7特斯拉MRI中基于柔性超表面屏蔽的射频诱导植入物加热降低技术

推荐：本研究针对超高场MRI（7 T）中金属植入物因射频(RF)加热导致的安全隐患，开发了一种柔性超表面屏蔽技术。通过优化设计含30 pF电容的15 mm单元结构，该技术可局部衰减B1 + 场，使植入物周围平均最高温度降低0.50°C（降幅34.9%），同时SAR分布模拟显示体模和人体腿部模型分别降低40.7%和97%。实验证实该技术仅造成图像SNR轻微下降（体模8.5%，活体4.8%），为现有植入物患者安全接受超高场MRI扫描提供了创新解决方案。

　　

在医学影像领域，超高场7特斯拉(T)磁共振成像(MRI)因其卓越的空间分辨率正逐步走向临床，但金属植入物引发的射频(RF)加热效应成为重大安全隐患。当植入物长度接近组织中RF波长一半时，会引发"天线效应"，导致周围组织局部温度骤升。传统解决方案依赖厂商改造植入物材料或设计新型RF线圈，但这对现有植入患者无益。宾夕法尼亚大学研究团队在《Journal of Magnetic Resonance》发表创新研究，提出采用柔性超表面(metasurface)屏蔽技术实现局部场调控。

研究团队采用有限时域差分(FDTD)模拟、体模电磁测试和活体成像验证相结合的技术路线。关键方法包括：1) 设计含220个30 pF电容的15 mm单元超表面；2) 使用聚丙烯酸(PAA)体模和人体腿部模型(Duke v3.0)进行SAR模拟；3) 通过光纤温度探头监测46/76 mm骨科螺钉加热；4) 采用梯度回波(GRE)序列评估图像质量。

超表面优化
通过21种电容配置(0.5-75 pF)测试发现，30 pF电容使局部B₁
⁺
场强降低25%，散射参数显示300 MHz时功率反射系数(S₁₁
)达-3 dB，证实最佳屏蔽效果。

温度验证
20分钟高SAR(>95%)序列中，超表面使46 mm和76 mm螺钉尖端温度分别降低0.43°C(32.2%)和0.57°C(37.6%)，对照组体模温度降幅达36.6%。

电磁模拟
体模中1g平均SAR(psSAR)降低40.7%，而人体腿部模型显示97.4%的惊人降幅，证实骨组织环境增强屏蔽效果。对比连续铜片屏蔽，超表面在23 mm深度产生更局部的B₁
⁺
场抑制。

图像质量
体模全局SNR降低8.5%，但远离超表面区域(ROI2)仅降3%；活体小腿成像中，胫骨前肌区域信号衰减显著，但整体SNR仅下降4.8%，证实临床可用性。

该研究突破性地证明：柔性超表面可通过调控次级B_1,MS
⁺
场相位，实现植入物周边E场衰减而不显著牺牲图像质量。其意义在于：1) 为现有植入患者提供即用型安全方案；2) 单元化设计支持按需裁剪；3) 兼容CEST等高SAR序列。未来可拓展至深部植入物（如心脏支架）和并行发射(pTx)系统联用研究，推动超高场MRI的临床普及。