轻量化3.0 T无液氦MRI系统的设计与测试

学术背景

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）作为一种非侵入性、无辐射的成像技术，已广泛应用于医学诊断和科学研究中。特别是在小动物研究和材料分析领域，高场强MRI系统能够提供更高的空间分辨率和更丰富的组织对比度，从而为科研人员提供更为精确的成像数据。然而，传统的3.0 T MRI系统依赖于液氦冷却的超导磁体，不仅成本高昂，且液氦的消耗和维护带来了巨大的经济负担和环境影响。此外，传统MRI系统的体积庞大，安装和运行需要较大的空间，限制了其在实验室和小型研究机构中的应用。

为了解决这些问题，近年来无液氦（cryogen-free）超导磁体技术逐渐成为研究热点。这种技术通过高效的传导冷却路径和机械减振技术，消除了对液氦的依赖，显著降低了系统运行和维护成本。然而，无液氦MRI系统在磁场稳定性和均匀性方面仍然面临挑战，尤其是在高场强条件下，磁场的微小波动可能导致成像质量的显著下降。因此，设计一种轻量化、高性能且成本效益高的3.0 T无液氦MRI系统，成为当前MRI技术发展的重要方向。

论文来源

本论文由Jinhao Liu、Miutian Wang*、Youheng Sun、Kaisheng Lin、Wenchen Wang、Yaohui Wang、Weimin Wang、Qiuliang Wang和Feng Liu共同撰写。研究团队来自西安交通大学电气工程学院、北京大学电子学院、北京大学未来技术学院生物医学工程系、昆士兰大学信息技术与电气工程学院以及中国科学院电工研究所。论文于2017年发表在《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》期刊上。

研究流程与结果

1. 无液氦超导磁体的设计

研究团队首先设计了一种重量约为1100公斤的轻量化3.0 T无液氦超导磁体。为了确保磁场的长期稳定性，研究团队在磁体的传导冷却路径、振动隔离、机械阻尼和结构稳定性方面进行了优化。特别是通过采用铜热环和铝热辐射屏蔽，改进了从磁体线圈到冷头的热传导路径，减少了由制冷电机引起的磁场波动。此外，研究团队还通过钢螺钉将磁体底座与地面牢固连接，进一步增强了系统的结构稳定性。

2. 磁场均匀性与稳定性优化

为了改善磁场均匀性，研究团队采用了被动和主动匀场技术。被动匀场方法通过优化铁片分布，将180 mm直径球形体积（DSV）内的峰值峰峰值和均方根误差（RMSE）均匀性分别降低至22.41 ppm和3.69 ppm。随后，通过主动匀场线圈进一步将均匀性提升至4.18 ppm和1.02 ppm。

在磁场稳定性方面，研究团队通过优化热传导路径和机械减振技术，成功将磁场波动幅度从2.168 µt降低至0.004 µt，降幅达99.81%。通过快速傅里叶变换（FFT）分析，研究团队发现优化后的磁场波动主要集中在1 Hz频率，与冷头的运行频率一致，且高次谐波幅度显著降低。

3. 梯度线圈与射频线圈设计

研究团队设计了一种双层梯度线圈，峰值振幅为200 mT/m，并采用先进屏蔽技术将杂散磁场限制在1.2高斯以内。此外，研究团队还开发了一种8通道正交鸟笼式射频线圈，用于小动物成像。该线圈在未加载条件下的谐振频率为131 MHz，加载后降至127 MHz，表现出良好的射频场均匀性。

4. MRI系统控制台开发

研究团队基于软件定义无线电（SDR）概念，开发了一套自制MRI控制台。该控制台采用模拟前端-A/D-现场可编程门阵列（FPGA）-D/A-模拟前端的框架，实现了射频波形生成、梯度计算、数据存储和通信等功能。通过数字预加重技术，控制台能够有效补偿梯度线圈引起的涡流效应，进一步提高了成像质量。

5. 动物与材料成像实验

研究团队在小鼠脑部成像实验中，采用了快速自旋回波（FSE）序列和回波平面扩散加权成像（EP-DWI）序列，并通过导航回波校正技术，成功消除了由磁场波动引起的图像伪影。实验结果表明，该系统能够清晰地显示小鼠脑部的出血和梗死区域，成像分辨率和质量显著优于传统MRI系统。

此外，研究团队还利用单点成像（SPI）技术对塑料齿轮进行了高分辨率成像，并通过压缩感知（CS）技术将扫描时间从10小时以上缩短至约5小时。在石油岩心分析实验中，研究团队采用反转恢复（IR）和Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）序列，成功获取了岩心的T1-T2二维谱图，为石油开采和制备过程提供了详细的参数分析。

结论与意义

本研究的亮点在于成功设计并测试了一种轻量化、高性能的3.0 T无液氦MRI系统，该系统在小动物成像和材料分析中表现出卓越的成像能力和稳定性。通过优化磁场均匀性和稳定性，开发先进的梯度线圈和射频线圈，以及自制MRI控制台，研究团队成功解决了无液氦MRI系统在高场强条件下的技术难题。该系统的应用不仅降低了MRI系统的运行和维护成本，还为其在脑科学研究、材料表征和工业检测等领域的广泛应用提供了新的可能性。

研究亮点

1. 磁场稳定性优化：通过热传导路径优化和机械减振技术，将磁场波动幅度降低99.81%，显著提高了成像质量。
2. 磁场均匀性提升：采用被动和主动匀场技术，将磁场均匀性提升至4.18 ppm，满足高分辨率成像的需求。
3. 梯度线圈与射频线圈设计：双层梯度线圈和正交鸟笼式射频线圈的设计，有效限制了杂散磁场，提高了射频场均匀性。
4. MRI控制台开发：基于FPGA的自制控制台，实现了高效的射频波形生成和梯度补偿，进一步提升了系统性能。
5. 应用价值：该系统在小动物脑部成像、塑料齿轮缺陷检测和石油岩心分析中的成功应用，展示了其在科研和工业领域的广泛潜力。

其他有价值的信息

研究团队还指出，该无液氦MRI系统自2023年8月起已连续运行，表现出良好的稳定性和可靠性。由于其体积小巧且无需液氦，该系统特别适合在空间有限的研究机构或高层建筑中安装，进一步降低了MRI系统的空间和安装成本。未来，研究团队计划进一步优化系统的扫描效率，特别是在压缩感知技术的加速因子方面，以进一步提升成像速度和实用性。

通过本研究，无液氦MRI技术在高场强条件下的应用迈出了重要一步，为MRI技术的普及和推广提供了新的解决方案。