磁共振成像交替阻抗微帶線射頻線圈仿真分析

張鞠成，徐冰俏，李 霞，2，陶貴生，2，徐文龍

（1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310027）

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是綜合高技術(shù)，涉及多學(xué)科的一種生物磁學(xué)核自旋成像技術(shù)，是診斷腫瘤、急性心肌梗死等疾病的重要手段.射頻線圈是MRI系統(tǒng)的核心部件之一，在激發(fā)模式下需產(chǎn)生均勻的射頻磁場(chǎng)，在接收模式下需以高信噪比接收感興趣區(qū)域的磁共振信號(hào)［1-2］.射頻線圈的設(shè)計(jì)、制作、評(píng)估和在 MRI中的應(yīng)用對(duì)于安全地進(jìn)行磁共振掃描，得到高信噪比的圖像非常重要.微帶線射頻線圈（microstrip resonator，MSR）的信噪比與環(huán)狀線圈相比較低，由于其雙向電流回路和較短的電長(zhǎng)度，更易于陣列線圈的集成，可以提供更深的視場(chǎng).通過控制MSR每個(gè)通道的幅度和相位，可以有效地用于磁共振信號(hào)的并行發(fā)射與接收［3-6］.理想情況下，沿著MSR的長(zhǎng)軸軸向上磁場(chǎng)分布應(yīng)盡量均勻.研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)MSR長(zhǎng)軸軸向上磁場(chǎng)分布表現(xiàn)為中間高兩端低的趨勢(shì)，通過將MSR蝕刻為寬窄帶交替的形狀，可以改善長(zhǎng)軸軸向上磁場(chǎng)分布的不均勻性［7-9］.本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究寬窄帶幾何尺寸的改變對(duì)感興趣區(qū)磁場(chǎng)分布的影響.

1 方法

1.1 傳統(tǒng)MSR

圖1 傳統(tǒng)微帶線射頻線圈Figure 1 Conventional microstrip RF coil

用于磁共振成像的傳統(tǒng)MSR如圖1，線圈長(zhǎng)度為半波長(zhǎng)或半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)諧振.主磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.5T時(shí)（拉莫爾頻率為63.9MHz）諧振波長(zhǎng)為4.69m，遠(yuǎn)大于用于人體的特定部位的線圈的幾何尺寸，通過在線圈右端串聯(lián)電容可以有效減小MSR的電長(zhǎng)度.微帶線射頻線圈兩端開路時(shí)中間部分電流最大，線圈兩端電壓最大，因而在其長(zhǎng)軸軸向上產(chǎn)生的磁場(chǎng)并不均勻，磁場(chǎng)在中心達(dá)到最大值，而在線圈的兩端最小.以乳腺射頻線圈為例，在高頻電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS中對(duì)傳統(tǒng)MSR進(jìn)行了仿真，其參數(shù)如表1.線圈長(zhǎng)度為110mm，寬度為20mm；介質(zhì)板為1.6mm厚的FR－4環(huán)氧樹脂板；感興趣區(qū)（field of view，F(xiàn)oV）為線圈正上方100mm高的矩形區(qū)域.

表1 傳統(tǒng)微帶線射頻線圈的HFSS模型參數(shù)Table 1 HFSS model parameter of conventional microstrip RF coil

1.2 調(diào)諧和阻抗匹配

為了降低損耗，減少反射信號(hào)，優(yōu)化功率傳輸，射頻功率放大器、接收放大器、連接線圈的同軸線以及同軸線末端的負(fù)載之間均需達(dá)到阻抗匹配.傳輸線的特征阻抗通常為50Ω，利用先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)ADS對(duì)MSR進(jìn)行調(diào)諧并實(shí)現(xiàn)與50Ω饋電系統(tǒng)的阻抗匹配［10-11］.在 HFSS中，線圈右端的串聯(lián)電容C1給定值為10pF，HFSS仿真得到射頻線圈與電容C1串聯(lián)的輸入阻抗可以等效為一個(gè)電阻與電容的串聯(lián)，在ADS中利用Smith圓圖將線圈調(diào)諧至63.9MHz并與50Ω同軸線進(jìn)行匹配，其原理圖如圖2.Smith圓圖可以給出線圈左端LC匹配網(wǎng)絡(luò)中電感、電容的具體值，在HFSS模型中添加匹配網(wǎng)絡(luò)并微調(diào)匹配元件的數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)匹配.如圖3，微帶線調(diào)諧至63.9MHz，dB（S11）＜－15dB，滿足射頻線圈設(shè)計(jì)的基本要求.

圖2 射頻線圈匹配原理圖Figure 2 Matching schematic diagram of RF coil

圖3 HFSS仿真S11曲線Figure 3 S11curve of HFSS simulation

1.3 交替阻抗MSR

將MSR蝕刻為寬窄帶交替分布的形狀可以得到交替阻抗MSR，其磁場(chǎng)分布的均勻性相對(duì)傳統(tǒng)MSR得到改善，為了研究交替阻抗MSR的幾何尺寸改變對(duì)感興趣區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)分布的影響，在HFSS中建模仿真分析了五個(gè)交替阻抗微帶線射頻線圈模型A1－A5，其具體尺寸如表2，其中W1，W2分別為寬帶（低阻抗部分）和窄帶（高阻抗部分）的長(zhǎng)度，H1和H2分別為寬帶和窄帶的寬度.為了與傳統(tǒng)MSR對(duì)比，各線圈的總長(zhǎng)度均為110mm，A1為5段（3寬帶2窄帶）交替阻抗MSR，A2－A5為7段（4寬帶3窄帶）交替阻抗MSR.A1－A3的寬度相同，寬窄帶的長(zhǎng)度比例分別為4∶5，2∶1和1∶6.A3－A5的長(zhǎng)度相同，寬窄帶的寬度比例分別為4∶1，10∶1和2∶1.介質(zhì)板、輻射邊界等參數(shù)與傳統(tǒng)微帶線MSR的相同.

圖4 交替阻抗微帶線射頻線圈Figure 4 Alternating impedance microstrip RF coil

表2 交替阻抗微帶線線圈的幾何尺寸Table 2 Dimensions of alternating impedance microstrip RF coil

為了分析感興趣區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)分布，選取FoV中五條等高線（z＝5，10，15，20，30mm，為到線圈的垂直距離），并用表示磁場(chǎng)分布的均勻性，此表達(dá)式的值越小表示磁場(chǎng)均勻性越好.

2 結(jié) 果

由圖5可見交替阻抗MSR高阻抗部分對(duì)應(yīng)出現(xiàn)磁場(chǎng)峰值，窄帶長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)磁場(chǎng)分布更加均勻.由表3知，各交替阻抗MSR在FoV的磁場(chǎng)均值相較傳統(tǒng)MSR的均提高一倍以上.A3－A5只有窄帶部分的寬度改變，由表3可見A3－A5在FoV內(nèi)B1場(chǎng)的均值相較傳統(tǒng)線圈的分別提高了4.2倍，5.9倍和2.3倍，因此窄帶的寬度越小時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度越高.

表3 各模型FoV內(nèi)B1場(chǎng)的峰值與均值Table 3 Peak and mean value of different model's B1 field in FoV

表4 各模型在五條等高線處的磁場(chǎng)分布均勻性Table 4 Different model's magnetic field homogeneity at five contour lines

圖5 各交替阻抗MSR在FoV的磁場(chǎng)分布Figure 5 Magnetic fields of alternating impedance MSR in FoV

由表4的HFSS仿真結(jié)果可知，A1和A2的磁場(chǎng)分布在z＜30mm時(shí)磁場(chǎng)分布均勻性比其他模型（包括傳統(tǒng)微帶線射頻線圈）均差，這是由于窄帶對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)峰值相距較遠(yuǎn)，高低阻抗接頭處磁場(chǎng)變化劇烈導(dǎo)致的.A1－A3的寬帶總長(zhǎng)度分別為60mm，80mm和20mm，可見保持交替阻抗線圈各部分的寬度不變，寬帶總長(zhǎng)度越小，磁場(chǎng)分布越均勻.與A1和A2相比，A3－A5寬帶的長(zhǎng)度變小，磁場(chǎng)峰值距離減小，磁場(chǎng)分布的均勻性因而改善.比較A3－A5可見，窄帶寬度越小，F(xiàn)oV內(nèi)磁場(chǎng)分布越均勻.以z＝15mm為例，A3和A4的磁場(chǎng)分布均勻性比傳統(tǒng)MSR的提高了10.1%和14.7%，A5的磁場(chǎng)分布均勻性比傳統(tǒng)MSR的降低了6%，但相較A1和A2的分別提高了9.3%和7.6%.以z＝30mm為例，A3－A5的磁場(chǎng)分布均勻性比傳統(tǒng)MSR的分別提高了16.5%，25.6%和4.6%.

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過對(duì)不同幾何尺寸的交替阻抗MSR與傳統(tǒng)MSR進(jìn)行仿真分析比較，發(fā)現(xiàn)在MSR總長(zhǎng)度不變的情況下，寬帶長(zhǎng)度減小時(shí)磁場(chǎng)峰值距離減小而且磁場(chǎng)分布更加均勻，窄帶的寬度減小時(shí)，MSR上方的磁場(chǎng)強(qiáng)度增大.通過調(diào)整交替阻抗MSR寬窄帶的幾何尺寸，可顯著提高FoV內(nèi)的磁場(chǎng)均值并改善磁場(chǎng)分布的均勻性.

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