磁共振成像(MRI)是由Lauterbur P C在上世纪70年代发明的^[1]，因其具有高分辨率、高对比度和无辐射等特点，该技术迅速被应用在临床诊断上，成为现代医学最常用的、不可缺少的医学影像技术之一．如今全球每年至少有6 000万病例利用MRI技术进行检查．

与电子计算机断层扫描(CT)、正电子发射型计算机断层显像(PET)等其他医学影像技术相比，磁共振成像的检测灵敏度是比较低的．在过去的近半个世纪，科学家和工程师们一直努力的改进这项技术，以提高其检测灵敏度，达到快速、准确的扫描效果．由于磁共振信号的检测信噪比(SNR)正比于静磁场强度(B₀)^[2]，最直接的改进方法就是提高所用的静磁场强度．通用电器(GE)于20世纪80年代初制造出全球第一台高场(1.5 T)全身磁共振成像仪；2002年左右，3.0 T高场全身磁共振成像仪也获得美国食品药品监督管理局(FDA)的批准，投入临床使用^[3]．至今高场(1.5~3.0 T)全身磁共振成像仪在全球的安装数量已超过25 000台，是现今医用磁共振成像仪的主流．

与此同时，科学家也开始了使用超高场(³ 4.0 T)磁共振成像仪(UHF MRI)的可行性探索．在超高场下，除了检测灵敏度的提高以外，功能磁共振成像(fMRI)中的血氧浓度效应（BOLD effect^[4]，与静磁场成线性关系）相比也得到大大增强，同时活体核磁共振波谱(in vivo MRS)的谱宽有较大的扩展，使得谱线更容易被解析．第一批4.0 T MRI谱仪于上世纪80年代末在美国的阿拉巴马大学(CNIR)、明尼苏达大学(CMRR)和美国国立健康研究院(NIH)安装成功，初步的研究报告已显示出超高场的优势^[5]，但同时也面临巨大的挑战：介电效应(Dielectric effect)导致射频场(RF，B₁)的分布极不均匀，从而引起图像品质的下降^[6]．不久，更高磁场的人体磁共振成像仪也开始使用：1998年，美国俄亥俄州立大学安装了8.0 T MRI仪；1999年，美国明尼苏达大学安装了7.0 T MRI仪．

到2008年为止，全球有约25台7.0 T以上的人体MRI仪安装成功．在同一年，欧洲生物医学磁共振协会(ESMRMB)为超高场磁共振人体成像领域的进展出了一期专刊，特约主编Hennig在他的编者按中总结道：超高场磁共振成像是非常有用的仪器，是MRI技术进步的推动力，科学家们为解决超高场所存在的问题所发展的射频技术．多通道接受线圈技术、并行发射等多种技术，反过来极大的改进了已有的1.5 T和3.0 T临床MRI系统^[7]．在这之后短短的7年间，全球7.0 T（主要是7.0 T，也有少量的9.4 T和一台10.5 T）以上的人体MRI仪安装量达到60台左右，超高场MRI也成为国际医学磁共振领域最热门的研究方向之一．

本文将以最新一代的7.0 T MRI仪为例，简述超高场磁共振人体成像仪的系统结构、研究进展，并展望其在神经科学、认知科学和医学的应用前景．文中引用的图像和数据，除非特别注明，都是由飞利浦医疗的用户提供，在PHILIPS Achieva 7.0 T全身成像仪上采集的．

超高场磁共振人体成像仪的系统结构与高场人体成像仪基本相同，主要由超导磁铁(Magnet)、梯度磁场(Gradient)、射频线圈(RF)、病人支持系统、谱仪控制和图像显示等子系统构成．它与高场成像仪主要差别在于磁铁和射频两个子系统；由于强磁场的影响，病人支持系统的某些部件也需要重新研制．目前供研究使用的7.0 T人体成像仪主要是由西门子、通用电器和飞利浦等3家公司生产，有SIEMENS Magnetom 7.0 T^[8]、GE MR950和PHILIPS Achieva 7.0 T三个品牌．

图 1显示的是SIEMENS Magnetom 7.0 T系统的体系结构．与临床高场成像仪相比，可以看到病人支持系统（包括移送病人的床）是全新的设计，这是因为在超高场下将病人从磁铁外移送到成像中心，磁场强度几乎从0跳到7.0 T，所以必须限制病床的移动速度，否则会让病人有头晕或呕吐的感觉；另外驱动电机必须能在超高场下稳定工作；在超高场下，ECG信号有变形，同时噪声也高，所以用于心跳同步扫描(ECG Trigger)的控制系统也要改进．

图 1 SIEMENS Magnetom 7.0 T的体系结构 Fig. 1 System structure of SIEMENS Magnetom 7.0 T

图选项

第二个显著的区别是磁铁的大小几乎是常规磁铁的3~4倍，所以安放磁铁的房间需要特别的设计，其电磁屏蔽层的安装也有特别的要求，例如要完全屏蔽300 MHz以下的电磁辐射．

SIEMENS Magnetom 7.0 T的梯度磁场使用的是其特别设计的SC72型梯度线圈，最高强度可达70 mT/m，其梯度场切换率为200 mT/(m·ms)，而最好的高场成像仪所配置梯度线圈，一般最高强度为40 mT/m，使用这样的梯度线圈的好处是可以减小扩散张量影像的回波时间，以期采集到尽可能多的回波．

如图 1所示，SIEMENS Magnetom 7.0 T的射频系统包括8通道并行发射和32道并行接收．由于在研发过程中，这3家公司都采用了相似的策略，即磁铁和主要的射频线圈使用第三方的产品，所以这3种全身成像仪有很多相似的地方，其图像的品质也很接近．

所有的磁铁都是由安捷伦(AGILENT)公司提供，其制造技术比较成熟，最近几年安装的都是零挥发有源自屏蔽超导磁铁，其孔径有900 mm和830 mm两种，安装梯度线圈和室温匀场部件后，可使用的孔径都是600 mm，室温匀场都装有二阶和三阶匀场线圈．西门子医疗也应用户的要求，提供孔径为600 mm的头部成像仪(head-only)，但其安装量有限．

表 1列出了这3家公司所生产超高场磁共振人体成像仪的梯度磁场和射频系统主要的参数．

在超高场下，由于射频场的不均匀分布，设计全身激发的体线圈(Body Coil)非常困难^[9]，所以目前的超高场磁共振人体成像仪都没有安装体线圈．其他线圈也是由第三方提供或用户自己设计，例如Nova Medical的32道头部线圈和Quality Electrodynamics的24道膝部线圈可以在这3种成像仪上使用^[10]．解决射频场的不均匀性，需要在两个方面改进：多通道发射线圈的设计^{[9, 11, 12]}和与之相匹配的射频场匀场(RF shimming)算法^[13]，这方面的文献非常丰富，也取得了显著的进展．鉴于射频系统的复杂性，在脉冲程序使用时要考虑射频场的致热效应，所以对每一个射频线圈必须进行射频场分布的计算机模拟计算，以估算出射频脉冲的特定吸收率(SAR)^{[6, 9, 11]}，模拟计算这一步可利用基于时域有限差分(FDTD)的商用软件（如RAMCOM公司的XFDTD）．即便如此，还有一个待解决的问题是：在超高场下，人体由射频场导致的致热效应并不完全符合SAR的空间分布，所以模拟计算的准确性还需要进一步改进^[14]，同时系统必须配置多通道实时射频功率检测系统，以确保人体的安全．

在使用超高场磁共振人体成像仪时，另一个要考虑的问题是强磁场对人体是否有害，目前FDA的安全指南是8.0 T以下的磁场对人体没有长期的损害^[15]，有些人会有暂时的头晕、呕吐的感觉，但基本上是安全的^[16]．

众多的研究报告已经证实了超高场磁共振人体成像的优越性：更高的检测信噪比、更好的对比度、更强的BOLD效应和更宽的波谱，有兴趣的读者可以参考有关文献．这里简要的列出一些比较结果．图 2(a)是不同场强下头部梯度回波像SNR对比，使用的是单通道发射/接收线圈，可以看到SNR从1.5 T到7.0 T几乎是线性增加．图 2(b)是不同场强下脑功能信号的对比，在1.5 T到3.0 T下，BOLD效应只有2~5%；而在7.0 T下，BOLD效应可达到7~8%，有效的增加了脑功能成像的检测灵敏度，使大脑皮质的分层分析成为可能．下文两个图都证实了人体成像在7.0 T下的优越性．

图 2 不同场强下的比较．(a) 头部梯度回波像；(b) 功能磁共振成像 Fig. 2 Comparison under different B0. (a) gradient echo brain MRI,(b) fMRI

图选项

图 3(a)是不同场强下无增强剂的磁共振血管造影(TOF MRA)对比，可以看到7.0 T扫描图像显示出更清晰的局部小血管分布（如图中标出的圈所示）．这是因为在7.0 T下，信号强度的增加使得更高分辨数据采集成为可能．

图 3 (a) 不同场强下TOF MRA对比；(b) 头部的单元活体核磁共振波谱 Fig. 3 (a) Comparison of TOF MRA under different B0,(b) Single voxel MRS of human brain

图选项

图 3(b)是使用STEAM脉冲程序采集的前脑部单元活体核磁共振波谱，来自不同化学物质的谱线很容易就可以识别，特别是位于d 2.0~3.0间的谱线，而在3.0 T下这些谱线是重叠在一起的．

图 4(a)是人体膝部关节的梯度回波像，图 4(b)是人体手腕部的梯度回波像．相对于人体其他部位，膝部关节和手腕部的磁共振信号非常弱，只有在超高场下才能采集到如此清晰的图像，展示出关节部位的细微结构．

图 4 (a) 人体膝部关节的梯度回波像；(b) 人体手腕部的梯度回波像 Fig. 4 (a) Knee imaging, (b) Wrist imaging

图选项

除了以上几个例子，由于超高场下人体纵向弛豫(T₁)增加和横向弛豫(T₂)减小，超高场磁共振人体成像在其他成像方式也显出比较特别的优势，如T₁权重、T₂、T₂*权重^[17]、扩散权重影像(DWI)、扩散张量影像(DTI)^[18]、灌流权重影像(Perfusion MRI)^[19]和磁敏感加权成像(SWI)^[20]等等．

应用这些优势所进行的研究主要集中在神经科学、认知科学^{[21, 22]}和医学几个领域，在临床医学研究上，所研究的病例有多发性硬化症(Multiple Sclerosis)^[23]、高血压(Hypertension)^[24]、阿尔茨海默氏病(Alzheimer’s Disease)^[25]、亨丁頓舞蹈症(Huntington's disease)^[26]、癫痫(Epilepsy)^[27]、肿瘤病(Cancer^{)[28, 29]和人体肌肉新陈代谢有关的病[30, 31]．}

值得一提的是在帕金森氏症(Parkinson disease)治疗中，7.0 T超高分辨的磁共振图像能帮助手术医生准确的放置刺激电极^{[32, 33]}．

经过二十多年的研究开发，超高场磁共振人体成像在医学和神经、认知科学展现了巨大的潜力，也面临很大的挑战，由于射频场的不均匀性，目前比较成熟的应用研究只局限于脑部和膝盖以下部位，短期内推广到临床诊断是不太可能．在Wiggins和Sodicksn的展望中，他们提出了这样的设想：理想的临床7.0 T磁共振人体成像系统就是在日常检查中，在不牺牲传统临床医学图像品质的条件下，能提供特别的、与临床有关的信息^[34]．这还需要科学界和工业界的共同努力才能达到．

另一个阻碍其进一步发展的是生产和使用成本，其5年的总费用大约需要千万美元，而为解决射频场的不均匀性所需要的硬件升级，如16道射频并行发射系统将进一步推高其成本，只有大型的研究中心才能承受这样的财务压力．