CN105891750A

CN105891750A - 一种高场mri鸟笼线圈

Info

Publication number: CN105891750A
Application number: CN201610503964.7A
Authority: CN
Inventors: 车向前; 边莉; 王赫
Original assignee: Heilongjiang University of Science and Technology
Current assignee: Heilongjiang University of Science and Technology
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2036-06-30
Also published as: CN105891750B

Abstract

本发明公开了一种高场MRI鸟笼线圈，包括分别位于其上端和下端的两个结构相同的金属圆环，两个金属圆环之间通过位于竖直方向的多个由金属材料制成的圆柱形通道连接，该多个圆柱形通道将上端的金属圆环以及下端的金属圆环等分成多个部分；其中每个圆柱形通道从其中部分开为上、下两部分，该两部分之间通过电容器件电连接；该高场MRI鸟笼线圈还包括一罩在金属圆环及圆柱形通道外侧面的用于屏蔽作用的由绕成筒状的射频线圈构成的外层金属罩。本发明提供了一个参数性能良好，为高场(7T)磁共振成像系统提供8通道鸟笼线圈，提高了生成图像的分辨率，满足了目前对磁共振技术成像的要求。

Description

一种高场MRI鸟笼线圈

技术领域

本发明属于磁共振技术领域，具体涉及一种高场MRI鸟笼线圈。

背景技术

医学领域对磁共振技术的需求，催生了鸟笼线圈。随着磁共振成像技术的不断进步，鸟笼线圈及相关介质材料的市场规模急剧上升。鸟笼线圈已广泛应用于医学、生物医学等领域。但现有技术中的鸟笼线圈存在空间分辨率低的缺点，造成生成的图像分辨率低。随着鸟笼线圈的工作频率的进一步提高，成像的空间分辨率和图像信噪比的增大使磁共振成像技术得以显著提升。

鸟笼线圈在医学中广泛应用，如为患者查肺部的病灶，鸟笼线圈使病人出现的病灶图像生成速度更快和图像更加清晰。

早在1946年，来自斯坦福大学和麻省理工大学的布洛赫，来自哈佛大学的汉森和帕卡德和珀塞尔托里，就对磁共振信号进行研究。在国内，经过20多年的发展,磁共振成像已经成为临床医学影像学检查最重要的手段之一,但缩短采集时间仍然是磁共振成像研究的重要问题之一。最近10年,成像速度的提高主要依赖于多通道线圈采集技术的出现和并行成像算法的发展。到目前为止，人们不断提出线圈，例如出现正交鸟笼式谐腔线圈等等。

随着磁共振成像技术的快速发展，用于磁共振成像的场强的不断提高，高场MRI的鸟笼线圈使磁共振成像技术发挥了优势。在磁共振成像系统中，鸟笼线圈的性能将影响整个系统成像的质量。

目前，实际磁共振成像技术的要求越来越高，应用范围越来越广，对鸟笼线圈的研究也在进行：鸟笼线圈的研究一方面向着更高磁通量、更高拉莫尔频率的方向发展，另一方面一些人也在研究所采用高通道的鸟笼线圈问题。实际应用中，低通道、低场MRI鸟笼线圈已经满足不了人们对成像技术的要求，高通道和高场MRI鸟笼线圈才能够达到成像空间分辨率高等优点。

目前，随着技术的发展，人们开始着手研究高场MRI鸟笼线圈。因为高场MRI鸟笼线圈具有成像空间分辨率高的特点。但实际上目前本领域中不能达到场强太高的要求。临床已经应用了3T磁通量的鸟笼线圈，用其进行检查人体器官的健康程度。目前，临床上1.5T和3T MRI已经比较普遍，而像高场的7TMRI系统是临床的一个研究热点。因为7T鸟笼线圈具有成像参数多，任意方向直接切层成像能力，具有良好的分辨率和成像视野等优点。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中存在的低场MRI成像鸟笼线圈的成像速度和分辨率不能达到要求的问题，提供一种参数性能良好，为磁共振成像技术能够提供技术保障的高场(7T)8通道鸟笼线圈，以提高生成图像的分辨率，从而满足目前对磁共振技术成像的要求。

本发明的技术方案是：一种高场MRI鸟笼线圈，该高场MRI鸟笼线圈包括分别位于其上端和下端的两个结构相同的金属圆环，两个金属圆环之间通过位于竖直方向的多个由金属材料制成的圆柱形通道连接，所述的多个圆柱形通道将上端的金属圆环以及下端的金属圆环等分成多个部分；其中每个圆柱形通道从其中部分开为上、下两部分，该两部分之间通过电容器件电连接；所述高场MRI鸟笼线圈还包括一罩在所述金属圆环及圆柱形通道外侧面的用于屏蔽作用的外层金属罩，所述外层金属罩由绕成筒状的射频线圈构成。

较佳地，所述金属圆环为单层线圈结构，其与外层金属罩采用同种金属材料；所述金属圆环的内半径为9cm，外半径为9.2cm。

较佳地，所述的圆柱形通道为实心棒状体，所述圆柱形通道的数量为8、12或24个。

较佳地，所述的圆柱形通道的数量为8个，所述圆柱形通道的通道半径为0.25cm，通道长度为19cm；每个圆柱形通道上连接的电容器件的电容值大小为1pf；其中电容器件的一个电极与圆柱形通道的上半部分的下端电连接，电容器件的另一个电极与圆柱形通道的下半部分的上端电连接。

较佳地，所述射频线圈的半径为10cm，高度为20cm。

较佳地，该高场MRI鸟笼线圈还包括用于测试其参数的端口，所述端口采用离散端口，所述离散端口由具有内阻的电流源组成；所述端口将金属圆环和外层金属罩相连进行馈电。

较佳地，该高场MRI鸟笼线圈的高度为19.6cm～20.8cm，其圆柱形通道的长度为19cm～21cm。

较佳地，所述电容器件为调谐电容。

较佳地，所述调谐电容采用耐高压的RF贴片电容。

较佳地，所述金属材料是铜。

本发明的有益效果：本发明克服了现有技术中存在的低场MRI成像鸟笼线圈的成像速度和分辨率不能达到要求的问题，提供了一种参数性能良好，为磁共振成像技术能够提供技术保障的高场(7T)8通道鸟笼线圈，提高了生成图像的分辨率，从而满足了目前对磁共振技术成像的要求。此外，本发明的7T鸟笼线圈也可用于8通道、12通道以及24通道鸟笼线圈的设计。只是改变输入电容器值的大小，同样可以达到拉莫尔频率为298.2MHz时增益效果最好。但鸟笼线圈的柱形高度的尺寸在19.6cm到20.8cm，拉莫尔频率范围在290MHz到305MHz均可适用，只是在当前给出的尺寸时，达到增益效果最好。

附图说明

图1为本发明的高场MRI鸟笼线圈不带外层金属罩时的结构示意图；

图2是S11(反射系数)参数图像；

图3低通鸟笼线圈等效电路图。

附图标记说明：1、金属圆环；2、圆柱形通道；3、电容器件。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

随着磁共振技术的发展，一种新型的影像检查技术核磁共振成像(MRI)现阶段被广泛应用于医疗、核物理等领域。实际成像技术的要求越来越高，低场MRI成像已不能达到要求，对线圈的研究也在追求新的突破，其中在磁共振成像技术中高场MRI和鸟笼线圈被广泛应用。

本发明公开了拉莫尔频率在298.2MHz磁通量7T的一种高场鸟笼线圈8通道的结构、设计方法及测试过程，首先根据所研究的尺寸进行计算鸟笼线圈的参数，再通过鸟笼线圈的基本模型建立鸟笼线圈的圆柱形外框，最后根据8通道添加鸟笼线圈腿及电容参数的个数。

参见图1，本发明公开了一种高场MRI鸟笼线圈(射频线圈)，该高场MRI鸟笼线圈包括分别位于其上端和下端的两个结构相同的金属圆环1，两个金属圆环1之间通过位于竖直方向的多个由金属材料制成的圆柱形通道2连接，所述的多个圆柱形通道2将上端的金属圆环1以及下端的金属圆环1等分成多个部分；其中每个圆柱形通道2从其中部分开为上、下两部分，该两部分之间通过电容器件3电连接；所述高场MRI鸟笼线圈还包括一罩在所述金属圆环1及圆柱形通道2外侧面的用于屏蔽作用的外层金属罩，所述外层金属罩由绕成筒状的射频线圈构成。本实施例包括线圈电路(包括金属圆环及圆柱形通道)，具有圆柱形屏蔽作用的线圈外壳(外层金属罩)。其中金属圆环及圆柱形通道主要安装到圆筒形的线圈外壳中，线圈电路为鸟笼线圈结构，线圈电路贴附在线圈外壳内。线圈外壳(外层金属罩)的屏蔽作为系统的一个活性部分，在内部导线给电流提供一个返回路径。且屏蔽为圆筒形，圆通型的半径选用10cm。在鸟笼式线圈中，屏蔽是一个和内部元件断开的单独实体，只对线圈内部产生影响以防过度辐射损耗。内部导线和邻近导线相连，期中导线采用金属材料，外层金属罩和通道的导线均采用同种金属材料，例如采用金属铜。鸟笼线圈的电路结构包括位于其上端和下端的两个结构相同的金属圆环，金属圆环的半径为9cm。两个金属圆环之间通过位于竖直方向的多个由金属材料制成的圆柱形通道连接，所述的多个圆柱形通道将上端的金属圆环以及下端的金属圆环等分成多个部分；其中通道与金属圆环直接相连。其中每个圆柱形通道从中间部分开为上、下两部分，该两部分之间连接电容器件。并且这八个通道的位置均匀等距的分布，且通道与金属圆环的连接处均匀等距的分布在圆环上。具体鸟笼线圈的原理图如图1所示。

进一步地，所述金属圆环1为单层线圈结构，其与外层金属罩采用同种金属材料；所述金属圆环1的内半径为9cm，外半径为9.2cm。

进一步地，所述的圆柱形通道2为实心棒状体，所述圆柱形通道2的数量为8、12或24个。

进一步地，所述的圆柱形通道2的数量为8个，为了获得较好的B1场的均匀性，采用8通道结构，调谐电容采用耐高压的RF专用贴片电容更好，因为可以有效地改善了线圈的Q值，增加线圈的可靠性。8通道线圈能够明显提高图像的信噪比、对比度，保持良好的图像技术。系统的通道数是指含有将磁共振信号转化为图像信号的数据处理单元数量，线圈的通道数是指含有线圈单元的数量。所述圆柱形通道2的通道半径为0.25cm，通道长度为19cm；每个圆柱形通道2上连接的电容器件3的电容值大小为1pf；其中电容器件3的一个电极与圆柱形通道2的上半部分的下端电连接，电容器件3的另一个电极与圆柱形通道2的下半部分的上端电连接。电容器的长度不包含在上述所述圆柱形通道长度里，每个通道在其中部添加电容器，这样8个通道就有八个电容器。本实施例的鸟笼线圈调谐电容数量少、容量更小，有助于降低成本，增加线圈的可靠性。

进一步地，所述射频线圈的半径为10cm，高度为20cm。

进一步地，该高场MRI鸟笼线圈还包括用于测试其参数的端口，所述端口采用离散端口，所述离散端口由具有内阻的电流源组成；所述端口将金属圆环1和外层金属罩相连进行馈电。所述端口采用的是Discrete Port(离散端口)端口，端口设置于结构模型内部。本实施例是设置端口位置从鸟笼线圈圆环结构指向外层金属罩，电容器的长度不包含在通道里，一个通道在其中部添加电容器，这样8个通道就有八个电容器。

进一步地，该高场MRI鸟笼线圈的高度为19.6cm～20.8cm，其圆柱形通道2的长度为19cm～21cm。

进一步地，所述电容器件3为调谐电容。

进一步地，所述调谐电容采用耐高压的RF贴片电容。

进一步地，所述金属材料是铜。

根据上述参数，具体对鸟笼线圈进行建模和仿真；本发明的端口为波导端口是根据入射波功率和反射波功率来进行求解计算的，对每个波导端口而言，在计算求解工程中，都将记录S参数(时域信号用于时域仿真)，实际上，端口可以被连接到结构中的纵向均匀波导代替。在仿真前，至少需要一个激励源，本发明采用的激励源为Discrete Port对结构进行馈电。端口连接方式为一端与金属圆环连接，一端与屏蔽(外层金属罩)相连，进行馈电。

以下为本发明的具体实现过程：

1、设计模型

该高场MRI鸟笼线圈的设计是通过要扫描的对象(比如头部、手臂或全身)的尺寸来确定线圈的尺寸，确定了尺寸之后，再通过线圈上的电容调谐振。所设计的鸟笼线圈的具体尺寸包括外层金属罩的射频线圈半径，具体设为10cm；金属罩的柱形长度，具体设为20cm；鸟笼线圈的线圈半径，选择8个通道，并计算8个通道的具体位置，以及通道中要添加电容器件。根据上述尺寸的选取，可计算出电容的大小为1pf；具体是使用现有技术的BirdcageBuilder软件设计程序，将所要设计的鸟笼线圈的参数(射频线圈的半径，通道个数，通道长度)输入到该软件设计程序中，可得出所需电容器件的大小。完成用于磁通量为7T的8通道高场MRI鸟笼线圈设计，使用CST软件进行模型的建立。首先选用Cu(铜)为介质材料，建立外层金属罩的模型，尺寸为射频线圈半径为10cm，线圈半径为9cm，长度为20cm进行建立外层金属罩的模型以及上下线圈模型的距离。接下来，对8个通道进行建模设计，采用上下两侧分别设计8个圆柱形通道，其通道的半径为0.25cm，通道选取长度为9.5cm。且分居上下两侧的各8个通道的位置是对称分布的，通道与线圈模型相连接。接下来，在上下两侧的通道之间安装电容器件，电容的大小为1pf输入进去。最后在金属罩与鸟笼线圈之间添加一个端口。

这种高场MRI鸟笼线圈外层罩以及鸟笼线圈采用Cu为其介质材料。这八个通道都是对称的结构。本设计的7T鸟笼线圈也可用于8通道、12通道以及24通道鸟笼线圈的设计。只是改变输入电容器值的大小，同样可以达到拉莫尔频率达到298.2MHz时增益效果最好。但鸟笼线圈的柱形高度的尺寸在19.6cm到20.8cm，通道长度控制在19cm到21cm之间，拉莫尔频率范围在290MHz到305MHz均可适用，只是在当前给出的尺寸时，达到增益效果最好。

2、模型建立

2.1参数要求：

鸟笼线圈参数：介质材料选用Cu，线圈采用低通8通道的设计。线圈半径为9cm，射频区域半径为10cm，通道长为20cm，通道直径为0.5cm，其中拉莫尔频率为298.2MHz。

2.2鸟笼线圈模型计算

进动的频率取决于外加主磁场的磁场强度，磁场强度较强时，其进动频率较高，相对应磁场强度的进动频率也称为Lamor(拉莫)频率。

Lamor方程表示：

W₀＝γB₀

本发明设计的是7T的鸟笼线圈，利用拉莫尔进行方程计算出频率为298.2MHz。

使用BirdcageBuilder设计软件将参数大小输入可计算出容性阻抗值。

2.3模型建立与仿真

通过设计工具软件，本发明的模型建立与仿真步骤如下，：

(1)在“Microwave&RF”类中，选择Antenna，按下一步选择planner，下一步选择尺寸单位为cm，频率单位为MHz进行建模。

(2)选择Working Plane Properties输入尺寸为200

(3)进行建立鸟笼线圈中的上下两个圆环线圈，选择Modeling中的Torus设置内外半径尺寸，同理设置另一个圆环线圈。选择Modeling中的cylinder设置通道模型的半径及长度等尺寸，同理设计其它通道尺寸。

(4)选择Simulation中的Lumped Element设置容性阻抗参数值，并添加到通道模型中去。同理，设置其它七个容性阻抗。

(5)在鸟笼线圈模型外添加包围其的外层金属罩，选择Modeling中的Cylinder设置金属罩的尺寸。

(6)在金属罩与鸟笼线圈之间设置端口，选择Simulation中的DiscretePort设置Port1

(7)完成鸟笼线圈模型的建模；

(8)选择Simulation中的Start Simulation进行仿真运行。高场MRI鸟笼线圈模型建立完成。

3.仿真及结果分析

3.1仿真平台

仿真软件使用CST软件，CST软件(Computer Simulation Technology)是一款现有技术的三维全波电磁场仿真软件。该软件是面向3D电磁场设计的一款最精准和有效的三维全波电磁场仿真工具。其共包括七个工作室子软件，提供完整的系统级和部件级的数值仿真分析。软件覆盖整个电磁频段，提供完备的时域和频率全波计算。典型应用包含电磁温度协同和高低频协同仿真等，而本发明就是基于CST软件中的天线/RCS仿真。

CST MICROWAVE STUDIO集成有七个时域和频域全波算法：时域有限积分、频域有限积分、频域有限元、模式降阶、矩量法、多层快速多极子、本征模。支持TL和MOR SPICE提取；支持各类二维和三维格式的导入甚至HFSS格式；支持PBA六面体网格、四面体网格和表面三角网格；内嵌EMC国际标准，通过FCC认可的SAR计算。本发明提供的鸟笼线圈就是使用CST软件进行仿真建模生成六面体网格和四面体网格，仿真出S参数值。

3.2反射系数比较分析

在建模运行之后，可以在1D result中找到S参数(S11)图像结果图。数据显示窗口显示出S11参数随频率的变化曲线，在中心频率298.2MHz的反射系数S11参数值如图2所示

由曲线可知在中心频率298.2MHz，反射系数S11参数为-17.419dB，完全满足设计要求。

综上所述，本发明提供的高场MRI鸟笼线圈，是MRI系统中永磁铁的磁场达到高场(7T)时，为了扫描人体某些器官，所佩戴的线圈。该鸟笼线圈的等效电路就是图3的低通谐振电路，鸟笼线圈的通道个数通俗的就是指图3中电路圈儿的个数，8通道就是8个圈儿，通道个数越多，后期MRI成像的分辨率越高。本发明克服了现有技术中存在的低场MRI成像鸟笼线圈的成像速度和分辨率不能达到要求的问题，提供了一种参数性能良好，为磁共振成像技术能够提供技术保障的高场(7T)8通道鸟笼线圈，提高了生成图像的分辨率和成像速度，从而满足了目前对磁共振技术成像的要求。此外，本发明的7T鸟笼线圈也可用于8通道、12通道以及24通道鸟笼线圈的设计。只是改变输入电容器值的大小，同样可以达到拉莫尔频率达到298.2MHz时增益效果最好。但鸟笼线圈的柱形高度的尺寸在19.6cm到20.8cm，拉莫尔频率范围在290MHz到305MHz均可适用，只是在当前给出的尺寸时，达到增益效果最好，成像速度最快等效果。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种高场MRI鸟笼线圈，其特征在于，该高场MRI鸟笼线圈包括分别位于其上端和下端的两个结构相同的金属圆环(1)，两个金属圆环(1)之间通过位于竖直方向的多个由金属材料制成的圆柱形通道(2)连接，所述的多个圆柱形通道(2)将上端的金属圆环(1)以及下端的金属圆环(1)等分成多个部分；其中每个圆柱形通道(2)从其中部分开为上、下两部分，该两部分之间通过电容器件(3)电连接；所述高场MRI鸟笼线圈还包括一罩在所述金属圆环(1)及圆柱形通道(2)外侧面的用于屏蔽作用的外层金属罩，所述外层金属罩由绕成筒状的射频线圈构成。

2.如权利要求1所述的一种高场MRI鸟笼线圈，其特征在于，所述金属圆环(1)为单层线圈结构，其与外层金属罩采用同种金属材料；所述金属圆环(1)的内半径为9cm，外半径为9.2cm。

3.如权利要求1所述的一种高场MRI鸟笼线圈，其特征在于，所述的圆柱形通道(2)为实心棒状体，所述圆柱形通道(2)的数量为8、12或24个。

4.如权利要求3所述的一种高场MRI鸟笼线圈，其特征在于，所述的圆柱形通道(2)的数量为8个，所述圆柱形通道(2)的通道半径为0.25cm，通道长度为19cm；每个圆柱形通道(2)上连接的电容器件(3)的电容值大小为1pf；其中电容器件(3)的一个电极与圆柱形通道(2)的上半部分的下端电连接，电容器件(3)的另一个电极与圆柱形通道(2)的下半部分的上端电连接。

5.如权利要求1所述的一种高场MRI鸟笼线圈，其特征在于，所述射频线圈的半径为10cm，高度为20cm。

6.如权利要求1所述的一种高场MRI鸟笼线圈，其特征在于，该高场MRI鸟笼线圈还包括用于测试其参数的端口，所述端口采用离散端口，所述离散端口由具有内阻的电流源组成；所述端口将金属圆环(1)和外层金属罩相连进行馈电。

7.如权利要求1所述的一种高场MRI鸟笼线圈，其特征在于，该高场MRI鸟笼线圈的高度为19.6cm～20.8cm，其圆柱形通道(2)的长度为19cm～21cm。

8.如权利要求1所述的一种高场MRI鸟笼线圈，其特征在于，所述电容器件(3)为调谐电容。

9.如权利要求8所述的一种高场MRI鸟笼线圈，其特征在于，所述调谐电容采用耐高压的RF贴片电容。

10.如权利要求1或2所述的一种高场MRI鸟笼线圈，其特征在于，所述金属材料是铜。