西电杭研院“超高场磁共振新型电磁激励方法”研究成果登上《自然∙通讯》杂志
超高场磁共振是物理、生物和医学研究中的尖端电磁成像装备，具有亚毫米级别高分辨率成像性能，在恶性肿瘤早期检测、无创绘制人脑介观尺度脑图谱等临床和基础研究前沿领域具有不可替代的应用价值。目前入门级7T人体超高场磁共振单台售价高达1亿人民币，国内仅有极少数医院（301医院、天坛医院等）和科研院所装备。
这样一台造价极其昂贵的医学影像装备，却难以胜任常规医用磁共振（1.5T和3T）所能开展的身体部位（胸腹部等）成像。原因在于超高场强磁共振需要使用更高频率（297MHz以上）的电磁场用于自旋质子激励，难以在复杂介质内的大尺度空间产生均匀电磁场，造成自旋质子激励过程存在偏差。该技术问题带来的图像伪影目前广泛限制着超高场磁共振在临床诊断中的应用。
近日，西安电子科技大学杭州研究院姜文教授PI团队高阳准聘副教授在超高场磁共振行波发射系统研究方面取得重要进展。研究提出了一种新型的磁共振行波发射系统，通过引入空心介质波导结构包绕成像物体，实现了电大尺寸生物体内的电磁波高效调控，解决了经典方法面临的发射效率低和大尺度空间内自旋质子激励偏差问题。相关研究成果以“Subwavelength Dielectric Waveguide for Efficient Travelling-Wave Magnetic Resonance Imaging”为题发表于《自然·通讯》杂志。同时，研究团队与浙江大学张孝通研究员合作，成果在西门子7T磁共振设备上得到了验证，可获得低驻波伪影人体头部成像数据。
▲采用新方法的7T磁共振成像结果具有低驻波伪影
主要内容
学术界与工业界近年来提出多种创新性技术，其中以相控阵线圈和射频匀场技术为主流。但是多数依然沿用容积线圈设计，难以在大空间尺度实现自旋质子无偏差激励。另一种方案是采用磁共振行波发射方法，借助超导磁体和梯度线圈的内壁作为金属圆波导用于传输行波电磁波，从而实现大空间尺度的自旋质子激励，但是该方法存在能量传输效率低的重大缺陷，且存在次生驻波等问题。
研究团队针对这一难题，通过深入分析经典磁共振行波发射系统的能量传输机理，将其面临的传输效率低的重大缺陷归结为：1）波导内部介质不连续性；2）波阻抗失配；3）填充因子低以及辐射损耗大；4）主模TE11横向磁场比例低。将波导系统内部的次生驻波问题归结为：相速度失配。
针对上述关键技术问题，研究团队创新性地将光学领域常用的介质波导引入到磁共振成像领域，并在亚波长尺度开展结构设计，以调控金属波导内主模和复杂介质中的波行为，成功实现了对经典行波发射方法的显著改进，将人体头部MRI信号强度提升了114%以上；同时其发射效率保持与经典容积线圈（鸟笼线圈）相近，有效抑制了驻波效应带来的“中心亮”效应，MRI信号的全局均匀度比传统商用发射线圈提升了22%以上，显著提升了超高场MRI的图像质量和准确性。团队提出的这一创新成果对于推动超高场MRI技术的发展和应用具有重要意义。该工作得到了国家自然科学家基金和杭州研究院概念验证基金项目的资助。
▲改进的磁共振行波发射系统及其电磁性能
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来源：汽车电子研究所
编辑：冯益华
责任编辑：王丹
审核：韩光