东芝公司
磁共振成像(MRI)扫描是以无创方式提供有价值的诊断信息的医疗诊断成像系统，在病人接受扫描时，不会受到放射线的有害影响。然而，MRI的一个缺陷是扫描过程中产生的高量级噪声会引起病人的不适，并可能引起病人的恐惧。此外，为了减少采集时间，技术人员近期开发了许多快速成像技术，但是快速成像通常会伴随更高的噪声级。噪声过强的问题已促使东芝人研制出Pianissimo减噪技术，使扫描过程中的噪声级锐减。这项新技术的应用已经使1.5T EXCELART MRI 系统的制造成为可能，它能同时达到以前互不相容的快速成像和低噪声这两个目的。
目前，MRI系统的临床应用范围已变得更加多样化。MRI已不再局限于神经外科和骨科研究，而是扩展到包括消化道的检查和伴随明显运动的心血管系统。社会老龄化问题已引起社会控制医疗费用意识的提高，进而促使技术人员在减少检查次数的同时努力提高影像质量。故许多高速成像方法被研制出来并且作为产品投放市场，从而产生出更高的影像质量和更快的病人通过速度。
但是，随着扫描时间变得更短，扫描时产生的噪声也变得更大了。在过去，这只是引起病人不适的一个原因，当前已成为一个不容忽视的严重问题。东芝一直积极探索新方法以控制噪声，而且已经成功地推出了Pianissimo静音技术。在这项新技术中，噪声源——梯度线圈，被放置于一个封闭的真空室内。在不影响成像速度的基础上，此技术有效地消除了噪声，并且有可能进一步扩大MRI的临床应用范围。
本文着重于静音技术讨论，结合Pianissimo技术介绍了EXCELART 1.5T MRI系统(图1)的开发。
一 系统开发的概念
在以上所描述的基本知识的背景下，系统开发的基本概念被定义为“与人友好，安静的MRI”。 项目开发的重点是怎样在扫描过程中大大减少病人的不适感的同时完全保留传统MRI系统的运作技能。
引起病人不适的主要因素是: 长时间的检查; 检查空间狭小和过强的噪声。现在，这些问题在EXCELART中都已经被克服了。检查时间长的问题可以通过使用高速成像的方法来解决，而且此方法在临床使用中非常有效。这种高速成像方法的一个成功例证是回波平面成像(Echo Planar Imaging，EPI)。采用EPI后，每个成像切片的采集时间可减少到几十个ms。如此超快速成像方法的应用不仅缩短了检查时间，而且在形态和功能研究中大大地提高了诊断能力。
为了消除检查空间狭小的问题，东芝的技术人员充分利用短轴静态场磁铁的特点设计了一种台架，近末端的内径为65.5cm，中部最狭窄处内径为60cm，而且腔的长度已减至小于2m。因此，例如当检查一个成年病人的膝关节时，病人的头部可以完全置于台架的外部。
最后的一个问题是噪声。东芝的静音技术——Pianissimo技术，是从根本上消除这方面问题的新方法。
二 Pianissimo减噪技术
1. MRI研究中的噪声级
EPI是一种噪声特别大的成像方法，在使用EPI进行研究时，噪声能达到115dBA左右，因所使用的特定成像参数而定。这种噪声级可与直升飞机起飞或降落(图2)时直接位于其下测得的噪声级相比，并可使人失聪。因此，国际电工委员会(IEC)于1995年建立了MRI噪声保护的安全标准，即IEC60601-2-33(1995)。此标准要求，如果平均声压级超过99dBA，要使用耳保护装置，如耳塞。
2. 噪声产生的机制
在传统的超导MRI系统的台架中，静态场的磁铁置于外部，圆柱状梯度线圈位于内部(如图3)。由这个梯度线圈产生获得三维定位信息所必需的梯度磁场。这个线圈是由埋置在树脂中金属丝构成的三组线圈(X，Y和Z)组成。当梯度磁场电源的电流流经位于静态磁场中的梯度线圈时，根据Fleming左手定律，线圈中的金属丝受洛伦兹力的作用。
当电流接通或切断的时候，振动就产生了，引起梯度线圈发出高量级的噪声。这个噪声对躺在线圈中的病人来说是非常不愉快的。
3. 振动的传播途径
由梯度线圈产生的振动有两种基本的传播途径: 通过空气或通过固态构件传播。在前一种情况下，与梯度线圈相邻的空气产生振动，并将振动传播到邻近的多种部件，例如台架的外壳。当振动传入耳内，耳膜随着空气振动而运动时，就产生声音或者是噪声。
在梯度线圈中产生的振动还可以直接被传播到邻近的固态构件。在MRI系统中，这些构件包括支持梯度线圈的各种部件。在传统的MRI系统中，梯度线圈与静态场磁铁相连接。因此，梯度线圈产生的振动首先被传播到静态场磁铁的线圈上，后者产生振动并起到第2级噪声源的作用。
4. Pianissimo 技术原理
一旦振动从振动源传播出去，传播途径就以一种复杂的方式交互作用，而且难以隔离。例如，虽然我们能够确定某个特定部件正在振动并产生噪音，但振动不是通过一个单一途径传播，而且要消除所有传播途径是很难的。因此，尽可能在梯度线圈这个振源附近阻断传播途径便可取得最佳减噪效果。
把梯度线圈置于一个密闭室内，并用一个真空泵抽空室内的空气，就能够阻断由空气传播的振动。另外，把梯度线圈直接固定到地板上，确保与静场磁铁的完全隔离，这样便可阻断通过固态构件传播的振动。于是，梯度线圈的两种传播途径都被阻断。除此之外，增加支持基重量，用以吸收振动，可以减少振动向地板的传播。这就是东芝获取专利的Pianissimo静音技术，它能阻断来自于梯度线圈这一振源的两种传播途径 (图4)。
三 Pianissimo技术的效果
用一个可调节的支撑构件对梯度线圈噪声级的变化进行了测量。线圈封装在一个密闭室内，室内的气压被减小了。图5显示了室内气压和减噪程度之间的关系。测量采用的梯度场电源的输入波形是工作于最大幅度的周期性的三角形波。成像序列中采用矩形波作为标准输入波形，当电流变化的时候，即当处在矩形波上升沿和下降沿时，振动就产生了。因此，可得到最大噪声级下的测量结果。
测量结果显示当梯度线圈像在传统的系统中那样被连接到静态场磁铁的时候，通过抽空密封室所取得的减噪程度大约只有6dB。这意味着与通过空气传播的振动相比，通过固态构件的传播起主要作用。此外还发现，当室内气压减小到大约70kPa时，噪声级将下降。这是由于室内低气压改变了密封室与静场磁铁之间的结构关系，因此影响了从密封室到磁铁的传播模式。
另一方面，当梯度线圈被独立支撑时，噪声的减小与密闭室真空程度的升高几乎成正比，噪声最大可减小约24dB。传统减噪技术和独立支撑结构结合后，甚至能够在不使用真空室的情况下，把噪声级降低大约9dB。因此，Pianissimo总的减噪效果能达到大约33dB，这就意味着主观噪声级减少了大约90%。
我们还使用临床经常使用的成像方法对传统系统和采用Pianissimo技术的EXCELART做了比较。结果如图6所示。甚至当所使用的成像方法相同时，成像条件的不同还是能造成不同的振动模式，导致很大范围的噪声级。但是，所有成像条件下的噪声级都远远低于99dBA。当噪声达到这一量级时，戴耳塞便成了必需的保护措施。此外，对于有些成像方法例如SE，因为其已经相对安静，故所产生的噪声被成像室内大约60dBA的背景噪声完全掩盖。
噪音级的降低预期会改进诊断影像的质量。病人不必受强噪声的干扰，甚至也不必使用耳塞，因而病人将处于更放松的状态，心跳较慢、有规律。于是，病人对突然的强噪声作出畏缩反应的可能性更小，从而使人为活动最小化，在检查婴幼儿和儿童时也就容易多了。通常，检查前要给婴幼儿服镇静剂。当噪声级降低后，镇静的程度也相应降低。因此，降低扫描时的噪声级不仅可以使人为活动最小化，而且可降低与镇静相关的副作用。此外，强噪声影响血氧依赖性(BOLD)研究的结果，在这个研究中大脑活动的变化被想像成病人驾驶汽车的状态。降低扫描时的噪声级应该能够减弱这个问题，并提高诊断的准确度。
四 结论
通过Pianissimo技术取得的减噪效果不仅对目前使用的成像方法有用，而且也将使未来新的高速成像方法的开发变得更容易。这是由于高速序列的开发一直因扫描中产生强噪声这一问题而受到阻碍。采用Pianissimo技术的EXCELART系统会充分实现MRI的一个主要优点——无创性、无并发症。由此看来，EXCELART将来应该有助于进一步拓宽MRI的应用范围。希望临床实践能够证明采用Pianissimo技术的EXCELART对于消除噪声是有效的，是一个公认的、世界标准的1.5T MRI系统，提供“与人友好、安静的”MRI系统。
(全文完)
来源：《世界医疗器械》
