关键词：MRI 超高场成像 神经科学 场监测
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2024年度MRI领域的大事件必然少不了AROMA团队的好消息：首次实现11.7T超高场人类大脑活体无创磁共振成像，极短采集时间，极高图像分辨率，获取了高质量的T2和T2*加权图像。这标志着神经科学将迎来前所未有的广阔发展空间，无怪乎法国总统马克龙都会激动到在社交媒体上宣传此事。
离开名人光环之后，MRI专家、神经科学家和研究人员等更加关心这项突破的具体参数和实际方法。12天前，项目团队通过Nature Methods（影响因子51.3）发表论文，分享出更多干货细节，全面介绍了高质量图像的采集过程。Skope将带您一览文中所揭示的史上最清晰人脑MRI成像背后的磁体扫描系统、采集参数乃至详细实验设计。
01 研究背景及设备
BACKGROUND
项目背景
超高场成像因其理论上的高信噪比和高分辨率，被神经科学领域赋予厚望。然而实际操作中，高场强带来的伪影问题与受试者的不适感让这一技术难以真正落到实处。此前，只有美国明尼苏达大学的一项研究成功在10.5T中完成了人类活体成像，但研究者也反映“均匀性方面表现出了明显的局限性”。
11.7T磁体项目始于2001年，当时全球仅有一台7T MRI设备，这个目标被认为不切实际，但法国原子能和替代能源委员会(CEA)以实际技术报告证明其可行性。项目于2004年获得法德联合资助并批准实施，2006年，项目被正式命名为Iseult。历经六年开发和两年调试，重达132吨的磁体在法国贝尔福特建造完成，最终通过水陆运输落地于CEA Saclay园区的NeuroSpin研究中心。项目团队同时开发了适应超高场MRI的先进成像方法和硬件等。2021年首次成功扫描体外人脑样本，2023年顺利扫描首批志愿者。
实验设备
a. 磁体示意图，主线圈及两个主动屏蔽线圈。磁体重132吨，外径和总长度近5米，内径为90厘米。直径22厘米的球体范围内，磁场均匀性达到0.9 ppm峰值间距。使用182公里的超导线缆以超导低温稳定模式运行。热平衡状态下，每小时磁场漂移仅为3 ppb。使用7,000升超流氦系统将磁体冷却至1.8 K（标准MRI磁体为4.2 K）以提供额外的安全缓冲。
b. 磁体导线横截面，10股NbTi-Cu导线在铜通道内的排布方式。
c. 法国NeuroSpin大楼内Iseult MRI的总体视图：(1)磁体，(2)法拉第笼，(3)卫星，(4)转储电阻器，(5)磁体控制台和功率转换器，(6)MRI设备，(7)氦气液化器，(8)氦气泵，(9)压缩机，(10)氦气囊。
d. 左：NeuroSpin专用拱廊（直径10米）内磁体的初次安装。右：当前磁体在拱廊内的侧视图，上下延伸至患者侧室的天花板上方和地板下方，前后贯穿拱廊。
02 成像参数
IMAGING
7T和11.7T下取得的T2*加权的二维梯度回波(GRE)轴向图像（不同受试者）
采集参数：分辨率=0.2×0.2×1mm³，FA=27°，TE=20ms，TR=0.6 s，带宽=40 Hz/像素，采集时间4分20秒。
这组图片直观地反映出超高场成像在图像清晰度和细节方面的显著优势。
a. 11.7T下的活体3D T2可变翻转角快速自旋回波采集(3DT2 variable flip angle turbo spin-echo acquisition)
采用并行传输GRAPE通用脉冲，分辨率为0.55×0.55×0.55mm³，采集时间13分钟，展示了整个脑体积内的高B1+（射频）场均匀性。
b. 11.7T场强下的活体T2*-加权2D GRE矢状切片，分辨率为0.2×0.2×1mm³，采集时间8分3秒
c. 3T（左）、7T（中）和11.7 T（右）下采集的T2* 加权2D GRE轴向图像
采集时间相同（4分17秒），通过调整采集参数：3、7和11.7 T的FA(°)、TR(ms)和TE(ms)分别为27、750和45；34、950和25；27、600和20；空间分辨率：3、7和11.7 T的平面分辨率分别为0.5、0.325和0.2mm，厚度均为 1 mm来保持相似的对比度噪声比(CNR)。
d. 11.7T下的T2*加权2D GRE轴向图像：分辨率为0.19×0.19 ×1 mm³，采集时间为5分16秒
快速自旋回波T2加权图像：分辨率为0.3×0.3×1mm³，采集时间为4分26秒
03 实际技术难题
OBSTACLE
上期文章发布后，有不少读者关心：“这么高的场强，人体不会过热吗？”“梯度磁场变换的噪音人真的能忍受吗？”以下说明AROMA项目团队如何解决此类安全和技术问题。
安全伦理保障
人体能否安全无虞承受11.7T场强下长达1.5小时的磁共振扫描？鉴于此前还从未有人涉猎过这方面的研究，AROMA团队谨遵监管机构和欧盟伦理委员会设计并实施了基因毒性、平衡及认知测试等，于2023年首批招募了40位健康成年志愿者进行对照实验确认安全性。以下为部分最初测试设计及数据分享：
对照设计：研究团队将志愿者分为20人一组，实验组接受11.7T磁共振扫描，另一组则被告知接受11.7T扫描实际接受的是零场强对照实验。研究人员给0T对照组播放磁体运转的噪音来保持体验一致。
基因毒性：基因毒性测试通过检测人类细胞中的染色体损伤来进行，主要指标为由于整个染色体或无法附着于纺锤体的片段形成的微核。通过向细胞培养中添加Cytochalasin B（抑制胞质分裂但不抑制核分裂），该测试在11.7T组与0T组间进行微核双核细胞比例比对。
平衡认知：在磁场暴露前和约25分钟后令参与者分别睁眼和闭眼站立在传感平台上，由专用软件记录稳定性得分。采用注意网络(ANT)测试其注意力集中能力，在扫描仪内外进行，包括四个不同噪音环境条件。
ANT测试结果图，左图为决策时间均值，右图为干扰成本（不一致试验与一致试验的决策时间差）
分析全部测试结果后，研究人员发现暴露在超高场强与否并未表现出显著差异(p=0.54)，能够证明人体可安全承受11.7T磁场并扫描成像。后续随访无异常，部分参与者在暴露当日或次日感到疲劳或头痛，且在进入或离开磁体时出现短暂头晕和金属味，均属磁场中常见的轻微副作用。
成像技术创新
AROMA项目团队在这项研究中，为了进行T2加权2D GRE采集，新设计了“spoke” pTx脉冲序列。具体参数为：翻转角(FA)27°，重复时间(TR)600 ms，回波时间(TE)20 ms，分辨率0.2×0.2×1 mm³，读取带宽40 Hz/像素，轴向采集时间(TA)4分17秒；矢状面采集使用了两种模式切换采集（TA 8分30秒）。在另一种T2加权采集中，分辨率提高到0.19×0.19×1 mm³（TA 5分16秒），以及用于最后一位受试者的涡轮自旋回波序列（分辨率0.3×0.3×1 mm³）。
NeuroSpin属CEA旗下，是法国乃至欧洲领先的高场磁共振成像中心，以其前沿的研究和卓越的技术在神经科学领域享有国际声誉。该中心的工程师Franck Mauconduit博士表示：
Skope的场相机技术在我们的磁共振系统中发挥了至关重要的作用。如果没有它的辅助， 我们很难取得如此优异的成果。对所有的类似项目来说，它都会是一个重要工具。
那么Skope的场相机究竟做了什么？
它被直接用于测量MRI扫描仪的动态磁场，负责图像编码和捕获，进而对参数调整、新编码开发等做出贡献。在CEA的新系统开发中，分析动态磁场有助于了解系统性能和组件间的交互。通过磁场稳定性、外部干扰屏蔽、梯度性能(GIRF)及与原型孔部件的相互作用等测试，研究人员能够进一步优化扫描仪的硬件和软件表现。
研究中第一次自由感应衰减(FID)采集，由Skope场相机完成 (source: Skope)
04 文章初步结论
INITIAL FINDINGS
项目团队在论文中表示：
成像结果初步验证了11.7T MRI的实际操作性：人类能够相对安全地承受如此高强度的磁场，并能够在合理时间内取得大脑中尺度高分辨率的影像。
目前超高场成像在神经科学的部分研究方向及其靶点包括
药物耐受性癫痫：局灶性皮质发育不良、内侧颞叶硬化
多发性硬化症：皮层病变、静脉
微血管评估：脑肿瘤和血管生成、小转移性病灶、慢性中风
海马体状况：阿尔茨海默病
基底神经节：铁含量测量、帕金森病、深部脑刺激
非质子核成像：双相情感障碍药物中的锂盐成分、神经递质、能量代谢过程中的钠-23和磷-31
……
而超高场MRI的高分辨率和对比度有望协助上述靶点的评估，促进我们对部分神经系统疾病的理解，以及新疾病生物标志物或治疗方法的探索开发。期待通过在中尺度揭示人脑的结构与功能之间的联系，未来能够在微观（神经元和突触）和宏观（大脑连接组）研究间架起桥梁，从而验证或更新对大脑功能的假设，探索心理活动和意识的生物机制，更好地识别精神疾病的作用机制。
反思局限，不懈探索
不过，这项研究仍属于探索性研究，因此目前项目团队无法评估成像结果的可重复性，也无从探索对比其他类型的MRI图像。部分扫描仍然受到受试者运动影响干扰。
因此，接下来的研究将集中于开发和实施运动校正工具与高度加速的图像采集序列。此外，项目正在部署更高效的射频线圈和更强大的梯度系统以进一步提升特别是高分辨率功能性MRI和扩散张量成像方面的性能，希望能通过绘制大脑连接图来研究大脑构成结构与功能关系，从而助力理解心理障碍和意识问题。
05 拓展阅读
FURTHER READING
Denis Le Bihan, M.D., Ph.D.
法国国家外科科学院院士
CEA下属NeuroSpin中心主任
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Nicolas Boulant, Ph.D.
CEA研究员
Boulant N, Quettier L; Iseult Consortium. Commissioning of the Iseult CEA 11.7 T whole-body MRI: current status, gradient-magnet interaction tests and first imaging experience. MAGMA. 2023 Apr;36(2):175-189.
此篇文献演示了Skope场相机在测量场稳定性、外部干扰屏蔽、梯度性能(GIRF)以及梯度与原型孔组件的相互作用时的实际表现。
Martijin Cloos, Ph.D.
澳大利亚昆士兰大学副教授
日本京都大学客座讲师
Cloos, M. A. et al. kT-points: short three dimensional tailored RF pulses for flip angle homogenization over an extended volume. Magn. Reson. Med. 67, 72–80 (2012).
本研究广泛应用了此篇文献所述的非选择性射频脉冲设计。
Kawin Setsompop, Ph.D.
斯坦福大学放射学副教授兼任电气工程副教授
Setsompop, K., Wald, L. L., Alagappan, V., Gagoski, B. A. & Adalsteinsson, E. Magnitude least squares optimization for parallel radio frequency excitation design demonstrated at 7 tesla with eight channels. Magn. Reson. Med. 59, 908–915 (2008).
本研究广泛采用了此篇文献所述的选择性的射频脉冲设计。
Giuseppe Barisano, M.D., Ph.D.
斯坦福大学神经外科博士后研究员
Barisano, G. et al. Clinical 7T MRI: are we there yet? A review about MRI at ultra-high field. Br. J. Radiol. 91, 20180492 (2019).
此篇综述文献介绍了7T及以上的超高场MRI在临床方面的应用潜力。
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Skope磁共振技术成立于2011年，为磁共振成像（MRI）市场开发传感器技术和信号处理的解决方案。Skope的客户使用这些解决方案可达到MR成像前所未有的精确性和速度。Skope向全世界的患者提供先进的诊断成像。
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