极高场磁共振成像系统多通道偶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偶极子线圈及设计方法，包括多个有源偶极子天线单元、多个无源偶极子天线单元和由多个有源偶极子天线单元与多个无源偶极子天线单元所组成的圆形阵列结构；有源偶极子天线单元与有源偶极子天线单元的结构相同，采用分段式结构；断开处由电容连接；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；将无源偶极子天线单元置于相邻有源偶极子天线单元之间用于解耦合；通过调节距离调节解耦合效果。本发明专利技术能够有效改善射频场的均匀性、降低磁共振成像过程中的SAR值并且有效改善相邻通道偶极子天线单元的隔离度。邻通道偶极子天线单元的隔离度。邻通道偶极子天线单元的隔离度。

【技术实现步骤摘要】
极高场磁共振成像系统多通道偶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偶极子线圈及其设计方法。

技术介绍

[0002]极高磁场磁共振成像有着更好的图像信噪比、更短的成像时间以及更高的图像分辨率，对于脑科学研究以及脑疾病机制的研究有着重大意义，因此在生物医学影像领域引起了广泛关注。然而，由于在极高磁场下电磁波的波长减小到与人体组织大小相近，使得电磁波会发生干涉进而影响到成像质量。因此传统的射频线圈如鸟笼线圈、鞍形线圈、螺线管线圈等都难以在极高磁场下保持良好的性能。目前，为了减少电磁波干涉的影响，通常采用多通道射频线圈的方案。多通道射频线圈由多个小线圈单元构成，单元之间相互独立并单独馈电，可通过改变馈电的幅度和相位来改变成像目标区域的磁场分布。目前多通道射频场线圈主要分为传统的近场线圈和辐射型天线形式的远场线圈。近场线圈的形式主要为低场磁共振系统中常见的环形线圈，它的缺点是在极高场下发射效率较低，需要的射频功率放大器功率很大，很难满足磁共振成像的需求。远场线圈是以辐射型天线为单元的射频线圈，它有着较高的发射效率，因此在极高场下更有优势，常见形式有单极子线圈、套筒单极子线圈、偶极子线圈，其中偶极子线圈由于结构简单方便设计被广泛应用于高场磁共振成像。
[0003]在磁共振成像过程中，当人体吸收过量电磁波能量时会导致体内射频沉积过量，严重时会引发灼伤，对人体产生危害。在磁共振成像中，通常使用比吸收率(SAR)用于描述受试者对射频能量的吸收大小，它被定义为射频能量耦合到人体组织的质量归一化率，并以瓦每千克(W/kg)为单位表示。磁共振成像期间的SAR值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。目前美国食品药品监督管理局(FDA)和国际电工委员会(IEC)都已对SAR值进行了明确的限制，以保证受试者在磁共振成像过程中的安全性。因此射频线圈需要提供估计的SAR值，以确保成像期间的SAR值在所要求的安全范围内。
[0004]随着通道数的增加，多通道射频线圈在成像目标区域内产生的磁场更加均匀，但是各线圈单元间的间距会变得更小，这会导致单元间耦合严重，破坏成像目标区域内的磁场分布。现有研究对于多通道射频线圈提出了多种解耦合方案。针对于多通道环形线圈，解耦合通常采用的是重叠解耦法，即通过重叠相邻环形线圈单元来达到解耦合要求，不过这种方法只适用于多通道环形线圈，有一定的局限性；针对多通道辐射型天线阵列，解耦合通常采用的是无源解耦合电路法，即通过外加无源解耦合电路模块对天线单元进行解耦合，这种方法只能针对特定的馈电网络才可以使用，若馈电端口的幅度相位发生改变，则解耦合电路模块需要重新设计，大大提高了设计复杂度；还有些方案采用的是超材料结构对多通道射频线圈进行解耦合，这种方法设计起来较为复杂，并且对于单元的间距有着特定的要求，有一定的局限性。综上所述，目前对于极高场下的多通道偶极子线圈还没有很好的解耦合方案，需要设计用于多通道偶极子线圈的解耦合方案，以改善多通道偶极子线圈的隔
离度，提高极高场下磁共振成像效果。

技术实现思路

[0005]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偶极子线圈及其设计方法，能够有效改善射频场的均匀性、降低磁共振成像过程中的SAR值并且有效改善相邻通道偶极子天线单元的隔离度。
[0006]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偶极子线圈的设计方法，包括：
[0007]1)设计多通道射频发射线圈单元(有源偶极子天线单元)的结构：有源偶极子天线单元采用分段式结构，断开处由电容连接；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；有源偶极子天线单元采用中心馈电的方式；
[0008]2)获取磁共振成像系统中的有源偶极子天线单元的工作频率：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，得到有源偶极子天线单元的工作频率；
[0009]3)根据人体头部尺寸确定有源偶极子天线单元的尺寸；
[0010]4)设定有源偶极子天线阵列的结构：根据人体头部的尺寸范围，组成偶极子天线阵列，阵列由多个有源偶极子天线单元构成，阵列为圆形，所有的单元均匀分布在圆形阵列上，每个有源偶极子天线单元的馈电形式均为中心馈电；
[0011]5)设计无源偶极子天线单元的结构：无源偶极子天线单元与1)中所设计的有源偶极子天线单元结构相同，也同样采用分段式结构，断开处由电容连接；不同处是它在中心断开处不再馈电，而是使用电阻进行连接，以无源形式存在；
[0012]6)将无源偶极子天线单元放置于相邻有源偶极子天线单元之间用来解耦合：有源偶极子天线单元会在无源偶极子天线单元上产生感应电流，这个感应电流会在相邻的有源偶极子天线单元上产生新的电磁场，这个新产生的电磁场可以用来消除相邻有源偶极子天线单元所产生的耦合场，在一定程度上可以降低耦合程度。两个相邻有源偶极子天线单元关于无源偶极子天线单元对称，可以通过调节无源偶极子天线单元与有源偶极子天线单元的距离来调节解耦合效果。
[0013]对设计得到的极高场磁共振成像系统多通道偶极子线圈进行有源偶极子天线单元之间的隔离度计算、射频场均匀性计算和安全性评估，可通过调整有源偶极子天线所围绕的圆形阵列直径、无源偶极子天线所围绕的圆形阵列直径及其之间的距离，进一步优化极高场磁共振成像系统多通道偶极子线圈。
[0014]7)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，用于多通道偶极子天线阵列的均匀性计算和评估；
[0015]减小耦合系数，可以通过减少无源偶极子天线单元所围绕的圆形阵列直径大小，即拉近无源偶极子天线单元和有源偶极子天线单元的距离来实现。
[0016]8)将上述水模置于多通道偶极子线圈中心处，使用电磁仿真软件CST，计算得到有源偶极子天线单元之间的隔离度以及多通道偶极子天线阵列在目标区域(水模内部)产生的射频场分布；
[0017]9)基于8)中得到的射频场分布，对目标区域射频场均匀性进行计算。
[0018]10)选用现有的人体数字模型Gustav模型，用于多通道偶极子线圈的10g峰值SAR值计算和安全性评估；
[0019]11)将Gustav模型中的头部模型置于多通道偶极子线圈中心处，使用电磁仿真软件CST计算得到多通道偶极子线圈在人头模型内产生的10g峰值SAR，该指标是任意10g组织内的SAR值最大值，一般用来评估射频线圈的安全性；
[0020]12)分析10g峰值SAR指标，并据此评估多通道偶极子线圈的安全性。
[0021]本专利技术还提供一种用于极高场磁共振成像的多通道偶极子线圈，包括多个(可以是8个、12、16个等等)有源偶极子天线单元、多个无源偶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偶极子线圈的设计方法设计得到。其中有本文档来自技高网...

【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偶极子线圈设计方法，其特征是，包括如下步骤：1)设计磁共振成像系统中多通道射频发射线圈单元的结构为分段式结构的有源偶极子天线单元，其中的断开处由电容连接；通过调节电容大小调节天线的谐振频率，提高调谐效率；2)获取有源偶极子天线单元的工作频率；3)确定有源偶极子天线单元的尺寸；4)设定有源偶极子天线阵列的结构：根据尺寸范围，由多个有源偶极子天线单元组成偶极子天线阵列，偶极子天线阵列为圆形，所有的单元均匀分布在偶极子天线阵列上，每个有源偶极子天线单元的馈电形式均为中心馈电；5)设计无源偶极子天线单元的结构：无源偶极子天线单元与有源偶极子天线单元的结构相同，均采用分段式结构，断开处由电容连接；无源偶极子天线单元在中心断开处不再馈电，使用电阻进行连接，采用无源形式；多个无源偶极子天线单元组成圆形阵列；6)将无源偶极子天线单元放置于相邻有源偶极子天线单元之间，用于解耦合；两个相邻有源偶极子天线单元关于无源偶极子天线单元对称；通过调节无源偶极子天线单元与有源偶极子天线单元的距离调节解耦合效果；通过上述步骤，设计得到极高场磁共振成像系统多通道偶极子线圈。2.如权利要求1所述的极高场磁共振成像系统多通道偶极子线圈设计方法，其特征是，对设计得到的极高场磁共振成像系统多通道偶极子线圈进行有源偶极子天线单元之间的隔离度计算、射频场均匀性计算和安全性评估，可通过调整有源偶极子天线所围绕的圆形阵列直径、无源偶极子天线所围绕的圆形阵列直径及其之间的距离优化极高场磁共振成像系统多通道偶极子线圈；包括：7)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；8)将水模置于多通道偶极子线圈的中心处，计算得到有源偶极子天线单元之间的隔离度和多通道偶极子天线阵列在水模内部目标区域产生的射频场分布；9)基于步骤8)中得到的射频场分布，对目标区域射频场均匀性进行计算；10)多通道偶极子线圈的10g峰值SAR值计算和安全性评估；11)计算得到多通道偶极子线圈在人头模型内产生的10g峰值SAR；12)分析10g峰值SAR指标，评估多通道偶极子线圈的安全性。3.如权利要求2所述的极高场磁共振成像...

【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：