CN105559783A - 一种半开放式核磁共振成像系统及其在乳腺成像上的应用 - Google Patents

Abstract

<b>本发明公开了一种半开放式核磁共振成像系统，包括磁体外壳，设于磁体外壳内的铁轭固定座，设于铁轭固定座上的半环式永磁磁体，设于半环式永磁磁体上、且靠近半环式永磁磁体开口处的二维梯度线圈，设于半环式永磁磁体内的两半球形射频线圈，以及与两半球形射频线圈固定连接的乳腺承托板；其优点在于，相比精标准的乳腺摄影技术，没有电离辐射致癌的风险；相比超声乳腺筛查技术，核磁共振图像的软组织分辨好，具有较高的特异性和灵敏性；相比现有临床核磁共振乳腺检查技术，具有设备成本低，可移动，病人受限小，操作方便快捷，且受检时摆位方便，可普及到广大乡镇医院使用；可利用磁体本身的较大恒定梯度实现扩散分析和扩散成像。</b>

Description

一种半开放式核磁共振成像系统及其在乳腺成像上的应用

技术领域

本发明涉及一种半开放式核磁共振成像系统及其在乳腺成像上的应用。

背景技术

乳腺肿瘤是妇女中最常见的肿瘤（占31%），乳腺癌在妇女癌症致死因中一直居于第二位。2008年，世界癌症研究结构(TheInternationalAgencyforResearchonCancer，IARC)报道全世界癌症患率增加了20%，癌症致死率增加了14%。仅2012年，新增167万例癌症病例，52万癌症致死病例得到报道。

多年来，乳腺摄影（基于钼靶X线的软射线摄影）已经被证明是可以在早期检测乳腺癌从而减少乳腺癌致死率的有效办法。鉴于女性乳腺癌发病率的增加，一些其它检查的手段包括超声和物理触诊也都应用于乳腺癌的早期诊断，但都受限于特异性和灵敏性不足，尤其是对于40岁以下的年轻女性。2003年美国癌症学会更新了关于乳腺癌早期诊断指南，指出对于那些乳腺癌高风险的妇女，可以在常规乳腺筛查项目外额外增加筛查方案，比如提早筛查，缩短筛查时间间隔，采用超声、MRI等检查手段，从而实现早期筛查，降低致死率。

所以对于乳腺癌的筛查，目前的金标准是基于钼靶软X射线的乳腺摄影技术。但是从实际的筛查过程来看，还是存在以下一些问题：

1准确率的问题：已经知道，传统乳腺摄影存在着很高的恶性肿瘤假阳性（60%-80%），从而导致大量不必要的组织活检。

乳腺大小受到检查设备的限制：乳腺机一般采用乳腺夹板将乳腺夹在X射线球管和检测器之间进行射线投照成像。乳腺相对较小的亚洲妇女在检查时要将乳腺固定到投照视野中心不是一个很方便的事情，往往需要重复好几次才能拍到合适的影像；另外许多受检者都反映,检查时固定夹板会对乳腺造成较强的压迫和疼痛感。

辐射问题；众所周知，电离辐射是致癌的重要原因之一，软射线其在组织的能量沉积更大，因此致癌风险更高。对于乳腺等软组织，要提高组织对比度，主要采用钼靶X线机产生的20KeV能量的软X射线，其本身的致癌风险也会增加。比如Radiology在2012年发表的文献表明：至少接收过一次辐射检查的人比从未接受辐射检查的人，患各种癌变的风险增加7%。7%表明是一个确定性效应，因此对于年轻妇女，如果提前进行乳腺筛查，缩短筛查时间间隔，本身就会增加乳腺癌患病风险。

基于此，超声与乳腺核磁共振检查技术得到了有效补充。很多年以来，超声乳腺检查作为乳腺摄影的辅助手段，主要对一些明显感知的或乳腺摄影显示为团块的乳腺组织确定其是囊肿还是实体肿块，而且同样存在着对恶性肿瘤的假阳性检出率高的不足。因此核磁共振乳腺检查技术对于增加乳腺癌检出的灵敏性（85–99%）和特异性方面显示出巨大潜力。

核磁共振乳腺检查在乳腺节结的术前分期，多节结的定位以及乳腺癌高风险病人的筛查方面得到了越来越强的应用关注。作为一种与乳腺摄影和乳腺超声检查不同的技术，乳腺核磁共振技术可以显示大量乳腺软组织的灌注特性，以及相关形态学信息，比如乳腺节结的大小、形状和周边轮廓线等。另外相比乳腺摄影而言，核磁共振检查还有一个巨大的优越性就是本身不存在电离辐射致癌风险。

但目前核磁共振乳腺检查技术全部都是采用临床全身核磁共振设备进行检查的。其临床推广速度相对较慢，其原因还在于以下几点：

1价格昂贵：临床核磁检查费用昂贵，主要用于疾病的诊断，用作常规的乳腺筛查，则显得昂贵而且耗时。

非为乳腺检查设计：临床核磁设备是为全身各部位检查设计的。乳腺分在两边，不完全在磁场、梯度和射频的最优化区域，图像质量有时会受到影响。同时用巨大的磁体检查一个小部位，也有浪费的嫌疑。

受检者受限且时间长：用作乳腺检查时，需要配置专门的乳腺检查线圈。病人采取俯卧式，全身进入磁体腔，病人受到局限性大且接受到强大的检查噪声；另外摆位就需要浪费很多时间。

不便于走进乡镇医院，不易普及：据世界卫生组织的统计,全球乳腺癌发生率的52.9%以及死亡率的62.1%是在欠发达地区。乳腺癌的致死/发病比例也体现出差异，该比例在发达国家为0.2，但在欠发达地区则达到0.37。欠发达地区的卫生部门和医疗健康机构都在努力应对越来越多的癌症晚期患者的发病率和致死率。IARC规定：当前癌症控制的一个迫切需求是研发一种有效、低成本的针对欠发达地区妇女的早期癌症检测、诊断和治疗乳腺癌的方法。可见欠发达地区和国家更需要有更便宜且方便的乳腺筛查设备和技术。我们知道临床核磁主要集中在发达国家和欠发达国家的大中城市的高级医院里，对于急需的广大欠发达地区的乳腺筛查贡献是很有限的。

发明内容

本发明目的是：提供一种半开放式核磁共振成像系统及其在乳腺成像上的应用，解决乳腺疾病（如乳腺癌）早期快速有效检查的迫切需求，尤其是欠发达地区和城市中低收入人群乳腺疾病的早期筛查问题，其技术先进，系统成本低，轻便可移动，操作方便，且受检者检查不受局限，没有乳腺摄影的电离辐射致癌风险，也没有常规核磁共振系统检查的复杂和技术限制。

本发明的技术方案是：一种半开放式核磁共振成像系统，包括磁体外壳，设于所述磁体外壳内的铁轭固定座，设于所述铁轭固定座上的半环式永磁磁体，设于所述半环式永磁磁体上、且靠近半环式永磁磁体开口处的二维梯度线圈，设于所述半环式永磁磁体内的两半球形射频线圈，以及与两半球形射频线圈固定连接的乳腺承托板。

作为优选的技术方案，所述半环式永磁磁体为单C形阵列永磁磁体；该单C形阵列永磁磁体由至少5块奇数个、且不同磁化角度布设的永磁磁钢组成，且在单C形阵列永磁磁体内产生一个薄层均匀磁场，该磁场方向与单C形阵列永磁磁体的开口平行。

作为优选的技术方案，所述半环式永磁磁体为双C形阵列永磁磁体；该双C形阵列永磁磁体由至少9块奇数个、且不同磁化角度布设的永磁磁钢组成，且在双C形阵列永磁磁体内产生两个方向相反的薄层均匀磁场，该两磁场方向均与双C形阵列永磁磁体的开口平行。

作为优选的技术方案，在所述铁轭固定座上设有若干个用于固定永磁磁钢的条形固定槽。

作为优选的技术方案，所述二维梯度线圈包括设于所述单C形阵列永磁磁体内侧壁、且靠近单C形阵列永磁磁体开口处的两对上下对称设置的矩形线圈，用以在单C形阵列永磁磁体的薄层均匀磁场区域的两个方向上产生线性梯度磁场。

作为优选的技术方案，所述二维梯度线圈包括设于所述双C形阵列永磁磁体内侧壁、且靠近双C形阵列永磁磁体开口处的两对左右对称设置的矩形线圈，用以在双C形阵列永磁磁体的薄层均匀磁场区域的两个方向上产生线性梯度磁场。

作为优选的技术方案，所述半球形射频线圈为半球形螺线管线圈或半球形软体线圈，用以产生激励射频场和接收磁共振信号。

作为优选的技术方案，所述乳腺承托板的外表面呈凹凸设置且覆盖有绒毛层。

作为优选的技术方案，所述半开放式核磁共振成像系统还包括用于控制半环式永磁磁体和其上二维梯度线圈做前后往复步进运动的磁体运动控制系统。

一种半开放式核磁共振成像系统在乳腺成像上的应用，包括逐层式三维成像方法，其具体步骤如下：

1）受检者的乳腺通过乳腺承托板固定后，将半环式永磁磁体紧贴受检者胸部位置；

2）采集位于半环式永磁磁体薄层均匀磁场区域内的乳腺底部断层图像，然后通过磁体运动控制系统向远离乳腺方向逐次移动半环式永磁磁体，并逐层获取不同位置的乳腺断层图像，直至到达乳尖区域；

3）通过最大亮度重建算法（MaximumIntensityProjection,MIP）得到乳腺结节或肿瘤的三维重建图像。

本发明的优点是：

本专利发明设备对于解决全球妇女尤其是欠发达地区的广大乳腺技术筛查具有以下的优势：

1）相比精标准的乳腺摄影技术，没有电离辐射致癌的风险；

2）相比超声乳腺筛查技术，核磁共振图像的软组织分辨好，具有较高的特异性和灵敏性；

3）相比现有临床核磁共振乳腺检查技术，具有设备成本低，可移动，病人受限小，操作方便快捷，受检时摆位方便，可普及到广大乡镇医院使用；

4）可利用磁体本身的较大恒定梯度实现扩散分析和扩散成像（Diffusionweightedimaging,DWI）。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明单C形阵列永磁磁体的系统爆炸图；

图3为本发明单C形阵列永磁磁体的系统结构图；

图4为本发明双C形阵列永磁磁体的系统爆炸图；

图5为本发明双C形阵列永磁磁体的系统结构图；

图6为本发明逐层式三维成像方法示意图；

图7为本发明半环式永磁磁体上的Z和X梯度线圈示意图；

其中：1显示屏，2操作台，3谱仪，4射频电子系统，5扶手，6磁体运动控制系统，7固定乳腺探头，8机柜，9可升降椅子，10承重轮，11磁体外壳，12铁轭固定座，13乳腺承托板，14永磁磁钢，15矩形线圈，16半球形螺线管线圈。

具体实施方式

实施例1：一种半开放式核磁共振成像系统，参照图1所示，其基本配置如下：显示屏1、操作台2、谱仪3、射频电子系统4、扶手5、磁体运动控制系统6、固定乳腺探头7、机柜8、可升降椅子9以及承重轮10；同时参照图2至5所示，本发明还包括设于机柜8上的磁体外壳11，设于磁体外壳11内的铁轭固定座12，设于铁轭固定座12上的半环式永磁磁体，设于半环式永磁磁体上、且靠近半环式永磁磁体开口处的二维梯度线圈，设于半环式永磁磁体内的两半球形射频线圈，以及与两半球形射频线圈固定连接的乳腺承托板13，同时在铁轭固定座12上设有若干个用于固定永磁磁钢14的条形固定槽，且该铁轭固定座12可以由同种或不同种的铁磁材料制成。

参照图2至3所示，本发明的半环式永磁磁体为单C形阵列永磁磁体；该单C形阵列永磁磁体由5块奇数个、且不同磁化角度布设的永磁磁钢14组成，也可以是7块、9块或11块、13块或更多永磁磁钢14，且该单C形阵列永磁磁体可以由同种或不同种材料的永磁磁钢14组成，该永磁磁钢14材料优选钕铁硼或稀土钴材料，同时在单C形阵列永磁磁体内产生一个薄层均匀磁场，该磁场方向与单C形阵列永磁磁体的开口平行，该单C形阵列永磁磁体的主要原理是通过拆解halbach磁体而得到，拆解后永磁磁钢14逐渐开放，但磁场强度和均匀性也急剧变小和变差，通过调整半环式永磁磁体的曲率、每块永磁磁钢14的充磁方向以及电磁场仿真计算，最终可以获得在半环端面一定厚度的薄层均匀磁场区域（即灵敏区域），该灵敏区域的厚度在2mm到5mm之间，面积在为100mm*300mm左右，具体灵敏区厚度和面积可根据不同应用需求进行不同设计，在上述半环式永磁磁体设计的基础上，结合快速乳腺检查的实际需求，同时检测两个乳腺。

参照图4至5所示，本发明的半环式永磁磁体为双C形阵列永磁磁体；该双C形阵列永磁磁体由9块奇数个、且不同磁化角度布设的永磁磁钢14组成，也可以是11块、13块或更多永磁磁钢14，且该双C形阵列永磁磁体可以由同种或不同种材料的永磁磁钢14组成，该永磁磁钢14材料优选钕铁硼或稀土钴材料，同时在双C形阵列永磁磁体内产生两个方向相反的薄层均匀磁场，该两磁场与双C形阵列永磁磁体的开口平行，该双C形阵列永磁磁体的主要原理是与上述单C形阵列永磁磁体原理基本相同，将两个单C形阵列永磁磁体结合起来设计，即为双C形阵列永磁磁体，最终可以获得在半环端面一定厚度的两薄层均匀磁场区域（即灵敏区域1和灵敏区域2），灵敏区域1和灵敏区域2的磁场方向相反，厚度在2mm到5mm之间，面积在100mm*100mm左右，具体灵敏区厚度和面积可根据不同应用需求进行不同设计。

上述单C形阵列永磁磁体和双C形阵列永磁磁体都是设计成坐式检查形式的，当然也可以设计成俯卧形式，检查时，受检者采取俯卧式，乳腺置于乳腺承托板内，同时也可以将乳腺承托板换成身体其它部位如膝盖、前列腺的承托板，亦可以对身体其他部位进行检测。

参照图2至5所示，本发明的二维梯度线圈包括设于单/双C形阵列永磁磁体内侧壁、且靠近单/双C形阵列永磁磁体开口处的两对上下、或左右对称设置的矩形线圈15，用以在单/双C形阵列永磁磁体的薄层均匀磁场区域的两个方向上产生线性梯度磁场。

参照图7所示，半环式永磁磁体存在一个沿Y方向的自然梯度，可以利用该自然梯度，配合一定带宽的射频激励来实现选层，因此只需要在灵敏区域内实现二维（X方向和Z方向）的梯度磁场，一个用于频率编码，一个用于相位编码即可。本发明给出了Z梯度线圈和X梯度线圈的实例，能够在灵敏区域内产生X方向和Z方向的线性梯度磁场的梯度线圈都属于本发明要求保护的范围。

梯度线圈的一个实例为：两对单匝或多匝的矩形（或矩形变形）的环形线圈，一组线圈分别置于半环磁体的1号磁钢和5号磁钢内侧，两个线圈由一根导线串联绕成，但绕向相反，因此电流反向。另一组线圈置于5号磁钢和9号磁钢内侧。

梯度线圈的一个实例为：四个单匝或多匝的矩形（或矩形变形）的环形线圈，线圈分别置于半环磁体的1号磁钢和5号磁钢的内侧。置于1号磁钢内侧的一对线圈电流反向，置于5号磁钢内侧的两个线圈电流反向。但置于1号磁钢和5号磁钢内侧靠X同一方向的两个线圈则电流同向。且图7中夹角A3=135度，A4的夹角为45度。

本发明的半球形射频线圈为半球形螺线管线圈16或半球形软体线圈，作为收发一体线圈，一方面产生激励的射频场，另一方面能够接收检测区域内的核磁共振信号。当采用半球形螺线管线圈16的轴向沿Y方向，垂直于主磁场方向。为了在更短的射频线圈长度上获得尽可能高的均匀射频场，更好的适配乳腺的形状，具有较大的填充因子，半球形螺线管线圈16采用变直径和变匝比的绕线形式，整个线圈长80mm,前端直径为100mm，后端直径30mm，中间为线性变化。要使相同电流在不同直径的区域内产生相同强度的射频场，绕线的疏密会有差异。同时为了消除螺线管边缘区域的射频场衰减，两端的绕线也会密一些。另外也可以采用半球形软体线圈来进行射频激励和信号采集。

本发明的乳腺承托板13采用无磁性环氧树脂材料制成，其外表面呈凹凸设置且覆盖有绒毛层，绒毛层具有保暖作用，以及保持一定的摩擦力用于固定乳腺在乳腺承托板13上的位置相对不发生位移，该乳腺承托板13与半球形射频线圈固定一体，半球形射频线圈的尺寸可以设计成一组，根据不同的乳腺大小更换选用。

本发明半开放式核磁共振成像系统还包括用于控制半环式永磁磁体和其上二维梯度线圈做前后往复步进运动（逐步远离乳腺或靠近乳腺运动）的磁体运动控制系统6，使得不同层面的乳腺组织位于均匀磁体检查区域，该磁体运动控制系统6能接受磁共振成像序列的控制，按照序列指定的步进方向、步进距离的要求平稳快速的移动磁体，其步进距离为设定层厚+层间距，且具有与磁共振系统的磁兼容和电磁兼容能力，同时该磁体运动控制系统6由单片机控制芯片（内含程序）、电机驱动器和精密步进电机组成。在每个层面数据采集完成后，单片机控制芯片（内含程序）会接收到核磁共振系统的脉冲序列输出的电机运动信号，输出数字脉冲信号后经电机驱动器后驱动电机步进运动一个层间距（层间距为软件界面中的一个设定参数，由操作者根据检查需求设置）。然后停止不动，等待系统对该层面进行扫描。扫描结束后，再次步进一个层间距。所有设定层面全部扫描结束后，驱动磁体回到原始状态。该系统的一个特点是电机与磁体外壳之间采用无磁性链条传动，电机外壳加装屏蔽罩壳，以消除电机对于核磁共振系统的影响。传统临床核磁的成像过程中，由于均匀磁场区域较大，所以受检者是固定不动，通过步进调节射频场的中心频率从而实现选层。本发明的均匀磁场区域只是一个薄层区域，因此采用步进磁体实现对不同位置的乳腺进行选层调节。

一种半开放式核磁共振成像系统在乳腺成像上的应用，包括逐层式三维成像方法，参照图6所示，其具体步骤如下：

1）受检者的乳腺通过乳腺承托板13固定后，将半环式永磁磁体紧贴受检者胸部位置；

2）采集位于半环式永磁磁体薄层均匀磁场区域内的乳腺底部断层图像，然后通过磁体运动控制系统6向远离乳腺方向逐次移动半环式永磁磁体，并逐层获取不同位置的乳腺断层图像，直至到达乳尖区域，不同层面扫描时，半环式永磁磁体与二维梯度线圈固定一起移动，半球形射频线圈与乳腺承托板13则保持不动，以维持乳腺在半球形射频线圈内的填充因子不变，从而避免重新调谐匹配；

3）通过最大亮度重建算法（MaximumIntensityProjection,MIP）得到乳腺结节或肿瘤的三维重建图像。

一种半开放式核磁共振成像系统在乳腺成像上的应用，包括三维容积成像方法，其主要原理是可以采用宽带（如2~5MHz带宽）射频激励和接收技术，并利用非选择性硬脉冲进行射频激励，获取一定乳腺容积范围内的核磁共振数据用以重建图像或进行扩散弛豫分析，无需逐层扫描后再通过重建得到三维图像。在该区域内，由于存在较强的自然梯度磁场，因此可以得到扩散加权图像（DWI）。

本发明在多个部位，组织和物体方面具有潜在应用，包括且不限于：

1乳腺：可用于乳腺的快速成像筛查（乳腺癌筛查，乳腺植入物检查，乳腺手术预后检查）；

本专利还可以只设计成单个部位、产品的检测，在以下领域也会有应用：

2关节：可用于膝盖、脚趾、脚踝以及手腕手指等关节性损伤或炎性疾病的成像检查；

3阴茎、睾丸、前列腺便携式检查：可用于男性前列腺肥大、囊肿等疾病的便携式检查；

4水果无损检测；

5包装乳制品等的保质期或货架期无损快速现场检测。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种半开放式核磁共振成像系统，其特征在于，包括磁体外壳，设于所述磁体外壳内的铁轭固定座，设于所述铁轭固定座上的半环式永磁磁体，设于所述半环式永磁磁体上、且靠近半环式永磁磁体开口处的二维梯度线圈，设于所述半环式永磁磁体内的两半球形射频线圈，以及与两半球形射频线圈固定连接的乳腺承托板。

2.根据权利要求1所述的半开放式核磁共振成像系统，其特征在于，所述半环式永磁磁体为单C形阵列永磁磁体；该单C形阵列永磁磁体由至少5块奇数个、且不同磁化角度布设的永磁磁钢组成，且在单C形阵列永磁磁体内产生一个薄层均匀磁场，该磁场方向与单C形阵列永磁磁体的开口平行。

3.根据权利要求1所述的半开放式核磁共振成像系统，其特征在于，所述半环式永磁磁体为双C形阵列永磁磁体；该双C形阵列永磁磁体由至少9块奇数个、且不同磁化角度布设的永磁磁钢组成，且在双C形阵列永磁磁体内产生两个方向相反的薄层均匀磁场，该两磁场方向均与双C形阵列永磁磁体的开口平行。

4.根据权利要求2或3所述的半开放式核磁共振成像系统，其特征在于，在所述铁轭固定座上设有若干个用于固定永磁磁钢的条形固定槽。

5.根据权利要求2所述的半开放式核磁共振成像系统，其特征在于，所述二维梯度线圈包括设于所述单C形阵列永磁磁体内侧壁、且靠近单C形阵列永磁磁体开口处的两对上下对称设置的矩形线圈。

6.根据权利要求3所述的半开放式核磁共振成像系统，其特征在于，所述二维梯度线圈包括设于所述双C形阵列永磁磁体内侧壁、且靠近双C形阵列永磁磁体开口处的两对左右对称设置的矩形线圈。

7.根据权利要求1所述的半开放式核磁共振成像系统，其特征在于，所述半球形射频线圈为半球形螺线管线圈或半球形软体线圈。

8.根据权利要求1所述的半开放式核磁共振成像系统，其特征在于，所述乳腺承托板的外表面呈凹凸设置且覆盖有绒毛层。

9.根据权利要求1所述的半开放式核磁共振成像系统，其特征在于，所述半开放式核磁共振成像系统还包括用于控制半环式永磁磁体和其上二维梯度线圈做前后往复步进运动的磁体运动控制系统。

10.一种如权利要求1所述的半开放式核磁共振成像系统在乳腺成像上的应用，其特征在于，包括逐层式三维成像方法，其具体步骤如下：

1）受检者的乳腺通过乳腺承托板固定后，将半环式永磁磁体紧贴受检者胸部位置；

2）采集位于半环式永磁磁体薄层均匀磁场区域内的乳腺底部断层图像，然后通过磁体运动控制系统向远离乳腺方向逐次移动半环式永磁磁体，并逐层获取不同位置的乳腺断层图像，直至到达乳尖区域；

3）通过最大亮度重建算法得到乳腺结节或肿瘤的三维重建图像。