利用填充有磁体的聚合物通过增材制造技术使射频线圈在磁共振（MR）环境中不可见

《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》：Making RF coils MR-invisible by additive manufacturing using magnetically filled polymer

　　磁铁矿填充聚合物材料用于RF线圈 housing，有效消除背景信号并维持成像性能。通过3D打印制造空心圆柱形前体，实验表明5%磁铁矿填充可完全抑制线圈信号，2.5%填充实现信号显著降低。尽管引入场不均匀性，但短T2序列仍能保持高SNR和信噪比。该方法简化线圈设计，适用于短T2组织成像。

　　在医学影像领域，磁共振成像（MRI）技术因其非侵入性和高分辨率而被广泛应用于人体组织结构的可视化。然而，在实际应用中，MRI设备中的射频（RF）线圈及其相关组件可能会对图像质量造成干扰，尤其是在短T2（T2*）成像中。短T2成像常用于观察具有极短弛豫时间的组织，如骨骼、肌腱、韧带、牙齿、髓鞘、胶原蛋白以及肺部等。这些组织的信号衰减非常迅速，通常在微秒级别，因此对成像系统中的任何额外信号都极为敏感。射频线圈的外壳和其他结构在MRI过程中也可能产生信号，这些信号会通过不同的机制被引入到成像视野中，从而造成背景伪影。这些伪影可能表现为图像中的模糊区域、强度变化或相位失真，严重影响图像的清晰度和诊断价值。

为了消除这些背景伪影，目前的解决方案通常需要在成像序列中做出调整，例如通过增加成像视野（FOV）的范围、使用带通滤波器、或者进行外体积抑制等。然而，这些方法往往会对成像性能产生负面影响，例如降低信噪比（SNR）或影响成像的稳定性。此外，一些替代方案，如使用氢-1（1H）信号较少的材料（如玻璃或聚四氟乙烯）制造线圈外壳，虽然可以减少背景信号，但同时也限制了线圈的设计和制造，增加了成本和操作难度。特别是玻璃材料的重量较大，使得线圈在实际使用中不够灵活。

因此，本研究提出了一种新的方法，即通过在射频线圈的制造材料中加入磁性粒子，使线圈本身在MRI中变得不可见，从而有效消除背景信号，而不影响成像序列的设置。这种方法的核心思想是利用磁性粒子产生的局部磁场扰动，破坏线圈材料中信号的相干性，使其在短T2*成像中迅速衰减，从而不被成像系统捕捉到。这种技术的关键在于如何选择合适的磁性材料，并将其均匀地分散在制造线圈外壳的聚合物中，以实现信号抑制与线圈性能之间的平衡。

研究团队采用了一种新型的制造方法，即通过3D打印技术，使用磁性填充的聚合物丝材来制造线圈外壳。这种材料是以聚乳酸（PLA）为基础，并加入不同比例的磁铁矿（Fe?O?）粉末，以增强其磁性特性。磁铁矿是一种常见的铁磁性材料，具有较高的饱和磁化强度，同时在化学稳定性、抗腐蚀性和抗燃性方面优于铁。通过调整磁铁矿的填充比例，研究人员能够控制线圈外壳的磁性行为，从而在不影响线圈整体性能的前提下，有效降低其对图像的干扰。

实验结果表明，当磁铁矿填充比例为2.5%时，线圈外壳的信号衰减显著，几乎不会对图像造成干扰，同时其磁性影响也相对可控。在填充比例为5%时，线圈外壳的信号几乎完全消失，达到了背景消除的效果。然而，较高的填充比例会导致磁性材料对主磁场（B?）的扰动增加，从而影响图像的场均匀性。尽管如此，这些扰动在短T2*成像中并不构成主要问题，因为短T2成像通常使用较高的梯度场强度，能够有效抵消由于磁场不均匀性引起的伪影。

在实际应用中，研究人员还评估了不同填充比例对线圈性能的影响，包括线圈的品质因数（Q值）、激发效率、图像信噪比（SNR）以及在磁体中的受力情况。结果显示，填充磁性材料并未显著降低线圈的Q值和激发效率，同时还能有效减少背景信号。此外，通过比较不同填充比例的线圈外壳在MRI中的表现，研究团队确认了填充比例对信号衰减和磁场扰动之间的平衡点。在2.5%的填充比例下，线圈外壳的信号被显著抑制，同时其对主磁场的影响也处于可接受范围内。

在图像质量方面，使用磁性填充的线圈外壳能够显著减少背景伪影。在大FOV成像中，纯PLA外壳的信号会显著地出现在图像背景中，而磁性填充的外壳则几乎不产生信号，使得图像背景干净。这种背景消除的效果在短T2*成像中尤为明显，因为此时信号衰减非常快，任何额外的信号都难以被保留。此外，研究团队还进行了人体腕部的活体成像实验，结果显示使用磁性填充的线圈外壳能够获得清晰的短T2*图像，而不会受到线圈材料的干扰。

从材料科学的角度来看，磁性填充的线圈外壳不仅改善了成像质量，还为线圈设计提供了更大的灵活性。传统的线圈外壳材料如玻璃和聚四氟乙烯虽然能够减少背景信号，但它们的物理特性和制造工艺存在诸多限制。相比之下，磁性填充的聚合物材料具有更广泛的适用性，可以在不影响线圈整体性能的前提下，实现信号抑制。此外，这种方法不需要对成像序列进行修改，从而避免了因序列调整带来的性能下降。

在安全性和操作性方面，研究人员也关注了磁性填充材料可能带来的影响。由于磁性材料会与MRI设备的主磁场相互作用，可能会产生一定的力和扭矩，特别是在线圈进入磁体孔道时。因此，研究团队建议在设计和安装线圈时，采取适当的固定措施，以确保操作的安全性。此外，磁性填充材料的使用还可能对磁场均匀性产生一定影响，这需要在成像过程中进行校正，例如通过二次磁体调整（shimming）来优化图像质量。

总的来说，本研究提出了一种创新的解决方案，通过在射频线圈外壳中加入磁性粒子，有效抑制了背景信号，从而提升了短T2*成像的质量。这种方法不仅避免了传统解决方案对成像序列的依赖，还简化了线圈的设计和制造过程，提高了MRI系统的整体性能。未来的研究可以进一步探索磁性填充材料的优化，例如通过调整磁性粒子的尺寸和分布，以减少对主磁场的影响，同时保持良好的信号抑制效果。此外，该方法还可推广到其他类型的MRI成像，如梯度回波成像或快速成像技术，从而实现更广泛的临床应用。