MRI水模参量测量

彭玉峰，林思宏，金 龙，陈 诚，杨少歌

（1.河南师范大学物理与信息工程学院，河南新乡453007；2.四川大学电子信息学院，四川成都610065）

1 引 言

磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）技术是当今医学界最先进的影像诊断技术，该技术能够在不损伤人体器官组织的前提下更多地提取出生命信息，是继X射线、放射性同位素、超声波、X－CT之后的一项高新技术，已被广泛应用于临床[1].MRI的基本原理是通过不同的射频脉冲序列对生物组织进行激励，利用线圈梯度场对组织进行空间定位，并利用接收线圈检测组织的弛豫时间和质子密度信息，从而形成组织图像[2].射频表面线圈（又称RF探头）是MRI技术中重要的组成部分.线圈的性能直接影响成像质量和信噪比.在MRI系统工作中，线圈接收的射频脉冲信号与人体发射的信号有相同的共振频率.通常需要使用网络分析仪调试表面线圈工作于谐振频率且要求输入反射系数S11阻抗圆图尽量接近中心原点达到匹配.这样有利于接收微弱的射频信号.由于射频线圈工作时是直接地接触患者（不包括系统体线圈），人体会与线圈发生耦合，所以在调试线圈时需要使用参量接近于人体的水模.ACRMRI水模是由丙烯酸类塑料制作的两端封闭的空心物体，其外形类似于人体各部位的身体结构，其内腔填充有氯化镍和氯化钠混合溶液.

MRI射频线圈设计时通常需要使用CST对线圈进行仿真，仿真过程中需要加入水模，而目前水模参量中电容率和电导率测量最直接的办法是使用电容率测试仪和电导率测试仪.由于测量仪造价高，本文提出一种使用射频线圈测量水模电容率的方法.首先使用电导率测试仪测量出水模的电导率，然后通过网络分析仪测量表面线圈贴近水模匹配时输入反射系数S11，使用CST建立模型并且将电容率参量设为优化选项，最后通过仿真优化，其结果得到和实验相符的S11参量，从而确定电容率的值.该方法简单易行，测量的水模电容率为以后其他线圈的仿真提供依据，并且该方法可以应用于电导率的测量.

2 水模的制作

先使用网络分析仪连接线圈靠近人体部位，查看谐振频率和阻抗匹配（为使数据准确通常需要调试线圈使S11达到－20dB，阻抗匹配良好），记录数据.然后向水模中添加蒸馏水、氯化镍和氯化钠粉末（蒸馏水需注满水模使其无气泡）.加入粉末的目的是使溶液具有足够的电导率以产生近似和人体等量的噪声，获得较强MR信号[3].最后将线圈贴近水模，查看网络分析仪S11，反复加入粉末，与先前记录数据达到一致，则水模制作完成.此处实验制作350mm×400mm×130mm的长方体水模，水模中加入蒸馏水、氯化镍和氯化钠粉末，使用电导率测量仪测量出其常温下电导率为0.1S／m.

3 矩形表面线圈

射频场的均匀性是决定MRI性能的重要指标，射频线圈必须在扫描区内产生十分均匀的发射场，使线圈在共振频率Q值很高，这样才能获得清晰的图像[1].表面线圈的几何形状和大小决定了射频场的分布[4].通常，临床应用中的磁共振成像系统，场强均在3T以下，对于这些磁共振线圈的设计，电路一般由集中元件组成[5].矩形表面线圈实质是谐振器，由电容和线圈串联和并联组合而成，线圈代表电感和电阻，其中的电阻由电感线圈的损耗产生，电容的损耗可以忽略.通常射频线圈需要工作在谐振状态下，其谐振频率等于系统的共振频率.

由图1串联谐振回路原理图可知：

当ω＝ω0时，Z＝R回路阻抗为纯电阻且辐角为0.谐振时，电感L上的电压VL0与电容C上的电压VC0大小相等，相位相差π，相互抵消.电阻上的电压等于电源电压Vs，

同理：

回路的品质因数

图1 串联谐振回路原理图

射频电路工程实际中，总是满足ω0L≫R，则品质因数Q≫1，电感L或电容C两端的电压远远大于1mV.在设计中，常将port端口连接于电容两端，接收到微弱的射频信号通过串联谐振回路被放大.Q值越大，表示线圈在共振时放大能力越强，对信号的选择性越好，但是通频带会越窄.提高频率会使Q值变大，但R的值会因为趋肤效应随频率显著增加，因而线圈的Q值在频率变化较小时，基本保持不变.

当谐振频率和线圈大小确定，线圈的Q值与负载成反比，有负载（水模）时，Q值明显下降，但增大线圈与水模的距离，Q值明显上升，说明负载逐渐减小.主要原因是表面线圈距离样品近，使接收到的信号增强，同时又使线圈的负载变大，Q值降低，后者使接收到的信号变弱.综合两者的效果，得出距离0～2cm，线圈信号强度无大的变化，但距离增加到3～4cm，线圈信号强度减小很明显[6].所以为了保证实验的准确性，在线圈和水模间固定厚度为1.5cm的泡沫板.

根据串联谐振回路原理，设计制作矩形线圈，线圈内径为90mm，外径为100mm，铜箔固定在厚度为1mm的fr－4环氧树脂板上，铜箔厚度为0.1mm.在铜箔之间焊接4个贴片电容，在其中1个电容两端焊接BNC接头，如图2所示.

图2 矩形表面线圈

由于设计的矩形线圈不用于系统成像，所以ω0在合理范围内可以任意设置.将矩形线圈贴近水模，将制作好的射频线圈用传输线连接于网络分析仪上.观察网络分析仪中S11和smith圆图，在显示屏上找到线圈的谐振峰，更换与BNC接头连接处的电容，此时S11的dB值会相应的变化，最终使S11接近于－20dB，等阻抗圆接近中心，达到匹配，线圈的总阻抗与传输线的特性阻抗相等，传输效率最大.曲线中的峰值（亮点处）即为线圈的谐振频率横坐标，如图3所示.

图3 射频线圈频率响应曲线

此时谐振频率为46.11MHz，输入反射系数S11为－20.25dB.电容值分别为300，232，150，150pF，如图2（a）所示.

4 水模参量测量

图4 矩形表面线圈及水模模型

CST微波工作室基于一种通用的三维算法，即有限积分法，它能够快速有效地设计和分析各种模型.所以本文使用CST微波工作室建立矩形线圈和水模模型，如图4所示.其中，背景材料设置为真空.在参量输入框（Name，Value，Description）中分别输入（电容率Ep，10，dielectric constant），（电导率El，0.1，electrical conductivity）.含义：定义了2个变量Ep和El，其初始值分别为10，0.1S／m（注意：在仿真时需要估计电容率的大概范围，有利于变量范围的设定）.水模的长宽高分别为350mm×400mm×130mm，在layer处设置电容率和电导率为Ep和El2个变量.线圈内径90mm，外径100mm，铜箔厚度0.1mm.由于fr－4环氧树脂板和泡沫板电绝缘性能稳定，对仿真结果几乎无影响.所以建立边长为10mm，高为1.6mm立方体模型于线圈和水模之间，材料设定为vacuum.使用时域求解器Transient Solver中的Optimization，将Ep设为优化项并确定优化范围.当频率在46.1MHz时S11有最小值min.经过优化，得出当电容率Ep为5F／m时，S11有最小值且谐振于46.1MHz.观察1DResults中的S11，此时S11中的最小值为－18.96dB，基本符合网络分析仪实际测量的S11在谐振点处的最小值，如图5所示.

图5 S11随f的变化

将此水模参量测量出的近似值运用其他线圈的仿真实验，能得到符合要求的设计，证明此测量方法具有一定的可行性，并且相同原理可以运用于电导率的测量.由于测量精度不高，导致这种方法的应用受到一定的局限.

5 结束语

介绍了自制MIR需要的水模的方法，简述矩形表面线圈的原理并制作了矩形表面线圈，使用网络分析仪测量了S曲线.利用CST微波工作室建立了矩形线圈和水模模型，计算了在输入反射系数S11达到最小值的情况下，优化的电容率值.实验证明该方法可行，为MRI仿真提供了有效的水模参数.

[1] 丁美新，苏中义.磁共振成像鞍型射频线圈的优化设计[J].上海交通大学学报，1996，30（5）：103－108.

[2] Han Jijun，Xin Xuegang，Chen Wufan.Decoupling of multi－channels RF coil and its application to intr－aoperative MR－guided focused ultrasound device[A].Medical Image Analysis and Clinical Applications（MIACA）[C].2010International Confe－rence on，Guangzhou，china，2010.

[3] 褚旭，蒋晓华.永磁磁共振成像中射频表面线圈的优化设计[J].清华大学学报，2005，45（3）：351－354.

[4] 汪红志，谭智广，任朝晖，等.台式核磁共振成像仪高灵敏微型射频线圈的研制[J].中国医疗器械杂志，2008，32（1）：35－39.

[5] 韩继钧.基于FDTD／MOM混合方法设计磁共振射频线圈[D].广州：南方医科大学，2011.

[6] 宣国华，林意群，胡和平，等.脊柱表面线圈和样品距离对成像质量影响的探讨[J].医学物理，1992，9（4）：19－21.