《Nature Communications》：Improved dynamic MRI of the wrist and heart at 0.55 T enabled by rapid 3D printed flexible coils
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低场动态MRI受限于信噪比降低和加速采集带来的信号损失。为解决此问题，研究人员开展了利用快速数字化制造柔性线圈提升成像质量的研究。他们通过直接墨水书写银打印和丝网印刷铜掺杂镓铟合金技术，分别制作了四单元腕部阵列与七单元心脏阵列。实验表明，在0.55 T场强下，自制柔性线圈在动态腕部成像中实现了比商用线圈高达4倍的对比度和5倍的清晰度，心脏电影成像结果与商用线圈相当。该研究为低场动态肌肉骨骼与心脏MRI提供了一种可扩展、易获取的柔性线圈解决方案。
在医疗影像的世界里，磁共振成像以其卓越的软组织对比度和无辐射的优点，成为疾病诊断和研究的重要工具。然而，传统高场磁共振设备不仅体积庞大、价格昂贵，其高昂的维护和使用成本也限制了其在基层医疗和资源有限地区的普及。相比之下，低场磁共振系统凭借其成本效益高、结构紧凑、对金属伪影不敏感等优势，展现出广阔的应用前景。特别是在需要捕捉运动过程的动态成像中，例如观察手腕关节的活动或跳动的心脏，低场系统本应大显身手。但现实却面临一个根本性挑战：较低的主磁场强度直接带来了信号强度的大幅衰减，即信噪比降低。为了“冻结”快速运动，获得清晰的时间分辨率图像，又不得不采用加速采集技术，这进一步加剧了信号损失，导致图像模糊、细节缺失，最终影响了诊断的准确性和科研价值。
如何破解这一困局？一支研究团队将目光投向了磁共振成像链条中的另一个关键环节——射频接收线圈。它如同图像的“耳朵”，其灵敏度和贴合度直接影响信号捕获的质量。传统的硬质线圈难以紧密贴合人体不规则的、处于运动中的解剖部位，导致信号接收效率低下。虽然柔性线圈能够更好地贴合身体轮廓，但在追求柔性的过程中，常用的导电材料（如导电织物或低导电率墨水）会引入较高的电阻，产生额外的信号损耗。因此，开发一种既能紧密贴合运动解剖结构、又具有优异导电性能的柔性线圈，成为提升低场动态磁共振成像质量的核心突破口。近期，一项发表于《Nature Communications》的研究为此提供了一套创新且高效的解决方案。研究人员另辟蹊径，利用快速、低成本的数字化制造技术，成功制备了高性能的柔性射频线圈阵列，并在0.55 T的低场磁共振系统上，对腕部和心脏进行了高质量的动态成像实验，取得了令人瞩目的成果。
为了验证这一设想，研究团队主要运用了两种关键的快速数字化制造技术来制备柔性线圈。首先是直接墨水书写（一种基于挤出的3D打印技术），使用纳米银导电墨水直接在柔性基底上“书写”出精密的线圈图案。其次是丝网印刷技术，使用了一种铜掺杂的镓铟液态金属合金墨水。研究人员利用这些技术，快速制备了用于腕部成像的四单元相控阵线圈和用于心脏成像的七单元相控阵线圈。研究涉及三名健康受试者，分别使用自制的两种柔性线圈阵列和一款商用的多通道腕部线圈进行动态腕部屈伸运动的磁共振成像对比。此外，还使用自制的七单元银墨水心脏阵列与商用心脏相控阵线圈进行了心脏电影成像对比。
四单元腕部线圈的制备与性能
通过直接墨水书写和丝网印刷技术，研究人员分别制备了两种四单元柔性相控阵线圈，每个线圈单元的制造时间仅需约8分钟，材料成本低廉。电学测试表明，两种自制线圈在工作频率（23.66 MHz，对应0.55 T氢质子共振频率）下均表现出良好的阻抗匹配和较低的反射系数，并且单元间具有令人满意的隔离度，这对于多通道线圈协同工作至关重要。
动态腕部成像对比研究
在人体成像实验中，自制线圈展现出了显著优势。在相同的成像序列参数下，与商用硬质线圈相比，使用两种自制柔性线圈获得的图像，其信噪比平均提升了约2倍。更关键的是，在评价图像动态对比度和清晰度的关键指标上，自制线圈实现了高达4倍的对比度提升和5倍的边缘锐利度提升。这意味着在显示手腕肌腱、骨骼在运动中的微妙变化时，自制线圈能提供细节更丰富、边界更清晰的图像。
七单元心脏线圈成像验证
为了证明该方法的普适性，研究人员进一步使用直接墨水书写制备的七单元柔性心脏线圈阵列进行了心脏电影成像。结果显示，自制柔性线圈获得的心脏电影图像质量，在整体视觉效果、心腔边界清晰度和心肌组织对比度方面，与商用的专用心脏相控阵线圈结果相当，证明了该技术在不同解剖部位动态成像中的有效性。
讨论与结论
本研究成功地将快速数字化制造技术引入到磁共振射频线圈的开发中，创造性地解决了低场动态磁共振成像面临的信噪比不足和运动伪影难题。其核心结论在于，通过直接墨水书写和丝网印刷这两种快速、低成本的制造方法，可以制备出高性能、能与运动解剖结构高度贴合的柔性相控阵线圈。这些自制线圈在0.55 T低场强下进行动态腕部成像时，在图像对比度和清晰度上大幅超越传统商用线圈；在心脏电影成像中也能达到商用线圈的水平。该研究的意义深远。首先，它为低场磁共振系统，特别是开放式或便携式低场设备，提供了一种高性能、定制化的线圈解决方案，有望显著提升其在肌肉骨骼动态成像和心脏功能评估等临床场景中的应用价值。其次，快速数字化制造工艺使得线圈的快速原型制作和个性化定制成为可能，大大降低了研发门槛和成本，有助于促进磁共振技术的普及和创新。最后，这项工作为未来开发更复杂、集成度更高的可穿戴或嵌入式磁共振射频探测器奠定了基础，推动了磁共振硬件向柔性化、个性化和可及性方向的发展。总之，这项研究不仅证实了数字化制造柔性线圈的技术可行性，更开辟了一条提升低场磁共振成像性能的新途径，对推动低成本、高性能医学影像技术的发展具有重要意义。
