首次在10.5 T磁场强度下使用钠-质子联合收发器阵列进行人体23Na成像

《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》：First In Vivo 23Na Human Imaging at 10.5?T Using a Combined Sodium-Proton Transceiver Body Array

首次实现人体钠-23 MRI于10.5 T，采用双调谐收发器阵列和自门控技术补偿呼吸运动，验证线圈安全性和运动补偿有效性。

　　
本文围绕超高场（10.5T）人体钠（23Na）MRI技术的突破性进展展开系统分析，重点探讨了新型双调谐收发线圈阵列与自适应呼吸运动补偿技术的协同创新。研究团队通过构建具有独立调谐特性的八通道线圈系统，首次实现了人体腹部钠成像，同时验证了自门控呼吸补偿方法在超高场环境下的适用性。

线圈设计方面，采用分层PCB技术将23Na环形天线与1H偶极子天线集成在同一模块内。每个模块包含20cm长的1H偶极子天线（谐振频率447MHz）和9×16cm的23Na环形天线（谐振频率118MHz），通过轴向对齐有效降低耦合干扰。线圈组采用前后对称布局，四个单元构成前半部分，另四个形成后半部分，总覆盖范围达30×30cm2，可满足腹部成像需求。实验数据显示线圈组B1+场均匀性误差控制在±15%，且电磁仿真与实测数据偏差小于5%（NRMSE值分别为0.16和0.32），证实了设计方案的可行性。

安全评估采用三级验证体系，通过B1+场分布测量与SAR热成像双路径验证。实测表明，线圈在23Na和1H双核模式下峰值10g SAR分别为0.10W/kg和0.48W/kg，均显著低于FDA规定的安全阈值（1.4W/kg）。特别值得注意的是，针对肾脏区域（体质量约1.2kg）设计的功率限制方案，将23Na单通道最大发射功率控制在125W，1H通道限制在42W，确保在满足成像需求的同时严格遵循生物安全性标准。

运动补偿技术方面，研究创新性地提出动态自适应门控算法。该算法通过采集每个接收通道的10个门控采样点（ADC）信号，结合主成分分析（PCA）提取呼吸运动的主成分，并采用双高斯滤波器（0.2s窗口用于1H，0.7s窗口用于23Na）进行时间域平滑处理。质量评估指标Θ值定义为0.1-1.0Hz频段信号功率与1.0-10Hz噪声功率的比值，实验显示该指标在23Na和1H模式下分别达到0.98和0.995的相关系数，与真实运动轨迹的匹配度超过97%。

在运动 phantom 测试中，观察到关键的技术特性：当将呼吸周期划分为24个运动状态时，23Na图像的边缘锐度提升约40%（以b参数衡量），而1H图像的边缘清晰度达到83%的优化效果。值得注意的是，采用滑动窗口动态分组技术后，即使将24个状态合并为6个，图像的相对分辨率仍能保持89%以上，这为临床应用中的扫描时间优化提供了理论依据。

体内实验部分采用三维快速自旋回波序列（3DFLASH），通过双核同步采集实现解剖学配准。针对志愿者呼吸频率（0.15-0.25Hz）设计自适应采样策略，每30分钟扫描周期内自动调整6-24个运动状态分组。结果显示，经自门控补偿后的图像在肾皮质-髓质梯度区域（正常值梯度约2.3mM/mm）的呈现精度达到±0.15mM，较传统相位编码方法提升3倍。值得注意的是，在睡眠呼吸暂停志愿者（呼吸暂停指数达15次/小时）中，算法仍能保持0.98的相关系数，说明该方法对复杂呼吸模式的鲁棒性。

技术突破体现在三个层面：首先，双核协同成像技术使单次扫描即可获取钠和质子两种生物标志物的空间分布，为疾病诊断提供多维数据支持。其次，自主开发的电磁仿真系统（基于FDTD-FDCT混合算法）将线圈设计周期缩短60%，通过3D打印技术实现的模块化结构使线圈更换时间从4小时降至15分钟。最后，创新提出的动态门控算法在10.5T超高场下仍保持稳定性能，经测试可将呼吸运动引起的图像模糊度降低至原来的1/5。

该研究在临床转化方面取得重要进展，通过将平均扫描时间压缩至25分钟（含呼吸补偿数据采集），成功实现3例健康志愿者的完整腹部钠成像。影像学分析显示，钠浓度分布与质子MRI解剖图像的配准误差小于1.5mm，首次在人体内可视化检测到肾髓质梯度（幅度2.1mM/mm，标准差0.3mM/mm），与正常参考值（2.3±0.4mM/mm）基本一致。特别在慢性肾病志愿者（eGFR 45ml/min/1.73m2）的成像中，观察到肾间质钠浓度异常升高（较正常组增加18%±3%）。

技术局限性分析表明，当前设计存在两个主要制约因素：一是线圈结构导致的23Na接收灵敏度（0.85mV/cm2）较质子（2.1mV/cm2）低40%，这可通过优化环形天线尺寸（直径从9cm增至12cm）和采用超导接收头进行改善；二是运动状态分组过多时（>24组），图像噪声会显著增加（信噪比下降约30%），建议未来研究采用机器学习辅助的动态分组算法。

该成果对医学影像领域具有重要启示：首先，证实超高场下钠成像的可行性，为后续代谢组学研究奠定基础；其次，自门控技术的成功应用使扫描时间延长30%仍保持图像质量稳定，解决了高场强下运动伪影控制难题；最后，双核同步采集模式为多参数联合诊断提供了新范式，特别是钠浓度与质子T1/T2值的关联分析，可深入探究肾脏病理状态下离子代谢的异常机制。

未来发展方向建议聚焦于三个关键领域：首先，开发四核（23Na+1H+13C+15N）协同线圈系统，实现代谢组学研究的单次扫描完成；其次，构建基于深度学习的自适应运动补偿算法，可将呼吸运动引起的图像模糊度进一步降低至5%以下；最后，优化线圈冷却系统，使连续扫描时间从当前30分钟提升至2小时，满足长期动态监测需求。这些改进将推动钠成像从科研向临床转化的重要跨越，为肾脏疾病的早期诊断、疗效评估及预后监测提供新的影像工具。