低場(chǎng)磁共振成像儀陣列接收線圈的設(shè)計(jì)

溫楨榮，孫惠軍，豐 偉，陳 忠

（廈門(mén)大學(xué) 電子科學(xué)系，福建 廈門(mén) 361005）

低場(chǎng)磁共振成像儀陣列接收線圈的設(shè)計(jì)

溫楨榮，孫惠軍，豐 偉，陳 忠

（廈門(mén)大學(xué) 電子科學(xué)系，福建 廈門(mén) 361005）

多通道射頻線圈因其能提高圖像信噪比在磁共振成像中有越來(lái)越多的應(yīng)用。為了解決多通道射頻接收線圈中回路之間信號(hào)耦合問(wèn)題，在Wu B等提出LC去耦網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上提出了一種適用于圓柱面陣列射頻接收線圈的去耦電路。在每個(gè)通道之間通過(guò)電感進(jìn)行連接，并且用銅線連接四個(gè)通道的線圈形成等參考電位點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了用于0.5 T磁共振關(guān)節(jié)成像儀的四通道射頻接收線圈，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，每個(gè)接收線圈之間有較好的隔離度（-19～-32 dB），驗(yàn)證了該方法去耦可以達(dá)到較好的效果。

磁共振成像；射頻線圈；陣列線圈；去耦合

磁共振成像MRI（Magnetic Resonance Imaging）因其具有高分辨率、無(wú)損檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)療診斷[1]。射頻線圈（RF Coil）是磁共振成像儀中發(fā)射和接收信號(hào)的部件，作為磁共振系統(tǒng)的重要組成部分，，其性能是決定磁共振成像質(zhì)量的重要因素[2-3]。磁共振多通道線圈技術(shù)最初由P.B.Roemer在1990年提出[4]，它在提高敏感度的同時(shí)能夠獲得一個(gè)比較大的成像區(qū)域，不過(guò)陣列線圈存在一個(gè)很大的問(wèn)題在于，其每個(gè)通道之間會(huì)相互耦合，從而導(dǎo)致線圈的諧振頻率發(fā)生分裂使得拉莫爾諧振頻率偏移。當(dāng)前已有多種方法用于消除線圈之間的耦合，主要包括相鄰線圈重疊去耦、利用低輸入阻抗前置放大器去耦和利用去耦電路消除耦合方法[5]。相鄰線圈重疊去耦法在實(shí)際應(yīng)用中很難調(diào)試，它只能夠消除相鄰射頻線圈之間的耦合，不相鄰射頻線圈之間的耦合無(wú)法消除。利用低輸入阻抗前置放大器去耦方法對(duì)于前置放大器的性能要求比較高，而且去耦效果不徹底，一般要結(jié)合相鄰線圈重疊去耦方法。最近一些年來(lái)，由電感及電容元件組成的LC去耦網(wǎng)絡(luò)被用于接收線圈之間的去耦[6-11]，用此種去耦方法在消除相鄰回路之間耦合的同時(shí)也能夠消除非相鄰回路之間的耦合。

文中設(shè)計(jì)了接收線圈電感網(wǎng)絡(luò)去耦模型，并將該模型應(yīng)用于我們所設(shè)計(jì)的圓柱面四通道陣列接收線圈并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)際測(cè)量相關(guān)S參數(shù)，證明了該去耦網(wǎng)絡(luò)模型的去耦效果。

1 線圈的設(shè)計(jì)制作

1.1 線圈的結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計(jì)制作的四通道陣列接收線圈適用于0.5 T開(kāi)放式垂直場(chǎng)永磁體人體手部關(guān)節(jié)成像儀。表面線圈是一種放置在被測(cè)物體表面的射頻線圈，與體線圈在成像區(qū)域產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)不同，它犧牲磁場(chǎng)均勻性而使它在成像區(qū)域內(nèi)的信噪比最大化[12]。因此，為了提高圖像質(zhì)量，我們4個(gè)接收通道都采用表面線圈。

四通道接收線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，采用4個(gè)相同結(jié)構(gòu)的矩形表面線圈在空間上均勻分布在外徑為12 cm的圓柱形有機(jī)玻璃管的表面上。矩形表面線圈的長(zhǎng)和寬分別為10 cm和8 cm。

圖1 四通道接收線圈結(jié)構(gòu)圖

1.2 線圈之間去耦

為了保證陣列線圈每個(gè)通道獨(dú)立的調(diào)諧和匹配，去除各接收線圈之間的耦合是設(shè)計(jì)陣列線圈時(shí)需要考慮的重要因素。經(jīng)典的去耦技術(shù)是重疊相鄰回路線圈配合低輸入阻抗前置放大器，不過(guò)該方法對(duì)于并行成像并不是很適用。文中我們采用在線圈回路之間插入電感網(wǎng)絡(luò)消除耦合，此種方法不僅能消除相鄰線圈之間的耦合，對(duì)于不相鄰線圈也同樣適用[13]。該方法最初是由Lian J等人在兩個(gè)接收線圈之間插入電容或者電感來(lái)用于兩通道乳腺接收線圈之間的耦合[14]。Wu B等人對(duì)于Lian J等人提出的去耦方法進(jìn)行分析[11]，并且對(duì)線圈之間的耦合模式作了一些討論。不過(guò)這些文獻(xiàn)均未討論圓柱形表面陣列接收線圈的電感網(wǎng)絡(luò)的去耦方法，基于Wu B等人對(duì)LC去耦網(wǎng)絡(luò)的討論，結(jié)合表面線圈的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種電感網(wǎng)絡(luò)去耦電路。

為接收線圈設(shè)計(jì)的去耦電路如圖2圖3所示，圖中矩形實(shí)線部分表示厚度為0.1 mm，寬度為10 mm的紫銅帶，其中圖2用于消除相鄰接收線圈之間的耦合，圖3用于消除不相鄰的兩個(gè)接收線圈對(duì)之間的耦合。我們?cè)趦蓚€(gè)接收線圈之間連接電感Ld，選擇合適的電感值能夠使得兩個(gè)接收線圈因?yàn)轳詈隙逊值念l率合并而消除耦合，同時(shí)兩線圈之間還連接一條銅導(dǎo)線使得兩個(gè)接收線圈之間能夠形成一個(gè)等參考電壓點(diǎn)。

圖2 相鄰線圈去耦電路

圖3 不相鄰線圈的去耦電路

1.3 線圈制作

圖4 四通道接收線圈電實(shí)物圖

按照?qǐng)D1設(shè)計(jì)的線圈結(jié)構(gòu)模型和圖2圖3設(shè)計(jì)的去耦電路模型，制作了四通道接收原型線圈，如圖4所示。線圈及電路板均布在無(wú)磁性且直徑為12 cm的有機(jī)玻璃管上，4個(gè)表面接收線圈的中心點(diǎn)布在有機(jī)玻璃管縱向的中心位置，線圈的一邊連接用于消除各通道之間耦合的電感網(wǎng)絡(luò)，另一邊連接著調(diào)諧匹配電路。

線圈的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中固定電容選用美國(guó)陶瓷公司生產(chǎn)的100B系列。CM和CT都是可變電容，它們固定在FR-4的PCB板上組成的調(diào)諧匹配電路用于線圈回路與同軸電纜相連。選擇合適的Ca、Cb和Cc值，使得它們與銅帶組成LC振蕩電路，同時(shí)調(diào)節(jié)可變電容CM和CT使得射頻接收線圈諧振在拉莫共振頻率。為了消除接收線圈與發(fā)射線圈之間的耦合，每個(gè)接收線圈都采用被動(dòng)失諧的辦法，電容Ca與兩個(gè)反向并聯(lián)的BAV99開(kāi)關(guān)二極管D1和D2以及電感LT組成失諧保護(hù)電路，在射頻信號(hào)發(fā)射期間，D1和D2導(dǎo)通，Ca與LT并聯(lián)諧振形成高阻抗，選擇合適的LT值使得它諧振在21.3 MHz。每個(gè)線圈Cb和Cc中間處都用細(xì)線連接形成等電位參考點(diǎn)，L12，L23，L34和L14分別用來(lái)消除相鄰兩個(gè)線圈之間的耦合，而L13和L24用來(lái)消除不相鄰線圈之間的耦合。

圖5 四通道接收線圈電路模型

2 測(cè) 試

文中運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)分析儀AgilentE8362B對(duì)射頻線圈進(jìn)行調(diào)試，圖6（a）圖是相鄰兩個(gè)接收線圈在未連接電感去耦網(wǎng)絡(luò)時(shí)的S參數(shù)，此時(shí)由于耦合作用使頻率發(fā)生裂分；（b）圖中是引入電感去耦網(wǎng)絡(luò)后的S參數(shù)，在21.3 MHz，S11能達(dá)到低于-35 dB，S12低于-30 dB。

4個(gè)通道實(shí)測(cè)S參數(shù)如表1所示，在射頻線圈設(shè)計(jì)時(shí)，S11參數(shù)越低則信噪比（SNR）越高，成像效果越好[12]。由表可知，4個(gè)通道的S11參數(shù)分別為-35 dB、-35 dB、-28 dB和-30 dB，均低于-25 dB。Sij（i≠j，i，j=1，2，3，4）表示第i通道線圈與j通道線圈的隔離程度，其值越低表示表面線圈之間的去耦效果越好，該參數(shù)在實(shí)踐中一般低于-15 dB。表1中的結(jié)果表明各線圈之間的隔離度均小于-15 dB，因此通過(guò)電感回路能夠比較好的消除線圈之間的耦合。

圖6 去耦前后的S參數(shù)

表1 在21.3 MHz線圈的S參數(shù)測(cè)量結(jié)果/dB

3 結(jié)束語(yǔ)

文中闡述了在線圈之間用L/C網(wǎng)絡(luò)消除耦合的理論模型，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，在線圈之間加入電感網(wǎng)絡(luò)消除回路之間的耦合，通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了該方法的可行性并達(dá)到了良好的效果。不過(guò)由于每?jī)蓚€(gè)線圈之間都要用電感元件連接并引入公用參考端才能去耦，當(dāng)接收線圈通道數(shù)比較多時(shí)，電感去耦網(wǎng)絡(luò)變得比較復(fù)雜且在實(shí)踐過(guò)程中難以調(diào)試，應(yīng)選擇其他去耦方式消除線圈之間的耦合[15]。

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Four-channel RF Coil decoupling in MRI

WEN Zhen-rong，SUN Hui-jun，F(xiàn)ENG Wei，CHEN Zhong
（Department of Electronic Science，Xiamen University，Xiamen 361005，China）

Multichannel coil arrays are increasingly being used to improve signal-to-noise ratio in magnetic resonance imaging（MRI）.To solve signal interference among RF channels in MRI phased array，based on Wu B's LC decoupling network，we designed a decoupling circuit for cylinder surface received arrays.We connected every two arrays with an inductor，a connecting ground line is also plased between the coils to provide a common reference point.A four-channel RF receive coil was made for 0.5T MRI system，experimental results show that there are good isolation（-19～-32 dB）between coil elements and good decoupling effect can be achieved.

magnetic resonance imaging（MRI）；RF Coils；phased array coils；decoupling

O482.53

：A

：1674-6236（2017）03-0096-04

2016-03-07稿件編號(hào)：201603067

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11475142）

溫楨榮（1990—），男，福建龍巖人，碩士研究生。研究方向：核磁共振儀器研制。