引言
磁共振系统向来以体积庞大、重量惊人著称，需要配备复杂的配套设施，包括液氦供应系统以及高稳定性的电力与冷却系统。本文将重点探讨MAGNETOM Free.Max系统如何实现市场首创的80厘米患者孔径，同时成为全球最小型的全身磁共振设备之一。该系统占地面积仅24平方米，运输高度不足2米，重量仅3.2吨，我们相信这重新定义了磁共振系统的标准。本文将展示多项技术创新——单独来看或许只是简单的工程任务，但协同作用却能解决长期存在的安装难题，从而满足客户未被实现的需求。更重要的是，我们将证明唯有通过统合所有工程学科、围绕共同目标的全系统视角，才能达成这一突破。
如何实现突破：将磁场强度与梯度功率同新型成像技术相结合
自1990年代初以来，采用螺线管磁体的磁共振系统已可实现60厘米患者孔径。2004年，西门子医疗推出首款70厘米孔径的1.5T系统MAGNETOM Espree；2007年又发布首款70厘米孔径的3T系统MAGNETOM Verio。这些创新通过提升舒适度、缓解幽闭恐惧、适应肥胖患者，为日益增长的患者群体拓宽了磁共振检查的可及性。尽管70厘米系统已扩大孔径，但当初促使70厘米系统开发的相同需求，仍呼唤着更宽敞的扫描空间。然而与二十年前不同，当年市场尚能承受70厘米系统相较于60厘米系统的增量成本，如今放射科却面临严峻的成本压力，亟需以可承受的成本实现高质量成像与更佳患者体验的新方案。
磁共振领域长期信奉的信条认为：更高场强、更强梯度性能配合多通道接收系统能带来更优图像质量与更快扫描速度。这一理念虽仍成立，但某些市场仅需1.5T系统的诊断质量，未必要求完全相同的速度与对比度。更大孔径本质上是推高磁共振系统成本的主因，进而限制了全球多数人群的使用机会。磁体成本（尤其是超导导线）随尺寸增大急剧攀升，梯度线圈功率更遵循约R⁵关系增长——这意味着患者腔径从60厘米增至80厘米时，所需功率将翻两番。破局之道唯有颠覆传统，重新审视场强与梯度性能的基本假设。
早在2016年的原型机阶段，我们曾将1.5T的MAGNETOM Aera系统降场至0.55T并改装射频电子系统。通过活体成像实验，得以评估图像质量并分析不同梯度引擎的影响。该内部原型机与美国国立卫生研究院（NIH）的复现系统共同证实：0.55T场强足以解答普通放射学的常规临床问题。内部分析表明，该应用领域采用45 T/m/s的梯度引擎与约26 mT/m的梯度场强即可获得可接受的图像质量与扫描时间。与1990年代不同，我们现在能将此类系统与新成像技术结合，从而克服中场成像的部分缺陷——这些缺陷曾是催生1.5T扫描仪设计的动因。例如DeepResolve Gain与Sharp技术：前者通过个体化噪声图实现智能迭代降噪，后者利用深度神经网络提升图像分辨率。这些技术可同步实现扫描时间缩减与图像质量提升，还能与并行成像（90年代尚未出现）、MAGNETOM Free.Max上的同步多层扫描（SMS）等加速技术联用。此外，压缩感知技术也被证实是扫描加速的有效工具。
0.55T扫描仪与多种新型采集重建技术的独特组合，为MAGNETOM Free.Max的创新奠定了基础。磁体与梯度引擎场强的降低，使得孔径能从60厘米扩大至80厘米，同时将超导导线长度与梯度功率控制在可负担范围内。
图1A展示了多参数空间的优化过程：超导导线长度与成本随场强和磁体孔径增加而增长。以80厘米患者孔径为起点（1），梯度线圈与体线圈的所需厚度决定了磁体内径。为简化说明，假设蓝绿区域代表不同厚度范围，且更高Gmax与SR的梯度线圈往往需要更大径向空间（2）。根据梯度线圈外径推导磁体内径后，黄红曲线（3）显示了0.5T与1.5T对导线长度的影响（假设杂散场边界条件相似）。这两条曲线清晰表明：当提升场强与腔径时，磁体超导导线将呈现非线性激增。
图1：(1A) 超导导线长度与梯度功率随患者腔径和场强的比例变化示意图。图中数据仅为说明主要关联关系，请注意本文所列数字亦仅用于解释物理原理，与特定设计无关。(1B) 以80厘米患者腔径为设计起点时，梯度线圈与体线圈的所需厚度将决定磁体内径。
从80厘米孔径观察右下象限（4）可见：梯度功率不仅随SR与Gmax提升而增加，更与患者腔径呈超比例增长。更强的梯度功率通常需要配套更强的冷却系统，用以导出梯度线圈与梯度功率放大器（GPA）产生的热量并排至空气中。因此增强梯度对系统设计产生四重影响：需要更多电力生成磁场、需要更强冷却系统散热、推高本地基础设施需求（连接功率、水冷机空间等），并往往导致梯度线圈增厚从而扩大磁体内径（4）。
相较于磁体与梯度设计，发射子系统（Tx）的适配反而是80厘米孔径、23MHz系统中较简单的环节——较低拉莫尔频率实现相同B1场强所需功率更小，因此现有63MHz放大器可调谐至23MHz，富余功率可补偿大直径体线圈较低的η=B1/PBC效率。低频下组织导电性降低也使SAR问题几乎可忽略。
如何实现小型化
虽然磁共振系统的内部空间应尽可能大以容纳患者，但如何设计外部结构却更具挑战性。观察安装过程时会立即发现，系统高度是关键参数：设备必须能顺畅通过门框。过去即使拆除门框也常常无济于事，磁共振安装往往需要破坏混凝土结构，影响建筑完整性，这自然导致高昂成本、复杂协调及其他不良后果。多数国家的标准门高为两米，我们通过以下五大核心要素确保系统高度控制在2米以内：
1、外真空容器：限制屏蔽线圈直径
磁共振系统塑料外壳之下是外真空腔体（OVC），内含低温屏蔽层与超导磁体线圈（干式磁体无需液氦容器）。当磁体内层线圈外移以扩大患者腔径时，屏蔽线圈也会相应外扩。将OVC直径限定在约1.95米，为屏蔽线圈位置设定了明确的设计目标。若要使OVC保持在两米限高内，必须确保系统其他部件均不超出此限制。
图2：展示了扁平化设计的支撑环、带有屏蔽线圈的外真空容器(OVC)，以及移至系统侧面更低位置的冷头塔座结构。
2、支撑环与磁体悬吊系统
为使OVC承受外部1个大气压的压力，需采用环形支撑环加固。这些支撑环在磁体顶部采用扁平化设计，既不影响结构刚度，又允许屏蔽线圈在OVC内最大限度外移。另一影响系统总高度的结构是固定磁体线圈的悬吊系统——该抗拉悬吊连接磁体内部4K超低温区与外部常温OVC。悬吊系统在OVC外部的机械结构必须极度紧凑，避免成为最高点。
3、失超管道
干式磁体无需失超管道，因此磁体顶部不存在可能增加OVC高度的管件，也无需连接天花板。这使得创新的SkyView方案成为可能（图3），通过消除磁共振设备与天花板的连接，赋予系统独特的视觉呈现。
图3：(3A) 配备失超管道的传统系统。(3B) 采用DryCool磁体技术的MAGNETOM Free.Max及其便捷选址方案。
4、梯度系统连接
梯度线圈需连接来自梯度功率放大器（GPA）的供电电缆。与所有电气连接一样，电缆接合点对保持良好电接触至关重要。梯度电缆承载超过300A电流与1200V电压，任何接触不良都可能产生危险火花。由于洛伦兹力效应，梯度电缆连接尤为关键：
磁体端部的实际磁场强度可比等中心处标称值高2-3倍。对于配备强力梯度引擎（I=900A）的1.5T系统，磁体末端40厘米长的梯度电缆将承受约500-1500N（相当于50-150公斤）随梯度脉冲振荡的作用力。因此西门子医疗历代扫描仪的梯度电缆连接点均位于磁体顶部——此处垂直于导线的磁场及相应洛伦兹力较小。该设计在传统液氦磁体上从未构成问题，因为冷头或失超管线等部件位置更高。
图4：梯度连接与SkyView设计
通过降低场强与梯度电流，我们将作用力减少近一个数量级，使梯度连接点可移至磁体背面而非顶部，这也是SkyView选址方案的必要条件。此时所有电缆（包括梯度电缆）均通过地板而非天花板布线（图3B）。
5、冷头布局
传统液氦磁体中，冷头必须位于液氦液面上方以实现气态氦再冷凝。而仅配备小型液氦热缓冲池（非大型液氦容器）的干式磁体，冷头可垂直安装于任意位置。MAGNETOM Free.Max将冷头置于OVC顶部边界下方约30厘米的侧边塔座内，不仅确保设备可无障碍通过2米高门框，更使得后期维护（如冷头更换）在设备就位后仅需2.2米层高即可完成。
图5：瑞士巴塞尔大学医院安装的MAGNETOM Free.Max实例。即使在首批安装案例中，该系统的小型化设计与取消失超管道的优势已显著简化了安装流程。
由于MAGNETOM Free.Max可在低矮空间完成安装与维护，磁共振诊断得以进入社区影像中心等新场景——这些场所通常位于空间有限的民用建筑内。综上可见，通过对磁体与梯度系统的全面重新设计，结合新型成像与重建技术，我们实现了看似矛盾的目标：为患者提供80厘米大孔径诊断级图像质量的扫描仪，同时具备小巧占地面积、低连接功率的便捷安装特性。