0 引言

    在磁共振成像系統(tǒng)中，射頻線圈能產(chǎn)生拉莫爾頻率的射頻脈沖^[1],，可用于激發(fā)被測樣品中的原子,。在射頻脈沖激發(fā)停止后，原子將發(fā)生弛豫,，在弛豫過程中,，被激發(fā)的原子將發(fā)射磁共振信號，可以對該信號進行接收,，再進行放大,、濾波和調(diào)制，最后進行圖像的重建,，繼而得到樣品內(nèi)部的圖像,。射頻線圈作為接收信號的最前端,，對圖像質(zhì)量起著關(guān)鍵性作用^[2],。

    射頻線圈通常可分為體線圈和表面線圈,。體線圈具有較大的空間分布,，能夠在特定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生均勻的B1場，可作為發(fā)射線圈和接收線圈^[3],。表面線圈靈活多變,，能更加貼合被測物體的表面，具有更高的SNR,，但相對于體線圈,，表面線圈透入深度較低，靈敏度下降快^[4],。

    鳥籠線圈^[5]具有較高的磁場均勻度,，且可以采用正交激發(fā)，獲得較高的SNR,。本文設(shè)計了一種鳥籠結(jié)構(gòu)的體線圈,，闡述了制作方法,，并給出了測試結(jié)果。

1 鳥籠線圈原理

    鳥籠線圈的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,，由多個平行于軸向的導(dǎo)電部分組成,，平行結(jié)構(gòu)稱為rung，連接rung的結(jié)構(gòu)稱為endring,，根據(jù)電容的位置,，可分為三大類：低通、高通和帶通,。低通鳥籠線圈用于1.5T以下低場,，高通鳥籠線圈用于1.5T以上高場，帶通鳥籠線圈一般用作電尺寸較大的情況,。

    鳥籠線圈易實現(xiàn)正交激發(fā),。在空間上相差90°的位置上，加載兩個相位相差90°的激勵信號,，就能產(chǎn)生一個圓極化的B1場,。相對于線性激發(fā)，正交激發(fā)的能量可以減小1/2,，SNR可以提高倍^[6],。

    N根rung一般產(chǎn)生N/2+1種模式^[7]，稱m=0的模式為endring模式,，該模式rungs中沒有電流流動,，電流只分布在endring中。對于高通鳥籠線圈,，endring模式的諧振頻率最高,，對于低通鳥籠線圈endring模式的諧振頻率最低，頻率為零,。當(dāng)m=1時,，帶通鳥籠線圈的磁場分布并不絕對均勻，與C₁和C₂的比值相關(guān),。但對于低通和高通鳥籠線圈而言,，當(dāng)m=1時會產(chǎn)生均勻的模式。

    線圈的rungs數(shù)量直接影響著磁場的均勻度,，rungs的數(shù)量越多,，長度和直徑的比值越大，磁場就越均勻,。圖2是MATLAB計算的不同數(shù)量rung下的磁場位形狀,，隨著rungs數(shù)量的增加磁場的均勻度在增加，而且在同等的激勵條件下,，線圈中心的磁場強度也在增加,。

    當(dāng)rungs的數(shù)量較多時,，對電容的精度要求相應(yīng)增加，且導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分布的對稱性會變差,，易造成諧振模式的分裂,，調(diào)諧過程會變得更復(fù)雜。因此設(shè)計時需要在場的均勻度和線圈制作的復(fù)雜性之間進行權(quán)衡,。

2 線圈參數(shù)以及仿真

2.1 線圈參數(shù)

    9.4T下的H原子的拉莫爾頻率為400 MHz,，綜合考慮設(shè)計復(fù)雜性以及磁場的均勻度，本文采用8 rungs的高通結(jié)構(gòu),，采用正交激發(fā),。線圈選用銅材質(zhì)，線圈leg采用半徑為0.5 mm,、長度為55 mm的管狀結(jié)構(gòu),，線圈半徑取20 mm，屏蔽層半徑取30 mm,，電容間隙取2 mm,，端環(huán)類型采用矩形結(jié)構(gòu)，鳥籠線圈的電容數(shù)目較多,，endring采用厚度為0.1 mm,，寬度為5 mm的銅帶。為簡化設(shè)計流程,，采用賓夕法尼亞州立大學(xué)開發(fā)的birdcage builder^[8],，計算出電容大小為C_f=6.4 pF，該值可作為參考值,，但最終值還需要進行調(diào)整,。

2.2 電磁仿真

    將C_f=6.4 pF作為初始值，通過3D全波電磁仿真軟件,，構(gòu)建模型如圖3所示,，進一步優(yōu)化，當(dāng)C_f取6.2 pF時,，可以在400 MHz產(chǎn)生均勻的磁場。

    圖4為4種模式下的磁場分布,，由于endring模式下rungs中沒有電流,，故未給出仿真圖。通過比較分析,，可知m1模式具有均勻的磁場,，其他3種模式中間磁場較弱而且分布不對稱。

    通過場路聯(lián)合仿真,，經(jīng)調(diào)諧匹配,，得到5種諧振模式,。圖5是相應(yīng)的S參數(shù)曲線。在m1模式下,，諧振頻率匹配到399.7 MHz,，反射系數(shù)是-12.771 dB。

3 線圈的制作

3.1 Trap

    由于同軸線的屏蔽層上會感應(yīng)出共模電流,，容易對信號造成干擾,，引起線圈的失諧振，嚴(yán)重時還會對成像的活體造成灼傷^[9],。本設(shè)計采用trap來消除上述弊端,，工程中將同軸電纜纏繞，等效為電感,，在其兩端并聯(lián)電容,，外屏蔽層和電容相當(dāng)于一個并聯(lián)諧振電路，在特殊的頻點實現(xiàn)陷波,，如圖6所示,，通過調(diào)節(jié)電容使諧振頻率匹配到400 MHz。

    實際測試時,，為減少trap中電感產(chǎn)生的磁場對射頻線圈磁場的干擾,，同時為防止外界環(huán)境對trap中電感的影響，需要將trap裝配在屏蔽盒里,。

3.2 屏蔽

    為減少射頻線圈與梯度場線圈以及勻場線圈的耦合,，需要在鳥籠線圈外安裝屏蔽。該屏蔽類似于一個低通濾波器,，能夠通過靜止的主磁場以及聲頻頻率下的梯度場,，阻止射頻場的通過^[10]。本設(shè)計選擇在亞克力上覆上一層銅箔^[11],，將銅箔沿主磁場方向均勻分成若干部分,，在相鄰的銅箔間隙上焊接上若干個數(shù)值較大的1 nF的貼片電容，如圖7所示,。

3.3 線圈主體的制作與裝配

    在鳥籠線圈的設(shè)計中,，采用的正交調(diào)諧結(jié)構(gòu)如圖8所示，其中C_t1和C_t2分別是兩個通道的調(diào)諧電容,，C_m1和C_m2是兩個通道的匹配電容,，C_b是平衡電容，用來補償線圈制作過程中的結(jié)構(gòu)差異以及電容誤差所帶來的不對稱性,。

    裝配過程中,，選用厚度為2 mm、外徑為40 mm的亞克力管作為內(nèi)部的支撐,。當(dāng)加入負載之后,，整體的等效電容會增大,，從而導(dǎo)致諧振頻率降低，所以需要選用比理論值偏小的電容,，本設(shè)計選用容值為5.6 pF的ATC100B系列的無磁電容,。圖9(a)為的焊接結(jié)構(gòu)圖，圖9(b)為裝配有屏蔽和支撐的完整結(jié)構(gòu)圖,。

4 線圈測試

4.1 網(wǎng)絡(luò)分析儀測試

    采用安捷倫的E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀進行對線圈進行測試,，通過對調(diào)諧電容、匹配電容以及平衡電容的反復(fù)匹配,，使兩個通道都能在400 MHz下發(fā)生諧振,。網(wǎng)絡(luò)分析儀測試結(jié)果可知，兩個通道m(xù)1模式的反射系數(shù)較低,，S₁₁,、S₂₂小于-30 dB。兩個通道的耦合較小,，S₂₁小于-20 dB,，表明兩個通道的獨立性較好，產(chǎn)生磁場更接近理想的圓極化場,。

4.2 安捷倫9.4T成像儀測試

    在安捷倫9.4T成像儀上對線圈的性能進行了測試,，樣品采用0.9 g/L的NaCl溶液。采用梯度回波序,，參數(shù)為：TR=20 ms,，TE=4 ms，Matrix=128×128,，F(xiàn)ov=30×30,，Slice=10，Ave=1,，Thick=2 mm,。從圖10可以看出均勻度較好，圖像的信號是13 560,，圖像噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差是67.45,，圖像的SNR=13 560/67.45=201。表明該線圈產(chǎn)生的磁場較為均勻,，線圈的發(fā)射效率和接收效率高,。

5 結(jié)論

    本文簡要介紹了鳥籠線圈的工作原理以及鳥籠線圈的工作模式，并對鳥籠線圈的工作模式進行了分析,，利用birdcage builder計算出電容參數(shù)，通過三維電磁仿真軟件對不同的共振模式的磁場位形進行了仿真分析計算,，驗證了m1模式的磁場最為均勻,。給出了鳥籠線圈的設(shè)計和制作過程,，通過workbench和9.4T成像儀測試，驗證了該高通鳥籠線圈的有效性,。該鳥籠線圈采用正交發(fā)射和接收,，發(fā)射時效率高，磁場均勻,，圖像的信噪比較高,，制作工藝簡單，成本較低,，可以根據(jù)被測樣品的大小,，進行不同尺寸的設(shè)計，對于其他高場磁共振射頻線圈的設(shè)計具有一定的借鑒意義,。

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作者信息：

陳思明1,，2，張雪雷1

（1.中國科學(xué)院強磁場科學(xué)中心,，安徽 合肥230000,；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥230000）