文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.004
中文引用格式: 陳思明,張雪雷. 9.4T磁共振成像系統(tǒng)高通鳥籠射頻線圈的研制[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(7):16-18,23.
英文引用格式: Chen Siming,Zhang Xuelei. Development of 9.4T MRI high pass birdcage coil[J].Application of Electronic Technique,2017,43(7):16-18,23.
0 引言
在磁共振成像系統(tǒng)中,射頻線圈能產(chǎn)生拉莫爾頻率的射頻脈沖[1],可用于激發(fā)被測樣品中的原子。在射頻脈沖激發(fā)停止后,原子將發(fā)生弛豫,在弛豫過程中,被激發(fā)的原子將發(fā)射磁共振信號,可以對該信號進(jìn)行接收,再進(jìn)行放大、濾波和調(diào)制,最后進(jìn)行圖像的重建,繼而得到樣品內(nèi)部的圖像。射頻線圈作為接收信號的最前端,對圖像質(zhì)量起著關(guān)鍵性作用[2]。
射頻線圈通??煞譃轶w線圈和表面線圈。體線圈具有較大的空間分布,能夠在特定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生均勻的B1場,可作為發(fā)射線圈和接收線圈[3]。表面線圈靈活多變,能更加貼合被測物體的表面,具有更高的SNR,但相對于體線圈,表面線圈透入深度較低,靈敏度下降快[4]。
鳥籠線圈[5]具有較高的磁場均勻度,且可以采用正交激發(fā),獲得較高的SNR。本文設(shè)計了一種鳥籠結(jié)構(gòu)的體線圈,闡述了制作方法,并給出了測試結(jié)果。
1 鳥籠線圈原理
鳥籠線圈的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,由多個平行于軸向的導(dǎo)電部分組成,平行結(jié)構(gòu)稱為rung,連接rung的結(jié)構(gòu)稱為endring,根據(jù)電容的位置,可分為三大類:低通、高通和帶通。低通鳥籠線圈用于1.5T以下低場,高通鳥籠線圈用于1.5T以上高場,帶通鳥籠線圈一般用作電尺寸較大的情況。
鳥籠線圈易實現(xiàn)正交激發(fā)。在空間上相差90°的位置上,加載兩個相位相差90°的激勵信號,就能產(chǎn)生一個圓極化的B1場。相對于線性激發(fā),正交激發(fā)的能量可以減小1/2,SNR可以提高倍[6]。
N根rung一般產(chǎn)生N/2+1種模式[7],稱m=0的模式為endring模式,該模式rungs中沒有電流流動,電流只分布在endring中。對于高通鳥籠線圈,endring模式的諧振頻率最高,對于低通鳥籠線圈endring模式的諧振頻率最低,頻率為零。當(dāng)m=1時,帶通鳥籠線圈的磁場分布并不絕對均勻,與C1和C2的比值相關(guān)。但對于低通和高通鳥籠線圈而言,當(dāng)m=1時會產(chǎn)生均勻的模式。
線圈的rungs數(shù)量直接影響著磁場的均勻度,rungs的數(shù)量越多,長度和直徑的比值越大,磁場就越均勻。圖2是MATLAB計算的不同數(shù)量rung下的磁場位形狀,隨著rungs數(shù)量的增加磁場的均勻度在增加,而且在同等的激勵條件下,線圈中心的磁場強(qiáng)度也在增加。
當(dāng)rungs的數(shù)量較多時,對電容的精度要求相應(yīng)增加,且導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分布的對稱性會變差,易造成諧振模式的分裂,調(diào)諧過程會變得更復(fù)雜。因此設(shè)計時需要在場的均勻度和線圈制作的復(fù)雜性之間進(jìn)行權(quán)衡。
2 線圈參數(shù)以及仿真
2.1 線圈參數(shù)
9.4T下的H原子的拉莫爾頻率為400 MHz,綜合考慮設(shè)計復(fù)雜性以及磁場的均勻度,本文采用8 rungs的高通結(jié)構(gòu),采用正交激發(fā)。線圈選用銅材質(zhì),線圈leg采用半徑為0.5 mm、長度為55 mm的管狀結(jié)構(gòu),線圈半徑取20 mm,屏蔽層半徑取30 mm,電容間隙取2 mm,端環(huán)類型采用矩形結(jié)構(gòu),鳥籠線圈的電容數(shù)目較多,endring采用厚度為0.1 mm,寬度為5 mm的銅帶。為簡化設(shè)計流程,采用賓夕法尼亞州立大學(xué)開發(fā)的birdcage builder[8],計算出電容大小為Cf=6.4 pF,該值可作為參考值,但最終值還需要進(jìn)行調(diào)整。
2.2 電磁仿真
將Cf=6.4 pF作為初始值,通過3D全波電磁仿真軟件,構(gòu)建模型如圖3所示,進(jìn)一步優(yōu)化,當(dāng)Cf取6.2 pF時,可以在400 MHz產(chǎn)生均勻的磁場。
圖4為4種模式下的磁場分布,由于endring模式下rungs中沒有電流,故未給出仿真圖。通過比較分析,可知m1模式具有均勻的磁場,其他3種模式中間磁場較弱而且分布不對稱。
通過場路聯(lián)合仿真,經(jīng)調(diào)諧匹配,得到5種諧振模式。圖5是相應(yīng)的S參數(shù)曲線。在m1模式下,諧振頻率匹配到399.7 MHz,反射系數(shù)是-12.771 dB。
3 線圈的制作
3.1 Trap
由于同軸線的屏蔽層上會感應(yīng)出共模電流,容易對信號造成干擾,引起線圈的失諧振,嚴(yán)重時還會對成像的活體造成灼傷[9]。本設(shè)計采用trap來消除上述弊端,工程中將同軸電纜纏繞,等效為電感,在其兩端并聯(lián)電容,外屏蔽層和電容相當(dāng)于一個并聯(lián)諧振電路,在特殊的頻點實現(xiàn)陷波,如圖6所示,通過調(diào)節(jié)電容使諧振頻率匹配到400 MHz。
實際測試時,為減少trap中電感產(chǎn)生的磁場對射頻線圈磁場的干擾,同時為防止外界環(huán)境對trap中電感的影響,需要將trap裝配在屏蔽盒里。
3.2 屏蔽
為減少射頻線圈與梯度場線圈以及勻場線圈的耦合,需要在鳥籠線圈外安裝屏蔽。該屏蔽類似于一個低通濾波器,能夠通過靜止的主磁場以及聲頻頻率下的梯度場,阻止射頻場的通過[10]。本設(shè)計選擇在亞克力上覆上一層銅箔[11],將銅箔沿主磁場方向均勻分成若干部分,在相鄰的銅箔間隙上焊接上若干個數(shù)值較大的1 nF的貼片電容,如圖7所示。
3.3 線圈主體的制作與裝配
在鳥籠線圈的設(shè)計中,采用的正交調(diào)諧結(jié)構(gòu)如圖8所示,其中Ct1和Ct2分別是兩個通道的調(diào)諧電容,Cm1和Cm2是兩個通道的匹配電容,Cb是平衡電容,用來補(bǔ)償線圈制作過程中的結(jié)構(gòu)差異以及電容誤差所帶來的不對稱性。
裝配過程中,選用厚度為2 mm、外徑為40 mm的亞克力管作為內(nèi)部的支撐。當(dāng)加入負(fù)載之后,整體的等效電容會增大,從而導(dǎo)致諧振頻率降低,所以需要選用比理論值偏小的電容,本設(shè)計選用容值為5.6 pF的ATC100B系列的無磁電容。圖9(a)為的焊接結(jié)構(gòu)圖,圖9(b)為裝配有屏蔽和支撐的完整結(jié)構(gòu)圖。
4 線圈測試
4.1 網(wǎng)絡(luò)分析儀測試
采用安捷倫的E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行對線圈進(jìn)行測試,通過對調(diào)諧電容、匹配電容以及平衡電容的反復(fù)匹配,使兩個通道都能在400 MHz下發(fā)生諧振。網(wǎng)絡(luò)分析儀測試結(jié)果可知,兩個通道m(xù)1模式的反射系數(shù)較低,S11、S22小于-30 dB。兩個通道的耦合較小,S21小于-20 dB,表明兩個通道的獨立性較好,產(chǎn)生磁場更接近理想的圓極化場。
4.2 安捷倫9.4T成像儀測試
在安捷倫9.4T成像儀上對線圈的性能進(jìn)行了測試,樣品采用0.9 g/L的NaCl溶液。采用梯度回波序,參數(shù)為:TR=20 ms,TE=4 ms,Matrix=128×128,F(xiàn)ov=30×30,Slice=10,Ave=1,Thick=2 mm。從圖10可以看出均勻度較好,圖像的信號是13 560,圖像噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差是67.45,圖像的SNR=13 560/67.45=201。表明該線圈產(chǎn)生的磁場較為均勻,線圈的發(fā)射效率和接收效率高。
5 結(jié)論
本文簡要介紹了鳥籠線圈的工作原理以及鳥籠線圈的工作模式,并對鳥籠線圈的工作模式進(jìn)行了分析,利用birdcage builder計算出電容參數(shù),通過三維電磁仿真軟件對不同的共振模式的磁場位形進(jìn)行了仿真分析計算,驗證了m1模式的磁場最為均勻。給出了鳥籠線圈的設(shè)計和制作過程,通過workbench和9.4T成像儀測試,驗證了該高通鳥籠線圈的有效性。該鳥籠線圈采用正交發(fā)射和接收,發(fā)射時效率高,磁場均勻,圖像的信噪比較高,制作工藝簡單,成本較低,可以根據(jù)被測樣品的大小,進(jìn)行不同尺寸的設(shè)計,對于其他高場磁共振射頻線圈的設(shè)計具有一定的借鑒意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 趙喜平.磁共振成像系統(tǒng)的原理及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2000.
[2] 張宏杰,宋梟禹,包尚聯(lián),等.磁共振成像射頻線圈技術(shù)[J].中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù),2005,21(9):1440-1441.
[3] ACKERMAN J J H.An historical introduction to surface coils:The EARLY DAYS[M].Encyclopedia of Magnetic Resonance,2012.
[4] VAUGHAN J T,HETHERINGTON H P,OTU J O,et al.High frequency volume coils for clinical NMR imaging and spectroscopy[J].Magnetic Resonance in Medicine,1994,32(2):206-218.
[5] HAYES C E,EDELSTEIN W A,SCHENCK J F,et al.An efficient, highly homogeneous radiofrequency coil for wholebody NMR imaging at 1.5 T[J].Journal of Magnetic Resonance,1985,63(3):622-628.
[6] CHEN C N,HOULT D I,SANK V J.Quadrature detection coils—A further improvement in sensitivity[J].Journal of Magnetic Resonance,1983,54(2):324-327.
[7] LEIFER M C.Resonant modes of the birdcage coil[J].Journal of Magnetic Resonance,1997,124(1):51-60.
[8] CHIN C,COLLINS C M,LI S,et al.BirdcageBuilder:Design of specified-geometry birdcage coils with desired current pattern and resonant frequency[J].Concepts in Magnetic Resonance,2002,15(2):156-163.
[9] PETERSON D M,BECK B L,DUENSING G R,et al.Common mode signal rejection methods for MRI:Reduction of cable shield currents for high static magnetic field systems[J].Concepts in Magnetic Resonance Part B Magnetic Resonance Engineering,2003,19B(1):1-8.
[10] HAYES C E,EASH M G.Shield for decoupling RF and gradient coils in an NMR apparatus:US,US 4642569 A[P].1987.
[11] 李永明,耿力東,俞集輝,等.多根貫通導(dǎo)線對屏蔽體內(nèi)電路電磁干擾影響的仿真研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2007(11):133-135,138.
作者信息:
陳思明1,2,張雪雷1
(1.中國科學(xué)院強(qiáng)磁場科學(xué)中心,安徽 合肥230000;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥230000)