CN116774119B - 一种基于超材料的双频磁共振射频线圈 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于超材料的双频磁共振射频线圈，涉及核磁共振成像技术领域。所述基于超材料的双频磁共振射频线圈包括由下向上依次设置的下端面铜环模块、电介质基板和上端面铜环模块；上端面铜环模块包括：由外向内嵌套的上端面最外层金属铜环以及上端面铜环单元，上端面铜环单元包括：由外向内嵌套的金属铜环子单元、内层方形开口铜环和内层圆形开口铜环；金属铜环子单元包括多个由外向内嵌套的金属铜环；下端面铜环模块包括：由外向内依次设置的下端面最外层金属铜环以及下端面铜环单元，下端面铜环单元为上端面铜环单元绕中心旋转90度得到的，所有铜环均开设开口。本发明可提高成像清晰度，降低炙热甚至灼伤的风险，具有高Q值。
Description
技术领域
本发明涉及核磁共振成像技术领域，特别是涉及一种基于超材料的双频磁共振射频线圈。
背景技术
磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)是一种高分辨力的非电离成像技术，具有出色的软组织对比度，是临床上常用的非侵入式诊断技术。射频线圈是磁共振系统中关键组件之一，他们工作在拉莫尔频率用于发射/接收磁共振信号。
1.5T磁共振成像由于其安全性高和造价成本低等优势，广泛应用于临床医学成像诊断治疗中，但其场强较低，导致成像清晰度不高且传统的微带谐振器表面线圈，射频磁场并不均匀且透射深度浅，影响成像质量。
在4.7T高场磁共振成像系统中，随着工作频率以及磁体场强的提高，射频涡流效应和驻波效应越发显著，导致射频磁场均匀性下降，比吸收率（Specific Absorptionrate，SAR）增加，使得射频线圈诱发炙热甚至灼伤的风险较高。
通过分割环形线圈并在间隙中添加集总电容器的方式能够增强磁场的均匀性并且实现调谐，但集总电容器中的等效串联电阻随频率增加，因此射频线圈品质因数Q值降低，导致信噪比下降、SAR增加、传输效率降低等不足，难以满足实际应用需求。
综上，现在亟需一种可以提高成像清晰度，降低炙热甚至灼伤的风险，且品质因数Q值高的射频线圈。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超材料的双频磁共振射频线圈，可提高成像清晰度，降低炙热甚至灼伤的风险，具有高Q值。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于超材料的双频磁共振射频线圈，包括：
由下向上依次设置的下端面铜环模块、电介质基板和上端面铜环模块；
所述上端面铜环模块包括：由外向内依次设置的上端面最外层金属铜环以及上端面铜环单元，所述上端面最外层金属铜环上开设两个开口，所述上端面铜环单元包括：由外向内依次设置的金属铜环子单元、内层方形开口铜环和内层圆形开口铜环；所述金属铜环子单元包括多个由外向内依次设置，且均开设一个开口的金属铜环，且所述金属铜环子单元内相邻金属铜环上的开口的位置相差180度；所述内层方形开口铜环和所述内层圆形开口铜环上均等间隔开设四个开口；所述内层方形开口铜环上开设的四个开口位于所述内层方形开口铜环的四条边上；
所述内层方形开口铜环的一条对角线、所述内层圆形开口铜环上两个相对开设的开口、所述上端面最外层金属铜环上的开口以及所述金属铜环子单元中所有金属铜环的开口均位于一条直线上；
所述下端面铜环模块包括：由外向内依次设置的下端面最外层金属铜环以及下端面铜环单元，所述下端面铜环单元为所述上端面铜环单元绕所述上端面铜环单元的中心旋转90度得到的；所述下端面最外层金属铜环上开设一个开口；所述下端面最外层金属铜环上开设的开口与所述下端面铜环单元上开设的开口位于一条直线上，且与所述下端面铜环单元中最外层的铜环上开设的开口的位置相差180度。
可选的，所述金属铜环子单元包括：由外向内依次设置的第二层金属铜环、第三层金属铜环以及第四层金属铜环；所述第二层金属铜环、所述第三层金属铜环和所述第四层金属铜环上均开设一个开口；所述第二层金属铜环上的开口的位置与所述第三层金属铜环上的开口的位置相差180度；所述第三层金属铜环上的开口的位置和所述第四层金属铜环上的开口的位置相差180度。
可选的，所述电介质基板、所述上端面最外层金属铜环、所述下端面最外层金属铜环、所述第二层金属铜环、所述第三层金属铜环和所述第四层金属铜环均为方形；
所述上端面最外层金属铜环上的开口位于四条边中任意两个对边上，所述下端面最外层金属铜环上的开口位于四条边中的一条边上，所述第二层金属铜环上的开口位于四条边中的一条边上，所述第三层金属铜环上的开口位于四条边中的一条边上，所述第四层金属铜环上的开口位于四条边中的一条边上；所述电介质基板的一条对角线、所述上端面最外层金属铜环的一条对角线、所述第二层金属铜环的一条对角线、所述第三层金属铜环的一条对角线和所述第四层金属铜环的一条对角线均位于一条直线上；
所述电介质基板的一条对角线、所述下端面最外层金属铜环的一条对角线与所述下端面铜环单元中任意一个金属铜环的一条对角线位于一条直线上。
可选的，所述上端面最外层金属铜环以及所述下端面最外层金属铜环的边长为110毫米，所述第二层金属铜环的边长为94毫米，所述第三层金属铜环的边长为78毫米，所述第四层金属铜环的边长为64毫米。
可选的，所述内层方形开口铜环的边长为78毫米，所述内层圆形开口铜环的外径为7毫米。
可选的，所述电介质基板的边长为115毫米。
可选的，所述电介质基板的材料为Arlon，型号为AD 250C。
可选的，所述电介质基板的厚度为0.7毫米。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过反向放置的多开口铜环组合的电感电容谐振结构能够有效提高射频线圈接收灵敏度，并且相邻两环之间的开口位置相差180度，使得两个开口反向放置的开口谐振环产生的电偶极矩相互抵消，内层方形开口铜环和内层圆形开口铜环的组合结构能够有效的分散纵向电场分量，产生更均匀的表面电流分布，有效避免了射频涡流效应导致的发热，具有更低的SAR值，所提出的射频线圈具有高Q值，并且在中心轴向上的磁场穿透性更强，提高成像质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于超材料的双频磁共振射频线圈的俯视图；
图2为本发明实施例提供的基于超材料的双频磁共振射频线圈的仰视图；
图3为本发明实施例提供的基于超材料的双频磁共振射频线圈的端口反射系数随频率变化曲线图；
图4为本发明实施例提供的基于超材料的双频磁共振射频线圈加载模型的示意图；
图5为本发明实施例提供的基于超材料的双频磁共振射频线圈应用于1.5T磁共振系统中工作在64MHz的沿模型YOX剖面的B1 +场分布图；
图6为传统1.5T开口环谐振器射频线圈工作在64MHz的沿模型YOX剖面的B1 +场分布图；
图7为本发明实施例提供的基于超材料的双频磁共振射频线圈应用于4.7T磁共振系统中工作在200MHz的沿模型YOX剖面的B1 +场分布图；
图8为传统4.7T开口环谐振器射频线圈工作在200MHz的沿模型YOX剖面的B1 +场分布图。
符号说明：
1-电介质基板，2-上端面最外层金属铜环，3-第二层金属铜环，4-第三层金属铜环，5-第四层金属铜环，6-内层方形开口铜环，7-内层圆形开口铜环，8-裂缝，9-下端面最外层金属铜环。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
近年来超材料由于其改善磁场的特性，逐渐被应用于磁共振成像中提高磁场均匀性，但超材料结构调谐较为困难，并且制作过程复杂，很难将其应用于射频线圈设计。如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种基于超材料的双频磁共振射频线圈，包括：
由下向上依次设置的下端面铜环模块、电介质基板1和上端面铜环模块；所述上端面铜环模块包括：由外向内依次设置的上端面最外层金属铜环2以及上端面铜环单元，所述上端面最外层金属铜环2上开设两个开口，所述上端面铜环单元包括：由外向内依次设置的金属铜环子单元、内层方形开口铜环6和内层圆形开口铜环7；所述金属铜环子单元包括多个由外向内依次设置，且均开设一个开口的金属铜环，且所述金属铜环子单元内相邻金属铜环上的开口的位置相差180度；所述内层方形开口铜环6和所述内层圆形开口铜环7上均等间隔开设四个开口；所述内层方形开口铜环6上开设的四个开口位于所述内层方形开口铜环6的四条边上。
所述内层方形开口铜环6的一条对角线、所述内层圆形开口铜环7上两个相对开设的开口、所述上端面最外层金属铜环2上的开口以及所述金属铜环子单元中所有金属铜环的开口均位于一条直线上，所述上端面最外层金属铜环2中与金属铜环子单元中最外层金属铜环上的开口处于相同位置的开口用于馈电。
所述下端面铜环模块包括：由外向内依次设置的下端面最外层金属铜环9以及下端面铜环单元，所述下端面铜环单元为所述上端面铜环单元绕所述上端面铜环单元的中心旋转90度得到的；所述下端面最外层金属铜环9上开设一个开口；所述下端面最外层金属铜环9上开设的开口与所述下端面铜环单元上开设的开口位于一条直线上，且与所述下端面铜环单元中最外层的铜环上开设的开口的位置相差180度。
在实际应用中，所述金属铜环子单元包括：由外向内依次设置的第二层金属铜环3、第三层金属铜环4以及第四层金属铜环5；所述第二层金属铜环3、所述第三层金属铜环4和所述第四层金属铜环5上均开设一个开口；所述第二层金属铜环3上的开口的位置与所述第三层金属铜环4上的开口的位置相差180度；所述第三层金属铜环4上的开口的位置和所述第四层金属铜环5上的开口的位置相差180度。
在实际应用中，所述电介质基板1、所述上端面最外层金属铜环2、所述下端面最外层金属铜环9、所述第二层金属铜环3、所述第三层金属铜环4和所述第四层金属铜环5均为方形；所述上端面最外层金属铜环2上的开口位于四条边中任意两个对边上，所述下端面最外层金属铜环9上的开口位于四条边中的一条边上，所述第二层金属铜环3上的开口位于四条边中的一条边上，所述第三层金属铜环4上的开口位于四条边中的一条边上，所述第四层金属铜环5上的开口位于四条边中的一条边上；所述电介质基板1的一条对角线、所述上端面最外层金属铜环2的一条对角线、所述第二层金属铜环3的一条对角线、所述第三层金属铜环4的一条对角线和所述第四层金属铜环5的一条对角线均位于一条直线上；所述电介质基板1的一条对角线、所述下端面最外层金属铜环9的一条对角线与所述下端面铜环单元中任意一个金属铜环的一条对角线位于一条直线上。
在实际应用中，所述上端面最外层金属铜环2以及所述下端面最外层金属铜环9的边长为110毫米，所述第二层金属铜环3的边长为94毫米，所述第三层金属铜环4的边长为78毫米，所述第四层金属铜环5的边长为64毫米。
在实际应用中，所述内层方形开口铜环6的边长为78毫米，所述内层圆形开口铜环7的外径为7毫米。
在实际应用中，所述电介质基板1的边长为115毫米。
在实际应用中，所述电介质基板1的材料为Arlon，型号为AD 250C。
在实际应用中，所述电介质基板1的厚度为0.7毫米。
本发明应用于1.5T磁共振成像中可以提高成像质量，应用于4.7T磁共振成像中降低灼伤风险，且具有高Q值，能够产生均匀磁场、低SAR值以及更强的透射深度。
本发明提供了一个更加具体的实施例对上述实施例提供的基于超材料的双频磁共振射频线圈进行详细说明：
步骤1：构建方形的电介质基板1。
初步构建方形电介质基板1，电介质基板1的组成材料为Arlon AD 250C，电介质基板1上下两个端面的金属环材料为铜。Arlon AD 250C的介电常数为2.5±5％，损耗角正切为0.02±5％，厚度h1=0.7mm，电介质基板1的边长d1=115mm。
步骤2：在电介质基板1两侧均设置相对旋转90°的多层方形开口铜环，在最内层设置中心对称布置的方形环和圆形环组合结构。
在电介质基板1上设计多层金属开口方形铜环，电介质基板1的相对面各印制四层金属开口环，并且在中心设置方形环嵌套圆形环的结构；其中，金属铜环的宽度，相邻两个金属铜环之间的间距/>，上端面最外层金属铜环2的边长/>，第二层金属铜环3的边长/>，第三层金属铜环4的边长，第四层金属铜环5的边长/>，内层方形开口铜环6的边长，内层圆形开口铜环7的外径/>。
在每个金属铜环上切割相应宽度的裂缝8（即上面实施例中的开口），电介质基板1上端面最外四层金属铜环各有一个裂缝8，并且相邻两环之间裂缝8位置相差180°，两个开口反向放置的开口谐振环所产生的电偶极矩会互相抵消；内层方形开口铜环6和内层圆形开口铜环7分别被4个裂缝8等分；其中，所述金属铜环的裂缝8的宽度。
步骤3：在电介质基板1一侧的最外层金属铜环中切割第二个裂缝8用以馈电。
在电介质基板1上端面最外层金属铜环2中切割第二个裂缝8用以离散端口激励馈电。
步骤4：电介质基板1下端面金属铜环结构与上端面金属铜环结构相对旋转90°。
如图2所示，所述电介质基板1下端面金属铜环结构与步骤2得到的上端面金属铜环结构相对旋转90°，然后再设置下端面最外层金属铜环9，通过分布式电容代替传统集总电容器，有效提高了品质因数并且使电流分布更加均匀。
步骤5：修改开口铜环宽度、间距、大小以及电介质基板1厚度，调整射频线圈工作频率为64MHz和200MHz。
通过调整各个方形开口铜环的铜线宽度、边长、间距以及电介质基板1的厚度，对射频线圈结构的等效电容和等效电感值进行调节，从而实现对射频线圈工作频率的调整。所述射频线圈工作频率为64MHz和200MHz，分别对应1.5T和4.7T MRI系统的拉莫尔频率，并优化反射系数S11<-15dB。
步骤6：分析射频线圈的端口反射系数随频率的变化关系。
如图3所示，本发明实施例提供的基于超材料的双频磁共振射频线圈在64MHz和200MHz两个频段均实现良好匹配，反射系数S11均低于-15dB，射频线圈在两个频段的品质因数分别为262和194，能够产生均匀射频磁场并且具有较高的灵敏度，能有效的接收磁共振信号，应用在1.5T和4.7T磁共振系统中提高信噪比和成像质量。
步骤7：设置模拟立方体模型，放置在射频线圈正下方。
如图4所示加载模型为立方体模型，边长，线圈距模型的距离；所述模型的介电常数为58.2，电导率为0.77S/m。
步骤8：分析射频线圈B1 +场分布图，并与传统开口环谐振器射频线圈比较。
如图5和图6所示，结果归一化为1W输入功率，本发明实施例提供的基于超材料的双频磁共振射频线圈在模型的浅表面区域能够激发均匀且高强度的射频磁场，本发明实施例提供的基于超材料的双频磁共振射频线圈以及传统1.5T开口环谐振器射频线圈的峰值B1 +场强度分别为8.721μT和2.763μT，由于中心方形环和圆形环的组合能够有效聚集磁场，沿着射频线圈中心的B1 +场透射深度最强，多层开口铜环结构能够产生更高的接收灵敏度和更均匀的磁场分布。
如图7和图8所示，本发明实施例提供的基于超材料的双频磁共振射频线圈与传统4.7T开口环谐振器射频线圈的峰值B1 +场强度分别为8.9μT和3.961μT，本发明所提出的射频线圈在磁场均匀性、覆盖面积以及磁场强度上显著提升。
步骤9：分析射频线圈的最大10g平均SAR值。
本发明实施例提供的基于超材料的双频磁共振射频线圈工作在64MHz和200MHz的最大10g平均SAR值分别为1.44W/kg和1.53W/kg，具有较低的SAR值，这是因为本发明实施例提供的基于超材料的双频磁共振射频线圈中心方形环和圆形环的组合结构能够有效分散纵向电场分量，具有更均匀的表面电流分布，有效避免了射频涡流效应导致的发热。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、目前针对射频表面线圈的设计基于普通的电感电容谐振电路，通过集总元件进行调谐，导致品质因数差和指向性等问题，从而进一步导致射频磁场均匀性差、透射深度低等问题。本发明实施例提供的基于超材料的双频磁共振射频线圈将超材料设计概念应用于射频线圈设计，具有超材料特性的双频磁共振射频线圈能够有效改善射频磁场的强度、均匀度和透射深度。
2、多开口铜环组合的电感电容谐振结构能够有效提高射频线圈接收灵敏度，中心方形环和圆形环的组合结构能够有效的分散纵向电场分量，从而降低SAR值并且在中心轴向上的磁场穿透性更强。本发明具有双频特性，能够有效应用与1.5T和4.7T磁共振成像，提高成像质量。
3、磁共振成像设备采集到的射频信号极其微弱，容易受到各种噪声的干扰，因此增强磁共振成像清晰度的关键在于增加信噪比（Signal to noise ratio SNR），其方式主要有两种，一种是通过增加静态磁场B0来获得更多的自旋氢原子，另一种方法则是增强射频线圈产生的B1 +场。因此在磁共振系统下，通过优化射频线圈来实现高的信噪比是低成本且更有效的方式，本发明提供的基于超材料的双频磁共振射频线圈B1 +场强度相比于1.5T和4.7T开口环谐振器射频线圈更强，接收灵敏度更高，所以本发明提供的基于超材料的双频磁共振射频线圈信噪比更强。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种基于超材料的双频磁共振射频线圈，其特征在于，包括：
由下向上依次设置的下端面铜环模块、电介质基板和上端面铜环模块；
所述上端面铜环模块包括：由外向内依次设置的上端面最外层金属铜环以及上端面铜环单元，所述上端面最外层金属铜环上开设两个开口，所述上端面铜环单元包括：由外向内依次设置的金属铜环子单元、内层方形开口铜环和内层圆形开口铜环；所述金属铜环子单元包括多个由外向内依次设置，且均开设一个开口的金属铜环，且所述金属铜环子单元内相邻金属铜环上的开口的位置相差180度；所述内层方形开口铜环和所述内层圆形开口铜环上均等间隔开设四个开口；所述内层方形开口铜环上开设的四个开口位于所述内层方形开口铜环的四条边上；
所述内层方形开口铜环的一条对角线、所述内层圆形开口铜环上两个相对开设的开口、所述上端面最外层金属铜环上的开口以及所述金属铜环子单元中所有金属铜环的开口均位于一条直线上；
所述下端面铜环模块包括：由外向内依次设置的下端面最外层金属铜环以及下端面铜环单元，所述下端面铜环单元为所述上端面铜环单元绕所述上端面铜环单元的中心旋转90度得到的；所述下端面最外层金属铜环上开设一个开口；所述下端面最外层金属铜环上开设的开口与所述下端面铜环单元上开设的开口位于一条直线上，且与所述下端面铜环单元中最外层的铜环上开设的开口的位置相差180度。
2.根据权利要求1所述的基于超材料的双频磁共振射频线圈，其特征在于，所述金属铜环子单元包括：由外向内依次设置的第二层金属铜环、第三层金属铜环以及第四层金属铜环；所述第二层金属铜环、所述第三层金属铜环和所述第四层金属铜环上均开设一个开口；所述第二层金属铜环上的开口的位置与所述第三层金属铜环上的开口的位置相差180度；所述第三层金属铜环上的开口的位置和所述第四层金属铜环上的开口的位置相差180度。
3.根据权利要求2所述的基于超材料的双频磁共振射频线圈，其特征在于，所述电介质基板、所述上端面最外层金属铜环、所述下端面最外层金属铜环、所述第二层金属铜环、所述第三层金属铜环和所述第四层金属铜环均为方形；
所述上端面最外层金属铜环上的开口位于四条边中任意两个对边上，所述下端面最外层金属铜环上的开口位于四条边中的一条边上，所述第二层金属铜环上的开口位于四条边中的一条边上，所述第三层金属铜环上的开口位于四条边中的一条边上，所述第四层金属铜环上的开口位于四条边中的一条边上；所述电介质基板的一条对角线、所述上端面最外层金属铜环的一条对角线、所述第二层金属铜环的一条对角线、所述第三层金属铜环的一条对角线和所述第四层金属铜环的一条对角线均位于一条直线上；
所述电介质基板的一条对角线、所述下端面最外层金属铜环的一条对角线与所述下端面铜环单元中任意一个金属铜环的一条对角线位于一条直线上。
4.根据权利要求3所述的基于超材料的双频磁共振射频线圈，其特征在于，所述上端面最外层金属铜环以及所述下端面最外层金属铜环的边长为110毫米，所述第二层金属铜环的边长为94毫米，所述第三层金属铜环的边长为78毫米，所述第四层金属铜环的边长为64毫米。
5.根据权利要求1所述的基于超材料的双频磁共振射频线圈，其特征在于，所述内层方形开口铜环的边长为78毫米，所述内层圆形开口铜环的外径为7毫米。
6.根据权利要求3所述的基于超材料的双频磁共振射频线圈，其特征在于，所述电介质基板的边长为115毫米。
7.根据权利要求1所述的基于超材料的双频磁共振射频线圈，其特征在于，所述电介质基板的材料为Arlon，型号为AD 250C。
8.根据权利要求1所述的基于超材料的双频磁共振射频线圈，其特征在于，所述电介质基板的厚度为0.7毫米。
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