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(yī)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(shù)，具有出色的軟組織對比度，是臨床上重要的非侵入性醫(yī)學(xué)診斷方法之一[1-2]。射頻線圈是磁共振成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，用于激發(fā)和接收射頻信號。為了獲得高質(zhì)量的成像結(jié)果，射頻線圈必須在整個成像體積內(nèi)產(chǎn)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(dāng)組織中的波長短于成像物體的尺寸時，會出現(xiàn)顯著的磁場不均勻現(xiàn)象。比吸收率（specific absorption rate，SAR）是評價射頻線圈性能的關(guān)鍵參數(shù)，其數(shù)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(shè)計高場射頻線圈的兩個主要挑戰(zhàn)。隨著拉莫爾頻率的增加，準(zhǔn)靜態(tài)近似失效，基于全波電磁仿真的數(shù)值模擬在設(shè)計和評估高場射頻線圈的性能方面變得至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的微帶諧振器具有低輻射損耗的優(yōu)點，但其缺點是射頻磁場不均勻，影響成像質(zhì)量[7]；沿傳輸線調(diào)制電流可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)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(tǒng)微帶諧振器，其發(fā)生炙熱甚至灼傷的風(fēng)險較高，不利于臨床推廣應(yīng)用。磁場不均勻的解決方案之一是通過分割環(huán)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(lián)電阻隨頻率增加，因此在高場下射頻線圈的品質(zhì)因數(shù)降低[3]；另一種解決方案是用沿著環(huán)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(zhì)基板相對側(cè)上的兩個銅環(huán)來實現(xiàn)[3，11-14]，這種夾層結(jié)構(gòu)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(xiàn)[12]，在開口環(huán)縫隙上連接額外電容器實現(xiàn)射頻線圈調(diào)諧[13]。對于多匝分離導(dǎo)體傳輸線諧振器（multi-turn split-conductor transmission-line resonators，MSTR），可以省去這些調(diào)諧電容器[14-15]。本研究設(shè)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(jié)構(gòu)構(gòu)成，采用CST Microwave Studio模擬磁場分布和SAR，并與傳統(tǒng)BC-SRR及EC-SRR射頻線圈進(jìn)行比較，將下層線圈相對上層線圈旋轉(zhuǎn)90°～360°，以找到最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度，并進(jìn)一步分析SRR結(jié)構(gòu)中裂縫數(shù)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(huán)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(diào)諧至300 MHz，并與CST Design Studio 中建模的外部集總元件網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行50 Ω 匹配，每個線圈的反射系數(shù)低于-70 dB。

1.2 模型設(shè)計

圖1為在CST Microwave Studio仿真環(huán)境中設(shè)計的6個SRR射頻線圈仿真模型，其中第一行為上層線圈結(jié)構(gòu)，第二行為下層線圈結(jié)構(gòu)。模型1為傳統(tǒng)BC-SRR射頻線圈，每個環(huán)中有兩個裂縫，在上層環(huán)中添加第三裂縫以進(jìn)行饋電，線圈外環(huán)直徑為80 mm，銅環(huán)寬度為10 mm，Arlon襯底的介電常數(shù)和厚度分別為2.5和1.524 mm。模型2為傳統(tǒng)的EC-SRR射頻線圈，外徑與BC-SRR射頻線圈相同，外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間的距離為4 mm，兩個環(huán)中的裂縫相差180°，且兩個環(huán)的條帶寬度相同；該線圈下層空白，無銅環(huán)結(jié)構(gòu)。模型3～6為新型BC-SRR射頻線圈，上層結(jié)構(gòu)與模型2相同，下層結(jié)構(gòu)相對上層結(jié)構(gòu)分別旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°和360°。

圖1 射頻線圈仿真模型

2 結(jié)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(qū)域，模型3～5的磁場強度高于傳統(tǒng)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(qū)域，模型6的磁場強度高于傳統(tǒng)BC-SRR 射頻線圈（模型1），進(jìn)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(jìn)一步研究的基礎(chǔ)，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(chǔ)上，在內(nèi)環(huán)或外環(huán)中設(shè)計有更多裂縫，并按順序命名為模型7～12。模型7、8的外環(huán)中有更多裂縫，模型9、10在內(nèi)環(huán)中有更多裂縫，模型11、12的外環(huán)和內(nèi)環(huán)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(dāng)內(nèi)環(huán)裂縫數(shù)為1時，增加外環(huán)裂縫數(shù)，透射深度略微增加然后減小，SAR 隨外環(huán)裂縫數(shù)的增加而增加；比較模型3、9、10可知，當(dāng)外環(huán)裂縫數(shù)為1時，增加內(nèi)環(huán)裂縫數(shù)，透射深度增加且SAR 減??；比較模型3、11、12可知，當(dāng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)的裂縫數(shù)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(nèi)環(huán)裂縫數(shù)越多、外環(huán)裂縫數(shù)越少時，透射深度越大、SAR 越小。根據(jù)透射深度和SAR 的比較，模型10的性能最優(yōu)，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(jié)

本研究設(shè)計了一種新型的寬邊耦合BC-SRR 射頻線圈，它由介質(zhì)基板兩側(cè)的2個圓形EC-SRR 結(jié)構(gòu)組成。在透射深度為0～50 mm 區(qū)域內(nèi)，新型BC-SRR 射頻線圈的磁場強度高于傳統(tǒng)BC-SRR 及EC-SRR 射頻線圈。BC-SRR 射頻線圈下層結(jié)構(gòu)與上層結(jié)構(gòu)之間相對旋轉(zhuǎn)90°時的透射深度更大且SAR 更低。仿真結(jié)果表明，內(nèi)環(huán)裂縫數(shù)越多、外環(huán)裂縫數(shù)越少時，透射深度越大且SAR 越小。模型10有4個內(nèi)環(huán)裂縫和1個外環(huán)裂縫，與傳統(tǒng)BC-SRR 射頻線圈相比，透射深度提高2%，且SAR 降低8%。