开源可定制低场磁共振成像体模的设计与应用研究

本研究针对低场磁共振成像(MRI)系统缺乏低成本、可定制化体模的问题，开发了一种基于3D打印技术和易获取材料的开源体模。通过优化设计参数和材料选择，该体模在64 mT场强下成功实现了T1加权和T2加权成像对比，并验证了几何畸变、信噪比(SNR)和对比噪声比(CNR)等关键指标，为低场MRI系统的性能评估提供了标准化工具。

　　

在医学影像领域，磁共振成像(MRI)技术的普及受限于高昂的设备成本和复杂的质量控制流程。传统商用MRI体模价格昂贵且功能单一，难以满足低场系统(如64 mT)的特定需求。尤其在新兴的开源MRI硬件发展中，缺乏可定制、易复制的标准化测试工具，严重制约了技术验证和临床转化的效率。美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究团队Kalina V. Jordanova等人在《Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine》发表的研究，通过创新性设计解决了这一瓶颈问题。

研究团队采用多学科交叉方法，核心包括：1)基于CAD软件设计模块化体模结构，通过3D打印实现壳体制造；2)选用橄榄油、铜锌补充剂等易获取材料构建具有不同弛豫特性的组织模拟样本；3)在64 mT低场Hyperfine Swoop系统上实施T₁加权（反转恢复序列）和T₂加权（快速自旋回波序列）成像；4)开发自动化算法定量分析几何畸变、SNR和CNR等参数。

设计考虑因素
研究系统梳理了体模设计的五大原则：测量目标（如弛豫时间T₁/T₂、扩散系数）、材料生理等效性（提出铜离子溶液作为弛豫修饰剂）、物理特性（采用圆柱形水填充结构减少空气-组织界面伪影）、制造工艺（对比熔融沉积与光固化3D打印密封性）、安全性（避免尼龙紧固件吸水变形）。特别强调了低场系统中磁化率匹配的重要性，提出通过数值模拟优化壳体形状。

开源体模实现
迭代开发了两代体模原型：初代采用平顶圆柱设计（直径18 cm），改进版增加穹顶结构以适配头部线圈。创新性使用食品级铜锌补充剂（15-45 mg Zn/2-6 mg Cu）配制T₁/T₂修饰溶液，通过Falcon管阵列实现模块化样本布局。关键制造突破包括：PLA壳体经Plasti Dip涂层实现防水，Buna-N橡胶圈确保密封，并对比了Prusa FDM与Formlabs SLA打印的组件精度差异。

性能验证结果
在64 mT场强下，T₂加权图像的SNR（2487）和CNR（2481）显著高于T₁加权图像（SNR=332），证实了铜离子浓度梯度（2-6 mg）产生的弛豫对比效果。几何畸变分析显示，相邻样本管中心距偏差<1像素（1.6 mm），满足临床精度要求。穹顶设计使体模更贴合标准头部线圈，且未影响测量重复性（温差<1%）。

该研究开创性地建立了低场MRI体模的设计范式，其开源特性（提供CAD文件和制造指南）显著降低了研究门槛。通过商用材料实现组织模拟，解决了传统体模依赖专用化合物的局限。提出的模块化设计支持扩展功能组件（如扩散梯度模块），为多参数定量MRI奠定了基础。未来可结合数字体模技术实现虚拟验证，推动低场MRI在资源有限地区的应用，这对全球医疗公平性具有重要战略意义。