0 引言

       大鼠在生理解剖结构、代谢等多个层面与人类高度相似，已成为不可或缺的动物模型。MRI作为一种非侵入性、无辐射的成像工具，能够对大鼠脑部解剖结构和功能活动进行纵向、动态的观测^{[1, 2, 3]}，从而在活体状态下揭示疾病的时空演变规律，并为评估治疗效果提供客观影像依据^[4]。

       目前，大鼠MRI研究多依赖于超高场专用动物MRI系统^[5]。这类设备通常具有较高的磁场强度（7.0 T、9.4 T甚至更高）与小孔径设计^[6]，有助于获取更高的信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）与空间分辨率，以满足基础研究对图像细节与微观结构信息的迫切需求。然而，超高场动物专用设备不仅购置成本高昂，其日常维护、耗材费用及实验运行亦需较高专业技能支撑，整体成本效益较低^[7]，限制了其在一般科研环境中的普及。相比之下，临床MRI扫描仪技术成熟度高、设备保有量大、成本相对较低，对临床研究人员而言更易获取^[8]。

       近年来，超高场临床MRI设备已在许多大型医院与科研中心广泛配置，其中，5.0 T MRI系统作为新兴超高场平台，在SNR方面较传统1.5 T或3.0 T系统有显著提升^{[9, 10, 11]}，极大改善了图像质量，也为动物实验提供了条件^{[12, 13, 14]}。然而，由于大鼠成像需要更高的空间分辨率，并且临床5.0 T MRI扫描仪为人类设计，具有相对较大的孔径，这会存在严重的“填充因子”失配^[15]，导致信号接收效率低下、背景噪声占比过高，从而造成SNR严重不足。因此，我们仍需寻求解决办法，进一步提升大鼠在临床MRI的图像质量，以充分释放其成像潜力。

       为进一步提升实验动物在临床MRI系统中的成像性能，近年来研究者开始探索新型材料在MRI中的应用^{[16, 17, 18]}。超材料作为一种人工结构材料，可显著优化MRI质量，为突破低场临床MRI固有SNR极限提供了新工具。超材料是由亚波长结构单元按特定拓扑结构人工排布形成的新型电磁材料，通过对亚波长基元的结构与排布的设计，能够突破天然材料本征电磁参数的限制，获得自然材料不具备的电磁特性，包括负磁导率μ与负介电常数ε等。在MRI应用中，超材料经结构与频率适配后，可在拉莫尔频率下呈负磁导率响应，从而实现MRI信号的局部增强。与此同时，通过改变局部磁场和电场分布，超材料可使成像目标信号场增幅显著高于噪声场增幅，从而实现SNR的有效提升^[19]。这些特性使其能够在不改造系统核心硬件的情况下提升图像SNR^{[20, 21]}。该类技术以物理方式优化成像质量，降低了传统方法对硬件升级的依赖，为动物模型在临床扫描仪中的高质量成像提供了新思路。

       目前临床5.0 T系统中的大鼠成像SNR仍显不足，而现有超材料研究尚未充分关注这一特殊应用场景下的适配问题。因此，本研究通过对比基于超材料的临床MRI大鼠成像方法与当前广泛使用的临床MRI大鼠成像方法，首次系统评估了超材料在大鼠脑部5.0 T MRI中的可行性，为基于临床MRI设备的动物成像研究提供了更优的成像方案与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 模体配制

       为验证超材料成像准确性，本研究首先使用标准溶液模体进行扫描。模体包含1.243 g的六水合硫酸镍（NiSO4·6H2O，上海阿拉丁生化科技股份有限公司，中国）和2.6 g的氯化钠（NaCl，上海阿拉丁生化科技股份有限公司，中国），溶解于1000 g去离子水中，经充分搅拌形成均匀稳定的无机盐溶液，用于测量其T1和T2弛豫值。该无机溶液模体的理化性质与电磁特性稳定，不易受扫描室常规温度波动等因素影响，确保了弛豫时间测量的一致性与可重复性。

1.2 实验动物

       所有动物实验均严格遵守实验动物福利伦理规范，并获得首都医科大学附属北京友谊医院动物伦理委员会的审查批准（批准号：25-1004）。本研究为自身对照设计，采用配对t检验进行统计分析。基于预实验结果，超材料组与大鼠线圈组T2WI序列SNR的差值均数为8.75，差值的标准差为1.77，计算得效应量Cohen's d=4.94。为保守估计，取效应量d=2.0，设α=0.05（双侧），1-β=0.80，使用G*Power 3.1计算，所需样本量为5对。本研究选用10周龄健康雄性Sprague-Dawley大鼠5只，该品系遗传背景清晰、生理指标稳定，是神经科学及影像学研究中广泛采用的标准模型动物。实验前，所有大鼠在标准条件下[温度（22±2）℃，12 h明暗循环，自由摄食饮水]适应性饲养一周，以确保其生理状态稳定。

1.3 超材料及线圈分组

       本研究旨在系统比较不同射频接收配置对大鼠脑部成像质量与效率的影响。实验所用超材料组件由清超卓影公司专为大鼠设计，工作频率为211 MHz，呈圆筒状结构，可用孔径为35 mm，长度50 mm，能够紧密贴合大鼠头部，旨在通过调控局部射频场分布提升信号接收效率。超材料与48通道头线圈之间为近场电感耦合，具有非线性响应特性，不会对线圈的阻抗匹配和Q值产生显著影响。

       实验分为两部分，每部分均采用自身对照。第一部分为图像质量对比，旨在评估不同线圈配置在常规扫描参数下的SNR表现；第二部分为扫描效率对比，旨在评估在匹配图像SNR的条件下，不同配置所需的扫描时间差异。每部分实验都分为实验组与对照组，其中实验组采用48通道收发一体头线圈联合超材料成像，对照组采用12通道大鼠专用线圈成像，实验组和对照组均对所有大鼠进行成像（图1）。

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图1  超材料及实验动物示意图。1A：超材料联合48通道头线圈；1B：12通道大鼠专用线圈。
Fig. 1  Metamaterial and experimental animals. 1A: Metamaterial combined with 48-channel head coil; 1B: 12-channel rat coil.

1.4 MRI检查

       所有扫描均在联影5.0 T MRI扫描仪（uMR Jupiter）上完成。大鼠麻醉采用吸入式异氟烷，具体流程如下：将大鼠置于密闭诱导箱内，以3%异氟烷（与医用氧气混合）诱导麻醉3 min，待麻醉稳定后，将动物转移至扫描床上，通过面罩持续输送1.5%异氟烷维持麻醉，并在扫描过程中全程监测呼吸频率，确保生命体征平稳。

       所有搭配超材料与头线圈，以及单独采用大鼠线圈的扫描，均执行统一大鼠固定标准。通过立体定位架将大鼠以俯卧位固定，使圆柱形超材料层环绕大鼠头部放置，鼠头部定位于头线圈的几何中心。对于仅使用大鼠专用线圈的扫描，直接将大鼠头部置于线圈中心位置。

       扫描序列涵盖临床常规脑部结构成像序列，包括：T1WI、T2WI、T1WI-FLAIR以及T2WI-FLAIR扫描。鉴于大鼠专用线圈与超材料联合头线圈在射频场分布等方面存在固有差异，为充分发挥各自优势并获得最优图像质量，本研究对两组实验配置分别采用了针对性的扫描参数，参数设置如表1所示，所有序列均未使用脂肪抑制。

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表1  MRI采集方案
Tab. 1  The MRI acquisition protocol

1.5 图像分析

       计算每个序列的SNR：所有感兴趣区（region of interest，ROI）由两名具有3年以上神经影像分析经验的放射科医师（一名主任医师、一名主治医师）独立勾画，两名医师均对分组信息保持盲态。ROI放置前进行统一培训，使用标准定位图谱确保解剖定位一致性。在背侧纹状体区域放置1个直径为2.8 ~ 3.2 mm的圆形ROI测量其信号（SICPu），在背景的四角处放置4个面积相同的ROI计算平均背景噪声（SDbackground）。SNR的计算方法见公式（1）：

1.6 统计学分析

       所有图像的主观质量均由评估人员在对分组信息保持盲态的前提下独立完成评定。

       应用SPSS 26.0（IBM Corp., Armonk, NY, USA）统计学软件进行数据处理。计量资料以x¯±s表示，对所有配对数据的差值进行正态性检验。若差值满足正态分布，则采用配对t检验；若差值不满足正态分布，则采用Wilcoxon符号秩检验。使用组内相关系数（intra-class correlation coefficient, ICC）评估观察者间一致性，ICC>0.80认为一致性良好。P<0.05为差异有统计学意义。采用GraphPad Prism 9.5（GraphPad Software, San Diego, CA, USA）进行绘图。设定T1、T2的测量误差阈值为5%。

2 结果

2.1 超材料成像准确性及观察者一致性

       模体的T1 mapping和T2 mapping结果显示，通过大鼠线圈测量得到的模体T1值为256.4 ms，T2值为156.2 ms；通过超材料和头线圈测得的模体的T1值为255.0 ms，T2值为153.1 ms（图2）。T1和T2的差异分别为0.55%和1.98%，均在5%以内，因此可以认为这种超材料不会影响图像的准确性。

       结果显示各序列各脑区ROI的ICC值为0.85~0.94（均>0.80），表明观察者间一致性良好。最终分析采用两名观察者测量结果的平均值。

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图2  模体的T1 mapping和T2 mapping图像。2A~2B：T1 mapping结果；2C~2D：T2 mapping结果；2A、2C：超材料联合头线圈扫描；2B、2D：大鼠线圈。
Fig. 2  T1 mapping and T2 mapping images of the phantom. 2A, 2B: T1 mapping results; 2C, 2D: T2 mapping results. 2A, 2C: Metamaterial combined with 48-channel head coil; 2B, 2D: 12-channel rat coil.

2.2 SNR优势

       在扫描时间相同，分辨率相同的情况下，超材料和大鼠线圈各自采用适合的扫描参数（图3），结果显示对于T1WI序列，使用大鼠线圈成像SNR为20.52（SD=1.37），超材料SNR为25.87（SD=1.39）；对于T2WI序列，大鼠线圈SNR为16.62（SD=0.89），超材料SNR为25.37（SD=1.53）；对于T1WI-FLAIR序列，大鼠线圈SNR为14.15（SD=0.74），超材料SNR为23.15（SD=1.44）；对于T2WI-FLAIR序列，大鼠线圈SNR为19.39（SD=1.05），超材料SNR为32.52（SD=4.26）。超材料与大鼠线圈相比，T1WI序列（t=21.57，P<0.001）、T2WI序列（t=24.175，P<0.001）、T1WI-FLAIR序列（P=0.043）、T2WI-FLAIR序列（t=8.728，P=0.001）成像SNR显著提高（图4）。

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图3  大鼠线圈组与超材料组的成像对比（在相同的扫描时间与空间分辨率下）。3A~3D：超材料联合48通道头线圈组；3E~3H：大鼠专用线圈组。3A、3E：T1WI；3B、3F：T2WI；3C、3G：T1WI-FLAIR；3D、3H：T2WI-FLAIR。每一行代表一只大鼠。
Fig. 3  Comparison of images between the rat coil group and the metamaterial group (under the same scanning time and spatial resolution). 3A to 3D: Metamaterial combined with 48-channel head coil group; 3E to 3H: Rat-dedicated coil group. 3A, 3E: T1WI; 3B, 3F: T2WI; 3C, 3G: T1WI-FLAIR; 3D, 3H: T2WI-FLAIR. Each line represents a rat.

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图4  大鼠线圈组与超材料组的信噪比（SNR）对比（在相同的扫描时间与空间分辨率下）。*：P < 0.05，***：P < 0.001。两种颜色柱状图分别代表：蓝色，大鼠线圈组；红色，超材料联合头线圈组；5个数据点表示5只大鼠具体的SNR数值。
Fig. 4  Comparison of signal-to-noise ratio (SNR) between the rat coil group and the metamaterial group (under the same scanning time and spatial resolution). Asterisks indicate statistically significant differences between groups: *: P < 0.05, ***: P < 0.001. The two colored bars represent: blue, rat coil group; red, metamaterial combined with head coil group; the five data points represent the individual SNR values of the five rats.

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图5  Bland-Altman 图显示大鼠线圈与超材料-2 采集图像信噪比的一致性分析。
Fig. 5  Bland-Altman plot showing the agreement analysis of signal-to-noise ratio between images acquired with the rat coil and metamaterial-2.

2.3 采集效率优势

       参考大鼠线圈标准参数的成像序列SNR，我们调整扫描参数使超材料达到相同成像SNR，图5结果显示两种配置扫描得到的图像SNR具有良好的一致性。对于T2WI序列，大鼠线圈成像时间为7 min 24 s，超材料为3 min 20 s；对于T1WI-FLAIR序列，大鼠线圈成像时间为7 min 18 s，超材料为3 min 24 s；对于T2WI-FLAIR序列，大鼠线圈成像时间为10 min 56 s，超材料为4 min 16 s。

3 讨论

       本研究采用自身对照设计，在5.0 T临床MRI系统上对5只健康雄性SD大鼠分别采用超材料联合48通道头线圈与常规大鼠专用线圈两种方案进行脑部T1WI、T2WI、T1WI-FLAIR及T2WI-FLAIR成像。结果显示，在相同扫描时间与空间分辨率下，超材料方案使四个序列的SNR分别提升26%~68%；在匹配至相当SNR时，超材料方案使T2WI、T1WI-FLAIR、T2WI-FLAIR序列的扫描时间分别缩短55%、53%、61%。本研究首次在5.0T临床超高场系统上系统验证了超材料用于活体大鼠脑部成像的可行性，并首次将超材料带来的SNR增益直接量化为扫描时间的缩短。其临床价值在于：为利用临床MRI设备开展小动物实验的研究者提供了一种低成本、易部署的高性能成像方案，可显著缩短动物麻醉时间、降低实验风险。

3.1 超材料提升成像性能

       超材料是一种由人工结构单元构成、能够对电磁波进行调控的新型材料^{[19, 22]}。对于小动物成像，主要存在两点优势，一是提升图像SNR^{[23, 24]}：由于其独特的设计，在扫描时超材料可以与MRI的射频场发生谐振，有效地局部增强磁场，从而显著提升目标区域的信号强度；二是射频场均匀性^{[17, 25, 26]}：尤其是在超高场系统中，传统射频线圈容易因波长缩短导致图像出现明暗不均的情况，通过超材料结构，可以优化并均匀射频场的分布，从而在整个成像区域内获得更一致、更高质量的图像，并有助于控制特定吸收率以提升扫描安全性。

       需要指出的是，本研究对比的是两种临床可用成像方案的整体性能差异，而非单纯评估超材料的独立贡献。48通道头线圈与12通道大鼠线圈在通道数、灵敏度及射频场分布上存在固有差异，因此观察到的SNR提升是超材料与多通道头线圈协同作用的结果。这一设计更符合临床实际应用场景——研究者通常面临的是“使用现有设备+超材料”以及“使用专用动物线圈”的选择，而非在相同线圈基础上单纯评估超材料效果。

3.2 与既往超材料MRI研究的对比

       近年来，基于超材料的MRI信号增强技术取得了重要进展。KRETOV等^[27]报道了一种紧凑型可调超表面谐振器，通过平行铜线阵列结构实现了对MRI近场分布的精确调控，主要用于优化体线圈发射效率。该研究在1.5 T系统中验证了超表面降低激励功率的潜力，其设计侧重于发射场（B₁⁺）调控而非接收灵敏度提升。SOKOL等^[16]2022年开发了一种柔性超材料包裹，在3 T临床扫描仪上用于人脑模体成像，双侧放置时总平均信号较单侧放置增加了10.14%，同时六个不同ROI的最大值与最小值信号差降低了57%，展示了超材料在均匀性改善方面的潜力。

       与上述研究相比，本研究的创新点和优势在于以下几个方面。第一，工作平台和目标的差异化。既往研究多集中于低场（0.36 T）或常规场强（3 T）平台，研究对象多为模体而非活体。本研究首次在5.0 T临床超高场系统上对大鼠活体脑部进行系统验证，填补了超材料在超高场小型动物成像领域的数据空白。第二，性能增益的量化验证更为全面。既往研究多仅报告SNR提升幅度，本研究不仅量化了SNR增益，更进一步将此SNR盈余转化为明确的扫描效率红利，体现了“高质量”与“高效率”的工程可转换性。第三，验证对象更贴近临床转化场景。与既往多在模体上的研究不同，本研究直接在活体大鼠上获取成像数据，验证了超材料在活体脑组织中的实际性能，为其从实验室走向临床应用提供了更直接的证据。

3.3 关于扫描参数差异的分析

       本研究旨在比较“超材料联合头线圈”与“大鼠专用线圈”两种临床可及成像方案的整体性能，而非在严格控制单一变量的条件下独立归因超材料的贡献。因此，两组采用了各自最优化的扫描参数，以公平反映两种方案在实际应用中的真实效能。例如在对比扫描效率时，两组使用了不同的TR、TE、NEX等参数，这种参数设计差异可能源于：（1）基线SNR。T2WI-FLAIR的SNR基线较低，超材料带来的绝对增益更显著，允许更大幅度地减少NEX。（2）弛豫特性。超材料对B1场的增强效应可能在不同翻转角和TR/TE组合下效率不同。SNR的差异是线圈性能、超材料增益和参数优化的综合结果，这些可能性值得后续研究深入探索。

3.4 临床转化意义与理论价值

       超高场临床MRI近年来在临床应用中日益广泛，其高场强特性带来了成像分辨率与SNR的显著提升^{[9, 28]}。研究显示5.0 T MRI相较于传统的3.0 T系统，能提供更高的SNR和对比噪声比^[29]。这些技术进步极大地改善了临床结构成像的精细度，提供了更精准的影像学依据^[30]。

       同时，MRI作为一种无创性检查手段，在动物实验中具有不可替代的价值，尤其适用于纵向研究疾病发展、评估治疗效果及脑功能探索^{[12, 31, 32]}。相较于专用的动物MRI设备，临床MRI对研究人员而言更易获得且成本效益更高^[33]。目前，在临床MRI设备上获取高质量的小动物图像，主要依赖于专用的动物线圈^{[26, 34]}。

       大鼠模型因其生理解剖结构与人类高度相似^{[35, 36]}，且具有易于操作、成本效益高的特点，已成为研究神经退行性疾病、脑血管疾病、精神疾病以及脑损伤等相关机制不可或缺的工具^{[37, 38, 39]}。然而，将广泛应用于医院的临床MRI直接用于大鼠大脑成像时，仍面临显著挑战。由于大鼠脑部体积远小于人类，临床MRI在对其进行成像时，常出现图像分辨率有限、SNR不足等问题，难以清晰分辨细微的脑组织结构。此外，为了获得足够SNR的图像，往往需要延长扫描时间，这不仅增加了实验过程中麻醉和生理维持的难度与风险，也限制了实验效率。

       本研究结果显示超材料具有SNR以及扫描时间优势，解决了临床MRI进行动物扫描的困境。SNR的提升不仅仅意味着图像质量的提升，还为实现更高空间分辨率提供了空间。可以观察到，使用超材料的成像结果边缘更加锐利，为微小病变的识别提供了基础，这对小型动物的扫描是非常重要的。扫描时可以采用更小的视野和更薄的层厚，去解析大鼠头部细微结构，而无需担心图像会因噪声过多而变得不可用。同样的，在满足分辨率要求的前提下，超材料带来的SNR盈余可以直接转化为扫描时间的显著缩短。这不仅提高了实验效率，更减少了长时间麻醉对动物生理状态的干扰及存活风险^{[40, 41]}，确保了实验数据的生理相关性与伦理合规性。

       为了确保结果的真实性，在扫描过程中我们关闭了所有图像重建以及滤波操作。结果中展示的是未经处理的原始图像，在临床应用时加入图像重建，会呈现出更好的图像质量，使解剖细节更加清晰，有利于研究人员观察。

3.5 局限性

       本研究的局限性：一方面，超材料的临床可行性仅在五只健康大鼠身上进行了验证，虽然作为可行性研究尚可接受，但样本量较小可能导致统计效能不足，样本量有待进一步扩大；另一方面，本研究仅验证了一种大鼠疾病模型的可行性，今后可扩充如脑肿瘤、神经退行性病变等疾病模型类型。其次，本研究在SNR计算中仅选取单一、具有代表性的脑实质ROI，该区域无病理改变、信号分布均匀且远离主要伪影干扰源。该方法虽为经典方案，可有效降低多ROI定位偏差与个体差异引入的计算误差，但其他脑区因解剖尺寸限制无法满足ROI像素数量要求，故难以全面表征全脑成像质量的空间均匀性。后续研究可在严格保证ROI定位一致性的基础上，构建多脑区联合的定量评估策略。此外，已有研究表明超材料有助于图像均匀性，但本研究并未进行研究论证。未来工作还应补充对比增强序列的评估，以更全面地验证超材料在病理血脑屏障通透性评估中的价值。我们也会探索超材料在配合不同品牌/型号的MRI设备的扫描结果，验证技术的稳定性。

4 结论

       本研究表明，在5.0 T临床MRI系统中，采用超材料联合48通道头线圈相较于大鼠专用线圈，在相同扫描时间与空间分辨率条件下，可使大鼠脑部T1WI、T2WI、T1WI-FLAIR和T2WI-FLAIR序列的SNR分别提升26%、53%、64%和68%（均P<0.05）。在匹配至相当SNR时，超材料方案使T2WI、T1WI-FLAIR、T2WI-FLAIR序列的扫描时间分别缩短55%、53%和61%。上述结果提示，相较于现有临床动物成像方案，超材料的应用不仅能获得更高SNR的图像，更能大幅提升成像效率，为大鼠头部结构的清晰显示提供了可靠方法。