超高场磁共振技术

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磁共振技术出现已经七十年左右。磁共振设备利用外加的磁场和射频干涉低能态的核子，使其自旋转向高能态，原子核在该过程中从电磁场吸收能量。在去掉射频脉冲之后，原子核把吸收的一部分能量以电磁波的形式释放出来，这就是核磁共振信号。由于该原理，原子核共振释放的能量与外加磁场强度有着直接的联系，更高的外加磁场能得到更强的信号、更好的信噪比以及更高的对比度。在上世纪70年代，人们把核磁共振技术应用到临床成像上[1]. 并且其技术一直不断的演进。现在，除了能使用磁共振技术检查解剖结构的情况外，还能观测新陈代谢/功能方面的变化[2]. 并且磁共振设备能提供的影像分辨率和成像速度也变得越来越高。

由于对更高的信噪比、更高的分辨率、更高的对比度和更快的成像速度的不断追求，在临床应用中使用的磁共振设备的主磁场场强也越来越高。目前医院和实验室用的设备以1.5T和3T（2002年通过美国FDA认证）为主，考虑到更高场强的明显优势，在研发机构，3T设备的比例明显更高[3]。由于安全因素（主要在于更高场设备对组织的加热效应更加显著，使人有不适感的发生率明显增加）方面的考量，以及现有技术还没有充分挖掘3T设备的效能的实际情况，高于3T的磁共振临床设备目前还没有通过欧洲CE认证和美国FDA认证，不能进入临床使用。但是在实验室使用和临床试验的结果一再的证明超高场磁共振设备（≥ 7T）具有相较与以往设备非常明显的优势，同时并没有出现被公开报道的严重危险事件，因此超高场磁共振设备有望在不久的将来进入临床使用阶段。

目前超导磁共振设备中所使用的低温超导材料，也就是可以用液氦冷却达到临界温度的超导材料，主要是NbTi和Nb3Sn. 由于现有冷却技术方面的限制，使用该材料能达到的最高磁场在12T左右[4]。对于更高的磁场，则需要其他的低温超导材料，这会明显的增加成本，或者降低设备的稳定性和可靠性。这一限制使得目前存在的超高场设备的场强主要为7T, 9.4T和11.7T三种。今天，全世界有大约50台7T或9.4T供人体扫描试验使用的超高场磁共振设备，其中大部分是西门子设备。更高场强的第一台11.7T技术试验设备还在建造之中[5]。

高的场强带来的最直观益处是高的信噪比和高的分辨率，在结构像上可以做到各向同性的0.1mm分辨率[6]，这使得以往在高场磁共振设备下难以看清或不被注意的结构浮现出来，大有助于中风、帕金森症、多发性硬化、脑肿瘤、脑血管疾病等的诊断（早期诊断）和处理，在一些情况下，甚至还能得到额外的病理生理信息。

相比于较为常见的高场设备(3T)，超高场全身扫描磁共振设备（目前的典型场强为7T）主要劣势在于伪影更明显、磁场不均衡性增加、磁化率效应增加和潜在的安全风险（主要包括磁性物质被置入扫描腔体导致的危险、组织加热的不良反应等）增加[7]。对于安全方面的问题，超高场设备具有更严苛的安全条件限制，更多的病人因不符合条件而被禁止进入扫描室。对于伪影、磁场不均衡性(Inhomogeneity)和磁化率效应(Magnetic Susceptibility Effects)方面的问题，解决方案主要在于扫描序列的改进。

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[1] Clow, H., and I. R. Young. "Britain's brains produce first NMR scans." New Scientist 80.588 (1978): b26.

[2] Balchandani, P., and T. P. Naidich. "Ultra-high-field MR neuroimaging." American Journal of Neuroradiology 36.7 (2015): 1204-1215.

[3] Duyn, Jeff H. "The future of ultra-high field MRI and fMRI for study of the human brain." Neuroimage 62.2 (2012): 1241-1248.

[4] Stafford, R. Jason. "High Field MRI: Technology, Applications, Safety, and Limitations." The University of Texas MD Anderson Cancer Center (2004).

[5] Vedrine, Pierre, et al. "Manufacturing of the Iseult/INUMAC whole body 11.7 T MRI magnet." Applied Superconductivity, IEEE Transactions on 24.3 (2014): 1-6.

[6] Marques, José P., et al. "Cerebellar Cortical Layers: In Vivo Visualization with Structural High-Field-Strength MR Imaging 1." Radiology 254.3 (2010): 942-948.

[7] van der Kolk, Anja G., et al. "Clinical applications of 7T MRI in the brain." European journal of radiology 82.5 (2013): 708-718.

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