CN107064839B - 一种基于分形复合左/右手微带线的磁共振成像射频线圈 - Google Patents
一种基于分形复合左/右手微带线的磁共振成像射频线圈 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种分形复合左/右手微带线的磁共振成像射频线圈，其中每个射频通道由H分形结构复合左/右手微带设计，包括：介质基板、接地板、金属贴片，所述接地板位于介质基板的背面，金属贴片设于介质基板的正面。所述金属贴片由第一低阻抗微带、第一高阻抗微带、第二高阻抗微带、第二低阻抗微带，高低阻抗微带通过第一非磁性贴片电容连接，形成以第二非磁性贴片电容为中心对称分布的复合左/右手微带线结构。复合左/右手微带线设计对于提高感兴趣区域成像信噪比提供了一种新的设计方法，而H分形结构可以进一步提高感兴趣区域的磁场均匀性。该设计可以在乳房线圈、头部线圈、颈部线圈、膝盖线圈等射频线圈中运用，使得磁共振图像更加清晰。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振成像技术领域，涉及一种基于分形复合左/右手微带 线的射频线圈，更具体地说是一种为提高磁共振成像射频线圈中磁场强度和 均匀性的基于分形复合左/右手微带线的磁共振成像射频线圈。
背景技术
作为一种新型医学成像手段，磁共振成像技术在临床医学上和疾病诊断 中具有很大的优越性，尤其是在面向阿尔茨海默症和帕金森症等功能退化性 疾病的应用中。磁共振成像的基本原理是将人体置于特殊编码的强磁场中， 用无线电射频脉冲激发人体氢原子核，使人体氢原子核(1H)吸收并存储能 量。当停止无线电射频脉冲后，人体氢原子核(1H)按特定的激发频率释放 出无线电射频信号，并将存储的能量释放出来，被射频线圈所探测接收，然 后经过电子计算机的分析处理，从而获得幅度或者相位图像。由于磁共振成 像设备采集的射频信号非常微弱，极易受到外界噪声的干扰。因此，提高信 噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)是磁共振成像的首要任务之一。
提高磁共振成像信噪比的方法和手段有很多，包括但不局限于提高磁共 振主线圈的磁场强度，降低被检测对象中氢原子核(1H)的环境温度等等。 而射频线圈是磁共振成像系统的核心部件之一，在激发模式下需要产生均匀 的射频磁场来驱动人体氢原子核，在接收模式下需要以灵敏地探测接收感兴 趣区域的磁共振信号。所以，研究和发展射频线圈技术是当前磁共振成像领 域的研究热点之一。
磁共振成像射频线圈通常是由导体单元制成，在起到磁共振激发射频信 号的同时，又起到接收人体氢原子核(1H)射频信号的作用。类似于无线电 天线的功能但又不同于无线电天线，磁共振成像射频线圈采用的是近场驻波 耦合的方式进行工作。在高场磁共振中(1.5T、3.0T、4.7T、7.0T等)通常 采用微带阵列结构设计射频线圈，即在射频线圈的一面附上金属薄层作为接 地板，在射频线圈的另一面用光刻腐蚀等工艺做出一定形状的金属贴片，而 将中间层作为薄介质基板(通常为FR-4、Teflon、罗杰斯材料等)。
复合左/右手微带作为人工电磁材料的传输线实现形式，当电磁波在该 传输线中传播时，在某个频率范围呈现“左手特性”，而在其它频率范围内 呈现“右手特性”。因此，复合左/右手在制作宽频段、低损耗性能微波器件 方面有着广泛的应用潜力。本发明设计的复合左/右手微带线实际上是一种 快波设计结构，这种结构的空间波动性变小，在特定物理尺寸下相位变化很 小，这种快波结构设计的磁共振射频微带线圈在近场的成像区域有良好的辐 射特性，这也是能够改善射频线圈磁场分布均匀性的原因。H分形结构的复 合左/右手微带线可以增强横断面上的磁场分布，这样的设计可以进一步提 高磁共振成像射频区域磁场分布的均匀性。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处提供了一种基于分形 复合左/右手微带线的磁共振成像射频线圈，以期在沿射频线圈长轴方向产 生尽量均匀的磁场，同时在横断面上产生尽量均匀的磁场，并且在感兴趣的 区域中，任意一点都尽量以相同的增益接收人体氢原子核的射频信号。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明提供了一种基于分形复合左/右手微带线的磁共振成像射频线 圈，所述磁共振成像射频线圈由多通道微带线组成，
单个通道微带线包括介质基板、接地板和金属贴片，所述接地板位于介 质基板的背面，金属贴片设于介质基板的正面；所述金属贴片至少包括第一 低阻抗微带、第一高阻抗微带、第二高阻抗微带和第二低阻抗微带，
按照将高低阻抗微带通过第一非磁性贴片电容连接的方式来形成以第 二非磁性贴片电容的竖直中心线轴对称分布的复合左/右手微带线结构；
所述第一低阻抗微带和所述第二低阻抗微带上分别对称布置有两个第 一非磁性贴片电感，所述第一高阻抗微带和所述第二高阻抗微带上分别对称 布置有两个第二非磁性贴片电感，高低阻抗微带分别通过非磁性贴片电感过 孔接地；其中设置于所述低阻抗微带的第一非磁性贴片电感和设置于所述高 阻抗微带的第二非磁性贴片电感按照以第二非磁性贴片电容的竖直中心线 轴对称的方式布置；通过第二非磁性贴片电容连接的第一高阻抗微带和第二 高阻抗微带上的四个第二非磁性贴片电感对称接触形成矩形结构。
所述第一高阻抗微带和第二高阻抗微带分别包括两个H分形结构微带， 所述两个H分形结构微带对称设于第一高阻抗微带或第二高阻抗微带的两 侧并以高阻抗微带的水平中心线为轴线对称排布。
根据本发明的一种优选实施方式，所述高阻抗微带至少包括第一高阻抗 微带和第二高阻抗微带。
根据本发明的一种优选实施方式，所述第一高阻抗微带和第二高阻抗微 带之间还设置有扩展单元，所述扩展单元为一个或多个高阻抗微带；所述多 个高阻抗微带之间通过所述第二非磁性贴片电容连接。
根据本发明的一种优选实施方式，所述金属贴片采用覆铜工艺腐刻在介 质基板的正面，所述金属贴片为铜材料或其它非磁性良导体材料，所述金属 贴片的厚度为0.35μm。
根据本发明的一种优选实施方式，所述多通道微带线排布成圆柱面、抛 物面或半球面状，所述高阻抗微带在长轴方向长度是所述高阻抗微带宽度的 4～8倍。
根据本发明的一种优选实施方式，所述介质基板(1)的高度h为13mm， 长L为140mm，宽W为46mm。
根据本发明的一种优选实施方式，所述H分形结构包括第一竖边、横边 及第二竖边；所述第一竖边的长和宽分别为6mm和2.5mm，所述横边的长 和宽分别为12mm和1.5mm，所述第二竖边的长和宽分别为8mm和 1.5mm。
根据本发明的一种优选实施方式，所述非磁性贴片电容值和非磁性贴片 电感值分别为16.6pF和15.0nH。
本发明还提供了一种制造基于分形复合左/右手微带线的磁共振成像射 频线圈的方法，所述磁共振成像射频线圈由多通道微带线组成，
按照下述公式计算确定多通道微带线的串联谐振频率ωse、并联谐振频率 ωsh、传播常数β和折射率n并据此确定多通道微带线的结构，其中：
所述串联谐振频率ωse和所述并联谐振频率ωsh是如下计算的：
其中跃迁频率计算公式为：
其中， C′L、L′L、C′R、L′R为分布电感和电容；
传播常数β和折射率n公式分别为
其中，平衡结构要求ωse＝ωsh，所以L′LC′R＝L′RC′L。
根据一种优选实施方式，单个通道微带线包括介质基板、接地板和金属 贴片，所述接地板位于介质基板的背面，金属贴片设于介质基板的正面；所 述金属贴片至少包括第一低阻抗微带、第一高阻抗微带、第二高阻抗微带和 第二低阻抗微带，
按照将高低阻抗微带分别通过第一非磁性贴片电容连接的方式来形成 以第二非磁性贴片电容的竖直中心线轴对称分布的复合左/右手微带线结 构；
所述第一高阻抗微带和第二高阻抗微带分别包括两个H分形结构微带， 所述两个H分形结构微带对称设于第一高阻抗微带或第二高阻抗微带的两 侧并以高阻抗微带的水平中心线为轴线对称排布。
根据本发明的一种优选实施方式，所述第一高阻抗微带和第二高阻抗微 带之间还设置有扩展单元，所述扩展单元为一个或多个高阻抗微带；所述多 个高阻抗微带之间通过所述第二非磁性贴片电容连接。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、采用本发明结构，将分形复合左/右手应用于磁共振成像射频线圈的 设计，由于复合左/右手微带线是一种快波设计的零阶谐振结构，在磁共振 成像长轴方向(矢状面)区域具有良好的磁场均匀性，使磁共振成像图像更 加清晰。分形结构可以进一步在提高横轴方向(横断面)区域磁场均匀性， 进一步提高磁共振成像图像质量。
2、本发明还扩展了分形复合左/右手微带结构，通过扩展结构，可以使 分形复合左/右手微带射频线圈应用于不同磁共振成像平台；通过扩展结构， 还可以使分形复合左/右手微带射频线圈应用于不同人体部位磁共振射频线 圈。
更进一步地说，所述分形复合左/右手微带线的H分形结构的高阻抗部 分单元不仅仅局限于2个，也可以是1个、3个或3个以上。
更进一步地说，复合左/右手微带线的分形结构不仅仅局限于H分形结 构，也可以是Koch分形或其它分形结构。
更进一步地说，分形复合左/右手微带线的分形部分不仅仅局限于一阶， 也可以是二阶或二阶以上。
附图说明
图1是分形复合左/右手微带线结构射频线圈单元的俯视图；
图2是由4个分形部分组成的复合左/右手微带线结构射频线圈单元的 俯视图；
图3是传统微带线(MTL)、H分形结构微带线(H-MTL)及H分形复合左/ 右手微带线(CRLH-MTL)工作频率；
图4是仿真的(4A)传统微带线、(4B)H分形结构微带线及(4C)H 分形复合左/右手微带线的表面电流分布；
图5是H分形复合左/右手微带线射频线圈上横面X＝40mm、30mm、 20mm、10mm、-10mm、-20mm、-30mm、-40mm截面上的磁场分布示 意图。；
图6是H分形结构示意图；和
图7是CRLH-MTL理想等效电路模型。
附图标记列表
1：介质基板 2：接地板 3：金属贴片
31：第一低阻抗微带 32：第一高阻抗微带 33：第二高阻抗微带
34：第二低阻抗微带 35：H分形结构微带 351：第一竖边
352：横边 353：第二竖边 321：第三高阻抗微带
322：第四高阻抗微带 4：第一非磁性贴片电容 5：第二非磁性贴片电容
6：第一非磁性贴片电感 7：第二非磁性贴片电感
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明。
如图1所示，本发明是基于分形结构的复合左/右手微带射频线圈，射 频线圈由多通道组成。多通道微带线圈可以是排布成抛物面的乳房射频线 圈，也可以是组成圆柱状头部线圈、颈部线圈、膝盖线圈以及体线圈等。单 个通道微带线包括介质基板1、接地板2和金属贴片3，接地板2位于介质 基板1的背面，金属贴片3设于介质基板1的正面。金属贴片3由第一低 阻抗微带31、第一高阻抗微带32、第二高阻抗微带33和第二低阻抗微带 34，高低阻抗微带通过第一非磁性贴片电容4连接，形成以第二非磁性贴片 电容5为中心对称分布的复合左/右手微带线结构。第一高阻抗微带32和第 二高阻抗微带33分别包括两个对称设置的H分形结构微带35，H分形结 构微带35设于高阻抗微带两侧并以高阻抗微带的水平中心线为轴线对称排 布。
附图1中给出了单通道分形复合左/右手微带射频线圈的示意图。
如图1所示，介质基板1为Teflon材料介质基板，但不局限于Teflon 材料，也可以是FR-4材料、罗杰斯材料等。介质基板高度h为13mm,长L 为140mm，宽W为46mm。金属贴片3采用覆铜工艺腐刻在介质基板1 的正面，金属贴片3为铜材料或其它非磁性良导体材料，金属贴片3金属层 厚度为0.35μm。高阻抗微带线长轴方向宽度是高阻抗微带线宽度的4-8倍。如图6所示，H分形结构35包括第一竖边351、横边352及第二竖边353。 所述第一竖边351的长和宽分别为6mm和2.5mm，横边352的长和宽分 别为12mm和1.5mm，第二竖边353的长和宽分别为8mm和1.5mm。H 分形结构也可以是Koch分形或其它分形结构。非磁性贴片电容值和非磁性 贴片电感值分别为16.6pF和15.0nH。
如图2所示，高阻抗辐射贴片由4个H分形辐射贴片组成，H分形结 构复合左/右手微带线高阻抗部分是可扩展的周期性结构，具体H分形辐射 贴片个数根据具体的射频线圈种类和大小来确定。参考图2，其中扩展单元 为2个高阻抗微带，即第三高阻抗微带321和第四高阻抗微带322，所述 高阻抗微带之间通过第二非磁性贴片电容5进行连接，并且每个扩展单元的 高阻抗微带设置有4个第二非磁性贴片电感7，并按照高阻抗微带的第二非 磁性电感之间接触连接形成矩形结构的方式布置。
如图3所示，通过高频电磁仿真HFSS对传统微带线(MTL)、H分形结 构微带线(H-MTL)及H分形复合左/右手微带线(CRLH-MTL)三种结果仿真， 确定中心频率(flarmor＝200MHz)反射系数(S11)均低于-10dB，并且都有 大约2MHz的带宽，满足磁共振射频带宽(几十KHz)的要求。其中200MHz 的中心频率是4.7T磁共振平台氢原子核(1H)的拉莫尔进动频率。
如图4所示，经过图3对三种结构的中心工作频率的仿真，保证在同等 条件下，(4A)传统微带线、(4B)H分形结构微带线及(4C)H分形复合左/ 右手微带线仿真的工作在4.7T磁共振拉莫尔进动频率200MHz下辐射贴片 表面的电流分布。通过比较表面电流分布(通过高频电磁仿真HFSS获得)， 可以得出H分形复合左/右手结构设计可以有效提高磁场空间分布均匀性， 这种优势可以体现在磁共振成像区域得到更加均匀的射频场，从而提高磁共 振成像质量。
如图5所示，H分形复合左/右手微带射频线圈上X＝40mm、30mm、 20mm、10mm、-10mm、-20mm、-30mm、-40mm截面上的磁场分布示 意图。
图6示出了H分形结构示意图，所述H分形结构包括第一竖边351、 横边352及第二竖边353；其中第一竖边351其沿A轴方向的长度为6mm， 沿B轴方向的宽度为2.5mm；横边352其沿A轴方向的宽度为1.5mm，沿 B轴方向的长度为15mm；第二竖边353沿A轴方向的宽度为8mm，沿B 轴方向的长度为1.5mm。
根据图7所示的模型，串联谐振频率ωse和并联谐振频率ωsh分别为
这里的跃迁频率计算公式为：
其中C′L、L′L、C′R、L′R为分布电感和电容。
传播常数β和折射率n公式分别为
其中平衡结构要求ωse＝ωsh，所以L′LC′R＝L′RC′L。
一段微分长度为Δz的均匀理想复合左/右手传输线的等效电路模型如图 7所示，图中的C’L、L’L、C’R、L’R分别为单位长度的分布电感、电容， 其中定义如下：
C’L为双导线单位长度的串联电容，单位为F·m；
L’L为单位长度的并联电感，单位为H·m；
C’R为双导线单位长度的并联电容，单位为F/m；
L’R为单位长度的串联电感，单位为H/m。
磁共振成像射频线圈的设计要求主要包括：
1)射频线圈的工作频率必须与磁共振成像相应的拉莫尔进动频率一致： 就人体氢原子核(1H)而言，在室温条件下，其定量关系为fLarmor＝γ·(B0+B1)， 这里的B0为磁共振成像平台的主磁场强度，B1为梯度场的强度，γ为旋磁 比，氢原子核(1H)的旋磁比为42.58MHz/T。
2)沿射频线圈长轴方向的磁场强度要尽量均匀，横断面上的磁场强度 也要尽量均匀。
3)在射频线圈中，感兴趣区域的任意一点都应当以尽量相同的增益接 收人体氢原子核(1H)的射频信号。现有技术中的磁共振成像射频线圈在以 上几个方面，尤其是在磁共振成像感兴趣区域的磁场强度和均匀性方面需要 进一步得到提高。
根据上述计算来设计复合左/右手微带单元的结构参数，由此调整其工 作频率以适用于不同的磁共振成像平台(包括1.5T、3.0T、7T到9.4T等)。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本 发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明 的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发 明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护 范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种基于分形复合左/右手微带线的磁共振成像射频线圈，所述磁共振成像射频线圈由多通道微带线组成，
其特征在于，单个通道微带线包括介质基板(1)、接地板(2)和金属贴片(3)，所述接地板(2)位于介质基板(1)的背面，金属贴片(3)设于介质基板(1)的正面；所述金属贴片(3)至少包括第一低阻抗微带(31)、第一高阻抗微带(32)、第二高阻抗微带(33)和第二低阻抗微带(34)，
按照将第一低阻抗微带(31)、第一非磁性贴片电容(4)、第一高阻抗微带(32)、第二非磁性贴片电容(5)、第二高阻抗微带(33)、第一非磁性贴片电容(4)和第二低阻抗微带(34)依次连接的方式来形成以第二非磁性贴片电容(5)的竖直中心线轴对称分布的复合左/右手微带线结构；
所述第一低阻抗微带(31)和所述第二低阻抗微带(34)上分别对称布置有两个第一非磁性贴片电感(6)，所述第一高阻抗微带(32)和所述第二高阻抗微带(33)上分别对称布置有两个第二非磁性贴片电感(7)，所述第一低阻抗微带(31)和所述第二低阻抗微带(34)分别通过第一非磁性贴片电感过孔接地，所述第一高阻抗微带(32)和所述第二高阻抗微带(33)分别通过第二非磁性贴片电感过孔接地；其中设置于所述第一低阻抗微带(31)和所述第二低阻抗微带(34)的第一非磁性贴片电感(6)和设置于所述第一高阻抗微带(32)和所述第二高阻抗微带(33)的第二非磁性贴片电感(7)按照以第二非磁性贴片电容(5)的竖直中心线轴对称的方式布置；
所述第一高阻抗微带(32)和第二高阻抗微带(33)分别包括两个H分形结构微带(35)，所述两个H分形结构微带(35)对称设于第一高阻抗微带(32)或第二高阻抗微带(33)的两侧并以第一高阻抗微带(32)或第二高阻抗微带(33)的水平中心线为轴线对称排布；
所述第一高阻抗微带(32)和第二高阻抗微带(33)之间还设置有扩展单元，所述扩展单元为一个或多个高阻抗微带；所述多个高阻抗微带之间通过所述第二非磁性贴片电容(5)连接。
2.如权利要求1所述的基于分形复合左/右手微带线的磁共振成像射频线圈，其特征在于，所述金属贴片(3)采用覆铜工艺腐刻在介质基板(1)的正面，所述金属贴片(3)为铜材料或其它非磁性良导体材料，所述金属贴片(3)的厚度为0.35μm。
3.如权利要求1所述的基于分形复合左/右手微带线的磁共振成像射频线圈，其特征在于，所述多通道微带线排布成圆柱面、抛物面或半球面状，第一高阻抗微带(32)、第二高阻抗微带(33)和扩展单元的一个或多个高阻抗微带在长轴方向长度是所述高阻抗微带宽度的4～8倍。
4.如权利要求1所述的基于分形复合左/右手微带线的磁共振成像射频线圈，其特征在于，所述介质基板(1)的高度h为13mm，长L为140mm，宽W为46mm。
5.如权利要求1所述的基于分形复合左/右手微带线的磁共振成像射频线圈，其特征在于，所述H分形结构(35)包括第一竖边(351)、横边(352)及第二竖边(353)；所述第一竖边(351)的长和宽分别为6mm和2.5mm，所述横边(352)的长和宽分别为12mm和1.5mm，所述第二竖边(353)的长和宽分别为8mm和1.5mm。
6.如权利要求1所述的基于分形复合左/右手微带线的磁共振成像射频线圈，其特征在于，第一非磁性贴片电容值和第二非磁性贴片电容值为16.6pF，第一非磁性贴片电容值和第二非磁性贴片电感值为15.0nH。
7.一种制造基于分形复合左/右手微带线的磁共振成像射频线圈的方法，所述磁共振成像射频线圈由多通道微带线组成，
按照下述公式计算确定多通道微带线的串联谐振频率ωse、并联谐振频率ωsh、传播常数β和折射率n并据此确定多通道微带线的结构，其中：
所述串联谐振频率ωse和所述并联谐振频率ωsh是如下计算的：
其中跃迁频率计算公式为：
其中，C′L、L′L、C′R、L′R为分布电感和电容，C’L为双导线单位长度的串联电容，单位为F·m，L’L为单位长度的并联电感，单位为H·m，C’R为双导线单位长度的并联电容，单位为F/m，L’R为单位长度的串联电感，单位为H/m；
传播常数β和折射率n公式分别为
其中，ω代表谐振频率，平衡结构要求ωse＝ωsh，所以L′LC′R＝L′RC′L，
单个通道微带线包括介质基板、接地板和金属贴片，所述接地板位于介质基板的背面，金属贴片设于介质基板的正面；所述金属贴片至少包括第一低阻抗微带、第一高阻抗微带、第二高阻抗微带和第二低阻抗微带，
按照将第一低阻抗微带(31)、第一非磁性贴片电容(4)、第一高阻抗微带(32)、第二非磁性贴片电容(5)、第二高阻抗微带(33)、第一非磁性贴片电容(4)和第二低阻抗微带(34)依次连接的方式来形成以第二非磁性贴片电容的竖直中心线轴对称分布的复合左/右手微带线结构；
所述第一高阻抗微带和第二高阻抗微带分别包括两个H分形结构微带，所述两个H分形结构微带(35)对称设于第一高阻抗微带(32)或第二高阻抗微带(33)的两侧并以第一高阻抗微带(32)或第二高阻抗微带(33)的水平中心线为轴线对称排布，
所述第一高阻抗微带和第二高阻抗微带之间还设置有扩展单元，所述扩展单元为一个或多个高阻抗微带；所述多个高阻抗微带之间通过所述第二非磁性贴片电容连接。
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