《npj Imaging》：Enhancement of in vivo 7T magnetic resonance neuroimaging via flexible metasurfaces
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为解决超高场(≥7T) MRI中发射场(B1+)均匀性差，尤其在神经成像中信号不均的问题，研究人员开展了利用柔性超表面（metasurface）增强体内7T磁共振神经成像的研究。结果表明，与传统的介质垫（dielectric pad）和基准扫描相比，颞叶附近的成对超表面显著提升了全脑和颞叶的信噪比(SNR)，并恢复了小脑和颈部的信号。这为改善超高场MRI图像质量，推动其临床转化提供了有前景的新技术。
想象一下，医院里最先进的7特斯拉（7T）超高场磁共振成像（MRI）设备，它能提供前所未有的高分辨率和化学位移灵敏度，是窥探大脑奥秘的利器。然而，这件利器有个“阿喀琉斯之踵”：随着磁场强度提升，用于激发的射频（RF）波长变短，当波长与人脑尺寸相当时，会产生驻波效应，导致发射磁场（B1+）在颅内分布严重不均。这就像是给大脑拍照时，闪光灯只在中间亮，而两侧的太阳穴、下方的颞叶和小脑区域却陷入了阴影。这种信号不均匀性，轻则影响图像质量，重则导致误诊，严重制约了超高场MRI，尤其是神经成像的潜力和临床应用。
为了“照亮”这些信号微弱的区域，科学家们尝试了多种方法。并行发射（pTx）技术和后处理校正虽然有效，但分别面临着组织特定吸收率（SAR，反映射频能量沉积）不确定性增加以及在B1+过低时校正效果不佳的挑战。另一种主流方法是使用高介电常数材料制成的介质垫，它能通过内部位移电流产生与主射频场同相的次级场，从而增强局部信号。但介质垫通常较厚（0.5-1厘米），在已经十分紧凑的射频线圈内占据宝贵空间，且存在保质期有限、部分材料有毒性等问题。于是，研究者们将目光投向了新兴的超材料（metamaterial），特别是其二维形式——超表面（metasurface）。
超表面由周期性的导电单元构成，它支持传导电流形成次级磁场。与介质垫的位移电流不同，超表面的感应电流与主射频场存在90度相位差。通过设计（如增加分布式电容）引入人工的90度相位延迟，可以使次级场与主场同相，从而有效叠加增强目标区域的B1+场。此外，超表面具有极薄、柔韧、成本低、可重复消毒使用等潜在优势。那么，这种在3T腹部成像和7T小腿成像中已展现出潜力的技术，能否有效解决7T脑成像的痛点呢？
由P. S. Jacobs等人开展并发表在《npj Imaging》上的这项研究，正是为了回答这一问题。他们评估了在五名健康志愿者颞叶附近放置成对柔性超表面的效果，并与介质垫及无辅助的基准扫描进行了比较。研究表明，这种超表面不仅能显著提升全脑图像质量，更能针对性“点亮”信号缺失的颞叶、小脑等关键区域，为超高场神经成像的临床普及扫除了一项关键技术障碍。
研究人员为开展此项研究，综合运用了几项关键技术方法。首先，他们设计并制造了基于印刷电路板（PCB）的柔性超表面，其单元结构包含平行板电容器，并通过优化确定了11 pF的电容值。其次，他们利用全波有限差分时域（FDTD）电磁仿真软件，在包含人体头部数字模型的仿真环境中，对比了基准、介质垫和超表面三种条件下的B1+场、电场和SAR分布。最后，在7T MRI扫描仪上，对五名健康志愿者进行了体内成像实验，序列包括梯度回波（GRE）、B1+mapping、流体衰减反转恢复（FLAIR）和磁化准备快速梯度回波（MPRAGE）等临床相关序列，并通过图像后处理生成了发射效率图、接收场图和信噪比（SNR）图进行量化分析。所有体内扫描均在保守的50% SAR限制下进行，以确保安全。
电磁仿真结果
仿真结果显示，与基准条件相比，超表面在左右感兴趣区域（ROI）内将B1+场幅度分别提升了37.0%和74.3%，远超介质垫的8.6%和10.4%。同时，超表面也导致了峰值空间SAR（psSAR）23.5%的增加（从0.204 W/kg增至0.252 W/kg），而介质垫仅增加3.2%。计算出的SAR效率在超表面条件下也有显著提升。
图像增强量化结果
- 1.
GRE图像与发射效率：定性观察显示，使用超表面后，全脑和颞叶的图像信号得到一致且可重复的提升，小脑和颈部解剖结构的信号也得到恢复。定量分析表明，超表面使平均发射效率提升了13.3%（从0.045 ± 0.012 μT/V 增至 0.051 ± 0.013 μT/V），优于介质垫的4.4%提升。
- 2.
接收场图：相对接收场图显示，在两名代表性受试者中，使用超表面后，颞叶区域的接收灵敏度有定性提升，全脑图像层面的平均定量增益高达72%，局部颞叶区域增益高达124%。
- 3.
FLAIR图像SNR：在矢状面和冠状面FLAIR图像中，超表面不仅增加了全脑和颞叶信号，还改善了小脑、上颈部和下颌骨解剖结构的SNR。量化数据显示，与基准相比，超表面在矢状面全脑SNR平均提升19.4%（介质垫10.7%），颞叶SNR平均提升51.2%（介质垫40.6%）；在冠状面，全脑SNR平均提升28.1%（介质垫15.1%），颞叶SNR平均提升63.7%（介质垫31.2%）。
- 4.
MPRAGE图像SNR：在轴位和矢状面MPRAGE图像中，超表面同样带来了显著的SNR提升。量化结果显示，与基准相比，超表面在轴位全脑SNR平均提升123.5%（介质垫46.3%），颞叶SNR平均提升246.2%（介质垫91.3%）；在矢状面，全脑SNR平均提升69.5%（介质垫35.9%），颞叶SNR平均提升179.1%（介质垫94.0%）。
研究结论与讨论
本研究成功验证了柔性超表面在增强7T体内神经成像方面的有效性和初步的多受试者可重复性。与传统的介质垫相比，优化后的超表面在提升发射效率、接收灵敏度以及FLAIR、MPRAGE等临床序列的信噪比方面表现更优，甚至在介质垫未能实现信号恢复的小脑、颈部和下颌骨区域也实现了信号恢复，这对于小脑等区域的临床成像研究具有重要实用价值。
该研究讨论了超表面相较于其他校正方法的优势。相比于并行发射技术，超表面作为无源器件，避免了复杂的SAR管理和校准问题，且对大多数7T单通道容积发射线圈具有普适性。相比于介质垫，超表面在提供相当或更优性能的同时，具有更薄、更轻、保质期理论上无限、成本低、易于消毒重复使用等突出优点，与现有头部线圈的兼容性更好。研究也承认，介质垫作为成熟技术具有更可预测的安全性，因此超表面在安全特性（如SAR和局部温升）方面仍需更深入的表征。此外，当前的超表面设计存在由单元非对称加载引起的截断效应，不当放置可能导致局部信号降低，未来可通过优化单元电容分布来补偿。
研究的局限性包括电磁仿真中未完全模拟32通道接收阵列、为安全起见施加的50% SAR限制（这阻碍了在SAR密集型序列如谷氨酸加权化学交换饱和转移成像中的评估）、以及观察到的发射参考电压在实验条件间变化微小（可能与扫描仪基于全脑而非局部区域进行校准有关）等。
综上所述，这项研究证实了柔性超表面能够有效增强7T临床相关神经成像序列的图像质量，展示了该技术向临床转化的潜力。未来工作将集中于更精细的容积温度测绘、优化超表面设计以进一步提升其对质子及其他感兴趣核素的成像性能、开展更广泛的验证研究，并评估其与代谢成像（如谷氨酸加权CEST）及波谱学技术的结合应用。这项研究为克服超高场MRI的固有挑战，释放其在神经科学与临床诊断中的全部潜力，提供了一条富有前景的新路径。
