術(shù)中磁共振射頻線圈設(shè)計.pdf

1、磁共振成像是一種非常重要的醫(yī)學(xué)成像技術(shù),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于臨床。在磁共振領(lǐng)域,多名科學(xué)家曾經(jīng)先后五次分別獲得諾貝爾獎,由此可見磁共振技術(shù)的科學(xué)價值和影響力。磁共振醫(yī)學(xué)成像的突出優(yōu)點是具有良好的軟組織分辨能力,能夠?qū)ζ鞴俳M織功能成像以及對患者無電離輻射危害等,這些優(yōu)點是其它醫(yī)學(xué)成像手段,如X-射線成像、超聲成像等都無法比擬的。磁共振成像在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用處于發(fā)展的初始階段,仍有著巨大的潛力。
　　 磁共振系統(tǒng)問世時間雖短,但已經(jīng)得到飛速發(fā)

2、展,從最早期的永磁體(低場)磁共振系統(tǒng),發(fā)展到今天的超高場超導(dǎo)磁體系統(tǒng)(主磁場超過10T)。低場系統(tǒng)整體成本低,具有開放式結(jié)構(gòu),對電源要求不高,適合中小醫(yī)院和偏遠地區(qū)使用。高場磁共振系統(tǒng),主要是1.5T和3.0T為代表的超導(dǎo)磁共振系統(tǒng),是大型醫(yī)院的主流設(shè)備,這類超導(dǎo)系統(tǒng)能夠提供豐富的醫(yī)學(xué)成像信息,臨床價值有目共睹。不同系統(tǒng)能夠發(fā)揮各自優(yōu)勢,形成了共存的局面,這是一種非常有趣的現(xiàn)象。
　　 磁共振系統(tǒng)的主要組成部分包括主磁體、梯度

3、線圈、射頻線圈、譜儀系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和輔助設(shè)備等。其中射頻線圈既起到激發(fā)磁共振射頻信號的作用,又起到接收磁共振信號的作用,是磁共振系統(tǒng)核心部件之一,對磁共振成像質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用,是磁共振系統(tǒng)重要研究課題,相關(guān)研究非?；钴S,國外從事射頻研究的學(xué)者和機構(gòu)非常多,國內(nèi)只有少數(shù)幾所大學(xué)具有相關(guān)的科研條件和研究能力。根據(jù)射頻線圈在系統(tǒng)中所起的作用不同,又分為發(fā)射線圈和接收線圈兩類。起發(fā)射射頻信號作用的稱為發(fā)射線圈,起接收射頻信號作用的稱為接收

4、線圈。射頻線圈一般都是作用在射頻頻率范圍內(nèi)(幾十兆赫茲到幾百兆赫茲),因此射頻線圈的研發(fā)遵循射頻電磁場的普遍規(guī)律,同時又有著自身的特殊性。
　　 對于不同頻率范圍的射頻線圈,其研究方法也不相同。一般而言,對于低場射頻線圈,可以采用準靜態(tài)電磁分析方法,或者叫做等效電路方法。等效電路方法相對而言比較簡單,這種方法能夠比較準確地計算出射頻線圈的共振頻率和射頻線圈不同單元之間的耦合、匹配等。但是隨著共振頻率的提高,這種方法的誤差將增大。

5、特別是當射頻線圈或者人體器官的尺寸接近射頻波長后,就不再適用了。對于高場射頻線圈,需要采用全波電磁場分析方法,全波分析方法可以不受射頻頻率的限制,能夠比較全面地反映射頻線圈的性能,但是相對而言比較復(fù)雜。各種電磁場數(shù)值分析方法如時域有限差分法(FDTD)、矩量法(MoM)、有限元法(FEM)等都屬于全波分析方法之一,它們各有優(yōu)缺點,并且在射頻線圈的設(shè)計中都有廣泛的應(yīng)用。FDTD方法的優(yōu)點是適合計算具有不均勻電磁介質(zhì)的電磁場,缺點是計算量比

6、較大。MoM方法的優(yōu)點是適合計算復(fù)雜形狀的射頻線圈的電流密度分布,缺點是不適合計算有不均勻電磁介質(zhì)存在的電磁場分布。FEM方法一般是在頻域求解電磁場問題,其網(wǎng)格劃分的方法對電磁計算精度影響較大。最新的射頻線圈的設(shè)計方法中還包含了各種不同的混合電磁計算數(shù)值方法,如混合FDTD/MoM方法,混合FEM/MoM方法等,這些混合方法能夠結(jié)合不同數(shù)值方法的優(yōu)勢,同時避免其各自的劣勢,有很好的發(fā)展前景。本論文作者對常用的電磁場數(shù)值分析方法和混合方法

7、進行了相關(guān)的研究工作,并有部分研究成果發(fā)表。
　　 根據(jù)不同的成像需求,射頻線圈具有不同的幾何形狀。主要有螺線管形射頻線圈,鞍形射頻線圈,鳥籠型射頻線圈,正交型線圈,表面線圈,陣列線圈,植入體內(nèi)的微型線圈等多種形式。根據(jù)臨床應(yīng)用部位不同,又可以分為頭線圈,頸線圈,頭頸聯(lián)合線圈,體線圈,肢體線圈,淺表組織線圈,腔內(nèi)線圈等不同類別?？梢?射頻線圈具有復(fù)雜的幾何形態(tài),具有多種多樣的臨床用途。射頻線圈總是基于一定的磁共振系統(tǒng),因此射頻線

8、圈的研究和發(fā)展與磁共振系統(tǒng)的研究和發(fā)展是息息相關(guān)的。
　　 對于磁共振系統(tǒng)而言,不斷滿足臨床提出的新需求是其永恒的發(fā)展主題。近年來,術(shù)中應(yīng)用是磁共振嶄新的發(fā)展方向,實現(xiàn)術(shù)中磁共振測溫引導(dǎo)的熱消融腫瘤治療技術(shù)宛若一顆冉冉升起的新星,備受業(yè)內(nèi)人士關(guān)注。熱消融是臨床治療腫瘤的重要手段,它通過一定的加熱方法,使腫瘤組織的溫度升高到一定程度從而使腫瘤組織壞死,達到治療的目的。在熱消融手術(shù)過程中,需要對加熱部位的組織溫度進行準確監(jiān)測,以便正

9、確控制熱消融手術(shù)的溫度和作用時間,恰當評估熱消融手術(shù)效果。目前測溫的方法分為有創(chuàng)和無創(chuàng)兩種。有創(chuàng)測溫是在術(shù)中利用溫度探頭,直接測量溫度,雖然準確但是對病人有損傷,臨床應(yīng)用范圍受到限制,無創(chuàng)測溫是更佳的選擇。在無創(chuàng)測溫的各種方法中,最具有吸引力的就是磁共振術(shù)中測溫。磁共振成像中,質(zhì)子共振頻率、弛豫時間等多種參數(shù)都是溫度敏感的,能夠反映人體組織溫度變化情況,因此通過測量磁共振成像的相關(guān)參數(shù)可以準確測得目標器官的溫度,目前高場下的測溫精度已經(jīng)

10、可以達到±1℃。發(fā)展至今,磁共振測溫已經(jīng)成功應(yīng)用于臨床,成為最受歡迎、最有發(fā)展前景的一種體外無創(chuàng)測溫技術(shù)。將熱消融治療裝置和磁共振設(shè)備二者整合,實現(xiàn)磁共振影像引導(dǎo)下術(shù)中測溫?zé)嵯谥委?一直是國內(nèi)外生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究熱點,特別是磁共振測溫引導(dǎo)下的聚焦超聲消融手術(shù)(MRgFUS),在無創(chuàng)治療子宮肌瘤、乳腺癌、前列腺癌、肝癌、腦惡性膠質(zhì)瘤等多個器官腫瘤疾病方面都具有巨大應(yīng)用價值,被稱為“顛覆性的技術(shù)革新”。
　　 射頻線圈作為磁共

11、振系統(tǒng)的核心部件之一,自然也是術(shù)中磁共振系統(tǒng)的重點研究內(nèi)容之一。與常規(guī)磁共振成像檢查不同,術(shù)中磁共振系統(tǒng)對射頻線圈提出了新的要求,主要包括:(1)術(shù)中射頻線圈需要兼容采用的術(shù)中治療手段,比如術(shù)中射頻線圈需要為聚焦超聲波提供物理通道等；(2)術(shù)中射頻線圈的成像目標器官非常明確,是為治療目的服務(wù)的,而常規(guī)射頻線圈是為診斷目的服務(wù)的。當然,均勻的發(fā)射射頻場,高的射頻接收信噪比等是對術(shù)中線圈和常規(guī)線圈共同的要求。目前,常規(guī)的射頻線圈只能部分滿足

12、術(shù)中磁共振的需求,還沒有專門的術(shù)中測溫磁共振系統(tǒng)射頻線圈。針對術(shù)中磁共振系統(tǒng)對射頻線圈的特殊要求,在導(dǎo)師陳武凡教授的指導(dǎo)下,依國家科技部973項目內(nèi)容要求,本論文提出了面向器官的術(shù)中射頻線圈設(shè)計理論模型,主要包括:逆方法設(shè)計面向器官的術(shù)中射頻線圈理論方法和混合MoM/FDTD電磁計算數(shù)值方法工程優(yōu)化術(shù)中射頻線圈理論方法。并制作相應(yīng)的原型實驗線圈,驗證理論模型的正確性。
　　 逆方法根據(jù)預(yù)先設(shè)定的目標電磁場分布來倒推出射頻線圈表面

13、電流密度分布,由線圈表面電流密度分布再倒推出射頻線圈表面導(dǎo)線排布,最終完成射頻線圈設(shè)計。國際上,逆方法研究的最新進展包括Li,Y等提出的乳房線圈設(shè)計和Muftuler,L.T等提出的并行成像陣列線圈設(shè)計。Li,Y等運用逆方法,依據(jù)乳房器官特殊的幾何形狀,設(shè)計了一種倒三角錐形狀的射頻線圈,并成功實現(xiàn)磁共振掃描成像。Muftuler,L.T等設(shè)計的并行成像陣列線圈是為了提高磁共振成像速度而設(shè)計的,也是采用逆方法原理倒推出設(shè)計方案。目前,還未

14、見將逆方法應(yīng)用于設(shè)計磁共振術(shù)中測溫系統(tǒng)專用射頻線圈的相關(guān)報道。關(guān)于術(shù)中適用磁共振射頻線圈設(shè)計的理論研究少見報道的原因,大致有以下幾個方面:(1)磁共振術(shù)中測溫應(yīng)用是近幾年興起的臨床應(yīng)用新技術(shù),許多相關(guān)的技術(shù)和理論都還有待深入研究；(2)對傳統(tǒng)的磁共振射頻線圈做相應(yīng)改進后,可以部分滿足MRgFUS系統(tǒng)等的需求；(3)術(shù)中磁共振射頻線圈設(shè)計,形狀復(fù)雜,比較困難。術(shù)中射頻線圈在排布導(dǎo)線的時候,要求能夠同時結(jié)合術(shù)中應(yīng)用的需求,比如留置術(shù)中通道等

15、,這些都將使設(shè)計和工程實現(xiàn)的難度大幅增加。針對磁共振術(shù)中測溫系統(tǒng)對射頻線圈的特殊需求,在現(xiàn)有國內(nèi)外射頻線圈設(shè)計理論研究成果的基礎(chǔ)上,本論文借鑒Li,Y等人乳房射頻線圈的研究成果,結(jié)合磁共振術(shù)中測溫專門針對某個器官的特點,提出了面向器官的逆方法設(shè)計思路,即設(shè)計的目標是使器官所在部位的射頻場(B1場)分布盡量均勻一致。同時,由于術(shù)中通道的存在,在逆方法設(shè)計時,需要結(jié)合術(shù)中通道的位置建立相關(guān)模型。逆方法在設(shè)計過程中,需要對射頻線圈表面電流密度

16、積分方程組進行求解來得到射頻線圈表面電流密度分布圖。一般情況下,該積分方程組是病態(tài)的,需要正則化后求解。因此,求得的解是近似解。由近似解進一步抽象出來的射頻線圈設(shè)計方案,與設(shè)計目標相比本身就具有一定的誤差,需要進一步優(yōu)化。Li,Y等采用的優(yōu)化方法是在線圈表面設(shè)定數(shù)個控制點,調(diào)整控制點的位置,通過準靜態(tài)場(quasi—static)近似計算方法來計算B1場的分布。這種優(yōu)化方法有兩個缺點,一是控制點的選取有隨意性,二是B1場的計算僅僅依靠比

17、奧-薩伐爾定律(Biot—Savsrt law),方法過于簡單,沒有考慮工程中必然遇到的B1場與人體組織之間復(fù)雜的電磁作用效應(yīng),僅適用于低場,高場下誤差比較大。
　　 為了解決優(yōu)化問題,作者借鑒MoM/FDTD混合方法最新研究成果,提出了計算電磁混合MoM/FDTD工程優(yōu)化方法。MoM/FDTD混合方法的最新進展是Feng Liu等人提出的基于惠更斯等效面原理的MoM方法和FDTD混合方法。本文在此基礎(chǔ)上,提出了建立目標器官的電

18、磁模型,作為負載代入FDTD域,在該混合方法中考慮了工程中必然遇到的B1場與人體組織之間復(fù)雜的電磁作用效,使優(yōu)化設(shè)計結(jié)果更符合工程實際。作者運用MoM電磁場算法計算結(jié)構(gòu)復(fù)雜的術(shù)中射頻線圈的電流密度分布。在用MoM法計算電流密度分布圖時,考慮了工程實際需要,設(shè)置合適的電路參數(shù),使線圈在設(shè)定的頻率上共振,同時選擇合適的去耦電路和去諧電路進行仿真。所選用的去耦電路呈容性特性,選用的去諧電路起保護電路的作用,對共振電流沒有影響。接下來,依據(jù)惠更

19、斯等效原理,設(shè)置惠更斯等效面,作為MoM方法和FDTD方法結(jié)合的紐帶,將用MoM法計算得到的電流密度分布圖等效映射到惠更斯等效面上。選用的惠更斯等效面圍蔽的空間就是FDTD作用域,該域包含了設(shè)定的目標器官。目標器官建立電磁模型,將電磁模型作為負載代入FDTD域求解。FDTD方法的優(yōu)勢是能夠方便求解包含復(fù)雜介質(zhì)的電磁場,作者在本研究中利用FDTD方法的這個優(yōu)勢,將目標器官作為線圈負載,選取合適時間步長,空間步長,以及設(shè)定合適的完全吸收邊界

20、條件(PML),考慮實驗室計算機硬件條件和解的精度需要等情況,通過實驗最終確定FDTD解。FDTD域內(nèi)的解代表形成穩(wěn)定的共振后FDTD區(qū)域邊界,即惠更斯等效面上的新的電流密度分布圖。根據(jù)耦合原理,用新得到的電流密度分布圖來修正待優(yōu)化的射頻線圈表面的電流密度分布,也就是修正射頻線圈表面上的導(dǎo)線排布位置。然后,對修正后的射頻線圈再一次重復(fù)上述的優(yōu)化過程。當惠更斯等效面的電流密度分布最終達到穩(wěn)定時,優(yōu)化循環(huán)結(jié)束,得到最終射頻線圈優(yōu)化設(shè)計方案。