創(chuàng)新科研磁共振應(yīng)用平臺：智多星

謝天文，武鴻坤，李宏輝

1.西門子中國醫(yī)療業(yè)務(wù)領(lǐng)域磁共振市場部，上海 201318

2.西門子中國醫(yī)療業(yè)務(wù)領(lǐng)域磁共振市場部，北京 100102

智多星平臺是繼Tim技術(shù)之后MRI領(lǐng)域的又一革命性技術(shù)，再一次改變MRI的應(yīng)用方式，獲得穩(wěn)定優(yōu)異的圖像質(zhì)量和領(lǐng)先的科研臨床應(yīng)用同時，大大地增加了MRI的患者檢查量：根據(jù)部分客戶的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合西門子獨(dú)有的Tim技術(shù)，掃描效率較常規(guī)MRI可提高50%。智多星平臺的特點(diǎn)主要包括：(1)全新的硬件設(shè)計(jì)，靶向勻場極大地提高了心臟、壓脂、頻譜等的勻場效果；(2)領(lǐng)先的臨床應(yīng)用，為臨床帶來更多的解決方案，提高了診斷信心；(3)人工智能化的掃描，掃描更簡單，更快速，更智能，大大提高了圖像的一致性和診斷準(zhǔn)確性。

1 智多星具有強(qiáng)大的硬件平臺——靶向勻場系統(tǒng)

傳統(tǒng)的基礎(chǔ)勻場由體線圈上的鐵片來完成，減小由磁體本身導(dǎo)致的均勻度差異以及外周環(huán)境中鐵磁性成分對均勻度的影響，即靜態(tài)磁場；相關(guān)軟件序列會在掃描過程中進(jìn)行主動勻場，以減少低階和高階磁場的不均勻性，即動態(tài)磁場。患者進(jìn)入磁場、呼吸運(yùn)動和心臟跳動都會不同程度地影響局部磁場均勻度，原有的軟件序列勻場可解決常規(guī)掃描局部磁場均勻度的問題，但對磁場均勻度要求比較高的檢查如壓脂、波譜、功能成像等，原有的軟件勻場效果不佳。

靶向勻場系統(tǒng)是基于創(chuàng)新的硬件基礎(chǔ)，增加了額外的5個勻場通道和32組勻場線圈，并使用全新序列進(jìn)行勻場，集成在梯度線圈中，極大地提高了靜態(tài)和動態(tài)磁場均勻度和在波譜、功能成像中的磁場均勻度。在不同的解剖部位和序列掃描中使用不同的勻場模式，并在肝臟、心臟等掃描前采集動態(tài)主磁場變化圖，能有效消除黑帶偽影，使TrueFISP電影成為3 T常規(guī)(圖1)；全新的勻場序列采用迭代和交變梯度場來減少渦電流的產(chǎn)生；靶向勻場還具有3D勻場模式功能，勻場電流實(shí)時優(yōu)化動態(tài)磁場均勻度，提高勻場精度和圖像質(zhì)量。

圖1 3T True FISP電影，傳統(tǒng)勻場系統(tǒng)的圖像經(jīng)常出現(xiàn)黑帶偽影(A)，而靶向勻場使用心臟解剖聚焦模式，有效消除黑帶偽影(B) 圖2 智多星靶向勻場提高顱底區(qū)域波譜的成像質(zhì)量，相比傳統(tǒng)勻場(A)獲得更窄的譜線，更精確的頻譜分析(B)，SVS譜線的線寬變窄，達(dá)到40% 圖3 3D T1W顱腦掃描實(shí)驗(yàn)。A：傳統(tǒng)PAT2 (R=2×4)；B：傳統(tǒng)PAT2 (R=4×2)；C：CAIPIRINHA (R=1×8)，相關(guān)的采樣位置作了一定的位移。直方圖顯示CAIPIRINHA的g因子最大值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差最小，橫斷面圖像顯示CAIPIRINHA相比傳統(tǒng)PAT2信噪比好 圖4 DIXON水脂分離技術(shù)，圖A～D分別是正相位、反相位、水相、脂相。CAIPIRINHA，并行因子 6，F(xiàn)OV 450 mm×450 mm，1.6 mm等體素，128層，全肝掃描只需14 s 圖5 A：CAIPIRINHA 3D DIXON全肝掃描，掃描時間10 s；B：傳統(tǒng)的2D FLASH全肝掃描，掃描時間20 sFig.1 3T True FISP heart cine, there is always dark band artifact with traditional shimming system (A), however, target shimming of dedicated mode for cardiac anatomy eliminates dark band artifact effectively (B).Fig.2 Target shimming improves the MRS image quality in the skull base area, and obtains more narrow spectrum and more precise spectrum analysis.Compared with the traditional shimming, target shimming improves spectral line-width of up to 40% for brain SVS.Fig.33 D T1W Brain scanning experiment.A: Traditional PAT2(R=2×4).B: Traditional PAT2(R=4×2).C: CAIPIRINHA(R=1×8),there is certain offset in the related sampling position.Histograms display that maximum number, average number and standard number of g-factor of CAIPIRINHA are smallest, and the transverse images show that the signal-to-noise ratio of CAIPIRINHA is best compared to traditional PAT2.Fig.4 DIXON water-fat separation technique.A in-phase image, B out-phase image, C water image, D Fat image, CAIPIRINHA, PAT 6, FOV 450 mm×450 mm, 1.6 mm isotropic voxel, 128 slices, only 14 seconds for whole liver.Fig.5 A: CAIPRINHA 3D DIXON for whole liver, 10 seconds.B: Traditional 2D FLASH for whole liver, 20 seconds.

靶向勻場臨床應(yīng)用相當(dāng)廣泛，涵蓋解剖、壓脂、波譜和功能成像。對偏中心部位如肩關(guān)節(jié)壓脂、頸部壓脂等，新的硬件平臺和軟件勻場序列提升了主磁場的均勻性，從而獲得極均勻的壓脂。波譜成像基于全新的硬件平臺和GRE勻場序列，勻場時間相同或更短，效果更佳，顱腦單體素的波譜線寬減低約40%(圖2)，前列腺3D多體素的波譜線寬減低約20%，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的定量分析。靶向勻場通過提升主磁場的均勻性，使EPI功能成像的變形更??；并可通過梯度系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時反饋，以極大地提高空間編碼的準(zhǔn)確性，提升功能圖像的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度。

2 臨床應(yīng)用

圖6 SPACE DIR成像基本原理：使用2個反轉(zhuǎn)脈沖，TI1=3000 ms (3 T)，TI2=450 ms (3 T)，同時抑制腦脊液和腦白質(zhì)，強(qiáng)化腦灰質(zhì)顯示圖7 SPACE DIR， 0.8 mm各向同性成像，可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)T2 FLAIR不能發(fā)現(xiàn)的灰質(zhì)區(qū)域病變，精確顯示微小皮層及皮層下病灶Fig.6 the basic principle of SPACE DIR: two inverse pulses are used, TI1=3000 ms (3 T), TI2 = 450 ms (3 T), then cerebrospinal fl uid and white matter are suppressed and the view of gray matter is strengthened.Fig.7 SPACE DIR, 0.8 mm isotropic imaging, could fi nd lesions in the gray matter area that conventional T2 FLAIR could not fi nd, and display precisely small lesions in the cortical and subcortical area.

2.1 CAIPIRINHA雞尾酒成像技術(shù)

CAIPIRINHA[1]采用獨(dú)特的k空間填充方式和全新的并行采集的重建方式，有效降低 g因子(geometry fator)。g因子與信噪比相關(guān)，g因子越小，信噪比越好(圖3)。CAIPIRINHA使“魚與熊掌可以兼得”，其相比傳統(tǒng)的并行采集技術(shù)(dS SENSE、ASSET、ARC)可使用更高的并行采集因子，同時提高了掃描速度和空間分辨率，獲得更好的脂肪抑制效果和更少的卷褶偽影(圖4, 5)。

2.2 SPACE DIR鷹眼成像技術(shù)

SPACE DIR鷹眼成像技術(shù)，是一種T2灰質(zhì)容積成像技術(shù)。通過同時抑制腦脊液和腦白質(zhì)，強(qiáng)化腦灰質(zhì)顯示，可以清晰顯示腦白質(zhì)病變(圖6)；高分辨率的3D各向同性成像覆蓋全腦，較常規(guī)序列增加了小病變的探測能力(圖7)，顯示之前所不能顯示的病變；特別適用于多發(fā)性硬化(multiple sclerosis, MS)等微小皮層及皮層下病灶的評估，為MS診斷的金標(biāo)準(zhǔn)[2]。

SPACE DIR鷹眼技術(shù)臨床和科研應(yīng)用極其廣泛[2-3]，包括：(1)腦功能研究：區(qū)分大腦運(yùn)動與感覺中樞；該脈沖序列發(fā)現(xiàn)大腦初級運(yùn)動皮層(Broadmann第4區(qū))表現(xiàn)為三層結(jié)構(gòu)，而其他區(qū)域包括初級感覺皮層(Broadmann第1～3區(qū))則無此三層結(jié)構(gòu)，可作為判斷運(yùn)動區(qū)的輔助征象。(2)MS的深度研究：病理學(xué)和免疫學(xué)已證實(shí)MS是一種同時累及灰質(zhì)和白質(zhì)的疾病，MS的灰質(zhì)病變與患者臨床表現(xiàn)密切相關(guān)。①SAPCE DIR序列對MS灰質(zhì)病灶的敏感度比傳統(tǒng)T2提高538%；與FLAIR序列相比提高了152%。Geurts對幕下病灶敏感度比FLAIR序列提高56%，比FSE提高44%。②DIR序列可檢測MS的主要臨床亞型，包括MS的最早階段即CIS的灰質(zhì)病變。③診斷MS的金標(biāo)準(zhǔn)。(3) 癲癇：對于難治性癲癇患者，可在外科手術(shù)前使用DIR進(jìn)行病灶定位和定性評價(jià)。(4) 結(jié)節(jié)性硬化(tuberous sclerosis，TS)：SAPCE DIR序列可清晰顯示皮層結(jié)節(jié)病灶，敏感性高于高分辨T2和FLAIR。(5)灰質(zhì)病變：如灰質(zhì)異位等。(6)其他腦白質(zhì)病變：如脫髓鞘、中毒、腦白質(zhì)營養(yǎng)不良等。2.3 MP2RAGE

MP2RAGE是T1灰質(zhì)容積成像技術(shù)，有效減少B1射頻場效應(yīng)，獲得更均勻的T1對比；3D各向同性高分辨率成像，提高小病變的探測能力(圖8)。

由于其B1(射頻場)不均勻性的校正和減少的質(zhì)子、T2*的污染，MP2RAGE對于病變的發(fā)現(xiàn)優(yōu)于其他序列，具有更低的假陽性；并且可以定量分析MS等的亞型，評估和監(jiān)測病變預(yù)后[4]。

3 人工智能化的掃描

人工智能化的掃描，共有四大主要特點(diǎn)：“會說話”、“會掃描”、“會思考”和“會學(xué)習(xí)”。智多星平臺涵蓋了從患者準(zhǔn)備階段(如自動定位、個性化掃描方案等)到圖像采集階段(自動配準(zhǔn)定位、自動參數(shù)優(yōu)化、自動相位導(dǎo)航等)，以及到自動圖像后處理的整個工作流程，極大地提高了患者的檢查量，并且保證了圖像的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，實(shí)現(xiàn)了MRI檢查的真正智能化。

3.1 “會說話”

圖8 1.5 T MP2RAGE掃描完成自動生成：從左至右分別是壓白質(zhì)像、壓水像及灰質(zhì)像圖9 ABLE技術(shù)，自動定位對比劑監(jiān)測ROI。當(dāng)ROI區(qū)的對比劑達(dá)到一定閾值，自動停止監(jiān)測序列，啟動自動語音及自動后續(xù)序列掃描圖10 從左至右分別是無線藍(lán)牙門控、膈肌導(dǎo)航、自動相位導(dǎo)航掃描出的圖像，可清晰顯示自動相位導(dǎo)航的圖像偽影更少Fig.8 1.5 T MP2RAGE get simultaneously white matter suppressed image, water suppressed image and gray matter image.Fig.9 ABLE technique,Automatic positioning of the Carebolus ROI of the contrast agent.When the intensity of contrast agent in the ROI reach a certain threshold, ABLE stops automatically the Carebolus sequence and launches automated voice command and automatic follow-up sequence scanning.Fig.10 From the left to right,images with wireless blue-tooth gating, PACE navigator and automatic phase scout.The images with automatic phase scout shows fewer artifacts.

“會說話”指集成的自動語音指令，與對比劑注射、序列掃描和暫停時間等無縫集合，極大地節(jié)省了操作人員的工作量。以每天掃描15個腹部檢查為例，每例患者需接收30次指令，總共450次。試想如果MR“不會說話”，操作人員額外的工作負(fù)擔(dān)是多么巨大！

3.2 “會掃描”

“會掃描”，智多星實(shí)現(xiàn)頭顱、腹部甚至動態(tài)增強(qiáng)等部位的一鍵式掃描，無需人工交互。傳統(tǒng)腹部腹部掃描中的九大步驟：患者定位，呼吸墊放置、線圈選擇、掃描定位、參數(shù)修改、捕獲采集窗、對比劑探測、捕獲動脈期、圖像重建，現(xiàn)在由智多星自動完成，單次檢查節(jié)省掃描時間約5 min，且增強(qiáng)采集時間更準(zhǔn)確，圖像更標(biāo)準(zhǔn)化。

“會掃描”最大的特點(diǎn)是自動掃描定位，即層面配準(zhǔn)技術(shù)，接下來分別以顱腦和腹部的檢查來分別介紹層面配準(zhǔn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。顱腦層面配準(zhǔn)技術(shù)優(yōu)勢無需建模，從患者第一次檢查就可以實(shí)現(xiàn)全自動配準(zhǔn)；無年齡限制；術(shù)前、術(shù)后一樣可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確評估；針對多種不同的臨床檢查需求，如標(biāo)準(zhǔn)頭顱、垂體、海馬、眼眶、視神經(jīng)等等，均可實(shí)現(xiàn)。腹部層面配準(zhǔn)技術(shù)特點(diǎn)：選擇第二次測量的位置作為參照，實(shí)現(xiàn)彈性配準(zhǔn)方案，去除各期屏氣不同程度的影響，每個像素的測量值更加可靠；腹部層面配準(zhǔn)技術(shù)保證層面的自動匹配和校準(zhǔn)，無需人工干預(yù)即可完成不同期相之間解剖位置的精準(zhǔn)配準(zhǔn)，增加多期掃描之間數(shù)據(jù)的可比性及穩(wěn)定性。

3.3 “會思考”

“會思考”，ABLE多期掃描技術(shù)(圖9)，“會思考”何時為對比劑自動觸發(fā)和自動掃描的最佳時間。ABLE技術(shù)整合了自動語音、自動對比劑監(jiān)測ROI定位、自動對比劑觸發(fā)、自動掃描等技術(shù)，充分考慮到k空間中心的填充時間；自動定位對比劑監(jiān)測ROI，當(dāng)ROI區(qū)的對比劑強(qiáng)度達(dá)到一定閾值，自動停止監(jiān)測序列，啟動自動語音命令及自動后續(xù)序列掃描，使動脈期采集時間更準(zhǔn)確，并完成不同期相的解剖配準(zhǔn)，為臨床診斷提高精準(zhǔn)的信息。

3.4 “會學(xué)習(xí)”

“會學(xué)習(xí)”體現(xiàn)在智多星會學(xué)習(xí)操作者的操作：(1)智多星首先自動修改參數(shù)，自動調(diào)整掃描視野和層面設(shè)定；(2)如果需再手動微調(diào)視野和層面設(shè)定，信息反饋給智多星記憶和學(xué)習(xí)調(diào)整的內(nèi)容；(3)后續(xù)的序列，自動重新調(diào)整，以操作者為準(zhǔn)。

“會學(xué)習(xí)”還體現(xiàn)在學(xué)習(xí)患者呼吸的自動相位導(dǎo)航技術(shù)，屬于呼吸觸發(fā)技術(shù)的第四代，第1～3代呼吸觸發(fā)技術(shù)分別是有線觸發(fā)、無線藍(lán)牙觸發(fā)、膈肌導(dǎo)航技術(shù)。自動相位導(dǎo)航技術(shù)無需綁縛腹帶和定位膈肌導(dǎo)航條，操作更簡單，掃描更方便，獲取的相位變化反應(yīng)呼吸類型，圖像偽影更少，解剖細(xì)節(jié)更精微(圖10)。患者深吸氣或深呼氣時，自動相位導(dǎo)航會實(shí)時調(diào)整采集的位置，確保掃描層面的準(zhǔn)確性，其適合所用部位的呼吸觸發(fā)掃描。

智多星具有全新的硬件和臨床應(yīng)用，以及人工智能化的掃描，結(jié)合Tim一體化矩陣線圈技術(shù)，必將重新定義MR的使用方式，再一次在全球用戶的期待中掀起新一輪熱潮！

[References]

[1]Breuer FA, Blaimer M, Muller MF, et al.Controlled aliasing in volumetric parallel imaging (2D CAIPIRINHA).Magn Reson Med,2006, 55(3): 549-556.

[2]Tobias K, Cristina G, Delphine R, et al.MP2RAGE multiple sclerosis magnetic resonance imaging at 3 T.Investigative Radiology, 2012,47(6): 346-352.

[3]Ren ZQ, An J, Liu YO, et al.Application of three dimension double inversion recovery sequence of MR in central nervous system.Chin J Med Imaging Technol, 2011, 27(9): 1934-1937.任卓瓊, 安靜, 劉亞歐, 等.磁共振三維雙反轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖序列在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)用.中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù).2011, 27(9): 1934-1937.

[4]Wright PJ, Mougin OE, Totman JJ, et al.Water proton T1 measurements in brain tissue at 7, 3, and 1.5 T using IR-EPI, IR-TSE,and MPRAGE: results and optimization.MAGMA, 2008, 21(1-2):121-130.