图1 磁共振射频发射与接收示意图
Fig.1 Schematic diagram of RF transmission and reception in MRI Principle
摘要 该文提出一种基于近场耦合阵列（NFCA）的腔内无线射频线圈结构，以改善磁共振成像中深部组织的信号接收性能。针对传统表面射频线圈阵列在深部组织成像中灵敏度不足的问题，该文采用了将腔内无线线圈阵列与表面线圈阵列相结合的方法，构建一种具有高成像信噪比的近场耦合阵列。通过拓扑分析及动物实验验证，所提结构可使前列腺周围感兴趣区域的平均成像信噪比提升约97%，从而证实了其在磁共振成像中的可行性与有效性。
关键词：磁共振成像 射频线圈 腔内无线线圈 前列腺成像 信噪比
磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）是一种无创且无电离辐射的医学检查技术。凭借对人体检查高安全性与诊断有效性，其设备装机量已成为衡量地区医疗水平的重要指标。近年来，磁共振成像技术飞速发展，包括主要以提升图像质量为核心的高场磁共振系统[1-8]，以及以便携性和低成本为核心的超低场磁共振系统[9-14]。其中，磁共振射频接收线圈是磁共振成像设备中用于接收射频信号的核心部件，其性能直接决定成像质量，并进一步影响疾病诊断与治疗的准确性。
以当前全身磁共振成像系统里最先进的5 T磁共振系统为例，磁共振射频发射与接收示意图如图1所示。在超导线圈（图中未示出）的作用下，磁体内分布着沿z方向、磁感应强度约为 5 T的静磁场（主磁场B0）。其成像原理如下：氢核在静磁场B0的作用下发生进动，其进动频率f 在磁感应强度为5 T的情况下约为210.8 MHz，由主磁场强度和氢核的磁旋比共同决定。宏观上，这一过程表现为产生了一个与主磁场平行的磁化矢量M（可视作一枚微小磁针）。
在信号激发阶段，发射线圈以频率f 发射垂直于静磁场B₀的射频脉冲，氢元素吸收射频能量后，其宏观磁化矢量M从初始平行于主磁场方向的热平衡状态，以螺旋运动方式偏转至xy平面。
图1 磁共振射频发射与接收示意图
Fig.1 Schematic diagram of RF transmission and reception in MRI Principle
在信号接收阶段，射频脉冲停止发射后，处于激发态的氢质子通过弛豫过程自发跃迁至低能态，宏观表现为磁化矢量M以螺旋运动方式逐渐恢复到与B₀方向平行的热平衡状态。在此过程中，M的横向分量在xy平面旋转，引起射频接收线圈环路内磁通量的变化，从而产生感应电动势，该电动势携带了反映组织结构和特性的关键信息。
在中国，前列腺癌的发病率和死亡率呈持续上升趋势。尤其在北京、上海等经济发达地区，前列腺癌已成为男性泌尿生殖系统肿瘤中发病率最高的疾病，对中国男性健康构成了严重威胁[15]。由于癌症的早期发现与及时治疗可显著提高疗效，因此在前列腺癌的诊断与治疗中，前列腺部位的成像质量尤为关键。
传统磁共振成像通常采用覆盖腹部的表面射频线圈阵列作为信号接收装置。与远场天线不同，射频线圈的灵敏度主要依赖其近场的磁场强度，因此对距离尤为敏感。由于前列腺位于人体深部，线圈与组织间距离较远，导致灵敏度不足，进而影响成像的质量。
自 2010年以来，基于磁耦合的无线电能传输系统（Wireless Power Transfer, WPT）在电气工程领域得到了广泛研究与应用[16-22]。科学家们在传输效率[23]、传输距离及功率[24]等方面取得了显著提高。其基本原理是：当两个物体具有相同的谐振频率时，能够实现高效的能量交换。在相关研究中，能量的变化是系统设计和优化的核心关注点。
近几年，基于磁耦合原理的结构在磁共振射频线圈领域也受到广泛关注[25-31]。与能量传输领域不同，该领域主要关注信号传递过程中信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）的变化。研究人员通过将具有电磁谐振特性的无线线圈回路置于成像区域表面，构成一部分谐振器；而布置在远端的表面线圈阵列则构成另一部分谐振器。通过这种谐振耦合机制，信号能够由无线线圈传递至表面线圈阵列，从而实现相较于传统刚性表面线圈约66%的信噪比提升[32]。然而，现有研究多集中于体表成像，缺乏针对腔内应用的探索。
本研究将近场耦合阵列[32]（Near-Field Coupling Array, NFCA）结构拓展至腔内磁共振射频线圈领域，针对前列腺磁共振成像SNR不足的问题，提出了一种经直肠无线射频线圈设计。通过建立电路耦合模型分析其SNR特性，研制了双通道腔内无线射频线圈，并与柔性表面线圈共同组成接收系统，验证了该方案在改善深部器官磁共振成像中的有效性。近期国际医学磁共振年会（ISMRM）上报道了类似结构在3 T系统上的仿体实验结果[33]。本文进一步通过理论分析阐明了该结构的应用特性，并基于5 T超高场磁共振系统开展离体动物成像实验，验证了其对成像性能的提升效果。
所提出的插入式无线射频线圈结构如图2所示。由图2中可以看出表面线圈阵列、无线线圈阵列与人体组织（包括前列腺和直肠）之间的相对位置关系。主磁场B0的方向为垂直于纸面向里。
图2 射频线圈的相对位置示意图
Fig.2 Schematic diagram of the relative position of the RF coils
图2中，表面线圈阵列由m个有线的相互解耦的单匝线圈（近场环路天线）构成。各单元采用交叠式几何排布以抵消部分磁通，同时结合低输入阻抗的前置射频放大器构建并联谐振结构，通过抑制导体电流以实现单元间的解耦合[34]。因此，表面线圈阵列中的各单元可近似视为相互独立的接收单元。
无线射频线圈阵列由两个无线的射频谐振单元构成，置于直肠内部，位置上紧邻前列腺区域。该无线线圈单元之间同样通过交叠布局降低相互耦合，可视为两个相互独立的谐振单元。为便于分析与理解，在评估射频线圈对成像信噪比的提升效果时，可通过分析单个有线线圈单元和无线射频线圈单元的性能来表征整体信噪比特性。
图3为信号接收阶段，简化后的传统表面线圈单元的等效接收电路。其中，Vs0为表面线圈单元由磁化矢量M的旋转而感生电动势，L2为线圈单元本身的自感，其与电容C2、C3一起构成串联谐振。信号Vab由ab两点之间取出至前置射频放大器的输入端。R2为表面线圈单元的等效电阻，其中既包括人体组织等负载引起的样品损耗电阻，也包括线圈导体及元器件自身的欧姆损耗。
图3 传统表面线圈单元的等效电路
Fig.3 Equivalent circuit of a traditional surface coil unit
为便于理解并简化计算，本文仅考虑线圈单元环路本身的影响，而不计入后续射频传输线路的损耗。实际上，无论是采用传统的表面线圈阵列，还是将腔内无线线圈与表面线圈阵列相结合，后续传输线路对SNR的影响是相同的。
此外，由于后续接收链路中通常包含多级射频放大器，可自动将信号幅度调节至合适范围，因此在磁共振射频线圈的性能评估中，重点关注的是线圈环路输出端的SNR表现。SNR定义为目标信号电压有效值与系统热噪声电压方均根的比值。对于同一个封闭的线圈环路，即使在不同位置提取电压信号，其幅值也可能存在差异，但信噪比在理论上是相同的。
假设线圈从中开路，则开路处的输入阻抗Z2应为
（1）
由于线圈单元是串联谐振的，因此其电抗部分相互抵消，得到传统线圈单元的信噪比的计算公式[35]为
（2）
式中，kB为玻耳兹曼常数；T为热力学温度；Df为接收机的带宽。式（2）中分母项表示由欧姆损耗引起的热噪声电压。
在表面线圈阵列的应用中，当线圈与人体的位置固定时，不同距离的成像目标并不改变表面线圈单元的等效电阻R2的大小。然而，由于接收线圈的灵敏度与距离的二次方成反比，成像目标距离表面线圈越远，其接收到的信号强度Vs0就越低，从而导致信噪比显著下降。
与有线线圈单元类似，无线线圈与有线线圈单元的等效电路如图4所示。图4中，L1为腔内无线射频线圈单元的自感，与等效电容C1共同构成了串联谐振。等效电阻R1包括了人体组织在射频场中因感应涡流而产生的样品损耗电阻，以及无线线圈单元自身导体及电路元件的欧姆损耗。Vs1为磁化矢量在无线线圈单元中感应产生的电动势。相比表面射频线圈直接感应到的Vs0，腔内无线射频线圈因紧贴成像目标，因此Vs1
Vs0。此时，无线线圈单元相当于一个空间射频信号放大器，通过L1与L2之间的互感，将信号传递至表面线圈单元。
图4 无线线圈与有线线圈单元的等效电路
Fig.4 Schematic of the equivalent circuits of wireless and wired coil units
根据基尔霍夫定律，可列出两个回路之间的电压和电流关系为
（3）
式中，Z1和Z2分别为两个线圈单元独立谐振时的输入阻抗。在实验中，当两个线圈单元处于图2所示的相对位置时，由耦合带来的少量频偏可通过调节两个线圈上的电容进行校正。
将式（3）中的第三、四个方程联立，消去I2，可以得到电压Vs1和电流I1的比值，即由无线线圈端看到的输入阻抗为
（4）
由于无线线圈和有线线圈都可看作是串联谐振的，因此，Z1和Z2均可替换成R1和R2。同理，假设在有线线圈端施加不为0的激励，无线线圈端无外加激励，则有线线圈端的输入阻抗可表示为
（5）
式（5）中，分式代表由无线线圈带来的等效阻抗。
为方便后续信噪比的计算，观察式（5），可设置一个系数k，将R2对于输入阻抗的影响体现在k中，则其输入阻抗又可表示为
（6）
从有线线圈单元的角度分析，由无线线圈引起的感应电压等效为一个具有内阻R3的交流信号源Vs2，如图5所示。
图5 有线线圈单元的信号源等效电路
Fig.5 The equivalent circuit of the signal source for a wired coil unit
由于有线线圈单元的去耦设计会抑制其电流，有线线圈单元可近似为开路，由法拉第电磁感应定律，Vs2可表示为含有Vs1的表达式，即
（7）
式（7）代表该信号与无线线圈上的信号相位相差90°。
等效内阻R3可以表示为
（8）
除Vs2外，有线线圈自身直接感应到的磁共振信号为Vs0，该信号分量与单独使用表面线圈时相同，且相位可视为与Vs1相同。因此，有线线圈采集到的总信号电压Vtotal可以表示为
（9）
由信噪比的定义可知，有线线圈采集到信号的信噪比与其总的信号电压的幅值成正比，与其输入阻抗的实部引起的噪声电压成反比，即
（10）
当腔内无线线圈负载R1与表面线圈负载R2较小时，分析式（7）和式（9），信号源由Vs2主导，分析式（5）和式（6），系数k接近1，一起代入式（10）化简可得到前列腺区域的信噪比为
（11）
可以通过无线线圈在旋转坐标系下的磁场分布（B1场）计算得到，为了与有线线圈的B1场区别，写作B1W。
（12）
式中，w为系统工作频率的角频率；M0为成像区域单位体积内的磁化矢量强度；
为成像像素的体积大小。将式（12）代入式（11），可以得到
（13）
式（13）计算结果趋近于表面近场耦合阵列[32]的信噪比表现，此时系统可获得的最佳信噪比相当于在相同解剖位置放置一个与腔内无线线圈结构相同的腔内有线线圈时的性能表现。
当无线线圈和有线线圈的负载阻抗R1和R2增大时，系统的信号源由Vs0主导，输入阻抗Rin2由R2主导，将式（5）、式（8）和式（9）代入式（10），前列腺区域的SNR可以表示为
（14）
B1写作B1Y以作区分。与式（13）同理，将B1Y场代入，式（14）可表示为
（15）
在最不理想的情况下，输入阻抗中，由无线线圈带来的部分（R3）几乎可以忽略。此时，表达式退化为式（2），其SNR将趋近于仅使用传统表面线圈阵列而没有腔内无线线圈时的表现。
因此，目标成像系统的信噪比特性呈现明显的负载依赖性。基于上述分析，在腔内无线线圈的优化设计中，应特别关注线圈电路与人体组织之间的间距控制。通过合理设置该间距参数，可有效降低人体组织对线圈系统的负载效应，从而优化系统的信号传输效率与信噪比性能。
为了更直观地理解负载大小对最终信噪比的影响，本文给出了相应示意图，用以说明信号在传输过程中的信噪比变化规律。信噪比变化示意图如图6所示。
图6 信噪比变化示意图
Fig.6 Schematic diagram of signal-to-noise ratio variation
图6中，白色圆框内为感兴趣区域。在信号接收阶段，该区域内产生的信号不仅包含目标信号本身，还叠加了由感应涡流引起的样品噪声，形成混合信号。该混合信号的传递途径主要有两种：其一，信号被表面线圈直接接收；其二，如图6所示，混合信号在经过一小段距离的传播后，首先被无线线圈接收，无线线圈在接收到该信号后产生交变电流，从而在表面线圈中感应出磁通量变化，实现信号的再传递。
在信号传递过程中，混合信号的幅度随传播距离增加而显著衰减。因此，当系统中不存在无线线圈时，表面线圈接收到的混合信号较弱，叠加上表面线圈的噪声后，总的SNR往往较低，这就是传统表面线圈在深部成像时SNR不足的主要原因。
引入无线线圈后，由于其处于谐振状态，能够对接收到的射频信号产生图6中的放大作用。此时，表面线圈端接收到的混合信号幅值较大，相比之下，表面线圈自身噪声相对较小，从而总的SNR相较于仅使用表面线圈时更大。这正是无线线圈能够有效提升SNR的机理所在。
由此可以解释接收系统信噪比的负载依赖性：无线线圈中感生的交变电流放大倍数通常与其品质因数（Q值）正相关，负载越小，Q值越高，放大效果越显著。当负载较小时，无线线圈的Q值较高，信号放大倍数较大，表面线圈接收到的信号幅度远大于其自身噪声，此时系统的SNR表现接近于具有相同尺寸的有线线圈。相反，当负载过大导致Q值显著下降时，无线线圈的放大作用几乎消失，其对最终SNR的贡献接近于零，系统性能与仅使用表面线圈时相当。综上所述，系统的总体信噪比呈现出明显的负载依赖特性。
本研究所设计的无线接收系统由两个核心部分组成。第一部分为腔内无线线圈，该线圈由两个谐振单元构成，可置入直肠腔内，用于对前列腺区域的射频信号进行初步拾取和放大。第二部分为覆盖于受试体腹部表面的腹部线圈阵列，其功能一方面是作为次级接收单元，进一步拾取来自腔内线圈放大后的增强信号，另一方面也能够直接采集来自受试体其他部位的结构信息，从而为前列腺成像提供必要的空间定位。两部分共同构成了完整的无线线圈接收系统，实现了前列腺成像的局部增强与全局信息获取的结合。
直肠腔内的无线射频线圈主要由两部分组成，如图7a～图7c所示。其一为结构支撑部件，主体为直径约25 mm、长度约50 mm的圆柱段，部分结构被切除以形成中部镂空区域，用于将电路组件嵌入其中，从而保持线圈外表面的平整与光滑。其二为由两个无线线圈单元构成的电路部分，该部分采用厚度约0.2 mm的印制电路板加工而成。两个无线线圈单元在部分区域相交叠，通过抵消部分磁通量来降低耦合效应。需要强调的是，这种交叠仅限于结构上的空间重叠，两者之间并不存在直接的电气连接。
结构支撑部件的主要作用是为线圈导体提供机械支撑，对成像过程本身并无直接影响。因此，其镂空区域对空间和形状设计无特殊要求，只需能够容纳线圈导体部分的元器件即可。导体部分的主体结构由两个相互交叠的回路构成，设计的关键在于确保两个单元间具备合适的交叠面积，而具体形状的细节并非研究重点，因此，图7中不进行细节上的标注。该交叠面积通过电磁仿真或台架测试中的手动调节来获得最优值。当台架测试结果显示两个谐振单元的谐振曲线无明显干扰时，即可判定设计达到预期要求。
图7 腔内无线线圈示意图
Fig.7 Endocavitary wireless coil schematic diagram
无线线圈单元的电路原理图如图7 d 所示。在射频激发阶段，双向二极管VD导通，电感L3与电容C1构成并联谐振回路，使电路呈开路状态，从而避免对发射磁场的干扰；在射频接收阶段，感应到的电压较小，不足以使双向二极管导通，此时L3与二极管VD的支路是开路状态，C1和C2与线圈自感L1形成串联谐振回路，实现信号接收功能。
此外，基于前述理论分析，本文采用热缩管封装技术对腔内无线线圈进行包裹处理。该技术方案具有双重优势：其一，热缩管可提供可靠的机械保护；其二，热缩管介电常数低，可有效降低人体组织对线圈的负载效应，从而提升系统整体性能。
为了验证所设计的两个无线射频线圈单元是否处于最佳工作状态，以及在发射期间是否能够实现有效失谐，采用矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer, VNA）进行性能测试。首先，开展失谐性能测试：将线圈断开，并在二极管两端外加约 1 V 电压；VNA 的两个端口中，一端接地，另一端分别连接至cd两端，通过测量 S21 参数评估其失谐效果。然后，进行谐振性能测试：将 VNA 的两个端口分别连接至双环探头（用于非接触耦合测量谐振特性），并将探头分别靠近两个无线线圈单元，记录其谐振曲线。该双环探头的环路间耦合度低于–70 dB；测试时，射频信号由其中一个环路发射，经无线线圈耦合传递至另个一环路，再测量并记录 S21 参数曲线。
为直观地展示有无线线圈和无无线线圈两种情况下目标成像区域的信号分布，并开展比吸收率（Specific Absorption Rate, SAR）分析，本文在三维电磁仿真软件CST中进行了如图8所示的仿真设置。
图8 接收线圈与仿体的结构示意图
Fig.8 Schematic of the receiving coil and phantom structure
仿体模型为一圆柱体，长度200 mm、直径110 mm，中心设有直径30 mm 的通孔。其相对介电常数为78，电导率0.52 S/m，密度1 000 kg/m³。其中表面线圈的直径约90 mm ，无线线圈的尺寸为50 mm×28 mm的矩形结构。在进行SAR仿真时，采用了与实际5 T发射线圈一比一大小的发射线圈结构进行仿真（图8中未示出）。仿真的输入功率设置为1 W。由于表面线圈和无线线圈均采用了失谐模块，当系统处于射频发射阶段时，线圈进入失谐状态，相当于开路。因此，在仿真其对SAR的影响时，主要考虑线圈导体自身产生的作用。
在磁共振成像实验中，采用了24通道的表面腹部线圈，以及一个双通道无线射频线圈。实验在5T磁共振成像平台（uMR Jupiter 5T，上海联影医疗科技有限公司，上海，中国）上进行。实验对象是一条刚处死的成年雄性比格犬，体重约15 kg。
实验开始时，将比格犬仰卧固定于扫描床上，将腔内无线射频线圈套上安全套后插入其直肠，插入深度约 10 cm，并通过旋转调整位置，使线圈朝向腹部前列腺方向。随后将表面线圈覆盖于腹部。完成腔内无线射频线圈与表面线圈组合的图像采集后，取出无线线圈，并插入尺寸相同、无射频信号的结构件，尽量保持比格犬体位及表面线圈位置不变，进行仅使用表面线圈的对照图像采集。
采用自旋回波（Spin Echo, SE）序列进行了图像采集。扫描参数设置为：测量的视野（Field of View, FOV）为80 mm×80 mm，体素尺寸为0.3 mm× 0.3 mm×3 mm；层厚为3 mm，重复时间（Repetition Time, TR）为3 351 ms，回波时间（Echo Time,TE）为211.66 ms，每像素带宽为160 Hz，翻转角（Flip Angle, FA）为90°，平均次数（Number of Signal Averages, NSA）为1。通过将翻转角设置为0采集获得了噪声图像信号。通过导出原始数据，重建得到磁共振图像的信噪比分布图[34]。
台架测试的结果如图9所示。图9a中其失谐曲线在系统工作频率处接近-40 dB，表明当双向二极管导通时，无线线圈环路内相当于开路，可以抑制由发射线圈直接耦合所产生的电流，从而减小对发射场的干扰。
图9 无线线圈的失谐及谐振表现
Fig.9 Detuning and resonance performance of the wireless coil
图9b中谐振曲线在工作频率处的谐振峰没有观察到明显的分裂，表明两个无线线圈单元之间解耦良好，可以相对独立地进行谐振。
仅使用表面线圈以及表面线圈与无线线圈联合使用时，其横断面和矢状面的B1分布如图10所示。可以看出，在两种截面下，感兴趣区域内在引入无线线圈后，B1强度明显增强，与理论预期相一致。此外，从横断面分布可以观察到，B1呈现一定的旋转特性，导致局部出现弱信号区域。这一现象主要源于表面线圈与无线线圈间的相位叠加效应，以及B1场处于旋转坐标系中的固有特性共同作用所致。两种线圈配置下均可观察到这种旋转特征，但其对感兴趣区域内的信号分布影响较小。由此可知，为实现更广的成像覆盖范围并减少低信号区域的出现，采用多通道表面线圈阵列是必要的。
图10 不同线圈配置下的B1分布
Fig.10 B1 field distributions under different coil configurations
由发射场引起的射频能量沉积是评估发射线圈性能的重要指标，通常通过发射线圈的结构设计与系统的SAR约束来保证足够的安全冗余。在此背景下，接收线圈对 SAR 的影响主要体现在其引入后是否会产生额外的局部高热点，从而造成组织灼伤的风险。
图11展示了在有和没有无线接收线圈两种情况下的SAR分布。
图11 不同设置下的 SAR 分布
Fig.11 SAR distributions under different settings
可以看出，两者的SAR值差异不显著，说明接收线圈的引入并没有引起额外的SAR风险。也说明由于接收线圈的失谐设计，其在发射阶段对发射线圈引起的SAR分布产生的干扰较小。
磁共振成像实验的摆位及成像结果如图12所示。为呈现动物前列腺与射频线圈的空间位置关系，图12中对部分非关键组织进行了剖面展示及背景虚化处理。信噪比（SNR）分布图直观地展示了横断面成像中各像素点的信噪比分布特征。可见，前列腺周围区域的图像SNR得到了显著增强。定量分析表明：相较于传统表面线圈，腔内无线射频线圈方案使得感兴趣区域内（白色虚线标记区域）的信噪比均值提高了约97%。这一提升在结构像中体现为解剖细节的改善（所有图像均采用统一窗宽/窗位：WW/WL=4046/1440）。
图12 磁共振成像结果
Fig.12 Magnetic resonance imaging results
现有技术为提升前列腺MRI成像信噪比（SNR），主要采用有线射频线圈方案。研究表明，球囊状单通道经直肠线圈[36]、正交型线圈[37]、微带线-环路线圈组合的双通道设计[38]以及三通道经直肠线圈[39]等有线方案，在腔内应用场景中确实展现出较无线线圈更优的理论信噪比潜力。但这类方案存在若干不足：其一，必须配备笨重的线缆连接系统、前置放大器及相关电路，导致临床操作不便；其二，检查过程中线缆产生的持续拉力不仅影响线圈定位稳定性，还会显著降低患者舒适度；其三，高昂的硬件成本迫使设备采用重复使用模式，即便配合消毒程序或一次性保护套等措施，仍难以完全规避交叉感染风险。本研究提出的无线经直肠线圈方案具有显著优势：结构设计摒弃了传统线缆束缚，制造成本的大幅降低使其可作为一次性耗材使用，在保证成像质量提升的同时，兼顾了卫生安全性和患者舒适度。因此，在实际临床应用中，有线线圈更适合对信噪比有极致要求的特殊场景，而无线线圈则为常规检查提供了兼具成本效益和患者体验的优化解决方案，在显著优于表面线圈成像性能的基础上，实现了临床实用性与经济性的平衡。
然而，无线线圈方案在应用过程中仍面临若干挑战。首先，作为一种插入式射频线圈，其比吸收率（Specific Absorption Rate, SAR）风险的控制需要特别关注。SAR风险是指在射频激发阶段，发射线圈向人体传输的射频能量被组织吸收后导致局部温升，可能引发热损伤。该风险主要与发射线圈的结构设计密切相关。本文提出的无线线圈对SAR的影响主要体现在射频激发阶段，由于无线线圈与表面线圈的存在会改变发射场的空间分布。为减小这种影响，本文所设计的无线线圈采用并联谐振电路，在射频激发过程中可自动失谐。当失谐效果的传输系数S21降至约−40 dB时，无线线圈等效为断开状态，仅作为金属导体对发射场分布产生微弱影响。SAR仿真结果表明，在有无线线圈和无无线线圈两种情况下，没有显著的SAR分布差异，因此理论上不会引起额外的安全风险。当然，若进一步面向临床应用，仍需通过大量实验验证其安全性与稳定性。
其次，当前研究主要验证了该结构在成像性能方面的可行性。若要推动其临床转化，还需在材料选择、制造工艺及结构设计等方面进一步优化，以提升患者舒适度和系统可靠性。
本文提出了一种基于近场耦合结构（NFCA）的腔内无线射频线圈。通过对其SNR进行理论分析，以及进行磁共振成像等方法，验证了该方案的可行性。腔内无线射频线圈使得表面线圈在前列腺区域的平均信噪比提升了约97%，显著改善了成像质量。该技术为前列腺区域的磁共振检查提供了一种新的无线解决方案，同时，该研究的设计理念亦可推广至其他腔内 MRI 应用，为不同解剖区域的无线成像提供借鉴。
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Abstract Purpose: In magnetic resonance imaging (MRI), conventional sur face radio frequency (RF) coils often exhibit insufficient signal-to-noise ratio (SNR) when imaging deep-seated organs. The study aims to enhance the imaging sensitivity of deep tissues by proposing a coil architecture that integrates a wireless endocavitary RF coil with an external multi-channel surface array, while avoiding significant increases in medical cost or system complexity.
Methods: Based on near-field coupling theory, a dual-channel wireless endocavitary coil was designed and implemented, operating inductively with a 24-channel flexible surface array for signal reception. Adjacent wireless elements were decoupled through geometric overlapping, enabling each unit to resonate independently during the signal reception phase. Each element was integrated with a passive detuning circuit, consisting of lumped capacitors, inductors, and bidirectional diodes. During the RF transmission phase, the diodes became forward-biased, forming a parallel resonant circuit with the lumped components. This configuration effectively opened the coil loop, thereby preventing interference with the transmit magnetic field and reducing the risk of specific absorption rate (SAR) increase. An equivalent physical model was established, and an analytical relationship between SNR and coil loading was derived. Theoretical analysis indicated that, while maintaining a large mutual inductance between the wireless and surface coils, minimizing the loading effect of the wireless coil is critical for maximizing SNR. Guided by this principle, the coil was optimized by encapsulating it in three layers of heat-shrink tubing to reduce loading while preserving efficient electromagnetic coupling.
Subsequently, B1-field and SAR simulations were conducted to assess field distribution and safety. Imaging experiments were performed on a 5 T whole-body MRI system using recently euthanized adult beagle dogs, to evaluate the proposed design under realistic anatomical conditions. Two configurations were compared under identical geometric positioning and imaging parameters: (1) the dual-channel wireless endocavitary coil combined with the 24-channel surface array, and (2) the surface array alone. Quantitative SNR analysis was performed within regions of interest (ROIs) encompassing the prostate and surrounding tissues.
Results: Simulation results demonstrated that the introduction of the wireless coil substantially enhanced the B1- field intensity in the prostate region. SAR simulations confirmed that, owing to its approximately -40 dB detuning performance, the wireless coil did not produce any significant local SAR elevation during transmission, ensuring operational safety. Experimental results further validated the performance of the proposed system: compared with the surface array alone, the inclusion of the wireless endocavitary coil yielded an average SNR improvement of approximately 97% within the prostate ROI, confirming its efficacy in enhancing deep-tissue signal reception.
Conclusion: The proposed hybrid design combining a wireless endocavitary coil with a multi-channel surface array provides a feasible and efficient solution for improving MRI sensitivity in deep anatomical regions. The system achieves high SNR without increasing SAR risk, while maintaining a simple structure and low manufacturing cost—making it suitable for disposable clinical use to alleviate hygiene concerns and enhance patient acceptance. Beyond prostate MRI, the proposed approach shows potential for extension to other deep-organ imaging applications, offering a promising direction for next-generation wireless RF coil systems that balance practicality, economy, and image quality.
keywords：Magnetic resonance imaging, radio frequency coil, wireless endocavitary coil, prostate imaging, signal to-noise ratio
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.251475
中图分类号：TM93
国家重点研发计划（2023YFF0714200）和国家自然科学基金联合基金项目（U22A20344）资助项目。
收稿日期 2025-08-21
改稿日期 2025-09-16
莫智广 男，1993年生，博士研究生，研究方向为磁共振无线射频线圈、低温无线射频线圈等。E-mail：zg.mo@siat.ac.cn
李 烨 男，1983年生，研究员，博士生导师，研究方向为高场磁共振成像、射频系统与成像方法等。E-mail：liye1@siat.ac.cn（通信作者）