双单元阵列式线圈核磁共振探头设计

赵浩博,王俊楠,2,宋子杰,2 ,陆荣生,2

(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)

从1945年首次发现核磁共振现象到现在已有将近80年的历史[1-2]。核磁共振技术具有非破坏性、无损检测的特点，可以从分子水平上描述物质的物理和化学属性，目前已经在生物医学[3]、化学、制药和多孔介质等领域获得了广泛的应用。

核磁共振探头是核磁共振仪器的关键核心部件，许多学者对其进行了大量的研究。通过在探头中使用阵列线圈，使不同线圈中接收的信号矢量相加，而噪声只来自于单元线圈的小区域，这样可使接受线圈所接受的核磁共振信号得到增强，由此使探头达到更高的信噪比及空间分辨率[4-8]。

另外，通过阵列线圈可使线圈贴合被测对象[5]，由此提高线圈接收的填充因子。

本文将为22 MHz核磁共振检测平台研制一种双单元核阵列式线圈的核磁共振探头。

1 双单元线圈核磁共振探头设计

1.1 设计与仿真

线圈是探头中非常重要的部分，核磁共振线圈用于激励被测试样本发生核磁共振并采集由样本产生的核磁共振信号。

为了让接收线圈有更好的信噪比及灵敏度，需让线圈尽可能贴合兴趣区域。本文设计的探头用于检测直径约40 mm的圆柱形样本。为了保证线圈的磁场方向与主磁场方向垂直，将单元线圈设计为如图1所示的弯曲角度接近180°的多匝线圈。

图1 核磁共振单元线圈模型

在线圈设计过程中，首先在ANSYS Maxwell 3D中对单元线圈进行建模，将线圈的线宽设置为1 mm，线圈厚度设置为0.07 mm，每匝线圈的间距设置为1 mm，材料为铜(copper)，直径为40 mm，高度为40 mm。添加标准电流激励(10 A/Standard)，并在parameter中设置矩阵参数，对电感仿真。由仿真结果可得，线圈的电感为736.99 nH。其阻抗的理论值XL计算如下：

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

(1)

式中：f为设定的线圈工作频率，取值为22 MHz；L为仿真得到的线圈电感。

在完成单元线圈的设计及初步仿真后，需要对调谐匹配电路进行设计仿真，通过调谐和匹配电容，可以使线圈在共振频率下工作于谐振状态，且匹配后续设备的50 Ω阻抗。将阻抗参数代入电路仿真设计软件ADS(advanced design system)中对调谐匹配电路进行设计和仿真，这一步骤主要利用ADS中的史密斯圆模块进行调谐匹配设计，本文使用先并联电容、再串联电容的方式进行线圈的调谐匹配，所得到的调谐匹配电路如图2所示。

图2 通过史密斯圆图得到的线圈调谐匹配线路

完成线圈调谐匹配电路的设计之后则需要对线圈之间耦合情况进行观察，并对去耦合操作进行设计以及仿真。

在设计过程中首先使用ANSYS HFSS对双线圈同时工作时的耦合情况进行仿真[9-11]。仿真界面如图3(a)所示，通常可以使用Lumped RLC来实现对整个线圈线路的模拟，在ANSYS HFSS中通过Lumped RLC边界条件来添加调谐及匹配电容。由于线圈结构不复杂，故使用Lumped Port来添加激励。线圈的端口设置如图3(b)所示，在线圈的馈电电路中添加上下2层共4个长方形，下层的平面为第一个RLC边界，其为电路中的并联电容，上层从左至右第一个平面为RLC边界，为电路中的串联电容，第二个平面为理想导体边界，第三个平面为线圈的集总端口激励。由于重点关注的是线圈之间的相互耦合情况，整体电磁场情况并不需要观察，因此将线圈的边界条件设置为理想导体边界。

图3 ANSYS HFSS中线圈及其端口建模

通过仿真结果可知，当双线圈同时添加激励时，会导致本已调谐匹配好的线圈的共振频率偏离原先的频率。而线圈回路的性能可以通过核磁共振线圈的回波损耗系数，插入损耗系数以及阻抗匹配等特性指标进行评价，仅HFSS不足以完全反映耦合情况，故需要导出反映耦合情况的S-Matrix参数并代入ADS的SnP模块。

由于本设计中阵列式线圈仅为两单元，线圈弧度大，且为多回路线圈，故不使用最常用的面积重叠去耦合法[12-16]，而在两个线圈单元之间跨接去耦合电容来进行双线圈之间的去耦合[17]。在ADS中搭建的电路如图4(a)所示，图中的SnP模块为从ANSYS HFSS中导出的双单元线圈之间的耦合参数(S-Matrix参数)，两线路之间的电容C8为去耦合电容[4]。

通过ADS对双线圈同时工作时的仿真结果，以线圈3(Term 3)的S参数S(3,3)为例，得到线圈失谐参数如图4(b)所示，由于两核磁共振线圈之间的耦合影响导致其共振频率偏移原先设置的工作频率。在添加了跨接去耦合电容之后，调整去耦合电容到合适值，如图4(c)所示，可使得双单元线圈的共振频率回到原先设定的22 MHz。

图4 ADS中去耦合线路仿真

1.2 双单元线圈核磁共振探头制作

本文设计的探头整体框架结构为铝合金，探头框架两面添加覆铜塑料板以进行屏蔽，减少分布电容对测量的影响。

为了保证线圈骨架不影响线圈对被测样本的信号激发以及接收，材料选用聚四氟乙烯(poly tet-ra fluoroethylene, PTFE)。单元线圈使用柔性PCB板进行加工，这样既可以保证核磁共振线圈的精度，也便于组装时将线圈贴在线圈骨架上。单元线圈尺寸如图5所示，线圈线宽设置为1 mm，将每匝线圈之间的匝间距设置为1 mm，厚度为0.07 mm，整体尺寸为60.5 mm×40.5 mm，在线圈外部和中心位置设计有焊盘便于焊接线材。

图5 单元线圈图纸

图6为制造与装配完成后的探头实物。

图6 双单元线圈核磁共振探头实物图

1.3 双单元线圈核磁共振探头的调试

本文中对探头的调试使用的是E5061B网络分析仪及频率发生器。首先对每个线圈调谐匹配，在对一个线圈进行调谐匹配时，需要将另一个线圈的两端(接地端和SMA端口)完全断开。

通过调节PCB板上的可调电容进行调谐，使其工作频率处于21.98 MHz，并且通过调节匹配电容来使得电路从端口进行测量的阻抗为50 Ω。单个线圈的调谐匹配结果如图7所示。

图7 单个核磁共振单元线圈的调谐匹配结果

在完成单独的调谐匹配后，需要对双线圈同时工作时的耦合情况进行观察，并且通过调整跨接的去耦合电容来对线圈进行去耦合。

使用网络分析仪两个端口来向探头中的两个单元线圈同时输入信号，会导致本来已经调谐匹配好的线圈出现明显的失谐，从图8(a)的log图像可知，本来图线的最低点处于中心频率21.98 MHz处，在两者都接通之后会导致log图线的波谷出现偏移，并且由于耦合而导致的log图线波谷的偏移是无法通过调整原本的调谐匹配线路来解决，故需要跨接去耦合电容，如图8(b)所示，通过调节去耦合电容以及两单元线圈的并联电容来使得两个核磁共振单元线圈的log图线的谷底都回到原设定的中心频率21.98 MHz，如图8(c)所示。值得注意的是，在对探头的调试过程中都应该使用覆铜的塑料板对双单元线圈部分进行屏蔽，以减少分布电容对探头的影响。

图8 核磁共振探头调试过程

2 双单元线圈核磁共振探头的实验

由于22 MHz实验平台仅有1个发射端口和1个接收端口，故使用实验室中仅可以对两个核磁共振单元线圈中的其中一个单元线圈的核磁共振信号相关参数进行测量，在对线圈各项参数的测量中选用调谐匹配以及去耦合操作都调试得比较好的右侧线圈进行测试。由于在核磁共振单元线圈的参数测量中，仅可以使用一组发射和接收端口，所以被测量的线圈必须同时作为射频信号的发射线圈以及接收线圈，这对于本应仅作为接收线圈的单元线圈的信号测量效果也会有影响。

首先对单元线圈的死时间(receiver dead time)进行测量，所得到的表示核磁共振单元线圈死时间的图线如图9所示，通过测量以及处理之后可以得到单个核磁共振单元线圈的死时间约为833 μs。

图9 核磁共振单元线圈的死时间图线

其次对核磁共振单元线圈的频率参数进行测量，所得到的关于核磁共振单元线圈频率的图线如图10所示。

图10 线圈的频率参数的图线

由于核磁共振信号往往较弱，因此需要对核磁共振信号的增益参数进行测量，所得增益参数图线如图11所示，由所测量的图线可得核磁共振单元线圈的增益参数约为782。

图11 线圈增益参数的图线

接着需要对核磁共振单元线圈接收信号的相位进行矫正，所得到的核磁共振单元线圈的相位图线如图12所示。

图12 线圈的相位矫正参数图线

在完成上述的测量之后需要对核磁共振单元线圈的CPMG(自旋回讯磁振脉冲序列)参数进行测量，所得到的单个核磁共振单元线圈的CPMG参数图线如图13所示。

图13 单元线圈的CPMG参数的图线

3 结束语

本文设计了一种在22 MHz核磁共振检测平台上使用的双单元核阵列式线圈核磁共振探头。首先使用有限元分析软件ANSYS Maxwell 3D对核磁共振单元线圈的物理结构进行设计并测量其电感参数，之后使用电路仿真软件ADS对核磁共振线圈的调谐匹配电路进行设计与仿真，并在HFSS中进行双单元核磁共振线圈之间耦合的仿真，最后代入ADS中进行双单元核磁共振线圈之间的去耦合电路仿真。

根据仿真结果，开展了探头的制作和性能测试工作。实验结果验证了本文提出的双单元阵列式线圈核磁共振探头具有良好的核磁共振信号检测能力。