CN112162224A - 一种高介电常数的超高场动物磁共振射频探头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高介电常数的超高场动物磁共振射频探头，包括线圈单元，线圈单元包括筒状的线圈电路基板和筒状的内壁基板，内壁基板位于线圈电路基板内，高介电常数陶瓷单元两端通过陶瓷单元支架固定在线圈电路基板与线圈内壁基板之间。本发明中的各单元相互独立，组装灵活，能有效提高射频探头的灵敏度。多块高介电常数陶瓷块可以大幅提高中心区域内的B1场发射效率，避免了完整圆筒状钛酸钡陶瓷带来的线圈模式增加以及紊乱的不利影响。

Description

一种高介电常数的超高场动物磁共振射频探头
技术领域
本发明涉及磁共振成像技术领域，尤其涉及一种高介电常数的超高场动物磁共振射频探头。
背景技术
射频线圈处于磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)系统的最前端，对MRI信号的灵敏度有决定性的影响。MRI中，B1场(射频脉冲所致的微弱磁场)均匀度和灵敏度是衡量射频线圈性能的两个极其重要的指标。鸟笼线圈具有良好的对称性，使得B1场分布相当均匀。收发一体的正交鸟笼线圈由于其灵敏度与B1场均匀度的优势，被大量应用于各种动物MRI实验中，已经成为一种十分经典的MR射频体线圈。
常规的研究中，提高鸟笼线圈信噪比与B1场均匀度的方法主要有以下几种：
1.增加腿数。增加腿的数量([1]Martin R,Vazquez J F,Marrufo O,et al.SARof a birdcage coil with variable number of rungs at 300MHz[J].Measurement,2016,82:482–489.)会使轴向电流沿环形呈与余弦分布，提高B1场均匀度，但是电容数目和损耗也随之增加。
2.减小线圈直径。减小直径使线圈贴近被测物，提高了填充因子，灵敏度随之提升，但是B1场均匀度会受影响。([2]Heo P,Kim H-J,Han S-D,et al.A study on multiplearray method of birdcage coils to improve the signal intensity andhomogeneity in small-animal whole-body magnetic resonance imaging at 7T[J].International Journal of Imaging Systems and Technology,2020,30(1):31–44.)
3.特殊结构。通过移动屏蔽基板来调节屏蔽位置，进而调谐线圈([3]DardzinskiB J,Li S,Collins C M,et al.A birdcage coil tuned by RF shielding forapplication at 9.4T[J].journal of magnetic resonance,1998,131(1):32-38.)可以在一定程度上提高信噪比与B1场均匀度，但是效果有限。在鸟笼线圈两端添加端盖([4]LouX,Gedney S D,Avison M J.End cap design for bird cage coils in nuclearmagnetic resonance imaging[J].IEEE Transactions on Magnetics,1999,35(3):1939-1946.)可以提高线圈两端附近的B1场均匀度和灵敏度，但对于中心位置的效果不明显。
在超高场下，由于趋肤效应，电流密度在一定宽度的铜皮上分布不均匀，主要集中于铜皮边缘，影响了B1场均匀度；同时不均匀的电流密度分布降低了等效电阻，从而降低了B1场强度，导致灵敏度变差。([5]Xu Y,Wen Q,Yang H,et al.Multiple parallel RoundLeg Design for Quadrature Birdcage Coil in Ultrahigh-Field MRI[J].AppliedMagnetic Resonance,2018,49(2):209-216.)
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种高介电常数的超高场动物磁共振射频探头，本发明各单元相互独立，组装灵活，能有效提高探头的灵敏度。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种高介电常数的超高场动物磁共振射频探头，包括线圈单元，线圈单元包括筒状的线圈电路基板和筒状的内壁基板，内壁基板位于线圈电路基板内，高介电常数陶瓷单元两端通过陶瓷单元支架固定在线圈电路基板与线圈内壁基板之间，
如上所述的高介电常数陶瓷单元包括外壳和高介电常数陶瓷块，外壳包括环柱状的壳体和设置在壳体一端的外壳顶盖，壳体的环柱状空腔通过位于径向方向的挡板分隔为多个弧板腔，弧板腔内均设置有弧板状的高介电常数陶瓷块。
如上所述的线圈单元还包括线圈电路，线圈电路包括鸟笼线圈端环。
鸟笼线圈端环包括第一鸟笼线圈端环和第二鸟笼线圈端环，第一鸟笼线圈端环和第二鸟笼线圈端环分别设置在线圈电路基板两端的外表面，第一鸟笼线圈端环和第二鸟笼线圈端环均包括多个弧形铜带，各个弧形铜带等间隔设置在线圈电路基板上形成环状，第一鸟笼线圈端环和第二鸟笼线圈端环的弧形铜带在线圈电路基板的轴向方向上一一对应，铜管两端分别与轴向方向上对应的两个弧形铜带连接，第一鸟笼线圈端环的相邻的弧形铜带之间通过无磁电容连接，第二鸟笼线圈端环的相邻的弧形铜带之间通过无磁电容连接。
如上所述的线圈电路基板外设置有环形的线圈支架，调谐电容、匹配电容和去耦电容分别固定在线圈支架的可调电容定位孔上，调谐电容、匹配电容和去耦电容均接有可调电容杆，
同轴线的芯线与匹配电容一端连接，匹配电容另一端与第二鸟笼线圈端环的对应的无磁电容一端连接，无磁电容另一端与同轴线的屏蔽层连接相连，
调谐电容和去耦电容都和第二鸟笼线圈端环的对应的无磁电容并联。
如上所述的匹配电容为两个，调谐电容为两个，去耦电容为一个，调谐电容与去耦电容一一对应，
匹配电容所关联的两个弧形铜带之间的中间位置的径向方向为匹配电容径向方向；调谐电容所关联的两个弧形铜带之间的中间位置的径向方向为调谐电容径向方向；去耦电容所关联的两个弧形铜带之间的中间位置的径向方向为去耦电容径向方向，
两个匹配电容的匹配电容径向方向相隔90°，调谐电容的调谐电容径向方向与对应的匹配电容的匹配电容径向方向相隔180°，去耦电容的去耦电容径向方向位于两调谐电容的调谐电容径向方向正中间。
一种高介电常数的超高场动物磁共振射频探头，还包括屏蔽单元，屏蔽单元包括屏蔽层与屏蔽基板，屏蔽层贴于屏蔽基板外表面，屏蔽基板内表面与线圈支架连接，内壁基板、线圈电路基板与屏蔽基板两端分别插入线圈顶盖与线圈底盖的对应的环形卡槽内。
如上所述的高介电常数陶瓷块中钛和钡摩尔比为1.02:1～1.04:1。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1、本发明提出的一种高介电常数的超高场动物磁共振射频探头，包括线圈单元、高介电常数陶瓷单元以及支架部。本发明中的各单元相互独立，组装灵活，能有效提高探头的灵敏度。
2、本发明使用了四块高介电常数陶瓷块，围成圆筒状且彼此互不相连。钛酸钡陶瓷具有超高的介电常数以及较低的介电损耗，可以大幅提高中心区域内的B1场发射效率，从而提高射频探头的灵敏度。设计互不相连的四块高介电常数陶瓷块，避免了完整圆筒状钛酸钡陶瓷带来的线圈模式增加以及紊乱的不利影响。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为高介电常数陶瓷单元的结构示意图；
图3为外壳顶盖的结构示意图；
图4为高介电常数陶瓷单元的剖面示意图，其中，(a)为高介电常数陶瓷单元的轴向剖面图，(b)为高介电常数陶瓷单元的径向剖面图；
图5为本发明的线圈单元的结构示意图；
图6为本发明的线圈单元的轴向剖面图；
图7为本发明的线圈单元的径向剖面图；
图8为本发明的线圈电路结构示意图；
图中：1—磁共振射频探头，11—高介电常数陶瓷单元，12—线圈单元，13—陶瓷单元支架，111—外壳顶盖，112—壳体，113—高介电常数陶瓷块，121—屏蔽层，122—线圈顶盖，123—可调电容杆，124—线圈底盖，125—调谐电容，126—鸟笼线圈端环，127—无磁电容，128—铜管，129—线圈支架，1210—线圈电路基板，1211—屏蔽基板，1212—内壁基板，1213—匹配电容，1214—去耦电容，1215—同轴线。
W1—高介电常数陶瓷块厚度，W2—壳体壁厚度，W3—高介电常数陶瓷块间距，W4—铜管壁厚，W5—铜管间距，W6—鸟笼线圈端环宽度，L1—高介电常数陶瓷块长度，L2—铜管长度，L3—屏蔽层长度，R1—高介电常数陶瓷块内半径，R2—铜管外半径，R3—线圈电路基板半径，R4—屏蔽层半径。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一种适用于7T小鼠躯干MRI的磁共振射频探头1，包括线圈单元12、高介电常数陶瓷单元11以及陶瓷单元支架13，图1为磁共振射频探头1的结构示意图。高介电常数陶瓷单元11嵌于线圈单元12的线圈电路基板1210与内壁基板1212之间，两端通过陶瓷单元支架13固定在线圈电路基板1210与内壁基板1212之间，构成磁共振射频探头1。
本实施例中，高介电常数陶瓷单元11由四块高介电常数陶瓷块113和外壳组成，图2为高介电常数陶瓷单元11结构示意图，图4(a)和(b)分别为高介电常数陶瓷单元11的轴向剖面图和径向剖面图。其中，高介电常数陶瓷块113为钛酸钡陶瓷块113，高介电常数陶瓷块113为相同形状的弧形板，四块高介电常数陶瓷块113围成圆筒状，彼此互不相连。钛酸钡陶瓷具有超高的介电常数和较低的损耗，可应用于MRI来改善目标区域内的图像质量。外壳包括环柱状壳体112和设置在壳体112一端的外壳顶盖111，外壳顶盖111结构如图3所示。壳体112内部为环柱状空腔，壳体112的环柱状空腔由径向方向的四块挡板分为相同四部分弧板腔，分别用来容纳四个弧板状的高介电常数陶瓷块113。将高介电常数陶瓷块113装入壳体112内后，盖上外壳顶盖111。
本实施例中，线圈单元12为一个完整的正交高通鸟笼线圈结构，包括线圈电路、支架部、屏蔽单元、线圈顶盖122和线圈底盖124。
其中，线圈电路包括鸟笼线圈端环126、铜管128、调谐电容125、无磁电容127、匹配电容1213、去耦电容1214和同轴线1215。
支架部包括线圈支架129、线圈电路基板1210与内壁基板1212。线圈电路基板1210和内壁基板1212为筒状。
屏蔽单元包括屏蔽层121与屏蔽基板1211。
鸟笼线圈端环126包括第一鸟笼线圈端环和第二鸟笼线圈端环，第一鸟笼线圈端环和第二鸟笼线圈端环分别设置在线圈电路基板1210两端的外表面，第一鸟笼线圈端环和第二鸟笼线圈端环均包括多个弧形铜带，各个弧形铜带等间隔设置在线圈电路基板1210上形成环状，弧形铜带展后为矩形，第一鸟笼线圈端环和第二鸟笼线圈端环的弧形铜带在线圈电路基板1210的轴向方向上一一对应，铜管128两端分别与轴向方向上对应的两个弧形铜带连接，各个铜管128平行设置，第一鸟笼线圈端环的相邻的弧形铜带之间通过无磁电容127，第二鸟笼线圈端环的相邻的弧形铜带之间通过无磁电容127。
线圈支架129与线圈电路基板1210相嵌，内径与线圈电路基板1210外径尺寸相匹配使得线圈支架129固定于线圈电路基板1210上。
可调电容固定于线圈支架129的可调电容定位孔上，可调电容包括调谐电容125、匹配电容1213和去耦电容1214。如图5所示，调谐电容125、匹配电容1213和去耦电容1214的底端均接有可调电容杆123，通过旋转可调电容杆123改变电容值来实现线圈调谐、匹配和去耦。线圈电路结构示意图如图8所示，同轴线1215的芯线与匹配电容1213一端连接，匹配电容1213另一端与第二鸟笼线圈端环的对应的无磁电容127一端连接，无磁电容127另一端与同轴线1215的屏蔽层连接相连，即匹配电容1213、同轴线1215的芯线、同轴线1215的屏蔽层先串联，再与第二鸟笼线圈端环的对应的无磁电容127并联。调谐电容125和去耦电容1214都和第二鸟笼线圈端环的的对应的无磁电容127并联，匹配电容1213为两个，调谐电容125为两个，去耦电容1214为一个，匹配电容所关联的两个弧形铜带之间的中间位置的径向方向为匹配电容径向方向，调谐电容125所关联的两个弧形铜带之间的中间位置的径向方向为调谐电容径向方向，去耦电容1214所关联的两个弧形铜带之间的中间位置的径向方向为去耦电容径向方向，两匹配电容1213的匹配电容径向方向相隔90°，调谐电容125与去耦电容1214一一对应，调谐电容125的调谐电容径向方向与对应的匹配电容1213的匹配电容径向方向相隔180°，去耦电容1214的去耦电容径向方向位于两调谐电容125的调谐电容径向方向正中间，即与两调谐电容125的调谐电容径向方向均为45°，可调电容相对位置如图7所示。
屏蔽层121贴于屏蔽基板1211外表面，屏蔽基板1211内表面与线圈支架129相嵌，使线圈支板129固定于屏蔽基板1211内表面。内壁基板1212、线圈电路基板1210与屏蔽基板1211两端分别插入线圈顶盖122与线圈底盖124的对应的环形卡槽内固定，从外到内分别为屏蔽基板1211、线圈电路基板1210和内壁基板1212，其中内壁基板1212围成圆柱状空腔，用来容纳扫描床进出。陶瓷单元支架13和高介电常数陶瓷单元11内外径均分别于内壁基板1212外径、线圈电路基板1210内径匹配，嵌入内壁基板1212和线圈电路基板1210之间的空腔中心处。陶瓷单元支架13位于高介电常数陶瓷单元11两侧，使高介电常数陶瓷单元11位置固定。
本实施例中，铜管外半径R2为0.5mm，铜管壁厚W4为0.2mm，铜管长度L2为80mm，相邻铜管间距W5为1.5mm，鸟笼线圈端环126的宽度W6为8～10mm。屏蔽层121半径R4为48～50mm，屏蔽层121长度L3为300～320mm。
作为优选实施例，线圈电路基板1210半径R3为38～40mm。
作为优选实施例高介电常数陶瓷块113内半径R1为29～30mm，高介电常数陶瓷块113厚度W1为5～6mm，高介电常数陶瓷块113长度L1为110～120mm，相邻高介电常数陶瓷块113间距W3为2～4mm。
作为优选实施例，壳体112壁厚度W2为2～3mm。
作为优选实施例，高介电常数陶瓷块113中钛和钡摩尔比为1.02:1～1.04:1，以获得较高的介电常数。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种高介电常数的超高场动物磁共振射频探头，包括线圈单元(12)，其特征在于，线圈单元(12)包括筒状的线圈电路基板(1210)和筒状的内壁基板(1212)，内壁基板(1212)位于线圈电路基板(1210)内，高介电常数陶瓷单元(11)两端通过陶瓷单元支架(13)固定在线圈电路基板(1210)与线圈内壁基板(1212)之间。
2.根据权利要求1所述的一种高介电常数的超高场动物磁共振射频探头，其特征在于，所述的高介电常数陶瓷单元(11)包括外壳和高介电常数陶瓷块(113)，外壳包括环柱状的壳体(112)和设置在壳体(112)一端的外壳顶盖(111)，壳体(112)的环柱状空腔通过位于径向方向的挡板分隔为多个弧板腔，弧板腔内均设置有弧板状的高介电常数陶瓷块(113)。
3.根据权利要求1所述的一种高介电常数的超高场动物磁共振射频探头，其特征在于，所述的线圈单元(12)还包括线圈电路，线圈电路包括鸟笼线圈端环(126)，
鸟笼线圈端环(126)包括第一鸟笼线圈端环和第二鸟笼线圈端环，第一鸟笼线圈端环和第二鸟笼线圈端环分别设置在线圈电路基板(1210)两端的外表面，第一鸟笼线圈端环和第二鸟笼线圈端环均包括多个弧形铜带，各个弧形铜带等间隔设置在线圈电路基板(1210)上形成环状，第一鸟笼线圈端环和第二鸟笼线圈端环的弧形铜带在线圈电路基板(1210)的轴向方向上一一对应，铜管(128)两端分别与轴向方向上对应的两个弧形铜带连接，第一鸟笼线圈端环的相邻的弧形铜带之间通过无磁电容(127)连接，第二鸟笼线圈端环的相邻的弧形铜带之间通过无磁电容(127)连接。
4.根据权利要求3所述的一种高介电常数的超高场动物磁共振射频探头，其特征在于，所述的线圈电路基板(1210)外设置有环形的线圈支架(129)，调谐电容(125)、匹配电容(1213)和去耦电容(1214)分别固定在线圈支架(129)的可调电容定位孔上，调谐电容(125)、匹配电容(1213)和去耦电容(1214)均接有可调电容杆(123)，
同轴线(1215)的芯线与匹配电容(1213)一端连接，匹配电容(1213)另一端与第二鸟笼线圈端环的对应的无磁电容(127)一端连接，无磁电容(127)另一端与同轴线(1215)的屏蔽层连接相连，
调谐电容(125)和去耦电容(1214)都和第二鸟笼线圈端环的对应的无磁电容(127)并联。
5.根据权利要求4所述的一种高介电常数的超高场动物磁共振射频探头，其特征在于，所述的匹配电容(1213)为两个，调谐电容(125)为两个，去耦电容(1214)为一个，调谐电容(125)与去耦电容(1214)一一对应，
匹配电容(1213)所关联的两个弧形铜带之间的中间位置的径向方向为匹配电容径向方向；调谐电容(125)所关联的两个弧形铜带之间的中间位置的径向方向为调谐电容径向方向；去耦电容(1214)所关联的两个弧形铜带之间的中间位置的径向方向为去耦电容径向方向，
两个匹配电容(1213)的匹配电容径向方向相隔90°，调谐电容(125)的调谐电容径向方向与对应的匹配电容(1213)的匹配电容径向方向相隔180°，去耦电容(1214)的去耦电容径向方向位于两调谐电容(125)的调谐电容径向方向正中间。
6.根据权利要求5所述的一种高介电常数的超高场动物磁共振射频探头，其特征在于，还包括屏蔽单元，屏蔽单元包括屏蔽层(121)与屏蔽基板(1211)，屏蔽层(121)贴于屏蔽基板(1211)外表面，屏蔽基板(1211)内表面与线圈支架(129)连接，内壁基板(1212)、线圈电路基板(1210)与屏蔽基板(1211)两端分别插入线圈顶盖(122)与线圈底盖(124)的对应的环形卡槽内。
7.根据权利要求2所述的一种高介电常数的超高场动物磁共振射频探头，其特征在于，所述的高介电常数陶瓷块(113)中钛和钡摩尔比为1.02:1～1.04:1。
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