一種新型永磁發(fā)射線圈設(shè)計(jì)

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內(nèi)容提要： 文章主要介紹磁共振系統(tǒng)中，一種新的射頻發(fā)射線圈組件。具體描述了新發(fā)射線圈組件的組成，電路調(diào)揩，磁場(chǎng)均勻性相關(guān)技術(shù)參數(shù)。通過與傳統(tǒng)線圈對(duì)比，均勻性相同，但該發(fā)明節(jié)省了電容器成本和磁體間寶貴的空間。

上世紀(jì)70年代，Lauterbur提出磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）的方法和實(shí)驗(yàn)裝置。經(jīng)過近50年的發(fā)展，醫(yī)用MRI設(shè)備已比較普及。低場(chǎng)強(qiáng)磁共振（場(chǎng)強(qiáng)小于0.5T）系統(tǒng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)趨于白熱化。國(guó)內(nèi)供應(yīng)商基本屬于同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)，打價(jià)格戰(zhàn)，而降低成本是各大廠商優(yōu)先采用的方法。作為磁共振關(guān)鍵部件，一種低成本的射頻發(fā)射線圈運(yùn)用而生。

磁共振射頻線圈的工作頻率是由磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度來決定的。頻率從幾兆赫茲，幾十兆赫茲一直到上百兆赫茲。所以發(fā)射線圈設(shè)計(jì)需要對(duì)電磁場(chǎng)仿真，這就需要一套高效的軟件來完成。

Ansoft HFSS，即Ansoft高頻結(jié)構(gòu)仿真器（High Frequency Structure Simulator，HFSS），是Ansoft公司推出的基于電磁場(chǎng)有限元方法（FEM）的分析微波工程問題的三維電磁仿真軟件，可以對(duì)任意的三維模型進(jìn)行全波分析求解，先進(jìn)的材料類型，邊界條件及求解技術(shù)，使其以無以倫比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)使其成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

本文描述的發(fā)射線圈設(shè)計(jì)就是利用HFSS軟件進(jìn)行建模、設(shè)置、計(jì)算和結(jié)果分析。下面從電路組成，電路調(diào)揩，磁場(chǎng)均勻性幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1.電路組成

發(fā)射線圈一般由等同于電感器的銅帶，電容器，導(dǎo)線和開關(guān)二級(jí)管組成。每個(gè)發(fā)射線圈一般由兩個(gè)鏡向的單元組成，如圖1所示。磁共振系統(tǒng)發(fā)射線圈安裝于磁體內(nèi)側(cè)，兩個(gè)發(fā)射線圈單元相對(duì)安裝。兩線圈單元之間通過兩段導(dǎo)線連接。圖1中，標(biāo)號(hào)為1，2，4，5的位置本來放置電容器，現(xiàn)在直接用銅帶短路，或者直接做成整個(gè)一條完整的銅帶。電容的厚度一般為4.5mm。所以取消電容后，發(fā)射線圈可以做的更薄。標(biāo)號(hào)為3的位置放置調(diào)頻率電容。標(biāo)號(hào)為6的位置放置調(diào)阻抗電容，同時(shí)也是線圈的輸入端口。

2.電路調(diào)諧

使由電容和電感組成的電路處于諧振狀態(tài)，可以節(jié)省射頻放大器的功率。由上文可知，改進(jìn)后的發(fā)射線圈僅剩下標(biāo)號(hào)3和6位置的電容。通過改變電容3的大小，可以改變諧振頻率。具體地，電容增加，諧振頻率降低，反之易然。由于電容6的兩端為輸出接口，所以改變電容6除了可以改變諧振頻率，還可以改變輸出阻抗。頻率和阻抗又是相互影響的，所以需要不斷來回重復(fù)調(diào)整電容3和電容6才能使諧振狀態(tài)同時(shí)滿足頻率要求和阻抗要求。具體地，頻率要求就是磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度決定的頻率，如0.5T對(duì)應(yīng)頻率是0.5×42.58=21.29MHz。阻抗要求，如在某一頻率下的反射值小于-20dB。

圖1.發(fā)射線圈組成

3.磁場(chǎng)均勻性

射頻場(chǎng)均勻性一般通過成像空間內(nèi)坐標(biāo)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)值來表征。磁場(chǎng)均勻性越好，最終的圖像就越好。因?yàn)樯漕l場(chǎng)的均勻度決定圖像的均勻度。

如圖2所示，在發(fā)射線圈兩個(gè)單元之間放置一個(gè)直徑為150mm球的模體，模體溶液是由化學(xué)試劑和蒸餾水通過一定比例配制而成，溶液的導(dǎo)電率基本模擬人體制作而成。由于發(fā)射場(chǎng)的不均勻基本出現(xiàn)在成像空間的邊緣，在模體邊緣的上，下，左，右，前和后以及中心共7個(gè)點(diǎn)，測(cè)量各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值，再通過場(chǎng)強(qiáng)值得到平均值，方差和均勻性。其中，均勻性的計(jì)算公式為：（樣本最大值-樣本最小值）/平均值。見表1。

圖2.測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)值的坐標(biāo)點(diǎn)分布圖

4.小結(jié)

表2是圖1中6個(gè)位置都有電容時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)分布情況。通過對(duì)比平均值，方差和均勻性三個(gè)參數(shù)的結(jié)果，新發(fā)射線圈性能沒有下降。同時(shí)，新線圈節(jié)省了電容成本（由以前的6個(gè)，變成現(xiàn)在的2個(gè)），同時(shí)也節(jié)省了磁體的空間（9mm），如果磁體開口不變的情況下，減小發(fā)射線圈的厚度，就意味著用更少的磁性材料，可達(dá)到相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而降低很多的成本。即此發(fā)明對(duì)降低整個(gè)磁共振系統(tǒng)成本有實(shí)際意義。

表1.2個(gè)電容時(shí)仿真結(jié)果

表2.6個(gè)電容時(shí)仿真結(jié)果