在医学影像领域，如何在不牺牲安全性的前提下，获得更高分辨率、更清晰的人体组织图像，一直是科学家们追求的目标。尤其是对于眼睛、眼眶这样结构精细、对热量又敏感的区域，传统的磁共振成像技术常常面临信号不均匀、穿透深度不足等挑战。我们常常好奇，能否通过新型材料的设计，来突破现有射频天线的性能极限，实现对深部组织和精细结构的高清成像？近年来，随着电磁超材料技术的成熟，科学家们开始尝试将其与MRI射频天线融合，探索全新的成像解决方案。

2026年3月，Advanced Materials（IF=29.4）上发表了一篇题为"Metamaterial Antennas Enhance MRI of the Eye and Occipital Brain "的文章，该文献报道了一种基于超材料（Metamaterial）的集成射频天线（MTMA），能够在7.0T MRI下实现眼部、眼眶及枕叶皮层的高分辨率成像。研究发现，通过将一种新型的双开口环谐振器单元排列成超材料层，并将其与双通道环路天线集成，可以显著提升发射场的效率和接收灵敏度。这种结构上的集成设计使得天线在发射和接收模式下均表现出优于传统环路天线的性能，不仅增强了信号覆盖深度，还改善了图像均匀性。研究进一步在健康志愿者和眼科患者中进行了验证，成功实现了对视网膜病变、眼眶血管畸形和鼻窦囊肿等临床情况的高清成像。

近年来，超材料（Metamaterials）作为一种人工电磁介质，通过亚波长单元结构的设计，可以实现自然材料所不具备的电磁特性，如负介电常数、负磁导率等。在MRI领域，超材料可用于局部增强射频场、改善B1+均匀性、降低SAR热点。

一种称为超材料集成天线（MTMA）的新型射频装置将超材料结构与线圈融为一体，实现了对发射和接收场的协同调控。

"我们设计的DS-SRR单元工作于7.0T的拉莫尔频率（约297.2 MHz），其亚波长特性（尺寸λ/38）使得单元阵列后能产生集体电磁共振模式，从而在近场区域形成集中且增强的磁场分布。研究人员说，"将该超材料层与环形线圈集成在同一基板上，通过近场耦合，既提升了发射效率，又在接收时充当电磁透镜，显著提高信噪比和成像深度。"

图1 双裂环谐振器（DS-SRR）单元结构设计、S参数、有效电磁参数及场分布图

图2 无线超材料表面（wMTM）的布局、S参数实测结果、以及时域和本征模下的电磁场分布图

研究人员首先通过电磁仿真优化了DS-SRR单元的结构参数，使其在297.2 MHz处呈现负介电常数（ENG）特性。然后构建了由40个单元组成的5×8阵列wMTM，并集成到双通道环形线圈的底层。平面构型（Planar-MTMA）用于枕叶成像，弯折构型（Bend-MTMA）贴合面部轮廓用于眼部成像。体模实验比较了MTMA、传统环形线圈（Loop）以及线圈+外置超材料（add-on）三种配置的B1+效率和接收信号强度。

仿真与实验结果表明，Planar-MTMA的发射效率较Loop提升约17-20%，接收信号增强约77-100%，且优于外置超材料配置。Bend-MTMA在眼部体模中发射效率提升约20%，接收信号增强约30%，并能改善传统线圈常见的双侧眼眶非对称激发问题。

图3 平面及弯折天线的设计图、实物照片及在体模上的摆放位置

图4 平面天线在矩形体模上的B1+效率与接收信号强度比较

在健康志愿者的活体成像中，Bend-MTMA展示了显著的性能优势。三名志愿者接受B1+ mapping、T2加权TSE和T1加权GRE成像。Bend-MTMA相比Bend-Loop，眼内B1+提升10-40%，T2信号增强25-51%，T1信号增强7-26%，且双侧对称性明显改善。重复性实验显示该天线性能稳定。

图5 平面天线在头模及杜克人体模型上的B1+仿真与实测结果

图6 弯折天线在头模及杜克模型上的B1+仿真与实测结果

安全性评估通过SAR仿真、生物热模拟、MR测温及光纤传感器验证。在10W输入功率下连续发射30分钟，局部温升最高约1.5°C，但5W功率下温升低于0.5°C，因此活体成像采用5W以确保安全，符合IEC标准。

图7 平面及弯折天线的SAR10g分布、温度仿真及MR测温验证

在临床可行性研究中，一名视网膜血管瘤患者（Von Hippel-Lindau病）术后16天接受Bend-MTMA扫描，清晰显示了病灶区域的瘢痕组织和未治疗的血管畸形。另在一名健康志愿者中意外发现左上颌窦囊肿。

图8 活体眼部B1+ mapping结果（三名志愿者）

图9 活体眼部T2加权TSE成像结果

图10 活体眼部T1加权GRE成像结果

图11 Bend-MTMA重复性实验（四次独立扫描）的B1+和GRE信号稳定性

图12 高分辨率眼部解剖成像及临床病例：视网膜血管瘤术后改变及鼻窦囊肿

枕叶成像方面，Planar-MTMA相比Planar-Loop，B1+提升30-44%，MPR及MP2RAGE序列显示更深的信号覆盖，清晰显示小脑等后颅窝结构。

图13 平面天线用于枕叶成像的B1+及结构像比较

这项研究不仅在电磁材料和医学影像领域取得了重要突破，也为临床诊断和治疗提供了新的工具。它提醒我们，医学影像技术的进步不仅仅依赖于更强的磁场或更快的算法，还与我们如何巧妙地设计电磁结构、操控物理场有关。这种超材料集成天线可能反映了我们对电磁波与生物组织相互作用规律的深刻理解，从而在潜移默化中提升着我们诊断疾病的能力。

尽管这项研究取得了令人兴奋的成果，但它也存在一些局限性。首先，研究中的超材料天线目前仅支持双通道配置，尚未实现高密度阵列，这可能限制了其在更高加速因子下的并行成像潜力。未来的研究需要在更多通道数和更复杂的阵列配置中进行，以验证这种设计是否能在更广泛的临床应用中都成立。其次，研究中的在体验证主要聚焦于眼部及枕叶区域，样本量相对有限，尚未在大规模、多中心的临床试验中验证其普遍适用性。

此外，虽然研究通过电磁仿真和热学测量验证了安全性，但仍可能存在一些未测量的个体解剖差异（例如面部曲率、组织电导率变化）对天线性能和安全性产生影响。未来的研究可以进一步探索这些潜在因素，以及如何通过可调谐或智能化超材料设计来适应不同患者的个体差异，共同提升MRI的成像质量和安全性。

参考文献

N.Saha,B.Nurzed, M.Berangi, et al. “Metamaterial Antennas Enhance MRI of the Eye and Occipital Brain.” Advanced Materials (2026): e17760 doi: 10.1002/adma.202517760.

咨询来源

https://medicalxpress.com/news/2026-02-mri-antenna-boost-image-quality.html

编译：邹极聪

审核：薛晓萌