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)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(yuǎn)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(jī)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(zhǔn)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(zhǔn)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。特別是當(dāng)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進(jìn)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。可見,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(dá)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(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測,以便正確控制熱消融手術(shù)的溫度和作用時間,恰當(dāng)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(zhǔn)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(zhǔn)確測得目標(biāo)器官的溫度,目前高場下的測溫精度已經(jīng)可以達(dá)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(biāo)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(dāng)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(biāo)電磁場分布來倒推出射頻線圈表面電流密度分布,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(jìn)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(yùn)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(jìn)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,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(biāo)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積分方程組進(jìn)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(jìn)一步抽象出來的射頻線圈設(shè)計方案,與設(shè)計目標(biāo)相比本身就具有一定的誤差,需要進(jìn)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(zhǔn)靜態(tài)場(quasi-static)近似計算方法來計算B,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奧-薩伐爾定律(Biot-Savart 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(jìn)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(biāo)器官的電磁模型,作為負(fù)載代入FDTD域,在該混合方法中考慮了工程中必然遇到的B,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(yùn)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(jìn)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(hù)電路的作用,對共振電流沒有影響。接下來,依據(jù)惠更斯等效原理,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(biāo)器官。目標(biāo)器官建立電磁模型,將電磁模型作為負(fù)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(biāo)器官作為線圈負(fù)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條件(PML),考慮實驗室計算機(jī)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(dāng)惠更斯等效面的電流密度分布最終達(dá)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�；旌螹oM/FDTD工程優(yōu)化方法研究部分成果被業(yè)界普遍認(rèn)可的2011年IEEE ISBI會議收錄。 作者最后制作了相應(yīng)的原型實驗射頻線圈,對上述的理論設(shè)計模型進(jìn)行了驗證,證明該理論方法可行,能夠滿足磁共振系統(tǒng)術(shù)中測溫的需求。相關(guān)研究的部分成果發(fā)表在" Concepts in Magnetic Resonance Part B-Magnetic Resonance Engineering"雜志上(SCI收錄)。
【學(xué)位單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：R445.2
【部分圖文】：

博士學(xué)位論文 deeaySignal)，一般用FID表示，見圖1一4。 Time圖1一4自由感應(yīng)衰減信號 F1gurel一 4theFIDsignal1.2.2磁共振成像 Pau1Lauterbur在1972年通過發(fā)展空間信息編碼技術(shù)，使NMR信號信息能夠轉(zhuǎn)換成圖像信息。目前，臨床上常見的磁共振圖像是顯示人體組織器官等所含氫核的情況，在MRI系統(tǒng)中，為了準(zhǔn)確獲得氫核所在空間的位置，常在主恒定磁場B，上疊加三個相互垂直的線性梯度磁場，疊加的結(jié)果使得空間各點的磁場強(qiáng)度各不相同，于是空間各點的拉莫爾共振頻率也各不相同。因此，可以采用空間不同位置的各氫核的拉莫爾頻率來標(biāo)記空間各點的位置。醫(yī)學(xué)磁共振圖像主要用氫核的磁共振參數(shù)組成，一般的參數(shù)包括氫核的密度p

Q一先(3一6)3.2.2等效電路分析圖3一2所示的是實際的簡單表面射頻接收線圈示意圖，圖3一3所示的是其等效電路原理圖，其中氣，處，乙:，氣分別是原線圈的等效電感。毛3廠、尸、尸、土丁悅圖3一2表面射頻線圈物理結(jié)構(gòu)圖Figure3一 2thePhysicalsurfaeeRF圖3一3表面射頻線圈等效電路原理圖Figure3一 3theequivalentcireuitofsurfaeeRFeoil電路中的電感元件的電感量，可以根據(jù)其長度和半徑(或者寬度等)通過計算得到，計算公式見式(2一45)和式(2一46)。根據(jù)基爾霍夫定律，可以得到:棄卜‘田“廠“:一‘田“3一‘姚、“。”:‘徹“2二。(3一7)其中，Ml是兩水平導(dǎo)線之間的互感

第3章磁共振射頻線圈設(shè)計部線圈結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加兩路環(huán)形單元，以擴(kuò)大成像區(qū)域，覆蓋頸部區(qū)域。圖3一5頭部射頻線圈結(jié)構(gòu)模型Figure3一 5themodelofheadeoil圖3一6及頭頸聯(lián)合線圈模型Figure3一 6themoeielofheadandneekeoil圖3一7為我們研究小組所設(shè)計的術(shù)中多通道射頻接收線圈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該線圈是基于寧波鑫高益公司開發(fā)的0.4T永磁開放式磁共振系統(tǒng)平臺。線圈包括兩路環(huán)形結(jié)構(gòu)單元與一路串聯(lián)鞍形結(jié)構(gòu)單元。在環(huán)形結(jié)構(gòu)單元中，兩路環(huán)形所圍平面相互平行。其中每個環(huán)形結(jié)構(gòu)為長和寬分別為 43.4cm和28cm，圓角半徑為8.2cm的圓角矩形。在側(cè)面與頂部兩環(huán)形相距為 18col，而在底部相距 27cm。在鞍形結(jié)構(gòu)中，每個鞍的C形側(cè)臂與所對應(yīng)最近的環(huán)形相距5.2底面兩鞍形結(jié)構(gòu)相距分別為 13cm及 27cm。S自ddl.必!em心nt圖3一7術(shù)中多通道射頻接收線圈模型Figure3一 7themodelofintra一 oPerativemulti一 channelreeeiveRFcm，在頂面及coil
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 辛學(xué)剛;韓繼鈞;陳武凡;;FDTD方法在磁共振射頻線圈仿真中的應(yīng)用[J];電路與系統(tǒng)學(xué)報;2010年04期

2 楊慧珠,張友生,陶果;井眼條件下彈性波傳播問題的三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬[J];地球物理學(xué)進(jìn)展;2003年02期

3 辛學(xué)剛;韓繼鈞;陳武凡;;矩量法及其在磁共振射頻線圈中的應(yīng)用[J];中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志;2010年04期

本文編號：2840338