新型开放式发射与柔性接收线圈：助力超高场 fMRI 解析体感运动皮层奥秘

《Communications Biology》：Open-transmit and flexible receiver array for high resolution ultrahigh-field fMRI of the human sensorimotor cortex

为解决超高场功能磁共振成像（fMRI）线圈设计难题，研究人员开发相关线圈，提升成像性能，助力皮层功能研究。

　　在探索人类大脑奥秘的征程中，功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）是极为重要的工具。人类的体感运动功能精妙而复杂，主要由大脑中央前回和中央后回这两个初级感觉和运动区域协同完成。深入研究体感运动皮层，对于揭示人类行为和动作的根本机制意义重大。

然而，当前的 fMRI 技术存在不少问题。基于血氧水平依赖（blood-oxygen-level dependent，BOLD）对比的 fMRI 虽广泛应用，但空间分辨率不足，难以实现精准的全身躯体定位映射。血管空间占据（vascular space occupancy，VASO）成像虽能提供更高空间特异性，但也有其局限性。超高场 MRI（>3T）虽能提升成像信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）和功能信号对比噪声比，为高分辨率成像带来希望，可随着磁场强度增加，射频（radio frequency，RF）波长缩短、RF 发射场（B1+?）不均匀、特定吸收率（specific absorption rate，SAR）大幅增加等问题接踵而至。同时，传统的发射和接收线圈设计也存在诸多弊端，如传统鸟笼式发射线圈的封闭结构影响患者舒适度，不利于开展认知 MRI 实验；现有高密度接收线圈多基于刚性外壳，灵活性欠佳。

为攻克这些难题，中国科学院深圳先进技术研究院的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们设计并构建了一种适用于人体体感运动皮层 5T fMRI 的开放式发射和 24 通道柔性接收头线圈组件。该研究成果发表在《Communications Biology》上，为大脑功能研究带来了新的曙光。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是射频（RF）线圈设计，通过对 16 rung 高通鸟笼式线圈的巧妙改造，构建出开放式鸟笼发射线圈，并在接收线圈设计上采用 24 个紧密排列的 40-mm 直径线圈，以优化成像性能。其次，利用电磁模拟（EM simulation），对比不同构型线圈的性能，为线圈优化提供依据。同时，借助人体 MRI 实验，在真实环境下评估线圈性能。

下面来看看具体的研究结果：

• 台架测试结果：对接收线圈阵列（Rx array）和发射鸟笼线圈的各项性能指标进行测试。结果显示，通过几何重叠解耦和前置放大器解耦等方法，线圈元件实现了良好的调谐和匹配；发射鸟笼线圈也达到了理想的调谐和匹配状态，端口隔离度良好。
• 电磁模拟结果：模拟不同鸟笼线圈的B1+?场和 SAR 效率。数据表明，改进后的开放式鸟笼线圈在大脑前额叶区域的发射效率比其他开放式构型高 15.3%，比标准屏蔽鸟笼线圈高 7.3%，且B1+?场分布更均匀，SAR 效率比初始开放式鸟笼线圈高 10.5%，与 16 rung 标准鸟笼线圈相当。
• 体内人脑成像结果：对比 24 通道柔性线圈和 48 通道头线圈的性能。在皮层区域，24 通道柔性线圈的 SNR 提升近三倍，时间 SNR（temporal-SNR，tSNR）值更优，并行成像能力更强，能更清晰地呈现亚毫米结构，如小皮层血管。
• BOLD fMRI 评估结果：在人体运动任务的 BOLD 序列实验中，使用两种线圈采集数据。结果显示，Open-Tx/24ch 柔性线圈能更有效地捕捉手指敲击诱发的初级运动皮层和体感皮层激活，尽管体素尺寸小，但合适的成像硬件能保证充分测量 fMRI 响应。
• VASO fMRI 评估结果：在 VASO 序列的人体运动任务中，Open-Tx/24ch 柔性线圈能可靠地捕捉初级运动皮层中神经诱导的功能性脑血容量（cerebral blood volume，CBV）变化，相比 Tx/Rx 48ch 线圈，能更清晰地描绘皮层浅层和深层的活动，可用于绘制人类初级运动皮层的层状活动图。

研究结论和讨论部分进一步凸显了该研究的重要意义。开放式鸟笼发射线圈不仅提高了患者舒适度，还有助于开展视觉任务相关的脑功能研究，为超高场 MRI 全脑功能成像提供了新途径。24 通道柔性接收头线圈在解剖成像和功能成像方面，比 48 通道头线圈具有更高的 SNR 和更好的图像质量，能在亚毫米 VASO 成像中获得清晰的 CBV 变化，这对于阐明体感运动皮层的机制至关重要，有望为人类大脑功能研究和神经科学临床应用开辟新方向。