2003 年在 MRI 研發領域發生了一件大事 這年 11 月 諾貝爾醫學獎評委會宣佈 本年度的諾貝爾生理或醫學獎授予了美國的保羅· C·勞特伯(Paul C Lauterbur)和英國的皮特· 曼斯菲爾德(Peter Mansfield) 表彰他們對磁共振成像技術做出的傑出貢獻。
30 年前 Paul Lauterbur 揭示了利用磁場疊加的方式精確激發不同的組織並對相應的核磁共振訊號進行精確的定位，稍後的1976 年，英格蘭諾丁漢大學的 Peter Mansfield 首次成功地對活體進行了手指的核磁共振成像。
1980年第一臺可以用於臨床的全身MRI在Fonar公司誕生在美國，第一臺醫用磁共振於1984年獲得 FDA認證。從此以後，磁共振成像走過了從理論到實踐、從形態到功能、從二維到四維、從宏觀到微觀的發展歷史。
如果說1901年獲得諾貝爾物理學獎的X光線和1979年獲得諾貝爾醫學獎的CT成像技術是上個世紀醫學影像診斷裝置的巨大成就，那麼磁共振成像技術的發展則代表著21世紀醫學影像診斷裝置和技術的發展。
今天 MRI 已經確立了其在影像診斷的重要地位，並取代了許多傳統影像診斷技術。它在中樞神經系統中的應用已成為疾病診斷的金標準；在骨關節、軟組織病變的診斷中是舉足輕重的手段。特別是近幾年來，超高場磁共振在腦功能成像、頻譜成像、白質纖維束成像、心臟檢查、冠心病診斷、腹部、盆腔等臟器的檢查技術得到了飛速發展。
回顧10多年來MRI 發展的歷程，是我們這一代人都親眼目睹和親身經歷的。無論是MRI裝置本身的效能改善和發展，還是成像技術和成像原理有新的突破。我們都為之興奮，因為新技術的出現在為實驗研究提供了更好的手段的同時，更重要的是為解決病患的痛苦提供了工具，為更進一步地瞭解疾病的本質提供了武器。
這十年 MRI 的發展，我們經歷了，從一般到特殊形態診斷階段，經歷了從單純形態到結合功能診斷的階段，也正在經歷從宏觀診斷向微觀和分子水平診斷的發展階段。為了能比較有效地說明問題 我想還是必須粗略地從MRI 的硬體和軟體兩方面著手進行總結。
90 年代以來，尤其是90 年代中期後，由於基礎科學研究的進步，計算機、新材料和製造工業的發展、商業競爭不斷加劇，MRI的發展可以說是長上了翅膀。MRI的發展部分既要歸功於諸如計算機的更新速度和新材料的層出不窮等等，也要歸功於MRI 製造商花巨資進行的研發工作。
但是在許多商業化的新技術背後有很多大學、研究機構和科學家的辛勤工作，我無法在這裡一一列舉，只是將最著名的幾項發明和創新做一些介紹。
90 年代早期，我們這一代 MRI 使用者在臨床上所使用的機器是什麼效能的呢？我想如果不在這裡介紹的話，現在的使用者是無法體會技術進步給我們帶來的好處。那時的MRI普遍的場強是0.3-1.0T，1.5T 是鳳毛麟角的好裝置；梯度場一般都小於 10mT/m，即使1.5T 的 MRI 也不會超過15 mT/m，切換率一般也最多在 10-35T/m-s 之間。線圈都是單通道單線圈組的，負責後處理的計算機執行速度慢，每幅圖象的處理時間平均都在1-2s。由於可供應用的掃描序列比較少，幾乎沒有一種快速掃描序列，因此檢查一個病人的時間最短的也要半小時以上。當時有的醫院不瞭解 MRI 的特點，以為像CT一樣的圖象就能診斷疾病，為了加快檢查速度，只做T1加權的序列，結果造成了許多病變的漏診。
90 年代中期，為了提高MRI工作效率，也為了讓科學家已經發明的快速掃描序列能儘快地在臨床上應用。首先要在 MRI 的硬體上有重大的突破，因為所有的快速掃描序列或方法都需要有強大的梯度場和高切換率支援，例如 EPI 序列需要至少20-40 mT/m 的梯度場，小於0.5ms 的上升時間，也就是講切換率要達到100T/m-s以上。
90 年代中期前的 MRI 雖然已經具備了 15 mT/m的梯度場，50T/ms以上的切換率，以及不到半秒的圖象重建時間，但是要輕鬆完成 EPI 的掃描任務還有點困難。90年代中期後，計算機技術的發展以及磁場遮蔽技術的進步，MRI 的梯度場強度已經達到了 20 mT/m以上，切換率也達到100T/ms以上。此時的 MRI 實現快速掃描已經沒有了障礙。
為了在時間和空間上都要獲得更高的解析度，也為了使 MRI不在是一個單純的形態學診斷工具，必須在 MRI 的效能上有所突破。這裡我將近十年來 MRI 在磁體技術、梯度技術、射頻和線圈技術和成像技術方面我們所瞭解的情況做一些介紹。
磁體近十年來的發展令人驚歎
十年前，人們更多談論和購買的還是 0.5T 與 1.0T 磁體 就像我們現在熱衷1.5T一樣。1996 年，一項旨在降低超導磁體執行成本的，4K 技術首先在 0.5T 上悄然實現了，七年的液氦(在當時是極為昂貴的消耗品)充填週期與穩定執行，近乎零的消耗帶給普通使用者的喜悅是發自內心的，如今這項技術已經平民化，融入到很多超導產品中。十年裡，磁體技術並不都是圍繞著高場超導磁體而展開，在低場磁體技術的發展中同樣取得了令人耳目一新的成績。
由於採用了垂直磁場技術，線圈的設計也有了創新，可以採用包繞式的線圈的設計取代傳統水平磁場的鞍狀線圈，這樣可使線圈的靈敏度提高1.4 倍。在低場 MRI 中，化學位移偽影、磁敏感性的降低和流動偽影的改善使得低場 MRI 在臨床應用方面獨樹一幟，有相當數量的低場 MRI，在臨床上發揮著重要的作用。尤其從商業的角度來講，低場MRI製造成本低，安裝要求低，執行成本也很低。因此，它的市場前景非常看好，在臨床上各個領域都有廣泛地使用。
十年前，科學家們開始關注病人接受磁共振檢查時的感覺，對防止幽閉恐懼症發生的激烈討論，迫使物理學家想辦法縮短磁體的長度，增加病人的舒適空間，雖然他們知道縮短磁體的代價可能是磁場均勻性的變壞最終影響成像質量。從關懷患者的角度考慮，為了提高患者在掃描過程中的舒適度，減少幽閉恐懼症對被檢者的影響，有關的裝置廠商開始不斷對磁體技術進行改進。隨著基礎勻場和動態線性、動態高階勻場技術的不斷髮展與成熟，磁體的長度也在不斷縮短。另一方面，同樣基於這種以患者為中心的設計理念以及磁共振在介入治療領域的拓展，垂直磁場、開放式設計的磁共振也得到了廣泛應用。
本世紀初，1.5m 長的磁體上市了，雖然在減少幽閉恐懼症的發生，改善病人在檢查時的環境上做出了重要的貢獻。但直到現在，這項工作仍在探索，我們還不能象CT那樣讓病人完全自由地脫離狹小的檢查空間。工程師們試圖再找到一個為各方所接受平衡點設計，因為一切均源於對患者的關愛。對病人舒適空間的不斷探求，催生出了全新一代的垂直開放式磁場的磁體，並於1995年首先在永磁體上實現。永磁開放式磁共振購買成本與執行成本相對低廉，磁共振得以大踏步地走進廣大基層使用者，從而啟動了磁共振兩極化高速發展歷史程序，為臨床應用的普及做出了巨大的貢獻。
1995年，波士頓Brigham and Women’s醫院的Ferenc Jolesz教授構思發明的可以滿足臨床手術要求的全360度開放的術中超導磁共振誕生了，這位匈牙利後裔被人們親切地稱為“雙面包圈”磁共振之父。從那時起，磁共振從醫學影像診斷的自由王國詩史般地邁入了全新的微創、精確治療領域。
1999年，垂直開放的超導 0.7T 磁體出現了，2004年的RSNA上第一臺全身應用型的開放式超導。1.0T磁共振被正式推向市場，現在用於腦功能研究的垂直開放超導3.0T也將面世，病人可以或站、或坐在磁體裡接受檢查。
超高場的 MRI 可以成倍提高圖象的信噪比，大大提高空間和時間解析度，對於高解析度成像和功能甚至分子影像學的發展有極其重要的意義。1991 年，FJ Davies 教授領導來自以色列、英國的工程小組製造出了世界上首臺 2.0T 超導磁體。從此，高場強 MRI 的概念已經突破了1.5T 的範圍，邁入了超高場強的領域。
但是，由於相應的檢查序列、軟體技術和臨床需要，並沒有和超高場強磁體的開發平行發展，2.0T 超導磁體雖然完成了商業化過程，推出了相應的整機，但它在臨床實踐中並沒有達到預期的效果。兩年後，人們同時見到了3.0T、4.0T 的磁體面世，基於同樣的理由它們在實驗室工作了相當長的時間。
直到本世紀初，3.0T 超高場磁體及商業化整機完全適應了臨床和科研兩方面的需要，使得市場的需求高速增長，目前全球 3.0T 超高場 MRI 已經裝機的估計已超過了 400 臺，由此也帶來了神經系統心血管系統的應用飛速進步。
不久前來華訪問的 Keith R. Thulborn 教授在伊利諾伊大學介紹了應用 9.4T 磁共振進行基因、蛋白及細胞代謝等分子水平功能影像的研究。同樣 在紐約大學、俄亥俄大學和歐洲的多家研究中心，4.7T、7T 和 8T 的超高場磁體正在緊張工作。當然這些磁體技術的突破目前還僅限於極少數的研究機構。
十年中磁體技術的發展有如下特徵 超導帶來更高的磁場強度，舒適開放的設計已深入人心，永磁體引起的兩極化成為現實。
梯度技術是提高 MRI 成像速度的關鍵
早在 1973 年美國的 Paul Lauterbur 教授與英國的 Peter Mansfield 教授就已係統地闡釋了梯度磁場的原理與成像的方法。但限於物理元器件材料水平發展的緩慢與成像方法流派的眾多，90 年代早期，梯度技術仍在低水平徘徊。這期間有代表性的設計出自 Peter Mansfield 教授在 1991 年支援設計的 “共振式”梯度系統，該系統於 1994 年成功地實現平面回波成像(EPI)掃描。
“共振式” 設計系統複雜，速度慢，無法對掃描序列進行精確相位控制，因此滿足不了各種高階脈衝序列的要求。到了1995 年，一種名為 HORIZON 的全新“非共振式”設計問世了，並迅速統一了行業標準。從那時起，隨著大功率半導體器件的日臻成熟，“非共振式 梯度”作為當代磁共振技術的核心內涵得以快速發展。
到 1998年，面向專業要求進行最佳化設計的超快速梯度系統被開發出來了，但人們很快發現技術的進步有時會遇到難以逾越的障礙。當衡量梯度效能的兩個指標：梯度強度與切換率提高到一定水平時，被檢查的病人就會出現外周神經肌肉受刺激灼傷的損害。理論上講其最大值可以實現得很高很高，但在現實中，出於保護人體的安全的要則，無法用梯度的最大值對人體實施掃描。
如何解決超快速應用與病人體傷害的這對矛盾呢？靠單個梯度線圈不行，工程師們想到兩套梯度線圈的解決方案。兩套梯度線圈的設計理念最初源於以色列的科學家 Paul R Harvey 教授在 1996 年的研究，旨在透過兩個線性場的疊加來達到增加梯度強度的目的 ，以彌補當時梯度放大器功率的不足。隨著半導體元器件的進步，這項技術已無明顯的用武之地。2000 年底，科學家利用了這個原理，在同一個靜磁場內安置兩套梯度線圈聯合應用的梯度技術再次閃亮登場。
透過兩套不同切換率的超強梯度線圈分別建立不同的“靶向性"應用(精細與全身)的線性場獨立實施掃描，從而很好地解決了發展中的熱點、難點問題。在隨後的時間裡，又出現了利用兩套梯度放大器帶動單套梯度線圈的設計方式，在進一步提高了梯度場強、梯度切換率的同時，也有效地解決了掃描視野受限的難題。
射頻技術與線圈技術的革命
線圈技術從最早 1983 年的線性極化線圈發展到圓形極化或者正交線圈，由於正交線圈是透過在相位上正交的兩組線性極化線圈組合而成，結果是所需的射頻功率降低 50%，同時 SNR（訊號噪聲比）提高 40%，在臨床上就可以獲得更高的影象解析度，更快的影象採集速度。但是單個線圈的掃描範圍無法滿足日益增長的臨床需要和大範圍的體部掃描，大範圍血管成像等。
90 年代初以 Roemer PB 教授為首的團隊發明了”相控振“射頻技術，相控陣線圈技術出現了。將多個線性極化線圈或正交線圈組成一個相控陣，每一個組成元素稱為線圈單元，整個大線圈稱為相控陣線圈。相控陣線圈的出現使得磁共振的臨床向更大的成像範圍和更高的採集速度發展。相控陣技術在臨床上使用了很長時間，為 MRI 在較大範圍的掃描提供瞭解決方法。但是，相控陣技術並沒有解決掃描的速度和效率問題，尤其是大範圍的快速掃描問題。
本世紀初，多通道採集技術開始嶄露頭角，它利用多組發射通道和接受線圈，同時工作 並行採集。這樣大大提高了工作效率，加快了掃描的速度。
2002 年。多通道高速“相控陣”射頻平臺與高密度“靶向性”線圈兩項革命性技術的問世，使得 MRI 影象的解析度、掃描速度與對比度有了前所未有的質的飛躍。通過使用高密度、“靶向性”線圈和“靶向性”的脈衝序列，將此兩項技術突破完美地結合，可以對特定器官進行高畫質晰度、特異性的快速掃描。
2003 年公佈的 Tim 技術，可在一次檢查當中，組合 76 個線圈單元，同時從 32 個射頻接收通道接收和處理訊號，從而在應用靈活性等方面對磁共振掃描方式進行了重新詮釋。無需任何手工的線圈調整和設定，也無須任何反覆的病人定位（根據不同的線圈），就可完成最大 205 釐米的掃描範圍。這意味著無論是頭部、還是全脊柱、全腹部 、甚至是全身掃描，Tim 技術都能以高效率、高流通量方式完成。
圖象採集技術的進步 是科學家辛勤勞動的結果
1986 年，德國科學家 J.Hennig 在《醫學磁共振雜誌 Magn. Reson. Med. 》上發表了關於 RARE 的論文。他聲稱利用SE多次回波技術和革新的 k 空間填充方法可以實現快速的 MR 掃描 ，掃描速度將是原來 SE 方法的數倍甚至數十倍，這種快速的 MR 成像方法就是今天我們普遍使用的快速自旋迴波 FSE 技術。J.Hennig 因此被稱為 FSE 之父，並且獲得了2003 年的 Max Planck Research Award for Biosciences and Medicine。
在近十年的 MRI 發展中起了重要作用的 EPI 序列是英國諾丁漢大學的 Peter Mansfield 在 1978 年提出的概念，直到 90年代中期 EPI 技術才完全商業化，在臨床上得到廣泛的應用。EPI 序列的應用為 MRI 進入功能成像時期立下了汗馬功勞。
1999 年，蘇黎世瑞士聯邦技術學院 (ETH)的 Pruessmann KP 教授提出了基於多通道射頻譜儀及相控陣線圈技術的k-空間並行採集技術-SENSE。這項技術的運用，對於加快掃描速度，提高影象的空間/時間解析度、減少磁敏感性偽影及運動偽影、有著及其重要的作用。同時，該技術也有效地解決了伴隨著磁體場強的升高、梯度效能提升而隨之而來的諸如特殊射頻吸收率成倍增加、掃描噪聲提高等難題。因此，目前該技術已被廣泛採用。
同年，美國的 Pipe JG 教授發表了“螺旋槳”方式採集技術(PROPELLER) 的文章，磁共振資料 K 空間採集方式象飛機螺旋槳那樣轉動，經過這種掃描，病人不自主運動給成像帶來的各種偽影神奇般地消失了，同時還能大大降低磁敏感性偽影，並增加信噪比，無法鎮靜的兒童病患，老年患者的成像質量有了前所未有的提高。
1996 年，荷蘭馬斯特裡赫特大學附屬醫院的Kai-Yiu Ho M.D.，成功地在 MRI 掃描器上進行了持續自動移床的掃描。1999 年 5 月，飛利浦利用了該項技術，並將其命名為MobiTrak (Moving Bed Imaging-跟蹤移床掃描) ，目前該技術已被作為外周血管增強磁共振造影的最佳手段，並被廣泛應用於全身成像，它可以解決超短磁體縱向掃描視野受限的缺陷，從而擴大掃描的範圍。
在 MRI 成像技術取得突飛猛進的同時，臨床醫學專家和教授對 MRI 的應用研究也取得了日新月異的成就。早在1985年，法國學者 Le Bihan 就提出了在 MRI 中水的彌散加權成像方法。1990 年，斯坦福大學的 Michael Moseley 教授發表了重要的研究文章，探討水彌散加權成像在中風病人中的應用，他們發現在常規 MRI 尚未顯示腦梗死的病灶時 DiffusionWeighted Imaging 即可明確顯示病灶。由此才引發了透過彌散加權成像診斷超急性腦卒中研究的熱潮，臨床醫師們到此也意識到了 EPI 的巨大功用。1993 年，來自貝爾實驗室的 Ogawa S教授使用 EPI 序列開展研究，發表了著名的腦功能成像 (fMRI) 應用的論文，奏響了神經功能研究的華彩樂章。
國內的應用研究也方興未艾，早在 1996 年，李果珍教授領導的中醫針刺麻醉的 fMRI 的研究工作就已達到了世界水平。1994 年 Basser 教授發表有關 diffusion tensor imaging 的論文，提出利用 DTI 技術，我們可以顯示腦內神經傳導束的形態。除了中樞神經系統， 心臟領域的磁共振應用在過去的十年也得到了大大的加強。
80 年代末，Mansfield 教授曾公佈了 EPI 完成的快速心臟掃描的結果，但成像質量遠不能令人滿意。90 年代初期，波士頓的 Atkinson DJ 教授發表了使用特殊設計的梯度回波序列完成的心臟灌注的研究結果，開創了使用磁共振進行心肌梗塞檢查的先河，引起學術屆的巨大反響。
1998 年，荷蘭的 Wielopolski PA 教授使用抑脂的全真穩態進動序列，進行了冠脈的高畫質晰採集，限於本文主要回顧 MRI 有關技術方面的進展，很多新的臨床應用進展留待將來有機會再討論。
綜上所述，伴隨跨世紀的十年技術應用的不斷積累與進取，由磁共振引領的一場新的影像技術的革命已經開始了，我們對未來光明的前景充滿信心。
文章來源：復旦大學附屬華山醫院終身教授、復旦大學原副校長 馮源教授
