MRI是全球诊所的中流抵柱。它是一种成像技术，可提供无与伦比的解剖学和病理学信息，同时还可避免暴露于电离辐射中。但是，MR确实有一些限制。MR信号来自正在成像的解剖结构中的一小部分质子。因此，将MR信号与噪声分离是困难且昂贵的。质子还受到射频（RF）辐射的激励，该射频辐射虽然非电离，但在组织内以热量的形式散发能量。结果，出于患者安全的原因，对临床MR扫描器可以操作的最大RF功率存在监管限制。由波士顿大学张欣领导的研究小组开发了一种新型的MR信号接收器线圈，该线圈可以放大在图像采集过程中采集的MR信号，而不会增加扫描过程中发射的RF功率。该方法可以为更快、更高质量的MR成像打开大门，同时保持与MR扫描相关的患者高水平安全性。

研究人员（左起）：赵晓光，张欣和斯蒂芬•安德森。

走向非线性

可以将MR扫描看作是RF脉冲的乐曲，其中散布着经过专业计时的磁场梯度。在MR检查期间，梯度方向的快速切换会产生令人讨厌的球拍。RF脉冲用于激发患者的质子进行连贯运动。质子运动后，可以关闭外部施加的RF，并且质子会自行产生RF辐射，正是这个被记录为MR信号。

超材料，由于其结构而具有不易在自然界中复制特性的复合材料，并不是新生事物。线性超材料已用于通过放大RF脉冲来改善MR图像中的信噪比（SNR）。线性超材料的问题在于，在激励和信号采集期间都会发生RF放大，这意味着会吸收更多来自RF场的能量。在长时间内，这种射频吸收会带来安全隐患，从而限制了线性超材料的实用性。为了解决这个问题，Zhang和他的同事通过将线圈电路中具有小断裂的线圈（称为裂环谐振器）耦合到线性超材料，从而制作了非线性超材料。他们使用3D打印的脚手架来构造新的复合材料。使用裂环谐振器使研究人员可以控制其非线性超材料对施加电磁场的响应。

超材料由耦合到裂环谐振器的螺旋线圈阵列组成。该设备与3D打印支架固定在一起。（由波士顿大学张欣提供）

该团队使用模型和模拟结果表明，新型复合材料的共振频率是所施加电磁场强度的函数。在高场强期间，就像质子激发时一样，非线性超材料的共振频率下降，并关闭线性超材料引起的放大。相反，当磁场强度低时，如在读出期间，非线性超材料会增强接收线圈中的信号。张说：“我们的方法使我们能够提高接收到的[SNR]，而不会在传输侧遇到过多的[RF吸收]问题。”

瓶子和洋葱

为了通过实验验证这种新的超材料，研究人员使用临床和非临床MR成像序列对一个装满油的水瓶和一个洋葱进行了成像。他们发现非线性超材料可以无缝集成到各种临床MR成像协议中。

洋葱的这两幅图像展示了使用张欣及其同事开发的智能超材料可以实现信号增强。（由波士顿大学张欣提供）

他们的数据显示峰值SNR增强了近16倍。 比较还表明，随着超材料与成像体积之间距离的增加，非线性超材料所实现的SNR增强更大且衰减更慢。“非线性材料在临床上已经有好几年了，但是这种方法解决了临床采用的主要障碍，” Zhang认为。 在不增加RF功率的情况下增加MR成像中的信号可以帮助减少扫描时间，增加部门吞吐量，并使更多的患者能够使用MR的诊断功能。

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