基于同轴电容(COCA)线圈的超高场磁共振柔性可调谐射频线圈设计与性能分析

为解决超高场MRI中大型柔性线圈难以实现一阶谐振模式的技术难题，研究团队创新性开发了同轴电容(COCA)线圈。该设计结合超软利兹线电感与短同轴结构电容，使10 cm直径线圈在7 T(298 MHz)下稳定工作于一阶谐振模式。实验表明其调谐/匹配鲁棒性、去耦性能与刚性线圈相当，且弯曲状态下信噪比(SNR)提升达20%，为肩部、足部等复杂解剖结构成像提供了新型柔性线圈解决方案。

　　

在超高场磁共振成像(MRI)领域，柔性射频线圈因其能提升患者舒适度和填充因子而备受关注。然而，当线圈直径增大时，在7 T超高场强(对应298 MHz拉莫尔频率)下实现一阶谐振模式面临巨大挑战。传统同轴电缆线圈依赖自谐振特性，但直径超过4 cm时需改用差分模式，这会导致接收灵敏度下降；而多电容分段设计虽能提升性能，却牺牲了线圈的柔韧性。这种矛盾严重制约了柔性线圈在肩关节、脊柱等大尺寸复杂解剖结构成像中的应用。

针对这一瓶颈问题，Vanderbilt大学团队在《Journal of Magnetic Resonance》发表创新研究，提出名为同轴电容(COCA)线圈的新型设计。该设计突破传统思维，不再依赖同轴结构的自谐振特性，而是将电容与电感功能解耦——采用超软利兹线(Litz wire)提供电感，短同轴结构仅作为分布式电容。这种模块化设计使10 cm直径的柔性线圈首次在7 T场强下实现一阶谐振模式工作，为超高场MRI的柔性线圈开发开辟了新路径。

研究采用四大关键技术方法：1) 通过利兹线导体与同轴电容的混合结构实现机电解耦设计；2) 采用体模实验系统评估Q因子、调谐鲁棒性等参数；3) 使用梯度回波(GRE)序列比较不同构型下SNR表现；4) 通过S参数分析验证线圈间去耦性能。所有实验均在7 T全身扫描仪(Achieva 7 T)上完成，使用标准油体模和16 cm直径圆柱体模进行验证。

硬件性能验证

Q因子测试显示COCA线圈的未加载Q值(Q_un)为102，虽低于刚性线圈(168)，但其Q比值(Q_un/Q_L)在负载条件下达13.1，表明线圈本身损耗占比不足10%。调谐稳定性测试中，COCA线圈接触体模时频偏仅6 MHz，优于单电容刚性线圈(9 MHz)，证明同轴电容结构能有效抑制寄生电容影响。

电磁特性分析

阻抗匹配测试显示，在10-25 mm距离变化范围内，COCA线圈的S₁₁始终保持在-10 dB以下，匹配性能与多电容刚性线圈相当。形状变形实验中，线圈从圆形调整为三角形、梯形时谐振频率偏移可忽略，证实其形状自适应特性。去耦测试发现30-35%重叠时，COCA线圈与刚性线圈均能达到-20 dB以上的隔离度，满足阵列线圈要求。

成像性能突破

最引人注目的发现在于SNR表现：当COCA线圈弯曲贴合16 cm圆柱体模时，在2 cm和4 cm深度区域分别获得119.7和49.3的SNR值，较扁平构型提升20-21%，显著优于刚性线圈的99.5和40.6。这种增益源于柔性设计带来的高填充因子，验证了"适形贴合提升接收灵敏度"的理论假设。

讨论部分指出，COCA线圈的创新性体现在三个方面：首先，通过机电解耦设计突破传统同轴线圈的尺寸限制；其次，4.5 cm长的同轴电容采用聚乙烯介质(击穿强度10 kV/mm)，兼具高功率耐受性和柔性；最后，该设计为未来可拉伸线圈阵列奠定基础。尽管当前版本仍需改进电缆陷阱的柔性化问题，但其已展现出在脊柱、手足关节等复杂解剖成像中的独特优势。

这项研究标志着超高场柔性线圈设计的范式转变——从依赖自谐振特性转向模块化功能分解。Ming Lu和Xinqiang Yan团队证明，通过精心设计的同轴电容与利兹线的协同作用，既能保持传统线圈的电磁性能，又能实现刚性线圈无法企及的形变适应性。随着后续柔性巴伦电路等技术的集成，COCA线圈有望成为超高场MRI解剖适应性成像的新标准。