新生兒磁共振檢查專用保育箱的設計

慕光睿，許光祖，毛蘇杭，李杰，侯祥明，王瑞蕊，李燁，李國斌，李賢軍，金超

1. 西安交通大學第一附屬醫院 醫學影像科，陜西 西安 710061；2. 上海聯影醫療科技有限公司，上海 201807；3. 中國科學院深圳先進技術研究院 勞特伯生物醫學成像研究中心，廣東 深圳 518055

引言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）以無創、無輻射等優點已成為新生兒、嬰幼兒腦部影像檢查的首選方法[1-8]。目前，臨床上普遍采用給新生兒注射鎮靜劑后，采用標準成像設備進行圖像采集。然而，新生兒（特別是早產兒）生理調節能力尚不健全、MRI檢查耐受性差、對MRI過程中的噪音更為敏感。行新生兒MRI時需保證適宜的溫度、濕度，且能實時監控生理指標。另外，掃描耗時長是制約MRI臨床應用推廣的重要瓶頸[9-10]。因此，面向早產兒、高危兒等特殊新生兒的專用設備裝置與技術已成為國際醫療科技發展的熱點。目前已有一些磁共振檢查輔助設備的研究，用于保證新生兒維持穩定生命體征[11]，然而這些設備僅僅解決了新生兒運輸成像過程中的一部分影響因素。德國Lammers Medical Technology公司研制推出針對新生兒檢查的MRI兼容保育箱。該設備內置MRI兼容呼吸機和線圈，特別適宜于檢查出生體重低于2000 g的高危兒，并能避免和減少行MRI時鎮靜劑的應用，在提升早產兒和低體重兒的MRI檢查適宜性方面作用顯著[12-14]。國內江蘇美時醫療技術有限公司提出兼容MRI嬰兒培育箱的設計框架，該設計可支持新生兒MRI檢查，與國外產品功能相似，但尚未見相關產品面市及臨床應用報道[15-16]。基于此，在新生兒MRI輔助設備研制方面，國外產品技術成熟但尚未進入中國市場。我國有必要在該領域實現關鍵技術難題的突破及相關設備的國產化。圍繞此重大臨床需求，筆者所在課題組研制成功新生與嬰幼兒專用MRI兼容保育箱原型機，其可集成MRI線圈、腦電等多生理監測，兼具低噪聲與快速掃描優點，有望極大提升新生兒MRI檢查安全性與成功率。

1 MRI兼容保育箱系統設計

本課題設計的MRI兼容保溫箱系統由箱體設計、主控與供電系統、新生兒專用掃描線圈構成。

1.1 箱體設計

本研究所設計的保育箱系統長高尺寸為970 mm×884 mm，小巧簡潔，較德國LMT產品（長2 m）具有更加便捷的實用性（圖 1～2）。

圖1 MRI兼容保育箱系統外觀設計

該保育箱箱體外觀為透明設計，支持實時視覺監控，雙側緊急操作窗口可實現新生兒不開箱護理操作（圖2）。箱體配有顯示面板支持溫度、濕度、呼吸、心跳顯示及調節（圖3），生理監控指標出現異常時，支持報警、提醒操作。此外，為了實現轉運功能，箱體轉運車配有萬向無磁腳輪及腳剎，可實現各個方向移動、防滑、剎車功能，便于在醫院內和醫院間運送新生兒。

圖2 MRI兼容保育箱箱體實物圖

圖3 顯示面板實物圖

1.2 主控與供電系統

該系統支持基本的生理監控、溫度濕度監控以及系統部件之間的通信，用于維持保育箱運輸、成像過程中保育箱的系統運行（圖4）。供電系統中電池為無磁設計，支持充放電，包括電池管理以及電源控制，可持續使用至少60 min。

圖4 主控與供電系統實物圖

1.3 新生兒專用掃描線圈

已有一些研究證明采用定制化的線圈用于新生兒磁共振采集，相比于標準成人線圈，可大大提升圖像質量[12,17-19]。本研究保育箱系統采用24通道線圈，線圈全長55 cm，支持0～3歲幼兒頭部、背部和脊柱掃描，也可支持部分嬰兒的全身掃描（圖2和圖5）。可實現高信噪比、高分辨的MRI，支持多方向并行加速成像。

圖5 新生兒專用掃描線圈

2 MRI兼容保育箱系統運行測試

2.1 MRI兼容轉運車電源模塊

2.1.1 電源模塊基本介紹

電源模塊分為2部分，一部分為外部AC/DC電源，提供電氣隔離及36 V電源，通過濾波板接入掃描間內供電；一部分為電池及電源模塊，安裝在轉運車內，負責進行電源管理和備用電源管理。在移動過程中使用電池供電，在掃描間以及育嬰房內時，使用外部隔離電源提供的36 V直流電源供電并同時給電池充電（圖 6）。

圖6 MRI兼容轉運車電源模塊工作流程示意圖

2.1.2 電源模塊指標測試

根據本系統的設計目標和功能要求，本項目對電源技術指標在常規環境和MR環境下分別進行測試，如表1所示，在連接或者不連接直流供電電源的情況下，開啟系統，電源系統均能正確輸出功率。

表1 電源模塊技術指標及MR環境下兼容性測試方法及結果

本系統亦可支持嬰兒轉運車運行時長測試，在MR環境下，帶上外部直流供電電源，開啟系統全部功能，電源系統能一直支持保育箱工作；充滿電源后，在斷開輸入電源情況下，能在磁共振環境下工作113 min。

2.2 恒溫恒濕模塊

新生兒體溫調節能力較差，當環境溫度變化時，新生兒可能出現體溫過高（＞39℃）或體溫過低（＜36℃），研究表明，這些可能導致持久的神經損傷，增加不良結果的發生風險[20-22]。

為了測試本系統溫濕度調節的穩定性，本系統中將保育箱和該模塊之間用通風管道相接，并在顯示面板上設定控制穩定為25～37℃內任意一值，45 min內觀察溫度是否達到設定值。

在預熱功能測試中，環境溫度為19.5℃，控制溫度設定為32℃、箱內布置5個溫度巡檢儀探頭，38 min后溫度達到設定值（圖7），實現預熱。隨后，分別設定恒定溫度為36℃、32℃，對溫度控制功能進行測試，實驗顯示箱內溫度存在小幅波動，整體較為穩定。其中平均轉運培養箱溫度指在穩定溫度狀態時，均勻間隔讀取嬰兒艙內墊子表面中心上面10 cm處的空氣溫度平均值。設備運行中，濕度控制范圍為14%～90% RH，可實現恒濕控制。

圖7 恒溫模塊測試結果

2.3 保育箱降噪模塊

在降噪實現方面，本系統除采用新型MRI兼容吸音材料進行物理降噪外，還采用磁共振梯度聯合設計的力矩平衡技術來降低震動噪聲，并優化掃描序列來減少由于強梯度切換帶來的震動噪聲。

通過降低梯度的幅度以及切換頻率，從而降低噪音。實驗結果顯示，MRI系統背景噪聲值為58.8 dB，靜音序列掃描噪聲為59.3 dB，達到靜音效果（圖 8）。

圖8 靜音序列設計示意圖

3 MRI兼容系統設計效果

本研究應用水模、動物作為測試對象，對研制的MRI兼容保育箱系統的設計效果進行了圖像質量驗證。

3.1 利用水模測試線圈對B0、B1場的影響

本研究保育箱系統專用MR線圈對B0、B1場的影響如圖9所示，實驗發現B0場整體在有無線圈對比時水模上條紋差異不超過兩條，符合要求；線圈對B1最大影響不超過20%，符合要求。

圖9 B0場以及B1場雙翻角測試中，線圈成像效果對比

3.2 利用水模測試不同線圈下采集圖像的信噪比

本研究對保育箱專用MR線圈與標準成人線圈成像質量進行定量分析，嬰兒線圈頭部和頭頸聯合線圈對比（圖10），中心3個ROI的信噪比定量結果如表2所示。實驗可得，中心區域新生兒頭部專用線圈比標準成人頭頸聯合線圈的信噪比高29%～33%。

表2 新生兒專用線圈和頭頸聯合線圈水模成像的信噪比定量結果

圖10 冠狀面、矢狀面新生兒專用線圈與頭頸聯合線圈水模成像對比

經驗證，本研究研制的專業線圈，頭部橫斷面的信噪比≥350；脊柱冠狀面和矢狀面的信噪比≥350；頭部橫斷面的均勻性≥80；脊柱冠狀面和矢狀面的均勻性≥80，相對于標準成像設備，可達到更高質量的成像，提升臨床診斷效率。

3.3 臨床前動物實驗測試線圈成像效果

本研究采用保育箱專用MR線圈對獼猴顱腦進行不同序列掃描，其分辨率為0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm。如圖11所示，所采集圖像能較好反映獼猴腦組織形態結構及灰白質對比度。

圖11 臨床前實驗中采用保育箱專用線圈對猴子進行不同序列掃描

4 討論

新生兒MRI可提供重要的診斷和預后信息，然而由于其對環境變化非常敏感，新生兒MRI仍是一項富有挑戰的任務。新生兒尤其是早產兒生命體征較弱，往往需要密切監控，以維持穩定生理狀態。使用標準磁共振設備對新生兒掃描成像時，搬運過程中的環境變化以及成像過程中的鎮靜劑、噪音等可能對新生兒生命體征造成不利影響。同時，由于新生兒頭部太小，使用標準成人磁共振線圈采集的圖像往往質量較低，限制后期疾病的診斷與量化。

可兼容MR設備的保育箱可很好地克服以上困難，允許早產兒以及生命體征不穩定的新生兒直接從新生兒重癥監護室運輸至磁共振設備處，從而安全便捷地采集圖像。目前已有相關設備的研發報道，江蘇美時醫療公司研發的嬰兒培育箱作為其NEONA兒科磁共振機的配套專用設備，目前還未投入商業銷售[16]。本研究所設計保育箱系統具有很好的適配性能，可與不同型號MR設備兼容。Monika等[23]介紹了采用8通道線圈的MR兼容保育箱對早產兒以及極低體重的新生兒采集磁共振圖像。德國LMT Medical Systems分別研發了具有8、12、16通道線圈的MR兼容保育箱，用以進一步提升圖像采集質量。本課題開發出一款小尺寸24通道高密度線圈，通過采用前沿的快速掃描技術，包括單方向加速因子2～4、雙方向并行加速技術、部分傅里葉采集技術，實現掃描時間比常規掃描減少50%以上，在提升掃描效率的同時，可獲得具有更優信噪比的高分辨率磁共振圖像。MRI中產生的噪音可能會對新生兒的聽力造成損傷，同時引起運動偽影，降低圖像質量。Paley等[24]提出的MR兼容保育箱設計中，保溫箱體引入隔音泡沫墊，同時為受檢嬰兒配備特制耳罩，用以降低噪音。本課題采用隔音材料進行物理降噪的同時，采用力矩平衡技術和掃描序列優化技術來大幅降低震動噪聲，實現靜音。

本文的研究中還存在一些提升空間：① 在保育箱系統的恒溫恒濕模塊中，目前加濕的方式是熱風通過水箱從而滿足濕度要求，此方式在保育箱內比較干燥時不能快速提升濕度且不能實現濕度精確控制，后期準備采用電子醫用加濕器能更迅速、精確控制保育箱內濕度；② 在保育箱系統的降噪模塊中，目前主要通過力矩平衡技術降低磁共振的噪聲。在一些序列比如epi、tof中，力矩平衡技術降噪效果有限，可以通過k空間軌跡的特殊設計，在不顯著增加掃描時間，不降低圖像質量條件下進行靜音優化。另外還可以開發聲學噪音的預估系統，利用事先測定的系統特征響應函數，結合當前序列參數下的梯度仿真波形，進一步地預估當前序列參數下的聲學噪音強度。

綜上所述，本研究設計了一種可兼容MR設備的保育箱，解決了強磁場下監控設備工作的穩定性，以及保育箱自身對磁共振系統磁場和射頻場的干擾，從而在保證新生兒安全的同時保證MR高質量成像，形成了可集成磁共振線圈、腦電等多生理監測的MR兼容保育箱系統的原型樣機。該設備使用安全便捷，可很好地避免嬰兒運輸、磁共振掃描中產生的生命體征不穩定、掃描圖像質量差等問題。同時，該設備兼容性強，可與已有的MR設備配合使用，相對于兒童專用磁共振設備，成本更加低廉，使用場景更廣，為新生兒MRI提供了一種安全有效的方式，有望在臨床應用中提高醫生的工作效率。