并行 MRI：利用单通道实现多核成像
用户案例：卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）Mohammad Rasool Vaezi Kakhki
磁共振成像（MRI）是少数能够以非侵入方式对物体深部的结构和功能进行可视化的成像技术之一。MRI 传统上用于临床成像，但它能够检测多种原子核，因此在材料科学、化学和生物学领域同样具有强大的应用潜力。通过调谐至不同的原子核共振频率，MRI 可以为动态过程提供多维度的信息——前提是硬件能够提供支持。
传统 MRI 面临的挑战
标准 MRI 系统通常一次只能对一种原子核进行成像，每种原子核均需要单独的硬件并进行重复扫描。这种顺序成像方法不仅限制了效率、延长了扫描时间并增加了成本，还会使系统设计更加复杂，尤其是在研究代谢过程或多相体系等涉及多个相互作用组分的过程时。
我们的解决方案：并行多核 MRI
为克服这些挑战，我们开发了一种硬件效率更高的方法，只需使用单个射频发射/接收通道，便可实现同步多核 MRI [1]。该方法的核心是 苏黎世仪器 600 MHz UHFLI 锁相放大器， 它能够对并行采集的多个磁共振信号进行数字解调。
我们通过降低品质因数（Q 值）构建了一个宽带射频（RF）线圈，使其能够同时支持 1H 和 19F 的频率，并使用多个解调器处理合并后的信号，其中每个解调器均调谐至一种特定的原子核。该实验系统配备了定制的梯度控制器和低场磁体，由 UHFLI 负责高速采集和数字信号分离，并且不同原子核之间不存在可测量的串扰。
研究成果
我们的系统成功地在单次扫描中同步采集了 1H 和 19F 磁共振图像，且信号质量未受影响。测得的信噪比（SNR）达到 54，甚至超过了布鲁克（Bruker）商用单核实验系统的信噪比（SNR 43）。
该方法本身具有良好的可扩展性：使用单个射频通道最多可以同时采集 8 种原子核的信号，其限制仅来自 UHFLI 内部 FPGA 的处理能力。原则上，借助速度更快的硬件或在线处理，还可以处理更多种原子核的信号。
下一步是什么？
并行检测原理还可以扩展至电子顺磁共振 electron paramagnetic resonance (EPR) 等其他技术。在这些技术中，信号处于 GHz 频率范围，因此需要使用能够直接在相应频率下工作的仪器，例如 SHFLI 8.5 GHz 锁相放大器。
参考文献：
- M. Rasool Vaezi, Simultaneous multinuclear MRI via a single RF channel. Journal of Magnetic Resonance,368, 107782 (2024) 📄 https://doi.org/10.1016/j.jmr.2024.107782