极高场磁共振成像系统多通道套筒单极子线圈及设计方法技术方案

本发明专利技术公布了一种极高场磁共振成像系统多通道套筒单极子线圈及设计方法，属于磁共振成像技术领域，涉及射频线圈技术。本发明专利技术通过构建分段式套筒单极子天线结构，并由多个电容连接分段式套筒单极子天线，建立分段式结构的多通道射频发射线圈单元，有效提高发射线圈辐射效率进而降低SAR值，并提高线圈发射射频场的均匀性，从而更好满足极高场下磁共振成像应用技术的需要。用技术的需要。用技术的需要。

【技术实现步骤摘要】
极高场磁共振成像系统多通道套筒单极子线圈及设计方法


[0001]本专利技术属于磁共振成像
，涉及射频线圈技术，尤其涉及一种极高磁场下(大于10.5特斯拉)磁共振成像系统的多通道套筒单极子线圈及其设计方法。

技术介绍

[0002]磁共振成像(MRI)具有无电离辐射、对人体安全无害、多方位成像、多参数成像、成像清晰等优点，目前被广泛应用于脑科学、生命科学、神经影像学、心血管造影等多个领域。目前，磁共振成像技术的发展受限于图像的信噪比、分辨率和成像速度。解决上述问题的方法通常是提高主磁体的场强来提高图像信噪比以及分辨率，改进射频线圈的结构实现多通道的并行成像来提高成像速度。当主磁体的场强提高到10.5特斯拉以上时，称这样的系统为极高磁场磁共振成像系统。当前极高场磁共振成像系统在生物医学影像领域引起了广泛的关注。与传统磁共振成像系统相比，极高场磁共振成像系统有着更好的图像信噪比、更短的成像时间、更高的图像分辨率，可为脑科学和脑疾病机制的研究提供高水平研究工具。
[0003]极高磁场磁共振成像可带来许多可预见的优势，然而射频线圈技术上的难题也相伴而生。极高磁场下原子核产生射磁共振的频率很高(500
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1000MHz左右)，如此高的频率会在射频线圈的发射场中产生驻波干涉现象。根据拉莫尔定理，产生磁共振的频率公式为f＝γB(γ为核旋磁比，B为外磁场强度)，随着场强的增大，频率增高，而波长变短，当波长达到和人体的成像部位尺寸差不多时，会因驻波导致电磁场的幅度和相位均匀性变差，进而影响图像质量。因此应用于传统磁共振成像系统的常见线圈例如鸟笼线圈、马鞍线圈、螺线管线圈等都很难应用于极高场磁共振成像系统。
[0004]在磁共振成像过程中，过度的射频沉积是一个重要安全问题，即因人体吸收过量电磁波能量而导致灼伤。比吸收率(SAR)是一个广泛使用的剂量学术语，用于描述受试者对射频能量的吸收。在磁共振成像中，SAR被定义为射频能量耦合到电损耗组织的质量归一化率，并以瓦每千克(W/kg)为单位表示。MRI扫描期间的SAR沉积率通常以整个身体或身体部分暴露部位的平均射频功率沉积来表征。美国食品药品监督管理局(FDA)和国际电工委员会(IEC)均已建立SAR限值，以限制各种成像模式下受试者组织中的温度升高程度。MRI扫描仪需要提供估计的SAR值，以确保扫描成像期间的SAR值在限制范围内。
[0005]现有研究对于极高场磁共振成像系统提出了多种射频线圈设计方案。大多数射频线圈设计方案都是采用多通道线圈并行发射和并行接收的方法来提高线圈的发射场均匀性和和接收的信噪比。传统的多通道线圈通常采用环形线圈单元或微带型线圈单元，但其射频场均匀性较差，接收信噪比低，并且SAR值控制非常困难。Myung Kyun Woo,Lance DelaBarre等人为代表的团队在“Comparison of16
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Channel Asymmetric Sleeve Antenna and Dipole Antenna Transceiver Arrays at 10.5Tesla MRI”杂志论文公开一种用于10.5特斯拉磁共振成像系统的16通道非对称式套筒单极子线圈，采用浮动式套筒结构，虽然可以降低SAR值，但线圈调试困难，发射场均匀性较差。因此需要设计用于极高场磁共振成像的新型射频线圈，以提高极高磁场下磁共振成像系统的成像效果和使用安全性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种用于极高场磁共振成像系统使用的多通道套筒单极子线圈及其设计方法，能够有效改善射频场的均匀性并且有效降低磁共振成像过程中的SAR值。
[0007]为实现上述目的，本技术方案提供一种用于极高场磁共振成像的多通道套筒单极子线圈的设计方法，包括：
[0008]1)设计套筒单极子天线单元的结构：套筒单极子天线单元由单极子天线和固定式套筒组成，其中单极子天线采用分段式结构，断开处由电容连接；其中固定式套筒的内壁与馈电采用同轴线缆，所用同轴线缆的外导体相接且固定不动。
[0009]2)设定多通道套筒单极子线圈的结构：根据人体头部的尺寸范围，组成套筒单极子阵列，阵列由多个套筒单极子天线单元构成，阵列为圆形，所有的单元均匀分布在圆形阵列上，其中每个套筒单极子天线单元都由独立的同轴线缆馈电，由此构成多通道套筒单极子线圈。
[0010]3)获取磁共振成像系统中的多通道套筒单极子线圈的工作频率；
[0011]基于拉摩尔定理和磁共振成像系统中的主磁场强度确定氢核的共振频率，得到多通道套筒单极子线圈的工作频率；
[0012]4)根据人体头部尺寸确定套筒单极子天线单元的长度；
[0013]5)将多通道套筒单极子线圈的每个单极子天线单元进行分段，断开处由电容连接，确定电容值的大小，使得套筒单极子天线单元在指定的工作频率处谐振；
[0014]6)构建与人体头部尺寸相近的圆柱形模体，模体内部充满具有特定介电参数的水溶液，形成水模，用于多通道套筒单极子线圈的均匀性计算和评估；
[0015]7)将上述水模置于多通道套筒单极子线圈中心处，使用电磁仿真软件Sim4life，计算得到在目标区域(水膜内部)产生的射频场分布；
[0016]8)基于射频场均匀性的计算方法，对目标区域射频场均匀性进行计算；
[0017]9)选用现有的人体数字模型Duke模型，用于多通道套筒单极子线圈的SAR值计算和评估；
[0018]11)将Duke模型中的头部模型置于多通道套筒单极子线圈中心处，使用电磁仿真软件Sim4life计算得到多通道套筒单极子线圈在人头模型内产生的SAR值分布；
[0019]12)分析SAR值指标，并据此评估多通道套筒单极子线圈的安全性。
[0020]本专利技术还提供一种用于极高场磁共振成像的多通道套筒单极子线圈，包括多个(可以是8个、12个、16个等等)套筒单极子天线单元以及它们所组成的圆形阵列结构，采用如上所述的用于极高场磁共振成像的多通道套筒单极子线圈的设计方法设计得到。套筒单极子天线单元由固定式套筒和单极子天线组成，其中单极子天线由同轴馈线进行馈电，它与同轴线内导体相连接，固定式套筒结构的内壁与同轴馈线的外导体相连接。多个套筒单极子天线单元组成阵列，阵列形状为圆形(套筒单极子天线单元围绕圆形均匀分布)，圆形阵列的直径由人体头部尺寸确定。多通道套筒单极子线圈包括：套筒单极子天线结构(单极子天线进行分段)、多通道套筒单极子线圈结构(多通道套筒单极子线圈阵列)、圆柱形模体、模体内部充满具有特定介电参数的水溶液形成的水模；单极子天线进行分段后断开处由电容连接。
[0021]与现有技术相比，本技术方案具有以下特点和有益效果：
[0022]1.提供了一种分段式结构的发射线圈单元结构，可以灵活调节线圈的谐振频率。具体的，本方案提供的套筒单极子天线采用分段式结构，并由多个电容连接，通过调节电容大小可以灵活调节天线的谐振频率，提高调谐效率。
[0023]2.提供了一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种极高场磁共振成像系统多通道套筒单极子线圈的设计方法，包括：1)设计套筒单极子天线单元的结构：套筒单极子天线单元包括单极子天线和固定式套筒，其中，将每个单极子天线进行分段，采用分段式结构，断开处由电容连接；固定式套筒的结构为单导体结构；固定式套筒的内壁与馈电采用同轴线缆，所用同轴线缆的外导体相接且固定不动；2)设定多通道套筒单极子线圈的结构：由多个套筒单极子天线单元构成套筒单极子阵列；套筒单极子天线单元均匀分布在套筒单极子阵列上，其中每个套筒单极子天线单元均由独立的同轴线缆馈电，由此构成多通道套筒单极子线圈；3)获取磁共振成像系统中的多通道套筒单极子线圈的工作频率；4)确定套筒单极子天线单元的长度；5)确定单极子天线分段的断开处电容值的大小，使得套筒单极子天线单元在指定的工作频率处谐振；6)构建圆柱形模体，模体内部充满具有特定介电参数的水溶液，形成水模，用于计算和评估多通道套筒单极子线圈的均匀性；7)将水模置于多通道套筒单极子线圈中心处，以水模内部为目标区域，通过电磁仿真计算得到在目标区域产生的射频场分布；8)对目标区域射频场均匀性进行计算；9)选用人体数字模型，计算和评估多通道套筒单极子线圈的比吸收率SAR的值；10)将人体数字模型中的头部模型置于多通道套筒单极子线圈中心处，通过电磁仿真计算得到多通道套筒单极子线圈在人头模型内产生的SAR值分布；11)分析SAR值，并评估多通道套筒单极子线圈的安全性；通过上述步骤，实现极高场磁共振成像系统多通道套筒单极子线圈的设计。2.如权利要求1所述极高场磁共振成像系统多通道套筒单极子线圈的设计方法，其特征是，套筒单极子阵列的形状为圆形；套筒单极子圆形阵列的直径根据人体头部尺寸确定。3.如权利要求1所述极高场磁共振成像系统多通道套筒单极子线圈的设计方法，其特征是，单极子天线进行分段具体是均匀分为5段；套筒单极子圆形阵列的直径为280mm。4.如权利要求1所述极高场磁共振成像系统多通道套筒单极子线圈的设计方法，其特征是，根据人体头部尺寸确定套筒单极子天线单元的长度；单极子天线单元的长度为230mm
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270mm，直径为2.4mm。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：王为民，孙有恒，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：