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【器械历史】西门子磁共振30年

发布时间:2015-08-04作者:QIXIEKE

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      从1983年西门子的第一台MAGNETOM核磁系统(图1)安装使用到现在,已经过去30多年。在这30多年里,西门子在核磁共振成像技术的发展和临床使用的推动中起了举足轻重的作用,而且一直处于技术和市场的领先地位。在这里,我们将回顾西门子的核磁共振成像技术30年来的发展历程,讲述西门子如何在核磁技术刚刚起步就进入这一领域并对其发展和临床应用起到重要的作用,如何从最初的木质外壳核磁共振系统发展到如今各种系列型号的核磁共振系统。

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1.1983年的第一台MAGNETOM系统。

磁共振成像技术发展历史

     1946年,物理学家Felix BlochEdwardMills Purcell首次发现了核磁共振的原理。他们发现位于磁场中的原子核受到高频电磁场激发会倾斜。而当高频场关闭后,原子核将释放吸收的能量,并且回归到原始状态。BlochPurcell从此奠定了核磁成像的技术基础,并于1952年获得了诺贝尔奖。1950年,ErwinHahn发现使用两个高频脉冲时,原子核可以产生“回波”——自旋回波。1968年以前,核磁共振一直是一种速度慢而且不精确的成像方法,直到苏黎世的一组研究者在提高其灵敏度方面取得突破性进展。RichardErnst, Weston AndersonKurtWuthrich改善了激发脉冲,并且使用新的方法分析共振信号,使得核磁共振技术速度提高了一千倍,并且增加了其灵敏度。Ernst1991年因为这一发现获得了诺贝尔化学奖。在随后的几年里,核磁共振成像技术成为分析固体、液体和气体的一种重要方法。1971年,RaymondDamadian证明核磁共振也可以区分肿瘤和健康组织。现代核磁共振成像技术认为开始于1973年,化学家PaulC. Lauterbur和物理学家SirPeter Mansfield首次对充满液体的物体进行了成像,并且共同获得了2003年的诺贝尔医学奖。



西门子磁共振成像的早期发展

在磁共振成像发展的早期,西门子就意识到这一新技术的潜力,并对这一技术的研究和发展表现出极大的兴趣。西门子研究室的工程师早在1959年就开始使用磁共振技术研究塑料的特性。1965年,西门子招募了一位在核磁共振成像技术发展中起重要作用的专家:物理学家AlexanderGanssen(图2),他的研究工作主要集中在应用于医疗诊断的核磁共振成像技术。1966年,他开发了全球的第一台核磁成像系统用于测量患者的颈动脉或者手臂血管的血流速度

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2.Alexander Ganssen.

197821日,西门子开始研发MRI设备。Alexander Ganssen任命物理学家ArnulfOppelt管理这个项目,这个小组研发出第一台MRI原型机:场强为0.1T的可以容纳全身的磁共振成像系统。这台系统的磁体从牛津器械有限公司购买,后来这一公司成为西门子磁体技术部。这台实验系统(图3A)全部放置于一个木制建筑中(图4)。为了避免影响磁场,整个设备没有使用任何磁性材料——甚至一个不锈钢铁钉都没有使用。即便如此,研究者们还是受到很大的困扰:磁体的供电系统会波动;因为磁共振频率与无线电波频率在同一频段,特别是在晚间,物理学家们接收到的不是MRI信号而是短波广播。为了解决这些问题,他们用法拉第笼包围在磁体周围作为屏蔽(图3B)。1979年,Oppelts研究小组将测试对象定于一个青椒(图5),因为“它可以保持静止,大小与人体器官类似,然后可以切开来将图像与内部结构进行对比”。这个小组很快在几个月后得到第一幅人体的头部图像(图6),而这幅图像就来自于Ganssen本人,这个扫描仅仅使用了8分钟——比之前扫描青椒所需要的时间短了很多。

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3A.空气冷却的0.1T磁体(1978年);图3B. 装有法拉利笼的0.1T磁体(1979年)

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4.放置第一台MRI设备的实验室,爱尔兰根,1979年。

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5.青椒的磁共振图像,197911
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6.Alexander Ganssen的头部图像,8分钟,1980

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7.Arnulf Oppelt0.1TMRI原型机,1981

19809月,磁共振成像设备对第一批患者进行了扫描(图8)。早期的磁共振检查舒适度很差,他们需要爬进非常狭窄的四周都是木制结构的磁体。1981年,工程师们提高了MRI系统的图像质量。第二台磁共振设备组装成功,使用了0.2T的磁场强度。ErnstZeitler,来自德国纽伦堡的放射学家,使用这台设备对病人进行检查。此时,图像已经可以检测出头部和腹部的肿瘤,以及多发性硬化患者的头部改变。Oppelts评论道“1981年,当第一次看到头部肿瘤时,MRI技术在诊断上的应用价值开始清楚起来。”随着更高场强磁体的出现,第三台设备使用了0.5T的磁体,随后西门子开始开发1.5T磁体。


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8.全身扫描系统,1980年。
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9.第一台MAGNETOM,圣路易斯,1983

1983年,西门子在德国汉诺威医学院安装了第一台MRI设备,并且首次在临床检查中使用。在得到很好的反馈后,西门子在医疗技术部门下成立了专门的磁共振事业部,正式生产制造磁共振成像设备。随后,西门子在美国圣罗伊斯马林科罗放射科安装了第一台0.35TMAGNETOM系统,因而西门子也成为全球第一家为临床应用生产磁共振成像设备的厂商。

第一代MAGNETOM系列有不同的磁场强度(0.350.51.5T)。在磁屏蔽室将系统组装完成后,采用液氮和液氦将磁体冷却到-269摄氏度,然后充电、励磁。随后,磁体不再需要电力供应,电源被彻底关闭。液氦和液氮慢慢蒸发,所以需要定期补充——早期的MAGENTOM系统需要每小时补充2升液氮和半升液氦(图10)。而目前最先进的“零液氦”技术可以让MRI系统在正常运行状态下不需要补充液氦。198312月,KlinikumCharlottenburg, 柏林佛里尔大学运营的一所医院,成为德国的第一所从西门子引进超导磁体系统的大学医学中心(图11)。此后到19846月,西门子向全球提供了14MAGNETOM系统。同月,美国食品和药品管理局允许MAGNETOM向美国销售。1986年,西门子成为首家向日本销售1.5T系统的MRI系统制造商。
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10.80年代早期液氦添加。

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11.Klinikum Charlottenburg, 1983年。

第一代磁共振系统并没有采用任何屏蔽设施,所以安装空间往往都要大于40平方米。后来西门子成功研发了杂散场只有之前五分之一的超导磁体。这种独特的“自屏蔽”设计使用“笼状”的屏蔽方式,将杂散场传导回磁体。这种磁体只需要之前四分之一的空间即可安装,降低了磁共振成像设备的安装成本(图12)。1989年,西门子推出具有主动屏蔽的1.0T系统MEGNETOM 42 SPE(图13)。主动屏蔽系统是指在产生磁场的线圈外通过一些其它线圈来降低外部的磁场。1991年推出的1.0T的全身磁共振应用系统就使用了同样的主动屏蔽设计:MAGEMTOM Impact(图14)。

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12.磁体屏蔽,1984

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13.主动屏蔽,1T MAGNETOM 42 SPE

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14.MAGNETOM Impact, 1991年。

1985年,西门子推出的半傅立叶技术减少了将近一半的扫描时间。使用这一技术,只需要采集一半数据,另一半数据通过K空间共轭对称性进行快速重建。此外,西门子以创新为理念,还开发了一系列对磁共振影响深远的技术,缩短了扫描时间;有效降低SAR值,提高了检查的安全性;提高了图像质量,提供更多诊断信息。


开放化和标准化

二十世纪九十年代,MRI成为临床常规检查手段。1992年,八小时工作时间内一台磁共振成像设备平均可以检查20位患者。根据一些患者在检查过程中表现出来的舒适度低、配合度差的问题,1993年,西门子成功的研制出第一台开放式的MRI系统MAGNETOM Open0.2 TMAGENTOM Open除了满足常规临床检查需求外,还可以实现术中对患者进行监测(图15)。

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15.使用MEGNETOM Open监测术中患者,克利夫兰大学,1994年。

九十年代,西门子磁共振系统的软件结构类似于个人电脑,相比第一代MRI系统,具有更强的可操作性。但是另外一个问题又出来了:MRICT以及其他的影像设备有不同的操作界面,导致操作者需要分别学习。在二十一世纪初,西门子公司率先提出了标准操作系统的概念,并推出了业内第一套系统 Syngo(新沟通)(图16)。譬如,当医院或者其他医疗机构购买了一台新的西门子设备,操作者的学习时间可以显著缩短。Syngo实现了西门子公司医疗设备操作界面的统一,提高了用户对设备的接受度。

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16.Syngo界面血管造影成像,2001


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图17.Tim全身大范围成像,2003年

2003年,TimTotal Imaging Matrix技术的推出掀开了磁共振成像技术的新篇章(图17)。Tim技术的核心是使用高密度线圈根据矩阵原理采集数据,提高图像采集的质量和速度。除此之外,Tim矩阵线圈还可以实现线圈间自由组合、无缝连接,实现全身大范围成像,结束了传统的反复更换线圈、重新摆放患者的历史。

Tim技术的推出是磁共振发展史上的一次革命。Tim技术显著地提高了图像质量,提高了患者检查通过率。除此之外,Tim技术还具备其它一些新的特点,如体线圈采用轻柔设计,重量只有950克左右,提高了患者检查时的舒适度。因为Tim技术的灵活性,可以实现足先进扫描模式应用到每一个患者,让患者头部大部分时间都处于磁体外部,最大程度提高患者扫描的舒适度。2003年11月25日,集以上诸多技术优势于一身的MAGNETOM Avanto在德国图宾根大学医院进行临床使用。几乎同一时间,西门子推出了另外一个具有里程碑意义的机型MAGNETOM Espree。这是第一台70厘米孔径的1.5T磁共振系统(图18),可以实现介入治疗,也解决了肥胖患者无法进行高场MRI检查的难题。

既要降低成本,又需要提供最好的诊断和治疗,医疗工作者经常面对着巨大的压力。技术革新和提高效率在这个平衡中扮演重要的角色。在2009年,西门子推出了第四代的Tim技术(Tim4G),也称为智多星技术平台(图19)。智多星平台简化了工作流程,使用图像和文字帮助操作者按步骤进行扫描,将扫描效率提高了将近30%。西门子的另一个技术突破是在2010年,将MRIPET技术整合成为mMR系统(图20),结合两种方法有各自的优点,提供更加完整的诊断信息。

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18.MAGNETOM Espree,全球第一台70厘米孔径1.5T系统。


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图19.智多星平台。

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20.mMR图像,德国,2011


结语:

从最初的木质外壳到大孔径、短磁体设计,西门子始终引领着全球磁共振主流发展方向。受全球经济一体化影响,西门子磁共振产业在全球有三大研发、生产基地:德国爱尔兰根、英国牛津和中国深圳。这三大研发、生产基地分别独立承担了不同机型的研发和生产的重担。不同的基地担负不同的使命,满足西门子客户的不同需求。所有的生产线,都采用统一的西门子高标准质量管理体系。西门子在磁共振技术的研发深刻影响了这一领域的发展,30多年前的理想成为了现实,而今天的理想终将成为明日的现实!



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