单模谐振器的最佳激励：以3T磁共振（MRI）超导螺线管为例进行演示

《Journal of Magnetic Resonance》：Optimal excitation of single mode resonators: demonstration with a 3 T MRI metasolenoid

无线无源谐振器在3T MRI中的应用及性能分析。

　　磁共振成像（MRI）技术作为非侵入性诊断的重要工具，已经在临床和科研领域得到了广泛应用。随着对成像质量、效率和安全性的不断追求，研究者们开始探索新型的无线被动共振器，以改善传统MRI系统中的信号传输与接收性能。本文讨论了一种基于超材料（metamaterial）理念的“螺旋管型共振器”（metasolenoid），并评估了其在3特斯拉（3T）MRI系统中的表现，特别是在提高B₁效率和减少特定吸收率（SAR）方面的潜力。

传统的MRI系统通常使用大型鸟笼线圈（birdcage coil）作为射频（RF）发射线圈（Tx coil），因其在人体内具有良好的信号均匀性。然而，这种线圈在接收信号时效率较低，导致成像灵敏度和信噪比（SNR）受限。因此，研究者们开发了基于相位阵列技术的专用接收线圈（Rx coil），以提高信号检测能力。尽管这些接收线圈在某些特定区域（如四肢、乳腺或大脑）表现出色，但它们存在一定的局限性，如结构固定、对特定MRI设备的依赖性以及需要复杂的电子元件和有线连接，这在实际应用中可能会带来维护和使用的不便。

为了解决这些问题，研究者们将目光投向了超材料和超表面（metasurface）技术。这些人工结构能够实现自然界中不存在的电磁响应特性，为MRI系统提供了新的设计思路。超材料启发的线圈不仅能够无线使用，还避免了传统线圈中需要的主动电子组件，从而提高了系统的灵活性和可定制性。其中，一种名为“分裂环共振器”（split-loop resonator, SLR）的结构被广泛研究，这种结构被称为“螺旋管型共振器”（metasolenoid）。它能够通过共振效应聚焦射频磁场，从而在较低的输入功率下实现更高的信号灵敏度。

在本文中，研究团队提出了一种适用于3T MRI系统的螺旋管型共振器，并通过实验和数值模拟对其性能进行了评估。他们首先利用电磁有限元软件（如CST Microwave Studio 2019）对共振器的结构、几何形状和电容配置进行了优化设计。随后，他们通过在MRI系统中测试该共振器，验证了其在不同极化模式下的B₁效率提升效果。实验结果显示，当使用圆极化（CP）和垂直线极化（LP）激发时，B₁效率分别提升了3.2倍和5.8倍。而水平线极化（HP）则未能获得显著的效率提升，反而导致效率下降，这表明螺旋管型共振器对射频磁场的共振增强作用主要集中在与之方向一致的极化模式上。

为了进一步评估该共振器在实际应用中的潜力，研究团队还进行了信号噪声比（SNR）的测量，并与传统的18通道接收线圈进行了对比。结果表明，尽管螺旋管型共振器在某些极化模式下提升了B₁效率，但其SNR值仍与传统接收线圈保持在相近的水平。这表明该共振器在提高信号质量的同时，不会显著影响成像的清晰度。此外，研究团队还通过数值模拟分析了螺旋管型共振器对SAR的影响。他们发现，虽然在某些情况下SAR有所增加，但通过调整共振器的位置，可以有效降低局部SAR热点，从而在保持高B₁效率的同时，实现更好的安全性。

研究还揭示了射频磁场极化方式对螺旋管型共振器性能的重要影响。例如，在圆极化激发下，共振器的相位延迟会导致磁场的某些成分被增强，而水平线极化则可能受到共振器的干扰。因此，通过优化相位控制，可以进一步提升螺旋管型共振器在特定极化模式下的性能。研究团队在实验中发现，当使用垂直线极化时，B₁效率比圆极化提高了约26%，这一结果在理论分析中也得到了验证。这表明，对于某些特定的应用场景，如乳腺MRI，使用垂直线极化可能比圆极化更有利于提高成像效率。

然而，研究也指出了一些挑战。例如，在进行双侧乳腺成像时，需要两个对称放置的共振器，而这种配置可能会因相互耦合而导致效率下降。为了解决这一问题，一些研究提出了在两个共振器之间加入解耦变压器的方法，以减少相互干扰。此外，虽然实验结果显示出良好的性能，但将这些结果推广到人体实际应用中仍需进一步研究。例如，未来需要在志愿者身上进行测试，以确认螺旋管型共振器在临床环境中的实际效果，并评估其在复杂人体组织中的表现。

总的来说，本文展示了螺旋管型共振器在3T MRI系统中的应用潜力。通过优化设计和实验验证，研究团队成功提高了B₁效率，同时通过调整位置和极化方式，有效控制了SAR的影响。这些成果不仅为MRI系统的改进提供了新的思路，也为未来的临床应用奠定了基础。未来的研究可以进一步探索如何在不同极化模式下优化共振器的性能，以及如何在实际人体中实现更高的成像质量和安全性。