核磁共振成像系统的振荡器分析_贴片电感_功率电感

核磁共振成像系统的振荡器分析

2022-01-27 11:06:33 点击次数：

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核磁共振成像系统(MRI)可以拍摄高分辨率的人体剖面透视图，为医疗症断提供非常有用的信息。

射频探针是MRI系统的重要部件，该探针发射出均匀的射频磁场，并接收人体反射回来的磁共振信号，还原出高质量的图像。

本文将描述一种核磁共振成像系统探头的电磁分析。

现在已有很多MRI系统的射频探头，为了提高填充系数，进而提高信噪比，人们越来越关注非柱状线圈的研究。

椭园线圈就非常适合门诊应用(如手腕或腹部诊断)。

这种线圈也适合非医疗场合(如分析包装内部的食品)。

这种线圈不但理论分析复杂而且实际实现也很困难，需要使用鸟笼分析方法(birdcage analysis)。

文献3提出了一种简单、高效的椭圆槽状振荡器用于取代椭圆鸟笼线圈。

通过有限元数值计算显示(部分考虑屏蔽效应)，椭圆槽状振荡器的场均匀性和非柱状鸟笼线圈一样，而且具有容易制造和操作的优点。

作者使用瞬态分析法对空载椭圆槽状振荡器进行二维电磁分析。

该分析可以得出该振荡器的电磁参数：[L]和[C]矩阵，并且考虑到所有几何参数，仿真出该设计的射频端口频率响应S11。

为了展示该SER在实际应用中的性能，该谐振器被用于一个最优配置的MRI系统中，当做射频探针，该系统工作于300MHz(中子成像)，该谐振器表现出-73.27dB的最小反射，其空载品质因子为500。

图1为椭圆槽状振荡器的等效电路图，该线圈由两个厚度为t的导体板构成，两个板位于圆柱体的两边，分别通有反向的电流.两块导体板可以装在椭圆的长轴(a)或短轴(b)上，文献3通过有限元分析法计算得知:导体板装在短轴上对应的场均匀性更好，两个导体板的底部通过电容相连，图1b为这个椭圆槽状振荡器的剖面图，θ角被称为“窗口角(window angle)”，窗口角的最佳值和椭圆外壳长轴-短轴比值(a/b)以及外半径-长轴比(rb/a)有关。

文献3种分析的SER的a/b=1.8，rb/a=2.4，在窗口角为72度时，达到最佳场均匀性。

屏蔽式空载SER的电磁特性可以用以下主要参数来表征：电感矩阵[L]、电容矩阵[C]；以及其次要参数：空载品质因子Qo。

电感矩阵[L]中：对角线元素表示导体板的自感，非对角线元素表示导体板间的互感。

电容矩阵[C]则表示两块导体板之间的电容效应，两者一起表示屏蔽式SER存储的电磁能量。

本文采用的Windows平台下的LINPAR多导体传输线矩阵参数(Matrix Parameters for Multiconductor Transmission Lines)程序计算其电感矩阵[L]和电容矩阵[C]，该软件使用瞬态法MoM(Method of Moments)计算分段各向同性介质中，多导体传输线的准静态矩阵。

该软件采用的方法是基于静态电磁分析的。

在分析中，用真空中的被束缚电荷替代电介质，用自由电荷代替导体。

根据电磁场的普通分量以及考虑边界条件的电荷分布，得出一组积分方程，用MoM方法解这组方程，对于总电荷分布使用分段常数近似和Galerkin技术。

一旦得出[L]和[C]矩阵，就可采用修正的数字模型估计出振荡器的谐振频谱(S11)，如图2所示。

核磁共振的探头由长度为l，匹配电容为CM、终结电容为CSi和CLi(i=1,2)屏蔽式SER振荡器组成。

通过扫频测试其反射系数S11，可以估算出该振荡器空载品质因子Qo。

其中：fr=谐振频率；fu=和谐振点相比，响应变化3dB对应的频率中，较高的频点；fl=和谐振点相比，响应变化3dB对应的频率中，较低的频点。

MoM方法使仿真并决定否能实现该探针成为可能。

图3是使用LINPAR程序分割屏蔽式SER表面电荷的示意图。

图4、5、6、7描述了窗口角θ对电磁参数[L]和[C]的影响，屏蔽层对电磁参数的影响如图8、9、10、11所示。

通过MoM方法可以得出考虑了各种几何参数的SER的[L]和[C]矩阵。

得出的这些图形有助于设计核磁共振系统的探头。

对于rb/a=2.4、θ=72deg的情况，SER的电磁参数如下：图2描述的MRI探头最终设计参数如下：短轴b为10cm；长轴-短轴比(a/b)为1.8；外半径-长轴比(rb/a)为2.4；导体厚度-短轴比(t/b)为0.1；窗口角θ为72度；相对介电常数εr为1；振荡器长度l 25cm；匹配电容CM为20pF，源和负载的终结电容CSi和CLi都为1pF。