0 引言

       1.5 T和3.0 T的MRI设备已成为了国内外大型医院的常规设备，提高MRI图像质量，有利于临床诊断效能的优化^[1]。目前虽可通过提高主磁场强度^[2]、改善射频线圈性能^[3]、使用新型脉冲序列参数^[4]等方法提高MRI图像质量，但仍存在高场强下射频能量吸收率升高带来的安全风险^{[5, 6, 7]}、深层组织成像信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）衰减^{[8, 9, 10]}、射频场均匀性不足导致的局部暗区^{[11, 12, 13]}、细微结构分辨率受限^{[12, 14, 15]}以及单一氢核成像难以满足代谢功能分析需求^[16]等挑战。

       电磁超材料是亚波长尺度单元按周期或非周期排列构成的人工结构，具备天然材料无法实现的超常电磁特性，可对电磁波进行精细调控^[17]：当电磁超材料在共振频率下受到入射波激励时，感应的循环电流会沿着其导电或金属结构分布，从而在瞬态电流峰值区域附近产生局部磁场的共振增强^[18]。这为突破MRI的技术瓶颈提供了创新路径。

       然而，目前电磁超材料在MRI领域的相关应用研究多聚焦于MRI的部分技术优势^{[19, 20, 21]}，未纳入相关的全面性能指标，难以形成对超材料临床应用价值的系统性认知。因此，亟需能够多维度评价电磁超材料在MRI的临床应用优势的综述，为临床不同部位的选用提供参考，并为材料设计提供可靠逻辑。

       本综述首次梳理近年来基于电磁超材料的MRI临床应用进展，在覆盖范围上，全面纳入头部、心脏、乳腺、腹部、四肢关节等临床关键部位；在分析维度上，系统对比不同部位的超材料结构适配差异；在核心聚焦上，全程围绕临床应用展开，重点阐述超材料在增强图像局部SNR、提高图像分辨率、降低磁共振射频能量吸收率、提高射频场均匀性、提高磁场穿透深度以及多核成像等方面的临床价值。除此之外，本文还分析了目前研究存在的局限性，提出了未来的研究方向，为今后研究提供视角。

1 电磁超材料的材料特性及电磁表征

1.1 电磁超材料的材料特性

       电磁超材料的核心是亚波长单元[如开口谐振环（split-ring resonator, SRR）^[22]、金属条^{[7, 18]}等]的有序排列，通过结构设计实现天然材料不具备的电磁特性。超材料常采用多种材料复合的方式，如将金属与介质材料结合^{[7, 22]}，通过印刷电路板工艺（PCB）、光刻工艺、增材制造（3D打印）技术等制造而成^[23]。利用不同材料在电磁响应上的差异，构建出具有特殊电磁特性的体系。其综合表现远超高介电常数陶瓷、人工电介质等^[16]。

       宏观上看，电磁超材料需适配不同成像部位的特征。针对相对平坦部位的设计，以平面或层状结构为主^{[11, 22]}；针对曲面部位的设计，如适用于手腕的圆柱形电磁超材料^{[12, 24]}、贴合头部的柔性电磁超表面^{[14, 25]}、贴合膝肘的柔性电磁超表面^[26]等，注重贴合性和磁场适配性；针对大体积部位的设计，以体积型、无线线圈集成结构为主。

1.2 电磁超材料的电磁表征

1.2.1 核心电磁参数

       负磁导率（μ<0）可以由开口谐振环实现^[22]：当射频场穿过时，环内会感应出涡流，且涡流的磁场方向与入射射频场的磁场方向相反，因此产生反向磁矩，抵消部分入射磁场，进而在谐振频率附近呈现负磁响应；负介电常数（ε<0）可以通过铜丝阵列、电容加载条等^[17]实现：电容加载条通过电极间的电容耦合，使自由电荷在特定频率下形成集体振荡（即等离子体振荡），这种振荡特性改变了材料的等效介电响应，最终导致ε为负；负折射率（n<0）：由ε<0和μ<0共同导致，满足n=-(εμ)，这是其区别于常规材料的核心数学表达。

1.2.2 谐振频率调谐

       电磁超材料在射频收发阶段的频率切换，本质上是等效电感动态调控与LC谐振机制的结合：f=1/2πLC。谐振频率f由电感L和电容C共同决定。通过设计电控元件（如二极管+可调电容）^{[10, 12, 27]}、数字电路开关^[28]、机械调谐^{[29, 30]}等，匹配不同成像阶段的频率要求。

1.2.3 关键评估指标

       B1⁺效率^[16]：衡量射频传输场的增强效果，可以用磁场强度与输入功率的平方根之比（如μT/kW）或与输入功率之比（如μT/W）为单位。信号接收灵敏度（|B1-|/Pabs）^[31]：B1^-为接收场，Pabs为系统吸收的功率。比吸收率^[32]（specific absorption rate, SAR）：评估射频磁场功率沉积安全性。需满足国际标准（如IEC 60601-2-33），即10 W/kg局部限值。SNR^{[14, 33]}：是超材料增强接收灵敏度的直接体现。传输效率^[13]：通常以传输场（B1⁺）与SAR的比值（B1+/SAR）衡量，反映单位安全功率下的磁场增强能力。场均匀性系数（coefficient of variation, CoV）^[14]：描述B1⁺在感兴趣区（region of interest, ROI）的分布一致性，CoV越低表示均匀性越好。

       上述关键评估指标构成了超材料临床应用效果的核心评价体系：SNR与接收灵敏度直接反映图像清晰度提升潜力，SAR决定高场成像的安全性边界，B1⁺效率与CoV保障成像质量的稳定性，而磁场穿透深度则拓展了超材料在不同部位（浅层vs.深层）的适配范围。下文将围绕这些核心指标，系统阐述超材料在 MRI 临床应用中的具体优势及对应的技术实现路径。

2 基于电磁超材料MRI临床应用优势

2.1 提升图像局部SNR

       电磁超材料的SNR提升，有助于解决早期微小病灶“信号弱、易漏诊”的临床痛点，将诊断窗口提前。尤其适用于乳腺疾病^[34]、神经退行性疾病^[35]与肌骨损伤^[12]等。此外，SNR大幅度提升可减少射频激励次数，大大减少扫描时间^[36]。最核心普遍的设计是射频磁场在共振频率下的叠加增强与电磁超材料的自适应调谐^[12]。

       传统电磁超材料往往以ε和μ为核心指标，通过单元间的电磁互耦合作用，引发共振频率偏移，从而匹配拉莫尔频率，实现信号增强，进而实现高SNR的MRI^[31]。比如，为提升70 mT极低场MRI的SNR，设计了多米诺体积超材料谐振器（domino volumetric metamaterial resonato, DVMR），利用单元间磁感应耦合延长能量传输路径，提升信号采集效率，适用于资源受限场景下的小关节结构成像，能清晰分辨腕骨细节^[37]。在并行MRI（parallel MRI, pMRI）中，为解决加速扫描时相位编码减少导致的SNR下降，设计含变容二极管的非线性超材料。通过自适应响应，即在MRI接收阶段选择性增强射频磁场，传输阶段失谐规避干扰，结合表面线圈阵列，在健康志愿者小腿在体成像中实现3.3倍SNR提升^[38]。该方法解决了传统pMRI中加速与SNR的矛盾，为甲状腺、颈动脉、颞下颌关节等浅表部位成像提供可行方案。近场耦合阵列双组件架构^[39]，能够满足从体表到半深部的多部位适配，且SNR提升、并行加速在不同部位可保持稳定。

       除了利用自适应响应^{[10, 12, 27]}提升MRI图像SNR，主动调谐实现最优频率匹配的方法也被用于提升局部SNR。通过0~20 V的偏置电压，可补偿人体组织成分差异等导致的共振频率偏移^[10]。亦有以负泊松比结构^{[29, 30]}为核心设计，通过机械变形调整超材料单元的空间分布，进而改变单元间的电磁耦合强度，最终实现共振频率的精准调谐。

       此外，电磁超材料还可作为屏蔽吸收材料^[40]，隔离电磁干扰。WU等^[41]采用无线超轻同轴屏蔽线圈，在3.0 T MRI系统中与鸟笼线圈配合使用，其效果优于商用对应线圈。不仅便宜轻巧，还能通过单独缠绕、组合阵列等方法适配各种扫描部位情况。CHEN等^[40]采用电容和金属互连器小型化超材料吸收体，使其在7 T、9.4 T MRI拉莫尔频率附近几乎完美吸收。这种设计特别适用于超高场全身成像，平衡了屏蔽效能、传输效率与安全性，为解决高场下“穿透深度与SAR限制”的矛盾提供了新思路。

       最后，电容阻抗超表面（capacitive impedance surface, CIS）是传统超材料的补充类型：以阻抗和电容特性为核心指标，有效改善线圈与高介电常数生物组织间的电磁耦合效率，避免能量反射与无效损耗。其非共振工作特性，在低频、近场环境中的抗干扰能力强。如在1.5 T MRI系统中^[11]，将双层正交叉指设计的CIS与表面线圈结合，SNR提升415%，穿透深度50 mm，而尺寸仅150 mm×150 mm×0.8 mm，更易集成到临床MRI设备中，适配乳腺等浅层部位成像。

       综上，针对不同痛点，可以选择不同的电磁超材料应用策略。电磁超材料的单元磁感应耦合、电容阻抗调控、自适应响应、主动调谐等核心设计，为后续MRI超材料研究奠定技术基础。线性超表面，以基础场聚焦为核心，通过简单周期性结构实现SNR提升；自适应，通过被动功率响应或主动电压控制，实现传输场失谐、接收场选择性增强，解决了传输场干扰问题，SNR增强；可调谐，通过机械变形或数字电路实现频率调谐，临床兼容性最强。但仍存在以下问题：一是部分方案仅适配浅层部位，难以满足深层局部区域成像需求，部分设计还因单元周期性出现磁场零点；二是跨场强、跨部位适配性低，多为特定场景定制；三是临床验证深度不足，多停留在体模或小样本在体试验，缺乏大规模多中心数据与长期稳定性测试；四是与临床MRI扫描流程融合度低，主动调谐等操作需额外步骤，扫描效率低。未来的研究需聚焦局部SNR精准提升，一方面开发梯度阻抗、多单元耦合的深层靶向增强结构，突破深度限制；另一方面协同超材料与AI算法，实现基于组织介电特性的动态参数优化；同时推进多中心临床验证，完善使用规范与安全管控等。

2.2 提高图像分辨率

       电磁超材料可以通过抵消驻波伪影、结构优化改善磁场分布、柔性贴合补偿等以提高图像分辨率^[42]。对细微病变、早期诊断和靶区勾画都有重要意义。

       为解决3 T胎儿MRI中驻波效应引发的介电伪影问题，KOLOSKOV等^[15]提出一种通过电容器连接设计的二维十字形单元网格柔性超表面。该材料不仅可轻巧贴合孕妇腹部曲面，还能很好地抑制羊水波动产生的磁敏感伪影，更好地呈现胎盘-子宫肌层边界、胎儿脑灰白质边界、脑脊液填充结构（如侧脑室、第四脑室）、脑沟回等图像细节。该团队亦采用柔性超表面开展7 T脑部MRI脑部成像研究，结果显示颞叶、枕叶等区域的细微结构显示更清晰^[14]。这种在超高场强下的精准成像能力，为神经退行性疾病的早期病理研究提供了全新手段。自适应圆柱形无线超表面设计，在同SNR水平下支持更小的像素尺寸（0.20 mm vs. 4通道柔性线圈的0.42 mm），可清晰识别梳状结构细节及人体手腕三角纤维软骨复合体（triangular fibrocartilage complex, TFCC）等细微结构，尤其适用于区分TFCC创伤性撕裂与退变性磨损^[12]。电磁超材料在胎儿、脑部等需要精细结构显像的方向，显示出卓越优势；但普遍还存在高分辨率与深部穿透力负相关、复杂曲面适配差、分辨率与扫描效率及安全性失衡等问题，未来可以将研究方向聚焦于全包型超表面、3D立体型超材料等，结合电磁-机械自适应、AI优化磁场及快速脉冲序列，开展多中心验证。

2.3 降低磁共振射频能量吸收率

       通过涡流反向抵消电场、谐振调控等^[38]，电磁超材料可以有效降低射频沉积，提高临床安全性，尤其是在高场强、高选择性脉冲的临床应用上。

       高场强MRI通过提高主磁场B₀强度，显著增强质子磁化强度，在相同空间/时间分辨率下提升SNR，但会增加射频沉积。为平衡成像质量与安全性，NURZED等^[22]将电磁超材料与自接地蝴蝶结天线（self-grounded bow-tie, SGBT）结合，用于21.0 T人体心脏MRI。该材料由浸入甘油的SRR组成，通过调节SRR层数（1~4层）实现共振频率变化。通过对比3D超材料与传统水垫/甘油垫，得出B1⁺提升69%且SAR10g降低30%的结论^[8]。此外，针对7 T MRI全身成像，为实现信号更均匀、发热更可控，设计出高阻抗超材料屏蔽层^[43]，并与4种不同的天线搭配研究其最佳搭配。

       由于射频能量沉积问题，高选择性脉冲难以在临床上广泛应用。BRUI等^[6]将体积超材料与Shinnar-Le Roux（SLR）脉冲结合，应用于1.5 T腕部快速自旋回波成像：通过超材料的射频聚焦作用，使能量沉积较传统射频设置降低96%，同时SLR脉冲的高选择性减少了多层面成像中的“串扰伪影”（信号损失降低至15.7%~17.6%）。通过调节导电条长短和分布（均匀/凸形/凹形），设计出适用于7 T脑部成像的超材料结构：在颞叶和枕叶区域成像中，短导电条凹形分布的超材料可降低约40% SAR，同时增强局部磁场，有效抑制电场热点并提升图像局部SNR^{[7, 18]}。这种设计可增强局部磁场，抑制电场热点，打破了传统线圈中磁场增强与SAR升高的制约关系，为超高场脑部精细结构成像（如颞叶癫痫病灶检测）提供了新方案。

       通过谐振调控与材料优化能够有效降低高场MRI的高SAR风险，但仍存在智能调谐系统的响应时间无法匹配快速脉冲序列，导致瞬时SAR峰值超标的问题。未来可关注开发纳秒级响应的电控超材料，通过材料创新与结构设计，实现电磁参数的超高速可逆调控，为高频动态场景提供解决方案。

2.4 提高射频场均匀性

       目前研究发现，通过正弦电流分布^[12]、介电补偿^[25]、奇数单元阵列设计^[11]等，可以有效消除磁场暗区，显著提升射频场均匀性，对比介电质等材料更有普适性。

       CHI等^[12]采用圆柱形对称结构，使12个阵列元件均匀分布于圆柱基底，形成正弦表面电流分布，理论上近似理想均匀横向磁场，确保接收场均匀增强。该设计主要应用于人体手腕等部位的MRI，能够为手腕区域提供较为均匀的磁场环境，有助于清晰呈现手腕部的组织结构。SOKOL等^[25]采用分形化的方形结构交叉单元设计，通过调节共振曲线以适应形变；采用双层基板交错排列形成离散电容，优化共振特性；通过双面膜包裹方式减少射频场向外部泄漏，使能量更集中于成像区域，从而提高射频场均匀性。该研究发现，这种结构能让头部组织的影像更加清晰，尤其是对脑部细微结构的显示更有帮助。亦有类似SRR的结构，即电容加载分裂环^[42]，可通过在超表面形成驻波，弥补头部成像的原磁场。

       偶数阵列可能在对称位置产生抵消，而奇数阵列的中心单元能打破对称，避免场强极小区域。利用这个原理，ISSA等^[11]采用3×3的单元阵列设计，减少了潜在的磁场信号强度极小甚至为零的区域，使近表面区域射频场分布更优，提升了射频场均匀性，该设计适用于人体浅表部位的成像，如乳腺、甲状腺等近表面器官，能让这些部位的影像更清晰。在柔性聚酰亚胺基板上印刷周期性铜条和平行板电容元件构成的超表面，能有效消除腹部区域的B1⁺局部最小值（暗区），与介电垫具有相当的均匀性改善效果，且对身体质量指数变化具有稳定性^[13]。该超表面主要应用于腹部成像，能应对不同体重指数患者的腹部成像需求，清晰显示腹部器官如肝、脾、肾等的结构。对比水垫和甘油垫，3D超材料结合动态并行传输技术能显著降低CoV，证明超材料可以提升射频场均匀性^[22]。3D超材料结合动态并行传输技术主要应用于人体心脏的MRI，能为心脏成像提供更均匀的射频场。

       未来可添加病变样本，寻找病变组织的介电特性与超材料电磁响应关联；简化操作流程，改良双面放置超表面，提高对齐ROI效率；将超材料拆分为标准化单元，使其适配各种人体不同部位等。

2.5 提高磁场穿透深度

       电磁超材料通过优化射频磁场（B1）的空间分布与衰减特性，有效提升了磁场穿透深度，为人体组织深层器官的清晰可视化提供了关键技术支撑^{[9, 10, 11]}。半圆柱形适形超材料通过两侧磁场增强效应叠加，扩大磁场覆盖范围并减缓场强衰减，贴合肢体轮廓，使磁场均匀渗透至深层肌肉、骨骼，提升关节与深层肌骨结构成像清晰度，穿透深度达130 mm^[10]。CIS的3×3奇数单元阵列和单元与线圈中心对齐设计，在保证表层磁场增强的同时，减少周期性磁场的零场区，使磁场能量均匀地向深层渗透，有效穿透深度达50 mm，适用于胸部、腹部等浅层下方有重要器官的部位（如乳腺、肝脏浅层）^[11]。四折旋转对称结构超表面对磁场极化方向不敏感，无论与人体组织的相对取向如何，均能稳定增强磁场，有效穿透深度达95 mm（远超现有技术50~80 mm），适用于深层器官成像^[9]。

       三种超材料设计通过磁场叠加或极化不敏感设计，有效延长磁场渗透距离。这从结构优化角度针对性解决了MRI磁场穿透深度不足的核心问题，但诸如刚性结构不适配曲面结构、单元周期阵列产生磁场零点等问题，仍限制临床转化。未来可以通过研发新型材料结构、量化电磁耦合效应、增加单元数量、设计梯度介电结构等方法进行改良。

2.6 多核MRI

       传统MRI高度依赖氢核（¹H）信号，仅能反映水和脂肪的分布信息，而多核MRI将检测范围拓展至³¹P、²³Na、¹³C等非氢核素^[35]，获取能量代谢（如³¹P标记的ATP/磷酸肌酸）、电解质平衡（如²³Na离子浓度）、代谢通路（如¹³C标记的底物转化）等关键生理参数。双核共振超表面设计专门应用于人体小腿部位的成像：通过导线长度与共振频率的匹配关系，一组长导线对应低频核素（³¹P）分析小腿肌肉的能量代谢情况，一组短导线对应高频核素（¹H）获取小腿的解剖结构信息，实验结果显示两种核素信号协同增强，突破了单一核素成像的局限，尤其在需要同时观测多种核素代谢信息的场景中具有重要应用潜力，推动了超材料在多核MRI中的实用化进程^[31]。

       然而，目前尚存在仿真和实验性能差异，且针对部分非氢核素的扫描时间过长，尤其是³¹P-MRS，对于特殊人群的应用安全性难以得到保障，因此需要进行复杂环境下大规模活体样本验证计算。

       总之，当前研究已经初步验证了电磁超材料在增强图像局部SNR、提高图像分辨率、降低磁共振射频能量吸收率、提高射频场均匀性、提高磁场穿透深度以及多核成像等方面的临床价值（表1），但仍然需要进一步的临床验证。

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表1  不同电磁超材料对比
Tab. 1  Comparison of different metamaterials

3 小结与展望

       电磁超材料研发历经从三维立体构型到平面化发展，并有向数字化方向拓展的趋势^[44]，在MRI领域的应用已形成清晰的技术进阶逻辑：从基础质量保障，提升SNR与分辨率，到安全风险控制，再到场景覆盖拓展，研究均匀性、穿透深度、适配性、多核成像等。其设计始终围绕“成像性能-患者安全性-设备适配性”三大临床核心需求，为突破传统MRI技术瓶颈提供了创新路径。

       当前电磁超材料在临床转化中仍存在局限性：一是临床验证深度不足，多数研究停留在体模或小样本在体试验，缺乏覆盖不同年龄、体质量指数及病变类型的大规模多中心数据。这就需要开展多中心、大样本临床试验，纳入健康人群与不同疾病患者。二是电磁超材料长期使用稳定性未得到系统验证，需要监测电磁参数与成像质量的关联性，形成标准化临床使用规范并定期检测。三是跨场强、跨部位适配性低，难以兼容全谱系设备，且刚性结构对脊柱、乳腺等复杂曲面部位的贴合性差。可以继续开发“自适应多频段”超材料结构，设计模块化、可拼接的柔性单元，适配脊柱、乳腺等复杂曲面部位。四是生物相容性与安全性评估空白，未明确超材料与人体组织的长期相互作用，缺乏针对儿童、孕妇等特殊人群的安全性数据。可以研发医用级复合超材料，通过细胞毒性测试、皮肤刺激试验及长期植入动物实验，明确生物相容性；针对儿童、孕妇等人群，优化材料厚度与重量，降低压迫感与潜在风险。五是智能调控响应滞后，现有智能调谐系统响应时间无法匹配快速脉冲序列，易导致瞬时 SAR 峰值超标。可以聚焦纳秒级响应的电控超材料研发，结合高速二极管与可编程逻辑电路，实现射频脉冲序列与超材料调谐的实时同步，解决瞬时SAR峰值超标问题，适配快速成像序列。六是多核成像实用性受限，非氢核素（如³¹P）扫描时间过长，且仿真与实验性能差异显著，特殊人群应用安全性未验证。可以优化多核共振超材料的单元布局，通过增强电磁耦合效率缩短³¹P/²³Na等核素的扫描时间；开展特殊人群的多核成像安全性验证，明确非氢核素射频能量沉积的耐受阈值，推动代谢成像从科研向临床常规应用转化。

       未来，随着多学科交叉，如电子信息、机械力学、计算机科学等的深入，电磁超材料有望向数字化信息超材料^[21]发展，并与深度学习^[45]、数字孪生^[46]等技术交汇，实现多模态融合，进一步提升成像精准度与临床适配性，为早期疾病诊断、精准治疗及疗效评估提供更强大的技术支撑。