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為磁共振成像設(shè)計(jì)耦合的微帶諧振器

作者: 時(shí)間:2012-04-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

用于醫(yī)學(xué)和科學(xué)應(yīng)用的(MRI)系統(tǒng)需要一個(gè)能夠建立一個(gè)均勻強(qiáng)磁場的高性能、高功率電感。橫向電磁(TEM)1作為需要磁場強(qiáng)度4.7和9.4T的MRI應(yīng)用中標(biāo)準(zhǔn)交鳥籠型線圈2的高級替代最近頗受關(guān)注。比如,在操作頻率為200和400MHz時(shí),橫向電磁(TEM)能夠達(dá)到比同等鳥籠型線圈引起的改進(jìn)MRI圖像質(zhì)量更好的磁場同向性和更高的品質(zhì)因素(Q)。為了支持面向基于微帶線的MRI應(yīng)用的高Q TEM的分析和設(shè)計(jì),作者提出了一個(gè)基于使用有限元方法的有效方式。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/199275.htm

TEM諧振器和鳥籠型線圈的主要區(qū)別是圓柱形屏蔽。屏蔽作為系統(tǒng)的一個(gè)活性部分,在內(nèi)部導(dǎo)線給電流提供一個(gè)返回路徑。在鳥籠型線圈中,屏蔽是一個(gè)和內(nèi)部元件斷開的單獨(dú)實(shí)體,只對線圈內(nèi)部產(chǎn)生影響以防止過度輻射損耗。由于TEM諧振器的屏蔽設(shè)計(jì),它就像一個(gè)能夠支持高頻駐波的縱向多線傳輸線。和鳥籠型線圈不同,TEM諧振器的內(nèi)部導(dǎo)線不和最鄰近導(dǎo)線相連,而是通過電容元件直接和屏蔽罩相連。通過感應(yīng)內(nèi)部導(dǎo)線之間的互感實(shí)現(xiàn)諧振模式分隔。因?yàn)樗袑?dǎo)線使用可調(diào)電容元件與屏蔽罩連接,所以可以調(diào)節(jié)場分布以達(dá)到最好的同向性。 作者成功調(diào)整的數(shù)值方法以適合用于分析和設(shè)計(jì)一個(gè)n元無負(fù)載微帶線TEM諧振器。這種改動(dòng)的數(shù)值方法允許對主要參數(shù)的確定:電感和電容系數(shù)矩陣,[L]和[C],用FEM分析考慮TEM諧振器的幾何參數(shù)。這些FEM結(jié)果與參考4中采用邊界元方法(BEM)得到的結(jié)果之間的對比顯示了一個(gè)12元無負(fù)載微帶線TEM諧振器的良好相關(guān)性。為了驗(yàn)證這種合適的數(shù)值方法,對一個(gè)8元無負(fù)載耦合微帶線TEM諧振器進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。這個(gè)諧振器具有-63.33dB最小反射和無負(fù)載品質(zhì)因素(Qo)400(在200MHz時(shí))。 圖1是無負(fù)載TEM諧振器的示意圖。TEM諧振器基本元件是n個(gè)內(nèi)部耦合微帶導(dǎo)線,這些導(dǎo)線以圓柱形模式分布且在端點(diǎn)處通過電容連接到圓柱形外部屏蔽罩。

圖2顯示了耦合微帶線TEM諧振器的交互部分,由半徑為rB的外部屏蔽和w寬、t厚的n個(gè)微帶導(dǎo)線組成(這些導(dǎo)線構(gòu)成半徑為rR的圓柱形)。

耦合微帶線TEM諧振器的EM特性可以用主要參數(shù)[L]、[C]及次要參數(shù)無負(fù)載品質(zhì)因素Qo進(jìn)行描述。

通過基于Laplace方程解決一個(gè)二維靜態(tài)場問題可以得到這些矩陣的系數(shù)。

這里:V=1V在第i個(gè)導(dǎo)線表面,V=0在其他導(dǎo)線上。

在這篇文章中,通過使用FEM分析解方程1。這個(gè)解代表結(jié)構(gòu)中不同網(wǎng)結(jié)點(diǎn)處的電壓V分布。當(dāng)電壓V為已知量,從每個(gè)導(dǎo)線的電荷可以計(jì)算[C]矩陣的第i行。

這里:

lj為第j個(gè)導(dǎo)線周圍的等高線,EN為電場的介電常數(shù)。

矩陣[C]說明所有金屬導(dǎo)線之間的電容影響,描述了耦合微帶線TEM諧振器內(nèi)的電場能量存儲(chǔ)。 電感矩陣[L]包含了對角線上導(dǎo)線的自感應(yīng)系數(shù)和對角線外的導(dǎo)線間的互感應(yīng)系數(shù),即定義了磁場能量存儲(chǔ)。在高頻界限,即集膚深度足夠小以至于電流只在導(dǎo)線表面產(chǎn)生,可以通過矩陣[C]得到感應(yīng)系數(shù)矩陣[L]。用[C]表示[L]:

當(dāng)矩陣[L]和[C]是確定的,可以使用一個(gè)合適的數(shù)值模型估計(jì)圖3所示諧振器的共振頻譜(S11)。 本文詳述的MRI諧振器包括長度為I的屏蔽耦合微帶線,匹配電容CM、端接電容CSi和CLi(i=1, n)

可以根據(jù)掃頻的反射參數(shù)(S11)估計(jì)諧振器的無負(fù)載品質(zhì)因素(Qo)。 這里:fr為電路共振頻率、fu為高于共振頻率的3dB頻率、fl為低于共振頻率的3dB頻率。 作者采用修改過的FEM數(shù)字工具對利用耦合微帶線的MRI諧振器進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。FEM方法可以對設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真以確定一些給定的約束是否可能實(shí)現(xiàn)諧振器。 為了設(shè)計(jì)一個(gè)MRI諧振器,作者對圖2所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。該結(jié)構(gòu)有8個(gè)內(nèi)部微帶導(dǎo)線和以下這些特點(diǎn):

* 一個(gè)外部圓柱體,半徑(rB)52.5mm

* 一個(gè)內(nèi)部圓柱體,半徑(rR)36.25mm

* 帶寬度(w)17mm

* 帶厚度(t)0.5mm

* 電解質(zhì)常數(shù)(εr)1 采用FEM方式解決電壓分配問題,如圖4所示。一旦方法確定,可以計(jì)算在TEM諧振器上任一點(diǎn)的電壓。圖5顯示不同邊界條件下得到的電壓分布(表1)。

正如以上討論,通過導(dǎo)體等高線處標(biāo)準(zhǔn)通量的綜合確定了單位長度參數(shù)矩陣。表1列舉了[L]和[C]矩陣的第一列。該信息足夠用于重構(gòu)整個(gè)矩陣,因?yàn)樗麄兪茄h(huán)行列數(shù)。

最后,圖3所示的MRI耦合微帶線諧振器的設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn):諧振長度I為37.5cm;匹配電容CM為19.14pF,源和負(fù)載終端電容分別為CS和CL值均為2.415pF。圖6顯示S11在MRI諧振器RF端口的仿真頻率響應(yīng)。

該曲線說明了在所選擇的共振頻率(即,200MHz)處的最小值。耦合微帶線TEM諧振器的反射最小值在共振頻率處很?。?63.33dB)。用方程4可以確定Qo等于400。 與最近得到的8元無負(fù)載耦合共軸TEM諧振器的品質(zhì)因素(Qo=260)相比,從以上8元無負(fù)載耦合微帶線TEM諧振器的幾何和電學(xué)參數(shù)得到的這個(gè)無負(fù)載品質(zhì)因素(Qo=400)很有吸引力。

本文介紹了對于4.7T(即200MHz)磁共振圖像的8元無負(fù)載耦合微帶線TEM諧振器的分析和設(shè)計(jì),具有很高的品質(zhì)因素(Qo=400)。為了達(dá)到這個(gè)目的,有必要確定TEM諧振器的電磁參數(shù)。在200MHz處,這個(gè)問題可以使用Laplace方程結(jié)果進(jìn)行估計(jì)。采用有限元方法獲得該結(jié)果,因此我們可以確定電感和電容矩陣([L]和[C]矩陣)。當(dāng)[L]和[C]矩陣已經(jīng)確定,可以對所設(shè)計(jì)的TEM諧振器的RF端口處的S11進(jìn)行頻率響應(yīng)仿真。從而可以估計(jì)MRI諧振器的無負(fù)載品質(zhì)因素(Qo)。

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