张孝通团队在《Nature Communications》发表超高场磁共振新型电磁发射技术的研究成果

经典的磁共振成像（MRI）射频系统架构主要建立在准静态假设之上，通常采用圆柱谐振腔设计，如鸟笼线圈和横电磁模线圈等（参见图1a&b）；然而这种设计会在成像物体内产生驻波，在超高场（≥7T）环境中的电大尺寸物体（如人体）内部形成非均匀的射频磁场，从而对成像质量产生不利影响。尽管有研究提出将MRI系统的圆柱孔径用作圆波导，以传播行波电磁场，从而实现磁共振行波成像（参见图1c），但该方法仍面临发射效率低下和波导不连续导致的次生驻波问题。这些问题严重制约了行波成像在实际应用中的效果和范围，因此仍需进一步研究和改进。

针对以上问题，浙江大学电气工程学院“百人计划”研究员张孝通与其合作团队创新地引入介质波导结构至磁共振行波发射系统中，旨在有效调控金属波导内的辐射近场区电磁波，以增强波导系统内能量传输效率，并解决电大尺寸物体内部射频发射场的不均匀性问题。该工作于2024年3月14日发表于《Nature Communications》（https://doi.org/10.1038/s41467-024-46638-5），题目为“Subwavelength Dielectric Waveguide for Efficient Travelling-Wave Magnetic Resonance Imaging”。

如图1d所示，张孝通团队对介质波导在模式转换、波阻匹配、能量聚焦和相速度匹配等方面的特性进行了深入研究，并创新地设计了一种空心介质波导结构；该结构能够包绕电大尺寸的成像物体，同时在成像区域内实现横电模式到横磁模式的转换 – 这种独特的模式转换能够最大化磁共振自旋激励所需的横向磁场分量，从而显著提高发射效率。此外，团队还提出利用高介电常数材料来降低空心波导内的局部波阻抗，以实现波导传输系统内的波阻匹配和局部能量聚焦 – 这一创新举措不仅进一步提升了射频场的均匀性和发射效率，还有效地解决了电大尺寸物体内部射频发射场不均匀的问题。团队还巧妙地利用无损介质边界切向场分量具有连续性的特性，大幅降低了电大尺寸物体周围空间的电磁波传播相速度 – 这一创新技术有效减少了介质与空气交界处的相速度失配问题，为实现更均匀的射频场分布提供了有力支持。

图1. 3T与7T MRI电磁发射系统示意图

一系列电磁数值建模仿真和人脑7T MRI实验结果均证实，通过引入介质波导结构到超高场磁共振行波发射系统中，张孝通团队成功实现了对传统行波发射方法的显著改进，将人体头部MRI信号强度提升了114%以上；同时其发射效率保持与经典谐振腔（鸟笼线圈）方法相近，有效抑制了驻波效应带来的“中心亮”效应， MRI信号的均匀度比传统商用发射线圈提升了22%以上，显著提升了超高场MRI的图像质量和准确性。这一创新成果对于推动超高场MRI技术的发展和应用具有重要意义。

张孝通研究员是文章的通讯作者；现为西安电子科技大学“华山学者”岗位副教授的高阳博士是文章的第一兼共同通讯作者，也是张孝通研究员在浙江大学任职期间培养的首位博士与博士后。本研究得到了科技创新2030 – “脑科学与类脑研究”重大项目、国家自然科学基金项目和浙江省杰出青年基金项目资助。