工程师解释超材料和 MRI 增强背后的科学
近年来，超材料领域取得了长足的发展，展现出令人振奋的潜力，尤其是在推进磁共振成像 (MRI) 技术方面。由波士顿大学工程学院杰出教授兼波士顿大学光子学中心教授张欣博士领导的三项新研究凸显了该领域的光明前景。这些研究与波士顿大学 Chobanian & Avedisian 医学院放射学教授 Stephan Anderson 博士合作，发表在《先进科学》、《先进材料》和《科学进展》上，展示了增强所有患者 MRI 体验的创新方法。
从将超材料与计算机辅助刺绣技术相结合，到使用同轴电缆开发可适应 3D 弯曲身体轮廓的无线轻型线圈，每篇论文都提供了自己独特的策略。在这篇问答中，张博士讨论了她的工作如何通过融合舒适性、精确性和可负担性来塑造 MRI 技术的未来。
什么是超材料？ 《先进科学》、《先进材料》和《科学进展》文章中讨论的研究结果如何表明它们可以增强 MRI 技术？
超材料由多个亚波长级精确设计的结构组装而成，已成为一种强大的工具，可通过操纵传播波的振幅、相位和偏振来调整材料的有效特性。这些材料已得到广泛应用，包括隐形装置、完美吸收器、无线电力传输和高灵敏度传感。
超材料由于其独特的电磁场限制和增强能力，为以无线和经济高效的方式提升 MRI 成像性能提供了新的视角。
简单来说，超材料由具有电磁谐振器的单元阵列组成，这些单元的耦合产生协同作用和集体谐振模式。在 MRI 的背景下，这种协同作用最终导致 MRI 的信噪比 (SNR) 大幅增加，从而显著提高 MRI 的性能。
您的发现有何新颖且值得注意？
在这项工作中，我们率先使用现成的同轴电缆来构建适合 MRI 应用的贴合线圈和共形超材料。同轴电缆的特点是内导体被同心导电屏蔽层包围，两者由介电层隔开，可提供高效的信号传输并防止外部干扰。
通过最大限度地减少介电损耗和电容失谐，这些精心设计的谐振器可以保持高品质因数，并在 MRI 系统中对导电样品进行成像时表现出对负载变化的稳定性。与之前报道的 MRI 超材料相比，同轴屏蔽超材料由于其出色的磁响应和传统超材料中抑制的电偶极矩而提供了显着的 SNR 增益。
这些线圈利用同轴电缆固有的灵活性和电场限制特性，可以作为体线圈的附加组件以无线方式发挥作用，从而增强 MRI 成像能力。
您的《先进材料》研究介绍了由同轴电缆制成的无线 MRI 线圈的概念。这些线圈如何解决传统线圈阵列的局限性？它们具有哪些优势？
多年来，MRI 中一直常规使用传统的特定解剖结构 RF 接收线圈来提供高灵敏度的信号采集。然而，其笨重、固定且僵硬的配置通常会导致患者不适、定位困难，并且在某些情况下信号灵敏度会受到影响。
此外，针对特定解剖区域的特定线圈设计的需求导致成像中心维护 5-7 个独立线圈，从而大大增加了成本。
为了应对这些挑战，我们的研究提出了一种突破性的解决方案——无线、轻量、同轴屏蔽和保形超材料，可以适应各种尺寸的解剖结构。
所提出的同轴谐振器表现出多功能性，既可以在贴合结构中独立运行，紧密适应相对较小的解剖部位，也可以作为超材料通过电感耦合在一起运行。这允许扩大视场 (FOV) 覆盖范围以涵盖更大的解剖区域。
《科学进展》研究中提出的线圈设计如何提高患者在 MRI 扫描期间的舒适度？
《科学进展》中介绍的线圈在三个关键方面提高了患者的舒适度。首先，这些线圈的无线设计减少了定位限制，需要的调整更少，从而可以在保持信号强度和图像质量的同时，为患者定位提供更大的灵活性。
其次，线圈采用紧凑、贴合的配置设计，无需使用额外的工具或紧固件，即可轻松卡入或放置在手臂、手腕或脚踝上。最后，这些线圈具有超轻的特性，建议的同轴线圈重量仅为几十克，进一步提高了患者的舒适度。
实施这些论文中描述的技术是否存在任何挑战？如果有，您将如何在未来的研究中解决这些问题？
目前线圈和超材料的制造依赖于 3D 打印、刺绣机以及手工焊接和组装。虽然这些方法便于迭代设计改进，但对于大批量生产和潜在的商业化来说，它们可能效率低下。改进可能涉及升级制造工艺以利用自动线圈绕制系统和塑料注塑成型。
未来的努力应侧重于改进可调线圈的调谐过程。一项潜在的改进是将这些线圈无线连接到 MRI 系统以形成有效的反馈回路，实现自动和精确的频率匹配。值得注意的缺点是，由于采用无线设计，它们可能与并行成像不兼容。
这种薄、轻且柔韧的超材料可实现舒适的 MRI 体验，且不会对身体造成任何限制。图片来源：Xia Zhu 和 Xin Zhang。
然而，所提出的线圈可以提供与目前市售的表面线圈相当甚至更好的 SNR，而且成本极低。这种价格低廉、高度可定制的线圈具有巨大的潜力，可以提高低成本 MRI 在社会中的普及率，并在整个 MRI 领域找到许多不同的应用。
这些研究论文的成果如何为下一代 MRI 技术铺平道路，以及这会对临床实践和患者护理产生什么影响？
理想的下一代 MRI 线圈将结合改进的图像质量、增强的患者舒适度、增强的适应性以及在临床环境中的易于实施。
这些无线保形线圈和超材料利用同轴电缆最小化的介电损耗和最佳的形状配合设计，在信号采集中表现出更高的灵敏度。
除了提供高质量的图像外，这些无线、轻便且适形的线圈还能提高患者的舒适度并简化实施过程，最终提高患者吞吐量和影像部门的整体效率。
此外，借助超材料技术，这些线圈提供了一种无线组装多个线圈的解决方案，以实现可定制的视场 (FOV) 覆盖。这导致模块化线圈阵列系统适用于多种应用场景，无需为每个解剖区域配备多个昂贵的线圈。这些组合功能使其成为 MRI 技术领域的突破性进步。
你下一步希望学习什么？
在未来的研究中，我们旨在将这些线圈转化为临床实践，以确保新技术有效地融入临床场景并改善患者的治疗效果。
我们将与医生和技术人员等医疗保健专业人士合作，收集见解并确定该技术旨在解决的临床问题。
根据特定的临床要求，例如疾病相关部位的解剖结构、异常的穿透深度以及感兴趣区域的所需面积，我们将进一步定制线圈设计，包括其尺寸、配置和超材料中单元的组装。
通过迭代过程，我们旨在开发先进的 MRI 线圈，可无缝集成到日常医疗保健环境和现有的临床工作流程中，以改善患者护理。
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