《电子技术应用》

9.4T磁共振成像系统高通鸟笼射频线圈的研制

2017年电子技术应用第7期 作者:陈思明1,2,张雪雷1
2017/7/27 13:36:00

陈思明1,2,张雪雷1

(1.中国科学院强磁场科学中心,安徽 合肥230000;2.中国科学技术大学,安徽 合肥230000)


    摘  要: 设计并制作了一个发射/接收一体的鸟笼线圈,该线圈采用正交激发/接收,谐振频率可以达到400 MHz,在9.4T成像系统中,可对H原子成像。Workbench测试表明,该线圈Q值较高,两个通道的隔离度达到20 dB。进行了样品测试,结果显示图像均匀、信噪比高、对比清晰。该线圈设计工艺简单,成本较低,对于超高场磁共振成像射频线圈的设计与制作具有一定的借鉴意义。

    关键词: 9.4T射频线圈;鸟笼线圈;调谐;信噪比

    中图分类号: TN751.2

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.004


    中文引用格式: 陈思明,张雪雷. 9.4T磁共振成像系统高通鸟笼射频线圈的研制[J].电子技术应用,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

    在磁共振成像系统中,射频线圈能产生拉莫尔频率的射频脉冲[1],可用于激发被测样品中的原子。在射频脉冲激发停止后,原子将发生弛豫,在弛豫过程中,被激发的原子将发射磁共振信号,可以对该信号进行接收,再进行放大、滤波和调制,最后进行图像的重建,继而得到样品内部的图像。射频线圈作为接收信号的最前端,对图像质量起着关键性作用[2]

    射频线圈通常可分为体线圈和表面线圈。体线圈具有较大的空间分布,能够在特定区域内产生均匀的B1场,可作为发射线圈和接收线圈[3]。表面线圈灵活多变,能更加贴合被测物体的表面,具有更高的SNR,但相对于体线圈,表面线圈透入深度较低,灵敏度下降快[4]

    鸟笼线圈[5]具有较高的磁场均匀度,且可以采用正交激发,获得较高的SNR。本文设计了一种鸟笼结构的体线圈,阐述了制作方法,并给出了测试结果。

1 鸟笼线圈原理

    鸟笼线圈的基本结构如图1所示,由多个平行于轴向的导电部分组成,平行结构称为rung,连接rung的结构称为endring,根据电容的位置,可分为三大类:低通、高通和带通。低通鸟笼线圈用于1.5T以下低场,高通鸟笼线圈用于1.5T以上高场,带通鸟笼线圈一般用作电尺寸较大的情况。

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    鸟笼线圈易实现正交激发。在空间上相差90°的位置上,加载两个相位相差90°的激励信号,就能产生一个圆极化的B1场。相对于线性激发,正交激发的能量可以减小1/2,SNR可以提高sp4-t1-x1.gif[6]

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    N根rung一般产生N/2+1种模式[7],称m=0的模式为endring模式,该模式rungs中没有电流流动,电流只分布在endring中。对于高通鸟笼线圈,endring模式的谐振频率最高,对于低通鸟笼线圈endring模式的谐振频率最低,频率为零。当m=1时,带通鸟笼线圈的磁场分布并不绝对均匀,与C1和C2的比值相关。但对于低通和高通鸟笼线圈而言,当m=1时会产生均匀的模式。

    线圈的rungs数量直接影响着磁场的均匀度,rungs的数量越多,长度和直径的比值越大,磁场就越均匀。图2是MATLAB计算的不同数量rung下的磁场位形状,随着rungs数量的增加磁场的均匀度在增加,而且在同等的激励条件下,线圈中心的磁场强度也在增加。

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    当rungs的数量较多时,对电容的精度要求相应增加,且导体结构分布的对称性会变差,易造成谐振模式的分裂,调谐过程会变得更复杂。因此设计时需要在场的均匀度和线圈制作的复杂性之间进行权衡。

2 线圈参数以及仿真

2.1 线圈参数

    9.4T下的H原子的拉莫尔频率为400 MHz,综合考虑设计复杂性以及磁场的均匀度,本文采用8 rungs的高通结构,采用正交激发。线圈选用铜材质,线圈leg采用半径为0.5 mm、长度为55 mm的管状结构,线圈半径取20 mm,屏蔽层半径取30 mm,电容间隙取2 mm,端环类型采用矩形结构,鸟笼线圈的电容数目较多,endring采用厚度为0.1 mm,宽度为5 mm的铜带。为简化设计流程,采用宾夕法尼亚州立大学开发的birdcage builder[8],计算出电容大小为Cf=6.4 pF,该值可作为参考值,但最终值还需要进行调整。

2.2 电磁仿真

    将Cf=6.4 pF作为初始值,通过3D全波电磁仿真软件,构建模型如图3所示,进一步优化,当Cf取6.2 pF时,可以在400 MHz产生均匀的磁场。

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    图4为4种模式下的磁场分布,由于endring模式下rungs中没有电流,故未给出仿真图。通过比较分析,可知m1模式具有均匀的磁场,其他3种模式中间磁场较弱而且分布不对称。

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    通过场路联合仿真,经调谐匹配,得到5种谐振模式。图5是相应的S参数曲线。在m1模式下,谐振频率匹配到399.7 MHz,反射系数是-12.771 dB。

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3 线圈的制作

3.1 Trap

    由于同轴线的屏蔽层上会感应出共模电流,容易对信号造成干扰,引起线圈的失谐振,严重时还会对成像的活体造成灼伤[9]。本设计采用trap来消除上述弊端,工程中将同轴电缆缠绕,等效为电感,在其两端并联电容,外屏蔽层和电容相当于一个并联谐振电路,在特殊的频点实现陷波,如图6所示,通过调节电容使谐振频率匹配到400 MHz。

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    实际测试时,为减少trap中电感产生的磁场对射频线圈磁场的干扰,同时为防止外界环境对trap中电感的影响,需要将trap装配在屏蔽盒里。

3.2 屏蔽

    为减少射频线圈与梯度场线圈以及匀场线圈的耦合,需要在鸟笼线圈外安装屏蔽。该屏蔽类似于一个低通滤波器,能够通过静止的主磁场以及声频频率下的梯度场,阻止射频场的通过[10]。本设计选择在亚克力上覆上一层铜箔[11],将铜箔沿主磁场方向均匀分成若干部分,在相邻的铜箔间隙上焊接上若干个数值较大的1 nF的贴片电容,如图7所示。

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3.3 线圈主体的制作与装配

    在鸟笼线圈的设计中,采用的正交调谐结构如图8所示,其中Ct1和Ct2分别是两个通道的调谐电容,Cm1和Cm2是两个通道的匹配电容,Cb是平衡电容,用来补偿线圈制作过程中的结构差异以及电容误差所带来的不对称性。

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    装配过程中,选用厚度为2 mm、外径为40 mm的亚克力管作为内部的支撑。当加入负载之后,整体的等效电容会增大,从而导致谐振频率降低,所以需要选用比理论值偏小的电容,本设计选用容值为5.6 pF的ATC100B系列的无磁电容。图9(a)为的焊接结构图,图9(b)为装配有屏蔽和支撑的完整结构图。

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4 线圈测试

4.1 网络分析仪测试

    采用安捷伦的E5071C网络分析仪进行对线圈进行测试,通过对调谐电容、匹配电容以及平衡电容的反复匹配,使两个通道都能在400 MHz下发生谐振。网络分析仪测试结果可知,两个通道m1模式的反射系数较低,S11、S22小于-30 dB。两个通道的耦合较小,S21小于-20 dB,表明两个通道的独立性较好,产生磁场更接近理想的圆极化场。

4.2 安捷伦9.4T成像仪测试

    在安捷伦9.4T成像仪上对线圈的性能进行了测试,样品采用0.9 g/L的NaCl溶液。采用梯度回波序,参数为:TR=20 ms,TE=4 ms,Matrix=128×128,Fov=30×30,Slice=10,Ave=1,Thick=2 mm。从图10可以看出均匀度较好,图像的信号是13 560,图像噪声的标准差是67.45,图像的SNR=13 560/67.45=201。表明该线圈产生的磁场较为均匀,线圈的发射效率和接收效率高。

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5 结论

    本文简要介绍了鸟笼线圈的工作原理以及鸟笼线圈的工作模式,并对鸟笼线圈的工作模式进行了分析,利用birdcage builder计算出电容参数,通过三维电磁仿真软件对不同的共振模式的磁场位形进行了仿真分析计算,验证了m1模式的磁场最为均匀。给出了鸟笼线圈的设计和制作过程,通过workbench和9.4T成像仪测试,验证了该高通鸟笼线圈的有效性。该鸟笼线圈采用正交发射和接收,发射时效率高,磁场均匀,图像的信噪比较高,制作工艺简单,成本较低,可以根据被测样品的大小,进行不同尺寸的设计,对于其他高场磁共振射频线圈的设计具有一定的借鉴意义。

参考文献

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