基于FDTD-MoM混合方法設(shè)計磁共振射頻線圈.pdf

1、磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)可在無創(chuàng)的條件下對人體或其它生物體內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行成像,它具有圖像分辨率高、成像參數(shù)多、可任意方向斷層、對人體無電離輻射傷害等優(yōu)點。因此,磁共振成像得以在臨床上廣泛應(yīng)用,并成為臨床上和科學(xué)研究中越來越重要的成像方法。
　　 射頻線圈(RF coil)是磁共振成像系統(tǒng)重要組成部分,其位于成像系統(tǒng)的最前端,接收來自成像區(qū)域內(nèi)的磁共振信號。在臨床應(yīng)用中,磁

2、共振圖像的信噪比(SNR)和成像均勻性是衡量射頻線圈的重要指標(biāo),而射頻線圈的磁場強(qiáng)度和磁場分布的均勻性與圖像的信噪比和成像均勻性直接相關(guān)。因而對于設(shè)計者而言,在設(shè)計射頻線圈的過程中,需要對線圈進(jìn)行電磁仿真分析,從而對線圈的磁場強(qiáng)度和磁場分布均勻性進(jìn)行考察。
　　 在工程中,時域有限差分(finite difference time domain,FDTD)方法和矩量法(method of moments,MoM)是電磁仿真計算最

3、為常用兩種的方法。其中FDTD方法是由Yee最早提出。其通過對電磁場分量在時間及空間上交替采樣,并運用該采樣方式將麥克斯韋微分方程直接轉(zhuǎn)化為差分方程,結(jié)合初始條件和邊界條件,在時間和空間的推進(jìn)過程中逐步求解電磁場分布。FDTD方法不受電磁場頻率限制,而且適合對復(fù)雜電磁參數(shù)的電介質(zhì)(比如人體)進(jìn)行分析,因此在射頻線圈仿真中得到廣泛應(yīng)用。矩量法是一種基于積分方程的嚴(yán)格的數(shù)值方法,其精度主要取決于目標(biāo)幾何建模精度和正確的基權(quán)函數(shù)的選擇及阻抗元

4、素的計算。其思想主要是將幾何目標(biāo)剖分離散,在其上定義合適的基函數(shù),然后建立積分方程,用權(quán)函數(shù)檢驗從而產(chǎn)生一個矩陣方程,求解該矩陣方程,即可得到幾何目標(biāo)上的電流分布,從而求得其它近遠(yuǎn)場信息。相對于FDTD,矩量法對計算資源要求要少,而且非常適合對幾何形狀較為復(fù)雜的射頻線圈進(jìn)行分析,因此在設(shè)計射頻線圈過程中也經(jīng)常用到矩量法來對其線圈做電磁仿真分析。
　　 當(dāng)人體進(jìn)入線圈中,會與線圈發(fā)生耦合,從而改變線圈中的電磁場分布,因此我們在線圈

5、設(shè)計時需要考慮人體對線圈的影響。然而加入人體后,使得射頻線圈的電磁仿真分析難度大大增加,這是因為對于FDTD方法,需要對計算區(qū)域進(jìn)行細(xì)分,而加入人體的射頻線圈,其計算區(qū)域包括人體、人體與線圈之間的自由空間、射頻線圈三個部分,若對這三個計算區(qū)域均采用FDTD方法,則需要占用極大的計算資源。此外,在使用FDTD方法時,需要設(shè)置PML介質(zhì)層,介質(zhì)層中每個網(wǎng)格厚度也即自由空間中每個網(wǎng)格厚度與PML介質(zhì)層吸收電磁波性能有直接關(guān)系,若自由空間中每個

6、網(wǎng)格厚度過大將導(dǎo)致PML介質(zhì)層不能很好的吸收電磁波；而網(wǎng)格厚度過小,則大大增加仿真的計算強(qiáng)度。而對于幾何形狀較為復(fù)雜的射頻線圈,在細(xì)分過程中還會帶來誤差。因此直接利用FDTD方法來對加入人體的射頻線圈進(jìn)行仿真分析并不可取。而采用矩量法來仿真分析射頻線圈,僅需對射頻線圈進(jìn)行離散分段,而后基于自由空間的格林函數(shù),就可以求得每小段或面片的電流分布。此處,矩量法的離散一般為一維的分段或二維的離散為三角面片,因此矩量法非常適合對幾何形狀較為復(fù)雜的

7、射頻線圈進(jìn)行分析。然而,矩量法解決復(fù)雜電磁參數(shù)的電介質(zhì)的電磁分析問題,需要構(gòu)造復(fù)雜的格林函數(shù),而且在實現(xiàn)過程中,需要求解很大的矩陣方程,因此矩量法并不像FDTD方法對于復(fù)雜電磁參數(shù)的電介質(zhì)(比如人體)的電磁分析有優(yōu)勢。
　　 在本文中,我們引入FDTD/MoM混合方法對加入人體的射頻線圈進(jìn)行仿真分析。在混合方法中,首先采用矩量法求解得到射頻線圈上電流分布,在人體與線圈之間的自由空間中設(shè)置惠更斯等效面(Huygence equiv

8、alent surface)使人體模型包絡(luò)在等效面內(nèi),再將電流分布映射到該等效面上,此時就可以通過FDTD方法對等效面內(nèi)(包括人體)區(qū)域進(jìn)行電磁分析。
　　 本文首先對磁共振原理以及FDTD方法和矩量法理論進(jìn)行了介紹；之后,討論了在射頻線圈實現(xiàn)過程中所應(yīng)用的射頻電路相關(guān)技術(shù):在本文的最后,對FDTD/MoM混合方法設(shè)計射頻線圈做了較為詳細(xì)的闡述。在對FDTD/MoM混合方法設(shè)計射頻線圈進(jìn)行闡述時,首先介紹了FDTD方法和矩量法在