清华大学精密仪器系尤政教授课题组开发了基于非线性超材料的并行磁共振成像增强方法。该研究提出了一种由非线性元胞组成的非线性超材料，旨在选择性增强磁共振成像（MRI）中的射频接收场，并与商用表面接收线圈阵列集成使用；实验验证了该超材料可实现表面线圈MRI与并行磁共振成像（pMRI）的信噪比增强。相关成果以「Nonlinear metamaterials enhanced surface coil array for parallel magnetic resonance imaging」为题在期刊Nature Communications上发表。
研究亮点
磁共振成像（MRI）技术凭借其高组织对比度、多参数成像能力以及无电离辐射的优势，成为现代医学不可或缺的工具。然而，与X射线和CT相比，MRI的医学图像采集时间相对较长。并行磁共振成像（pMRI）技术使用表面线圈阵列加速图像采集，但却常常伴随信噪比的牺牲，直接影响了图像质量。超材料的应用展现了增强MRI信噪比的巨大潜力。然而，现有超材料的研究主要集中在体线圈和单环线圈的应用，关于其在pMRI线圈阵列中的集成与优化研究不足。
针对这一问题，尤政教授课题组提出了一种利用非线性超材料增强pMRI信噪比的方法。该方法利用超材料对MRI中射频接收磁场的局部增强，实现图像信噪比的提升。同时，通过调控超材料与表面线圈阵列的耦合强度，优化超材料的信噪比提升效果。该方法实现了最高3倍的信噪比增强倍数和最大55 mm的增强深度，兼容2到4倍加速的GRAPPA并行成像算法，通过应用超材料有效减轻了高加速倍数成像下的信噪比损失问题。
图1 | 非线性元胞(b)排列形成超材料结构(a)的示意图。(c) 同相谐振模式下的磁场分布。
图2 | 人体成像实验装置示意图（NLMM：非线性超材料）。
超材料非线性响应的场-路联合仿真方法
研究团队设计了一种由非线性元胞组成的非线性超材料。这些元胞和超材料结构具备自适应响应能力，能够根据MRI射频场的强度自动调节其谐振频率和谐振强度，实现选择性地增强接收场并避免非均匀激励和射频沉积安全问题。针对超材料的非线性特性，研究团队开发了一种电磁场-电路联合仿真方法，通过引入非线性元件的SPICE模型构建了非线性超材料的综合模型，并利用时域单频激励计算非线性超材料的时变响应。随后，通过扫描激励信号的频率和幅值获得超材料对于射频场强度依赖的频谱特性，解决了超材料的非线性响应仿真的难题。该仿真方法区别于传统的静态仿真，不仅能够预测非线性超材料在不同电磁环境下的性能表现，还为优化元胞设计提供了重要参考。
图3 | (a, b) 低功率和高功率激励下的频率响应。(c, d) 低功率和高功率激励下磁场增强倍数的仿真分布图。
表面线圈成像与并行成像实验验证
研究团队将非线性超材料集成至商用接收线圈阵列中，通过调控超材料与表面线圈阵列的间隙距离，优化了超材料与并行线圈阵列的耦合强度，显著提高了系统的兼容性和易用性。实验结果表明，该技术实现了最高3倍的信噪比提升，以及在体模成像中最大55 mm、人体成像中最大40 mm的增强深度。此外，在采用4倍加速的GRAPPA并行成像算法时，原本由于加速导致的图像细节丢失，通过应用超材料得到了有效恢复。
图4 | 在不同加速倍数下，使用和不使用非线性超材料获得的图像对比与不同离散距离处的SNR量化结果。
总结与展望
非线性超材料在并行磁共振成像中的应用推动了高信噪比和高时间分辨率的MRI技术的开发。研究团队的非线性超材料增强并行磁共振成像技术，具有以下优势：
1. 显著提升信噪比：通过非线性超材料的设计与集成，实验验证了该技术在模型和人体成像中的信噪比提升。相较于传统方法，如增加线圈通道数量或提高磁场强度，超材料提供了一种更为经济且高效的信噪比提升方式。
2. 非侵入性与易集成性：该非线性超材料不需要对现有的MRI硬件进行任何改动，能够直接集成到现有的接收线圈阵列，具备极高的兼容性。由于无需修改脉冲序列或增加复杂的电子元件，极大地方便了其在临床场景中的推广与应用。
3. 适用于临床浅层组织成像：该技术在浅层组织成像中展现出特别的优势，尤其适用于如甲状腺、颈动脉、颞下颌关节及大脑皮层等部位的成像，这对于诊断这些解剖区域的病变具有重要临床价值。
论文信息：
该研究得到科技部重点研发计划、自然基金区域联合等的支持。
Li, B., Xie, R., Sun, Z.et al. Nonlinear metamaterials enhanced surface coil array for parallel magnetic resonance imaging. Nat. Commun. 15, 7949 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52423-1
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