基于变宽铜带螺线管线圈的低场核磁共振探头的研制

2022-07-20陆荣生倪中华

机械设计与制造工程 2022年6期

袁毅，陆荣生，倪中华

(1.东南大学机械工程学院，江苏南京 211189)(2.江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室，江苏南京 211189)

低场核磁共振技术具有非接触、无损检测的优势，被广泛应用于医学、化学、生物学和材料学等领域[1-4]。探头是低场核磁共振检测装置的核心部件，一些样品，尤其是固体样品，弛豫时间较小，信号衰减快，为了获取良好的短弛豫信号，探头需要具有较低的死时间和良好的信噪比。为此，本文基于10 MHz核磁共振检测平台，针对1英寸标准样品，进行低场核磁共振探头的研制。

1 探头的设计

1.1 探头结构设计

为了配合核磁共振检测平台进行检测，需要设计铜线绕制螺线管线圈探头的机械结构，图1是探头主要结构设计图，主要包括外壳、上盖、绕线管、位置调节管、进样导引管、装配导引管和支撑架等。

图1 核磁共振探头结构

探头外壳使用铝合金，配合相同材质的上盖可以实现良好的电磁屏蔽效果。外壳分为线圈腔和调谐腔两个部分：线圈腔用于放置线圈；调谐腔用于放置调谐匹配电路。绕线管是射频线圈绕制的骨架，其材质为PTFE。绕线管外径与射频线圈内径相等。针对1英寸(25 mm)样品，考虑到盛放样品的试管壁厚、绕线管的壁厚等因素，绕线管的外径为34 mm。位置调节管用于调节样品的高度，其材质为PTFE。进样导引管用于引导样品的放置和保温，材质为工程塑料。装配导引管用于增加位置调节管的调节范围，材质为工程塑料。支撑架用于探头的固定，材质为铝合金。

1.2 射频线圈设计

螺线管线圈[5-7]是低场核磁共振探头中应用最广泛的线圈，传统螺线管线圈由铜线绕制而成。探头在脉冲发射结束后进入接收状态时，线圈的能释信号会淹没微弱的磁共振信号，导致一段时间内无法有效采集样品的磁共振信号，该时间段被称为死时间。为了采集良好的短弛豫信号，探头应具有较小的死时间，螺线管线圈匝数应较小，而匝数的减小，会引起匝间距的增大，其射频磁场均匀度会降低。为此，Privalov等[8]提出了一种变宽铜带缠绕式螺线管线圈，即使用变宽金属带替代铜线在圆柱面上绕制成螺线管状，每两匝边缘之间的间隙相等，该线圈的电流传导路径的截面是矩形。图2为变宽铜带缠绕式螺线管线圈的结构示意图。

图2 变宽铜带缠绕式螺线管线圈

在检测区域固定的情况下，线圈的尺寸越小，信噪比越高。考虑到螺线管线圈两端磁场较弱，样品高度不宜超过线圈高度的2/3，因此线圈的高度取60 mm。线圈内径等于绕线管的外径，即线圈的内径为34 mm。由于趋肤效应[9]，电流主要分布在线圈内侧，当铜带厚度大于趋肤深度时，铜带厚度的大小对线圈的阻抗无明显影响，根据工程实际，铜带的厚度取0.2 mm。线圈匝数取8匝，以降低死时间，并能够采集到良好的核磁共振信号。

确定线圈的基本参数后，使用商业有限元软件(Maxwell)对不同螺线管线圈进行仿真分析，对比铜线绕制螺线管线圈和变宽铜带缠绕式螺线管线圈的磁场分布情况，并对变宽铜带缠绕式螺线管线圈的参数进行优化选择。表1给出了仿真的5个线圈的几何参数，其中e为线圈边缘宽度，m为线圈中心宽度，如图2中所示。图3给出了3种不同类型螺线管线圈的结构，图4给出了5个不同线圈的轴向截面射频磁场分布情况。

图3 线圈的仿真模型

表1 线圈参数

观察图4中5个线圈的竖直截面场强分布发现，由于变宽铜带缠绕式螺线管结构复杂，其磁场对称性较差；C2不均匀区域最大，然后依次为C3、C1、C4、C5，即匀宽铜带缠绕式线圈均匀性最差。随着边缘宽度的减小，变宽铜带缠绕式螺线管的均匀性逐渐改善，逐渐超过铜线绕制螺线管线圈，其中C5的竖直截面无不均匀区域，满足样品核磁共振检测的需求。

图4 不同线圈轴向截面射频磁场分布情况

尽管在中心宽度固定的情况下，减小边缘宽度能够改善磁场均匀性，但是限于制作工艺，边缘宽度不应过小，否则难以制作，并不可避免地产生较大的相对制作误差，因此选用边缘宽度2 mm、中心宽度6 mm的变宽铜带缠绕式螺线管作为探头射频线圈的设计方案。

1.3 调谐匹配电路设计

当负载阻抗与传输线的特性阻抗相等时，反射波为0，电磁波能量能够最大化传输，该状态称为阻抗匹配。传输线的特性阻抗一般为50 Ω，因此调谐匹配的目标就是让射频线圈在拉莫尔频率下谐振，并将电路阻抗调节至50 Ω[10]。由于本文设计的线圈为收发两用线圈，而核磁共振信号是一种时序衰减信号，为了能最大限度地采集到短弛豫信号早期较强的部分，在调谐匹配电路的设计过程中，需要降低探头的死时间。图5为本文设计的探头的调谐匹配电路原理图，其中L为射频线圈，R为负载电阻，Cl为负载电容，Ct为调谐电容，Cm为匹配电容。该电路在传统并联谐振电路的基础上，增加了负载电路，将线圈L与负载电路视作整体，通过调谐电容Ct将阻抗实部调至50 Ω，通过匹配电容Cm将阻抗虚部调整至0，实现电路的调谐匹配。该电路通过增加负载电路，以实现射频线圈储能的快速释放，降低死时间。

图5 探头调谐匹配电路原理图

2 探头的制作

根据上述设计的射频线圈参数(变宽铜带缠绕式螺线管线圈，边缘宽度2 mm，中心宽度6 mm，内径34 mm，厚度0.2 mm，8匝)，选用紫铜带进行线圈的制作。图6为制作的线圈实物。

图6 铜带缠绕式线圈实物

对绕制完成的线圈，采用上述设计的调谐匹配电路结构，开展调谐匹配工作。图7为制作后的探头实物。

图7 变宽铜带缠绕式螺线管探头实物

3 探头测试

3.1 基本参数测试

探头制作完成后，基于实验室搭建的10 MHz核磁共振平台，使用30 mm高度的硫酸铜溶液作为样品，进行探头基本参数的测定。图8和图9分别为本文探头的死时间和信噪比测定结果。

图8 探头死时间测试

图9 植物油FID信号谱

由图8可以看出，在19 μs后信号衰减至0，线圈中储存的能量已完成释放，即本文制作的铜线绕制螺线管线圈探头实验测量得到的死时间为19 μs，处于一个较低的水平。

信噪比是信号强度与噪声强度的比值，自由感应衰减(FID)信号谱的最大值与尾部噪声的比值即为探头的信噪比，由图9可以看出，探头的信噪比为445，信噪比良好，能够满足常规样品检测分析的需求。

3.2 探头均匀度测试

射频磁场均匀度是衡量探头性能的重要指标。由铜带缠绕式变宽螺线管线圈磁场分布理论和仿真结果可知，螺线管线圈磁场强度由中心向两端降低，在核磁共振检测中，需要对其磁场均匀度进行评估，以确定其有效检测范围。为此，本文采用薄油脂层法进行轴向磁场均匀度的测试[11]。采用1 mm 厚的薄油层作为实验样品，放入探头样品腔中，从底部每次向上移动2 mm，每移动一次，分别发射一次FID脉冲和5°射频脉冲，采集磁共振信号的幅值。图10(a)、图10(b)分别为薄油层在探头不同高度方向上FID脉冲激励下信号幅值分布情况和5°脉冲信号激励下信号幅值分布情况。

图10 不同脉冲激励下薄油层实验信号幅值分布曲线

从图10(a)和图10(b)可以看出，信号强度均由中心向两端递减，即磁场强度由中心向两端递减，并且越靠近线圈端部，磁场强度衰减越快；两组实验的探头中间40 mm信号强度最小值分别比最大值低11.04%和10.21%，均小于12%，与仿真结果相仿，说明制作的线圈的射频磁场具有良好的均匀度，满足检测需求。

尽管薄油脂层实验可以分析线圈轴向场强分布的均匀性，但在实际检测中，还需要评估线圈的整体表现。为此，本文基于连续脉宽扫描法[11-12]，以40 mm高度的植物油为样品，将其放置于探头腔内，并调整至中心高度，自1 μs脉宽起，以1 μs为步长，依次发射400组不同宽度的脉冲，并采集信号的幅值。图11为不同宽度脉冲激励下信号的幅值分布情况。