Prisma 3.0T磁共振運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測研究

山東第一醫(yī)科大學(xué)附屬省立醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程管理辦公室，山東 濟(jì)南 250021

引言

現(xiàn)今，磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）已成為臨床診斷不可或缺的影像工具。它利用特斯拉級的磁場對人體中自旋的氫質(zhì)子進(jìn)行磁化，并通過射頻脈沖引發(fā)的磁共振躍遷而成像。隨著現(xiàn)代物理、數(shù)學(xué)、電子、機(jī)械、化學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科的發(fā)展，MRI設(shè)備與技術(shù)也在不斷的更新?lián)Q代。從最原始基于簡易硬件的磁共振信號獲取，到后來圖像信號的智能化分析處理，磁共振經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜、由低場到高場、由單一到智能的發(fā)展歷程[1]。一般而言，磁共振系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件結(jié)構(gòu)包括主磁場、梯度、射頻、冷卻以及控制系統(tǒng)等；軟件部分包括圖像工作站、圖像獲取、圖像處理、圖像重建以及各種圖像軟件包。

一直以來，為了縮短磁共振的掃描時間、降低噪聲水平、提高圖像質(zhì)量，研究者們更加關(guān)注于硬件技術(shù)的革新和軟件功能的升級。他們的研究主要集中在圖像處理[2-4]、臨床應(yīng)用[5-7]、新技術(shù)進(jìn)步[8-9]、圖像質(zhì)控[10-13]以及維護(hù)保養(yǎng)[14]等領(lǐng)域，但對磁共振設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測方面的研究很少涉及。MRI系統(tǒng)的微細(xì)物理運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測，具有以下重要意義：① 能夠獲取設(shè)備運(yùn)行的過程趨勢數(shù)據(jù)，及時了解液氦冷卻微環(huán)境，把控設(shè)備運(yùn)行微性能，為預(yù)知性維護(hù)的開展提供了數(shù)據(jù)支撐，達(dá)到節(jié)省維護(hù)保養(yǎng)成本、降低停機(jī)時間的目的[15]；② 基于磁共振監(jiān)測過程中的異常狀態(tài)變化，找到設(shè)備的硬件系統(tǒng)易損點(diǎn)，能夠指導(dǎo)研發(fā)人員在硬件上進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)；③ 把磁共振監(jiān)測的物理參數(shù)與圖像清晰度相關(guān)聯(lián)，找到可能影響圖像質(zhì)量的因素，有利于推進(jìn)圖像質(zhì)量的提升；④ 在設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測的同時，MRI掃描量信息也被獲取，為分析掃描工作量與設(shè)備物理參數(shù)變化之間的關(guān)系提供直接的證據(jù)，從而為多品牌、多型號磁共振性能對比與穩(wěn)定性評價(jià)提供精確數(shù)據(jù)參考[16]。

現(xiàn)今，為了彌補(bǔ)磁共振研究不足，達(dá)到上述目的，本文初步提出了運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測研究方案。在研究中，選取了我院最新引進(jìn)的Prisma 3.0T高端科研型磁共振作為研究對象，并應(yīng)用數(shù)據(jù)采集裝置與其相接，實(shí)現(xiàn)各傳感器系統(tǒng)的實(shí)時讀取，同時獲得對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)反饋，從而達(dá)到磁共振運(yùn)行狀態(tài)微監(jiān)測的目的。

1 監(jiān)測裝置及原理

該監(jiān)測裝置是基于物聯(lián)網(wǎng)的Aquiferre型設(shè)備，主要由Intel Xeon CPU中央服務(wù)器、SBC（Session Border Controller）物聯(lián)網(wǎng)處理模塊、256 bit雙向加密傳輸和存儲單元、基于阿里云等保三級云服務(wù)平臺、遠(yuǎn)程控制應(yīng)用模塊以及同步移動終端組成，其與千兆交換機(jī)配合使用，并與磁共振系統(tǒng)的網(wǎng)口相接，實(shí)現(xiàn)磁共振系統(tǒng)的運(yùn)行日志及狀態(tài)的實(shí)時讀取。該系統(tǒng)能獲取的物理參數(shù)包括液氦壓力、壓力平衡加熱功率、冷頭溫度、屏蔽層溫度等，掃描參數(shù)包括開關(guān)機(jī)時間、每天掃描人數(shù)、掃描時常、掃描部位等。

該裝置與智能化的質(zhì)控管理系統(tǒng)聯(lián)用，能實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能評估、自動數(shù)據(jù)分析、成本效益分析、月度報(bào)表形成。如磁共振出現(xiàn)異常或故障，其會出現(xiàn)報(bào)錯信息及代碼，并向移動終端自動推送。在磁共振系統(tǒng)中，為了保證液氦含量、冷頭溫度的監(jiān)測實(shí)時處于穩(wěn)定狀態(tài)，其分別配有2個液面?zhèn)鞲衅骱?個溫度傳感器（一個常用、一個備用），監(jiān)測精度分別可達(dá)±0.05%、±0.1 K以上。液氦壓力、壓力加熱平均功率的監(jiān)測精度分別可達(dá)±0.05 psi、±0.1 K以上。系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，監(jiān)測開始時間為2019年2月17日。

圖1 磁共振數(shù)據(jù)監(jiān)測的結(jié)構(gòu)連接

2 結(jié)果和討論

磁共振主磁場線圈的超導(dǎo)特性的保持由液氦完成[17]。液氦的含量直接影響主磁場線圈的物理性能和圖像質(zhì)量。為了探究Prisma在運(yùn)行過程中液氦含量的變化，我們繪制了液氦水平隨時間變化的曲線，結(jié)果如圖2所示。其中，截止日期為4月31日，監(jiān)測共持續(xù)73 d。能夠看到，在設(shè)備運(yùn)行開始的前12 d內(nèi)，液氦水平保持為一穩(wěn)定的常數(shù)73.4%。隨著天數(shù)的增加，在第13天，液氦含量變?yōu)?3.2%，減少了0.2%。之后的60 d內(nèi)，液氦水平在72.9%～73.2%之間波動，波動范圍為0.3%。在這段波動的60 d內(nèi)，保持在73.2%的天數(shù)為42 d，其中持續(xù)最長的兩段時間分別為11 d和8 d；保持在72.9%水平的時長為19 d，其中持續(xù)最長的兩段時間都為3 d?？梢姡汉に皆谶@段時間內(nèi)出現(xiàn)了異常變化，即出現(xiàn)了微量消耗的現(xiàn)象，并且在這種微量的消耗之后，液氦含量呈現(xiàn)不穩(wěn)定的波動。液氦的消耗可能有兩個原因?qū)е拢孩?液氦壓縮機(jī)、水冷機(jī)組和空調(diào)機(jī)組異常且這種異常沒有被及時處理[18]；② 液氦環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部元件的偶發(fā)故障。因在使用過程中，未出現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的故障，因此，我們推斷在第13天時液氦含量的消耗和消耗后的波動，可能是系統(tǒng)內(nèi)部元件的不穩(wěn)定性造成的。

Prisma磁共振的液氦壓力隨時間變化的曲線如圖3所示。壓力是反應(yīng)液氦實(shí)時狀態(tài)的重要參數(shù)，由圖中可以看到，在監(jiān)測進(jìn)行的第13天，液氦壓力突然由恒定值15.5 psi上升到16.9 psi，上升幅度為1.4 psi，超出了報(bào)警線16 psi，超出量為0.9 psi。在第14天時，液氦壓力又回到了報(bào)警以下的正常值。在磁共振實(shí)際的工作中，這種液氦壓力的突增并沒有影響其正常運(yùn)行，但是這正與圖2中的液氦含量在第13天時的消耗相吻合。在液氦腔空間體積不變的情況下，其壓力的上升必由液氦的汽化引起的，當(dāng)這種汽化不能通過其他部件參數(shù)變化來調(diào)節(jié)時，液氦壓力就會超出報(bào)警線。為了不因壓力的升高而對系統(tǒng)造成的損害，少量的氦氣會隨之排出，導(dǎo)致最后的液氦損失以及損失后的不穩(wěn)定波動。說明液氦壓力的變化，會使液氦產(chǎn)生失散現(xiàn)象，并導(dǎo)致其不穩(wěn)定波動。

圖3 液氦壓力隨時間的變化

圖4給出了冷頭溫度隨時間變化的曲線。在第13天，冷頭溫度由原來的平穩(wěn)值41.6 K升高到峰值77.6 K，升高了36 K。緊接著，在第14天，冷頭溫度回到了報(bào)警線以下的44.4 K。在冷頭溫度回到報(bào)警線以下之后，出現(xiàn)了2.8 K溫度微小的波動，直到第39天才恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)的溫度42.3 K?？梢姡@一異常變化導(dǎo)致了冷頭溫度比初始的平穩(wěn)值上升了0.7 K。冷頭溫度的升高會伴隨著液氦壓力的增大，即36 K的冷頭溫度升高會使壓力升高1.4 psi，液氦壓力上升率為0.039 psi/K。冷頭溫度的變化最直接的影響部件為冷頭，如冷頭的物理性能發(fā)生微弱的異常，必定會導(dǎo)致溫度的異常升高或下降。冷頭經(jīng)過異常升溫后回到了穩(wěn)定值42.3 K，但比初始值的41.6 K有所增加，這可能是由于液氦含量損失后，其需要更多的溫度來維護(hù)液氦壓力15.5 psi的恒定值。也就是說，在Prisma磁共振正常運(yùn)行的狀態(tài)下，液氦含量的變化會影響冷頭溫度的平穩(wěn)值。

圖4 冷頭溫度隨時間的變化

由于液氦需要保持4 K左右的恒定溫度，這需要壓力加熱部件與冷卻系統(tǒng)的密切配合。當(dāng)液氦溫度上升時，冷頭制冷量加大，溫度隨之下降；當(dāng)溫度下降到一定程度后，壓力加熱部件開始工作，使液氦溫度稍微上升，從而保持液氦溫度的平衡狀態(tài)。壓力加熱部件的平均功率隨時間的變化規(guī)律如圖5所示。可見，初始壓力加熱平均功率為0.9 W，在第10天的時候出現(xiàn)了一次0.1 W小幅度下降。到第13天降為0，即與圖3和4中液氦壓力和冷頭溫度出現(xiàn)的最高值同時發(fā)生，這也體現(xiàn)了壓力加熱平均功率與冷頭溫度之間的相互制約關(guān)系。在出現(xiàn)液氦壓力和冷頭溫度上升的前期，壓力加熱平均功率已經(jīng)出現(xiàn)了輕微的異常。與液氦壓力和冷頭溫度變化不同的是，當(dāng)?shù)?4天的時候，壓力加熱平均功率變?yōu)?.1 W，而不是直接增加為平穩(wěn)狀態(tài)下的0.9 W，出現(xiàn)了平均加熱功率的延遲恢復(fù)現(xiàn)象，即經(jīng)過0.1 W的過渡后，之后再回到平穩(wěn)值。壓力加熱平均功率在第19天又出現(xiàn)了1次0.1 W的輕微波動。液氦壓力和冷頭溫度的異常變化幾乎同時出現(xiàn)，但壓力加熱平均功率是在它們異常之前就已經(jīng)產(chǎn)生了輕微變化。液氦壓力的異常能很快恢復(fù)，但是冷頭溫度和壓力加熱平均功率的恢復(fù)需要一定的過渡時間。我們能夠推斷壓力加熱平均功率的異常波動，使冷頭溫度異常升高，導(dǎo)致液氦壓力的增大，最終使液氦含量產(chǎn)生損失。在這個過程中，冷頭溫度、壓力加熱平均功率、液氦含量三者協(xié)同變化，以期保持液氦壓力的恒定。

圖5 壓力加熱平均功率隨時間的變化

上述體現(xiàn)了液氦壓力、冷頭溫度、壓力加熱平均功率三參數(shù)之間的相互變化，以及它們的變化對液氦含量產(chǎn)生的影響。在同一時間段內(nèi)，液氦含量、冷頭溫度和壓力加熱平均功率之間的協(xié)同關(guān)系如圖6所示。其中，縱坐標(biāo)為任意單位。可見壓力加熱平均功率最先產(chǎn)生了微弱的波動，在經(jīng)過2 d的穩(wěn)定狀態(tài)后，第3天同時出現(xiàn)了冷頭溫度上升、壓力加熱平均功率下降、液氦含量散失的連鎖反應(yīng)。從時域范疇來看，壓力加熱平均功率的不穩(wěn)定波動與突然下降，導(dǎo)致了冷頭溫度瞬間升高，升高的冷頭溫度使液氦腔的壓力上升，進(jìn)而影響了液氦含量?？梢姡唠m然看似瞬時發(fā)生，但仍存在先后順序。在連鎖反應(yīng)發(fā)生后，首先回到平穩(wěn)狀態(tài)的參數(shù)為冷頭溫度，其次為壓力加熱平均功率和液氦含量。與冷頭相比，壓力加熱平均功率器件更易產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)，而且其恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的能力也較差。因此，在Prisma 磁共振的設(shè)計(jì)中，可以重點(diǎn)關(guān)注壓力加熱平均功率器件的檢測與校正。

圖6 冷頭溫度、壓力加熱平均功率、液氦含量三者協(xié)同關(guān)系

磁場屏蔽層起到磁場屏蔽和維護(hù)磁場均勻性的作用，在正常狀態(tài)下，磁場內(nèi)外屏蔽層的溫度也要稍高于冷頭溫度[19]。通過讀取溫度傳感器數(shù)據(jù)得到了磁場內(nèi)外屏蔽層溫度隨時間變化的曲線如圖7所示?？梢姡瑑?nèi)、外磁屏蔽層的溫度都隨著冷頭溫度的變化而變化的，并且在第13天出現(xiàn)溫度的極大值。所不同的是內(nèi)、外屏蔽層溫度的恢復(fù)呈現(xiàn)由高到低逐漸變化的趨勢，即經(jīng)過4 d時間，恢復(fù)到最初的平穩(wěn)值51.4 K和54.2 K，最大變化量分別為13.9 K和21.5 K，遠(yuǎn)小于冷頭溫度的變化量36 K。可知，第13天的異常對冷頭溫度的影響較大，恢復(fù)時間也相對較長；對內(nèi)外屏蔽層溫度的影響較小，恢復(fù)時間也相對較短。由于液氦腔內(nèi)的制冷部件為冷頭，冷頭對的內(nèi)、外磁屏蔽層溫度的傳導(dǎo)存在一定的距離，傳導(dǎo)過程中會造成溫度的散失和溫度的升降延遲。因此，磁屏蔽層溫度總高于冷頭溫度，對超限的反應(yīng)也相對較不敏感，這就造成了內(nèi)、外屏蔽層溫度恢復(fù)的漸緩現(xiàn)象。

圖7 磁屏蔽層的溫度隨時間的變化

除了應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對液氦壓力等Prisma磁共振物理參數(shù)實(shí)時監(jiān)測外，本文還得到此臺機(jī)器的掃描量和掃描方法等信息。Prisma在4月份每天的掃描量變化趨勢如圖8所示。從圖中能夠看出，正常工作日的檢查量最高為44例、最低為30例，遠(yuǎn)高于節(jié)假日和周末檢查量的最高23例、最低17例。通過計(jì)算，整個月份的總檢查人數(shù)為948人次，每日平均檢查人數(shù)為31.6人次。同時，我們也對掃描成像所使用的方法進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖9所示，發(fā)現(xiàn)有472例的患者進(jìn)行了普通掃描，占總掃描人數(shù)的50%，其它成像方式包括動態(tài)增強(qiáng)掃描、血管造影成像、常規(guī)彌散加權(quán)成像和化學(xué)位移成像分別占50%、31%、18%以及0.95%。從側(cè)面反映出，這臺Prisma磁共振的功能還沒有完全得到使用，其所具備的軟件包功能有待進(jìn)一步開發(fā)。通過這些數(shù)據(jù)的獲得，我們能對Prism磁共振的使用效率和功能配置進(jìn)行分析，并以此對其新的功能進(jìn)行配置開發(fā)和使用，從而達(dá)到最優(yōu)化使用目的。

圖8 4月份掃描數(shù)隨時間的變化

圖9 某月份各掃描方式占比

3 結(jié)論

本文已經(jīng)對Prisma磁共振在運(yùn)行過程中的液氦含量、液氦壓力、冷頭溫度、壓力加熱平均功率和磁場屏蔽層溫度等主要參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測，并對在此過程中出現(xiàn)的物理量偏離進(jìn)行了詳細(xì)的分析。液氦水平會因液氦壓力和溫度上升等因素出現(xiàn)總含量散失的情況，并在散失之后較長的一段時間內(nèi)，液氦含量維持在0.3%的穩(wěn)定波動狀態(tài)。通過分析液氦壓力、冷頭溫度、磁場屏蔽層溫度和壓力加熱平均功率的異常，發(fā)現(xiàn)這四個物理參量密切相關(guān)，并且?guī)缀跬瑫r報(bào)警。在出現(xiàn)異常之前，壓力加熱平均功率出現(xiàn)了0.1 W的下降，能夠推斷出現(xiàn)液氦壓力、冷頭溫度等的異?？赡苡蓧毫訜崞骄β实漠惓２▌訉?dǎo)致。液氦壓力和冷頭溫度的異常變化能在較短的時間內(nèi)能回到初始狀態(tài)，但壓力加熱平均功率和磁場屏蔽層溫度異常的恢復(fù)需要相對較長的時間。另外，利用數(shù)據(jù)采集Aquiferre系統(tǒng)獲得的掃描數(shù)據(jù)，對單月的掃描量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，并對所使用的掃描成像方法進(jìn)行了占比匯總，為后期Prisma的功能充分利用提供了數(shù)據(jù)借鑒。