一种用于开放式 MRI 的射频发射线圈设计

一种用于开放式 MRI 的射频发射线圈设计
魏树峰;杨文晖;郭丽慧;王慧贤
【摘要】介绍了一种用于开放式MRI系统的射频发射线圈.此发射线圈为上下2个相同的线圈,分别安装在磁体的2极,两线圈采用非对称的正交方式放置.线圈为矩形螺线管结构,通过电磁场数值计算的方法对线圈的匝间距进行了优化,使线圈在300 mm的球形区域内达到偏差不超过3 dB的均匀性要求.根据优化结果制作了一套用于0.23 T开放式MRI系统的发射线圈,并对线圈的均匀性及射频发射的效率进行了测试.测试结果表明,线圈具有较高的发射效率和较好的均匀性,由此验证了设计方案的可行性.%The design of a radiofrequency (RF) transmit coil for open magnetic resonance imaging (MRI) was introduced. The transmit coil is consisted of two rectangular solenoid coils with the same size which are installed on the two poles of the magnet in orthogonal directions. The two coils are positioned. A transmit coil used for 0. 23 T open MRI was made. Numerical simulation of electromagnetic fields was used to optimize the distance of the turns in the coils. The homogeneity and power efficiency of the coil were measured experimentally. The deviation of the amplitude of the RF field in a sphere of 300 mm in diameter was measured to be less than 3 dB.
【期刊名称】《波谱学杂志》
【年(卷),期】2012(029)003
【总页数】7页(P354-360)
【关键词】磁共振成像(MRI);射频发射线圈;垂直场;电磁场数值计算
【作者】魏树峰;杨文晖;郭丽慧;王慧贤
【作者单位】中国科学院电工研究所,北京100190;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院电工研究所,北京100190;中国科学院电工研究所,北京100190;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院电工研究所,北京100190【正文语种】中文
【中图分类】O482.53
引言
现在MRI已经广泛应用于临床，对医学诊断具有重要的意义.目前，临床上应用的MRI系统主要可以分为2大类：一类是静磁场方向沿水平方向的MRI系统，即水平场系统，这类系统主要为高场和超高场系统；另一类是静磁场方向与水平面相垂直的MRI系统，即垂直场系统，这类MRI系统主要为中低场系统.垂直场系统由
于其开放的结构，所以能为被检查者提供比较舒适的环境.另外，开放式MRI系统为介入治疗提供了便利.
与水平场磁共振系统相比，垂直场系统的射频发射线圈设计难度较大.目前用于垂
直场磁共振系统的射频发射线圈一般要求有较高的均匀性，同时要有较高的效率，即能够用较小的射频发射功率产生较大的射频磁场.最初，用于垂直场系统的射频
发射线圈为马鞍形线圈［1］，这种线圈具有很好的均匀性和较高的效率，但是由于其相对封闭的结构，不适合用于开放式MRI系统.后来，出现了几种平面射频发射线圈［2－4］，通过特殊设计的线圈回路能在成像区域中产生较均匀的射频场，同时满足开放性的要求.本文设计了一种非对称正交结构的平板式射频发射线圈，
通过电磁场数值计算的方法对线圈进行优化设计，使线圈产生较为均匀的射频磁场，然后根据优化的结果制作了一套用于0.23T开放式MRI系统的射频发射线圈.测试结果表明所设计的线圈具有较好的均匀性和较高的效率.
1 线圈的结构设计
本文所设计的射频线圈采用扁平的矩形螺线管结构，如图1所示，其中一面紧贴
射频屏蔽板，主要作用是提供电流回路.由于屏蔽板的屏蔽作用，靠近屏蔽板的回
路在成像区域内产生的磁场非常弱，因此射频场主要由远离屏蔽板的导线回路产生.为了降低线圈回路与射频屏蔽之间的电容耦合效应，紧贴屏蔽板的线圈回路采用圆形截面的导线，远离屏蔽板的线圈回路与屏蔽板的电容耦合较小，因此采用矩形截面的宽铜带来降低线圈回路的功率损耗.线圈由7匝螺线管线圈构成.射频场的均匀性主要是通过调节各匝线圈之间的距离来实现，即调节D1，D2，D3的大小来实现，如图1（a）所示.上下两线圈有2种放置方式，一种是平行放置，一种是正交放置.对于两通道的射频发射线圈，通常采用平行放置的方式，在成像区域内产生
一个线极化的射频场.但当两线圈平行放置时，两线圈之间存在电感耦合，特别是
当线圈的尺寸较大时，线圈的耦合就比较严重，这会影响线圈的调谐匹配，同时也会降低射频发射的效率.本文采用非对称正交放置的方式，即使其中一个射频线圈
旋转90°，使两线圈处于正交模式，如图1（c）所示，这时上板发射线圈产生的
磁场沿Y轴方向，而下板发射线圈产生的磁场沿X轴方向，由于两线圈产生的磁
场相互正交，从而消除两线圈之间的耦合，使两线圈能独立稳定的工作.此外，由
于线圈处于正交工作状态，因而能进一步改善射频场的均匀性，并降低比吸收率（Specific Absorption Rate，SAR）值.
图1 （a）射频发射线圈结构图；（b）平行放置的射频线圈；（c）正交放置的射频线圈Fig.1 （a）Diagram of the RF transmitter coil，（b）transmit coils placed in parallel，（c）transmit coils placed in orthogonality
下面对2种放置方式下的射频场进行简单的分析.当两线圈平行放置时，在成像区
（2）式中，Bup（x，y，z）为射频线圈上板产生的射频场的幅值，B′down（z，y，z）为旋转90°以后的下板所产生的射频场的幅值，如图1（c）所示.假设核磁
矩的进动角频率为w，（2）式右边的第1项为正向旋转的射频场，即有效射频场.（2）式右边第2项为反向旋转的射频场，由于上下线圈的非对称性，通常Bup （z，y，z）与B′down（z，y，z）不相等，合成场为椭圆极化场.但由于在成像
区域内，Bup（z，y，z）与B′down（z，y，z）相差较小，在靠近球心的区域，合成场接近于圆极化场.比较（1），（2）式可知，平行放置的线圈与正交放置的
线圈产生的有效射频场（即能够激发核磁矩的射频磁场）的幅值在成像区域的中心点处是相同的，因此两线圈具有相同的射频发射效率.但由于单板产生的射频磁场
幅值沿X方向的分布与沿Y方向的分布是不同的，通常Bup（x，y，z），Bdown（x，y，z）沿X方向的均匀性较好，而沿Y方向的均匀性较差；B′down （x，y，z）沿Y轴的均匀性较好，沿X轴的均匀性较差.当线圈按照图1（b）所
示的方式平行放置时，合成场的幅值沿水平方向的分布与单板产生的射频场的分布相似，沿X方向的均匀性优于沿Y方向的均匀性.但采用如图1（c）所示的正交方式放置时，Bup（x，y，z）与B′down（x，y，z）产生的射频磁场沿X轴方向与Y轴方向可以起到互补的作用，使合成场沿X轴与Y轴具有基本相同的均匀性，
从而改善成像区域内的整体均匀性.另外，由于反方向的旋转磁场对射频激发没有
贡献，但是这部分射频功率会有一部分被人体吸收，使人体的SAR值增加.由于垂直放置发射线圈比平行放置发射线圈具有更小的反方向旋转磁场，因此，本文中上下两线圈采用正交放置方式.
（1）式中，Bup（x，y，z）为上板线圈产生的射频磁场的幅值，Bdown（x，y，
z）为下板线圈产生的射频磁场的幅值.w为射频磁场的角频率.由（1）式可知，一个线极化场可以分解为2个大小相等，旋转方向相反的旋转磁场.因为只有与自旋
磁矩进动方向相同的圆极化场才会激发核磁矩，因此对于线极化射频磁场只能用到一半的射频能量.当两线圈正交放置，上下两板产生的激励电流相位差为90°时，
合成场可以表示为：域内产生的磁场具有相同的方向和相位，因此合成场B1可以表示为：
2 仿真优化
下面对上述结构的射频线圈通过电磁场数值计算的方法进行优化，以满足均匀性的要求，本文应用电磁场数值计算软件Ansoft Maxwell对线圈进行优化.对于射频
场的均匀性一般要求成像区域内有效射频磁场的幅值偏离中心点的幅值不超过
3dB［3］.本文按照上述均匀性要求设计了一套用于0.23T永磁开放式MRI系统
的射频发射线圈，成像区域为两线圈之间300mm的球形区域.线圈的有限元模型
如图2（a）所示，上下两线圈正交放置，距离为390mm，线圈紧贴屏蔽板.靠近
屏蔽板的线圈回路采用直径3mm的圆形截面的铜导线，远离屏蔽板的回路采用厚度为1mm的铜箔，其中，中心回路采用的铜箔宽度W1＝40mm，其他回路铜箔的宽度W2＝30mm.线圈的长度L＝700mm，高度H＝30mm.线圈的优化过程为：以各线圈之间的距离D1，D2，D3为优化变量，以成像区域内的有效射频磁场的幅值偏离中心点处有效射频磁场幅值不＞3dB为优化目标，计算满足射频场均匀
性要求的线圈间距D1，D2，D3.优化结果为：D1＝65mm，D2＝128mm，D3
＝175mm.然后根据优化结果对所设计的线圈产生的有效射频场进行仿真计算，结果如图3（a）所示.从图中可以看出，在300mm的球内，射频场的偏差最大不超过2.8dB，均匀性满足设计要求.图3（b）所示为相同尺寸下，上下两线圈平行放置时，成像区域的有效射频场的分布图.比较平行放置与正交放置时有效射频场的
分布图，可以看出，正交放置时，XY平面内射频场的均匀性得到了很大的改善，
在整个成像区域内，射频场的均匀性也得到了很大的改善.
图2 （a）线圈优化计算的有限元计算模型；（b）线圈实物图Fig.2 （a）The finite element model of the coil used for optimization，（b）The photograph of the coil
图3 优化后的线圈在300mm球上的有效射频磁场分布图，其中参考点为球心点
处的有效磁场强度值.（a）线圈正交放置时的场分布图；（b）线圈平行放置时的
场分布图Fig.3 The map of the effective RF magnetic field generated by the optimized coil on a sphere of 300mm in diameter，（a）the coil placed in orthogonality，（b）the coil placed in parallel
3 线圈的制作与测试
本文按照优化后的线圈尺寸，制作了一套实用的射频发射线圈，如图2（b）所示.线圈的谐振频率为9.82MHz，输入阻抗匹配到50Ω.线圈装入磁体后，上下两线圈的Q值分别为118，123，上下两线圈的隔离度为37dB.5kW的射频功率能在成
像区域中心点处产生幅值为33μT的圆极化场.系统原配的射频发射线圈的发射Q
值大约为60，5kW的射频功率在成像区域中心点处产生幅值为20μT的圆极化场，因此本文所设计的射频发射线圈具有较高的效率.然后对上述线圈产生的射频场的
均匀性进行了测试，测试方法采用双角度方法（Double－Angle Method，DAM）［5－7］.这种方法是一种简单、有效的测量有效射频场均匀性的方法.下面简单介绍一下这种测试方法的原理.对于由自旋回波得到的磁共振图像，信号强度可以表
示为：
（3）式中，k与系统相关的常数，ρ（r）为自旋密度，S（r）接收线圈的敏感度，α（r）为射频激发角，β（r）为相位重聚脉冲的偏转角，f（TE，TR）是和样品的弛豫以及其它成像参数相关的函数，TR是重复时间，TE是回波时间.DAM方法就
是分别采集2幅磁共振图像I1（r）和I2（r），其射频激发角分别为α（r）和2α（r），其他成像参数均相同，则可以得到下式：
由于α（r）＝（r），因此射频激发角的空间分布就反映了有效射频场的空间分布.但上述方法受噪声的影响比较大，特别是当图像的信噪比比较低的时候.本文中使
用所设计的线圈做收发一体线圈进行测试，因此图像的信噪比较低，为了提高测量的准确性，本文采集的图像矩阵大小为128×128，FOV为400mm×400mm，
另外由于射频场的空间变化是相对缓慢的，因此对上述方法得到的B＋1（r）分布图采用多项式拟合的方法进行了平滑滤波处理［8］.测试结果如图4所示，分别测量了XY平面，YZ平面，XZ平面的射频场的均匀性.成像使用标准的自旋回波序列，选择射频重聚脉冲角度为180°，激发分别为45°和90°，TE＝10ms，TR＝1
000ms.测量用的水模为直径260mm，高130 mm的圆柱形水模，水模溶液为硫酸铜与氯化钠的混合溶液.测试结果表明在260mm的球内的有效射频场与球心处
的偏差最大为1.7dB，通过仿真计算得到的260mm的球内的有效射频场与球心
处的偏差最大值为1.78dB，测量结果与仿真计算结果是比较一致的，由此也验证
了本设计方法的有效性.
4 总结
本文设计并制作了一套用于垂直场MRI系统的射频发射线圈，线圈为矩形螺线管
结构，上下两线圈采用非对称的正交放置.这种线圈和传统的平行放置的线圈相比
具有均匀性好，SAR值低，线圈之间的耦合小等优点.本文应用电磁场数值计算的
方法对线圈进行优化，使线圈在300mm的球内均匀性优于2.8dB.通过对实际线
圈的实测结果表明，线圈产生的有效射频场在260mm的球内均匀性优于1.7dB，实测结果与仿真结果是一致的.
图4 射频场均匀性测试Fig.4 Measurement of homogenelty of RF field
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