一種用于7T 磁共振成像的新型寬邊耦合開口諧振器射頻線圈

李宏偉（通信作者）

大慶油田總醫院 （黑龍江大慶 163001）

磁共振成像是一種高分辨力的非電離成像技術，具有出色的軟組織對比度，是臨床上重要的非侵入性醫學診斷方法之一[1-2]。射頻線圈是磁共振成像系統的關鍵部件之一，用于激發和接收射頻信號。為了獲得高質量的成像結果，射頻線圈必須在整個成像體積內產生均勻的射頻磁場，同時限制其輻射損失[3-4]。高靜磁場強度B0有利于提高圖像信噪比，從而提高磁共振成像的時空分辨力[5-6]；但隨著B0的提升，當組織中的波長短于成像物體的尺寸時，會出現顯著的磁場不均勻現象。比吸收率（specific absorption rate，SAR）是評價射頻線圈性能的關鍵參數，其數值通常隨著B0強度的增加而提高。成像對象中均勻的射頻磁場B1分布和臨床可接受的SAR 是設計高場射頻線圈的兩個主要挑戰。隨著拉莫爾頻率的增加，準靜態近似失效，基于全波電磁仿真的數值模擬在設計和評估高場射頻線圈的性能方面變得至關重要。

傳統的微帶諧振器具有低輻射損耗的優點，但其缺點是射頻磁場不均勻，影響成像質量[7]；沿傳輸線調制電流可以產生比傳統微帶諧振器更均勻的磁場，這種新型微帶諧振器被稱為交替阻抗微帶諧振器[8-10]；但交替阻抗微帶諧振器的峰值SAR高于傳統微帶諧振器，其發生炙熱甚至灼傷的風險較高，不利于臨床推廣應用。磁場不均勻的解決方案之一是通過分割環形線圈并在間隙中添加集總電容器，但集總電容器中的等效串聯電阻隨頻率增加，因此在高場下射頻線圈的品質因數降低[3]；另一種解決方案是用沿著環路的分布電容替換集總電容器，此方案可通過蝕刻在電介質基板相對側上的兩個銅環來實現[3，11-14]，這種夾層結構被稱為寬邊耦合開口諧振器（broadside coupled-split ring resonator，BC-SRR），可通過印刷電路的方法實現[12]，在開口環縫隙上連接額外電容器實現射頻線圈調諧[13]。對于多匝分離導體傳輸線諧振器（multi-turn split-conductor transmission-line resonators，MSTR），可以省去這些調諧電容器[14-15]。本研究設計了一種用于7T 磁共振成像的新型BC-SRR射頻線圈，該線圈由上、下兩層圓形邊緣耦合SRR（edge-coupled SRR，EC-SRR）結構構成，采用CST Microwave Studio模擬磁場分布和SAR，并與傳統BC-SRR及EC-SRR射頻線圈進行比較，將下層線圈相對上層線圈旋轉90°～360°，以找到最優旋轉角度，并進一步分析SRR結構中裂縫數量變化對磁場分布和SAR的影響。

1 方法

1.1 仿真條件

在CST Microwave Studio 仿真環境中，圓柱型水模的直徑和長度均為120 mm，線圈與水模之間的距離為5.965 mm，在每個邊界處添加50 mm 空間的開放邊界條件。所有線圈調諧至300 MHz，并與CST Design Studio 中建模的外部集總元件網絡進行50 Ω 匹配，每個線圈的反射系數低于-70 dB。

1.2 模型設計

圖1為在CST Microwave Studio仿真環境中設計的6個SRR射頻線圈仿真模型，其中第一行為上層線圈結構，第二行為下層線圈結構。模型1為傳統BC-SRR射頻線圈，每個環中有兩個裂縫，在上層環中添加第三裂縫以進行饋電，線圈外環直徑為80 mm，銅環寬度為10 mm，Arlon襯底的介電常數和厚度分別為2.5和1.524 mm。模型2為傳統的EC-SRR射頻線圈，外徑與BC-SRR射頻線圈相同，外環和內環之間的距離為4 mm，兩個環中的裂縫相差180°，且兩個環的條帶寬度相同；該線圈下層空白，無銅環結構。模型3～6為新型BC-SRR射頻線圈，上層結構與模型2相同，下層結構相對上層結構分別旋轉90°、180°、270°和360°。

圖1 射頻線圈仿真模型

2 結果

2.1 B1磁場分布

圖2為模型1～6的矢狀面磁場分布，通過B1磁場分布最大值歸一化，生成百分比磁場分布圖。

圖2 模型1～6 在矢狀面上的磁場分布

圖3為每個線圈的中心軸上的磁場分布。由圖2可知，模型3和模型5的矢狀面磁場分布相同，因此，這兩個模型沿中心軸的磁場重疊（見圖3）。由圖3可知，從線圈表面到透射深度為50 mm 的區域，模型3～5的磁場強度高于傳統BC-SRR 及EC-SRR 射頻線圈（模型1、2）；從線圈表面到透射深度為15 mm 的區域，模型6的磁場強度高于傳統BC-SRR 射頻線圈（模型1），進一步增加透射深度，模型6的磁場強度低于所有其他模型。

圖3 模型1-6 沿中心軸的磁場強度分布

表1所示為模型1～6的透射深度和10 g SAR。透射深度的定義為，磁場強度下降至沿中心軸峰值B1的20%的透射深度。與EC-SRR（模型2）相比，模型3顯示出略低的透射深度和18%的SAR 降低；與模型1相比，模型3無透射深度或SAR 的改善；但與模型4～6相比，模型3的透射深度最大且SAR 最小。因此，我們將模型3用作進一步研究的基礎，研究增加線圈裂縫對磁場分布、透射深度和SAR 的影響。

表1 模型1～6的透射深度和10 g SAR

圖4中的所有模型均是在模型3的基礎上，在內環或外環中設計有更多裂縫，并按順序命名為模型7～12。模型7、8的外環中有更多裂縫，模型9、10在內環中有更多裂縫，模型11、12的外環和內環中均有更多裂縫。

圖4 基于模型3的仿真射頻線圈模型

圖5為模型7～12沿中心軸的磁場分布，在透射深度為0～50 mm 時，模型7、9、11的磁場分別高于模型8、10、12，表明增加線圈的裂縫將降低磁場強度。

圖5 模型7～12 沿中心軸的磁場分布

表2為模型7～12的透射深度和10 g SAR。比較模型3、7、8可知，當內環裂縫數為1時，增加外環裂縫數，透射深度略微增加然后減小，SAR 隨外環裂縫數的增加而增加；比較模型3、9、10可知，當外環裂縫數為1時，增加內環裂縫數，透射深度增加且SAR 減小；比較模型3、11、12可知，當內環和外環的裂縫數同時增加時，透射深度先增大后減小，而SAR 先減小后增大。因此，內環裂縫數越多、外環裂縫數越少時，透射深度越大、SAR 越小。根據透射深度和SAR 的比較，模型10的性能最優，其透射深度分別比模型1、3高2%、4%，10 g SAR 分別比模型1、3低8%、11%。

表2 模型7～12的透射深度和10 g SAR

3 小結

本研究設計了一種新型的寬邊耦合BC-SRR 射頻線圈，它由介質基板兩側的2個圓形EC-SRR 結構組成。在透射深度為0～50 mm 區域內，新型BC-SRR 射頻線圈的磁場強度高于傳統BC-SRR 及EC-SRR 射頻線圈。BC-SRR 射頻線圈下層結構與上層結構之間相對旋轉90°時的透射深度更大且SAR 更低。仿真結果表明，內環裂縫數越多、外環裂縫數越少時，透射深度越大且SAR 越小。模型10有4個內環裂縫和1個外環裂縫，與傳統BC-SRR 射頻線圈相比，透射深度提高2%，且SAR 降低8%。