《ACS Photonics》：Volumetric B1+ Field Homogenization in 7 T Brain MRI Using Metasurface Scattering
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本文提出并验证了一种用于7特斯拉超高压磁共振成像的体积极化方法，该方法基于电磁波散射理论和进化剪枝优化技术，设计相位可控超表面，成功解决了脑组织中B1+场空间分布不均与局部过热问题。通过系统性的设计与验证，在多种真实头部模型中实现了超过两倍的场均匀性提升（变异系数平均降低48.5%），并显著抑制了局部比吸收率（平均降低23.0%，峰值降低23.6%）。这项被动式方案可无缝集成于现有MRI系统，无需硬件改动，为提升超高场脑部神经连接诊断的精准度提供了创新且稳健的解决方案。
引言：迈向更高分辨率的挑战
在无创、高分辨率的人体内部结构与生理过程可视化方面，磁共振成像（MRI）已成为一项关键技术。其成像性能的核心驱动力是主静磁场B0，它直接决定了最终的信噪比、空间分辨率和对比灵敏度。当磁场强度提升至7特斯拉以上，即进入超高压（UHF）MRI范畴，它为诊断如阿尔茨海默病、帕金森病等复杂脑部疾病以及更精确的全脑分类提供了前所未有的可能性。
然而，挑战也随之而来。在7 T及以上的MRI中，与B0成正比的发射射频磁场B1+的拉莫尔频率随之增高，导致其波长在人体组织内缩短至与人脑尺寸相当甚至更小。这引发了复杂的电磁多模干涉，最终在生物介质谐振腔内产生严重的B1+场不均匀性。典型的后果是B1+场能量过度集中在头部中心区域，导致远端或不均匀区域的信号衰减，这尤其妨碍了对涉及全脑网络的疾病（如帕金森病）的准确诊断。因此，实现整个脑体积的B1+场均匀化，对于获得高信噪比、均匀成像对比度以及更精确的神经诊断成像至关重要。从电磁学角度看，这一挑战在于：在一个由随机、异质、耗散性材料填充、且被外围固定射频线圈激发的、具有高度变形和波长尺度的多模谐振腔内，如何实现均匀的B1+场，同时最小化电磁能量吸收。
过去的研究主要分为两类：被动结构法和主动并行射频发射法。被动方法利用高介电常数材料或超表面阵列，在邻近区域局部调整B1+场强。然而，在UHF MRI的介观尺度下，将人脑视为弱散射体的传统假设不再成立，因此被动方法难以实现全脑体积的场均匀化。主动的并行射频发射（pTx）技术则通过多通道发射线圈主动调制射频电流，类似于微波相控阵天线或光学空间光调制。尽管具有动态可重构的优势，但pTx方案也存在线圈设计复杂、硬件与控制成本高、以及因电场不可预测的干涉而可能增加最大电磁吸收等安全风险。
设计概念：源于散射理论的优化框架
本研究提出了一条全新的路径：利用相位可控超表面固有的波前调制能力，通过被动式设计实现全脑区域的体积极化。本质上，这可以看作是一种利用被动相控阵（以近场超表面的形式）实现的“类pTx”方案。
研究聚焦于7 T脑MRI的常规操作环境。为了系统性地解决这个空间复杂性问题，我们借鉴了散射理论中的一个概念。我们将超表面视为一组离散的散射体，其目标是通过优化这些散射体的复数值权重组合，来最小化目标区域V内的场变异系数。具体流程包括：首先，通过全波分析获取每个潜在超表面位置产生的磁脉冲响应。其次，利用梯度下降法优化一组复数值权重，以最小化CV。最后，通过“剪枝”技术，剔除对均匀化贡献相对较小的散射体，从而在保持高性能的同时，降低系统的几何复杂度并增强实现的稳健性。
优化过程与结果验证
为了验证该优化方法，我们使用经美国FDA认证、并经过实验验证的商用软件Sim4Life中的有限差分时域求解器，在Duke（成年男性）、MIDA（成年女性）和缩小版Duke（男婴）这三种具有代表性的真实人体头部模型上进行了第一性原理分析。我们设计了具有超高有效介电常数的铜线超表面结构，以确保其权重调整范围超越传统材料或超材料的限制。
优化过程表明，梯度下降加权过程能有效实现场均匀化。剪枝技术则允许我们将参与的超表面物体数量从6个减少到4个，同时保持较低的成本函数值，证明了该进化优化过程能够产生几何结构简化且稳定性增强的高性能超表面设计。
场均匀化性能与局部加热抑制
将优化得到的权重解视为基于散射理论的理想条件后，我们采用深度优先搜索算法，通过调节剩余超表面物体的有效介电常数，来逼近这一理想场分布，同时补偿多重散射带来的微扰。
与不使用超表面的情况相比，优化后的超表面设计显著抑制了B1+场的空间局域化。整体上，Duke模型的CV从0.26降至0.15，降低了40%。尽管设计是基于Duke模型优化的，但该设计对其他头部模型也表现出优异的适应性。在MIDA模型和缩小版Duke模型上，CV分别降低了46%和44%。这证明了我们的方法对大脑随机异质材料特性及头部尺寸变化具有出色的稳健性。
对于临床安全操作，必须严格控制组织中的电磁能量吸收，以防止温度过度升高。本研究采用比吸收率作为另一项关键性能指标。与不使用超表面的基线情况相比，引入优化超表面后，所有头部模型在CV和SAR方面均得到显著改善。统计结果显示，平均CV降低了48.5%，平均SAR降低了23.0%，峰值SAR降低了23.6%，且均满足国际电工委员会规定的安全限值。与之前报道的使用定制立方体TTT线圈的主动pTx方案相比，本方法在Duke模型上实现了更好的B1+均匀性。SAR的降低以及磁场能量的平坦化，源于电场与磁场能量的分离以及磁场能量的更集中。
临床稳健性与讨论
在实际临床环境中，患者头部姿势的变化不可避免。为了评估我们场均匀化方案的稳健性，我们测试了头部在垂直平移和三种颈部旋转（屈曲、伸展、右侧屈）下的性能。结果表明，在1厘米平移和5度旋转范围内，优化后的超表面设计均能稳定地维持ROI内的B1+场均匀性。对于不同头部模型，在所有姿势下CV值均有显著降低（Duke模型至少降低35.8%，MIDA模型至少降低46.9%，缩小版Duke模型至少降低52.1%）。这证明了我们基于优化和简化超表面的设计策略，能够在动态变化的实际治疗环境中实现稳定的UHF MRI操作。
我们的超表面设计目标是针对内径32厘米、高24厘米的圆柱形发射线圈产生的磁场进行均匀化。由于磁脉冲响应依赖于线圈设计，当使用不同线圈时，超表面结构需要相应调整。研究结果也启发我们从波物理学的角度，将人脑视为一种具有关联性无序的复杂介质。优化剪枝后超表面物体的非均匀分布，表明大脑在介电常数和电导率方面在统计上是非均匀的。而我们优化设计的跨模型稳定运行，则暗示了人脑共有的结构特征可能反映在一致的电磁响应中。
本研究存在一些局限性。由于拉莫尔波长大于线圈-超表面-模型配置间的距离，发射线圈与超表面之间存在电磁耦合，这导致了相位延迟、波前修改以及对收发器设计的依赖性。尽管承认针对特定收发器和头部模型进行超表面设计的必要性，但由于我们的剪枝算法构建原则本身与线圈类型和超表面微结构无关，因此该算法是平台无关的。
最后，在超材料设计的理念下，存在多种单元结构可以实现相同的有效介电常数和射频响应。因此，高介电常数材料、铜-高介电常数材料混合设计、本文提出的铜线设计，以及能提供更大视觉透明度的电容-线设计等方案，可以根据工业实现的成本和制造复杂性进行互换选择。
结论与展望
受格林函数方法启发，我们开发并实现了用于7 T UHF脑MRI全脑体积B1+场均匀化的系统性相位可控超表面设计。该方法的核心在于表征多个超表面散射体的磁脉冲散射响应，并通过结合梯度下降与剪枝技术，系统性地优化其复数值叠加。通过超高介电常数散射体实现的复数值加权，对波前进行调制，从而在不同头部模型上实现高性能的体积极化。该方法在方法论上类似于主动pTx方案，但通过相位可控超表面实现了被动式实现，能够无缝集成到现有MRI系统中，无需硬件修改。此外，超表面散射体的可重构性为选择性激发参与的本征模式及其叠加提供了卓越的灵活性，从而改善了全脑体积的场均匀性。值得注意的是，优化后的平台工作在非共振状态，具有增强的磁能，这有助于通过减少焦耳热来提高安全性。我们系统性的设计流程为在7 T以上实现稳定、安全的UHF脑MRI系统提供了一种通用方案，同时也为实现电磁波和声波在医学应用中所需的非侵入性场平坦化或集中化奠定了基础。未来，该策略有望扩展至3 T以上的体部MRI，并激发无序光子学领域的研究，展示如何利用脉冲响应和进化剪枝来操控散射轮廓以实现基于波的控制。
