0 引言

    在磁共振成像系統(tǒng)中，射頻線圈能產(chǎn)生拉莫爾頻率的射頻脈沖^[1]，可用于激發(fā)被測(cè)樣品中的原子。在射頻脈沖激發(fā)停止后，原子將發(fā)生弛豫，在弛豫過程中，被激發(fā)的原子將發(fā)射磁共振信號(hào)，可以對(duì)該信號(hào)進(jìn)行接收，再進(jìn)行放大、濾波和調(diào)制，最后進(jìn)行圖像的重建，繼而得到樣品內(nèi)部的圖像。射頻線圈作為接收信號(hào)的最前端，對(duì)圖像質(zhì)量起著關(guān)鍵性作用^[2]。

    射頻線圈通常可分為體線圈和表面線圈。體線圈具有較大的空間分布，能夠在特定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生均勻的B1場(chǎng)，可作為發(fā)射線圈和接收線圈^[3]。表面線圈靈活多變，能更加貼合被測(cè)物體的表面，具有更高的SNR，但相對(duì)于體線圈，表面線圈透入深度較低，靈敏度下降快^[4]。

    鳥籠線圈^[5]具有較高的磁場(chǎng)均勻度，且可以采用正交激發(fā)，獲得較高的SNR。本文設(shè)計(jì)了一種鳥籠結(jié)構(gòu)的體線圈，闡述了制作方法，并給出了測(cè)試結(jié)果。

1 鳥籠線圈原理

    鳥籠線圈的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由多個(gè)平行于軸向的導(dǎo)電部分組成，平行結(jié)構(gòu)稱為rung，連接rung的結(jié)構(gòu)稱為endring，根據(jù)電容的位置，可分為三大類：低通、高通和帶通。低通鳥籠線圈用于1.5T以下低場(chǎng)，高通鳥籠線圈用于1.5T以上高場(chǎng)，帶通鳥籠線圈一般用作電尺寸較大的情況。

    鳥籠線圈易實(shí)現(xiàn)正交激發(fā)。在空間上相差90°的位置上，加載兩個(gè)相位相差90°的激勵(lì)信號(hào)，就能產(chǎn)生一個(gè)圓極化的B1場(chǎng)。相對(duì)于線性激發(fā)，正交激發(fā)的能量可以減小1/2，SNR可以提高倍^[6]。

    N根rung一般產(chǎn)生N/2+1種模式^[7]，稱m=0的模式為endring模式，該模式rungs中沒有電流流動(dòng)，電流只分布在endring中。對(duì)于高通鳥籠線圈，endring模式的諧振頻率最高，對(duì)于低通鳥籠線圈endring模式的諧振頻率最低，頻率為零。當(dāng)m=1時(shí)，帶通鳥籠線圈的磁場(chǎng)分布并不絕對(duì)均勻，與C₁和C₂的比值相關(guān)。但對(duì)于低通和高通鳥籠線圈而言，當(dāng)m=1時(shí)會(huì)產(chǎn)生均勻的模式。

    線圈的rungs數(shù)量直接影響著磁場(chǎng)的均勻度，rungs的數(shù)量越多，長度和直徑的比值越大，磁場(chǎng)就越均勻。圖2是MATLAB計(jì)算的不同數(shù)量rung下的磁場(chǎng)位形狀，隨著rungs數(shù)量的增加磁場(chǎng)的均勻度在增加，而且在同等的激勵(lì)條件下，線圈中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度也在增加。

    當(dāng)rungs的數(shù)量較多時(shí)，對(duì)電容的精度要求相應(yīng)增加，且導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分布的對(duì)稱性會(huì)變差，易造成諧振模式的分裂，調(diào)諧過程會(huì)變得更復(fù)雜。因此設(shè)計(jì)時(shí)需要在場(chǎng)的均勻度和線圈制作的復(fù)雜性之間進(jìn)行權(quán)衡。

2 線圈參數(shù)以及仿真

2.1 線圈參數(shù)

    9.4T下的H原子的拉莫爾頻率為400 MHz，綜合考慮設(shè)計(jì)復(fù)雜性以及磁場(chǎng)的均勻度，本文采用8 rungs的高通結(jié)構(gòu)，采用正交激發(fā)。線圈選用銅材質(zhì)，線圈leg采用半徑為0.5 mm、長度為55 mm的管狀結(jié)構(gòu)，線圈半徑取20 mm，屏蔽層半徑取30 mm，電容間隙取2 mm，端環(huán)類型采用矩形結(jié)構(gòu)，鳥籠線圈的電容數(shù)目較多，endring采用厚度為0.1 mm，寬度為5 mm的銅帶。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，采用賓夕法尼亞州立大學(xué)開發(fā)的birdcage builder^[8]，計(jì)算出電容大小為C_f=6.4 pF，該值可作為參考值，但最終值還需要進(jìn)行調(diào)整。

2.2 電磁仿真

    將C_f=6.4 pF作為初始值，通過3D全波電磁仿真軟件，構(gòu)建模型如圖3所示，進(jìn)一步優(yōu)化，當(dāng)C_f取6.2 pF時(shí)，可以在400 MHz產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)。

    圖4為4種模式下的磁場(chǎng)分布，由于endring模式下rungs中沒有電流，故未給出仿真圖。通過比較分析，可知m1模式具有均勻的磁場(chǎng)，其他3種模式中間磁場(chǎng)較弱而且分布不對(duì)稱。

    通過場(chǎng)路聯(lián)合仿真，經(jīng)調(diào)諧匹配，得到5種諧振模式。圖5是相應(yīng)的S參數(shù)曲線。在m1模式下，諧振頻率匹配到399.7 MHz，反射系數(shù)是-12.771 dB。

3 線圈的制作

3.1 Trap

    由于同軸線的屏蔽層上會(huì)感應(yīng)出共模電流，容易對(duì)信號(hào)造成干擾，引起線圈的失諧振，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)成像的活體造成灼傷^[9]。本設(shè)計(jì)采用trap來消除上述弊端，工程中將同軸電纜纏繞，等效為電感，在其兩端并聯(lián)電容，外屏蔽層和電容相當(dāng)于一個(gè)并聯(lián)諧振電路，在特殊的頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)陷波，如圖6所示，通過調(diào)節(jié)電容使諧振頻率匹配到400 MHz。

    實(shí)際測(cè)試時(shí)，為減少trap中電感產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)射頻線圈磁場(chǎng)的干擾，同時(shí)為防止外界環(huán)境對(duì)trap中電感的影響，需要將trap裝配在屏蔽盒里。

3.2 屏蔽

    為減少射頻線圈與梯度場(chǎng)線圈以及勻場(chǎng)線圈的耦合，需要在鳥籠線圈外安裝屏蔽。該屏蔽類似于一個(gè)低通濾波器，能夠通過靜止的主磁場(chǎng)以及聲頻頻率下的梯度場(chǎng)，阻止射頻場(chǎng)的通過^[10]。本設(shè)計(jì)選擇在亞克力上覆上一層銅箔^[11]，將銅箔沿主磁場(chǎng)方向均勻分成若干部分，在相鄰的銅箔間隙上焊接上若干個(gè)數(shù)值較大的1 nF的貼片電容，如圖7所示。

3.3 線圈主體的制作與裝配

    在鳥籠線圈的設(shè)計(jì)中，采用的正交調(diào)諧結(jié)構(gòu)如圖8所示，其中C_t1和C_t2分別是兩個(gè)通道的調(diào)諧電容，C_m1和C_m2是兩個(gè)通道的匹配電容，C_b是平衡電容，用來補(bǔ)償線圈制作過程中的結(jié)構(gòu)差異以及電容誤差所帶來的不對(duì)稱性。

    裝配過程中，選用厚度為2 mm、外徑為40 mm的亞克力管作為內(nèi)部的支撐。當(dāng)加入負(fù)載之后，整體的等效電容會(huì)增大，從而導(dǎo)致諧振頻率降低，所以需要選用比理論值偏小的電容，本設(shè)計(jì)選用容值為5.6 pF的ATC100B系列的無磁電容。圖9(a)為的焊接結(jié)構(gòu)圖，圖9(b)為裝配有屏蔽和支撐的完整結(jié)構(gòu)圖。

4 線圈測(cè)試

4.1 網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試

    采用安捷倫的E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行對(duì)線圈進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)調(diào)諧電容、匹配電容以及平衡電容的反復(fù)匹配，使兩個(gè)通道都能在400 MHz下發(fā)生諧振。網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試結(jié)果可知，兩個(gè)通道m(xù)1模式的反射系數(shù)較低，S₁₁、S₂₂小于-30 dB。兩個(gè)通道的耦合較小，S₂₁小于-20 dB，表明兩個(gè)通道的獨(dú)立性較好，產(chǎn)生磁場(chǎng)更接近理想的圓極化場(chǎng)。

4.2 安捷倫9.4T成像儀測(cè)試

    在安捷倫9.4T成像儀上對(duì)線圈的性能進(jìn)行了測(cè)試，樣品采用0.9 g/L的NaCl溶液。采用梯度回波序，參數(shù)為：TR=20 ms，TE=4 ms，Matrix=128×128，F(xiàn)ov=30×30，Slice=10，Ave=1，Thick=2 mm。從圖10可以看出均勻度較好，圖像的信號(hào)是13 560，圖像噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差是67.45，圖像的SNR=13 560/67.45=201。表明該線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)較為均勻，線圈的發(fā)射效率和接收效率高。

5 結(jié)論

    本文簡(jiǎn)要介紹了鳥籠線圈的工作原理以及鳥籠線圈的工作模式，并對(duì)鳥籠線圈的工作模式進(jìn)行了分析，利用birdcage builder計(jì)算出電容參數(shù)，通過三維電磁仿真軟件對(duì)不同的共振模式的磁場(chǎng)位形進(jìn)行了仿真分析計(jì)算，驗(yàn)證了m1模式的磁場(chǎng)最為均勻。給出了鳥籠線圈的設(shè)計(jì)和制作過程，通過workbench和9.4T成像儀測(cè)試，驗(yàn)證了該高通鳥籠線圈的有效性。該鳥籠線圈采用正交發(fā)射和接收，發(fā)射時(shí)效率高，磁場(chǎng)均勻，圖像的信噪比較高，制作工藝簡(jiǎn)單，成本較低，可以根據(jù)被測(cè)樣品的大小，進(jìn)行不同尺寸的設(shè)計(jì)，對(duì)于其他高場(chǎng)磁共振射頻線圈的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

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作者信息：

陳思明1，2，張雪雷1

（1.中國科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心，安徽 合肥230000；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥230000）