一种用于临床前磁共振成像（MRI）的高性能陶瓷体积线圈

预临床高场MRI中新型陶瓷介质谐振腔线圈的设计与性能验证。通过有限元仿真优化线圈结构（内径30mm，外径47mm，长43mm），实现400MHz谐振频率。采用双电感耦合线圈设计，无需电容器调谐匹配，品质因数达105，B1场均匀性达98.2%。实验表明陶瓷线圈在0.7mm切片层面信号均匀性97%，SNR 55-220，B1校准误差1.9%。该设计有效减少金属损耗，提升成像灵敏度和空间分辨率，为高场预临床MRI提供可靠解决方案。

康纳·S·乌伯特（Conner S. Ubert）、谢尔盖·V·佩特里亚科夫（Sergey V. Petryakov）、马切伊·M·克米茨（Maciej M. Kmiec）、瑞安·C·奥康奈尔（Ryan C. O'Connell）、维克托·B·卡西（Victor B. Kassey）和佩里亚南·库普萨米（Periannan Kuppusamy）

美国新罕布什尔州汉诺威市达特茅斯学院盖塞尔医学院（Geisel School of Medicine）放射科

摘要

我们开发了一种新型的体积型射频（RF）线圈，该线圈以圆柱形陶瓷介质（相对介电常数ε_r = 270）为核心，专为高场小型动物磁共振成像（MRI）设计。通过有限元仿真优化了线圈的几何结构，最终得到内径30毫米、外径47毫米、长度43毫米的设计，其谐振频率约为400 MHz。该线圈仅通过两个电感耦合环路进行调谐和匹配，无需使用集总元件电容。在加载状态下，线圈的品质因数为105，发射场非常均匀，未加载时的B₁均匀度达到98.2%。 phantom实验显示，0.7毫米厚切片内的信号均匀度为97%，沿线圈轴线的信噪比（SNR）范围为55至220。B₁映射证实了激励的准确性（实际翻转角与标称翻转角的平均比值为1.05），变异系数为1.9%。高分辨率的小鼠成像结果证明，这种陶瓷谐振器能够提供出色的解剖细节，证明了其在临床前MRI中的实用性。这种介质谐振器设计在保持与传统线圈相当或更优的B₁均匀度的同时，简化了硬件结构，提高了调谐稳定性，并降低了射频损耗，使其成为一种经济高效且可靠的定量高场临床前MRI解决方案。

引言

临床前磁共振成像（MRI）已成为生物医学研究中不可或缺的工具，能够无创地研究疾病模型、药物开发以及小型动物的生理过程[1]。在高场强度（7 T、9.4 T及以上）的临床前系统中，可以获得出色的信噪比（SNR）和空间分辨率，但这些优势可能会受到中等场强小型动物射频（RF）线圈相关噪声源的干扰，因为所有损耗组件（传输线、电容、屏蔽层、线圈、样本等）都会产生不可忽视的贡献[2]。

目前有多种用于小型动物成像的RF线圈设计；这些设计根据用途不同而有所区别。电感耦合环路具有靠近环路区域信噪比最高的优点，但信号强度随距离线圈的增加而迅速减弱，有效范围通常限制在直径的50–75%以内[3]。因此，电感耦合环路适用于表层成像或薄样本的检测。体积型线圈用于对整个样本体积进行成像，能够在整个样本体积内产生均匀的B₁场。然而，这些传统的LC电路设计依赖于集总电容在接近谐振状态下工作，在较高场强下难以实现整个样本体积内的最佳B₁场均匀度[4],[5]。

RF体积线圈广泛用于MRI，以实现定义成像区域的均匀激励。标准体积线圈设计包括螺线管型、鸟笼型和相控阵型。螺线管型线圈结构简单，对小样本具有高灵敏度，但其B₁均匀度有限，且受线圈几何形状和样本加载条件的影响较大。鸟笼型线圈在较大样本体积内具有更好的B₁均匀度，常用于全身和临床前成像；但在高场强下，由于波长效应和介电损耗增加，其性能会下降。相控阵型体积线圈可以提高灵敏度和并行成像性能，但由于相互耦合和非均匀的发射场，其结构较为复杂。所有传统金属体积线圈的一个根本限制是高频磁场无法穿透导体，并在其附近产生衰减，这限制了可用内部体积，因为样本必须远离导电表面放置[6],[7],[8]。

陶瓷介质线圈通过利用高介电常数材料来限制和塑造RF电磁场，从而提供了一种有吸引力的替代方案，无需使用金属组件。由于消除了导电元件，这些谐振器具有更高的填充因子，即样本可以占据整个谐振器体积，而不受金属表面的影响。在高场强下，陶瓷线圈能够提高B₁效率并改善场均匀度，同时减少导电损耗（包括皮肤效应损耗），这些因素在高频下会显著降低传统线圈的性能。这些综合优势使得其灵敏度比同等内部尺寸的鸟笼型谐振器提高一个数量级。此外，陶瓷谐振器体积小且机械性能稳定，特别适合需要高B₁场均匀度和高灵敏度的临床前MRI应用。

RF线圈最重要的特性是其灵敏度，它直接影响信噪比（SNR）。对于小型动物线圈而言，SNR大致与电阻性导电损耗的平方根的倒数成正比[2]。为了最大化SNR，应尽量减少导电损耗；这可以通过使用高介电常数的陶瓷介质谐振器并通过电感（磁）耦合来实现，从而减少金属组件及相关欧姆损耗。在本文中，我们报道了一种将陶瓷介质圆柱体与两个电感耦合环路结合使用的方案，作为高场MRI中用于小型动物成像的体积线圈。该体积谐振器的设计使得磁矢量场通过线圈孔径传播，并在样本体积中心达到最大强度。采用陶瓷材料的目的在于通过减少额外金属组件来最小化线圈的固有损耗。该谐振器不使用集总电容进行调谐，而是通过3D打印的非金属螺丝调节电感耦合环路来实现调谐。关于使用陶瓷介质材料的好处已在其他文献中有所描述[9],[10],[11]，核心观点是，这种谐振器结合了低固有损耗和最小化样本体积内的电场，从而减少了信号损耗，提高了谐振器的灵敏度（Q值）和有效B₁场，从而提升了信噪比（SNR）。

理论

使用介质材料进行RF场传播除了降低噪声外，还有其他优势，这可以通过研究电磁波与介质材料的相互作用来理解。我们可以将空气与介质边界之间的界面视为平面波的简单边界传播问题[12]。入射的平面波与介质边界相互作用时，部分波会穿透部分波会被反射

初步仿真

上述理论分析为确定该应用所需的线圈几何形状提供了有价值的起点；然而，为了在更现实条件下进行精确计算，最好使用有限元仿真。本研究使用ANSYS高频仿真软件分析了给定线圈尺寸和谐振频率（400 MHz）下的谐振模式和B₁场分布。

仿真

为了确定线圈中使用的陶瓷芯的正确尺寸，我们进行了有限元仿真。根据以往的经验和仿真结果，所选陶瓷介质材料（图2A）的相对介电常数为270，相对磁导率为1[2][3]。我们设定内径至少为15毫米（足以容纳小鼠）。作为模拟负载，使用了损耗性的水 phantom[4]。

讨论

在本研究中，我们探讨了一种用于高分辨率临床前MR成像的陶瓷介质体积谐振器的设计和性能特点。陶瓷材料不含金属成分，如果质量足够高，产生的背景噪声非常低，非常适合用作谐振器。高介电常数的陶瓷材料具有较高的介电常数，从而提高了线圈的品质因数（Q值），进而提高了信噪比（SNR）。

结论

新型陶瓷体积线圈表现出优异的B₁场均匀度和高信噪比（SNR），适用于高分辨率的临床前MRI。该设计无需调谐和匹配电容，而是通过非磁性螺丝调节耦合环路的机械位置来实现频率调整。这种方法简化了制造过程，同时保持了调谐灵活性。该线圈可以使用常见的陶瓷材料和标准实验室设备制造。

作者贡献

CSU：负责所有测量、有限元仿真、统计分析、3D打印部件设计及手稿撰写；SVP：设计并制造了线圈；MMK：设计线圈并进行了有限元仿真；RCO：参与讨论和手稿撰写；VBK：参与实验；PK：负责概念构思、手稿编辑和整体支持。

作者贡献声明

康纳·S·乌伯特（Conner S. Ubert）：负责撰写初稿、方法论设计、数据整理和概念构思。谢尔盖·V·佩特里亚科夫（Sergey V. Petryakov）：方法论设计、概念构思。马切伊·M·克米茨（Maciej M. Kmiec）：方法论设计、形式分析及概念构思。瑞安·C·奥康奈尔（Ryan C. O'Connell）：撰写和编辑稿件。维克托·B·卡西（Victor B. Kassey）：数据收集。佩里亚南·库普萨米（Periannan Kuppusamy）：撰写和编辑稿件、资源获取及资金筹措、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）的资助（R01 EB004031、R01 EB036124、R01 CA269234），以及达特茅斯癌症中心（Dartmouth Cancer Center）的“Big-bet”奖项和支持基金（P30CA023108），还有达特茅斯医学院辐射、成像、显微镜和动物癌症模型核心设施（Geisel School of Medicine at Dartmouth DCC Irradiation, Imaging, Microscopy and Animal Cancer Models Core Facility，RRID: SCR_025077）的支持。