Инновации в области магнитно-резонансной визуализации (mri) для более быстрых и четких сканов
Поиск более быстрых и четких сканов
Магнитно-резонансная томография (МРТ) уже давно является краеугольным камнем современной диагностики, предлагая беспрецедентный контраст мягких тканей без ионизирующего излучения. Однако традиционные системы МРТ сталкиваются с неотъемлемыми компромиссами между скоростью сканирования, разрешением изображения и комфортом пациента. Последняя волна аппаратных инноваций в настоящее время систематически демонтирует эти ограничения, обеспечивая клинически значимые улучшения во времени приобретения, точности сигнала и доступности. В этой статье рассматриваются ключевые технологические прорывы в аппаратном обеспечении МРТ, которые переопределяют то, что возможно в радиологии.
Достижения в технологии магнитов
Высокотемпературные сверхпроводящие магниты
Магнит является сердцем любой системы МРТ, генерируя сильное, равномерное статическое поле (B0), необходимое для поляризации ядерного спина. Обычные магниты МРТ используют низкотемпературные сверхпроводники (LTS), такие как ниобий-титан, которые должны быть охлаждены до 4 Кельвина с использованием жидкого гелия - дефицитного и дорогого ресурса. Высокотемпературные сверхпроводящие магниты (HTS) работают при температурах, таких как оксид меди иттрия бария (YBCO), работают при температурах до 77 Кельвин. Этот сдвиг резко снижает зависимость от жидкого гелия, сокращает затраты на охлаждение и упрощает криогенику. магниты HTS также физически меньше и легче, что позволяет более компактным конструкциям системы без ущерба для напряженности поля. Например, магнит 1,5 Т HTS может потреблять на 90% меньше гелия, чем сопоставимая система LTS, что делает установки более практичными в небольших больницах или амбулаторных центрах.
Ультравысокие системы прочности поля
Сила поля напрямую влияет на отношение сигнал-шум (SNR) и спектральное разрешение. Клинические системы традиционно работают на 1,5 Т или 3 Т. Последние достижения в области аппаратного обеспечения теперь позволяют рутинную работу на 7 Т и за его пределами , с 11,7 Т системами всего тела в стадии разработки для исследований и специализированного клинического использования. Высшие поля требуют сложного перекрытия - часто с использованием нескольких комнатно-температурных теменных катушек и обратной связи в реальном времени - для поддержания однородности. Кроме того, градиентные наборы должны быть более мощными для обработки увеличенного распада T2 и артефактов восприимчивости. Отдача - исключительное разрешение: 7 Т МРТ может визуализировать корковые слои, субмиллиметровые сосудистые структуры и подробные суставные хрящи, которые невидимы на нижних полях. Регулирующие органы, такие как FDA, постепенно одобряют 7 Т для конкретных нейро- и опорно-двигательных приложений, расширяя его клинический след.
Пассивные и активные инновации шимминга
Неоднородность поля ухудшает качество изображения, особенно при высоких прочность поля или околотканево-воздушных интерфейсах. Современные системы МРТ включают адаптивное переключение с использованием нескольких каналов и итеративных алгоритмов для корректировки как пассивных ферромагнитных элементов, так и активных градиентных токов. Аппаратные улучшения включают более быстрые усилители градиента шима и схемы компенсации вихря, которые подавляют искажения во время эхо-планарной визуализации (EPI). Эти инновации позволяют хирургам полагаться на карты без искажений диффузионной тензорной визуализации (DTI) для предхирургического планирования.
Усовершенствованные градиентные системы
Ультравысокопроизводительные градиентные катушки
Градиентные катушки создают пространственно изменяющиеся магнитные поля для кодирования пространственной информации. Ключевыми показателями производительности являются амплитуда градиента (обычно в мТ/м) и скорость разряда (мТ/м/мс). Последние конструкции выдвигают амплитуду за 100 мТ/м и скорости разряда, превышающие 200 Т/м/с, что позволяет эхо-планарной визуализации (EPI) считывание раз ниже 100 миллисекунд . Эти высокопроизводительные градиенты сокращают время повторения (TR) и время эха (TE), позволяя объемы полномозговой функциональной МРТ (fMRI) менее чем за одну секунду. Одновременно, передовые модели обмотки и проводники с водяным охлаждением предотвращают перегрев во время длительных последовательностей с высоким циклом работы.
Одновременная многослойная (SMS) ускорение
Путем одновременного запуска нескольких импульсов РЧ и использования специализированных градиентных всплесков для разделения срезов в пространстве ускорение SMS - иногда называемое многополосной визуализацией - может сократить время сканирования в 2-4 раза без ущерба для разрешения. Аппаратные улучшения в точности градиента и стабильности системы РЧ имеют решающее значение для SMS. Выделенные многополосные градиентные формы волн минимизируют псевдонимирование сечения, в то время как передовое оборудование реконструкции обрабатывает повышенную вычислительную нагрузку. Эта техника теперь стандартна для клинического ДТИ и фМРТ в состоянии покоя, что делает функциональную визуализацию возможной менее чем за пять минут.
Инновации в радиочастотных (RF) катушках
Многоканальные фазированные решётки
RF катушки служат антеннами для передачи поля B1 и приема сигналов MR. Традиционные одноканальные катушки имели ограниченное покрытие и SNR. Современные системы развертывают фазированные решётчатые катушки высокой плотности с 32, 64 или даже 128 независимыми каналами приема. Каждый элемент захватывает локальную область, и сигналы объединяются с использованием параллельных алгоритмов визуализации (таких как GRAPPA или SENSE) для ускорения получения. Для нейровизуализации 64-канальные головные катушки обеспечивают исключительный SNR вблизи коры, в то время как 32-канальные сердечные катушки захватывают изображения с высоким разрешением. Физическая конструкция — включая гибкие подложки и формы, соответствующие пациенту — улучшает близость элемента катушки к анатомии, максимизируя чувствительность.
Цифровые технологии РФ
Традиционные радиочастотные цепи включают в себя аналоговые смесители, фильтры и усилители, которые вводят шум и дрейф. Цифровые радиочастотные приемники оцифровывают сигнал MR непосредственно на выходе катушки с использованием высокоскоростных АЦП (80-200 МГц) с большим динамическим диапазоном. Это устраняет потери аналогового кабеля и уменьшает показатель шума. Кроме того, цифровое формирование луча позволяет системе динамически выбирать или весить отдельные элементы катушки для оптимального подавления помех или фокусироваться на конкретных областях. В сочетании с обработкой на основе FPGA в реальном времени цифровые радиочастотные цепи поддерживают передовые методы, такие как гиперполяризованное изображение 13C и разделение на основе жира и воды на основе Диксона с беспрецедентной точностью.
Передайте массив и B1 Shimming
При высоких полевых напряжениях длина волны RF в ткани становится сопоставимой с размерами пациента, что приводит к диэлектрическому затенению и деструктивным помехам. Передайте катушки решетки с несколькими независимыми каналами передачи (часто 8 или 16) позволяют дрожать B1 - регулировка амплитуды и фазы каждого канала для гомогенизации угла переворачивания возбуждения. Аппаратные реализации включают пользовательские многоканальные усилители мощности RF и фазовые сдвигатели, интегрированные в магнитный отсек. B1 дрожение уменьшает темные области в брюшной или тазовой сканировании при 3T и имеет важное значение для визуализации туловища 7T.
Искусственный интеллект и аппаратная интеграция
Ускорители ИИ на системе
Интеграция выделенных процессоров ИИ (таких как графические процессоры NVIDIA или пользовательские ASIC) непосредственно в электронику сканера МРТ позволяет реконструировать изображения в реальном времени и улучшать качество. Во время приобретения аппаратное обеспечение может обезвреживать необработанные данные k-пространства, правильно для движения, прогнозируя смещение пациента и ускоряя реконструкцию из непроверенных данных с использованием моделей глубокого обучения (например, Variational Networks или UNets). Это уменьшает необходимость в длительных задержках дыхания в брюшной МРТ - пациенты могут свободно дышать, в то время как ИИ реконструирует резкие, свободные от движения изображения. Ведущие производители теперь поставляют системы с интегрированными двигателями ИИ, которые могут сократить время сканирования на 50-70% при сохранении качества диагностики.
Адаптивный контроль сканера
Помимо реконструкции, аппаратное обеспечение ИИ может изменять градиентные и радиочастотные параметры на лету. Например, нейронная сеть, работающая на контроллере сканера, может обнаруживать движение пациента через подачу камеры или эхо-сигналы навигатора и автоматически регулировать параметры последовательности (например, изменение ориентации среза или увеличение амплитуды градиента). Системы аппаратного обеспечения с замкнутым контуром также могут компенсировать внерезонансные эффекты во время спектроскопической визуализации или динамически затмевать во время сканирования с сердечным ритмом. Эта синергия снижает необходимость соблюдения пациентом и офлайновой ручной оптимизации.
Охлаждение и криогеника
Магниты без кипения и без криогена
Гелий является невозобновляемым ресурсом, и его стоимость резко возросла. Ноль откипелых (ZBO) магнитных технологий Реликвии испаренного гелия с использованием интегрированных криоохладителей (часто типа Гиффорд-МакМахон), устраняя необходимость в регулярных пополнениях гелия. Более радикально, криогенные магниты используют провода HTS с охлаждением только механическими криоохладителями, полностью удаляя жидкий гелий из системы. Эти конструкции легче (на 30-50%), дешевле в эксплуатации и не требуют вентиляционной трубной инфраструктуры. Несколько поставщиков теперь предлагают системы без криогена 1,5 Т и 3 Т, что делает МРТ возможным в регионах с ограниченным доступом к цепочкам поставок гелия.
Эффективные криостаты всего тела
Помимо магнита, криостат — вакуумно-изолированный сосуд, окружающий катушки, — был переработан с более эффективными тепловыми щитами и многослойной изоляцией. Механические криоохладители с более высокой теплоподъемной способностью при 20–40 К снижают тепловую нагрузку на жидкую гелиевую ванну. В сочетании с улучшенными радиационными перегородками эти инновации увеличивают интервал обслуживания каждые 12–24 месяца, снижая общую стоимость владения.
Портативная и низкопольная МРТ
В направлении к точке-в-заботе изображения
Портативные МРТ-системы, такие как низкопольные (0.064T до 0.2T) сканеры, появились для использования на прикроватной кровати. Эти машины используют постоянные магниты (например, Самариум-Кобальт) или компактные магниты HTS, которые не требуют криогена. Аппаратное обеспечение достаточно легкое, чтобы его можно было вводить в отделения интенсивной терапии, отделения неотложной помощи или полевые больницы. Компромиссы сигналов из-за более низкой напряженности поля компенсируются специализированными высокоэффективными RF-катушками и реконструкцией на основе ИИ. Ранние клинические исследования показывают, что портативная МРТ может обнаруживать острый ишемический инсульт с чувствительностью > 90%, что приводит к нейровизуализации в критических условиях, которые не имеют доступа к высокопольным системам.
Легкий и прочный дизайн
Для того, чтобы выдержать повторный транспорт и механическое напряжение, портативное оборудование МРТ использует поглощающие удар системы монтажа для магнита и градиента сборки. RF катушки часто интегрируются в гибкие маты, которые могут быть обернуты вокруг пациента. Мощность конструкции питания включают в себя аккумуляторные батареи высокой емкости, которые поддерживают 2-3 часа сканирования без настенной розетки, что позволяет развертывание в условиях скорой помощи или реагирования на стихийные бедствия.
Обработка сигналов и приобретение данных
Сжатое сенсорное и подэмплирующее оборудование
Сжатое зондирование (CS) ускоряет МРТ, приобретая гораздо меньше образцов k-пространства, чем обычно требует критерий Nyquist. На аппаратной стороне это требует псевдослучайных траекторий выборки (например, спираль пуассона или переменной плотности), которые требуют точного управления градиентом. Современные градиентные драйверы могут генерировать произвольные формы волн с точностью до микросекунды, позволяя последовательности CS без мертвого времени. Кроме того, быстрые радиочастотные переключатели и цифровые приемники позволяют одновременно использовать режимы с несколькими приемами полосы пропускания для поддержки многоэхо приобретений CS.
МРТ отпечатков пальцев (MRF)
MRF - это сдвиг парадигмы, в котором аппаратное обеспечение приобретения приобретает серию дико неизученных изображений с различными параметрами последовательности. Каждый тип ткани дает уникальный «отпечаток» эволюции сигнала. Аппаратное обеспечение должно поддерживать быстрое переключение угла поворота, TR и TE между последовательными кадрами изображения (часто 10-20 в секунду). Выделенные контроллеры последовательности и радиочастотные системы с низкой задержкой теперь позволяют MRF в клиническом сканировании 10-15 минут, обеспечивая одновременное отображение плотности T1, T2 и протонов для нейродегенерации и характеристики опухоли.
Безопасность и комфорт пациента
Акустический шум уменьшается
Вибрации градиентной катушки производят громкий акустический шум во время сканирования. Новые аэроакустические материалы для демпфирования и стратегии вибрационной компенсации используют пассивное разделение между градиентными катушками и криостатовой структурой. Некоторые системы встраивают вакуумные слои или метаматериалы микрорешетки для ослабления звука, передаваемого структурой. Активное шумоподавление — с использованием микрофонов для обнаружения шума и отправки антифазных акустических волн через интегрированные динамики — может уменьшить воспринимаемый шум на 20–30 дБ. Эти меры позволяют пациентам проходить МРТ без затычек для ушей или с уменьшенной седации.
Широкий бор и градиентный таперинг
Клаустрофобия и ожирение пациентов являются общими барьерами для МРТ. Аппаратные инновации включают в себя более широкие магниты (70 см внутренний диаметр по сравнению с традиционными 60 см), которые вмещают более крупных пациентов. Градиентные катушки теперь сужаются, чтобы соответствовать этому расширению носки при сохранении градиентной производительности. Кроме того, более короткие длины магнита (до 140 см) уменьшают замкнутое ощущение, а динамическая настройка магнитного поля может адаптировать настройки шим для разных положений тела.
Мониторинг пациентов в реальном времени
Аппаратные системы теперь включают оптические и емкостные датчики, которые контролируют жизненно важные показатели пациента (скорость сердечных сокращений, частота дыхания) без случайных проводящих петель, которые могут вызвать ожог РФ. Цифровые камеры с экранированием и фильтрованной подсветкой позволяют технологу наблюдать за пациентом через запор. В сочетании с автоматическими оповещениями о движении пациента эти функции улучшают безопасность и уменьшают повторные экзамены.
Будущее и интеграция
Темпы аппаратных инноваций МРТ не показывают признаков замедления. В течение следующих пяти лет мы можем ожидать, что системы 7T без креогенов, которые весят менее 5 тонн, что делает ультравысокопольные доступны для общественных больниц. Квантовые датчики на основе центров вакансий азота в алмазе могут в конечном итоге заменить обычные радиочастотные катушки с комнатной температурой, сверхчувствительные детекторы, способные к односпинной визуализации. Между тем, сближение МРТ с другими модальностями - такими как ПЭТ / МРТ с полностью интегрированным оборудованием обнаружения - будет сплавлять анатомическую и молекулярную информацию в режиме реального времени.
Ориентированные на пациента конструкции, вероятно, будут включать мягкие, носимые RF-катушки, которые соответствуют поверхности тела, резко улучшая чувствительность к динамической визуализации суставов или во время физических упражнений. На стороне сбора данных, ускорители машинного обучения в реальном времени, встроенные в бэкэнд сканера, позволят полностью автоматизировать назначение сканирования и реконструкцию, уменьшая потребность в вмешательстве технологов. По мере того, как эти аппаратные достижения созревают, МРТ станет быстрее, тише, более доступным и более широко доступным, в конечном итоге повышая диагностическую точность и опыт пациентов в глобальных системах здравоохранения.
Для дальнейшего чтения о конкретных инновациях см. обзор высокотемпературных сверхпроводящих магнитов в МРТ и клинических применениях ИИ в аппаратном обеспечении МРТ . Кроме того, Международное общество магнитного резонанса в медицине предоставляет обновленные материалы конференции по градиентной технологии и конструкции RF катушки.