MRI水模參量測量

彭玉峰，林思宏，金 龍，陳 誠，楊少歌

（1.河南師范大學物理與信息工程學院，河南新鄉(xiāng)453007；2.四川大學電子信息學院，四川成都610065）

1 引 言

磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）技術是當今醫(yī)學界最先進的影像診斷技術，該技術能夠在不損傷人體器官組織的前提下更多地提取出生命信息，是繼X射線、放射性同位素、超聲波、X－CT之后的一項高新技術，已被廣泛應用于臨床[1].MRI的基本原理是通過不同的射頻脈沖序列對生物組織進行激勵，利用線圈梯度場對組織進行空間定位，并利用接收線圈檢測組織的弛豫時間和質(zhì)子密度信息，從而形成組織圖像[2].射頻表面線圈（又稱RF探頭）是MRI技術中重要的組成部分.線圈的性能直接影響成像質(zhì)量和信噪比.在MRI系統(tǒng)工作中，線圈接收的射頻脈沖信號與人體發(fā)射的信號有相同的共振頻率.通常需要使用網(wǎng)絡分析儀調(diào)試表面線圈工作于諧振頻率且要求輸入反射系數(shù)S11阻抗圓圖盡量接近中心原點達到匹配.這樣有利于接收微弱的射頻信號.由于射頻線圈工作時是直接地接觸患者（不包括系統(tǒng)體線圈），人體會與線圈發(fā)生耦合，所以在調(diào)試線圈時需要使用參量接近于人體的水模.ACRMRI水模是由丙烯酸類塑料制作的兩端封閉的空心物體，其外形類似于人體各部位的身體結(jié)構，其內(nèi)腔填充有氯化鎳和氯化鈉混合溶液.

MRI射頻線圈設計時通常需要使用CST對線圈進行仿真，仿真過程中需要加入水模，而目前水模參量中電容率和電導率測量最直接的辦法是使用電容率測試儀和電導率測試儀.由于測量儀造價高，本文提出一種使用射頻線圈測量水模電容率的方法.首先使用電導率測試儀測量出水模的電導率，然后通過網(wǎng)絡分析儀測量表面線圈貼近水模匹配時輸入反射系數(shù)S11，使用CST建立模型并且將電容率參量設為優(yōu)化選項，最后通過仿真優(yōu)化，其結(jié)果得到和實驗相符的S11參量，從而確定電容率的值.該方法簡單易行，測量的水模電容率為以后其他線圈的仿真提供依據(jù)，并且該方法可以應用于電導率的測量.

2 水模的制作

先使用網(wǎng)絡分析儀連接線圈靠近人體部位，查看諧振頻率和阻抗匹配（為使數(shù)據(jù)準確通常需要調(diào)試線圈使S11達到－20dB，阻抗匹配良好），記錄數(shù)據(jù).然后向水模中添加蒸餾水、氯化鎳和氯化鈉粉末（蒸餾水需注滿水模使其無氣泡）.加入粉末的目的是使溶液具有足夠的電導率以產(chǎn)生近似和人體等量的噪聲，獲得較強MR信號[3].最后將線圈貼近水模，查看網(wǎng)絡分析儀S11，反復加入粉末，與先前記錄數(shù)據(jù)達到一致，則水模制作完成.此處實驗制作350mm×400mm×130mm的長方體水模，水模中加入蒸餾水、氯化鎳和氯化鈉粉末，使用電導率測量儀測量出其常溫下電導率為0.1S／m.

3 矩形表面線圈

射頻場的均勻性是決定MRI性能的重要指標，射頻線圈必須在掃描區(qū)內(nèi)產(chǎn)生十分均勻的發(fā)射場，使線圈在共振頻率Q值很高，這樣才能獲得清晰的圖像[1].表面線圈的幾何形狀和大小決定了射頻場的分布[4].通常，臨床應用中的磁共振成像系統(tǒng)，場強均在3T以下，對于這些磁共振線圈的設計，電路一般由集中元件組成[5].矩形表面線圈實質(zhì)是諧振器，由電容和線圈串聯(lián)和并聯(lián)組合而成，線圈代表電感和電阻，其中的電阻由電感線圈的損耗產(chǎn)生，電容的損耗可以忽略.通常射頻線圈需要工作在諧振狀態(tài)下，其諧振頻率等于系統(tǒng)的共振頻率.

由圖1串聯(lián)諧振回路原理圖可知：

當ω＝ω0時，Z＝R回路阻抗為純電阻且輻角為0.諧振時，電感L上的電壓VL0與電容C上的電壓VC0大小相等，相位相差π，相互抵消.電阻上的電壓等于電源電壓Vs，

同理：

回路的品質(zhì)因數(shù)

圖1 串聯(lián)諧振回路原理圖

射頻電路工程實際中，總是滿足ω0L?R，則品質(zhì)因數(shù)Q?1，電感L或電容C兩端的電壓遠遠大于1mV.在設計中，常將port端口連接于電容兩端，接收到微弱的射頻信號通過串聯(lián)諧振回路被放大.Q值越大，表示線圈在共振時放大能力越強，對信號的選擇性越好，但是通頻帶會越窄.提高頻率會使Q值變大，但R的值會因為趨膚效應隨頻率顯著增加，因而線圈的Q值在頻率變化較小時，基本保持不變.

當諧振頻率和線圈大小確定，線圈的Q值與負載成反比，有負載（水模）時，Q值明顯下降，但增大線圈與水模的距離，Q值明顯上升，說明負載逐漸減小.主要原因是表面線圈距離樣品近，使接收到的信號增強，同時又使線圈的負載變大，Q值降低，后者使接收到的信號變?nèi)?綜合兩者的效果，得出距離0～2cm，線圈信號強度無大的變化，但距離增加到3～4cm，線圈信號強度減小很明顯[6].所以為了保證實驗的準確性，在線圈和水模間固定厚度為1.5cm的泡沫板.

根據(jù)串聯(lián)諧振回路原理，設計制作矩形線圈，線圈內(nèi)徑為90mm，外徑為100mm，銅箔固定在厚度為1mm的fr－4環(huán)氧樹脂板上，銅箔厚度為0.1mm.在銅箔之間焊接4個貼片電容，在其中1個電容兩端焊接BNC接頭，如圖2所示.

圖2 矩形表面線圈

由于設計的矩形線圈不用于系統(tǒng)成像，所以ω0在合理范圍內(nèi)可以任意設置.將矩形線圈貼近水模，將制作好的射頻線圈用傳輸線連接于網(wǎng)絡分析儀上.觀察網(wǎng)絡分析儀中S11和smith圓圖，在顯示屏上找到線圈的諧振峰，更換與BNC接頭連接處的電容，此時S11的dB值會相應的變化，最終使S11接近于－20dB，等阻抗圓接近中心，達到匹配，線圈的總阻抗與傳輸線的特性阻抗相等，傳輸效率最大.曲線中的峰值（亮點處）即為線圈的諧振頻率橫坐標，如圖3所示.

圖3 射頻線圈頻率響應曲線

此時諧振頻率為46.11MHz，輸入反射系數(shù)S11為－20.25dB.電容值分別為300，232，150，150pF，如圖2（a）所示.

4 水模參量測量

圖4 矩形表面線圈及水模模型

CST微波工作室基于一種通用的三維算法，即有限積分法，它能夠快速有效地設計和分析各種模型.所以本文使用CST微波工作室建立矩形線圈和水模模型，如圖4所示.其中，背景材料設置為真空.在參量輸入框（Name，Value，Description）中分別輸入（電容率Ep，10，dielectric constant），（電導率El，0.1，electrical conductivity）.含義：定義了2個變量Ep和El，其初始值分別為10，0.1S／m（注意：在仿真時需要估計電容率的大概范圍，有利于變量范圍的設定）.水模的長寬高分別為350mm×400mm×130mm，在layer處設置電容率和電導率為Ep和El2個變量.線圈內(nèi)徑90mm，外徑100mm，銅箔厚度0.1mm.由于fr－4環(huán)氧樹脂板和泡沫板電絕緣性能穩(wěn)定，對仿真結(jié)果幾乎無影響.所以建立邊長為10mm，高為1.6mm立方體模型于線圈和水模之間，材料設定為vacuum.使用時域求解器Transient Solver中的Optimization，將Ep設為優(yōu)化項并確定優(yōu)化范圍.當頻率在46.1MHz時S11有最小值min.經(jīng)過優(yōu)化，得出當電容率Ep為5F／m時，S11有最小值且諧振于46.1MHz.觀察1DResults中的S11，此時S11中的最小值為－18.96dB，基本符合網(wǎng)絡分析儀實際測量的S11在諧振點處的最小值，如圖5所示.

圖5 S11隨f的變化

將此水模參量測量出的近似值運用其他線圈的仿真實驗，能得到符合要求的設計，證明此測量方法具有一定的可行性，并且相同原理可以運用于電導率的測量.由于測量精度不高，導致這種方法的應用受到一定的局限.

5 結(jié)束語

介紹了自制MIR需要的水模的方法，簡述矩形表面線圈的原理并制作了矩形表面線圈，使用網(wǎng)絡分析儀測量了S曲線.利用CST微波工作室建立了矩形線圈和水模模型，計算了在輸入反射系數(shù)S11達到最小值的情況下，優(yōu)化的電容率值.實驗證明該方法可行，為MRI仿真提供了有效的水模參數(shù).

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