核磁共振成像系统射频线圈设计要求及优化方案

2019-07-29王轶楠

中国设备工程 2019年14期

王轶楠

（上海东软医疗科技有限公司，上海 200241）

MRI设备中的射线线圈，为系统中的核心部件，其关键的设计要点为信噪比，以及来自不同位置的信号敏感均匀度。射频线圈的信号与噪声皆由磁场与电场产生，通常的射频线圈设计时采用表面线圈、笼式线圈、多单元线圈阵列方式进行设计。

1 射频线圈

MRI设备的射频系统主要由射频功效、前置放大器、射频线圈3部分组成，射频线圈主要分为两种形式，体线圈与表面线圈，体线圈是一种在线圈中体积产生匀度磁场以来激发和接收射频信号，主要用于头部成像；表面线圈因为形状小，只能接收线圈附近区域的噪声拥有更高的信噪比，所以通常用于接收线圈。

2 射频线圈设计要求

2.1 线圈构造

线圈构造主要由平面电流与柱面电流构成，平面电流近似一个电流回路中许多矩形的小电流回路，每一个回路为一个矩形线圈，如一个区域的平面电流内，将该区域分割为多个足够小的矩形区域面积。柱面电流是近似在一个有限圆柱面区域内，电流绕圆柱面形成回路，其为基本的环路基线圈，如一个环绕圆柱表面区域并分为矩形基线线圈和环路基线圈回路。

2.2 系统信噪比

信噪比为系统中信号与噪声的比例，核磁共振成像系统重要的一个技术指标信噪比，因为其直接关系到系统成像的分辨率，如叠加信号上的噪声信号强度值振荡较大，信噪比越低，图像成像就越模糊。常规的1,5T核磁共振系统信噪比必须大于150,小于0.9T的核磁共振系统的信噪比不得低于80。其噪声表达方式：

式中，Tm为线圈温度，℃；f为带宽；R为有效电阻。

2.3 射频线圈的主动屏蔽功能

MRI设备的射频信号极易受到外界的干扰，传统的射频线圈在梯度线圈及匀场线圈产生涡流损失，导致信噪比下降，从而影响系统的成像质量。要提高系统的成像质量可以通屏蔽射线线圈，以阻止射频磁场进入梯度磁场和匀场磁场。屏蔽措施主要为主动屏蔽措施及被动屏蔽措施，主动屏蔽措施是通过通入电流产生磁场，从而有效的抵消射频线圈产生的外部磁场；被动屏蔽措施是由一定厚度的材料进行屏蔽，如使用高密度铁板构成。

2.4 微带线射频线圈优化设计

射频线圈主要是由基本的导体单元绕制而成，使其拥有发射共振射频信号，又能够接收到共振信号。在用于发射射频信号的线圈必须在均匀的磁场环境下，才能使得原子核得到均匀激发。微带阵列以体积小、成本低、结构简单、易安装的优点，而被广泛用于核磁射频线圈。微带线射圈是在聚四氟乙烯玻璃纤维板上，一面作为接地板，一面使用光刻腐蚀方法制成的金属贴片，通过微带线及同轴探针在贴片与接地板之间激起射频电磁场，然后通过控制每个通道的幅度和相位，利于核磁共振信号的接收核发射。

2.5 微带射频线圈的交替阻抗

微带射频线圈在开路中间部分电流最大，两端电压却最大，当在短路时，射频线圈的两端电流最大，中间电压最大。微带射频线圈的长度为半波长的整数倍，其远大于微带射线圈的尺寸，为减小线圈的电长度，可以设计串联一个电容。对微带线上的电流幅度与位置进行调整，同时改变线圈的宽带与窄带几何尺寸，将交替阻抗微带线圈抵抗部分蚀刻为分形形状，以用于提高磁场强度与磁场均匀度。传统的高低阻抗抗线的电流不连续明显，从而发射损耗较大，通过微带射频线圈阻抗的设计使得高低阻抗线通带电流的不连续性降低，极大的降低了能耗的损失。

2.6 先进设计计算方法

使用基于函数与分析法的射频线圈设计需进行大量的积分计算，同时可能需要重复性的计算验证，计算效率缓慢，同时计算得出的射频线圈较密，线圈的电感较高且相邻通道的互藕较强，不利于匹配元器件。可以通过使用Matlab及C语言进行编程，可有效的提高计算效率及准确性，同时在获得阵列线圈的基础上进行磁场拓扑形状优化，增加磁场的均匀性。

3 射频线圈优化方案

传统的MRI主要是通过静磁场强度和快速切换的梯度磁场来进行实现，但梯度磁场因为受技术及制造成本因素的影响，以及梯度磁场在进行梯度场切换时产生的能量聚集有可能损失神经及灼伤危险，因此传统射频线圈优化设计是当今重点的科研课题。

阵列式线圈时采用将线圈进行阵列式布局，通过降低系统成像所需的梯度编码步数，利用阵列线圈的单个接收线圈的空间敏度感差异进行编码，而获得更快的扫描速度。阵列式结构线圈设计可最早追溯到1988年Hutchinson提出的由128根阵列排布组成的阵列系统，到后续通过减小K空间的相位编码，由阵列线圈的敏感度代替梯度磁场的相位编码，从而减少图像的扫描时间，除去图像伪影得到高清晰图像的优化方案。而当今更加优化方案是采用减少K空间采样，除去图像重影伪影技术，即灵敏度编码磁共振成像。

3.1 阵列式线圈的去耦优化

阵列线圈使射频线圈测量信号有更高的信噪比，其主要是采用将阵列线圈与信号组合技术与不同线圈的核磁共振信号结合，进而提高信噪比和信号的采集速度。同时可以通过减小相控阵列线圈之间的耦合作用，尽可能的消除阵列线圈中的单元各个线圈之间的互感，进而发挥出阵列线圈最优的性能。

空间位置去耦，通过调节各个子线圈单位空间位置，使其重叠最佳区域达到去耦合的目的，如图1双线圈阵列空间位置去耦示意图。从图1可知线圈的重叠与非叠区域的磁场方向相反，线圈1与线圈2在磁场作用的总磁通量为重叠与非重叠磁通量之和，再通过调整两个线圈的空间位置使得线圈1与线圈2的感应电动势为0，进而消除相邻线圈之间的耦合。该单元线圈去耦方式操作较为简单，但空间分布较为敏感，单元线圈的参数确定后各个线圈的相对位置就已经固定。

图1 双线圈阵列空间位置去耦示意图

电容、电感去耦，通过对单元线圈增加电容与电感组成的LC去耦网络，并让单元线圈单元间的电感工作频率点形成并联谐振回路，从而减小线圈之间的感应电流，进而达到去耦目的；前放去耦，通过将放大器进行前置放置，与电容、电感工作频率形成并联谐振回路，以达到减小感应电流，进而去耦目的。但该方法要求严格主要用于非相邻射频线圈之间的弱耦合作用。

3.2 优化后续方案

阵列式线圈的优化，在开放式头部与颈部位置设计RF线圈，通过对线圈表面的电流密度，并计算线圈内部磁场，确定产生的均匀BI场电流密度的分布。同时还可以通过逆问题求解方式建立线圈表面电流密度的关系式，然后通过对线圈表面密度建立相应的关系式，从而计算感兴趣区域的信噪比，再可以通过计算机的有限元方法对线圈进行规划几何形状，得到合适的信噪比值，从而使图像成像更加清晰。阵列式线圈结构优化，还可以通过使用系列相连的导线段对射频线圈进行模拟，再用线圈几何形状与信噪比结合建立相应的函数关系，从而得到需求的信噪比值。