超高场动物磁共振成像系统的技术更新

学术背景

动物磁共振成像（MRI）系统在临床前研究中具有重要地位，通常比传统的人类MRI系统提供更优越的成像性能。然而，由于系统组件的多样性和集成调试的复杂性，实现这些系统的高性能具有挑战性。特别是，超高场动物MRI系统需要生成极高的磁场强度和梯度磁场，同时确保磁场的均匀性和稳定性。此外，系统的安装、维护和调试也需要考虑磁场屏蔽、机械耦合和热管理等多个方面。尽管市场上已有一些商业化的动物MRI系统，但关于硬件性能（如超导磁体和梯度线圈）的最新技术更新仍然缺乏详细的报道。

本文由Yaohui Wang、Guyue Zhou、Haoran Chen、Pengfei Wu、Wenhui Yang、Feng Liu和Qiuliang Wang共同撰写，发表于2024年的npj Imaging期刊。研究团队来自中国科学院电工研究所、华中科技大学和昆士兰大学等机构。该论文详细描述了一款7特斯拉（T）动物MRI系统的设计、制造、测量和集成过程，展示了其在超导磁体和梯度线圈方面的技术亮点。

研究流程与结果

1. 超导磁体设计

研究团队设计了一款主动屏蔽的7T动物MRI超导磁体，采用NbTi超导线绕制。磁体线圈结构包括四个并列的螺线管线圈，这些线圈不仅贡献了主磁场强度，还显著减少了中心磁场分布的非均匀谐波分量，形成了一个磁场均匀区域，均匀性达到10 ppm（百万分之一）。与传统的双线圈屏蔽模式不同，该磁体采用了三线圈屏蔽模式，使得5高斯线的范围在轴向和径向上分别缩小至±2.95米和±1.85米，显著优于商业系统的±3米和±2米。这种紧凑的屏蔽设计为系统的安装和维护提供了便利。

2. 梯度线圈设计

梯度线圈的设计采用了最小化洛伦兹力的策略，确保在超高静态磁场环境下，梯度线圈的残余力小于0.1牛顿。通过超屏蔽优化策略，梯度线圈的最大杂散磁场强度被最小化至4高斯。梯度线圈的磁场强度为200 mT/m，均匀性为±2.5%。此外，梯度线圈的切换速率（slew rate）通过优化设计达到了503.9357 T/m/s（Z轴）、1070.3454 T/m/s（X轴）和929.9312 T/m/s（Y轴）。

3. 磁体测量与匀场

磁体在7.02 T的磁场强度下进行了测量，磁场锁定通过核磁共振（NMR）探头实现。经过超过7小时的连续采样，磁场的衰减率被测量为0.0494 ppm/h，表明其稳定性足以支持MRI应用。随后，研究团队通过超导匀场线圈和被动匀场铁片对磁场进行了匀场操作，最终在130毫米球形体积内的磁场均匀性达到了7.66 ppm。

4. 系统集成与调试

研究团队开发了专有的成像软件包，用于调试MRI系统。软件支持多种脉冲序列，包括脂肪抑制、水抑制、动态增强扫描、运动伪影抑制、扩散成像和血管成像等。通过该软件，研究团队成功获取了模型、水果和生物体的磁共振图像。例如，使用自旋回波（SE）序列对模型和橙子进行了成像，信号噪声比（SNR）达到了167.6。此外，研究团队还进行了大鼠实验，成功获取了大鼠头部的生理结构图像，且未观察到明显的伪影和外部噪声干扰。

结论与意义

本研究成功开发了一款7T动物MRI系统，展示了其在超导磁体和梯度线圈方面的技术亮点。磁体的超屏蔽设计显著缩小了5高斯线的范围，确保了系统的安全性和便利性。通过超导匀场和被动匀场的结合，磁场均匀性达到了7.66 ppm，磁场稳定性为0.0494 ppm/h，足以支持标准的MRI操作。梯度线圈的设计通过最小化洛伦兹力和杂散磁场，确保了系统的机械安全性和成像质量。

该系统的开发为动物模型的科学研究提供了一个强大的平台，特别是在超高场MRI技术的硬件更新方面具有重要的科学价值和应用前景。未来，研究团队将进一步优化系统的功能，推动更多科学成果的产出。

研究亮点

1. 超屏蔽设计：磁体的三线圈屏蔽模式显著缩小了5高斯线的范围，优于商业系统。
2. 磁场均匀性与稳定性：通过超导匀场和被动匀场，磁场均匀性达到了7.66 ppm，稳定性为0.0494 ppm/h。
3. 梯度线圈优化：最小化洛伦兹力和杂散磁场，确保系统的机械安全性和成像质量。
4. 专有成像软件：支持多种脉冲序列，成功获取了模型、水果和生物体的高质量图像。

其他有价值的信息

研究团队还详细描述了超导磁体和梯度线圈的设计参数，包括线圈尺寸、电流密度、磁场均匀性等，为相关领域的研究人员提供了宝贵的技术参考。此外，研究团队开发的专有成像软件和集成平台也为未来的功能扩展和优化奠定了基础。

本研究在超高场动物MRI系统的硬件设计和集成方面取得了重要进展，为临床前研究提供了强有力的技术支持。