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超低场磁共振成像设备（ULF-MRI）具有成本低、重量轻、体积小的优点，可用于重症监护室床旁成像等场合。然而，由于其主磁场强度较低，信噪比受限。本文基于低频表面超材料的思路，提出了一种电感-电容谐振阵列，用于提升超低场磁共振成像的信噪比。在自主研发的54.6 mT（2.32 MHz）的MRI系统上实现了成像，图像信噪比得到显著提高。

研究背景

近年来，磁共振装备的研究呈现出两个趋势：一个是超高场路线，一个是超低场路线，前者追求提高图像分辨率，后者追求使用的便捷性，满足“随地即时”成像的临床需求。而超低场磁共振设备由于其磁场强度较低，信噪比受限。进一步提升信噪比是推动其广泛临床应用的关键措施。

论文所解决的问题及意义

低频超材料在磁共振中的应用尚缺乏完善的分析理论。关键问题在于其交流电阻和电感的计算，以及与射频线圈的耦合分析和超材料的射频匹配方法的考量。本研究为低频超材料在超低场磁共振中的应用提供了理论基础，有助于进一步提升信噪比。

论文方法及创新点

该文基于低频表面超材料的特性，提出一种电感-电容谐振阵列，用来提升ULF-MRI的信噪比。如图1所示，单个谐振线圈或谐振线圈阵列与接收线圈配合使用。

图1 谐振线圈/谐振阵列与接收线圈

首先，建立了图2所示的等效电路模型来评估磁场增强效果。

图2 等效电路模型

在外加电容的作用下，谐振线圈能够在磁共振频率上达到串联谐振。待测部位的磁共振信号激发谐振线圈进入串联谐振状态，产生的强大谐振电流显著增强了谐振线圈附近的磁场，从而增强了接收线圈接收到的磁共振信号，提高了信噪比。图3从磁场增强的层面展示了谐振线圈的作用。

图3 谐振线圈的磁场增强作用

其次，利用图4展示的部分元等效电路法，解决了在优化设计谐振线圈时交流电阻和信噪比快速计算的问题。在考虑涡流造成的集肤效应时，部分元等效电路法相比于有限元能够有效减少剖分单元数，并且避免了空气域的剖分，因此能够明显减少交流阻抗的计算时间。

图4 部分元等效电路法

为了实现最大传输效率，使用Π型电路将接收线圈匹配到50 Ω。当加入谐振线圈后，谐振线圈与接收线圈之间的强耦合，使接收线圈原有匹配方法失效，本工作还探讨了考虑谐振线圈耦合的接收线圈匹配方法。最后，利用自主研发的54.6 mT的ULF-MRI系统（工作频率：2.32 MHz）进行成像实验，图像信噪比得到显著提高。如图5和图6所示，单个谐振线圈使得小水膜的成像信噪比明显增强。

图5 单个谐振线圈的实验设置

图6 单个谐振线圈的成像结果

图7展示了谐振线圈阵列及其在手臂上的放置方式。图8展示了手臂截面的成像结果，谐振线圈阵列的使用明显增强了手臂的成像信噪比。

图7 谐振线圈阵列实物图

图8 手臂截面成像结果，上图为有谐振阵列的结果，下图为无谐振阵列的结果。

结论

本工作将谐振线圈（低频表面超材料）用于ULF-MRI的信噪比增强。首先以电路理论解释其工作原理，利用均匀设计给出最优谐振线圈结构，并理论解释谐振阵列的重叠解耦方法；提出偏离式匹配方法，考虑谐振耦合，在谐振线圈存在的情况下将接收线圈匹配到最大能量传输状态；在54.6 mT ULF-MRI系统中，谐振线圈及其阵列用于水模和人体手臂成像，均获得较好的信噪比增强效果，证明了谐振线圈信噪比增强的可行性及潜力。

团队介绍

孔晓涵

本硕毕业于重庆大学，博士毕业于北海道大学，现受日本学术振兴会（JSPS）资助在北海道大学开展博士后研究工作。研究兴趣包括电磁场快速计算和逆问题设计，及其在低场磁共振设备中的应用。

徐征

教授，博导，重庆大学电气工程学院。研究兴趣包括电磁场数值计算，可移动超低场磁共振技术，研制出国内首台可在重症监护室使用的床旁磁共振成像设备，协助中海油服研制出具有自主知识产权的磁共振测井系统。主持多项国自然基金项目，中海油服磁共振测井仪器项目，中国航天科技集团磁共振成像产业转化项目。担任中国电工技术学会生物电工专委会委员，电工理论专委会委员。获权发明专利30余项，转化4项，发表专著2部。

本工作成果发表在2024年第13期《电工技术学报》，论文标题为“基于低频表面超材料的超低场磁共振成像信噪比增强方法“。本课题得到国家自然科学基金项目和深圳科创委承接国家重大科技项目及深圳市科技重大专项的支持。

引用本文

孔晓涵, 张雅娜, 吴嘉敏, 贺玉成, 徐征. 基于低频表面超材料的超低场磁共振成像信噪比增强方法[J]. 电工技术学报, 2024, 39(13): 3917-3927. Kong Xiaohan, Zhang Yana, Wu Jiamin, He Yucheng, Xu Zheng. Signal-to-Noise Ratio Enhancement Method for Ultra-Low Field Magnetic Resonance Imaging Based on Low-Frequency Surface Metamaterials. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(13): 3917-3927.

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