磁共振影像系统双梯度技术的发展和现状
磁共振影像系统双梯度技术的发展和现状
ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＤｕａｌＧｒａｄｉｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎ
ＭＲＩ
何文胜
【摘要】ＭＲＩ的广泛应用需求不同梯度系统．双梯度系统设计是进行多个独奇：线圈元素整合的全新安徽医科大学第一附属医院医学工
概念。这些元素的多样化组合产生不同的梯度水平，高性能梯度系统能成功抑制外周神经刺激。程部。安徽合肥２３００２２
但随着ＭＲＩ成像术的发展，在ＭＲＩ的商业应用中。双梯度设计正在逐步被淘汰。本文拟在讨论双梯度的技术细节、应用现状及发展。【关键词】ＭＲＩ；梯度系统；外周神经刺激
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｗｉｄｅ
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ｆｉｔｌＩｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．
ＨＥ
Ｗｅｎ－ｓｈｅｎｇＫｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＲＩ；ｇｒａｄｉｅｎｔ
ｓｙｓｔｅｍ；ｐｅｒｉｐｈｅｒａ！ｎｅｒｖｅｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ＭｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＴｈｅＦｉｒｓｔＡｆｆｉｌｉａｔｅｄＨｏｓｐｉｔａｌｏｆ
Ａｎｈｕｉ
ｆ中图分类号】Ｒ８１４．４１
ｆ文献标志码ＪＢ
ＭｅｄｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＨｅｆｅｉＡｎｈｕｉ２３００２２，ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－１６３３．２０１０．１１．０２０Ｃｈｉｎａ
【文章编号】１６７４－１６３３（２０１０）１１－００５１－０３
１技术背景
是扫描时间。
公式（Ｉ）说明当扫描区域小（即在同等的采样矩阵时梯度系统是全身磁共振影像系统（ＭＲＩ）最基本的部图像分辨率要求高）时，梯度场的幅度就必须很高。在脑件之一。在梯度系统的设计中有两个变量需要优化：梯度功能成像中，快速的单次激励平面回波成像（Ｅｃｈｏ
Ｐｌａｎｎｅｒ
场在空间中的线性度和梯度线圈的效率。在常规临床应用ｌｍａｇｉｎｇ，ＥＰＩ）序列被大量使用，要求很高的峰值梯度场中，梯度场的线性度一般是定义在围绕系统中心的直径（Ｐｅａｋ
Ｇｒａｄｉｅｎｔ
Ｆｉｅｌｄ）和很快的爬升率（ＳｌｅｗＲａｔｅ），但扫
５０ｅｍ和长度５０ｅｒａ的空间范围中。在这个空间范围中的线
描区域只需覆盖头部，因此对梯度线嗣的效率要求高。但性度一般要求在＋５％一５％之间。由于梯度线圈的效率和
它的线性空间只需与头部的大小相当即可。而在脊柱成像它的尺寸大小成反比关系，要求线性度的空间范围越大，中，扫描区域很大，梯度线圈的线性度必须在整个脊柱的梯度线圈的尺寸就越大，梯度线圈功率放大器的工作效率长度方向得到保证。因此梯度线圈的尺寸大但效率低，对就越低。
梯度的幅度和爬升率要求则没有ＥＰＩ序列的要求高。在早在磁共振全身成像中，不同的临床应用对扫描区域大期的磁共振系统中。由于梯度线圈及其功率放大器设计及小和扫描速度的要求往往不同，因而对梯度系统的要求不实现的局限性，单一线圈往往不能同时满足常规成像（如同。公式（１）描述了梯度场的幅度和扫描区域的关系。
脊柱）和快速成像（如ＥＰＩ序列在脑功能成像中的应用）
ＦＯＶ＝Ｉ／（．ｒＧＯ
（１）
的需求。
其中ＦＯＶ是扫描区域；），是拉玛频率；Ｇ是梯度场；ｆ
另外。高性能的梯度系统还会带来外周神经刺激收稿日期：２０１０一０８—１７
修回日期：２０１０—０９—１６
作者邮箱：ｈｅｗｅｎｓｈｅｎｇａｈｍｕａ＠ｙａｈｏｏ．ｃｎ
（Ｐｅｒｉｐｈｅｄ
Ｎｅｒｖｅ
Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＰＮＳ）的问题。ＰＮＳ是由于磁
万方数据
场的变化在人体的神经末梢激发出电流而导致的。从公式Ｂ．Ｇ×Ｌ（其中Ｂ是磁场强度；Ｇ是梯度场幅度；Ｌ是空间距离）可以看到，若一个梯度线圈尺寸很大已满足全身成像时，在线圈线性区间之外（即高Ｌ值的区域）会有磁场Ｂ很高的地方，因而容易产生ＰＮＳ的问题。梯度场用于成像的重要分量是Ｇｘ－ｄＢｚ／ｄｘ，Ｇｙ＝ｄＢｚ／ｄｙ和Ｇｚ＝ｄＢｚ／ｄｚ。除此之外，在Ｂｘ和Ｂｖ的方向上也有类似的分量。在大尺寸梯度线圈的设计中这些“交叉项”分量的值可以远高于梯度场成像分量的值，并导致ＰＮＳ的问题。公式（２Ｊ对出现ＰＮＳ时的梯度场及梯度变化的上升时间进行了模拟计算Ｉｌ】。
‰一㈨ｆ，ｌ－ｃｘｐｆ，兰１１
Ｄ～丑（ｏＤ２一一（２）
Ｌ‘八
Ｌｔ，／／
既是模拟的磁场值；ｋ是神经细胞膜的时间常数；‘是变化梯度场的上升时间；Ｂ（ｏｏ）是当ＰＮＳ不可能发生的磁场强度（无论梯度的上升时间、频率、或爬升率）。图ｌ是以上升时间为横轴所两的巩变化曲线。
图１以和梯度上升时间的关系
图ｌ的曲线代表了在特定的梯度上升时间值下当ＰＮＳ出现时磁场的强度。当县。的值在阴影区域中时，无论梯度上升时间有多大都不会出现ＰＮＳ。由曲线可以看出，在极端的情况下梯度上升时间是０时，只要梯度场强度小于５．ｇｍＴ，ＰＮＳ就不可能发生。
为了避开ＰＮＳ的问题而同时获得高性能的梯度系统，一些研究单位就开发可插入式的梯度系统，如用于脑功能成像的仅适用于脑部的可插入式梯度系统ｆ２Ｊ。由于线圈的体积非常小，在线圈线性区域之外的磁场强度Ｂ及其时间变化分量（ｄＢ／ｄｔ）也就得到控制，不会产生ＰＩＮＳ问题。但可插入式的梯度系统的线性范围有限，对病人的封闭程度大，不能用于大多数的临床应用。
为了在全身磁共振成像中克服以上所述的单一梯度系统用于不同临床应用时可能出现的问题，双梯度的概念于２０世纪９０年代后期被提了出来叫ｌ，两个不同的梯度线圈模块组合使用可以实现不同的梯度系统性能，以适应不同的临床应用。双梯度系统首先是在Ｅｌｓｉｎｃｔ公司的ＴｗｉｎＳｐｅｅｄ产品上得以实现，下面介绍它的工程实现方案。
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ＶＯＬ２５Ｎｏ．１１
万方数据
２双梯度的工程实现
图２显示了双梯度系统的一个实施方案。它南６套独立的梯度线圈组成，其中３套（Ｘｃ，Ｙｃ，ｚｃ）覆盖一个较大的线性区域用于全身脊柱成像和其它常规成像。另有３套（ｘｓ，Ｙｓ，ｚｓ）辅助梯度线圈（ｓＧ）长度较短，可供扫描的线性区域较小但效率高，并且可以避免ＰＮＳ的问题”１，可用于需要高性能梯度系统的快速临床应用。
图２双梯度系统
图３梯度线Ｉｌｔ七ｎ换电路图
图３为控制切换全身线圈和辅助线圈的电路１＂７１。在双梯度系统中的常规全身线圈的运行参数是：峰值梯度２０ｍＴ／ｍ、爬升率４０Ｔ／ｎｔｉｓ，适用于所有现代的临床成像应用。辅助线圈运行参数是：峰值梯度３０ｍＴ／ｍ、爬升率
７２
Ｔ／ｍ／ｓ．并和会身线圈使用同一个梯度功率放大器，这些
参数可用于快速成像和改善单次激发ＥＰ［的性能。同时，常规全身线圈和辅助线圈可以在组合模式下运行。其参数是：峰值梯度５０ｍＴ，ｍ、爬升率２７Ｔ／ｍ／ｓ。
目前在市场上主要有ＧＥ公司和飞利浦公司提供双梯度的系统。，这两个公司的具体实现方案有所不同，ＧＥ公司采用的是两套梯度放大器和两套梯度线圈；飞利浦公司采用两套梯度线圈（Ｘ、Ｙ、Ｚ轴各２个线圈）和两套梯度放大器。具体表现在Ｉ一个方案使用两个梯度功率放大器
：
分别驱动常规全身线圈和辅助线圈，其中一个放大器支持大的峰值梯度场幅度但梯度爬升率（ＳｌｅｗＲａｔｅ）低，而另一个放大器则支持较低的峰值梯度场幅度但其Ｓｌｅｗ
Ｒａｔｅ
高；另一个双梯度实现方案是使用一个高性能的梯度功率放大器来同时驱动常规全身线圈和辅助线圈。这个功率放大器可以同时支持大的峰值梯度场幅度和很高的梯度爬升率。但缺点是在梯度场幅度和梯度爬升率都很高时，系统运行的噪声非常大，所以这个方案还有一个“安静模式（ＱｕｉｅｔＭｏｄｅ）”，实际卜还是降低梯度场幅度和梯度爬升率，其效果与单梯度模式相近。
３双梯度系统技术讨论
图４双梯度系统的原理图
在图４中降ｌ，大的圆形框标明了全身梯度线圈的成像区域，小的椭圆形框则对应了辅助梯度线圈的成像区域。从梯度场沿Ｚ轴的变化曲线来看。两个线圈的线性Ⅸ域大小一样，但在线性区外的最大梯度场的值，辅助线圈则比全身线圈低４０％。而外周神经刺激（ＰＮＳ）是由于磁场随时问的变化（ｄＢ／ｄｔ）而造成的，因此辅助线圈的运行功率可以比全身线罔高４０％，以达到很高的梯度场性能，并同时维持相同水平的ＰＮＳｔ“１２Ｊ。
在梯度系统中，涡流和音频噪声是两个最重要的问题。这里讨论一下在双梯度系统中音频噪声的问题。
梯度系统是磁共振系统噪声的来源。由于梯度线圈里的电流快速变化，同时变化的电流切割主磁场的磁力线从而产生洛伦兹（Ｌｏｒｅｎｔｚ）力。洛伦兹力导致梯度线圈的振动和移动。在这个过程中产生音频噪声。随着梯度场峰值及爬升率的提高，音频噪声也会增大。由于双梯度概念的实现，单次激发ＥＰＩ序列可以使用很高的梯度幅度及很快的梯度切换，从而造成很大的音频噪声。这也就限制了辅助梯度线圈的大量使用。并如前所讨论的在实际的工程方案中。厂商必须提供一个“安静模式”，实际卜是降低了双梯度的运行性能，而并未达到双梯度应该实现的运行参数。
梯度系统的涡流一般是通过一些补偿算法来校正的。在双梯度模式下。两个不同的梯度线圈的涡流是不同的，因此不同的梯度线圈使用模式需要不同的补偿算法，补偿
万方数据
型型■■圈因蠢圈
效果达不到最优。
双梯度系统在Ｔ程上也存在一些实际的问题，如在两个梯度系统中存在着耦合的情况，这个问题对售后的现场服务维修产生了一些实际的调试困难；又如若使用了两个梯度功率放大器，则提高了梯度系统的生产和维修成本。
随着科学技术和工程技术的发展，现代的磁共振系统用单一梯度功率放大器驱动单一梯度线圈已经足以达到很高的梯度场幅度及很高的梯度爬升率。同时能保证很高的梯度线性和均匀性。另外，一些新的技术，如并行数据采集，在不需要提高梯度系统性能的情况下就可以大大加快磁共振的扫描速度。因此。在最新的磁共振系统中，各大厂商
都已经放弃了双梯度系统的使用，而只采用单一的高性能梯度系统¨３ｌ。ｆ参考文献】
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Ｓｙｓｔｅｍ．ＵＳ
Ｐａｔｅｎｔ６３１３６３０．
【１０ｌＭｏｒｉｃｈＭ，ｅｔａ１．ＭＲＩＧｒａｄｉｅｎｔｗｉｔｈｖａｒｉａｂｌｅｆｉｅｌｄ—ｏｆ－ｖｉｅｗ
ａｎｄａｐｐａｒａｔｕｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｅｍｐｌｏｙｉｎｇｔｈｅｓａｍｅ．ＵＳＰａｔｅｎｔ６５３８４４３．
【１１ＪＨａｍＣ，ｅｔａ１．ＶＡＲＩＡＢＬＥＦＩＥＬＤ—ＯＦ—ＶＩＥＷＧＲＡＤＩＥＮＴ
ＣｏＩＬ
ＳＹＳＴＥＭＦＯＲＭＡＧＮＥＴＩＣＲＥＳＯＮＡＮＣＥ
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２０１０年第２５卷１１期
ＶＯＬ２．５Ｎｏ．ＩＩ
５３
覆盖面十分有限。同时，作为主管进出口商品质量的国家质检总局，没有一项规定是针对植入式医疗器械的。而我
订其相应的详细产品标准。并且在标准中体现出亚洲人生理参数的需求和中国实际国情。确保标准的实用、有效。
（２）全力开展植入式医疗器械风险分析和风险管理。通过对植入式医疗器械风险分析全面掌握和了解各类植入式医疗器械的风险等级，从而对不同的产品采取不同的管理模式和手段。对高风险产品纳入进一步加强检验管理，同时根据风险预警、产品质量的稳定程度和产品风险高低的变化实施动态风险管理模式。
（３）将一些产品技术成熟、植入人体时间较长的植入式医疗器械产品实施强制性产品认证制度，以型式试验和工厂考核的方法加强这些产品的源头管理。经过多年的实践检验。中国国家强制性产品认证制度被证明是一个既能对产品进行严格监管。又符合中国实际国情的有效的市场准入制度。而植入式医疗器械产品具有安全风险高、公众关注度大、产品标准繁杂的特点，需要采用从生产源头即开始监管的模式。
（４）在国家卫生部门与食品药品监督机构的监管体系中。全国各级别的医院都有向属地卫生机构上报医疗器械不良事件的责任。因此应该加强植入式医疗器械不良事件
国９（赐以上的植入式医疗器械来自进口，产品质量问题时
有发生。并且除心脏起博器、宫内节育器之外其他的植入医疗器械并未列入该《目录》并实施法定检验，如人工骨、心脏瓣膜、心泵、软骨、人工角膜等等。然而，这些植入
医疗器械是植入人体。用以支持、维持生命，对人体有潜
在危险的产品。
３．３缺乏系统、完善的合格评定体系
植入式医疗器械强制性标准少之又少，主要的行业标准则侧重在产品的技术要求上，是产品设计开发的主要技术规范。然而，对于我们如此大的植入式医疗器械进口国来说，甚至没有一个产品的检验规程，更加缺乏系统、完善的合格评定体系。
３．４进口植入式医疗器械质量不容乐观
进口植入式医疗器械进货渠道、检验手段、管理模式的相对不足，出现许多质量问题。并引起了一些医患纠纷。特别是一些质量较差，未经检验的进口植入医疗器械，一旦植入人体，将会给人们带来极大的安全隐患。甚至危及
人的生命。由于管理上的一些漏洞，加上进口植入式医疗
器械境内外极大的价格差异，使得许多产品非法进入我国，未能得到检验和监管，给产品质量带来了极大的隐患。
随着社会的进步，新的医疗器械不断推出，新的生物技术手段、生物材料不断研发使得植入式医疗器械得到了广泛的应用。但相应的法规、检验手段、检验标准相对滞后，特别是在进口医疗器械的检验监管工作中，如何更好发挥国家质量监督部门的作用，完善法律法规、建立系统的监管体系显得十分重要。
的报告制度，将不良或者疑似不良的产品具体信息通报当
地主管部门，对不良产品进行适当处理。【参考文献】
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【３】彭平冀，陈广斌，魏佳．医院植入性医疗器械的准入管理Ｕ１．医
疗设备信息，２００６，１２（９）：７１－７２．
【４】黄久平，唐乃进．植入性医疗器械亟待规范化管理【Ｎ】．中国医
４几点建议
（１）开始着手相关法规和产品标准的研究制订工作，特别是对目前存在法规、标准缺失或者实际失效的情况，应加快法规、标准研究制定进程。值得注意的是，很多产品标准都是直接从国外标准等效转换过来，没有体现出亚洲人生理参数的需求和中国实际国情，造成了实际上的标准失效。因此，笔者认为应将相关标准的制订Ｔ作分为两个阶段来进行。第一个阶段是找到适用于大部分植入式产品的安全性能规范，据此制订出通用的产品安全标准或者强制性技术要求；第二个阶段则根据各类产品的不同特性制
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匣
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ＩＭＡＧＩＮＧ．Ｐｕｂ．Ｎｏ．ＷＯ／２００５／０４３１８５．８ｔｈ
【１２】Ｋｉｍｍｌｉｎｇｅｎ，ｅｔａ１．ＧｒａｄｉｅｎｔＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ
Ｖａｒｉａｂｌｅ
ＦｉｅｌｄＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ
Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ
Ｍｅｅｔｉｎｇ，Ｄｅｎｖｅｒ，ＣＯ，２０００，ｖ０１．１，Ｐ．３３２．
【１３】ＨＤｘｔＣｏｎｔｉｍｕｍＰａｋａｎｄＴｗｉｎＳｐｅｅｄＧｒａｄｉｅｎｔｓ２００８．ＧＥ
圈
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６４
２０１０年第２５卷”期Ｘ，ＯＩ．，２５Ｎｏ．１１
万方数据
磁共振影像系统双梯度技术的发展和现状
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
何文胜， HE Wen-sheng
安徽医科大学第一附属医院,医学工程部,安徽,合肥,230022中国医疗设备
JOURNAL PRESS OF CHINA MEDICAL DEVICES2010,25(11)
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