等效電路法在雙調(diào)諧射頻線圈設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘  要：為了解決磁共振成像系統(tǒng)中雙調(diào)諧射頻線圈的設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出了一個(gè)通用等效電路模型。通過(guò)考慮線圈各導(dǎo)體間的互感，對(duì)各回路電流建立完整的電路方程并求解相應(yīng)的特征值問(wèn)題，從而獲得線圈完全的諧振模式。仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在130MHz以下的頻率范圍內(nèi)等效電路法和矩量法分析結(jié)果的偏離程度小于11％。在1．5T磁共振成像系統(tǒng)的雙調(diào)諧四端環(huán)鳥籠線圈的設(shè)計(jì)中，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差小于2％，即等效電路法可以高效地獲得足夠近似的分析結(jié)果。
關(guān)鍵詞：磁共振；射頻線圈；雙調(diào)諧；等效電路法；矩量法

    磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)與磁共振波譜分析（magnetic resonancespectroscopy，MRS）是以核磁共振(NMR)現(xiàn)象為物理基礎(chǔ)的先進(jìn)的影像和分析技術(shù)。將MRI和MRS技術(shù)融合起來(lái)可將生物組織的代謝和生化表現(xiàn)與其解剖、形態(tài)學(xué)特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)分析。這種定位和波譜相結(jié)合的定位MRS技術(shù)可以檢測(cè)感興趣區(qū)域局部代謝產(chǎn)物含量的變化，從而得到反映局部能量代謝的生理改變的波譜信息，對(duì)于心臟、神經(jīng)系統(tǒng)、骨骼肌肉等多種疾病的診斷和代謝改變的研究具有重要的意義。

射頻線圈是磁共振系統(tǒng)中用來(lái)激發(fā)磁場(chǎng)和拾取NMR信號(hào)的核心部件。由于NMR信號(hào)非常微弱，所以射頻線圈通常需要工作在諧振狀態(tài)下，其諧振頻率等于系統(tǒng)的NMR共振頻率。定位的MRS技術(shù)除了工作于氫核(1H)的頻率下之外，還要能工作在進(jìn)行波譜分析的原子核(例如31P、23Na、13C等)的共振頻率下，這就要求此時(shí)的射頻線圈能夠在兩個(gè)諧振頻率下工作，即所謂的雙調(diào)諧射頻線圈。通過(guò)雙調(diào)諧射頻線圈的應(yīng)用可以有效地提高磁共振波譜圖像的信噪比和分辨率，從而滿足臨床應(yīng)用的要求。在已有的雙調(diào)諧射頻線圈的設(shè)計(jì)中，一部分研究主要針對(duì)于一個(gè)特定的線圈結(jié)構(gòu)，建立相應(yīng)的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析，而另一部分則在簡(jiǎn)單理論分析的基礎(chǔ)上，直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法確定相應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)參數(shù)。
    本文提出了一個(gè)運(yùn)用于MRI系統(tǒng)射頻線圈設(shè)計(jì)分析的通用等效電路模型，它能應(yīng)用于多種結(jié)構(gòu)的單調(diào)諧或雙調(diào)諧射頻線圈設(shè)計(jì)，有效地指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)調(diào)試。通過(guò)與矩量法分析結(jié)果的比較，研究了這一等效電路模型的頻率適用范圍。基于這一等效電路模型分析并制作了一個(gè)針對(duì)于1．5 T MRI系統(tǒng)的1H/31P雙調(diào)諧的四端環(huán)鳥籠射頻線圈。

1 分析方法

1．1 等效電路分析
    射頻線圈通常由細(xì)導(dǎo)線或薄導(dǎo)體帶構(gòu)成，并串入相應(yīng)的調(diào)諧電容或電容及電感組成的電抗元件使其諧振于所需的核磁共振頻率。直接求解完全的麥克斯韋方程組來(lái)獲得線圈的電流和空間磁場(chǎng)分布相對(duì)復(fù)雜并且相當(dāng)費(fèi)時(shí)，通常是針對(duì)不同的情況對(duì)麥克斯韋方程進(jìn)行不同程度的簡(jiǎn)化，從而獲得近似精確的分析結(jié)果。線圈的激勵(lì)源頻率為兆赫茲量級(jí)，如果射頻電磁波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于線圈的尺寸，可以運(yùn)用等效電路方法對(duì)線圈進(jìn)行電磁分析，即用集總參數(shù)的概念來(lái)建立線圈的等效電路模型，通過(guò)應(yīng)用Kirchhoff定律分析等效電路網(wǎng)絡(luò)得到線圈的諧振頻率和線圈拓?fù)渲械碾娏鞣植�，在獲得電流分布的基礎(chǔ)上用Biot—Savart定律計(jì)算射頻磁場(chǎng)的分布。
    基于等效電路分析的思路，可以建立一個(gè)具有N1×N2個(gè)單元網(wǎng)絡(luò)的通用等效電路模型，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。根據(jù)各元件所處的不同行支路和列支路進(jìn)行分組，形成相應(yīng)的子矩陣，不同子矩陣之間用上標(biāo)加以區(qū)分，同一子矩陣或向量中的各參數(shù)則通過(guò)下標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。在圖1中，表示在第p行支路中第j根導(dǎo)體的自感，而則是第j列支路中第p根導(dǎo)體的自感；和是連接在相應(yīng)導(dǎo)體支路中的電容等集總電抗元件；是流經(jīng)第p、p+l行支路和第j、j+1列支路的回路電流；在行支路等效于一個(gè)閉合環(huán)形回路的情況下，表示流經(jīng)第p行支路的回路電流。

    對(duì)于沒(méi)有閉合環(huán)形回路的射頻線圈，通過(guò)考慮各導(dǎo)體之間互感的影響，對(duì)圖1等效電路模型中N1×N2個(gè)單元回路建立方程組，得到

其中：p=1，2，…，N1；j=1，2，…，N2；為第p個(gè)行支路中第j個(gè)導(dǎo)體與第q個(gè)行支路中第k個(gè)導(dǎo)體之間的互感；工博士工業(yè)品商城聲明：凡資訊來(lái)源注明為其他媒體來(lái)源的信息，均為轉(zhuǎn)載自其他媒體，并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn)，也不代表本網(wǎng)站對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。您若對(duì)該文章內(nèi)容有任何疑問(wèn)或質(zhì)疑，請(qǐng)立即與商城(headrickconstructioninc.com)聯(lián)系，本網(wǎng)站將迅速給您回應(yīng)并做處理。
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