CN112540332B - 一种磁共振射频屏蔽结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于核磁共振技术领域，涉及一种磁共振射频屏蔽结构及其设计方法，采用双层覆铜板结构，从上到下依次为上层板、基板和下层板，上层板和下层板为金属层，基板为介质层，上层板和下层板分别按照互补的几何分形结构分割，上层板沿着圆周方向上断开的位置通过电容连接，该基于周期性几何分形的磁共振射频屏蔽结构及其设计方法，在提高射频屏蔽效率的同时，能够保证射频线圈产生的不对称涡流通过外壳的引流而快速消散；并且该新型的射频屏蔽设计方法，能够针对不同类型的射频屏蔽结构方式进行快速设计。

Description

一种磁共振射频屏蔽结构及其设计方法

技术领域

本发明属于核磁共振技术领域，涉及一种磁共振射频屏蔽结构及其设计方法，尤其涉及一种基于周期性几何分形的磁共振射频屏蔽结构及其设计方法。

背景技术

磁共振成像系统中，射频线圈信噪比是测量的关键。但是由于射频线圈位于磁共振主磁体腔体中间，在射频线圈与主磁体腔体外壳之间有检测线圈。因此，检测线圈与射频线圈之间存在较强的电磁耦合，使得射频线圈产生的能量在检测线圈中会有反向感应电动势，从而抵消射频磁场，削弱射频线圈的信噪比。然而，如果直接采用铜板作为检测线圈与射频线圈之间的屏蔽，又会导致射频线圈在屏蔽板中产生很强的涡流，从而影响梯度磁场的建立。

为了在固定功率的情况下，提高射频线圈的信噪比，并同时减小射频线圈产生的涡流问题，有必要提出一种基于周期性几何分形的磁共振射频屏蔽结构及其设计方法，用于射频线圈屏蔽及减小射频线圈感应涡流，以提高磁共振系统的成像质量。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决上述磁共振系统成像过程中所存在的问题，提供一种基于周期性几何分形的磁共振射频屏蔽结构及其设计方法，在提高射频屏蔽效率的同时，能够保证射频线圈产生的不对称涡流通过外壳的引流而快速消散；并且该新型的射频屏蔽设计方法，能够针对不同类型的射频屏蔽结构方式进行快速设计。

为达到上述目的，本发明提供如一种磁共振射频屏蔽结构，采用双层覆铜板结构，从上到下依次为上层板、基板和下层板，上层板和下层板为金属层，基板为介质层，上层板和下层板分别按照互补的几何分形结构分割，上层板沿着圆周方向上断开的位置通过电容连接。

进一步，上层板和下层板的分形结构为蜘蛛网结构、雪花结构、随机树结构中的一种且沿圆周方向周期性分布。

进一步，上层板中各对称缝隙间用电容连接，通过调节电容的大小使射频屏蔽板的屏蔽效能在特定频率下最优。

进一步，射频屏蔽板最外圈为接地层，内圈部分通过对称的电容与最外圈相连接，最外圈导体与磁共振磁体金属部分固定连接。

进一步，射频屏蔽板的主屏蔽部分通过对称电容接地，均匀泄放射频线圈引发的涡流。

一种磁共振射频屏蔽结构的设计方法，包括以下步骤：

A、将检测线圈与射频线圈之间放置射频屏蔽板，射频屏蔽板从上到下依次为上层板、基板和下层板，上层板和下层板为金属层，基板为介质层，上层板和下层板分别按照互补的几何分形结构分割，上层板沿着圆周方向上断开的位置通过电容连接；

B、根据谐振频率调节每个分形模块上电容的装配位置、电容的容量大小以及电容的串联数量；

C、在射频屏蔽板最外圈预留一圈金属环结构，每一个分形子模块通过电容接入到接地环上。

进一步，步骤B中电容容量大小的选择过程为：首先计算没有串联电容的单个模块的等效参数，然后计算实现特定截止频率低通滤波器的电容需求，进而得到需要串接的电容大小。

一种核磁共振成像系统结构，包括射频线圈、检测线圈以及设置在检测线圈与射频线圈之间上述的射频屏蔽板。

本发明的有益效果在于：

本发明所公开的磁共振射频屏蔽结构，射频屏蔽板分三层结构，即上层板、基板和下层板，整个结构采用印制电路板结构或者金属层-介质-金属层的三明治结构，能够提高射频屏蔽效率，减小射频线圈与检测线圈之间的耦合，提高射频线圈的性能。同时，还能抑制射频线圈产生的涡流，提高射频线圈的性能。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明核磁共振成像系统的结构示意图；

图2为本发明核磁共振成像系统中射频屏蔽板的结构示意图；

图3为实施例1射频屏蔽板中上层板的结构示意图；

图4为实施例1射频屏蔽板中下层板的结构示意图；

图5为实施例1射频屏蔽板在核磁共振成像系统的安装结构示意图；

图6为实施例1和对比例1的磁场强度效果对比图；

图7为实施例2射频屏蔽板在核磁共振成像系统的安装结构示意图；

图8为实施例2和对比例2的磁场强度效果对比图；

图9为实施例3射频屏蔽板中上层板的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在磁共振成像的应用中，成像区域由核磁共振成像系统部件的设计和位置布局决定，常规核磁共振成像系统结构包括射频线圈和检测线圈，本专利为了降低检测线圈与射频线圈之间的电磁耦合，减小射频线圈涡流感应效应，在检测线圈与射频线圈之间设置射频屏蔽板，整个射频屏蔽板在磁共振成像系统中的摆放位置如图1所示。

射频屏蔽板分两个主要部分，第一部分为最外圈的接地导体，第二部分为内侧的主屏蔽部分，主屏蔽部分采用分形结构的印制电路板或金属层-介质-金属层的三明治结构实现。

图2为本发明核磁共振成像系统中射频屏蔽板的结构示意图，射频屏蔽板分三层结构，即上层板、基板和下层板，整个结构采用印制电路板结构或者金属层-介质-金属层的三明治结构，其中上层板为金属层，该金属层可以为具有一定厚度的单独金属板通过切割实现，也可是印制电路板制作实现；基板为介质层，具有一定的介电系数，可以采用FR4材料，陶瓷材料或者其他绝缘介质材料；下层板也为金属板，该金属层可以为具有一定厚度的单独金属板通过切割实现，也可是印制电路板制作实现。值得注意的是，上层板与下层板的几何结构具有互补性质，具体可以表述为：上层板在某一位置为断开，则下层板在对应的位置则为连续金属。整个射频屏蔽板中上层板结构的主屏蔽部分中，沿着圆周方向上断开的位置（每个分形子模块断开的位置）通过电容连接，使得每个分形子模块断开后通过电容连接成整体。

实施例1

该实施例射频屏蔽板中上层板和下层板呈雪花结构，以六个分型模块构成为例，每个分型模块分别占据平面上60°角，图3为射频屏蔽板中上层板的结构示意图，上层板在-30度和30度方向断开，并通过电容相连接；图4为射频屏蔽板中下层板的结构示意图，下层板的模块在-30度和30度方向连续。

其中电容的大小取决于谐振频率，每个分形模块相当于电感-电阻-电容（LRC电路），通过谐振实现对电磁场的调节，本专利针对的是射频屏蔽，因此对需要屏蔽的射频磁场对应的频率体现为高阻态，对于对应的梯度磁场（低频磁场）不屏蔽，因此，该结构可理解为等效的低通滤波器。当每个分形模块自身的杂散电容不足以使该结构实现低通功能时，则需要在适当的位置（本专利描述的上层板各模块断开的位置）串联一定大小的电容。电容的大小需要通过有限元计算得到，首先计算没有串联电容的单个模块的等效参数，然后计算实现特定截止频率低通滤波器的电容需求，进而得到需要串接的电容大小。

通过这种模式设计的射频屏蔽应用上后，尽管是低通效果，射频线圈依然会在屏蔽板中感应涡流。因此，需要将这一涡流尽快消除，本专利提出的方案是，在屏蔽板最外圈预留一圈金属环结构（接地环），每一个分形子模块通过电容接入到接地环上。

如图5所示该实施例射频屏蔽板所在的核磁共振成像系统中，射频屏蔽板插在检测线圈与射频线圈之间，射频线圈和检测线圈共轴分布。

实施例2

如图7所示实施例2与实施例1的区别在于，检测线圈与射频线圈的分布结构与实施例1不同，实施例2为射频线圈和检测线圈平行分布。

实施例3

如图9所示实施例3与实施例1的区别在于，实施例1为一阶分形结构，该图为二阶分形结构，其他更高阶分形结构可类似生成。其中实施例1中一阶分形结构基本单元为T形状，二阶分形结构则可以理解为在一阶分形结构的基础上每一个T的枝丫上增加T结构，更高阶则可进一步在枝丫上T形枝丫上再增加若干T形枝丫，以此类推。

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于，检测线圈与射频线圈共轴分布，但射频线圈与检测线圈之间未插入射频屏蔽板。

对比例2

对比例2与对比例1的区别在于，检测线圈与射频线圈的分布结构与对比例1不同，对比例2中射频线圈和检测线圈平行分布。

实施例1和对比例1的磁场强度效果对比见图6；实施例2和对比例2的磁场强度效果对比见图8。

图6和图8中S12为检测线圈中检测的电压与射频线圈输入电压的比值，用dB单位表示，这一参数的意义在于：该参数表示射频线圈与检测线圈之间的传递系数，该系数越大，说明他们之间的耦合越大，反之越小。射频屏蔽板的作用则是削弱这种耦合。通过这个实验就能验证射频屏蔽板是否具有很好的效果，能够使S12参数减小就说明有效果。

从图6和图8可以看到，在检测线圈与射频线圈中插入射频屏蔽板后，检测线圈中检测到的信号明显减弱，说明射频屏蔽板对射频线圈有较好的屏蔽效果，由此可以说明在检测线圈与射频线圈之间插入射频屏蔽板能够有效屏蔽射频磁场，使其减小与检测线圈之间的耦合，减小检测线圈对射频线圈的反作用，从结果显示该实施例对应的射频屏蔽板结构具有超过20dB的屏蔽效果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种磁共振射频屏蔽结构，其特征在于，该磁共振射频屏蔽结构为射频屏蔽板；射频屏蔽板采用双层覆铜板结构，从上到下依次为上层板、基板和下层板，上层板和下层板为金属层，基板为介质层；上层板和下层板按照互补的几何分形结构分割，以使上层板与下层板的几何结构具有互补性质，上层板在某一位置为断开，下层板则在对应的位置为连续金属；上层板沿着圆周方向上断开的位置通过电容连接；

射频屏蔽板分两个主要部分，第一部分为最外圈的接地导体，第二部分为内圈部分的主屏蔽部分，主屏蔽部分采用几何分形结构实现，内圈部分通过对称的电容与最外圈相连接，最外圈的接地导体与磁共振磁体金属部分固定连接，射频屏蔽板的主屏蔽部分通过对称电容接地，均匀泄放射频线圈引发的涡流。

2.如权利要求1所述的磁共振射频屏蔽结构，其特征在于，上层板和下层板的分形结构为蜘蛛网结构、雪花结构、随机树结构中的一种且沿圆周方向周期性分布。

3.如权利要求2所述的磁共振射频屏蔽结构，其特征在于，上层板中各断开的位置对应的缝隙间用电容连接，通过调节电容的大小使射频屏蔽板的屏蔽效能在特定频率下最优。

4.一种磁共振射频屏蔽结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、将检测线圈与射频线圈之间放置射频屏蔽板，射频屏蔽板从上到下依次为上层板、基板和下层板，上层板和下层板为金属层，基板为介质层，上层板和下层板按照互补的几何分形结构分割为分形子模块，上层板与下层板的几何结构具有互补性质，上层板在某一位置为断开，下层板则在对应的位置为连续金属，上层板沿着圆周方向上断开的位置通过电容连接；

射频屏蔽板分两个主要部分，第一部分为最外圈的接地导体，第二部分为内圈部分的主屏蔽部分，主屏蔽部分采用几何分形结构实现，内圈部分通过对称的电容与最外圈相连接，最外圈的接地导体与磁共振磁体金属部分固定连接，射频屏蔽板的主屏蔽部分通过对称电容接地，均匀泄放射频线圈引发的涡流；

B、根据谐振频率调节每个分形子模块上电容的装配位置、电容的容量大小以及电容的串联数量；

C、在射频屏蔽板最外圈预留一圈金属环结构，每一个分形子模块通过电容接入到接地环上。

5.如权利要求4所述磁共振射频屏蔽结构的设计方法，其特征在于，步骤B中电容容量大小的选择过程为：首先计算没有串联电容的单个分形子模块的等效参数，然后计算实现特定截止频率低通滤波器的电容需求，进而得到需要串接的电容大小。

6.一种核磁共振成像系统结构，其特征在于，包括射频线圈、检测线圈以及设置在检测线圈与射频线圈之间的磁共振射频屏蔽结构，该磁共振射频屏蔽结构如权利要求1～3任一所述。