0 引言

       当前全球MRI装机量持续攀升，其中1.5 T与3.0 T场强设备已占据临床应用主导地位^[1]。MRI图像质量在临床诊断中具有关键作用，可为多种疾病的诊断评估提供影像学依据^[2]。目前有多种技术方法可提高图像质量，包括磁体场强提升、射频线圈优化、压缩感知、人工智能重建技术等方法^{[3, 4]}。其中，高场强设备具有明显提升图像质量的优势^[5]。但是，高场强设备价格昂贵，无法广泛应用，难以进一步提升整体图像质量。决定图像质量的另一个关键因素是射频线圈，其可以通过增加通道数实现图像质量的提升，但是复杂的接收线圈和线缆设计将显著增加成本，且不利于检查活动度^{[6, 7]}。无线线圈是一种无需物理电缆连接即可实现信号传输或能量传递的电磁装置，其通过局域场增强技术，可实现信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）的显著提升。无线线圈的优势在于不涉及现有设备硬件改造，且不会增加活动度限制，这使其成为优化主流MRI设备效能的关键技术路径^[8]。目前关于无线线圈的研究虽已在SNR提升和局部成像优化方面取得进展，但尚存在诸多空白和缺陷。现有研究^[9]集中研究于线圈材料本身，缺乏跨技术的系统比较与临床可行性分析，这导致目前的研究未能充分汇总分析和总结讨论不同线圈性能差异、标准化评估及现存问题，无法为研究人员和临床医生提供一个全面、系统的参考，限制了无线线圈技术的进一步发展和临床应用。因此，本文旨在对无线线圈技术进行全面梳理与总结，并重点分析适用场景与优劣势，为无线线圈的研发与应用提供参考。

1 无线线圈技术原理与核心特性

1.1 基本概念与分类

       MRI无线线圈通过电磁感应或谐振耦合实现MRI信号增强，无需传统线缆、前置放大器、巴伦等笨重组件，从而简化系统结构并提升患者舒适度。MRI无线线圈包含无线谐振器、超材料线圈^{[10, 11]}、类超材料线圈^[12]、无线整合型MRI信号放大器^{[13, 14]}等。虽然MRI无线线圈的设计原理、构型、信号增益存在差异，但其均具备以下核心特点：（1）无源结构。无线线圈无需线缆连接MRI系统，亦无需独立电源驱动。（2）增强MRI信号。无线线圈通过电磁耦合和MRI系统发挥作用，改善图像质量。（3）结构轻便。相比标准线圈，各类无线结构轻量化设计，可以便捷配合标准线圈或体线圈工作。

1.2 工作模式与信号增强机制

       无线线圈的功能核心在于信号增强，而非标准线圈的发射/接收功能，其工作模式完全被动^[15]。典型工作模式为：将无线线圈置于扫描部位周围，在接收信号阶段，无线线圈与体线圈或其他接收线圈电感耦合，增强局部信号。无线线圈在被动共振时，会在其附近区域增强局部磁场信号（B1-）和局部组织与主接收线圈之间的电磁耦合效应（图1A）。在射频发射阶段，无线线圈需避免干扰系统射频场（B1+）。为此其通常设计有调谐结构，电容器并联电感器与反并联二极管，构成无源解谐电路^[8]。此电路在射频脉冲期间自动失谐，对B1+场分布影响极小，保障MRI系统射频发射正常进行（图1B）^[16]。部分无线线圈亦会增强射频场，这可能导致局部翻转角改变并增加体内比吸收率（specific absorption rate, SAR）累积。关于无线线圈是否应主动增强射频场还有待讨论。

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图1  无线线圈作用原理示意图。1A：在接收信号阶段，无线线圈放大由体内发出的MRI信号。1B：在射频阶段，无线线圈失谐，不发挥作用，不干扰正常射频。
Fig. 1  Illustration of Wireless Coil Operating Principles. 1A: During the signal reception phase, the wireless coil amplifies MRI signals emitted from the body. 1B: During the RF transmission phase, the wireless coil is detuned, remains inactive, and does not interfere with the primary RF coil.

1.3 技术优势

       优化射频线圈设计是从硬件角度提升SNR的常用策略^[6]。集成多通道接收线圈虽能提供高SNR和快速编码能力，但由于需要不断在现有线圈中增添元件，使得线圈的复杂程度和重量不断增加^[8]。多通道集成需要应对新增元件与原线圈间的耦合效应，并需对原线圈进行结构修改，不利于医疗机构成本管控^[17]。相比之下，无线线圈展现出显著的成本优势，并且可兼容国内外主流设备^[18]，应用成本将显著降低^[19]。此外，SNR每提升2倍都会增加2倍的扫描时间，而使用无线线圈不增加扫描时间即可提高SNR^[20]。因此，SNR的提升实际可转化为扫描效率优化，这将减轻患者在长时间扫描过程中的不适。

1.4 设计模拟

       不规则容积无线线圈适用于关节、骨盆等复杂解剖部位，在设计该类线圈时需要使用电磁模拟计算线圈的自感应和互感应，对电磁模拟工作有着极高的算力要求。LU等^[21]利用快速射频电路仿真计算元件，在模拟无线线圈内不同位置和不同方向放置多个双探头，只需要两组电磁仿真即可准确模拟真实的线圈，同电磁模拟仿真方法相比大幅度提升了计算效率，为更加便捷地设计无线线圈提供了可行的理论基础。

1.5 关键技术挑战与解决方案

       无线线圈必须与MRI系统的拉莫尔频率严格匹配，才能高效接收MRI信号。然而在实际应用中，线圈谐振频率容易受到环境变化、患者体型差异以及组织介电特性等因素影响，发生频率偏移^[22]。当谐振频率与系统频率不匹配时，线圈的接收效率下降，导致信号强度和SNR降低，从而影响成像质量^[17]。这一问题是无线线圈临床可用性的局限性之一。WU等^[17]设计了一种可调谐的同轴无线线圈，其圆环形结构内部为双层导体，最外层安装有可活动的调谐套筒。通过调节套筒位置，可动态补偿频率扰动，实现11 MHz的调谐范围。该线圈尽管可以调节频率，但存在结构老化与可靠性问题。在耦合抑制方面，REN等^[23]采用了极化转换机制来有效消除无线线圈和表面线圈之间的有害电磁耦合，实现了高效解耦，在增强信号的同时减轻了磁场的不均匀性。

2 无线线圈临床应用与性能表现

       无线线圈典型结构包括单环谐振器、叠层环或类似鸟笼的容积谐振器等，在头部、关节、乳腺等部位的临床应用中可不同程度提升图像质量。

2.1 颞下颌关节成像

       在颞下颌关节成像中，MRI对颞下颌关节疾病的评估至关重要，但其微小结构常受限于常规MRI分辨率^[24]。无线线圈可实现局部信号放大，从而提升颞下颌关节成像SNR与空间分辨力，并能精确显示翼外肌不同分型^[14]。ZHU等^[24]设计的单匝颞下颌关节无线线圈SNR较12通道头颈联合线圈提升5.3倍，且双侧配置SNR略高于单侧，但双匝叠层线圈增益不及单匝。在以上研究基础上，ZHU等^[15]做了进一步优化。研究发现，缩小直径的无线线圈三角排列设计可使SNR跃升至10.5倍。无线线圈的主观评分一致性（Kappa=0.71~0.86，P<0.05）优于常规头颈联合线圈（Kappa=0.54~0.78，P<0.05）。因颞下颌关节普遍位于浅表区（深度<2.5 cm），三环构型将成为颞下颌关节成像的最优选择。该设计兼容头线圈并行成像序列，有效弥补了商用单环颞下颌关节线圈的功能缺陷。相关研究还发现，在无线线圈增强下，能够清晰分辨翼外肌不同附着类型，并与关节盘位置存在强正相关（r=0.776），这为评估翼外肌附着类型及关节盘位置提供可靠影像学证据^[14]。

       上述研究均显示出了无线线圈在颞下颌关节成像的潜力，但目前多数工作仍处于物理参数验证层面，缺乏适用于不同深度、大小解剖结构的标准化设计指南，无线线圈的合适尺寸和结构可能会因目标解剖结构的深度和大小而异，未来研究应重点验证其在不同解剖深度的成像效能，并建立线圈尺寸与关节解剖特征匹配的设计规范。

2.2 四肢关节成像

       在四肢MRI中，BRUI等^[25]设计的手腕无线线圈的SNR为标准四肢线圈1.25⁓1.40倍，且射频安全性相当。有研究^{[26, 27]}将1.5 T无线线圈设计理念移植至3.0 T场强中，发现线圈受损仅轻微扰动谐振频率，且局部SAR峰值衰减速率快于全身SAR，线圈断裂后安全性未受明显影响。YI等^[10]提出的膝关节无线线圈设计整合了扫描床脊柱线圈，有效避免传统线圈位置限制，提升患者舒适度，并发现使用无线线圈的图像质量评分更高，其图像质量优于4通道线圈，但仍略低于12通道标准线圈，这与CHI等^[28]研究结果类似。为进一步优化性能，WANG等^[29]在此基础上重构了椭圆柱形结构，使图像质量超过12通道腕关节专用线圈。DÜX等^[18]发现，相较于15通道膝关节线圈，无线线圈可以提升膝关节中心的SNR，但膝关节表层结构SNR略有下降。虽然无线线圈在四肢MRI中具备一定增益和结构适应性，但不同组织（如软骨、肌肉与脂肪）的SNR并不是成比例地增加，而是具有不同的增益幅度，这对整体图像质量的影响还有待进一步研究^[29]。

       尽管无线线圈在四肢MRI中显示出优异的SNR和适应性，但其增益在不同组织中并不均匀，且目前图像质量的评价多依赖SNR和主观评分，缺少客观定量评价体系。未来研究需致力于优化线圈以均衡不同组织的成像效果，并建立包含更多定量参数的标准化评价体系来评估其综合性能。

2.3 乳腺成像

       在乳腺MRI中，JANDALIYEVA等^[30]通过数值仿真对四种乳腺无线线圈（超材料线圈、亥姆霍兹线圈、陶瓷线圈、螺线管）的性能进行分析。仿真结果表明，亥姆霍兹线圈结构简单、成本低，但磁场均匀性低；陶瓷线圈需极高介电常数材料，制造难度大，在1.5 T中难以应用；螺线管线圈存在高频调谐困难的问题，在3.0 T场强中需限制线圈匝数；超材料线圈综合表现最佳，传输效率增益与射频安全性分别提升了13倍和7倍，磁场均匀性可达到70%。PUCHNIN等^[31]设计的超材料乳腺无线线圈SNR比仅使用体线圈增加了10倍，而发射功率下降了98%，明显降低了射频辐射过热风险，极大地增高了金属植入物患者的检查安全性。FEDOTOV等^[16]也证实其设计的乳腺无线线圈获得的图像质量与7通道乳腺线圈相当。

       虽然均匀排列的谐振器可产生均匀磁场，但难以定向增强目标区域，无法增强乳腺与胸壁交界处SNR，且谐振器对组织不均匀性敏感，易受环境扰动影响^[32]。PUCHNIN等^[32]创新引入了拓扑优化策略，使得磁场能量可集中在感兴趣区域而非均匀分布，从而提升了胸壁特定区域的SNR，初步实现了定向增强效果，为无线线圈的个性化设计提供了新思路与新方法。

       在乳腺MRI中，现有成果已显示出重要的理论价值与技术潜力。超材料线圈在传输效率、磁场均匀性与射频安全性方面的提升以及拓扑优化策略的引入，为实现磁场定向增强和个性化设计提供了创新思路与方法。然而该领域研究目前仍以数值仿真和物理性能测试为主，临床验证相对匮乏，特别是在真实人体异质组织环境中的成像稳定性尚未得到充分评估。未来研究应更注重开展临床试验、优化线圈设计与材料选择，使乳腺MRI无线线圈从仿真性向可靠性过渡。

2.4 其他部位成像

       无线线圈具有良好的适应性和结构灵活性，能够胜任复杂、空间受限的解剖区域成像。ZHU等^[33]设计的1.5 T鸟笼无线线圈应用于头部成像时，其图像均匀性为90.1%，高于商用12通道头线圈（79.2%），显示其在提升图像均匀性方面具有一定优势。HILGENFELD等^[34]使用口腔内线圈对牙髓进行扫描，利用双回波稳态序列、快速小角度激发成像和三维稳态进动结构相干等序列所得到的图像质量非常接近锥形束CT，为MRI在牙科精细结构成像提供了可能路径。MRI测量温度的精确检测依赖于质子共振频率偏移原理，SNR 是影响温度精度的关键因素，SNR的提升可提高温度监测精准度。HUANG等^[35]将无线线圈与高强度聚焦超声配合使用，实时监测目标区域的温度变化，实现了精准控制消融范围的目的。但是，当前研究仍然处于技术验证阶段，仍需要进一步评估在复杂体位或特殊人群中的适用性。

       总之，当前研究已经初步验证了无线线圈在颌面部、四肢关节、乳腺、颅脑等部位临床应用的可行性（表1），并且显示出了初步优势，但仍然需要进一步的临床验证。

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表1  不同部位无线线圈对比
Tab. 1  Comparison of wireless coils for different anatomical regions

3 前沿发展与特殊场强应用

3.1 柔性/可调节线圈技术

       当前适用于1.5 T和3.0 T场强的膝、腕关节容积无线线圈已取得较好效果。但对于肥胖患者，这类刚性圆柱形线圈的尺寸和设计往往难以充分适应体型，限制了其在膝、踝关节等部位的成像性能。DÜX等^[18]开发了一种矩形柔性无线线圈，可直接置于膝关节上方，利用自身重力自然贴合关节轮廓。研究采用脊柱线圈接收信号，结果表明其图像质量优于4通道柔性线圈。这种柔性自适应设计提升了肌肉骨骼成像的灵活性及患者舒适度，理论上可拓展至多个解剖部位。类似的，ZHU等^[22]将无线线圈与织物基底结合，线圈的圆环结构配合织物中的氨纶成分，赋予线圈良好的伸缩性和柔韧性，同时减小了线圈元件与患者解剖结构间的距离。相比传统刚性线圈，这种贴合特性带来了更高的检测灵敏度。该无线线圈装置由织物基底与环形线圈组成，整体重量仅50 g，能够提升患者在长时间扫描中的舒适度。柔性线圈可设计为各种形状以适应不同解剖结构，该线圈提供一种无线、经济、便捷的扫描方案，有可能实现屈曲扫描或实时关节运动扫描。

       柔性线圈的尺寸和形状变化会改变电磁特性，其应用需首先解决调谐与匹配问题^[20]。WU等^{[11, 36]}将可穿戴无线线圈设计转化为自由曲面圆形填充算法的数学优化问题，据此设计了一种基于可展开膨胀结构与运动装配技术的可穿戴无线线圈。这种设计可通过调整线圈铰链角度来调控电感与电容耦合系数，从而实现无线线圈共振频率与MRI系统的动态匹配，以此适应不同扫描部位。该设计融合计算几何优化、机械可调结构与电磁调控，推动了可穿戴无线线圈在医学成像中的实用化。目前，该线圈调谐依赖手动调节，精度仍具有提升空间。计算机数控电驱系统能够实现频率调谐智能化、自动化，从而优化可穿戴无线线圈在临床MRI中的应用流程^[11]。

       可调谐无线线圈具有可伸缩性，可适合不同体型的患者成像，但该装置需采用3D打印制造，制作工艺繁琐，未来研究可探索标准化设计与规模化生产方案，着重开发模块化拼装等更高效的制造工艺，以降低生产复杂度和成本。

3.2 超高场强应用

       超高场MRI的核心优势之一是高SNR，可为脑部疾病的边界判断和病理细微结构评估提供更高的组织分辨率支持。但是，超高场MRI射频波长在7.0 T场强下显著缩短，容易在不同组织介电常数交界处产生反射和干涉，从而引发驻波效应和介电效应^[37]，加之7.0 T场强下常用的短单通道发射鸟笼线圈覆盖范围有限，导致部分深部区域出现明显的B1+场衰减和射频效率下降^[38]，尤其是颅后窝、颞叶等区域显示不清。ALIPOUR等^{[39, 40]}开发了一款可紧密贴合头颅枕部轮廓的无线线圈，实验证实，相较于单独使用32通道头线圈，其能提升局部信号接收灵敏度，具有改善7.0 T场强设备图像质量的潜在价值。该技术方法不仅适用于常规成像，还能用于获取高分辨率扩散MRI^[41]，并且优化氢质子磁共振波谱成像^[42]，利于脑微结构和代谢异常的早期识别。该阵列虽提升了B1+效率与B1-灵敏度，但其SNR增益并不均匀，且代谢物信号改善程度也存在差异，今后的研究应进一步分析SNR增益的影响因素并加以解决。

       超高场MRI需要大量的射频能量来进行人体成像，这就要求进行超高场MRI时需关注体内SAR积累。虽然7.0 T MRI已经批准用于了头部和四肢成像，但由于SAR积累问题仍不允许进行全身成像。SEO等^[43]将多通道无线射频元件与分段式圆柱形高介电常数材料组合使用，在保证SAR处于安全范围内的前提下提升了7.0 T MRI的传输效率与接收灵敏度，为7.0 T MRI的临床应用提供了一种优化方案。FREIRE等^[44] 指出，在头部两侧布置无线线圈可增强7.0 T场强下头线圈射频场的均匀性，提示多线圈布局可能为全脑均匀成像提供解决方案。相比之下，MAURYA等^[12] 则通过优化无线线圈的空间分布结构，发现非均匀排列比传统均匀排列在磁场覆盖范围上提升了1.4倍，同时SAR降低8%~14%，并减小了结构厚度。这说明，在结构设计层面，合理的不对称布局可在提升SNR的同时降低SAR值积累风险，比单纯增加线圈数量更具实用性。结构灵活性亦体现在多核成像需求中，VERGARA GOMEZ等^[45]设计的可切换耦合线结构式无线线圈，仅通过微调线圈长度，即可在¹H（298 MHz）和¹⁹F（282 MHz）频率间切换，满足异氟烷示踪等动物实验需求，展现出频率调谐能力对小动物成像的适应性优势。而在临床前研究方面，有研究等^{[13, 46]}将无线线圈置入大鼠直肠进行7.0 T扫描，结果显示其能够提升腹部血管检测敏感度，并增强组织间对比度，对显示细微病变具有重要价值。由于该装置结构简单，具备明显的小型化潜力，可进一步开发作为介入装置或消化道内可食用装置进行体内成像，具有广阔的临床应用前景。虽然无线线圈可以改善7.0 T下图像均匀性，提升图像质量，但当前仍处于实验阶段，样本量较小，后续诸多功能成像序列实用效能仍待验证。

3.3 超低场强应用

       由于超低场MRI工作频率通常低于4.26 MHz，传统的超材料谐振器受结构尺寸的限制将难以达到目标工作频率。LIU等^[47]为70 mT MRI设计了“多米诺”容积无线线圈。经电磁模拟验证，该线圈可使局部SNR相较于单独使用射频线圈提升5.6倍，但轴向两端的SNR降低，提示其磁场分布仍需进一步优化以提升全视野均匀性。在实际人体应用中，孔晓涵等^[48]设计的基于54.6 mT场强的无线线圈使人体手臂SNR比仅使用双通道线圈平均提高2.5倍，其团队设计的超低场无线牙齿线圈和颞下颌线圈也取得较好的成像效果^[49]。超低场强MRI因静磁场弱导致固有SNR偏低。虽然通过线圈优化与小视野成像可补偿SNR与空间分辨力，但过小的视野可能导致信号混叠，从而影响精细结构成像。因此，无线线圈的共振频率需要精确控制，若频率偏差较大，可能导致共振失效，从而降低增益效果。因此，无线线圈可为超低场MRI提供增益，但在精细成像中仍有不足。如何在提升SNR、控制扫描时间与保持成像范围之间取得平衡，将是未来超低场无线线圈发展的一个方向。

       总体来看，无线线圈在柔性设计、超高场及超低场强下均展现出重要潜力，不仅提升了成像质量，也为基层临床应用提供了新的解决思路。无线线圈的便携化与低成本特性有望推动MRI在资源有限环境中的应用，为低场MRI达到准高场MRI图像质量提供了更多的可能，不失为一种可行性好、成本效益比高的技术方案。然而，现阶段仍存在调谐匹配复杂、系统兼容性不足及临床验证有限等问题，未来研究应聚焦于提高线圈的自适应调谐能力、优化与不同MRI系统的兼容性，并通过多中心临床试验验证其成像与诊断效能，以推动无线线圈的临床转化。

4 小结与展望

       目前，1.5 T与3.0 T场强MRI设备配置最为广泛。超高场MRI系统可有效提升SNR^[50]，但其高昂的购置与运维成本、信号干扰以及日益明显的安全问题显著影响普适性^[51]。无线线圈作为一种补充策略，其有效性与适宜性已逐步得到了临床认可^[18]。但是，目前无线线圈仍有不足之处，包括刚性设计难以贴合^[52]、装置过热致组织损伤风险^[9]等。未来需进一步优化无线线圈的结构设计，如使用柔性材料或复杂形变结构等增强贴合，并优化材料与设计以避免组织损伤。现有研究在技术可行性方面实现了初步论证，但仍缺少临床真实性与可靠性验证，未来需要进一步研究。此外，无线线圈也可以直接集成在标准线圈上^[53]，也有研究认为光纤可替代标准线圈线缆^[54]，OVERSON等^[55]将无线传输技术集成到射频线圈，这为MRI线圈无线化起到过渡作用。

       综上所述，无线线圈可提供额外的图像质量增益，同时展现出卓越的成本效益优势，具有广阔的应用前景。然而，无线线圈仍面临标准化验证缺失与循证医学证据支持不足的并行挑战。今后的研究应着眼于建立统一的技术评估标准，并通过跨区域、跨中心临床试验系统验证其临床应用价值，以推动该技术向标准化、规范化应用阶段迈进。