引言
磁共振波谱（MRS）作为一种非侵入性技术，已被广泛应用于包括骨骼肌在内的多种器官和组织的代谢研究。其中，磷（31P）MRS能够直接检测工作肌肉能量代谢的关键胞质代谢物，如三磷酸腺苷（ATP）、磷酸肌酸（PCr）和无机磷酸盐（Pi）；通过分析Pi与PCr的化学位移差来测量胞质pH值；并可间接估算Mg2+、二磷酸腺苷（ADP）和一磷酸腺苷（AMP）的自由胞质浓度。当肌肉在运动方案中受到挑战时，关键代谢物测量的动力学特性可提供关于ATP周转率、氧化性ATP产生以及“线粒体容量”的信息。此外，氢（1H）MRS可以检测乳酸、乙酰肉碱、肌肽、牛磺酸、脂质和肌酸等。值得注意的是，肌酸的亚甲基（CH2，Cr2）共振峰在运动期间下降并在运动后恢复，与PCr的变化相似，而甲基（CH3）共振峰则保持恒定。结合31P MRS、1H MRS和先进成像协议，可以利用每种方法提供的互补信息，更全面地了解肌肉生理学。在7T超高场强下，1H和31P MRS都能从更高的信噪比和改善的频谱分散中获益，但需要优化的射频（RF）硬件才能充分利用这些优势。
实现多核RF线圈主要有两种方法：一种是使用相同的物理结构，通过频率分离陷阱或PIN二极管开关进行双调谐；另一种是将两个核的独立结构集成到一个线圈外壳中。单结构方法具有机械设置更简单、元素间可能发生耦合的部件更少的优点。然而，双调谐电路的额外损耗导致信噪比相对于单频操作降低25%–35%。对于本研究的目标应用，需要两个核都具有强大的线圈性能，因此多结构方法更有利，因为它为设计提供了更多的自由度，如果元素间的耦合得到充分抑制，性能损失更小。
本研究的目标是开发一种新的1H/31P腓肠肌线圈，为1H和31P提供非常高的信噪比，以改善对低自然丰度且有时频谱可见性受限的代谢物的研究。此外，我们目标是在7T下获得强且均匀的1H发射场，并具备并行成像能力，这将有利于如扩散张量成像（DTI）、动脉自旋标记（ASL）等未来研究。
方法
线圈设置
新线圈的物理布置包括三个1H收发偶极子、六个1H接收环和三个31P收发环，排列在具有矩形底座的半圆柱形骨架上。线圈元件以三个嵌套层的形式环绕目标（腓肠肌和比目鱼肌）排列。最外层是三个1H收发偶极子。为了最大化1H信噪比，一个由六个1H接收环组成的阵列直接安装在骨架上，距离小腿表面仅3毫米。在两个1H阵列之间，放置了一个由三个31P收发环组成的阵列，距离样品表面8毫米。接口组件安装在外壳底部。为两个收发阵列实施了静态B1+匀场。
去耦合策略
该线圈设计利用了多种去耦合策略。线圈布局利用了偶极子和环路由于其互补电流模式而固有的去耦合。为了进一步减少相互作用，每个31P环包含两个LCC陷阱以阻断1H频率的电流。相邻的31P环通过变压器去耦合。位于同一偶极子下的1H接收环对通过部分重叠进行几何去耦合，并通过设置1H接收元件和前置放大器之间的电缆长度来建立前置放大器去耦合。每个环还包括两个有源失谐陷阱，用于发射去耦合。在1H接收环上使用了LC陷阱来阻断31P频率的电流。
性能评估
通过测量反射和传输S参数来评估调谐、匹配和元件间耦合。使用均质凝胶体模进行磁共振测量，以评估线圈的1H和31P性能，并与参考线圈进行比较。评估内容包括翻转角图、梯度回波图像、信噪比图、B1+图以及并行成像性能。使用全波电磁仿真来确定两个收发器阵列静态B1+匀场的最佳相位设置，并评估B1+、B1-和比吸收率（SAR）分布。在获得机构审查委员会和政府当局的体内使用认证后，在健康受试者身上进行了体内磁共振成像和波谱测量，以演示线圈的应用。
结果
所有线圈元件均匹配至≤ −12 dB。元件间的最大耦合为−14 dB。31P环之间的变压器去耦合导致约−18 dB的耦合。通道间的最大噪声相关性对于1H为33%，对于31P为18%。静态B1+匀场的相对相移优化为1H偶极子阵列[0° 120° 240°]，31P环阵列[0° 120° 180°]。
在代表腓肠肌和比目鱼肌的半圆形感兴趣区域内，新线圈的1H信噪比是参考线圈的2.8倍。其发射场比参考线圈更强、更均匀。开发的线圈支持在左右和前后方向上进行4倍GRAPPA加速，平均g因子小于2，仅有轻微的折叠伪影。
在含有100 mmol/L K2HPO4的体模上测量，新线圈的频谱31P信噪比为471 ± 22，参考线圈为641 ± 26，即新线圈低27%。
在人体体素模型上的仿真显示，每1W总输入功率，31P的最大10g SAR为1.2 W/kg，1H为0.75 W/kg。体内信噪比和B1+图显示了强大、均匀的B1+和高信噪比。示例体内测量包括静止状态下的水抑制1H STEAM谱，以及在单次休息-运动-恢复方案期间采集的交替1H/31P波谱。从PCr和Cr2数据拟合的时间过程显示两者在运动期间消耗并在之后恢复。Cr2和PCr的消耗时间常数分别为τCr2-d= 38.5 ± 2.8秒和τPCr-d= 37.0 ± 3.2秒，恢复时间常数分别为τCr2-r= 77.9 ± 4.4秒，τPCr-r= 61.1 ± 2.6秒。
讨论
体模1H信噪比和B1+图表明，新线圈相比参考线圈有显著的性能提升，1H信噪比提高近三倍，1H发射场幅度和均匀性得到改善。此外，该线圈支持高达四倍的GRAPPA加速，而参考线圈则无法实现无严重折叠伪影的加速。与先前报道的仅1H版本相比，添加31P阵列后1H信噪比可能降低了约25%，这主要归因于与31P阵列的残余耦合、测量参数差异以及机械实现的不同。
新线圈的31P灵敏度比参考线圈低27%，这是由于设计差异造成的：新线圈的元件尺寸和样品距离更大，以容纳其下的1H接收阵列，并且LCC陷阱中的电阻元件以及31P收发环和1H接收环之间的残余耦合也可能导致少量损耗。该线圈的设计优先考虑了1H性能，因为其旨在用于信噪比和检测性严重受限的1H MRS代谢物（如肌酸的小CH2共振峰或需要抑制同频率脂质的乳酸），而先前使用参考线圈的研究中31P信噪比并非限制因素。
体内1H信噪比和B1+图显示了强大、均匀的B1+和高信噪比，特别是在动态运动研究最常见的目标之一——腓肠肌内侧肌中。测量的B1+分布与人体体素模型上的仿真场有很好的对应关系。
示例1H STEAM谱证明了该线圈从小体素采集高质量波谱的能力，清晰地显示了肌酸CH2峰，并清晰区分了TMA、肌酸CH3以及细胞内和细胞外脂质峰。即使在运动结束时消耗90%的情况下，未平均的1H波谱中小的Cr2峰也能被区分开来，并能以一致的确定性进行拟合。Cr2的消耗和恢复时间常数与从PCr数据拟合的结果吻合良好。PCr相对消耗50%而Cr2消耗90%的差异可能部分是由于用于31P采集的DRESS层面体积较大，包含了肌肉中与1H采集所用半LASER体素不同的区域。此外，改变Cr2可见性的确切机制尚未完全阐明。
交替进行多核采集的优点在于可以在单次扫描中获取两个数据集，这减少了测量时间，更重要的是可以从同一生理状态获取多参数信息，这在连续测量中无法精确复现。在此类测量中，可以通过为每次31P采集获取多个1H波谱来进一步提高1H信噪比。
结论
新线圈设计成功整合了多种不同的去耦合策略，形成了一个高密度、多核阵列，结合了九个1H和三个31P通道，且电磁相互作用有限。定制线圈外壳为线圈元件、电缆和接口组件提供了机械稳定性，便于操作并确保受试者安全。该线圈优异的1H性能将允许以更高的精度和更高的时间或空间分辨率执行现有的磁共振成像和波谱协议。其并行成像能力将改善使用DTI进行的肌纤维追踪，进而为优化具有方向依赖性可见度的代谢物（如肌酸或乳酸）测量序列参数提供有价值的信息。更高的1H信噪比和改善的发射均匀性将使得先前因信噪比不足而无法在体内实施的新序列得以使用，这对于生成研究肌肉代谢的新方法具有重要价值。
