁体具有两个明显的缺点：1）液氦的价格较高，每升价格高达$50；2）磁体的长度较长（约8.5米），常规的检查室空间（13x17米）往往不够。幸运的是飞利浦是一家多元化的技术公司，科研部门有效地解决了这些问题。飞利浦的低温发生器（图8）可以冷却和液化气体，这不仅仅减少了1/3的液氦消耗，同时还将早期外层充当隔热层的液氮淘汰出历史舞台。同时飞利浦的电子部门提出了“穹窿”的设计机构来限制外部磁场的干扰,最终可以将所需检查室的大小减小成原来的1/2至1/3（图9)。 飞利浦的客户荷兰的莱顿大学利用了这种设计并在磁体周围加入多个电缆，是世界上第一个具有主动屏蔽的磁体（图10）。1984年，飞利浦革命性地推出了世界上第一个表面线圈（图11），得到的图像可以显示非常小的细节(图12)，引起了放射学届的一场轰动。789101112图7:图8:图9:图10:图11:图12：tu飞利浦于1983年生产出第一台超导磁共振Gyroscan S5 系列飞利浦科学与工业部门制造的A-2双通道低温发生器莱顿大学磁体间设计图，该磁体大大降低了磁体对于检查室的需求位于飞利浦客户莱顿大学的世界上第一个具有主动屏蔽的磁体1984年，飞利浦设计的世界上第一个表面线圈30年前，飞利浦首创的表面线圈使得视神经图像展现出更多的细节。 紧凑型磁体革命开创短磁体全新时代超导磁共振技术的发展归根结底可以分为两个方面，一是更高的图像质量，包括更高分辨率和对比度、更快的成像速度等；另一个越来越重要的是更舒适的患者体验和更简易的操作，紧凑型磁体恰恰能满足这些需求。这篇文章将介绍飞利浦如何引领业界紧凑型磁体的发展。早期的磁共振系统大且笨重，长度通常达到250cm, 重量在10吨以上。为了提高病人的舒适度和操作的简易型，业界迫切需要短轻紧凑型磁体的问世。飞利浦在1988年RSNA上展示了业内第一款紧凑型超导磁体：Gyroscan T5，并在1989年投入商用（图1a）。T5拥有当时最大的60cm孔径和最轻的磁体重量（2.8吨），从此带起紧凑型磁体全球风潮, 其他厂家纷纷仿效推出类似产品。1993年8月，飞利浦推出了第一款紧凑型1.5T磁共振Gyroscan NT,长度仅仅157cm为业界最短。它的出现使得昂贵的基础设施和庞大的的磁体屏蔽的时代一去不复返,同时也消除了长磁体带来的幽闭恐惧症问题（图1b）。第一代3.0T磁共振的磁体较长(超过3m)，梯度性能较差，有效视野很小(仅20cm)。为了让3.0T成为人体临床应用的主流系统，飞利浦在2001年4月推出了业界第一款紧凑型3.0T磁体Intera, 其磁体长度为业界最短的157cm（图1c）。 短磁体技术的领导者飞利浦 ed图1: 过去的20年里，飞利浦一直引领业界短磁体潮流2001 Intera业界首3T短磁体,157cm2004年，Philips开发出Panorama 1.0T。该系统具有160厘米宽的开口，使得临床医生能够为任何需要MRI扫描的患者进行成像检查（图1d）。这种新型MRI系统具有垂直领域设计，信噪比与1.5T圆柱型磁体相似，这能够提供高质量图像，进行更加精确的诊断。这些特征使得Panorama 1.0T MRI系统提供更大的检查空间，适合患幽闭恐惧症患者。2011年，飞利浦推出旗舰级磁共振Ingenia，它是业界磁场均匀度最高的70厘米孔径3.0T磁共振（图1e）。高磁场均匀度保证全数字磁共振Ingenia无论对于大FOV、压脂、脑功能与频谱成像等临床应用都拥有业界最佳表现。在拥有诸多优越性能的情况下，Ingenia仍然保持了飞利浦在磁体长度方面的优势，仅仅为162cm。在过去的三十年里，飞利浦一直走在磁体技术的最前沿。如今飞利浦3.0T家族里多款机型依然拥有业界领先的短磁体设计（图2）。这个家族定义了磁共振紧凑型磁体的标准，使得磁共振系统广泛地走进全世界的医院和影像中心。图2: 目前常见的3.0T磁共振长度，单位：cmSENSE加速开创磁共振的并行时代成像速度的提升一直是磁共振追求的目标。并行成像技术由于可以通过减少相位编码来大幅加快磁共振扫描的速度而具有独特的优势。SENSE并行加速技术从问世伊始就获得了广泛的关注和应用，磁共振也由此进入了并行时代。本文将着重介绍SENSE技术的原理和应用优势。SENSE的问世磁共振成像一经问世,就因其出色的软组织成像的能力而受到广泛的青睐. 而其成像时间长，SAR值高等问题则逐渐成为了影响磁共振在临床广泛应用的制约因素。随着相共振线圈技术的日趋成熟，并行成像技术成为了解决这些问题的首选方案。得益于领先的相共振线圈技术，飞利浦率先于1998年开始研发并行成像技术SENSE，并于1999年成功投入商用。随后的几年时间里，其它磁共振厂商纷纷引进了SENSE技术，磁共振由此进入了并行成像的时代。十多年后的今天，SENSE技术仍然是大多数磁共振系统中不可或缺的配置，发挥着重要的作用。飞利浦在SENSE技术方面始终保持业界领先的地位。例如,核磁在MR波谱成像时,业界只有飞利浦的机器可以应用SENSE技术。SENSE的优势通过加大k空间中相位编码步的间隔来实现更少的相位编码，可以在保持图像分辨率的同时大幅降低扫描时间，但是会导致图像的混叠。SENSE技术则是利用相共振线圈中各个线圈单元的敏感度信息对欠采样造成的图像混叠进行解混叠，从而重建出没有卷褶伪影的图像（图1）。SENSE技术对信噪比影响很小,却拥有很高的加速数据采集能力（图2）。由于应用了基于图像的后处理方法，SENSE的重建速度也远高于基于k空间的后处理方法。所以SENSE是速度最快的并行成像方法。扫描时间的缩短不仅使得磁共振可以服务于更多的患者，也扩展了磁共振的应用范围。比如，对危重病人和其它配合度较差的病人就可以进行更快的扫描。而且，腹部、喉部等易受运动影响的部位也可以进行高清成像（图3）。同时，由于是基于图像的处理方法，SENSE也适用于各种扫描序列和采集方案，适用性非常广。不仅节约下来的时间可以用来提升图像质量，在长回波链的扫描序列中，如EPI和TSE等，SENSE方法还因减小了回波链和最小回波时间，而具有更高的图像清晰度和更好的信噪比（图4）。因此，现在广泛应用的EPI扫描都是常规应用SENSE技术的。图1：SENSE技术的原理图2：SENSE技术相对于其它并行技术（左图）具有更高的信噪比non-SENSE SENSE 图3：应用了SENSE技术后，运动伪影减轻了图4：应用了SENSE技术后，DWI的图像形变和伪影均减小non-SENSESENSE多源发射引领超高场磁共振发展趋势 四维多源发射飞利浦推出的多源发射技术从根本上解决了3.0T磁共振的技术难题，推动3.0T成为所有临床应用的主流磁共振系统，是超高场磁共振技术发展史上里程碑式的技术。飞利浦Ingenia3.0T和Achieva 3.0T TX是业内仅拥有该项技术的3.0T磁共振。本文将重点介绍多源发射技术的创新如何改善临床成像的图像质量, 扫描速度和安全性, 它如何引领磁共振射频发射技术的发展趋势。里程碑式的技术革命在2008年北美放射年会上，一项前所未有的具有划时代意义的技术多源发射技术 (MultiTransmit parallel RF transmission technology）展现在世界磁共振人的面前。飞利浦推出了业内首台具备多源发射技术的3.0T磁共振产品Achieva 3.0T TX多源发射磁共振（图1）。多源发射技术的推出在全球影像界引发了一场地震，也被诸多专家称为是21世纪超高场磁共振的一场革命。磁共振磁场强度的提高无疑会带来更高的图像质量和更短的扫描时间，在神经、骨关节、血管成像方面有着显著的优势。然而，传统的单源发射磁共振却有着诸多不尽如人意的缺陷，其中体部检查中经常会出现的介电阴影和病人热效应（SAR）产生的过多的不安全因素会使得图像质量和扫描速度都会大打折扣，限制了3.0T磁共振在临床当中的应用及其领先地位。正如CT由单排发展到多排，多源发射技术是将射频源从单个发展到多个，独特的设计可以从根本上解决上述3.0T磁共振中存在的问题，大幅提高3.0T磁共振的图像质量及扫描速度，同时对病人更加安全，因此被业内称为是超高场磁共振技术发展史上里程碑式的新技术。图1：在芝加哥举办的北美放射年会开幕日上，Achieva 3.0T TX多源发射磁共振的发布会现场全新一代多源发射技术磁共振系统中的射频系统作为磁共振信号的激励和采集系统，对磁共振技术的发展至关重要，是图像质量提高的关键系统。目前市场中大多数3.0T产品所采用的发射方式均为早一代射频发射技术，其基本原理是由单个发射源分配到两个独立的发射线圈组， 对射频脉冲的相位和幅度做有限的调节。这些技术不能独立调节波形和频率，无法产生基于个体差异的射频匀场，不能保证图像的均匀性及不同病人图像质量的一致性；SAR的管理也无法得到优化，高SAR值仍然是限制扫描速度的瓶颈。高场磁共振存在的问题依然存在。多源发射技术是采用多个独立的射频发射源进行射频脉冲的发射，每个独立的射频源都连接一个独立的射频放大器，作用于发射体线圈独立的单元。 因此，每个独立的射频源所发出的射频脉冲，其波形、相位、幅度和频率这些射频参数都可以完全独立的进行调节，最终实现个体差异的射频管理（图2）。图2：多源发射系统具有两个独立的射频发射源以及采用并行射频传输技术多源发射技术独特的设计从根本上解决了3.0T磁共振存在的技术难题，具有巨大的临床优势，主要表现在：提高图像的均匀性与一致性3.0T磁共振下，人体和射频场之间的相互作用使B1场的分布呈现个体差异很大的不均匀性，严重影响着图像和诊断的质量，特别是腹部、乳腺和全身成像。多源发射技术中可以对射频参数进行完全独立的调整，实现个性化匀场，改善B1场分布，可以有效消除3.0T磁共振检查中产生的介电阴影，大幅提高磁共振图像的均匀性与一致性。这对于提高诊断可信度特别是对基于对比度进行定量研究是非常重要的。图3对比了三例分别利用单源和多源技术采集的乳腺图像。多源技术（右侧）带来图像质量的全面改善：抗电效应导致的图像阴影消失，均匀性提高；不同病人之间的图像对比度更加一致。因此，多源技术得到的图像诊断价值更高，有利于定量分析。传统单源发射 多源发射图3：三例乳腺图像分别利用固定射频发射的单源技术（左侧）和针对病人个性化匀场的多源技术（右侧）提高扫描的速度和安全性超高场下SAR的分布更加不均匀，带来的热效应也成倍增加，由此产生的不安全性成为制约3.0T磁共振临床应用的因素之一。同时为了避免高SAR值，操作人员会调低与扫描速度相关的参数，会限制扫描的速度，使高场强的优势不能充分发挥。多源技术通过个性化匀场使SAR的分布均匀化，根本上解决了SAR的安全问题，从源头上解除了制约扫描速度的原因。以脊柱成像为例，可以看到多源发射在扫描速度上的优势（图4）。传统单源发射 多源发射图4： 腰椎T2W TSE: 相同SAR值下，多源发射的扫描速度更快，图像对比度一致性更好左侧：传统单源发射，扫描时间4:25min 右侧：多源发射，扫描时间2:23min四维多源发射开创心脏磁共振的全新时代 高场强在提升图像信噪比和空间分辨率的同时也可提高扫描速度，但随之而来的射频场不均匀性、SAR的控制以及伪影增加的问题却一直难以解决，使得3.0T心脏磁共振成像的优势不能尽显。四维多源发射的出现，将3.0T心脏磁共振成像带入一个全新时代。四维多源发射通过局部个性化匀场全面提升心脏图像的均匀度和一致性，克服介电效应带来的影响。同时通过降低SAR值提升了扫描速度和安全性，并通过缩短TR近一步减少伪影。这些都大大提高了3.0T心脏成像的临床应用价值。传统单源发射 多源发射 图5：心脏SA Cine B-TFE：多源发射拥有更短的TE/TR，更高的翻转角，图像对比度和均匀度有所提高，伪影减少。 左侧：传统单源发射，TE/TR/Flip=2.0/3.9/45 右侧：多源发射，扫描时间TE/TR/Flip=1.7/3.4/60多源技术引领磁共振发展趋势自从1988年，飞利浦就一直引领业界多源发射技术的研发。20多年的时间里，飞利浦孜孜不倦致力于该项技术的不断探索与创新，首台多源磁共振设备的问世正是这一努力的丰硕果实。做为超高场磁共振技术发展史上里程碑式的新技术，多源发射技术解决了制约3.0T体部应用的诸多难题，使3.0T体部成像的图像质量更佳、速度更快、安全性更高，实现了质量和速度的统一。飞利浦通过多源发射技术使3.0T磁共振更加完美，再一次引领了磁共振发展的方向。创新全数字 影像新未来 磁共振的数字革命 全数字影像链 磁共振技术一直在不断地向着更高水平发展以获取更佳的图像质量及一致性, 更快的扫描和处理速度及更高的患者流通量。飞利浦革命性地推出了dStream全数字影像链技术，业内唯一拥有dStream平台的全数字磁共振Ingenia可以从根本满足所有这些需求。这篇文章将着重介绍dStream技术如何给磁共振架构带来了重大的变革，它如何重新定义了磁共振临床成像的发展潜力及方向。对于磁共振成像，每次临床检查都能获得最佳的图像质量始终是一个重大的挑战。在过去的二十年里，随着并行采集技术的应用，磁共振设备的接收通道及射频线圈单元数不断增加，磁共振系统必须兼容更高的采集通道数，拥有更长的传输电缆。传统模拟传输采用笨重的线圈接口及复杂的电子元器件，使得整个系统对于噪声的引入更加敏感，严重影响图像质量。今天，采用dStream全数字架构的全新Ingenia磁共振系统彻底解决了这些问题，在获得卓越的图像质量（信噪比最高可提高40%）的同时，也使得工作流程简化，患者流通量提高多至30%。全数字架构是真正无限通道射频平台，显著降低了升级的经济和时间成本。dStream全数字平台代表着磁共振技术发展的未来。数字传输全场数字传输数字接口数字线圈接口数字线圈源头数字化 图1：全数字影像链的三大特征：数字线圈，数字接口，数字传输在下面的章节中，我们会解释dStream是如何做到“精于心，简于形”的，以及为什么dStream： 是磁共振系统模式真正的转变 带来更高的图像信噪比 提高患者流通量 显著降低升级的复杂性 是未来的发展趋势“为什么dStream是磁共振系统模式的真正转变？” “因为全数字影像链让您需要使用多少通道，就可以使用多少通道，而且不需要复杂的电路”随着上世纪末并行采集技术的推出，磁共振系统接收平台的相关技术取得重大进展：在刚刚过去的十年中，线圈通道数的提高已经达到了磁共振技术发展中的顶峰。然而，对于许多制造商来说，数据采集系统仍然是基于传统的模拟平台，从图2a可以很明显地看出，为了能够使用传统的模拟技术来获得更多的单元数，多路传输、复杂的逻辑转换控制、动态范围压缩以及精细的手动组件调整都是必须的。与传统的模拟影像链相比，dStream数字影像链可以获得临床应用所要的尽可能多的单元/通道的采集，而不需要复杂的电路设计（图2b）。只有在接收线圈内完成模数转换，并且使用数字影像链取代传统的模拟影像链进行数据的传输，才能实现上述功能。这样一个全新的数字平台是真正的磁共振系统模式的转变。图2a: 传统的模拟影像链有着复杂的电路设计图2b： dStream数字影像链大大简化了系统的复杂性“为什么dStream能提高多至40%的信噪比？”“因为磁共振信号在线圈中被直接数字化，然后通过全程数字传输。这会带来更高的图像信噪比。”在传统的模拟影像链中，模拟电线需要一起被捆绑在细的电缆中。因此多通道线圈对噪声较敏感。另外，在线圈单元及模数转换器(ADC)之间需要用长距离的电缆来进行信号的传输。这种传输方式必然会增加噪声，磁共振信号也会受到损失，线圈的通道数越多，这种损失就越严重。在dStream数字影像链的解决方案中，磁共振信号在dStream线圈的内部即被数字化，然后通过光纤实现全程数字化传输，提高了系统对于噪声的抗干扰能力，获得更加精确的磁共振信号。也就是说，全程数字化的传输保证了系统抗噪声干扰能力的提升及信号的保真程度。图3显示了采用相同的扫描参数，dStream和模拟传统影像链之间的图像信噪比的差异。模拟影像链 数字影像链“为什么dStream能最多提高患者流通量30%？”图3：同一患者的体部成像中，使用完全相同的参数，dStream与传统模拟影像链相比，图像信噪比提升高达40%“因为dStream线圈大幅度减少操作，同时结合了智能技术，可以实现从头到脚简单、快速的成像从而达到简化流程的目的。除了许多其他优势，dStream架构还增强了整个磁共振系统的易用性。该系统为全身解决方案提供了一套完整的dStream线圈。所有的临床检查都可以在病人检查床上使用不超过三个线圈接口的情况下完成。操作人员一只手就可以轻松地将线圈插入接口。线圈具有最佳的单元数可以保证无论是在大视野还是小视野情况下均可获得最佳的图像质量同时，操作的复杂程度也有显著下降。abdc图4: a: 相比传统针式接口，数字化接口连接提高了简单性和稳定性，它包含2对光纤及4根同轴电源线b: 前片线圈能够根据病人的体型来改变形状，这样可以使线圈尽可能贴近被检部位c: 后片线圈内置于病人检查床板下，无需搬动，连接或更换，大大简化了工作流程;d: 线圈推车进一步减少拿取线圈的时间此外，在检查过程中，SmartSelect功能会帮助系统自动的选择成像范围内最优的线圈单元组合来获得最高的图像信噪比。SmartSelect还会提高扫描的可重复性和检查结果的一致性。总之，dStream提供了最优化的解决方案：易用性、线圈使用、病