第五节 磁共振介入的器械和相关设备

实现MRI介入诊疗的关键技术之一是MRI兼容机械装置与诊疗器械的研发与制造。MRI兼容机械装置技术是指人们在长期的研究和开发实践过程中发现和总结出来的那些与MRI兼容机械装置的设计、制造、应用和维护相关的共性技术，包括材料性能、元器件选择、加工制造工艺、机构设计、运动检测与控制等多方面。该技术随着新材料、机电一体化技术、计算机技术等的发展，将得到不断的改进和应用。

一、磁共振兼容性介入手术器械装置及相关因素

目前，运用MRI兼容机械装置技术，人们已成功发明和制造出多种不同类型的MRI兼容机械装置，用于临床或实验研究。这些MRI兼容机械装置不仅涵盖了各种不同类型的微型精密机械、主从式机械手和多自由度手术机器人等，而且它们的临床应用也涉及组织穿刺活检、肿瘤消融治疗、血管介入等多方面，并正在应用的深度和广度上持续拓展，发展非常快速和活跃，前景广阔。

（一）MRI兼容机械装置技术的发展过程

主要表现为3个阶段：即从适应医师的需要，到减轻医师操作的劳动负荷，再到操作过程的自动化、信息化、柔性化和智能化。而符合MRI兼容性要求的材料的发展和应用则是其主线，贯穿于3个阶段。

1.适应医师需要的阶段

早期开发的开放式MRI导引微创装置由于成像功能的限制，大都是外科医师实施手术操作或治疗操作（如乳腺肿瘤组织穿刺活检）的辅助装置。例如GE公司在20世纪90年代早期开发的MRI导引微创手术装置0.5T Signa SP/i中，医师对患者某一部位的手术操作和MR成像同步进行，医师通过术中成像可观察到肉眼不能直接见到的手术野，改进了手术过程。这些装置虽融合微创性诊断、治疗及MRI导引等技术于一体，但手术或治疗过程依然需要医师亲自动手实施，因而不能解决医师因劳累、手颤动等带来的问题。而且由于手术操作空间小等因素，限制了医师的工作。

在该阶段，MRI兼容性机械技术研究的重点是开发和研制适合在高强磁场环境中使用的手术和治疗器械（例如手术刀、止血钳、穿刺针、导管、导丝、支架等），以满足医师的需要。而寻找和研制符合MRI兼容性要求的材料及与这些材料相关的加工工艺的研究则成为重中之重。

2.减轻医师操作的劳动负荷的阶段

为了解决医师在手术实施过程中存在的问题，减轻他们在手术操作的劳动负荷并能发挥他们在经验、智力等方面的优势，做到随机应变，以实现精准治疗和稳定治疗。由医师亲自操作控制的主从式机械手（Master-slave manipulator）等自动或半自动机械装置或器械逐步引入微创外科手术中。

这类机械手系统中，目前已成功商品化的主要有达芬奇（Da Vinci）系统和ZEUS系统。以达芬奇系统为例，该系统的造价虽达百万美元，但却具有人手无法相比的稳定性及精确度，已用于入侵式微创手术。医师可通过该系统内置的立体影像摄影机，观察和拍摄患者的状况，然后通过手动操作控制台旁的操纵杆，控制机械手臂运动；需要时可将机械手臂连接各种精密手术器械，从而实现不同的手术操作。

这类主从式机械装置和系统依然存在很多缺点和问题。首先，它们大都是外科医师亲自操作控制和智能自主控制相结合的独立系统，不能直接应用患者数据和多类别图像含有的丰富信息，需要实现与医疗成像设备和信息传输设备的集成。其次，人们一般认为外科医师的眼睛在手术过程中很重要，但是事实上由于视觉的限制，会产生一些问题。例如，呈现在眼睛的一些肿瘤看上去却像健康组织，一些恶性肿瘤会被健康组织掩盖而不易发现。另外，这类主从式机械手装置和系统需要医师就近观察和实施手术，不能实现远距离手术。最后，大多数系统所采用的材料不满足MRI兼容性要求，不能置于MRI系统中使用。

因而在该阶段，MRI兼容机械技术研究的重点是对已有的机械手装置和系统进行MRI兼容性改造或重新设计；并按照临床应用的新要求、开发和研制新的自动或半自动机械装置或器械（如用于乳腺组织穿刺活检的多自由度机械手等）。

机电一体化技术被大量应用于这些自动或半自动机械装置或器械的研制，而寻找和研制符合MRI兼容性要求的驱动元器件、传动元器件以及这些元器件相关的材料和制造工艺的研究则成为关键。

3.操作过程的自动化、信息化、柔性化和智能化的阶段

近年来，MRI导引微创装置的发展已日趋完善，并日益呈现出自动化、信息化、柔性化和智能化的特点。MRI实时成像导引与手术机器人的结合成为构造各类不同MRI导引微创治疗装置的最佳方案。一方面，MRI实时成像导引可以为手术机器人提供精准导航和实时导航。手术之前，手术机器人可以按照术前成像，计划和编制其在手术过程中的运动轨迹。手术过程中，手术机器人可以按照术中成像，实时发现和辨别目标器官产生的变形，并按照变形的量值进行运动轨迹的调整；另一方面，手术机器人成为MRI导引微创治疗中的最佳执行装置。多自由度手术机器人可以支持多种手术或治疗方式（例如高强度聚焦超声治疗、激光诱导间质热疗、微波热疗等）可以夹持多种不同类型的精密治疗器械，灵巧、稳定、连续、持久、快速地完成多种高难度动作。

（二）MRI兼容机械装置与医师、患者之间的“人机”关系

各种不同类型的MRI兼容机械装置，无论其多么精密、多么复杂和“智能化”，本质上还是器械，是外科医师对患者实施手术和治疗所应用的工具，是医师手的延伸，眼睛的延伸，体力、耐力和思维判断能力的延伸。从这些器械设计和使用的一开始，就必须考虑其在MRI磁体这样一个特殊的环境下，人机之间的关系，解决有关“人机工程学”问题，实现人机兼容。

1.多数MRI兼容机械装置的人机兼容，都是在其发展的过程中逐步完善和解决的。比如乳腺肿瘤组织穿刺活检用的机械装置，就是从最初那些只能简单地辅助医师实施穿刺定位用的网格状台架，发展到今天的多自由度机械手。

2.MRI导引微创诊疗是个系统工程，涉及多个方面。就MRI屏蔽室而言，不仅要满足MRI扫描的要求，而且更要按照手术室的标准和要求进行改造和建设，满足灯光、通信、麻醉、医用废弃物处理等要求，与它们兼容。

3.无论MRI兼容机械装置和技术多先进、可靠，也不能脱离临床医师的操作和控制。不能忽视医师的经验和他们解决复杂问题、驾驭全局的能力。

（三）MRI兼容机械装置的技术特点

1.MRI兼容性要求。目前已经实用化的各种不同类型的MRI兼容机械装置，无论是微型精密机械、主从式机械手，还是多自由度手术机器人，其用于实施微创手术或治疗操作的机构部分都必须要在磁体腔内的成像区域内准确地按控制要求完成工作，除此以外的其他重要部分（如驱动电机等）也要就近安置在磁体腔出口区域，以利于传动链的缩短和两者的有效结合，因此其整体必须具有高度的MRI兼容性。他们的MRI兼容性要求比常见的MRI接受线圈等的兼容性要求还要严格，具体地说，一方面该类机械装置及其运动不能对MR成像造成任何不利的影响；另一方面，该类机械装置在磁场下工作是安全有效的，能实现预期功能，不会对患者和操作员造成意外伤害。例如不会因磁场的吸引而使某些机械装置发生错误或意外的运动，不会对某些电气化元件造成干扰，不会因电磁感应而使一些电器元件产生过热。

2.MRI兼容机械装置的机电一体化技术。一方面要代替外科医师实现精确、稳定而灵巧的手术操作，消除手术过程中的一些传统影响（例如由于手的颤动等因素而带来的影响）；另一方面，则要像医师那样会思考判断，具体问题具体处理，将外科手术所造成的创伤减少，达到最佳的治疗效果。

3.MRI兼容机械装置必须按照安全和无菌的要求进行设计。满足手术室内所用器械的安全要求和使用要求，以减少手术的风险（如细菌感染），利于患者早日康复。

4.MRI兼容机械装置，包括了各种不同类型和自由度的机械装置，涵盖了微机械装置、机械手装置、机器人装置等，机械装置的具体设计要考虑患者治疗时所处体位的不同、患者的固定、治疗的复杂程度、MRI发射或接收线圈的布置和定位等因素，做到人机兼容。为此，一些装置根据其使用时的特异性，设计为“专机专用”。例如：就MRI导引高强度聚焦超声而言，在其用于治疗肝部肿瘤的过程中，需要考虑患者肋骨对高强度聚焦超声波束的阻挡等影响因素；用于治疗前列腺癌的过程中，需要考虑患者尾骨对高强度聚焦超声波束的阻挡等因素。因而用于治疗肝部肿瘤和用于治疗前列腺癌的MRI导引高强度聚焦超声治疗装置在结构上是不相同的，具体表现在换能器的结构、运动机构和超声耦合介质的应用等方面。

5.MRI扫描过程中需要用到不同类型的发射或接收线圈，线圈的布置、定位和固定会影响到MRI兼容机械装置的运动轨迹，以及有关治疗器械的有效工作。例如，在MRI导引乳腺组织穿刺活检过程中，需要考虑乳房线圈开放空间的大小、方向和位置，以及患者乳房在该线圈内的袒露程度。因而乳房线圈在满足影像检查要求的前提下，要设计得尽可能开敞和简洁。

（四）新材料和新技术的应用

MRI兼容机械装置技术对新材料的开发提出了要求，反过来，新材料的发展和应用促进了MRI兼容装置的快速发展。在实际的设计和应用中，选择材料需要权衡材料价格、机械性能、电气性能、可加工性、可装配性以及材料的MRI兼容性等。还需要通过运动磨合测试来验证其性能指标。

1.材料价格的影响

稀有金属和某些塑料、矿物材料的价格高昂，但MRI兼容性优良，因此，必要时必须不惜代价。例如，蓝宝石球轴承可用作性能卓越的关节元件，陶瓷轴滚珠承可以安全高效地承托MRI检查床床板进出磁体腔。

2.可加工性和装配性

随着各种不同种类的MRI兼容性材料的发现和应用，与它们的加工和制造工艺相关的研究日益重要，并直接关系到这些材料的使用效果。例如，陶瓷材料具有较高的强度和刚性，是比较理想的MRI兼容性机械材料，但其易碎，因此要选用数控加工、激光加工等精密或超精密加工技术对其进行加工。在加工过程中还要防止其破碎、开裂和崩裂，否则功亏一篑。此外，陶瓷材料制成的零件在装配过程中操作不当也易碎裂。因此，要十分注意加工工艺的制定和加工、装配经验的积累。数控机床加工这些材料需要反复多次地调整刀具和进给量，按预期的精度和表面质量制造完成。

信息技术和生物医学技术的结合和发展正有力地改变着医疗器械和医院的面貌。近几年，医学影像学中的热点颇多，比较典型就是计算机辅助检测技术、微创治疗技术和医用信息技术的发展。这些技术经过临床使用和持续改进，将趋向于融合，并集成为一种新的跨平台、多类别联合、诊疗一体化的技术，将会有力地促进计算机集成手术系统的实现。

（五）磁共振导引介入器械的基本条件与选择

磁共振导航微创操作是在磁场中进行，常规治疗器械多由铁磁性物质制成，会飞向磁场中心或产生转动，影响手术操作，甚至危及患者生命，所以必须使用MRI兼容的微创诊疗器械。即使是尼龙等非铁磁性材料的器械在插入影像平面时也会减少信号强度，器械周围磁场不均匀，使实际的顺磁效果减弱、产生伪影、影响图像质量。磁兼容要求器械不被磁场吸引、不发生转动、功能不受磁场影响，在磁场中也不影响成像功能、不产生伪影信号，同时MRI能对器械精确定位，图像中的组织解剖结构不被改变。

随着在MRI环境下介入操作范围的扩展，设计在MRI环境下使用的器械的要求也随之增加。由于MRI特异的原理，这些器械是患者在MRI环境下达到安全的关键因素。静态磁场、磁场梯度、导引射频脉冲及其器械与其他支持设备之间可以相互作用，会产生危险后果。因此要专门设计在MRI环境下使用的器械。这些器械与其他所有MRI相关设备被称作MRI兼容或MRI安全性设备。如轴穿刺活检系统MRI下穿刺针必须是磁共振系统兼容性材料组成，一般是由钛、镍、铬、钼、锰、铝、铁和碳等按比例组成的合金器械（应符合GB 15982—2012和GB/T 16886.5—2017的相关规定），不同成分制成的穿刺针可影响穿刺针伪影的大小。磁共振兼容性穿刺针均为被动显示设计，即穿刺针是通过它本身的磁敏感性伪影来被MRI成像显示和定位的，它表现为一种线性信号缺失。根据MRI导引介入手术要求，有各种规格型号。穿刺针、活检枪表面必须标有刻度，以指示器械工作长度；穿刺针的直径一般为12～22G，活检枪长度为50～200mm，以适应不同的要求。

iMRI兼容器械大致分为5类：①MRI系统的辅助设备，如对比剂注射器、室内微创图像监视器、磁共振表面线圈等；②图像补充设备及治疗传递系统，如内镜、关节镜、腹腔镜、显微镜及激光、射频、冷冻消融导管探头等；③基本的微创手术辅助器械，如手术使用的光源、手术刀、穿刺针、镊、钳等，介入使用的导丝、导管、支架等；④患者的生命监测及麻醉急救系统，如心电监测、麻醉机和灌注泵等；⑤特殊部位检查辅助定位器械，如MRI兼容性头部托架、乳腺活检托架、牵开器等。

目前研究许多材料的磁感与水之间的比值（水磁感接近人体组织）。已发现当材料磁感与水相差在3ppm内时在磁场中不产生可视的变形，如尼龙、硅氮化物、氧化锆等。由磁感接近人体组织的材料制成的兼容性器械可防止产生图像伪影和扭曲。磁共振导向活检和微创治疗要求器械（穿刺针）必须具有磁共振兼容性，伪影少且可在MRI中显示，其中包括两层含义：一是此器材用于磁场环境下不会因电磁感应产生过多的热量，以致对患者造成伤害；二是此器材不会影响磁共振图像的质量。磁共振导航微创器材制成材料包括金属钛、镍钛合金以及各种塑料、陶瓷、碳素、生物材料等；目前认为钛金属器械最为理想，但生产成本也最高。

在MRI兼容性材料的选择方面，赵明在《MRI兼容机械装置技术的研究现状与进展》中指出：只有那些磁化系数接近人体组织（-9.05ppm）和空气（0.36ppm）的材料才可以用于成像容积内工作的设备的制造。以MRI检查床为例，检查床床面板及位于其腹部的支撑轮在承载患者进入磁体腔进行扫描和微创治疗时，需要在磁体腔内的成像区域安全就位，因此一般选择MRI兼容性好、具有较强机械性能的玻璃纤维增强塑料玻璃钢（fiberglass-reinforced plastics，FRP）材料来制造床面主体，选择MRI兼容性和机械性能都上佳的陶瓷轴承来充当腹部的支撑轮。除床面板外，检查床的主体部分都位于磁体腔外，其构成部件可以按其远离磁体的不同用MRI兼容性较差但机械性能较好的铝合金、奥氏体不锈钢等材料来制造。用于驱动机构运动的步进电机、交流伺服电机等电磁式电机因不具有MRI兼容性，必须被置于远离磁体的5高斯线外。

目前具有可用性的材料，按其对MRI造成伪影影响的不同，主要分为以下3组：

第1组：在人体组织内对MRI图像无伪影影响的材料。例如：尼龙、氮化硅陶瓷、聚四氟乙烯塑料、聚砜树脂、玻璃纤维增强塑料、杜邦公司Vespel聚酰亚胺塑料、树脂玻璃、氧化锆陶瓷、木材和纯铜。

第2组：使用该材料可对MRI图像造成可察觉的伪影，但该影响无关紧要，可忽略。例如：氧化铝陶瓷、硅橡胶、石英（二氧化硅）、铅和锌。

第3组：使用该材料可对MRI图像造成明显的伪影，但该伪影影响可经特殊处理后被接受。例如：钛合金、钼合金、钨合金、石墨、钽合金、埃尔吉洛伊非磁性合金、增强型热塑料Esbrid、锆合金和铝合金。这些材料大多数稀缺而昂贵，而且其性能也随生产批次和制造工艺等的不同而差异较大。

目前，在MRI兼容性机械装置的实际设计和制造中，通常选用的材料见表1-5-1。

MRI导航微创器械的发展已日趋完善，并日益呈现出自动化、信息化、柔性化和智能化的特点。MRI兼容机械性技术研究的重点也随之转向多自由度MRI兼容手术机器人的研究和已有器械和装置的功能扩充和“柔性化”“智能化”改造。按照临床应用的要求，与常规的外科手术机器人的结构设计和控制相比，多自由度MRI兼容手术机器人及其成像导引系统需要特殊设计。

首先，它具有MRI兼容性。所有的大部分元器件必须重新设计，并采用MRI兼容性材料来制造完成。

其次，还要具有多类别影像检查设备的兼容性。事实上，单纯满足MRI兼容性要求的外科手术机器人并不是完全符合经济条件和临床需要的设备。一方面，外科手术机器人购置和维护费用昂贵，只有提高它的使用率，才能尽早实现回报；另一方面，临床微创诊疗的发展在朝着多类别联合诊断和成像导引治疗的方向发展。因此，理想的外科手术机器人不仅要兼容MRI，而且还要兼容CT、X线等不同类别的影像检查设备，满足它们各自的特殊需要，实现联合诊疗的目标。影像检查设备的兼容性对手术机器人的设计提出了挑战。设计者必须要考虑各种不同类型的影像设备的图像获取、安全、人机交互以及其他所有对影像检查设备的功能不形成冲突等要素。就未来的发展方向来说，包含了MR成像导引的微创治疗将会是一个系统地涵盖了术前计划、术中成像导引和手术导航、术后护理以及其他相关事项。手术机器人将会成为一个复杂的生物医学信息系统中的一个要素，将会成为计算机集成手术系统的一部分，专门设计在手术室内工作。

（六）影响MRI介入器械（穿刺针）成像的相关因素

MRI导引微创诊疗成像过程中，穿刺针不能直接显影，而是通过它们产生的局部磁敏感伪影显示在磁共振图像上，为了有效地利用磁敏感性伪影，MRI导引下穿刺针的伪影是需要特别注意的问题，穿刺针为MRI兼容性穿刺针，即非铁磁性穿刺针。穿刺针伪影的大小直接影响到穿刺效果进而影响到治疗效果。必须了解在不同条件下伪影的大小和形态发生如何改变。刘于宝等对不同场强影响介入性磁共振穿刺针成像因素的初步探讨中指出：影响磁敏感性伪影的因素主要有磁化率、主磁场（B₀）场强大小、物体的大小、相对于主磁场（B₀）的方向、脉冲序列、回波时间、穿刺针方向与扫描层面的相位及频率编码方向的关系、频率编码方向、梯度振幅、接收器的带宽和视野、穿刺针的合成材料有关等。

1.磁化率

当物体与周围环境介质间磁化率差异增加时，伪影的严重程度也随之增加。

2.主磁场（B₀）

磁场的场强越高，产生伪影越严重，在低磁场MR下扫描时穿刺针伪影较在高磁场下扫描时要小；对于给定角度的穿刺针，一般在1.5T MRI上比0.2T MRI产生的伪影要大。

3.穿刺针的合成材料

铁磁性CT、DSA穿刺针不能用于MRI，因为穿刺针与周围组织之间磁化率的巨大差异能造成场强的不均匀性，从而引起强烈的几何学失真和信号强度的失真。非铁磁性合金可解决上述问题。当穿刺针完全不含有铁性成分时，穿刺针伪影很小，由合金制成的微创材料对局部磁场的均匀性干扰较小，图像上呈局部线样信号丢失，通过这些伪影可观察微创材料的路径。当含有一定的铁性成分时，伪影变大。现在的穿刺针一般为纯钛或纯镍制作，伪影很小，制作商专门制作了含有一定铁成分的针芯供选择使用，以人为制造伪影，方便观察穿刺针的位置。不同成分以及相同成分按不同比例组成的穿刺针产生的伪影不同。

4.穿刺针伪影的大小和主磁场方向角度大小的关系

在场强一定的情况下，穿刺针相对主磁场（B₀）的角度是影响伪影大小的主要因素，角度越大，产生的伪影也越大。平行于主磁场方向的穿刺针引起的磁场变化局限于穿刺针内部，外部的自旋质子不受影响，如穿刺针垂直于主磁场方向，则磁场的紊乱就会扩展到穿刺针外，从而影响产生信号的体素内自旋质子。平行于主磁场（B₀）方向时穿刺针的伪影明显变小，并且在针尖的部位呈一椭圆形的伪影；当穿刺针和主磁场（B₀）垂直时，穿刺针的伪影明显变大，但是针尖部位的伪影并没有变大，甚至会变得稍模糊。至于穿刺针走行方向介于上述两者之间时，图像失真的程度可通过计算得出。

5.介入器械的大小

MR导引微创器械越大，则其周围的相对失真越小，即器械伪影的直径将随器械直径的增大而减小。

6.成像脉冲序列之间的关系

自旋回波序列的180°重聚焦脉冲可使该序列对任何局部磁场均匀性（包括磁化率不同造成的）改变不敏感。重聚焦脉冲可以补偿相位偏移及由此引起的几何学失真以及物体周围信号强度的失真。梯度回波主要是造成体素内去相位，特别是对于长回波时间，它可以引起信号丢失区增大。几何学失真及体素内去相位都会导致信号强度的失真。在自旋回波序列上几何学失真占主导，其结果是图像中出现信号强度相对偏高区；而梯度回波序列的成像时间较短，因此它们在实时导引和微创操作中较常采用，但在应用不同磁化率器械时，必须清楚引起图像失真的两方面原因，即几何学失真和体素内去相位。快速应用稳态进动平衡（fast imaging employing steady-state acquisition，FIESTA）序列是最近序列研究的热点，其提供的图像质量可符合微创治疗的要求，同时用FIESTA序列进行穿刺针定位时，穿刺针的伪影大小合适，因此，常被应用在穿刺过程中的监控穿刺针在体内的位置。FIESTA序列和梯度回波（GE）序列成像产生的伪影要明显大于自旋回波（SE）或快速自旋回波（FSE）序列成像产生的伪影。FSE、SE序列所产生的伪影直径彼此间没有显著性差异。

7.穿刺针的方向与扫描层面的射频编码方向的关系

它是影响穿刺针伪影大小的另一个重要因素。当穿刺针与频率编码的方向平行时，穿刺针的伪影变小，特别是针尖显示欠清晰；当穿刺针与频率编码的方向垂直时，穿刺针的伪影变大。如果为了取得与穿刺针的方向一致，可以交换相位和频率编码轴，在0.2～1.5T MRI上，穿刺针方位为90°时，应用SE和FSE序列成像，伪影直径变小。场强及序列保持不变，穿刺针方位为0°并变换相位和频率编码轴，对伪影直径或穿刺针的可见性没有影响。而在梯度回波（GRE）序列，无论是在0°或90°，交换相位和频率编码轴对伪影直径或可见性均没有影响。

8.回波时间（time of echo，TE）

对于梯度回波序列，随着回波时间的增加，体素内去相位的时间也相应增加，从而导致更多的信号丢失，从而使伪影的直径明显增加。自旋回波的伪影则与TE无关，因体素的去相位在自旋回波中并不起主要作用。

9.频率编码方向

几何学失真出现在频率编码方向上。垂直于静磁场B₀方向的穿刺针，伪影的形态和严重程度可因频率编码方向平行于或垂直于穿刺针轴向而发生很大变化。

10.梯度振幅

梯度振幅层面选择和层面内的几何学失真可通过增加梯度场强而减小。

11.穿刺针长度

伪影的长度与穿刺针的长度成正比，不同长度穿刺针产生的伪影宽度相等。

12.接收器

改变接收器的带宽和视野也能影响磁敏感性伪影。例如，带宽的增加可减小伪影的严重程度。

13.穿刺针针尖的几何学特征

将穿刺针针尖切割成不同的斜面：0°、15°、30°、45°、60°、90°，经各种序列成像，多次测量伪影的宽度，各种角度的针尖产生的伪影没有明显区别。

在以上所有影响穿刺针成像的相关因素中，穿刺针对主磁场B₀的角度和选用的序列类型是影响磁共振穿刺针伪影显示的两个最重要的因素。对磁共振导引微创操作来说，1.5T MRI扫描机的问题是它的主磁体为管筒状设计，主磁场为水平方向，穿刺时，由于穿刺方向大部分是沿着横断面方向，因此进针方向和静磁场B₀方向的成角往往较大，甚至接近90°，从而不可避免地产生大的伪影。在1.5T MRI扫描机上为了避免上述这种过大的伪影，应采用SE或FSE序列，但对于FSE-T₁WI，由于短TR技术获得的有效层面太少而未被广泛使用。在应用FSE、SE序列成像时，通过相位和频率编码梯度的变换，使读出梯度场方向与进针方向平行或接近平行，可进一步减少穿刺针伪影。当应用180°脉冲进行回波重聚焦时，沿频率编码方向可出现显著的磁敏感性伪影所致的几何学失真。尽管进行了梯度变换，由频率编码梯度局部非线性特性所致的几何学和信号强度的失真仍然存在，但应用180°重聚焦脉冲，可以抵消由局部磁场不均匀引起自旋质子去相位所致的信号丢失。总之，在1.5T场强下，尽管使用了SE序列和梯度交换技术，大多数伪影的直径仍大大超过可接受的程度。

低场强磁共振扫描机静磁场B₀方向为前后方向（垂直），因此，穿刺针在所有相对于静磁场B₀方向的角度都可以进针。通常当不得不以0°进针时，利用梯度回波（GRE）序列可增加穿刺针显示的清晰度。GRE由于缺少180°重聚焦脉冲，对由穿刺针周围局部磁场不均匀引起的自旋质子去相位更敏感，因此GRE产生的伪影比SE、FSE大。

选择适当脉冲序列和回波时间以抵消进针影响时，采用0°～90°任意进针角度，均可获得适宜大小的伪影。一般来说，进针角度在10°～60°时，选用GRE序列；进针角度在40°～90°时，则选用SE和FSE。在低场强下，应用GRE比SE、FSE更有意义，因为GRE可在屏气下完成成像。穿刺针伪影的大小直接影响到穿刺过程中的精确度，穿刺针伪影过大，易于观察针的位置，但是对于比较小的病变，容易掩盖病灶；穿刺针的伪影过小，则难以观察穿刺针，特别是观察针尖的位置，所以实际工作中要根据具体的情况来选择。

胡道予等通过人体模型和动物试验进行研究，试图探索在1.5T磁共振导引下经皮穿刺介入器械（穿刺针）显示最清楚、伪影最小以及成像时间最短的最佳MRI方案。方法如下：首先进行琼脂胶体模型实验，把具有磁共振兼容性之穿刺针（磁共振eyeTM，22G Cook）插入琼脂胶体介质中，使用膝关节表面线圈，在GE Signa CV/I 1.5T磁共振扫描仪上扫描，从成像方位、成像参数、成像序列等几个方面进行探索性磁共振成像。以上述结论为基础，进行30例兔VX₂肝癌模型磁共振介入实验。自制体表定位标记：将色拉油注入直径3mm，长5cm的细直塑料管，两端封闭，将细管以1cm的间距平行排列在胶布上。使用头线圈，把需要穿刺的部位裹以定位标记。穿刺前扫描方法：冠状位定位相：单次激发快速自旋回波（SSFSE-）或快速扰相梯度回波（FSPGR-T₁WI）；轴位扫描序列：SE-T₁WI、FSE-T₂WI。在轴位扫描T₂WI中选择穿刺的最佳穿刺点，并测算出进针深度及穿刺角度。在定位标记的帮助下选准实际穿刺点，常规消毒，穿刺。穿刺后行磁共振轴位扫描，证实穿刺针的轨迹及针尖的位置。扫描序列：①SE-T₁WI或FSE-T₁WI；②SSFSE-T₂WI；③GRE-T₁WI和T₂WI；④FSPGR-T₁WI。同样改变进针的角度及成像参数、成像序列进行磁共振扫描。结果显示：①穿刺针在自旋回波序列上为中间宽带低信号，周围窄带高信号；在梯度回波序列上全部为低信号带；②当穿刺针长轴与静磁场B₀平行时，其信号呈“S”样改变，随着穿刺针长轴与B₀的角度增加，显示穿刺针横径增加；③当穿刺针长轴与静磁场B₀平行时，无论频率编码方向与长轴平行或垂直，在FSPGR序列产生的伪影大小与在FSE序列产生的伪影并无明显区别，且信号表现在同一序列上变化也不明显；当穿刺针长轴与静磁场B₀垂直时，在FSPGR序列产生的伪影直径远远大于在FSE序列产生的伪影，且当频率编码方向由与长轴平行改为垂直时，对于FSPGR序列，伪影直径无明显变化，但是对于FSE序列，伪影直径明显加宽；④应尽量选用短TE、长ETL、小BW、大FOV及小NEX。综上所述，FSE T₂WI是1.5T磁共振导引经皮穿刺的最佳扫描序列。当穿刺针长轴与静磁场B₀垂直时，选择频率编码方向与穿刺针长轴平行并尽量选用短TE、长ETL、小BW、大FOV及小NEX可减少穿刺针伪影。

（七）磁共振介入穿刺针与骨钻类型

磁共振介入穿刺针必须是磁兼容性材料组成，是由钛、镍、铬、钼、锰、铝、铁和碳等按比例组成的合金器械，不同成分制成的穿刺针可影响穿刺针直径伪影的大小。商业出售的磁共振兼容性穿刺针均为被动显示设计，即穿刺针是通过它本身的磁敏感性伪影来显示和定位的，它表现为一种线性信号缺失。穿刺针为最基本的介入器材，有用于经血管与非经血管之分。目前，在磁共振微创介入手术操作中大多采用非经血管性用途穿刺针，又分为软组织穿刺针与骨骼穿刺针（钻），经血管内途径的介入治疗正在研发与临床推进中，相应的磁共振兼容介入器械也会得到快速应用与普及。目前常用的穿刺针有以下几种分类：

1.按照作用目的分类

（1）穿刺针可直接穿入肿瘤或囊腔做抽吸、冲洗、引流、活检或消融等诊断与治疗，也可用于打开皮肤与血管的通道或颅脑、胆管、泌尿道、胃、脓腔与囊腔等组织，然后引入导丝、导管、引流管等进行治疗。

（2）粒子插植针，多为MR兼容性18G带刻度穿刺针，用于经皮在肿瘤内植入125I种子源，行肿瘤组织间放疗。

（3）消融电极针，包括射频消融电极针、微波消融电极针以及氩氦刀磁兼容性穿刺套管针。通常为14～16G带刻度穿刺针，经皮穿刺后，射频消融电极针可以打开子电极针，利用热凝固蛋白的原理，对肿瘤组织进行消融治疗。

2.按照结构组成分类

（1）一部件前臂穿刺针：

针由非铁磁性镍或钛合金材料制成，针尖锐利呈斜面，针柄部分可有不同形状，便于穿刺时握持和控制针的进退。针柄内腔光滑呈漏斗形，以便于插入导丝或内置探针。针长8～15cm，常用的外径为14～18G。常用于皮下较表浅部位软组织病变的穿刺诊疗。

（2）二部件套管针：

由外套管（鞘）和针芯构成。有两种类型：①针芯平钝，套管端尖锐，呈45°斜面，针芯稍短于外套管，如Chiba针；②针芯尖锐，外套管头端平钝，针芯露于外套管之外，如MRIeye@Chiba活检针。针长10～20cm，针径12～23G，针柄内腔光滑，呈漏斗形。

3.按照规格大小分类

穿刺针外径以号（Gaue，G）表示，如18G或16G，号愈大，针外径愈小。微创医学所用的薄壁穿刺针内、外径见表1-5-2。应根据患者年龄、部位、病变大小不同选择不同穿刺针。

4.同轴穿刺活检系统

磁共振穿刺针必须是磁兼容性材料组成，是由钛、镍、铬、钼、锰、铝、铁和碳等按比例组成的合金器械（应符合GB 15982—2012和GB/T 16886.5—2003的相关规定），不同成分制成的穿刺针可影响穿刺针直径伪影的大小。磁共振兼容性穿刺针均为被动显示设计，即穿刺针是通过它本身的磁敏感性伪影来显示和定位的，它表现为一种线性信号缺失。根据磁共振导引介入手术要求，有各种规格型号。穿刺针、活检枪表面必须标有刻度，指示器械工作长度；直径为12～22G，长度为50～200mm各种规格，以适应不同的磁共振导引介入操作；通常选用17G磁共振兼容性钝头半球型穿刺针与18G软组织切割枪，针对小病变，可选用18G磁共振兼容性钝头半球型穿刺针与20G软组织切割枪。

穿刺针的长度选择是根据穿刺部位的深度而定的，穿刺针太短达不到靶点，过长则把持有困难，很难保证在进针路径上不发生方向偏离和穿刺针弯曲。

穿刺活检针（枪）的类型很多，根据穿刺针头的形态和抽取组织细胞的方式不同，可分为细胞抽吸针、组织切割针（枪）、同轴活检针（枪）3类。根据穿刺针外径的大小，分为粗针和细针，14～18G为粗针，粗针口径较粗，获取组织多，针硬，便于操作和掌握方向，但损伤较大。21～23G为细针，损伤小，口径细，但获取组织少，针较软，易弯曲，在通过肌肉较多的地方不易操作。根据穿刺针的功能又分为抽吸针及切割针。抽吸针一般较细，仅能做组织细胞学检查及囊液抽吸，对组织损伤小，并发症少。常用的有MRI eye®Chiba活检针、Green针、Turnen针、Puncture针等。切割针一般较粗，可获取较多的组织标本，但损伤较大，并发症相对较多。常见的有Trueut针、Silvernlan针、Unicut针、Rotex针等。近来有一种自动弹簧式活检针，又称活检枪，由于弹簧作用，针切割速度快，获组织较多，但损伤较大，要注意避开血管等重要器官。活检枪又分为分体式及一体式，分体式活检枪具有针吸与活检双重功能，应用方便，一体式活检枪仅具有活检功能。由于脑组织软，活检器械较特殊使用如Neurocut活检套针等。

抽吸针包括Chiba针和Turner针，多为细针，主要用于获取细胞学和细菌学材料。切割针有粗有细，取材较多，可供组织学检查，按其针构造又可分为两类：一类是具有切割作用的针尖，包括Madayag针和Greene针等；另一类是针远端具有一活检窗，如Westcott针。近年来出现的自动或弹射式活检枪，多装有18～20G的切割针，所以仍属于切割针范畴。该活检针使用弹射装置，在激发扳机后，切割针弹射进入病变处获取组织材料。

由于这些活检枪使用简便、快速并减少了患者的不适，因此目前临床应用较广泛。

当在磁共振导航下放置并靶定一个合适的磁共振兼容针后，利用去磁或拉开检查床至5高斯线外，采用普通活检针或切割枪（非磁共振兼容）可经磁共振相容共轴活检粗针对靶目标采取标本。

5.骨钻

另一类特殊的活检针是锯齿状的旋切针，为骨活检术中最常见、最有效的活检针，外径在6～12G。此类活检针的共同特点为由套管针和锯齿切割针组成。操作时先将套管针引入病变处，通过套管针插入旋切针，旋切多为手动操作，但最近也出现了电机旋转切割。对于骨骼及颅内病变的活检需要应用骨钻。骨钻根据动力的不同，分为手动式和电动式两类。常用的骨钻种类较多，如MRIeye®Neuerburg Bone Biopsy Set、BoneBiopsy Set 3mm 或 4mm MRI以及非 MRI兼容性骨钻（可将扫描床撤离至 5 高斯线外应用）。

（八）展望

目前，机器人技术、新材料技术、信息技术和生物医学技术已成为人们公认的21世纪最重要和最具发展潜力的几类技术，它们发展迅速，应用渐趋宽广。因为MRI兼容机械装置技术的发展与这几类技术都有着密切的关系。因此，它们的发展势必会有力地促进MRI兼容机械装置技术的发展和进步。

历经40余年的技术积累和长足发展，近年来机器人技术的发展非常快，在功能和技术层次上都有了很大的提高。目前正在发展的第3代机器人正朝着智能化、拟人化的方向发展，将逐步具有认知能力、学习能力、思维能力以及适应环境的能力，将能够可靠、高效地完成更加复杂的动作，实施更加复杂、繁琐和精细的手术和治疗操作。例如心脏和脑部的精细手术。作为各种高新技术发展的基础和先导，近年来新材料的开发和应用在广度和深度上都取得了不少突破，并潜移默化地改变着我们的生活。新材料具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能，既包括那些新出现的材料，也包括那些由传统材料经过组合以及在结构、设计和工艺上的改进而发展出的材料。值得注意的是，与MRI兼容机械装置的发展密切相关的一些新材料，包括先进复合材料、先进陶瓷材料、生物医用材料等，正是目前新材料发展的热点。

二、磁共振介入手术辅助设备

MRI介入手术是在MRI屏蔽室内进行的，因此室内使用的设备与器械要求是磁兼容性的。同时强磁场、梯度场及射频信号也会干扰非磁兼容性设备的正常使用，当梯度场开启时心电导联会接收到强噪声信号，干扰正常的心电图波形。而磁流体动力因素也会影响通过心脏的血流，使正常的心电图波形发生变形。MRI导航微创手术中要有磁共振兼容性生命监护设备实时监控患者的心率、呼吸、血氧、血压等生理信息的变化，紧急情况下及时采取必要的救治措施，保证手术过程的安全性。

介入操作时，成像观察除了手术所运用的器械仪器之外，还有许多辅助设备如麻醉和监测设备、射频消融装置、激光加热源、内镜等均须在磁场下正常工作。

磁共振兼容性监护仪专用性磁共振兼容监护仪提供了在磁共振影像监测和磁共振微创手术中对高危患者的安全监测，采用光学传感器（不含铁）、RF屏蔽，不会对患者产生危险，也不会被MRI所影响，更不会影响MRI系统和图像质量，大屏幕彩色TFT显示，易于观察，对角线长26.4cm，背光显示，5通道显示，所有的临床参数可以用特别的颜色显示，使得可以从远处观看，由无线电发射、核磁和电磁引起的干扰问题可以完全解决，磁共振影像质量不受影响。

ECG门控心电门控模块通过光缆直接连接@SCS ECG s信号到任何MRI系统，使影像与ECG“R”波同步，采用序列的时间使得心脏在扫描时是静止不动的，确保所取的心脏图像每次都是同一时间产生的清晰的聚焦影像，帮助获取最佳的心脏-血管磁共振影像。

磁共振兼容性输液泵专门为需要在核磁环境下进行静脉给药的患者设计，由主泵、远程控制平台、扩展泵、防磁支架、电源系统和配套组件构成；使在核磁扫描过程中，进行安全、精准、可控的静脉输液成为可能。具备0.2～3.0T核磁兼容，非磁化元件可在10 000高斯磁场环境下安全使用。

三、磁共振介入线圈

适用于手术中成像的线圈是专门特制的手术专用射频线圈，特点是体积小，不影响手术进行而且信噪比高、图像清晰。

射频接收线圈是磁共振系统用于采集图像信号的关键装置，所采集的信号经过编码、变换、数据重建后就可以得到所扫描的人体组织的影像图，影像的最终清晰度直接与线圈信噪比（灵敏度）成正比。商用的磁共振系统都配置了基本的临床检查线圈，但这些线圈都是出于诊断检查的需求，并未考虑介入手术的特殊性。为了实现与介入手术的最佳兼容，保证介入与成像的同步开展，并提供最优的MRI质量，实施磁共振介入需要专用的射频接收线圈。

为了提高影像的清晰度，磁共振临床检查需要使用各个部位对应的专用线圈来完成，可以称之为局部线圈。这些局部线圈通常都只适用于对应部位的介入手术，因为常规的线圈设计不具备中间连续开窗的结构，或者是因为设计的原因，导致开窗的尺寸太小，无法满足手术的需求。因此，为了满足介入手术要求，同时具备良好的成像质量和手术导航性，需要在线圈上做一些特别设计，比如介入用的手术开窗，以及更贴近体表的柔性封装。手术开窗需要覆盖面越全越好，这样可以在任意地方实施手术；同时也希望单个开窗越大越好，大的开窗可以为手术提供便利。

此外，在设计磁共振射频线圈时，磁共振系统主磁体的磁场方向是最重要的参考依据，线圈中的天线单元需要尽可能地跟磁场方向垂直，才能获得最好的射频接收功能。磁共振系统根据主磁体方向的不同，可分为垂直场磁共振系统和水平场磁共振系统。垂直场磁共振系统的主磁体方向与人的躯干方向垂直，比如从人的正面指向背面；水平场磁共振系统的主磁体方向与人体的躯干平行，从脑部指向脚底或相反。

适用于垂直场磁共振系统的介入专用射频线圈（图1-5-1），在外观设计上由柔性线圈体和刚性的电路板外壳构成。柔性线圈体可以在两端弯折后通过锁扣连接，形成宽带状绕于人体，使线圈体内部设置的天线单元组能够较好地贴近人体，保证成像质量。柔性线圈体上还有多个可视窗口，确保了开展介入手术等操作时的空间足够大。刚性的电路盖板用于保护其内部的电路板，防止在线圈弯折时电路板被压折。在线圈的天线单元设计上，该介入线圈设置有1个“8”字形线圈单元（即鞍形线圈单元和多个环形线圈单元，图1-5-2）。“8”字形线圈单元由两个各有唯一开口的环形天线单元平行排布连接构成，连接时有且仅有一个交点，在使用时，人体躯体同时穿过这两个天线单元。采用这样设计的“8”字形线圈单元，其方向与垂直场磁共振系统的磁场方向垂直，保证了最好的射频接收功能。若干个大小相同的环形线圈单元平均分布在人体周围围成一圈，使得信号均匀，灵敏度和信噪比高，成像质量好。环形线圈单元的宽度大于“8”字形线圈单元，这些环形线圈单元均与“8”字形线圈单元部分重叠，相邻的环形线圈单元之间也部分重叠排布，这样的结构在不增加多余去耦电路的情况下，能够使天线单元之间取得较好的去耦合效果，防止其相互干扰，保证了线圈的高信噪比。

适用于垂直场磁共振系统的介入专用射频线圈，除了线圈本体外，还设置有相关的配件。线圈体内侧设置有可拆卸的气囊，在线圈体包裹于人体后，可对位于人体与线圈体之间的气囊进行充气以调整气囊的大小，确保不同体型的患者均能很好地将线圈支撑起来，防止线圈在使用过程中晃动，增强了图像的稳定性。该线圈还配备有一个支架（图1-5-3），在线圈使用时，支架置于病床上用于支撑人体，线圈体在支架与病床之间穿过，这样能够避免线圈被人体压紧，线圈也可以相对患者身体纵向轴线左右抽动，灵活地调整线圈上开窗的位置，便于介入手术的开展。

适用于水平场磁共振系统的介入专用射频线圈，在外观设计上由柔性线圈体和刚性外壳构成（图1-5-4）。柔性线圈体大致呈条带状，上面设置有多个介入开窗，保证足够大的开展介入手术的空间，同时柔性线圈容易弯折的特性，使线圈体贴近人体，提高成像质量。刚性外壳用于保护其内的刚性电路板，防止刚性电路板受力而损坏。在天线单元设计上，该线圈在柔性线圈体内设置有多个环形天线单元（图1-5-5），这些天线单元依次自左向右排布，同时每个天线单元与柔性线圈体上的介入开窗一一对应，这些天线单元的方向均与磁场方向垂直。任意相邻的两个天线单元之间部分交叠布置，这样能够较好地减少单元之间的耦合，保证线圈信噪比。在实际使用时，为提升图像质量，该线圈还可配合其他线圈（如躯干线圈）一前一后覆于人体体表（图1-5-6），该介入线圈布置于需要实施介入手术的位置，便可通过最接近手术部位的介入开窗进行手术，如图1-5-7所示。

（李成利　肖越勇　林征宇　朱华彬　于经瀛）