0 引言

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

    射頻線圈通?？煞譃轶w線圈和表面線圈。體線圈具有較大的空間分布，能夠在特定區域內產生均勻的B1場，可作為發射線圈和接收線圈^[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，獲得較高的SNR。本文設計了一種鳥籠結構的體線圈，闡述了制作方法，并給出了測試結果。

1 鳥籠線圈原理

    鳥籠線圈的基本結構如圖1所示，由多個平行于軸向的導電部分組成，平行結構稱為rung，連接rung的結構稱為endring，根據電容的位置，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。

    鳥籠線圈易實現正交激發。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，就能產生一個圓極化的B1場。相對于線性激發，正交激發的能量可以減小1/2，SNR可以提高倍^[6]。

    N根rung一般產生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。但對于低通和高通鳥籠線圈而言，當m=1時會產生均勻的模式。

    線圈的rungs數量直接影響著磁場的均勻度，rungs的數量越多，長度和直徑的比值越大，磁場就越均勻。圖2是MATLAB計算的不同數量rung下的磁場位形狀，隨著rungs數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rungs的數量較多時，對電容的精度要求相應增加，且導體結構分布的對稱性會變差，易造成諧振模式的分裂，調諧過程會變得更復雜。因此設計時需要在場的均勻度和線圈制作的復雜性之間進行權衡。

2 線圈參數以及仿真

2.1 線圈參數

    9.4T下的H原子的拉莫爾頻率為400 MHz，綜合考慮設計復雜性以及磁場的均勻度，本文采用8 rungs的高通結構，采用正交激發。線圈選用銅材質，線圈leg采用半徑為0.5 mm、長度為55 mm的管狀結構，線圈半徑取20 mm，屏蔽層半徑取30 mm，電容間隙取2 mm，端環類型采用矩形結構，鳥籠線圈的電容數目較多，endring采用厚度為0.1 mm，寬度為5 mm的銅帶。為簡化設計流程，采用賓夕法尼亞州立大學開發的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，構建模型如圖3所示，進一步優化，當C_f取6.2 pF時，可以在400 MHz產生均勻的磁場。

    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。

    通過場路聯合仿真，經調諧匹配，得到5種諧振模式。圖5是相應的S參數曲線。在m1模式下，諧振頻率匹配到399.7 MHz，反射系數是-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出共模電流，容易對信號造成干擾，引起線圈的失諧振，嚴重時還會對成像的活體造成灼傷^[9]。本設計采用trap來消除上述弊端，工程中將同軸電纜纏繞，等效為電感，在其兩端并聯電容，外屏蔽層和電容相當于一個并聯諧振電路，在特殊的頻點實現陷波，如圖6所示，通過調節電容使諧振頻率匹配到400 MHz。

    實際測試時，為減少trap中電感產生的磁場對射頻線圈磁場的干擾，同時為防止外界環境對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

    在鳥籠線圈的設計中，采用的正交調諧結構如圖8所示，其中C_t1和C_t2分別是兩個通道的調諧電容，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構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的亞克力管作為內部的支撐。當加入負載之后，整體的等效電容會增大，從而導致諧振頻率降低，所以需要選用比理論值偏小的電容，本設計選用容值為5.6 pF的ATC100B系列的無磁電容。圖9(a)為的焊接結構圖，圖9(b)為裝配有屏蔽和支撐的完整結構圖。

4 線圈測試

4.1 網絡分析儀測試

    采用安捷倫的E5071C網絡分析儀進行對線圈進行測試，通過對調諧電容、匹配電容以及平衡電容的反復匹配，使兩個通道都能在400 MHz下發生諧振。網絡分析儀測試結果可知，兩個通道m1模式的反射系數較低，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，參數為：TR=20 ms，TE=4 ms，Matrix=128×128，Fov=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，圖像噪聲的標準差是67.45，圖像的SNR=13 560/67.45=201。表明該線圈產生的磁場較為均勻，線圈的發射效率和接收效率高。

5 結論

    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，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射和接收，發射時效率高，磁場均勻，圖像的信噪比較高，制作工藝簡單，成本較低，可以根據被測樣品的大小，進行不同尺寸的設計，對于其他高場磁共振射頻線圈的設計具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1] 趙喜平.磁共振成像系統的原理及其應用[M].北京：科學出版社，2000.

[2] 張宏杰，宋梟禹，包尚聯，等.磁共振成像射頻線圈技術[J].中國醫學影像技術，2005，21(9)：1440-1441.

[3] ACKERMAN J J H.An historical introduction to surface coils：The EARLY DAYS[M].Encyclopedia of Magnetic Resonance，2012.

[4] VAUGHAN J T，HETHERINGTON H P，OTU J O，et al.High frequency volume coils for clinical NMR imaging and spectroscopy[J].Magnetic Resonance in Medicine，1994，32(2)：206-218.

[5] HAYES C E，EDELSTEIN W A，SCHENCK J F，et al.An efficient, highly homogeneous radiofrequency coil for wholebody NMR imaging at 1.5 T[J].Journal of Magnetic Resonance，1985，63(3)：622-628.

[6] CHEN C N，HOULT D I，SANK V J.Quadrature detection coils—A further improvement in sensitivity[J].Journal of Magnetic Resonance，1983，54(2)：324-327.

[7] LEIFER M C.Resonant modes of the birdcage coil[J].Journal of Magnetic Resonance，1997，124(1)：51-60.

[8] CHIN C，COLLINS C M，LI S，et al.BirdcageBuilder：Design of specified-geometry birdcage coils with desired current pattern and resonant frequency[J].Concepts in Magnetic Resonance，2002，15(2)：156-163.

[9] PETERSON D M，BECK B L，DUENSING G R，et al.Common mode signal rejection methods for MRI：Reduction of cable shield currents for high static magnetic field systems[J].Concepts in Magnetic Resonance Part B Magnetic Resonance Engineering，2003，19B(1)：1-8.

[10] HAYES C E，EASH M G.Shield for decoupling RF and gradient coils in an NMR apparatus：US，US 4642569 A[P].1987.

[11] 李永明，耿力東，俞集輝，等.多根貫通導線對屏蔽體內電路電磁干擾影響的仿真研究[J].電子技術應用，2007(11)：133-135，138.

作者信息：

陳思明1，2，張雪雷1

（1.中國科學院強磁場科學中心，安徽 合肥230000；2.中國科學技術大學，安徽 合肥230000）