低场强MRI在儿科和产前胎儿诊断领域中的应用

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董素贞, 陈浩, 张志勇, 江帆. 低场强MRI在儿科和产前胎儿诊断领域中的应用[J]. 临床儿科杂志, 2025, 43(9): 710-715 DOI:10.12372/jcp.2025.24e1182

DONG Suzhen, CHEN Hao, ZHANG Zhiyong, JIANG Fan. Applications of low field MRI in pediatrics and prenatal fetal diagnosis[J]. Journal of Clinical Pediatrics, 2025, 43(9): 710-715 DOI:10.12372/jcp. 2025.24e1182

本文作者：董素贞¹ 陈 浩² 张志勇² 江 帆³

作者单位：1.国家儿童医学中心 上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心放射科 上海市儿童脑智发育重点实验室（上海 200127）；2.上海交通大学 上海交通大学生物医学工程学院 磁共振诊疗高端技术国家工程研究中心（上海 200030）；3.国家儿童医学中心 上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心发育行为儿科 上海市儿童脑智发育重点实验室 上海脑科学与类脑研究中心（上海 200127）

摘要： 磁共振成像（MRI）扫描仪的磁场强度越高，通常越能在更短时间内获得更高的信噪比与图像分辨率。然而，高场强MRI设备存在购置成本高昂、安装要求严苛、维护费用不菲等问题，使其难以广泛普及。相比之下，低场强MRI扫描仪因成本较低且具备便携性，已逐步应用于临床及相关科研工作。本文旨在综述低场强MRI扫描仪当前在儿科神经系统疾病、新生儿监护室及产前胎儿疾病中的诊断价值，并对其应用前景进行展望，以期全面阐释低场强MRI在胎儿及儿科诊断领域的应用价值与发展前景。

关键词：磁共振成像；胎儿；产前诊断；儿童

近年来，随着磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技术的发展，MRI场强越来越高。尽管目前儿科临床使用的MRI扫描仪依然以1.5特斯拉（Tesla, T）和3.0T为主，但是场强高达7T的MRI扫描仪也已逐渐在临床投入使用^[1-2]。高场强MRI拥有成像上的优势，同时也意味着更高的购买成本和更昂贵的安装、维护费用。与之相比，低场强MRI能够大大降低成本，提高便携性，加大MRI设备的普及性。目前，已有低场强MRI在临床成人各系统应用的报道^[3-4]，但在胎儿和儿科临床疾病中应用刚刚起步。本文将详细综述低场强MRI在儿科神经系统、新生儿监护室和产前胎儿疾病中的诊断价值，并进行展望，以便全面理解低场强MRI在胎儿和儿科疾病诊断和研究领域中的应用价值和应用前景。

1 低场强MRI的特点及发展现状

低场强MRI是按磁场强度对MRI设备的分类，通常指磁场强度≤0.5T的MRI设备。在MRI系统中，MRI信号与静态磁场强度的1~2次方成正比，所以提高静态磁场强度是获取更强信号的基本方法，能以此提升图像的信噪比和分辨率。不过和高场强MRI相比，低场强系统在信号弛豫变化、磁化率伪影及射频功率沉积等方面，也有自己的特点和优势。

生物组织MRI信号的弛豫时间与 MRI系统主磁场强度具有相关性，水质子的纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2会随着磁场强度的变化而改变。尽管组织不同部分之间会存在差异，但整体而言磁场强度越低，T1越短，T2越长^[5-6]。以T1为例，当主磁场强度由0.3T上升到3.0T，脑组织的T1测量值会增加近一倍。在低场强MRI中较短的T1可以缩短序列的重复时间（repetition time，TR），利用延长的T2增加信号读出采集，从而提高采样的整体效率，并以此增加累加次数提高信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）效率。

磁化率对MRI信号的影响，在低场强MRI中会相对减弱。磁场强度较低时，由磁化率影响导致的图像畸变和信号丢失通常会减少^[7-8]。像软组织、骨骼与空气这类磁化率明显不同的组织边界，以及组织和外科植入物之间，在高场强系统中成像时，图像上常会出现信号丢失；而磁场强度较低时，这种信号丢失会减轻，图像畸变也相对不明显。在高场强MRI中，对有金属植入物的组织成像，可能会在体内产生物理牵引，或因射频沉积导致发热，给MRI检查带来潜在危险^[9]。虽然射频沉积发热一般被要求控制在平均特定吸收率（specific absorption rate，SAR）内，但金属植入物仍可能会诱发超过极限的局部发热。而且高磁场对金属的作用力更大，在较高磁场强度下，植入物被牵引、其他金属物品意外吸附等情况造成的损害也相对更严重。而低场强MRI系统的这类风险会大幅降低。

超导MRI系统还未发展起来前的永磁低场系统受限于磁体生产工艺，旧有的低场强MRI系统往往空间分辨率有限，图像质量差，可用的接收线圈有限，图像序列和参数种类有限，而且时间分辨率低，SNR低。但随着硬件系统和成像技术的进步，低场强MRI的图像质量也被不断改善，并且随着应用需求场景的增加，低场强MRI重新成为MRI领域的发展热点。由美国Hyperfine公司与耶鲁大学研制的MRI系统Swoop（场强0.064T）在2020年初上市，利用强磁性能的钕铁硼材料，实现轻量化便携式应用，是全球首款床旁MRI系统。来自上海交通大学^[10-11]（图1）、重庆大学^[12]、香港大学^[13]的团队相继开发了0.11T、0.055T及0.05T低场强头部MRI系统，这些磁体利用了高稳定性的钐钴磁体材料，同时具有涡流补偿面板设计，使得成像更加稳定。美国麻省总医院^[14]利用海尔贝克阵列磁体设计进一步轻量化0.08T低场强MRI系统，但磁体的不均匀性较大，限制了许多成像技术的使用。最近香港大学团队开发了低场强全身MRI成像系统^[15]，可实现人体全身成像。

对于低场强MRI系统固有的低信噪比问题，一方面充分考虑到不同场强下弛豫特征和不同成像对象和部位的组织特征优化成像参数提升采样效率，另一方面可以使用深度学习和去噪技术的图像重建方法进行改善，以获得更高的图像质量，满足临床需求^[16]（图2）。通过冲击响应函数计算和深度学习模型可以从电磁干扰（electromagnetic interference，EMI）传感射频线圈检测到的EMI信号中估计MRI接收线圈的EMI信号并进行对消^[17-19]（图2A），使得低场强MRI系统不再需要放置在屏蔽房，能够在开放环境下扫描，进一步扩展了低场强MRI的应用范围。低场强系统永磁体的磁场存在较大不均匀性，导致图像出现畸变失真，上海交通大学团队也通过时空编码成像（spatiotemporal encoded，SPEN）等方法对成像序列进行改进^[11-12]，改善了图像质量（图2B）。目前，部分低场强 MRI 系统已在临床病房和科室使用并开展应用研究^[3]。

2  低场强MRI在儿科诊断领域中的应用

2.1 低场强MRI在儿科临床应用场景的优势

在过去三十年里，场强从0.3T及以上增加到3.0T以上，随着MRI采集技术的进步，成像范围已经从主要的结构或解剖成像扩展到组织微观结构、扩散和张量成像、灌注（自旋标记）和脑功能成像等^[20-21]。随着图像质量的提高、扫描时间的缩短和对受试者运动伪影敏感性的降低，使得MRI在儿科临床中逐渐得以应用。但是，常规MRI检查费用较昂贵，普及率低于CT等设备，在不发达和农村地区往往没有MRI设备。对于6岁以下的儿童，在不使用镇静剂的情况下，设备噪声等会导致患儿检查依从性较差，影响成像质量。

开放式扫描和低噪声是低场强MRI检查仪的优势，开放式扫描过程中父母往往可以接触到患儿，可以大大降低幽闭恐惧症的影响，并减少镇静剂的使用。低场强MRI系统梯度强度相对较小，序列扫描时产生的机械噪声大为降低，对于非镇静状态下的婴幼儿进行MRI扫描时噪声降低会明显减少扫描过程中的干扰^[4]，可以大大提高婴幼儿MRI检查的成功率。

2.2 低场强MRI在儿科神经系统疾病诊断中应用

目前低场强MRI在儿科的应用刚刚起步，还仅限于神经系统，在体部等其他系统还未开始应用。在儿科神经影像检查模式中，儿科神经影像成像方法有经颅超声、计算机断层扫描（computed tomography，CT）和MRI。在六个月前囟闭合之前常常采用经颅超声诊断脑积水和脑出血等。CT通常用于创伤相关的神经系统成像，因为它成像速度较快，能提供血液、颅骨和脑组织之间良好的对比度。但CT软组织对比度较低，存在电离辐射。

常规MRI不存在电离辐射，能提供较高的软组织对比度。MRI在表征儿童大脑结构、功能和代谢发育模式以及识别与神经、精神和智力障碍相关的潜在变化方面发挥了不可或缺的作用。便携式低场强MRI已经被美国食品药品监督管理局批准使用，并在儿童检查中开展研究。Deoni等^[22]使用便携式0.064T MRI随访42名6周~16岁的健康儿童脑发育过程。该研究通过大脑灰质、白质和脑脊液进行大脑体积计算，并复制已知的3.0T大脑发育轨迹，研究表明0.064T（89%）的扫描成功率高于3.0T（75%）。尽管低场强MRI在儿科神经影像检查中具有诸多优点，但目前仍然存在着不少具有挑战性的技术障碍必须加以克服，才能使得低场强MRI得以在临床广泛应用。最重要的是，序列、硬件和分析软件还需要针对儿童脑部进一步优化，尤其是功能、灌注和高角度扩散成像序列目前还不能在低场强便携式MRI上获得^[8]。由于在较低磁场强度下成像信号强度较低，序列扫描时间相对较长，这将会相对降低患儿的依从性而加剧了运动伪影。低场强MRI的低空间分辨率也会影响对儿童脑体积测量的准确性^[22]。

2.3 低场强MRI在新生儿监护室的应用

低场强开放便携式MRI对其他医疗设备的兼容性要求大为降低，使得可以在重症监护室以及外科手术中实现MRI检查。对于新生儿脑部疾病，包括缺氧缺血性损伤、出血、室周白质软化、先天性脑畸形和脑积水等，经颅超声是主要的影像学筛查方法。常规MRI可以显著提高新生儿各类大脑疾病的检出率，然而，MRI检查需要将新生儿转运到影像科MRI检查室，期间通常需要使用MRI兼容的监护支持设备（如培养箱、监视器等），增加了新生儿MRI检查的复杂性。开放便携式MRI适用于病情严重而无法运送的新生儿，对于经颅超声诊断具有局限性的早期梗塞、后颅窝出血和脑室周围白质软化等疾病方面具有较高的应用价值。对于脑室大小和脑积水的诊断效果与经颅超声相当^[23]。Sien等^[24]对新生儿监护室的18例新生儿进行了便携式MRI检查研究，研究结果显示17例新生儿获得了满足临床诊断要求的脑MRI图像，发现了大部分颅内病变（10/17），但由于其相对常规MRI较低的信噪比和空间分辨率，遗漏了脑内微小病灶、如小的缺血灶（2/17）。该研究使用静态0.064T磁场强度，在检查过程中新生儿生命支持设备仍可正常使用，免除了转运新生儿至MRI检查室的时间。具体扫描序列见表1。

2.4 低场强MRI在儿科应用中的序列优化

目前低场强MRI主要应用在成人各系统疾病的诊断^[14,25]，在儿童群体中应用还较少，目前还局限在神经系统并且处于起步阶段。虽然T2加权图像可以提供相对首选的组织对比度满足临床解剖形态诊断，但急需针对儿童进行序列优化来获得高质量诊断图像从而得以扩大其临床应用范围^[26]。Cawley等^[27]通过对87例新生儿进行低场强T1加权和T2加权成像序列优化后MRI成像，与3.0T高场强MRI对照研究。该研究的序列优化主要采用特殊的新生儿三维快速自旋回波T1加权和T2加权成像序列，优化主要包括实现各向同性分辨率，增强组织对比度和保持信噪比三方面。研究结果发现低场强MRI可以提供足够的对比度、信号和分辨率用于诊断新生儿缺血缺氧、梗塞后脑损伤和先天性畸形（多小脑回畸形、胼胝体缺失和蚓部发育不良）等^[27]。除了优化儿童扫描对比度的序列参数外，也需要考虑到儿童扫描过程的序列声音对MRI扫描成功率的影响，通过降低序列中梯度爬升率等调节MRI扫描声音，高效的选择二维扫描和三维扫描策略，平衡扫描时间和图像信噪比的矛盾，提升整体低场强儿童成像检查效率和疾病诊断有效性。

3  低场强MRI在产前胎儿期诊断中的应用

MRI已发展成为诊断胎儿异常的重要影像方法。目前胎儿MRI以1.5T场强为主，近年来也逐渐有3.0T高场强MRI研究^[28-29]，高场强MRI可以提高信噪比，空间和/或时间分辨率，但随着场强的增高，也伴随着SAR值和声学噪声的升高。目前已有关于低场强MRI进行胎儿MRI的研究，Verdera等^[30]采用0.55T低场强MRI对79例胎儿（32例合并异常和47名正常对照组）进行了MRI研究，47名正常对照组胎儿孕龄17.6周~39.3周，成像序列包括快速自旋回波T2成像、定量T2*和弥散加权成像序列，采集总时长为20分钟，对胎儿进行了结构和功能量化评估，结构量化指标包括双顶径、小脑横径和肺体积，功能量化指标包括胎盘和大脑T2*和胎盘表观扩散系数。研究结果表明 47名健康对照组胎儿的关键解剖二维径线测量与1.5T和3.0T队列对照测量结果一致。双顶径的观察者组间一致性较高，即畸形组为0.96（95% CI：0.7~0.99，P=0.002），正常对照组为0.93（95%CI：0.86~0.97，P<0.001 )。功能量化指标与孕周存在较好的相关性。研究结果表明20分钟低场强胎儿MRI检查方案能够对胎儿和胎盘进行可靠的结构和功能评估。

Ponrartana等^[31]采用低场强MRI还进行了动态电影和T1加权成像，具体序列参数见表2。该研究发现低场MRI是一种很有前途的创新技术，可以获得和目前1.5T临床诊断标准相当的高质量胎儿图像，并且低场强MRI技术还有其他明显的优势，即低SAR、低声学噪声和实时成像能力。未来的研究将对胎儿进行低场强MRI诊断性能对比研究，并探索其在胎儿心脏MRI和实时胎儿MRI成像方面的新应用。

将来对于低场强MRI，基于平面永磁体或海尔贝克永久磁体阵列的设计可以进一步优化，包括完全关闭磁体阻力、更低的成本和更轻的重量等^[32]。并采用优化的成像序列和更先进的重建和分析技术，为大脑组织和微观结构提供更详细的信息^[33]，并进一步应用于儿科除神经系统之外的其他系统。开放便携式低场强MRI可以降低检查成本和患儿地区间、医院间以及院内科室之间的转运成本，可以在重症监护室以及外科手术中实现MRI检查，即便在新生儿重症监护室也具有远大应用前景。但需要进一步优化快速成像脉冲序列及丰富低场强MRI成像对比度，提高便携式低场强MRI对胎儿和儿童不同疾病的诊断准确性，进而得以普遍应用。

参考文献：略。