一种亚微秒级开关实现 10.5 T 下 SWIFT 23Na 成像

《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》：A Sub-Microsecond Switch Enabling SWIFT 23Na Imaging at 10.5?T

　　

为实现在超高磁场下的钠（²³Na) SWIFT（Sweep Imaging with Fourier Transformation，扫频傅里叶变换成像）成像——一种零回波时间（Zero Echo Time, ZTE）成像技术，研究人员开发了定制电子硬件，并通过在体成像结果展示了该技术的可行性。所开发的定制硬件包括：分辨率达 10 ns 的高速光触发器、可提供大电流的磁体内 PIN（Positive-Intrinsic-Negative）二极管驱动器，以及经优化的射频（Radio Frequency, RF）开关（包括串联可切换衰减器和收发开关），以实现亚微秒级切换速度，同时保证发射端与接收端之间的隔离度。射频开关实现了 0.6 μs（接收至发射）和 1.7 μs（发射至接收）的实际切换速度，后者受限于低噪声放大器（Low Noise Amplifier, LNA）产生的瞬态杂散发射。在 1 MHz 带宽内实现了 115 dB 的发射-接收隔离度，在拉莫尔频率（Larmor frequency）处达到 120 dB，这对抑制未消隐射频功率放大器（Radio Frequency Power Amplifier, RFPA）噪声至关重要。研究人员以 1.5 mm 各向同性分辨率在 5 分钟内获取了人体腕部 SWIFT 图像，展示了超高场钠 SWIFT 成像的实用性。在具有异质性钠浓度的标准模体中，SWIFT 成像的信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）与超短回波时间（Ultra-Short Echo Time, UTE）成像相当，这证实了硬件已达到必要的技术指标。

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI) 与波谱分析作为重要的分子成像手段，能够提供独特的生物信息，但其应用受到固有低信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR) 的限制。尽管如此，内源性与外源性分子成像对比剂的多样性，结合高分辨率及高对比度的解剖成像，持续推动着相关方法的发展及其生物医学应用与临床转化。提高 MRI 对分子动力学、代谢功能参数、能量学及细胞稳态等标志物敏感性的追求，促使分子成像方法向更高磁场强度不断发展。研究表明，对于氢质子（¹H) MRI 而言，信噪比随静磁场强度呈超线性增长（即 SNR ∝ B₀^1.65)，这可被用于提高空间分辨率和/或时间分辨率。虽然需要考虑采集与解剖特异性弛豫效应的影响，但这种固有信噪比的提升在超高场 MRI 的整体优势中扮演着重要角色。对于质子而言，感兴趣频率范围内的横向弛豫时间（T₂) 缩短而纵向弛豫时间（T₁) 延长，这可能抵消信噪比优势；而对于非质子核素（即异核，x-nuclei），由于其天然丰度和整体灵敏度远低于质子，因此最大化可获取信噪比的方法至关重要。对于许多异核而言，弛豫效应要么中性（如 ¹⁷O），要么有利（如 ²³Na），使得在高场强下能够完全实现信噪比提升的效益。

克服低旋磁比核素如钠（²³Na) 的低灵敏度问题，对于提高分辨率、缩短采集时间以实现多参数、多核素检查的实际整合至关重要。随着更高场强的出现和方法学的进步，钠 MRI 的益处正在被探索应用于中风与肿瘤检测、乳腺癌诊断与疗效评估、骨关节炎评估、肌肉、肾功能及多发性硬化症等研究领域。钠核自旋为 3/2，因其四极矩而在组织中表现出双指数 T₂ 弛豫，具有短组分（T_2,short）和长组分（T_2,long）。钠的 T_2,short 在 3 T 肌肉组织中仅为数毫秒，而在 10.5 T 肌肉骨骼（Musculoskeletal, MSK) 成像中，儿童膝关节软骨的 T_2,short 可低至 0.4 ms。在如此短的弛豫时间下，信号在采用标准成像序列采集前已显著衰减。因此，先前的钠成像研究采用了超短回波时间（UTE）和零回波时间（ZTE）成像技术。对于需要量化组织钠浓度的成像，即使 UTE 序列也可能导致测量出现较大偏差，而 ZTE 序列可减少此类偏差。

SWIFT（Sweep Imaging with Fourier Transform，扫频傅里叶变换成像）是 2006 年提出的一种零回波时间 MR 成像技术，已在 4 T 人体成像和 9.4 T 临床前成像中得到广泛应用，并展示了成像骨组织和牙齿等快速衰减信号组织的能力。因此，SWIFT 被提议作为 UTE 和 ZTE 技术的替代方案用于钠成像。然而，SWIFT 采样的传播和应用受到硬件规格的限制，这些规格通常不被标准临床和临床前系统硬件所支持。

本研究采用间歇式发射脉冲进行 SWIFT 成像，在间歇发射脉冲期间，NMR 信号在发射脉冲之间的短暂间隙中被采样，因此 MR 系统需在发射和接收模式之间快速切换。该序列要求系统切换 64 次以容纳 32 个发射子脉冲和接收间隙，每个间隙约为 20 μs，这 necessitates 亚微秒级的快速切换以最小化死时间。本研究使用的西门子 MAGNETOM 10.5 T 系统及所有西门子临床系统均无法支持这种快速切换。虽然此前已有 7 T ZTE 成像的硬件开发，但各厂商硬件具有各自的规格和局限性。先前在西门子 MAGNETOM 系统架构上于 7 T 实施 SWIFT 的尝试存在可靠性问题和功率处理限制，阻碍了全面的一体化应用。实现 SWIFT 所需的硬件包括：能够提供大电流以实现快速发射/接收（T/R）切换的 PIN 二极管驱动器、优化设计以利用大电流驱动具有适当载流子寿命和本征区宽度的 PIN 二极管的 T/R 开关，以及允许对 SWIFT 间歇发射脉冲的子脉冲时序进行精细控制的高分辨率触发信号。此外，由于典型人体 MR 扫描仪中的射频功率放大器（RFPA）在接收期间无法快速消隐，该硬件还必须提供高发射/接收隔离度，以确保未消隐 RFPA 的噪声不会注入接收信号。本研究成功克服了所有这些技术障碍。

研究人员为西门子 10.5 T 系统开发了支持 SWIFT 成像的硬件，无需更换 RFPA 等主要系统组件，从而保持了现有患者安全控制功能的可用性。所开发的附加硬件包括：高速光触发器、磁体内 PIN 二极管驱动器、可切换 RFPA 衰减器和快速 T/R 开关。由于所有组件均设计为现有 RF 发射链路的扩展，因此无需重新校准射频放大器即可支持 SWIFT 成像。各组件均为自主研发，其中高速光触发器接受来自西门子控制台的 OSC0 TTL 信号，采用高级高速 CMOS 数字逻辑门（74AHCT 系列）直接生成同步脉冲，通过 650 nm 光发射器和接收器输出，时序分辨率可达 10 ns；磁体内 PIN 二极管驱动器采用 Analog Devices MAX22702EASA+ 驱动器，传输模式下提供 +5 V 恒定电压并可输出超过 2 A 的正向偏置电流，接收模式下产生 ?15 V 反向偏置电压，共 8 个独立驱动通道；RF 开关包括可切换 RFPA 衰减器和 T/R 开关，均选用 MACOM MA4P504-1072T PIN 二极管，该二极管具有短载流子寿命和薄本征区宽度，可实现亚微秒级切换。可切换衰减器置于 RFPA 与 T/R 开关发射端口之间，传输模式下产生最小插入损耗，接收模式下提供高衰减；T/R 开关集成了 SPF5122Z 低噪声放大器（增益 25 dB），传输侧采用两个背对背 PIN 二极管，接收侧控制 LNA 前的 LC 谐振电路，并在其中一个发射端二极管上设置 LC 谐振回路以在拉莫尔频率处提供额外窄带隔离。此外，在屏蔽盒穿透处采用三股绕制的 LC 陷波滤波器对 PIN 二极管偏置线进行滤波，以减少 RF 硬件与 RF 线圈之间的串扰。研究人员还构建了专为 10.5 T 钠频率设计的四正交驱动 8 栏杆高通模式带通鸟笼线圈（直径和长度均为 10 cm），该线圈已通过 FDA 研究性器械豁免（IDE）程序审批。

MRI 实验在西门子 MAGNETOM 10.5 T 系统上进行，该系统配备西门子 SC72 体部梯度线圈（最大梯度强度 70 mT/m，最大爬升率 200 T/m/s）。X 核素实验采用 8 kW 宽带 RFPA（Comet LPPA 22080 W）。成像首先在具有不同钠浓度和琼脂浓度的模体上进行，SWIFT 和 UTE 序列参数尽可能匹配：TR 40 ms、TE 20/150 μs、翻转角 30/45°、1.5 mm 各向同性分辨率、视野 192 × 192 × 192 mm3、投影数 16384/16500、扫描时间 11 min。SWIFT 采集使用 HS1 脉冲（32 个间隙，20 μs 发射子脉冲与 20 μs 接收间隙交错，总时长 1.28 ms，带宽 23.75 kHz）；UTE 序列 RF 脉冲时长 100 μs，额外插入 100 μs 死时间以允许线圈振铃衰减。在体成像在一名男性受试者左腕进行，经 FDA 和机构审查委员会（IRB）批准，SWIFT 序列参数与模体扫描相同，仅 TR 改为 20 ms、翻转角 37.5°、扫描时间 5.5 min。

在深圳首次出现的"SWFIT"应为"SWIFT"。开关速度方面，研究人员测量得射频开关上升时间（接收至发射）小于 0.6 μs，下降时间（发射至接收）实际为 1.7 μs，后者由 LNA 产生的瞬态杂散发射限制，在 1 MHz 采集带宽下需在每个接收间隙起始处舍弃两个采样点，实际重建中舍弃了每个接收间隙首尾各四个采样点。T/R 隔离度方面，可切换衰减器和 T/R 开关各自独立实现 60 dB 接收模式隔离度，传输模式下对 LNA 隔离度大于 55 dB；在 1 MHz 采集带宽内实现大于 115 dB 的发射至接收隔离度，拉莫尔频率处达 120 dB，可将未消隐 RFPA 噪声（600 mV_p-p，即 +5.5 dBm）在 LNA 处的噪声水平降至低于 ?110 dBm。RF 线圈验证方面，实验测得的 B₁⁺ 图与电磁模拟结果高度一致，腕部模型的 B₁⁺ 和 SAR_10g 场图已通过模拟获得。成像方面，模体 SWIFT 和 UTE 图像显示两者具有可比的图像质量；在体腕部成像以 1.5 mm 各向同性分辨率在 5 分钟内清晰显示了腕部解剖结构，包括腕骨低信号区和关节软骨高钠信号区，并意外发现一处约 5 mm 直径的腱鞘囊肿。

研究人员指出，所开发硬件最具挑战性的两个规格是快速切换速度和高隔离度。所有组件均为非磁性或低磁性材料，需处理高 RF 功率。PIN 二极管的选择至关重要，MA4P504-1072T 具有短载流子寿命和薄本征区宽度，可实现亚微秒切换，同时仍足够慢以充当 RF 开关；其关态电容小以产生高隔离度，串联电阻低以最小化插入损耗。二极管并联驱动以增加切换速度，虽增加所需驱动电流但降低所需驱动电压。研究人员还解决了影响切换速度的振铃问题：此前使用的大电感（3900 nH）陶瓷芯 RF 扼流圈具有高路径电感，导致长达 4 μs 的接收信号被瞬态污染；替换为 LC 谐振回路（12 pF 电容与 150 nH 电感在 118 MHz 谐振）后显著降低了路径电感，使瞬态缩短。但 LC 扼流圈具有窄带特性且需精细调谐，还导致可切换衰减器意外转变为带通滤波器，后通过多个 LC 回路消除 PIN 二极管耦合行为。

对于 T/R 隔离度，研究人员最初通过大量串联 PIN 二极管实现高隔离度，但 RF 通过直流开关线绕过 PIN 二极管成为主要障碍。LC 扼流圈虽提供高隔离度但存在相互耦合，研究人员采用铜箔屏蔽并 RF 接地加以解决。RF 线圈本身也成为隔离屏障，尽管为屏蔽鸟笼线圈，仍作为有效辐射源或天线显著降低隔离度，因此所有 RF 硬件必须置于 RF 屏蔽外壳内。 researchers 还发现 RF 会耦合到 DC 线路上，最终在屏蔽盒穿透处实施了三股绕制 LC 陷波滤波器：前向和返回 DC 路径构成双股绕组，第三股与可变电容调谐至 118 MHz，有效陷除 RF 线圈带宽内的任何 RF。

研究人员讨论了成像结果的意义：模体验证 SWIFT 与 UTE 图像质量相当，但 SWIFT 对极短弛豫时间组织（如关节软骨）具有显著优势。此前估计儿童膝关节软骨 T_2,short 可低至 0.4 ms，UTE 序列 TE 为 150 μs 时，SWIFT 可实现约短一个数量级的 TE（20 μs），从而在儿科膝关节中保留 49% 更多的 T_2,short 信号。在体腕部成像以 1.5 mm 各向同性分辨率在 5 分钟内提供了出色的解剖细节。

研究人员也承认了研究的局限性：虽然 PIN 二极管切换时间小于 1 μs，但 LNA 产生的杂散发射限制发射至接收切换速度为 1.7 μs；更大的限制来自控制台本身—— ADC 后的数字滤波导致每个接收间隙首尾各四个采样点被污染，仅 12/20 个采样点可用于图像重建，若解决该问题信息量增加近 50%。硬件上，长脉冲导致半导体结过热，最大电压限制为 300 V，使得大于四肢的成像困难，未来可通过并联多个二极管解决。对比 UTE 和 SWIFT 时，由于峰值功率和 SAR 限制存在参数优化局限；RF 脉冲包络采样率导致 SAR 被高估约 50%；对于相同带宽和翻转角，未间隙 SWIFT HS1 脉冲与 UTE 方波脉冲具有相同相对能量和 SAR，但间隙化使 SAR 加倍，带宽增加又使能量增加 2.5 倍，故本研究 phantom 比较中 SWIFT 的 SAR 为 UTE 的 5 倍。降低频率调制脉冲的频率扫掠可减少 SAR，或增加 RF 占空比以降低子脉冲幅度和总脉冲能量，如 80/20 μs 的 RF 开/关时间可获得与 UTE 相当的功率沉积，但当前硬件不支持超过 20 μs 的 RF 开时间，限制了该策略的当前探索。此外，低 γ 核素成像存在峰值可用电压限制，UTE 激励脉冲带宽无法足够缩短以匹配 SWIFT 的 25 kHz 带宽而不降低翻转角；而 SWIFT 的 HSn 脉冲可通过非线性调制函数参数降低峰值功率，HS2、HS4 和 HS8 分别可降低 34.7%、48.0% 和 53.9% 的激励电压。

研究结论指出，本研究开发的 RF 硬件同时实现了快速切换和极高的发射至接收隔离度，使得 SWIFT 等零回波时间成像技术得以应用，并通过人体腕部成像展示了其在 MSK 结构钠成像中的实用性。未来工作包括将该技术转化至 3 T、7 T 和 10.5 T 的质子成像，其他异核也可能从零回波时间成像技术中获益。