RU220191U1

RU220191U1 - Radio Frequency Coil for Ultra High Field Magnetic Resonance Imaging

Info

Publication number: RU220191U1
Application number: RU2023112590U
Authority: RU
Inventors: Станислав Борисович Глыбовский; Кристина Игоревна Попова; Николай Олегович Лукъянов; Георгий Алексеевич Соломаха
Filing date: 2023-05-16
Publication date: 2023-08-31

Abstract

Полезная модель относится к медицинской технике и может использоваться в качестве приемопередающей радиочастотной (РЧ) катушки магнитно-резонансного (МР) томографа с уровнем постоянного магнитного поля не менее 9,4 Тл (соответствует рабочей частоте томографа 400 МГц) для получения изображений головного и спинного мозга в области шейного отдела позвоночника человека. Благодаря оптимальному взаимному расположению активных и пассивных вибраторных антенн на диэлектрическом корпусе, выполненном в форме соосных эллиптических цилиндров с соединенными боковыми поверхностями, и благодаря возможности согласования входного сопротивления активных вибраторных антенн с волновым сопротивлением коаксиальных кабелей, а также - применению катушек индуктивности с номиналом 30-50 нГн, включенных в разрывы проводников пассивных вибраторных антенн, достигается отношение амплитуд токов в центрах пассивного и активного вибраторов равное 0,4-0,8. Достигаемое указанное отношение амплитуд токов в сочетании с применением формы вибраторов с крючкообразными концами, обращенными друг к другу, в каждой из вибраторных антенн, а также расположением концов активных вибраторных антенн непосредственно у свободного края ближайшего к области шеи обеспечивает технический результат, заключающийся в обеспечении высокого уровня и равномерности пространственного распределения РЧ магнитного поля вдоль оси корпуса, позволяющий проводить МР томографию не только головного мозга, но и шейной области спинного мозга. The utility model relates to medical equipment and can be used as a transceiver radio frequency (RF) coil of a magnetic resonance (MR) tomograph with a constant magnetic field level of at least 9.4 Tesla (corresponding to the operating frequency of the tomograph 400 MHz) for obtaining images of the brain and spinal cord in the human cervical spine. Due to the optimal mutual arrangement of active and passive vibrator antennas on a dielectric housing made in the form of coaxial elliptical cylinders with connected side surfaces, and due to the possibility of matching the input impedance of active vibrator antennas with the characteristic impedance of coaxial cables, as well as the use of inductors with a nominal value of 30-50 nH included in the breaks in the conductors of passive vibrator antennas, a ratio of current amplitudes in the centers of the passive and active vibrators equal to 0.4-0.8 is achieved. The achieved specified ratio of current amplitudes in combination with the use of the form of vibrators with hook-shaped ends facing each other in each of the vibrator antennas, as well as the location of the ends of the active vibrator antennas directly at the free edge closest to the neck area, provides a technical result consisting in providing a high level of and the uniformity of the spatial distribution of the RF magnetic field along the axis of the body, allowing for MR imaging not only of the brain, but also of the cervical region of the spinal cord.

Description

Полезная модель относится к медицинской технике и может использоваться в качестве приемопередающей радиочастотной (РЧ) катушки магнитно-резонансного (МР) томографа с уровнем постоянного магнитного поля не менее 9,4 Тл (соответствует рабочей частоте томографа 400 МГц) для получения изображений головного и спинного мозга в области шейного отдела позвоночника человека.The utility model relates to medical equipment and can be used as a transceiver radio frequency (RF) coil of a magnetic resonance (MR) tomograph with a constant magnetic field level of at least 9.4 Tesla (corresponding to the operating frequency of the tomograph 400 MHz) for obtaining images of the brain and spinal cord in the human cervical spine.

Известна РЧ катушка для применения в магнитно-резонансной томографии сверхвысокого поля головного мозга человека (Avdievich NI et al, “Decoupling of a double-row 16-element tight-fit transceiver phased array for human whole-brain imaging at 9.4 T”, NMR in Biomed. 2018 July; 31(9)) в виде двухрядной шестнадцатиканальной решетки на основе рамочных антенн, развязанных с помощью частичного перекрытия между контурами элементов Рамочные антенны состоят из проводников, в разрывах которых включены конденсаторы, используемые для настройки РЧ катушки на рабочую частоту и снижения уровня удельного коэффициента поглощения электромагнитной энергии близлежащими тканями тела человека.An RF coil is known for use in ultra-high field magnetic resonance imaging of the human brain (Avdievich NI et al, “Decoupling of a double-row 16-element tight-fit transceiver phased array for human whole-brain imaging at 9.4 T”, NMR in Biomed. 2018 July; 31(9)) in the form of a two-row sixteen-channel array based on loop antennas, decoupled by partial overlap between the contours of the elements. Loop antennas consist of conductors, in the breaks of which capacitors are included, used to tune the RF coil to the operating frequency and reduce the level of specific absorption coefficient of electromagnetic energy by nearby tissues of the human body.

Недостатком данного технического решения является то, что данная РЧ катушка создает РЧ магнитное поле, наибольшая интенсивность которого в центре головы, спадает по амплитуде в области шейного отдела позвоночника, что приводит к неоднородности получаемых изображений спинного мозга в соответствующей области. The disadvantage of this technical solution is that this RF coil creates an RF magnetic field, the highest intensity of which is in the center of the head, and decreases in amplitude in the region of the cervical spine, which leads to heterogeneity in the resulting images of the spinal cord in the corresponding area.

Наиболее близким известным устройством к предлагаемому и выбранным в качестве прототипа является РЧ катушка для магнитно-резонансной томографии сверхвысокого поля головы человека (Avdievich NI et al, “Unshielded bent folded-end dipole 9.4 T human head transceiver array decoupled using modified passive dipoles”, Magn Reson Med. 2021 Feb; 86(1): 581-597), состоящая из равномерно размещенных на внешней поверхности корпуса восьми пар активных и пассивных вибраторных антенн, каждая из которых выполнена из двух медных проводов диаметром 1-2 мм с ориентированными перпендикулярно поверхности корпуса крючкообразными концами, обращенными друг к другу, общей длиной 60-70 мм. Корпус с высотой образующей около 320 мм изготовлен из диэлектрического материала толщиной 2-4 мм, имеет форму соосных эллиптических цилиндров, с соединенными боковыми поверхностями, при этом полуоси эллипса цилиндра, ближайшего к шейному отделу позвоночника человека при работе устройства, примерно равны 100 мм и 115 мм, а его высота – 120-130 мм, размеры полуосей эллипса цилиндра, противоположного области шеи, такой же высоты – около 75 мм и 90 мм. Активные вибраторные антенны ориентированы вдоль образующей цилиндров, а в разрывы, расположенные в центре их проводников, включены цепи согласования, соединенные с помощью коаксиальных кабелей с приемопередающим трактом МР томографа. Пассивные вибраторные антенны размещены ортогонально активным вибраторным антеннам и расположены между концами соседних активных вибраторных антенн, при этом положения пассивных вибраторных антенн чередуются относительно концов активных вибраторных антенн. В разрывы проводников пассивных вибраторных антенн включены катушки индуктивности.The closest known device to the proposed one and chosen as a prototype is an RF coil for ultra-high field magnetic resonance imaging of the human head (Avdievich NI et al, “Unshielded bent folded-end dipole 9.4 T human head transceiver array decoupled using modified passive dipoles”, Magn Reson Med. 2021 Feb; 86(1): 581-597), consisting of eight pairs of active and passive vibrator antennas evenly placed on the outer surface of the housing, each of which is made of two copper wires with a diameter of 1-2 mm oriented perpendicular to the surface of the housing hook-shaped ends facing each other, with a total length of 60-70 mm. The body with a generatrix height of about 320 mm is made of dielectric material with a thickness of 2-4 mm, has the shape of coaxial elliptical cylinders, with connected side surfaces, while the semi-axes of the ellipse of the cylinder closest to the human cervical spine when the device is operating are approximately equal to 100 mm and 115 mm, and its height is 120-130 mm, the dimensions of the semi-axes of the cylinder ellipse opposite the neck area of the same height are about 75 mm and 90 mm. Active vibrator antennas are oriented along the generatrix of the cylinders, and the gaps located in the center of their conductors include matching circuits connected via coaxial cables to the transmit-receive path of the MR tomograph. Passive dipole antennas are placed orthogonal to the active dipole antennas and located between the ends of adjacent active dipole antennas, while the positions of the passive dipole antennas alternate relative to the ends of the active dipole antennas. Inductors are included in the breaks in the conductors of passive vibrator antennas.

Недостатком данной РЧ катушки является то, что она не обеспечивает равномерного, и при этом - достаточно высокого уровня РЧ магнитного поля в области головы, а также в шейном отделе спинного мозга и, как следствие - невозможность получения однородного изображения всей указанной области в целом.The disadvantage of this RF coil is that it does not provide a uniform, and at the same time, a sufficiently high level of RF magnetic field in the head area, as well as in the cervical spinal cord and, as a consequence, the impossibility of obtaining a uniform image of the entire specified area as a whole.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является улучшение качества получаемого изображения головного мозга и шейной области спинного мозга.The problem to be solved by the proposed utility model is to improve the quality of the resulting image of the brain and cervical region of the spinal cord.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в обеспечении высокого уровня и равномерности пространственного распределения РЧ магнитного поля вдоль оси корпуса.The problem is solved by achieving a technical result, which consists in ensuring a high level and uniformity of the spatial distribution of the RF magnetic field along the axis of the housing.

Данный технический результат достигается тем, что радиочастотная катушка для магнитно-резонансной томографии сверхвысокого поля, состоящая из корпуса с высотой образующей около 320 мм, изготовленного из диэлектрического материала толщиной 2-4 мм, в форме соосных эллиптических цилиндров с соединенными боковыми поверхностями, полуоси эллипса ближайшего к шейному отделу позвоночника человека цилиндра с вырезом для носа примерно равны 100 мм и 115 мм, а его высота – 120-130 мм, размеры полуосей эллипса цилиндра, расположенного в отдалении от области шеи, такой же высоты – около 75 мм и 90 мм, на внешней поверхности корпуса равномерно размещены восемь пар активных и пассивных вибраторных антенн, каждая из которых выполнена из двух немагнитных металлических проводов диаметром 1-2 мм, с ориентированными перпендикулярно поверхности корпуса крючкообразными концами, обращенными друг к другу, общей длиной 60-70 мм, при этом активные вибраторные антенны ориентированы вдоль высоты образующей цилиндра, а в разрывы их проводников включены цепи согласования, соединенные с помощью коаксиальных кабелей с приемопередающим трактом МР томографа, в пассивных вибраторных антеннах в разрывы их проводов включены катушки индуктивности, отличается тем, что концы активных вибраторных антенн расположены непосредственно у свободного края ближайшего к области шеи цилиндра, полная длина активных и пассивных вибраторных антенн вместе с их крючкообразными концами составляет 240-260 мм, пассивные вибраторные антенны установлены параллельно активным вибраторным антеннам на расстоянии 5-15 мм со сдвигом на 80-110 мм в сторону эллиптического цилиндра, удаленного от области шеи, и частичным расположением на нем, катушки индуктивности, включенные в разрывы проводников пассивных вибраторных антенн, имеют индуктивность 30-50 нГн.This technical result is achieved by the fact that a radio frequency coil for ultra-high field magnetic resonance imaging, consisting of a housing with a generatrix height of about 320 mm, made of dielectric material 2-4 mm thick, in the form of coaxial elliptical cylinders with connected side surfaces, the semi-axis of the nearest ellipse to the cervical spine of a person, the cylinder with a cutout for the nose is approximately equal to 100 mm and 115 mm, and its height is 120-130 mm, the dimensions of the semi-axes of the ellipse of the cylinder, located away from the neck area, of the same height are about 75 mm and 90 mm, Eight pairs of active and passive vibrator antennas are evenly placed on the outer surface of the housing, each of which is made of two non-magnetic metal wires with a diameter of 1-2 mm, with hook-shaped ends oriented perpendicular to the surface of the housing, facing each other, with a total length of 60-70 mm, with In this case, active vibrator antennas are oriented along the height of the generatrix of the cylinder, and the breaks in their conductors include matching circuits connected via coaxial cables to the transceiver path of the MR tomograph; in passive vibrator antennas, inductance coils are included in the breaks in their wires; the difference is that the ends of the active vibrator antennas located directly at the free edge of the cylinder closest to the neck area, the total length of the active and passive vibrator antennas together with their hook-shaped ends is 240-260 mm, passive vibrator antennas are installed parallel to the active vibrator antennas at a distance of 5-15 mm with a shift of 80-110 mm towards the elliptical cylinder, distant from the neck area, and partially located on it, the inductors included in the breaks in the conductors of passive vibrator antennas have an inductance of 30-50 nH.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется фигурой, на которой изображен вид устройства с лицевой стороны. Устройство состоит из корпуса 1 высотой около 320 мм, изготовленного из диэлектрического материала толщиной 2-4 мм, в форме соосных эллиптических цилиндров 2 и 3 с соединенными боковыми поверхностями с помощью поверхности 4. Полуоси эллипса цилиндра 2, ближайшего к шейному отделу позвоночника человека при работе устройства, примерно равны 100 мм и 115 мм, а высота его образующей – 120-130 мм, размеры полуосей эллипса цилиндра 3, расположенного в отдалении от области шеи, такой же высоты – около 75 мм и 90 мм. На внешней поверхности корпуса 1 равномерно размещены восемь пар активных 5 и пассивных 6 вибраторных антенн с полной длиной - 240-260 мм. Каждая антенна 5 и 6 выполнена из двух немагнитных металлических проводов диаметром 1-2 мм с ориентированными перпендикулярно поверхности корпуса 1 крючкообразными концами 7 общей длиной 60-70 мм. Концы активных вибраторных антенн 5 расположены непосредственно у свободного края ближайшего к области шеи цилиндра 2. Антенны 5 ориентированы вдоль высоты образующей цилиндра 2, а в разрывы их проводов включены цепи согласования 8, соединенные с помощью коаксиальных кабелей 9 с приемопередающим трактом МР томографа. Пассивные вибраторные антенны 6 установлены параллельно активным вибраторным антеннам 5 на расстоянии 5-15 мм со сдвигом на 80-110 мм в сторону эллиптического цилиндра 3, наиболее удаленного от области шеи, и частичным расположением на нем, в пассивных вибраторных антеннах 6 в разрывы проводников включены катушки индуктивности 10 с номиналом 30-50 нГн.The essence of the claimed utility model is illustrated by the figure, which shows a view of the device from the front side. The device consists of a body 1 with a height of about 320 mm, made of dielectric material with a thickness of 2-4 mm, in the form of coaxial elliptical cylinders 2 and 3 with connected side surfaces using surface 4. The semi-axes of the ellipse of the cylinder 2 closest to the human cervical spine during operation devices are approximately equal to 100 mm and 115 mm, and the height of its generatrix is 120-130 mm, the dimensions of the semi-axes of the ellipse of cylinder 3, located away from the neck area, of the same height are about 75 mm and 90 mm. Eight pairs of active 5 and passive 6 vibrator antennas with a total length of 240-260 mm are evenly placed on the outer surface of the housing 1. Each antenna 5 and 6 is made of two non-magnetic metal wires with a diameter of 1-2 mm with hook-shaped ends 7 oriented perpendicular to the surface of the housing 1 with a total length of 60-70 mm. The ends of the active vibrator antennas 5 are located directly at the free edge of the cylinder 2 closest to the neck area. The antennas 5 are oriented along the height of the generatrix of the cylinder 2, and the breaks in their wires include matching circuits 8, connected via coaxial cables 9 to the transmit-receive path of the MR tomograph. Passive vibrator antennas 6 are installed parallel to active vibrator antennas 5 at a distance of 5-15 mm with a shift of 80-110 mm towards the elliptical cylinder 3, farthest from the neck area, and partially located on it; in passive vibrator antennas 6, conductor breaks are included 10 inductors with a rating of 30-50 nH.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Возникающее РЧ магнитное поле при протекании тока в активных вибраторных антеннах 5 при подаче РЧ импульсов с приемопередающего тракта МР томографа через коаксиальные кабели 9 на активные вибраторные антенны 5 и цепи согласования 8 наводит индукционные токи в пассивных вибраторных антеннах 6. Расположение пассивных вибраторных антенн 6 параллельно активным вибраторным антеннам 5 обеспечивает высокую амплитуду РЧ магнитного поля при заданной поданной мощности, а длина вибраторных антенн 5 и 6 240-260 мм содействует его равномерному распределению в пространстве вдоль оси корпуса. Схема согласования 8 служит для трансформации входного импеданса антенного элемента к волновому сопротивлению коаксиального кабеля 9, что исключает снижение уровня РЧ магнитного поля за счет потерь на отражение. Многочисленные эксперименты и компьютерное моделирование показали, что наилучшая равномерность распределения РЧ магнитного поля внутри объема диэлектрического корпуса 1 обеспечивается при отношении амплитуд токов в центрах пассивного 6 и активного 5 вибраторов равном 0,4-0,8. При этом индуктивность катушек 10, включенных в разрывы проводников пассивных вибраторных антенн 6, оказалась равной 30-50 нГн, сдвиг пассивных вибраторных антенн 6 в продольном направлении (по отношению к образующим цилиндров корпуса) в сторону, противоположную области шеи, относительно активных вибраторных антенн 5 составил 80-110 мм, а расстояние между антеннами 5 и 6 в поперечном направлении – 5-15 мм. Требуемое отношение амплитуд токов для равномерного распределения РЧ магнитного поля в шейной области спинного мозга достигается благодаря расположению концов 7 активных вибраторных антенн 5 непосредственно у свободного края ближайшего к шейному отделу позвоночника цилиндра 2. Крючкообразные концы 7, обращенные друг к другу, в каждой из вибраторных антенн 5 и 6, увеличивают емкость в антенне и улучшают равномерность пространственного распределения амплитуды тока вдоль незагнутых отрезков их проводников, улучшая тем самым равномерность распределения РЧ магнитного поля вдоль оси всего корпуса. В результате работы РЧ катушки в режиме передачи происходит прецессия спинов с Ларморовой частотой в головном мозге и в шейной области спинного мозга. The RF magnetic field that arises when current flows in the active vibrator antennas 5 when RF pulses are supplied from the transmit-receive path of the MR tomograph through coaxial cables 9 to the active vibrator antennas 5 and the matching circuit 8 induces induction currents in the passive vibrator antennas 6. The location of the passive vibrator antennas 6 is parallel to the active ones vibrator antennas 5 provides a high amplitude of the RF magnetic field at a given applied power, and the length of vibrator antennas 5 and 6, 240-260 mm, contributes to its uniform distribution in space along the axis of the housing. The matching circuit 8 serves to transform the input impedance of the antenna element to the characteristic impedance of the coaxial cable 9, which eliminates the reduction in the level of the RF magnetic field due to reflection losses. Numerous experiments and computer modeling have shown that the best uniformity of the distribution of the RF magnetic field inside the volume of the dielectric housing 1 is ensured when the ratio of current amplitudes in the centers of the passive 6 and active 5 vibrators is equal to 0.4-0.8. In this case, the inductance of the coils 10, included in the breaks in the conductors of the passive vibrator antennas 6, turned out to be equal to 30-50 nH, the shift of the passive vibrator antennas 6 in the longitudinal direction (relative to the generatrices of the body cylinders) in the direction opposite to the neck area, relative to the active vibrator antennas 5 was 80-110 mm, and the distance between antennas 5 and 6 in the transverse direction was 5-15 mm. The required ratio of current amplitudes for uniform distribution of the RF magnetic field in the cervical region of the spinal cord is achieved due to the location of the ends of 7 active vibrator antennas 5 directly at the free edge of the cylinder 2 closest to the cervical spine. Hook-shaped ends 7 facing each other in each of the vibrator antennas 5 and 6, increase the capacitance in the antenna and improve the uniformity of the spatial distribution of the current amplitude along the unbent sections of their conductors, thereby improving the uniformity of the RF magnetic field distribution along the axis of the entire housing. As a result of the RF coil operating in transmit mode, spin precession occurs at the Larmor frequency in the brain and in the cervical region of the spinal cord.

В режиме приема РЧ катушка работает в обратной последовательности. Сигнал отклика, возникающего в объекте сканирования, наводит сигнал в вибраторных антеннах 5 и 6. Далее через цепь согласования 8 сигнал отклика через коаксиальные кабели 9, которые в данном случае являются выходами РЧ катушки, поступает на приемопередающий тракт МР томографа для обработки и построения МР-изображения. In receive mode, the RF coil operates in reverse order. The response signal arising in the scanned object induces a signal in the vibrator antennas 5 and 6. Then, through the matching circuit 8, the response signal through coaxial cables 9, which in this case are the outputs of the RF coil, is supplied to the transmit-receive path of the MR tomograph for processing and construction of the MR tomograph. Images.

Таким образом, благодаря достижению технического результата, заключающегося в обеспечении высокого уровня и равномерности пространственного распределения РЧ магнитного поля вдоль оси корпуса, возможна МР томография не только головного мозга, но и шейной области спинного мозга.Thus, thanks to the achievement of the technical result, which consists in ensuring a high level and uniformity of the spatial distribution of the RF magnetic field along the axis of the body, MR imaging is possible not only of the brain, but also of the cervical region of the spinal cord.

Claims

Radiofrequency coil for ultra-high-field magnetic resonance imaging, consisting of a body with a height of 320 mm, made of dielectric material 2-4 mm thick, in the form of coaxial elliptical cylinders with connected side surfaces, the semi-axis of the ellipse of the cylinder closest to the human cervical spine, with a cutout for the nose, are equal to 100 and 115 mm, and its height is 120-130 mm, the cylinder located away from the neck area is the same height, and the dimensions of the semi-axes of the cylinder ellipse are equal to 75 and 90 mm, eight pairs are evenly placed on the outer surface of the body active and passive vibrator antennas, each of which is made of two non-magnetic metal wires with a diameter of 1-2 mm, with hook-shaped ends oriented perpendicular to the surface of the body, facing each other, with a total length of 60-70 mm, while the active vibrator antennas are oriented along the height of the generatrix cylinder, and the breaks in their conductors include matching circuits connected via coaxial cables to the transmit-receive path of the MR tomograph; in passive vibrator antennas, the breaks in their wires include inductance coils, characterized in that the ends of the active vibrator antennas are located directly at the free edge closest to the area neck of the cylinder, the total length of active and passive vibrator antennas together with their hook-shaped ends is 240-260 mm, passive vibrator antennas are installed parallel to the active vibrator antennas at a distance of 5-15 mm with a shift of 80-110 mm towards the elliptical cylinder distant from the area neck, and partially located on it, the inductors included in the breaks in the conductors of passive vibrator antennas have an inductance of 30-50 nH.