CN115856736A - 一种磁共振双核成像系统及其异形鸟笼线圈装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁共振双核成像系统及其异形鸟笼线圈装置，该异形鸟笼线圈装置包括基体、附着于基体上的主要由若干笼腿和端环组成的异形鸟笼线圈、在异形鸟笼线圈的两处激励口处设置的匹配电路、巴伦电路、和用于氢核的失谐电路，所述基体包括上盖部和下底部，上盖部相对于下盖部为可拆分结构，二者之间通过无磁性连接器连接，所述基体能够支撑在磁共振成像系统的检查床上，所述异形鸟笼线圈由正圆鸟笼线圈通过共形变换得到，通过优化对应核素拉莫尔频率下的鸟笼线圈电容值使其产生均匀的B1场。本线圈装置能够在保障B1场均匀性和信噪比的情况下，与氢核成像系统兼容使用，在不移动病人的前提下实现双核成像，实现人体结构像与功能像配准。

Description

一种磁共振双核成像系统及其异形鸟笼线圈装置

技术领域

本发明涉及磁共振成像系统，尤其涉及一种用于磁共振成像系统的异形鸟笼线圈装置和磁共振双核成像系统。

背景技术

磁共振成像(MRI)或是一种广泛应用在医学成像上的技术，用于显示人体体内结构或生物组织结构，具有图像分辨率高、软组织对比度高、任意多方位成像、成像参数丰富和无电离辐射等优点。

射频线圈是MRI系统的关键组件，直接影响图像信噪比。磁共振成像系统通过射频发射线圈发射电磁波对特定元素进行激发，人体组织中产生共振信号，被射频接收线圈接收，再通过模数转换器传输进计算机进行图像重建。

MRI技术的发展已经从氢核成像扩展到对人体组织中的13C,19F,23Na等其他核素进行可视化，以对某些特定疾病或某些器官的特定功能进行定量或者定性分析，同时也进一步促进了药物研发。

现有的多核成像系统中的线圈大致可以分为两类，一类为需要更换不同种类的单核线圈以采集不同核素的信号，这一过程易导致成像对象的生理或位置特性改变，大幅度延长了成像时间，并且难以捕捉到有效的生理信号，为后期的解剖像与功能像的配准加大了难度。

第二类为多调谐线圈，即单个线圈系统具有两个或多个谐振峰，能够采集不同核素的信号。但该种类线圈往往需要牺牲某一谐振频率下的工作性能，难以保证所有成像核素的质量。

综上，现有技术无法同时实现高效扫描的同时获取高质量图像。因此，有必要提供一种新的双核成像系统，实现高效率，高精度的双核成像。

发明内容

本发明的目的在于一种用于磁共振成像系统的异形鸟笼线圈装置，以与氢核成像系统兼容使用，实现双核成像效果。

本发明的目的还在于提供一种使用该异形鸟笼线圈装置的磁共振双核成像系统。

为此，本发明一方面提供了一种用于磁共振成像系统的异形鸟笼线圈装置，包括基体、附着于基体上的主要由若干笼腿和端环组成的异形鸟笼线圈、在异形鸟笼线圈的两处激励口处设置的匹配电路、巴伦电路、和用于氢核的失谐电路，所述基体包括上盖部和下底部，上盖部相对于下盖部为可拆分结构，二者之间通过无磁性连接器连接，所述基体能够支撑在磁共振成像系统的检查床上，所述异形鸟笼线圈由正圆鸟笼线圈通过共形变换得到，通过优化对应核素拉莫尔频率下的鸟笼线圈电容值使其产生均匀的B1场。

根据本发明的另一方面，提供了一种磁共振双核成像系统，包括磁共振氢核成像系统和根据权利要求1至7中任一项所述的用于磁共振成像系统的异形鸟笼线圈装置，所述异形鸟笼线圈装置用于为氢核之外的其他核素提供均匀的B1场。

本发明基于现有的MRI氢核成像系统，在最大化利用磁体内空间以及符合人体工学设计的前提下，设计出一款基于X元素成像的异形鸟笼线圈。该线圈能够在保障磁场均匀度，即B1场均匀性，以及信噪比的情况下，与氢核成像系统兼容使用，在不移动病人的前提下实现双核成像，实现人体结构像与功能像配准。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的异形鸟笼的结构示意图；

图2是本发明的异形鸟笼俯视图；

图3是异形鸟笼正视图；

图4是同轴巴伦的示意图。

图5是失谐电路的示意图；

图6是本发明磁共振双核成像系统的使用状态图；

图7是鸟笼线圈单个网格示意图；

图8是鸟笼线圈单个网格示意图；

图9是Y方向线圈激发磁场均强度；

图10是X方向线圈激发磁场均强度；

图11是异形体线圈的磁场强度分布示意图；

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

术语解释

射频线圈：核磁共振系统中用于发射射频脉冲(或)接收磁共振信号的硬件。

鸟笼线圈：线圈的其中一种分类，由调谐匹配电路、笼腿和底环组成。常见的鸟笼线圈有8腿，12腿，16腿。它产生的射频磁场是纵向的笼腿和底环上的电流产生的磁场共同叠加作用的结果。

鸟笼理论：分析鸟笼线圈电路时一般以网格为最小单位进行分析，若设定鸟笼线圈的腿数为2N条，则也有2N个网格，由于其独特的几何构造，其具有N+1个谐振模式。

拉莫尔频率：其符合数学关系

其中f₀为拉莫尔频率，以赫兹表示；B₀为主磁场强度，以特斯拉表示；γ为旋磁比，为两者间的比例常数，对于特定核素来说，它为一固定值，由核素的自旋状态决定。

共形变换(保角变换)：来自于流体力学和几何学的概念,是一个保持角度不变的映射。更正式的说，一个映射w＝f(z称为在z₀共形(或者保角)，如果它保持穿过z₀的曲线间的定向角度，以及它们的取向。共形变换保持了角度以及无穷小物体的形状，但是不一定保持它们的尺寸。

循环矩阵：它的行向量的每个元素都是前一个行向量各元素依次右移一个位置得到的结果。

发射线圈：其功能为产生均匀的B1场，使磁化矢量发生旋转。磁场均匀性为衡量其性能的重要标准之一。

磁场均匀性：在磁共振成像设备中，特定容积通常采用与磁体中心相同、具有一定直径的球形空间，磁场均匀性以主磁场的百万分之一(ppm)为单位定量表示。是衡量发射线圈性能的关键指标之一。

在现有的氢核成像系统中，氢核成像的发射体线圈通常选择为正圆形鸟笼线圈，该正圆形鸟笼线圈能够产生高均匀性的磁场。本发明为实现高效率高精度双核成像，即与氢核成像系统兼容使用且符合人体工学设计，应用共形变换设计出一不规则鸟笼线圈，通过优化电容值使其与正圆形鸟笼线圈同样能够产生高均匀性的射频磁场。

结合参照图1至图6，本发明的异形鸟笼线圈包括笼腿1、端环2、支架3、连接器4、匹配电路5、巴伦电路6、同轴巴伦7、失谐电路8、基体9。

在本发明的异形体线圈中，由十二条笼腿1组成，每一笼腿由两段20cm长的铜片构成，铜片与铜片之间由电容连接。

端环2与笼腿1为垂直关系，每一端环的中心位置与笼腿相连接，端环与端环之间由电容连接。

线圈基体9分为上下两个部分，即上盖部9a和下底部9b，上盖部相对于下底部为可拆分结构。由无磁性连接器4相连。

该下底部3具有多个支架3，以使整个异形体线圈稳定支撑在检查床上，保证扫描时线圈的稳定。

为减少能量损耗，需要在激励口搭建匹配电路5，使线圈的输出阻抗与射频连接线相同。

巴伦电路6用于将匹配输入转换为差分输出，从而平衡传输线电路与不平衡传输线电路之间的连接。

射频连接线(图中未示出)连接线圈和磁共振系统，该射频连接线穿过同轴巴伦7的中心孔7a，以抑制共模电流。

失谐电路8：为使该线圈不影响原有的氢核成像系统，在每一个位于笼腿的电容处并联一二极管和电感作为陷波器，并额外搭建一直流电路对二极管进行供电，直流电路与笼腿为平行关系，互不影响，详见附图5。

使用时，如图6所示，本异形体线圈10支撑在检查床30上，测试者40躺在异形体线圈10的下底部9b上，然后将上盖部9a合上，整体随检查床30进入氢核磁共振成像设备的孔洞中，实现氢核和另一核素例如¹³C,¹⁹F,²³Na同时双核成像。

下面对本发明的异形体线圈的设计/制作方法进行说明。

步骤1：根据检查床尺寸以及磁共振系统的孔径确定鸟笼线圈横截面的长度以及宽度，通过共形变换拟合，得出曲线的参数表达式。

步骤2：确定鸟笼线圈的笼腿数量，得到共形变换后的笼腿坐标。

步骤3：计算/测量线圈网格的自感值以及网格间的互感值，构造电感矩阵。

步骤4：根据目标拉莫尔频率求解电耦合矩阵，计算端环以及笼腿电容值。

步骤5：将上述步骤所求值代入检验公式[4]进行验证，检查该线圈的工作频率与其余共振频率的差值是否符合要求，若差值过近则需要重复上述步骤直至找到最优值。

步骤6：确定激励源位置，计算输出阻抗，搭建匹配电路。

步骤7：三维电磁软件建模，验证鸟笼线圈磁场均匀性以及谐振频率。

步骤8：制作线圈主体部分，搭建匹配电路，巴伦电路。

步骤9：制作同轴巴伦，抑制共模电流。

步骤10:搭建氢核的失谐电路。

在步骤1中，首先需要确定线圈横截面的限制条件，即上半部分尽可能得利用孔径空间，近似为一圆形，下半部分则与检查床匹配，近似为一平面。再通过共形变换将正圆形变换成目标截面，尽可能拟合该曲线，得到对应的参数表达式。

其中共形变换的通用公式如下：

由于拟合得到的曲线因孔洞和检查床形状尺寸而异，故曲线表达式也各不同，在此无法列举通式。

确定曲线的表达式以及鸟笼线圈的笼腿数2N后，通过计算即可得到变换后的不规则分布的笼腿坐标。

在步骤3中，线圈的几何结构确定后，需要通过测量或者仿真确定电感值，构建电感矩阵L，包括单个网格的自感以及两两间的互感两类电感值，以支持后续的计算。自感值通过制作线圈时所用铜皮或者铜片的尺寸所确定，网格之间的互感值则根据网格之间的相对位置，通过测量网格间的耦合系数[2]间接得出。

上述式[2]中的R为鸟笼线圈单个网格中的端环的自感值，M为网格中腿的自感值，详细说明可见图7。

式[2]中的w_±,w₀均为实际测量的频率值，基于此能够得出耦合系数ζ,根据网格间不同的相对位置关系，可进一步计算得出互感M_nm，M_n,n+1。其中，M_nm为不相邻网格的互感值，M_n,n+1为相邻网格的互感值。ζ_nm是不相邻网格的耦合系数，ζ_n,n+1为为相邻网络的耦合系数。

在步骤4中，应用基尔霍夫定律，将鸟笼线圈的电路进行网格化分析，如图8所示，能够列出等式：

结合鸟笼理论，该式可转化成广义特征值问题，以求解鸟笼线圈端环以及腿部的电容值：

Ev＝λLv--------------------------[4]

这里，E为电耦合矩阵，由鸟笼线圈端环以及笼腿上的电容值组成，L为电感矩阵，v为不同模式下网格电流的特征向量，λ为其对应的特征值，特征值λ与鸟笼线圈的模式频率符合如下关系式[6]：

E＝{E_ij}＝

λ＝-w²----------------------------[6]

对于式[4]来说，L为一实对称矩阵，考虑到能量守恒，在排除完全磁耦合的可能性的同时，该矩阵同时可以保证是正定的，因此L是可逆的。而E也为一对称矩阵，因此式[4]的广义特征值问题等价于求解特征值。因此，对于任何物理意义上可实现的任意形状的网格来说，特征向量以及特征值都是实数，并且构成一正交基。这些性质确保了N个正交谐振模式。

对于正圆形鸟笼线圈来说，L和E均为循环矩阵。针对已经过共形变换后的异形鸟笼线圈，需要攻克的难题之一为：即使其的电感矩阵L不为循环矩阵，但需要其同样能够产生正弦分布的电流以激发均匀的磁场。

为了简化计算过程，可直接代入所需要的目标特征值和特征向量，即理想的，遵循正弦分布,互相正交的电流值：

为了保证等式的数量和未知数保持相同，对式[8]进行变形，将矩阵E中的未知元素重新排列为一维度为2N的列向量e_G＝(E₁₁,E₂₂,…E_NN,E₁₂…E_N,N-1,E_1N)^T，式[8]即转化为式[9]：

其中，G为一维度2N的方阵[10]，其将v_A和v_B的元素重新排列。

根据鸟笼的几何结构引入限制条件后，如限制端环和腿上的电容比值等，求解式[7]即可得到对应核素拉莫尔频率下的鸟笼线圈电容值。可将数值代入三维建模软件进行仿真，验证特定几何截面的鸟笼线圈使用上述计算的电容值是否能够产生均匀B1场，在此基础上进行微调。

步骤5为一验证步骤，目的是检查所需的谐振峰与其余谐振峰的差值是否过近，若差值过小，则需要更改笼腿位置或笼腿数量。

步骤7为一验证步骤，目的是为了检查所计算的电容值是否能够让异形鸟笼线圈产生均匀度达标的B1场，若场均匀性未达到标准，可进行数值优化。

步骤8，在三维建模软件进行仿真验证电容值可产生均匀磁场后，可进行实物制作，搭建匹配电路，巴伦电路，以支持线圈正常工作。

考量到某些核素的自然丰度较低，或者弛豫时间较短，成像条件较为苛刻，所激发的信号强度不高，为了尽可能地提高成像质量，增加信噪比，本发明设置了步骤9和步骤10。

步骤9为一辅助步骤，同轴巴伦可进一步提高成像质量，但并不是该发明的必须步骤。

步骤10为一善后步骤，可根据该鸟笼线圈的工作频率与氢核的工作频率的差值决定是否需要该步骤。

本发明利用共形变化拟合不规则截面，得出对应曲线的参数表达式，使变换后异形鸟笼线圈和正圆形鸟笼线圈同样能够产生高均匀性的B1场，具体参见图9至图11。本异形鸟笼线圈的上半部分尽可能为一拱形，下半部分近似为一平面，在充分利用孔径空间的同时，贴合检查床的几何结构，符合人体工学设计，在保证功能的同时，尽可能地为病人提供舒适的检查环境。

就多核成像功能而言，该线圈能够与原有的氢核成像系统兼容使用，无需反复更换线圈，缩短成像时间，降低图像配准难度；相较于多调谐线圈也无需牺牲某一核素的成像质量，能够同时保证解剖像与功能像的质量。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于磁共振成像系统的异形鸟笼线圈装置，其特征在于，包括基体、附着于基体上的主要由若干笼腿和端环组成的异形鸟笼线圈、在异形鸟笼线圈的两处激励口处设置的匹配电路、巴伦电路、和用于氢核的失谐电路，

所述基体包括上盖部和下底部，上盖部相对于下盖部为可拆分结构，二者之间通过无磁性连接器连接，所述基体能够支撑在磁共振成像系统的检查床上，所述异形鸟笼线圈由正圆鸟笼线圈通过共形变换得到，通过优化对应核素拉莫尔频率下的鸟笼线圈电容值使其产生均匀的B1场。

2.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的异形鸟笼线圈装置，其特征在于，所述异形鸟笼线圈的笼腿位置分布获取方式如下：

在正圆鸟笼线圈中，笼腿等间隔分布，在经过共形变换后，各笼腿的坐标随之相应改变，将改变后的笼腿坐标为异形鸟笼线圈中各笼腿坐标。

3.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的异形鸟笼线圈装置，其特征在于，所述激励口位置的获取方式如下：

在正圆鸟笼线圈中，两激励口周向间隔90°分布，在经过共形变换后，选择夹角度数最接近90度的两笼腿作为激励口布置位置。

4.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的异形鸟笼线圈装置，其特征在于，所述异形鸟笼线圈的设计参数获取方法如下：

步骤1：根据检查床尺寸以及磁共振系统的孔径确定鸟笼线圈横截面的长度以及宽度，通过共形变换拟合，得出曲线的参数表达式；

步骤2：确定鸟笼线圈的笼腿数量，得到变换后的笼腿坐标；

步骤3：计算/测量线圈网格的自感值以及网格间的互感值，构造电感矩阵；

步骤4：根据目标拉莫尔频率求解电耦合矩阵，计算端环以及笼腿电容值；

步骤5：将上述步骤所求值代入检验公式进行验证，检查该线圈的工作频率与其余共振频率的差值是否符合要求，若差值过近则需要重复上述步骤直至找到最优值；

步骤6：确定激励源位置，计算输出阻抗，搭建匹配电路；

步骤7：在得出的曲线参数表达式的基础上利用三维电磁软件建模，验证鸟笼线圈磁场均匀性以及谐振频率，若场均匀性未达到标准，进行数值优化，进而获得异形鸟笼线圈的参数。

5.根据权利要求4所述的用于磁共振成像系统的异形鸟笼线圈装置，其特征在于，所述检验公式为：

Ev＝λLv------------------------------[4]其中，E为电耦合矩阵，由鸟笼线圈端环以及笼腿上的电容值组成，L为电感矩阵，v为不同模式下网格电流的特征向量，λ为其对应的特征值。

6.根据权利要求4所述的用于磁共振成像系统的异形鸟笼线圈装置，其特征在于，还包括：

步骤8：根据所述异形鸟笼线圈的参数和结构制作异形鸟笼线圈主体，搭建匹配电路，巴伦电路；

步骤9：制作同轴巴伦，抑制共模电流；

步骤10:搭建氢核的失谐电路。

7.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的异形鸟笼线圈装置，其特征在于，所述基体上设有若干支架，所述基体通过若干支架支撑在检查床上。

8.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的异形鸟笼线圈装置，其特征在于，所述失谐电路包括在每一个位于笼腿的电容处并联的一二极管和电感作为陷波器，以及额外搭建的对二极管进行供电的一直流电路。

9.一种磁共振双核成像系统，其特征在于，包括磁共振氢核成像系统和根据权利要求1至8中任一项所述的用于磁共振成像系统的异形鸟笼线圈装置，所述异形鸟笼线圈装置用于为氢核之外的其他核素提供均匀的B1场。

10.根据权利要求9所述的磁共振双核成像系统，其特征在于，所述其他核素包括¹³C,¹⁹F,²³Na中的任一种。

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