核磁共振成像系統(tǒng)射頻線圈設(shè)計要求及優(yōu)化方案

王軼楠

（上海東軟醫(yī)療科技有限公司，上海 200241）

MRI設(shè)備中的射線線圈，為系統(tǒng)中的核心部件，其關(guān)鍵的設(shè)計要點為信噪比，以及來自不同位置的信號敏感均勻度。射頻線圈的信號與噪聲皆由磁場與電場產(chǎn)生，通常的射頻線圈設(shè)計時采用表面線圈、籠式線圈、多單元線圈陣列方式進行設(shè)計。

1 射頻線圈

MRI設(shè)備的射頻系統(tǒng)主要由射頻功效、前置放大器、射頻線圈3部分組成，射頻線圈主要分為兩種形式，體線圈與表面線圈，體線圈是一種在線圈中體積產(chǎn)生勻度磁場以來激發(fā)和接收射頻信號，主要用于頭部成像；表面線圈因為形狀小，只能接收線圈附近區(qū)域的噪聲擁有更高的信噪比，所以通常用于接收線圈。

2 射頻線圈設(shè)計要求

2.1 線圈構(gòu)造

線圈構(gòu)造主要由平面電流與柱面電流構(gòu)成，平面電流近似一個電流回路中許多矩形的小電流回路，每一個回路為一個矩形線圈，如一個區(qū)域的平面電流內(nèi)，將該區(qū)域分割為多個足夠小的矩形區(qū)域面積。柱面電流是近似在一個有限圓柱面區(qū)域內(nèi)，電流繞圓柱面形成回路，其為基本的環(huán)路基線圈，如一個環(huán)繞圓柱表面區(qū)域并分為矩形基線線圈和環(huán)路基線圈回路。

2.2 系統(tǒng)信噪比

信噪比為系統(tǒng)中信號與噪聲的比例，核磁共振成像系統(tǒng)重要的一個技術(shù)指標信噪比，因為其直接關(guān)系到系統(tǒng)成像的分辨率，如疊加信號上的噪聲信號強度值振蕩較大，信噪比越低，圖像成像就越模糊。常規(guī)的1,5T核磁共振系統(tǒng)信噪比必須大于150,小于0.9T的核磁共振系統(tǒng)的信噪比不得低于80。其噪聲表達方式：

式中，Tm為線圈溫度，℃；f為帶寬；R為有效電阻。

2.3 射頻線圈的主動屏蔽功能

MRI設(shè)備的射頻信號極易受到外界的干擾，傳統(tǒng)的射頻線圈在梯度線圈及勻場線圈產(chǎn)生渦流損失，導(dǎo)致信噪比下降，從而影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量。要提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量可以通屏蔽射線線圈，以阻止射頻磁場進入梯度磁場和勻場磁場。屏蔽措施主要為主動屏蔽措施及被動屏蔽措施，主動屏蔽措施是通過通入電流產(chǎn)生磁場，從而有效的抵消射頻線圈產(chǎn)生的外部磁場；被動屏蔽措施是由一定厚度的材料進行屏蔽，如使用高密度鐵板構(gòu)成。

2.4 微帶線射頻線圈優(yōu)化設(shè)計

射頻線圈主要是由基本的導(dǎo)體單元繞制而成，使其擁有發(fā)射共振射頻信號，又能夠接收到共振信號。在用于發(fā)射射頻信號的線圈必須在均勻的磁場環(huán)境下，才能使得原子核得到均勻激發(fā)。微帶陣列以體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、易安裝的優(yōu)點，而被廣泛用于核磁射頻線圈。微帶線射圈是在聚四氟乙烯玻璃纖維板上，一面作為接地板，一面使用光刻腐蝕方法制成的金屬貼片，通過微帶線及同軸探針在貼片與接地板之間激起射頻電磁場，然后通過控制每個通道的幅度和相位，利于核磁共振信號的接收核發(fā)射。

2.5 微帶射頻線圈的交替阻抗

微帶射頻線圈在開路中間部分電流最大，兩端電壓卻最大，當在短路時，射頻線圈的兩端電流最大，中間電壓最大。微帶射頻線圈的長度為半波長的整數(shù)倍，其遠大于微帶射線圈的尺寸，為減小線圈的電長度，可以設(shè)計串聯(lián)一個電容。對微帶線上的電流幅度與位置進行調(diào)整，同時改變線圈的寬帶與窄帶幾何尺寸，將交替阻抗微帶線圈抵抗部分蝕刻為分形形狀，以用于提高磁場強度與磁場均勻度。傳統(tǒng)的高低阻抗抗線的電流不連續(xù)明顯，從而發(fā)射損耗較大，通過微帶射頻線圈阻抗的設(shè)計使得高低阻抗線通帶電流的不連續(xù)性降低，極大的降低了能耗的損失。

2.6 先進設(shè)計計算方法

使用基于函數(shù)與分析法的射頻線圈設(shè)計需進行大量的積分計算，同時可能需要重復(fù)性的計算驗證，計算效率緩慢，同時計算得出的射頻線圈較密，線圈的電感較高且相鄰?fù)ǖ赖幕ヅ狠^強，不利于匹配元器件。可以通過使用Matlab及C語言進行編程，可有效的提高計算效率及準確性，同時在獲得陣列線圈的基礎(chǔ)上進行磁場拓撲形狀優(yōu)化，增加磁場的均勻性。

3 射頻線圈優(yōu)化方案

傳統(tǒng)的MRI主要是通過靜磁場強度和快速切換的梯度磁場來進行實現(xiàn)，但梯度磁場因為受技術(shù)及制造成本因素的影響，以及梯度磁場在進行梯度場切換時產(chǎn)生的能量聚集有可能損失神經(jīng)及灼傷危險，因此傳統(tǒng)射頻線圈優(yōu)化設(shè)計是當今重點的科研課題。

陣列式線圈時采用將線圈進行陣列式布局，通過降低系統(tǒng)成像所需的梯度編碼步數(shù)，利用陣列線圈的單個接收線圈的空間敏度感差異進行編碼，而獲得更快的掃描速度。陣列式結(jié)構(gòu)線圈設(shè)計可最早追溯到1988年Hutchinson提出的由128根陣列排布組成的陣列系統(tǒng)，到后續(xù)通過減小K空間的相位編碼，由陣列線圈的敏感度代替梯度磁場的相位編碼，從而減少圖像的掃描時間，除去圖像偽影得到高清晰圖像的優(yōu)化方案。而當今更加優(yōu)化方案是采用減少K空間采樣，除去圖像重影偽影技術(shù)，即靈敏度編碼磁共振成像。

3.1 陣列式線圈的去耦優(yōu)化

陣列線圈使射頻線圈測量信號有更高的信噪比，其主要是采用將陣列線圈與信號組合技術(shù)與不同線圈的核磁共振信號結(jié)合，進而提高信噪比和信號的采集速度。同時可以通過減小相控陣列線圈之間的耦合作用，盡可能的消除陣列線圈中的單元各個線圈之間的互感，進而發(fā)揮出陣列線圈最優(yōu)的性能。

空間位置去耦，通過調(diào)節(jié)各個子線圈單位空間位置，使其重疊最佳區(qū)域達到去耦合的目的，如圖1雙線圈陣列空間位置去耦示意圖。從圖1可知線圈的重疊與非疊區(qū)域的磁場方向相反，線圈1與線圈2在磁場作用的總磁通量為重疊與非重疊磁通量之和，再通過調(diào)整兩個線圈的空間位置使得線圈1與線圈2的感應(yīng)電動勢為0，進而消除相鄰線圈之間的耦合。該單元線圈去耦方式操作較為簡單，但空間分布較為敏感，單元線圈的參數(shù)確定后各個線圈的相對位置就已經(jīng)固定。

圖1 雙線圈陣列空間位置去耦示意圖

電容、電感去耦，通過對單元線圈增加電容與電感組成的LC去耦網(wǎng)絡(luò)，并讓單元線圈單元間的電感工作頻率點形成并聯(lián)諧振回路，從而減小線圈之間的感應(yīng)電流，進而達到去耦目的；前放去耦，通過將放大器進行前置放置，與電容、電感工作頻率形成并聯(lián)諧振回路，以達到減小感應(yīng)電流，進而去耦目的。但該方法要求嚴格主要用于非相鄰射頻線圈之間的弱耦合作用。

3.2 優(yōu)化后續(xù)方案

陣列式線圈的優(yōu)化，在開放式頭部與頸部位置設(shè)計RF線圈，通過對線圈表面的電流密度，并計算線圈內(nèi)部磁場，確定產(chǎn)生的均勻BI場電流密度的分布。同時還可以通過逆問題求解方式建立線圈表面電流密度的關(guān)系式，然后通過對線圈表面密度建立相應(yīng)的關(guān)系式，從而計算感興趣區(qū)域的信噪比，再可以通過計算機的有限元方法對線圈進行規(guī)劃幾何形狀，得到合適的信噪比值，從而使圖像成像更加清晰。陣列式線圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化，還可以通過使用系列相連的導(dǎo)線段對射頻線圈進行模擬，再用線圈幾何形狀與信噪比結(jié)合建立相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，從而得到需求的信噪比值。

4 結(jié)語

本文通過對MRI設(shè)備的射頻線圈設(shè)計要求中的信噪比、屏蔽功能、交替阻抗以及陣列式線圈優(yōu)化方案介紹，對射頻線圈的設(shè)計要求和優(yōu)化方向進行了詳細解析。核磁共振成像技術(shù)在醫(yī)學使用越來越廣泛，是醫(yī)學檢查重要的分支，而射頻線圈是影響核磁成像重要因素，對射頻線圈的研究對核磁成像系統(tǒng)應(yīng)用研究有重要意義。