赵乾、孟永钢等在电磁超构表面临床磁共振成像中获得突破性进展

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磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）为广泛应用的高端影像医疗设备，追求高信噪比的优良图像是其首要目标。不同于使用表面线圈、延长成像时间和设备更新等传统方法，利用电磁超构表面理论上不但可有效提升信噪比，且具有极高的效价比，但是，由于不能克服磁场增强不均、干扰射频发射场等关键问题，电磁超构表面尚不能应用于临床磁共振成像中。
         近日，清华大学机械工程系赵乾副教授、孟永钢教授团队与清华大学临床医学院郑卓肇教授团队、材料学院周济院士团队密切合作，在电磁超构表面临床磁共振成像中获得突破性进展。合作团队设计了全新的圆柱形电磁超构表面，提出了部分调谐谐振模态控制思想，获得了智能、无线、无源的MRI超构表面线圈（图1）。

图1 超构表面的构型、非线性响应控制方式及磁场分布

       该线圈无需与主机进行有线连接，使用时无需改变MRI设备的任何设置，即可大幅度提升图像信噪比，改善图像均匀度。在1.5T MRI设备上，通过对离体猪蹄、人体手腕和微结构水模的成像效果测试，其图像信噪比可提升至商用4通道表面线圈的2-3倍（图2）。此外，鉴于该线圈无需与主机有线连接，因此该线圈适用于不同厂商生产的磁共振仪。

图2 人体腕关节磁共振成像。a）商用4通道表面线圈（FLC）及超构表面线圈（ACWM）；b）不同临床MRI序列的图像对比；c）b图中信噪比的统计比较；d）图像质量评分比较

         该项技术不但可以大幅度提升1.5T MRI的成像性能，同时也提供了一种全新的MRI图像信噪比增强方法，并可推广应用至其余场强的MRI设备中，据此合作团队已经申请了多项国家发明专利和PCT，对提高我国高端医学影像技术的国际竞争力具有积极意义。
       本研究成果以“自适应圆柱型无线超构表面的临床磁共振成像”（Adaptive Cylindrical Wireless Metasurfaces in Clinical Magnetic Resonance Imaging）为题发表于《先进材料》（Advanced Materials），清华大学机械系2020级博士研究生池中海、北京清华长庚医院放射诊断科易懿和王亚魁（均为清华大学临床医学院2019年英才博士后）为本文的共同第一作者，赵乾副教授和郑卓肇教授为共同通讯作者。此外，合作作者还包括清华大学机械工程系吴茂鹏、清华大学医学院赵锡海教授和北京清华长庚医院放射诊断科王立学医师。
         论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202102469


         文章来源：清华大学
         孟永钢，清华大学机械工程系教授。长期从事机械零件摩擦学设计和表面界面科学研究，在轴承设计、摩擦磨损与润滑理论和微纳制造方面取得若干有影响力的研究成果。在国内外学术刊物发表论文250余篇，国家发明专利授权9项、国际PCT专利2项。学术兼职包括Tribology Letters, Friction, ASME Journal of Tribology三个国际学术刊物和《中国机械工程》、《润滑与密封》、《航空发动机》三个国内刊物的编委。
        郑卓肇，1996年毕业于南昌大学医学院（原江西医学院）医学影像专业，获学士学位；1998年毕业于北京大学医学部影像医学与核医学专业，获硕士学位；2000年毕业于北京大学医学部影像医学与核医学专业，获博士学位。2000年8月任北京大学第三医院放射科主治医师；2004年8月任北京大学第三医院放射科副主任医师；2010 年8月任北京大学第三医院放射科主任医师、副教授，科副主任；2014年至今担任北京清华长庚医院主任医师、副教授、教授、医技部部长、放射诊断科主任。主要研究方向为骨关节系统影像诊断和MRI新技术的临床应用，已在国内外后发表相关文章近60篇，并参与了13部影像专著的编写工作，其中《磁共振成像技术指南－检查规范、临床策略及新技术应用》一书为副主编。曾获2004年度中华人民共和国教育部二等奖和2005年度中华医学科技二等奖。
       周济，清华大学材料学院教授，中国工程院院士。1983年毕业于吉林大学电子科学系，1986年在中国科学院长春物理研究所获理学博士学位，1991年在北京大学化学系获理学博士学位。长期从事信息功能材料的研究，在低温烧结软磁铁氧体和低温共烧陶瓷（LTCC）介质材料方面取得突破，解决了无源电子元器件片式化和集成的若干关键技术难题，为国内片式电感器和无源集成产业的形成和发展做出了贡献；提出了通过超材料与自然材料融合构筑新型功能材料的思想，在此基础上率先发展出了非金属基超常电磁介质等一系列新材料。兼任中国电子学会元件分会主任委员、中国材料学会超材料分会主任委员、中国电子元件行业协会科学技术委员会副主任、中国仪器仪表学会功能材料分会副理事长、《电子元件与材料》编委会主任等。发表学术论文369篇，出版学术专著1部，授权发明专利41项，作为第一完成人获国家自然科学二等奖和国家技术发明二等奖各1项以及国家杰出青年基金、教育部长江学者特聘教授、全国优秀科技工作者等荣誉称号。