极高场磁共振成像系统多通道套筒单极子线圈及设计方法

1.本发明属于磁共振成像技术领域，涉及射频线圈技术，尤其涉及一种极高磁场下(大于10.5特斯拉)磁共振成像系统的多通道套筒单极子线圈及其设计方法。


背景技术：

2.磁共振成像(mri)具有无电离辐射、对人体安全无害、多方位成像、多参数成像、成像清晰等优点，目前被广泛应用于脑科学、生命科学、神经影像学、心血管造影等多个领域。目前，磁共振成像技术的发展受限于图像的信噪比、分辨率和成像速度。解决上述问题的方法通常是提高主磁体的场强来提高图像信噪比以及分辨率，改进射频线圈的结构实现多通道的并行成像来提高成像速度。当主磁体的场强提高到10.5特斯拉以上时，称这样的系统为极高磁场磁共振成像系统。当前极高场磁共振成像系统在生物医学影像领域引起了广泛的关注。与传统磁共振成像系统相比，极高场磁共振成像系统有着更好的图像信噪比、更短的成像时间、更高的图像分辨率，可为脑科学和脑疾病机制的研究提供高水平研究工具。
3.极高磁场磁共振成像可带来许多可预见的优势，然而射频线圈技术上的难题也相伴而生。极高磁场下原子核产生射磁共振的频率很高(500-1000mhz左右)，如此高的频率会在射频线圈的发射场中产生驻波干涉现象。根据拉莫尔定理，产生磁共振的频率公式为f＝γb(γ为核旋磁比，b为外磁场强度)，随着场强的增大，频率增高，而波长变短，当波长达到和人体的成像部位尺寸差不多时，会因驻波导致电磁场的幅度和相位均匀性变差，进而影响图像质量。因此应用于传统磁共振成像系统的常见线圈例如鸟笼线圈、马鞍线圈、螺线管线圈等都很难应用于极高场磁共振成像系统。
4.在磁共振成像过程中，过度的射频沉积是一个重要安全问题，即因人体吸收过量电磁波能量而导致灼伤。比吸收率(sar)是一个广泛使用的剂量学术语，用于描述受试者对射频能量的吸收。在磁共振成像中，sar被定义为射频能量耦合到电损耗组织的质量归一化率，并以瓦每千克(w/kg)为单位表示。mri扫描期间的sar沉积率通常以整个身体或身体部分暴露部位的平均射频功率沉积来表征。美国食品药品监督管理局(fda)和国际电工委员会(iec)均已建立sar限值，以限制各种成像模式下受试者组织中的温度升高程度。mri扫描仪需要提供估计的sar值，以确保扫描成像期间的sar值在限制范围内。
5.现有研究对于极高场磁共振成像系统提出了多种射频线圈设计方案。大多数射频线圈设计方案都是采用多通道线圈并行发射和并行接收的方法来提高线圈的发射场均匀性和和接收的信噪比。传统的多通道线圈通常采用环形线圈单元或微带型线圈单元，但其射频场均匀性较差，接收信噪比低，并且sar值控制非常困难。myung kyun woo,lance delabarre等人为代表的团队在“comparison of16-channel asymmetric sleeve antenna and dipole antenna transceiver arrays at 10.5tesla mri”杂志论文公开一种用于10.5特斯拉磁共振成像系统的16通道非对称式套筒单极子线圈，采用浮动式套筒结构，虽然可以降低sar值，但线圈调试困难，发射场均匀性较差。因此需要设计用于极高场磁共振成像的新型射频线圈，以提高极高磁场下磁共振成像系统的成像效果和使用安全性。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种用于极高场磁共振成像系统使用的多通道套筒单极子线圈及其设计方法，能够有效改善射频场的均匀性并且有效降低磁共振成像过程中的sar值。
7.为实现上述目的，本技术方案提供一种用于极高场磁共振成像的多通道套筒单极子线圈的设计方法，包括：
8.1)设计套筒单极子天线单元的结构：套筒单极子天线单元由单极子天线和固定式套筒组成，其中单极子天线采用分段式结构，断开处由电容连接；其中固定式套筒的内壁与馈电采用同轴线缆，所用同轴线缆的外导体相接且固定不动。
9.2)设定多通道套筒单极子线圈的结构：根据人体头部的尺寸范围，组成套筒单极子阵列，阵列由多个套筒单极子天线单元构成，阵列为圆形，所有的单元均匀分布在圆形阵列上，其中每个套筒单极子天线单元都由独立的同轴线缆馈电，由此构成多通道套筒单极子线圈。
10.3)获取磁共振成像系统中的多通道套筒单极子线圈的工作频率；
11.基于拉摩尔定理和磁共振成像系统中的主磁场强度确定氢核的共振频率，得到多通道套筒单极子线圈的工作频率；
12.4)根据人体头部尺寸确定套筒单极子天线单元的长度；
13.5)将多通道套筒单极子线圈的每个单极子天线单元进行分段，断开处由电容连接，确定电容值的大小，使得套筒单极子天线单元在指定的工作频率处谐振；
14.6)构建与人体头部尺寸相近的圆柱形模体，模体内部充满具有特定介电参数的水溶液，形成水模，用于多通道套筒单极子线圈的均匀性计算和评估；
15.7)将上述水模置于多通道套筒单极子线圈中心处，使用电磁仿真软件sim4life，计算得到在目标区域(水膜内部)产生的射频场分布；
16.8)基于射频场均匀性的计算方法，对目标区域射频场均匀性进行计算；
17.9)选用现有的人体数字模型duke模型，用于多通道套筒单极子线圈的sar值计算和评估；
18.11)将duke模型中的头部模型置于多通道套筒单极子线圈中心处，使用电磁仿真软件sim4life计算得到多通道套筒单极子线圈在人头模型内产生的sar值分布；
19.12)分析sar值指标，并据此评估多通道套筒单极子线圈的安全性。
20.本发明还提供一种用于极高场磁共振成像的多通道套筒单极子线圈，包括多个(可以是8个、12个、16个等等)套筒单极子天线单元以及它们所组成的圆形阵列结构，采用如上所述的用于极高场磁共振成像的多通道套筒单极子线圈的设计方法设计得到。套筒单极子天线单元由固定式套筒和单极子天线组成，其中单极子天线由同轴馈线进行馈电，它与同轴线内导体相连接，固定式套筒结构的内壁与同轴馈线的外导体相连接。多个套筒单极子天线单元组成阵列，阵列形状为圆形(套筒单极子天线单元围绕圆形均匀分布)，圆形阵列的直径由人体头部尺寸确定。多通道套筒单极子线圈包括：套筒单极子天线结构(单极子天线进行分段)、多通道套筒单极子线圈结构(多通道套筒单极子线圈阵列)、圆柱形模体、模体内部充满具有特定介电参数的水溶液形成的水模；单极子天线进行分段后断开处由电容连接。
21.与现有技术相比，本技术方案具有以下特点和有益效果：
22.1.提供了一种分段式结构的发射线圈单元结构，可以灵活调节线圈的谐振频率。具体的，本方案提供的套筒单极子天线采用分段式结构，并由多个电容连接，通过调节电容大小可以灵活调节天线的谐振频率，提高调谐效率。
23.2.提供了一种极高场下针对特定区域(人体头部)成像的多通道射频发射线圈，它的单元为套筒单极子天线。相较于传统的环阵列线圈，多通道套筒单极子线圈有着更大的垂直于主磁场的分量(波印廷矢量)，因此所产生的发射场对受试者的穿透深度更大，可大幅度提高线圈的发射效率。
24.3.提供了一种计算射频场均匀性的计算方法，可以对射频场均匀性进行更准确的评估。具体的，本方案提供的射频场均匀性计算方法，考虑到电磁仿真软件sim4life仿真计算的局限性，使用90分位法对射频场数据进行处理最终计算得到更加合理的均匀性值。
25.4.本发明提供的多通道套筒单极子线圈相比于传统的多通道线圈产生的sar值更低。本方案提供的多通道套筒单极子线圈相比传统的多通道线圈发射效率更高，因此在满足成像需求时所需要的发射功率更低，可以有效降低sar值，保护受试者安全。
附图说明
26.图1是套筒单极子天线结构示意图；
27.图中：1-馈电所用同轴线缆；2-固定式套筒结构；3-连接分段结构的电容；4-连接分段结构的电容；5-连接分段结构的电容；6-连接分段结构的电容；7-分段结构的单极子天线。
28.图2是多通道套筒单极子线圈结构示意图。
29.图3是套筒单极子天线单元的反射系数结果图。
30.图4是多通道套筒单极子线圈在纵向中心切面处的b1+场分布图。
31.图5是多通道套筒单极子线圈在人头模型中心切面处的sar值分布图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本方案提供一种用于极高场下磁共振成像的多通道套筒单极子线圈及其设计方法，利用分段式套筒单极子天线这一新型结构可以有效提高发射线圈辐射效率进而降低sar值，并提高线圈发射射频场的均匀性，从而更好满足极高场下磁共振成像技术的需要。
34.在本方案的第一实施例中，本方案提供一种用于极高场磁共振成像的多通道套筒单极子线圈的设计方法，包括以下步骤：
35.1)设计套筒单极子天线单元结构：套筒单极子天线由单极子天线和固定式套筒组成，其中单极子天线采用分段式结构，断开处由电容连接；其中固定式套筒的内壁与馈电所用同轴线缆的外导体相接且固定不动。
36.2)设定多通道套筒单极子线圈结构：根据人体头部的尺寸范围，组成套筒单极子
阵列，阵列由多个套筒单极子天线构成，其中每个单极子天线单元都由独立的同轴线缆馈电。
37.3)基于拉摩尔定理和磁共振成像磁场强度确定氢核的共振频率，得到发射线圈的工作频率；
38.4)根据人体头部尺寸确定套筒单极子天线单元长度；
39.5)将单极子天线进行分段，断开处由电容连接，确定电容值的大小使天线在指定的工作频率处谐振；
40.6)多个套筒单极子天线单元组成阵列，阵列的形状为圆形，其直径根据人体头部尺寸确定；
41.7)构建与人体头部尺寸相近的圆柱形模体，模体内部充满具有特定介电参数的水溶液，形成水模，用于多通道套筒单极子线圈的均匀性计算和评估；
42.8)将上述水模置于多通道套筒单极子线圈的阵列中心处，使用电磁仿真软件sim4life计算得到在目标区域产生的射频场分布；
43.9)基于射频场均匀性的计算方法对目标区域射频场均匀性进行计算；
44.10)选用现有的人体数字模型duke模型，用于多通道套筒单极子线圈的sar值计算和评估；
45.11)将duke模型中的头部模型置于多通道套筒单极子线圈的阵列中心处，使用电磁仿真软件sim4life计算得到多通道套筒单极子线圈在人头模型内产生的sar值分布；
46.12)分析sar值指标，并据此评估多通道套筒单极子线圈的安全性。
47.如图1所示，本方案的发射线圈单元设计为分段式套筒单极子天线结构，由单极子天线和固定式套筒组成。单极子天线为分段式结构，天线的长度设定在230mm-270mm，直径为2.4mm。与现有方案中采用的浮动式套筒不同，本方案中的套筒单极子天线采用的套筒结构是固定式套筒结构。浮动式套筒为双导体结构，它所产生的发射场是两部分发射场相叠加，会导致在中心处的叠加场均匀性较差；固定式套筒结构为单导体结构，它产生的发射场更加均匀。套筒的长度设定在70mm-90mm,直径设定在25mm-28mm。
48.在步骤1)中，本方案的单极子天线为分段式结构，断开处由电容连接。如果单极子天线分段数过多，则会增加结构复杂程度导致调谐难度增加；如果分段数过少，则会导致调谐频率范围减少，可能无法调谐至所需要的工作频率。在本实施例中，将单极子天线结构均匀分为5段，断开处由电容连接。
49.在步骤2)中，本方案的多通道套筒单极子线圈由多个(可以是8个、12个、16个等)套筒单极子天线单元构成。如果选取的天线单元数量过多，则会带来严重的单元间耦合问题，需要设计复杂的解耦合网络进行解耦；如果选取的天线单元数量过少，会导致所叠加的发射场均匀性较差。在本实施例中，选取16个套筒单极子天线组成阵列，组成多通道套筒单极子线圈，如图2所示。每个单元馈电的幅度相等，相邻单元馈电的相位相差22.5
°
。
50.在步骤3)中，根据主磁场的大小得到氢核的共振频率，这个频率就是线圈的工作频率。在本实施例中，选取14特斯拉作为极高场磁共振成像主磁场的磁场大小，根据拉莫尔定理计算得到氢核共振频率为598mhz，即为发射线圈的工作频率。
51.在步骤4)中，根据人体头部尺寸确定套筒单极子天线单元的长度。人体头部长度大多数在18cm-25cm范围内。考虑到人体头部成像的需要，线圈长度应尽可能覆盖人体头部
长度。在本实施例中，套筒单极子天线单元的长度为250mm。
52.在步骤5)中，通过设定电容的值将线圈调谐至工作频率处，并通过电磁仿真软件sim4life进行验证。在本实施例中，单极子天线被分为5段，需要四个电容进行连接，设定四个电容的值，使套筒单极子天线单元可以在指定的工作频率下谐振。最终选取的4个电容值大小均为3pf，并通过电磁仿真软件sim4life验证，得到结果如图3所示，线圈在598mhz处谐振，此时的反射系数大小为-16db，满足极高场磁共振成像要求。
53.在步骤6)中，考虑到人体头部的尺寸以及和其他磁共振成像系统中的硬件的适配性，确定圆形天线阵列合适的直径。在本实施例中，多通道套筒单极子天线单元所形成圆形阵列的直径为280mm。
54.在步骤7)中，构建与人体头部尺寸相近的圆柱形模体，模体内部充满具有特定介电参数的水溶液，形成水模，用于多通道套筒单极子线圈的均匀性计算和评估。在本实施例中，根据人体头部尺寸确定水模尺寸，根据人体头部内介电参数随频率变化特征确定水模的介电参数。具体的，考虑到对人体头部成像的需求，选取的圆柱形水模直径为20cm，高度为20cm；根据人体头部内各介质介电参数随频率的变化规律，确定水膜在598mhz处的相对介电常数为42.28，电导率为0.88s/m。
55.在步骤8)中，将上述所构建的圆柱形水模置于多通道套筒单极子线圈的阵列中心处，使用电磁仿真软件sim4life计算得到发射线圈在目标区域产生的b1+场分布。图4所示是多通道套筒单极子线圈在纵向中心切面处的b1+场分布。
56.电磁仿真软件sim4life中在对模型进行剖分网格时只能按照直角坐标系的坐标轴方向进行剖分，这会导致在对曲面、旋转面、非规则面等构成的模型剖分时产生不必要的奇异点，这是由电磁仿真软件自身算法所决定的，会导致仿真结果出现一些奇异点，影响对射频场分布均匀性的正确评估。
57.本方案中计算射频场均匀性的方法如下：
[0058][0059]
其中，hom代表均匀性，代表模值的最大值，代表模值的最小值。
[0060]
在步骤9)中，将在步骤8)中得到的b1+场数据进行整理，对数据进行处理后计算射频场的均匀性。在本实施例中，考虑到电磁仿真软件在剖分网格时的局限性，因此对数据进行后处理以消除其中的奇异点。具体的，采用90分位法对得到的b1+场数据进行处理，即消除5％的最大值和5％的最小值数据，利用剩余数据计算射频场的均匀性。这些过程均借助matlab软件计算实现，计算得到纵向中心切面(直径为180mm)的均匀性大小为50％。
[0061]
在步骤10)中，选用现有的人体数字模型duke模型，用于多通道套筒单极子线圈的sar值计算和评估。duke模型为人体数字模型，依照34岁的德国男子duke所设计，身高为1.77m，体重为70.2kg，可以在电磁仿真软件sim4life中用来模拟成年男人的介电参数等特性。在本实施例中，由于本设计方案中的多通道套筒单极子线圈用于极高场下人体头部的磁共振成像，因此选用的是duke模型中的头部模型，用于sar值的计算和评估。
[0062]
在步骤11)中，将duke模型中的头部模型置于多通道套筒单极子线圈的阵列中心
处，使用电磁仿真软件sim4life计算得到多通道套筒单极子线圈在人头模型内产生的sar值分布。图5所示是多通道套筒单极子线圈在人头模型中心切面处的sar值分布。
[0063]
在步骤12)中，通过计算得到归一化的10g峰值sar值，用于评估发射线圈的安全性。在本实施例中，在归一化功率为1w时，通过计算得到多通道套筒单极子线圈所产生的10g峰值sar值为0.2347w/kg。10g峰值sar为任意10g组织内sar值平均值的最大值。myung kyun woo,lance delabarre等人为代表的团队在“comparison of 16-channel asymmetric sleeve antenna and dipole antenna transceiver arrays at 10.5tesla mri”杂志论文公开的用于10.5特斯拉磁共振成像系统的16通道非对称式套筒单极子线圈所产生的10g峰值sar值为0.31w/kg(归一化1w功率)，大于本设计方案中多通道套筒单极子线圈产生的10g峰值sar值，表明本发明发射线圈的安全性更好。
[0064]
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。