雙單元陣列式線圈核磁共振探頭設(shè)計

趙浩博,王俊楠,2,宋子杰,2 ,陸榮生,2

(1.東南大學(xué)機械工程學(xué)院, 江蘇 南京 211189)(2.江蘇省微納生物醫(yī)療器械設(shè)計與制造重點實驗室, 江蘇 南京 211189)

從1945年首次發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象到現(xiàn)在已有將近80年的歷史[1-2]。核磁共振技術(shù)具有非破壞性、無損檢測的特點，可以從分子水平上描述物質(zhì)的物理和化學(xué)屬性，目前已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)[3]、化學(xué)、制藥和多孔介質(zhì)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

核磁共振探頭是核磁共振儀器的關(guān)鍵核心部件，許多學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究。通過在探頭中使用陣列線圈，使不同線圈中接收的信號矢量相加，而噪聲只來自于單元線圈的小區(qū)域，這樣可使接受線圈所接受的核磁共振信號得到增強，由此使探頭達(dá)到更高的信噪比及空間分辨率[4-8]。

另外，通過陣列線圈可使線圈貼合被測對象[5]，由此提高線圈接收的填充因子。

本文將為22 MHz核磁共振檢測平臺研制一種雙單元核陣列式線圈的核磁共振探頭。

1 雙單元線圈核磁共振探頭設(shè)計

1.1 設(shè)計與仿真

線圈是探頭中非常重要的部分，核磁共振線圈用于激勵被測試樣本發(fā)生核磁共振并采集由樣本產(chǎn)生的核磁共振信號。

為了讓接收線圈有更好的信噪比及靈敏度，需讓線圈盡可能貼合興趣區(qū)域。本文設(shè)計的探頭用于檢測直徑約40 mm的圓柱形樣本。為了保證線圈的磁場方向與主磁場方向垂直，將單元線圈設(shè)計為如圖1所示的彎曲角度接近180°的多匝線圈。

圖1 核磁共振單元線圈模型

在線圈設(shè)計過程中，首先在ANSYS Maxwell 3D中對單元線圈進(jìn)行建模，將線圈的線寬設(shè)置為1 mm，線圈厚度設(shè)置為0.07 mm，每匝線圈的間距設(shè)置為1 mm，材料為銅(copper)，直徑為40 mm，高度為40 mm。添加標(biāo)準(zhǔn)電流激勵(10 A/Standard)，并在parameter中設(shè)置矩陣參數(shù)，對電感仿真。由仿真結(jié)果可得，線圈的電感為736.99 nH。其阻抗的理論值XL計算如下：

XL=2πfL=2π×22×106×736.99×10-9=101.87(Ω)

(1)

式中：f為設(shè)定的線圈工作頻率，取值為22 MHz；L為仿真得到的線圈電感。

在完成單元線圈的設(shè)計及初步仿真后，需要對調(diào)諧匹配電路進(jìn)行設(shè)計仿真，通過調(diào)諧和匹配電容，可以使線圈在共振頻率下工作于諧振狀態(tài)，且匹配后續(xù)設(shè)備的50 Ω阻抗。將阻抗參數(shù)代入電路仿真設(shè)計軟件ADS(advanced design system)中對調(diào)諧匹配電路進(jìn)行設(shè)計和仿真，這一步驟主要利用ADS中的史密斯圓模塊進(jìn)行調(diào)諧匹配設(shè)計，本文使用先并聯(lián)電容、再串聯(lián)電容的方式進(jìn)行線圈的調(diào)諧匹配，所得到的調(diào)諧匹配電路如圖2所示。

圖2 通過史密斯圓圖得到的線圈調(diào)諧匹配線路

完成線圈調(diào)諧匹配電路的設(shè)計之后則需要對線圈之間耦合情況進(jìn)行觀察，并對去耦合操作進(jìn)行設(shè)計以及仿真。

在設(shè)計過程中首先使用ANSYS HFSS對雙線圈同時工作時的耦合情況進(jìn)行仿真[9-11]。仿真界面如圖3(a)所示，通常可以使用Lumped RLC來實現(xiàn)對整個線圈線路的模擬，在ANSYS HFSS中通過Lumped RLC邊界條件來添加調(diào)諧及匹配電容。由于線圈結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，故使用Lumped Port來添加激勵。線圈的端口設(shè)置如圖3(b)所示，在線圈的饋電電路中添加上下2層共4個長方形，下層的平面為第一個RLC邊界，其為電路中的并聯(lián)電容，上層從左至右第一個平面為RLC邊界，為電路中的串聯(lián)電容，第二個平面為理想導(dǎo)體邊界，第三個平面為線圈的集總端口激勵。由于重點關(guān)注的是線圈之間的相互耦合情況，整體電磁場情況并不需要觀察，因此將線圈的邊界條件設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界。

圖3 ANSYS HFSS中線圈及其端口建模

通過仿真結(jié)果可知，當(dāng)雙線圈同時添加激勵時，會導(dǎo)致本已調(diào)諧匹配好的線圈的共振頻率偏離原先的頻率。而線圈回路的性能可以通過核磁共振線圈的回波損耗系數(shù)，插入損耗系數(shù)以及阻抗匹配等特性指標(biāo)進(jìn)行評價，僅HFSS不足以完全反映耦合情況，故需要導(dǎo)出反映耦合情況的S-Matrix參數(shù)并代入ADS的SnP模塊。

由于本設(shè)計中陣列式線圈僅為兩單元，線圈弧度大，且為多回路線圈，故不使用最常用的面積重疊去耦合法[12-16]，而在兩個線圈單元之間跨接去耦合電容來進(jìn)行雙線圈之間的去耦合[17]。在ADS中搭建的電路如圖4(a)所示，圖中的SnP模塊為從ANSYS HFSS中導(dǎo)出的雙單元線圈之間的耦合參數(shù)(S-Matrix參數(shù))，兩線路之間的電容C8為去耦合電容[4]。

通過ADS對雙線圈同時工作時的仿真結(jié)果，以線圈3(Term 3)的S參數(shù)S(3,3)為例，得到線圈失諧參數(shù)如圖4(b)所示，由于兩核磁共振線圈之間的耦合影響導(dǎo)致其共振頻率偏移原先設(shè)置的工作頻率。在添加了跨接去耦合電容之后，調(diào)整去耦合電容到合適值，如圖4(c)所示，可使得雙單元線圈的共振頻率回到原先設(shè)定的22 MHz。

圖4 ADS中去耦合線路仿真

1.2 雙單元線圈核磁共振探頭制作

本文設(shè)計的探頭整體框架結(jié)構(gòu)為鋁合金，探頭框架兩面添加覆銅塑料板以進(jìn)行屏蔽，減少分布電容對測量的影響。

為了保證線圈骨架不影響線圈對被測樣本的信號激發(fā)以及接收，材料選用聚四氟乙烯(poly tet-ra fluoroethylene, PTFE)。單元線圈使用柔性PCB板進(jìn)行加工，這樣既可以保證核磁共振線圈的精度，也便于組裝時將線圈貼在線圈骨架上。單元線圈尺寸如圖5所示，線圈線寬設(shè)置為1 mm，將每匝線圈之間的匝間距設(shè)置為1 mm，厚度為0.07 mm，整體尺寸為60.5 mm×40.5 mm，在線圈外部和中心位置設(shè)計有焊盤便于焊接線材。

圖5 單元線圈圖紙

圖6為制造與裝配完成后的探頭實物。

圖6 雙單元線圈核磁共振探頭實物圖

1.3 雙單元線圈核磁共振探頭的調(diào)試

本文中對探頭的調(diào)試使用的是E5061B網(wǎng)絡(luò)分析儀及頻率發(fā)生器。首先對每個線圈調(diào)諧匹配，在對一個線圈進(jìn)行調(diào)諧匹配時，需要將另一個線圈的兩端(接地端和SMA端口)完全斷開。

通過調(diào)節(jié)PCB板上的可調(diào)電容進(jìn)行調(diào)諧，使其工作頻率處于21.98 MHz，并且通過調(diào)節(jié)匹配電容來使得電路從端口進(jìn)行測量的阻抗為50 Ω。單個線圈的調(diào)諧匹配結(jié)果如圖7所示。

圖7 單個核磁共振單元線圈的調(diào)諧匹配結(jié)果

在完成單獨的調(diào)諧匹配后，需要對雙線圈同時工作時的耦合情況進(jìn)行觀察，并且通過調(diào)整跨接的去耦合電容來對線圈進(jìn)行去耦合。

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀兩個端口來向探頭中的兩個單元線圈同時輸入信號，會導(dǎo)致本來已經(jīng)調(diào)諧匹配好的線圈出現(xiàn)明顯的失諧，從圖8(a)的log圖像可知，本來圖線的最低點處于中心頻率21.98 MHz處，在兩者都接通之后會導(dǎo)致log圖線的波谷出現(xiàn)偏移，并且由于耦合而導(dǎo)致的log圖線波谷的偏移是無法通過調(diào)整原本的調(diào)諧匹配線路來解決，故需要跨接去耦合電容，如圖8(b)所示，通過調(diào)節(jié)去耦合電容以及兩單元線圈的并聯(lián)電容來使得兩個核磁共振單元線圈的log圖線的谷底都回到原設(shè)定的中心頻率21.98 MHz，如圖8(c)所示。值得注意的是，在對探頭的調(diào)試過程中都應(yīng)該使用覆銅的塑料板對雙單元線圈部分進(jìn)行屏蔽，以減少分布電容對探頭的影響。

圖8 核磁共振探頭調(diào)試過程

2 雙單元線圈核磁共振探頭的實驗

由于22 MHz實驗平臺僅有1個發(fā)射端口和1個接收端口，故使用實驗室中僅可以對兩個核磁共振單元線圈中的其中一個單元線圈的核磁共振信號相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量，在對線圈各項參數(shù)的測量中選用調(diào)諧匹配以及去耦合操作都調(diào)試得比較好的右側(cè)線圈進(jìn)行測試。由于在核磁共振單元線圈的參數(shù)測量中，僅可以使用一組發(fā)射和接收端口，所以被測量的線圈必須同時作為射頻信號的發(fā)射線圈以及接收線圈，這對于本應(yīng)僅作為接收線圈的單元線圈的信號測量效果也會有影響。

首先對單元線圈的死時間(receiver dead time)進(jìn)行測量，所得到的表示核磁共振單元線圈死時間的圖線如圖9所示，通過測量以及處理之后可以得到單個核磁共振單元線圈的死時間約為833 μs。

圖9 核磁共振單元線圈的死時間圖線

其次對核磁共振單元線圈的頻率參數(shù)進(jìn)行測量，所得到的關(guān)于核磁共振單元線圈頻率的圖線如圖10所示。

圖10 線圈的頻率參數(shù)的圖線

由于核磁共振信號往往較弱，因此需要對核磁共振信號的增益參數(shù)進(jìn)行測量，所得增益參數(shù)圖線如圖11所示，由所測量的圖線可得核磁共振單元線圈的增益參數(shù)約為782。

圖11 線圈增益參數(shù)的圖線

接著需要對核磁共振單元線圈接收信號的相位進(jìn)行矯正，所得到的核磁共振單元線圈的相位圖線如圖12所示。

圖12 線圈的相位矯正參數(shù)圖線

在完成上述的測量之后需要對核磁共振單元線圈的CPMG(自旋回訊磁振脈沖序列)參數(shù)進(jìn)行測量，所得到的單個核磁共振單元線圈的CPMG參數(shù)圖線如圖13所示。

圖13 單元線圈的CPMG參數(shù)的圖線

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種在22 MHz核磁共振檢測平臺上使用的雙單元核陣列式線圈核磁共振探頭。首先使用有限元分析軟件ANSYS Maxwell 3D對核磁共振單元線圈的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計并測量其電感參數(shù)，之后使用電路仿真軟件ADS對核磁共振線圈的調(diào)諧匹配電路進(jìn)行設(shè)計與仿真，并在HFSS中進(jìn)行雙單元核磁共振線圈之間耦合的仿真，最后代入ADS中進(jìn)行雙單元核磁共振線圈之間的去耦合電路仿真。

根據(jù)仿真結(jié)果，開展了探頭的制作和性能測試工作。實驗結(jié)果驗證了本文提出的雙單元陣列式線圈核磁共振探頭具有良好的核磁共振信號檢測能力。