在大鼠脊椎磁共振掃描實驗中，主磁場強度較低且傳統射頻線圈成像深度淺、空間兼容性差、硬件成本要求高，最終導致大鼠脊椎部位圖像信噪比降低。本文開發一種用于 9.4 T 高場下大鼠脊椎磁共振成像的射頻線圈，旨在提高大鼠脊椎部位掃描圖像信噪比的同時又能避免所設計線圈對特殊狀態下（比如心臟導管插入等）的大鼠脊椎掃描造成的空間限制。本文通過仿真建模、線圈原型建立以及帶負載 Q 值測試和 9.4 T 下水膜和活體大鼠脊椎線圈掃描成像對比實驗，驗證了所設計射頻線圈在大鼠脊椎測試應用的優勢。
引用本文： 徐永鋒, 楊鴻毅, 鐘凱. 9.4 T 大鼠脊椎磁共振成像射頻線圈. 生物醫學工程學雜志, 2019, 36(1): 116-120. doi: 10.7507/1001-5515.201707045 復制
引言
大鼠脊椎損傷是研究脊柱損傷及相關病理機制的重要動物模型，而大鼠脊椎磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）在其中具有重要的作用和價值。目前，大鼠脊椎磁共振掃描主要采用表面線圈[1-5]、體線圈[6-8]和多通道線圈[9-14]三種射頻（radio frequency，RF）線圈。傳統的表面線圈通常采用單線圈設計，存在成像深度淺、脊椎區域 B1 場強度下降較快的問題，使得脊椎成像的清晰度明顯下降。采用體線圈的方式進行大鼠脊椎掃描能夠克服表面線圈 B1 場不均勻的缺點，但線圈的填充因子降低導致整體信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）下降，同時由于其封閉的結構，不能兼容脊柱手術、心臟插管等技術操作。采用多通道線圈雖然能夠克服表面線圈 B1 場分布不均勻的缺點，但依然存在空間兼容性的問題。同時，對硬件的要求更高，增加了研究成本。
針對以上問題，我們提出采用開放式的鳥籠結構設計，在增加線圈填充因子的同時提高大鼠脊椎部位的信噪比和靈敏度，并提供手術狀態下的大鼠在有限空間中進行脊椎磁共振成像研究的兼容性。利用網絡分析儀測量線圈的品質因數，基于有限元方法分析線圈在特殊諧振模式下的場分布特點。在 9.4 T 高場磁共振平臺下，通過生理鹽水和術中活體大鼠脊椎的成像實驗來驗證所設計線圈的優勢和可行性。
1 實驗部分
1.1 電路原理和線圈設計
對于開放式高通鳥籠結構線圈，如果線圈腿的數量為 N，則形成 N – 1 個環形，可以用梯度網絡等效[15]，如圖 1 所示，Mj，j 表示第 j 條腿的自感，Cj 表示連接第 j 條腿和第 j + 1 條腿之間的電容。Lj，j 表示連接電容 Cj 和 Cj - 1 之間的端環導體自感。定義第 j 條腿和第 k 條腿之間的互感 Mj，k 以及端環 j 和端環 k 之間的互感 Lj，k（圖中未標出，但實際存在）。由線圈輸入端口的接線方式可知線圈的第一條腿和最后一條腿的電流 I0 = IN = 0，結合基爾霍夫電壓定律，每個環滿足：
圖1
開放式鳥籠結構射頻線圈的等效電路
Figure1.
Equivalent circuit of open birdcage RF coil
 |
 |
每條腿的電流分布滿足：
 |
當 C1 = C2 = 
= C，L1 = L2 = 
= L，M11 = M22 = 
= M 時，
 |
得到諧振頻率：
 |
如圖 2 所示，半開放鳥籠線圈采用一段弧形開口支架來保證大鼠脊椎位置能夠盡量貼近線圈且身體器官不受擠壓。線圈的弧形開口支架采用直徑為 56 mm 的亞克力管的一部分，弧度角 30°。線圈采用厚度 1 mm、寬度 3 mm、長度 51 mm 的矩形銅皮材料作為腿部，由于腿之間的間隔為 3 mm 左右，所以端環處直接采用電容相連。電容均采用大功率高品質無磁電容（Johanson 公司）。在線圈外圍增加同心的弧形屏蔽外殼，屏蔽與線圈之間距離為 12 mm，以提高線圈的品質因數[16]并抑制電磁干擾。同時在線圈發射接收端增加陷波器[17]來消除同軸電纜的共模電流造成的影響。如圖 2 所示，開放式鳥籠線圈采用線性激勵方式，激勵端口位于中間的兩條腿的同一側端口，由同軸線引出。處于激勵端口的兩條腿之間用一個可調電容代替固定電容進行調諧。
圖2
線圈實物圖
Figure2.
Three-dimensional sketch of the RF coil
1.2 建模分析
如圖 3 所示，按照實際尺寸建立開放式鳥籠結構線圈模型，共八條腿，14 個電容。線圈材料參數接近于銅。采用有限元法計算線圈在正確的諧振模式下的場分布[17]。線圈材料參數接近于銅：相對介電常數 δ = 1，相對磁導率 μ = 1；銅皮厚度 0.1 mm，寬度 3 mm，每條腿之間間隔 3 mm。長度 51 mm，弧形直徑 56 mm。設置最大迭代次數 3 次，收斂誤差 30%，主要分析其最高次模（8 條腿的開放鳥籠線圈有 7 種模式[18]）。
圖3
開放鳥籠線圈模型
Figure3.
Open-birdcage coil model
1.3 MRI 生理鹽水驗證
對所設計線圈進行 9.4 T 下生理鹽水 MRI 驗證。生理鹽水裝在直徑 40 mm、高度 75 mm 的塑料瓶中。首先采用安捷倫 E5061B 型網絡分析儀測量 50 Ω 匹配下的生理鹽水作為負載的線圈反射系數和品質因數：
，其中，w0 表示線圈諧振頻率，本文諧振頻率為 399.5 MHz，
表示帶寬，本文選擇網絡分析儀測試的–3 dB 帶寬值。其次，在 9.4 T 磁共振平臺下進行生理鹽水 MRI 掃描操作，采用單線性掃描接線方式，線圈輸出端接入掃描前方端口。掃描參數為：TR = 200 ms，TE = 4 ms；翻轉角：30°；矢狀面視場：40 mm × 50 mm；橫截面視場：40 mm × 40 mm；矩陣尺寸：128 × 128：層面厚度：2 mm。將連接好的線圈做進一步的調諧匹配操作后進行掃描。
1.4 9.4 T 下活體大鼠脊椎成像對比實驗
為了驗證本論文設計的大鼠脊椎磁共振射頻線圈的實際效果，在同等條件下進行商用體線圈的對比實驗。商用體線圈為正交鳥籠線圈結構，內徑 72 mm。兩種線圈采用同一只大鼠，且掃描參數相同：TR = 600 ms，TE = 5.9 ms；翻轉角：40°；視場：40 mm × 40 mm；矩陣尺寸：256 × 256；層面厚度：1 mm。大鼠的麻醉狀態、呼吸狀況和心率變化等在整個實驗過程中始終保持密切監控，以確保大鼠在實驗過程中不會發生意外死亡。本論文設計的開放鳥籠線圈可保證大鼠有足夠的空間避免胸腔受到擠壓，并獲得良好的脊髓圖像。
2 結果與討論
2.1 仿真分析
圖 4 所示為線圈模型在諧振模式下的 H 場矢量分布。對于線性激發模式，H 場與磁共振成像所需的 B1 場有固定的線性關系，所以可直接采用分析 H 場的方法去衡量 B1 場的分布情況。由圖可見，半開放鳥籠線圈在垂直于徑向的平面產生扇形分布的 H 場，在靠近線圈的部分箭頭長度較長，說明場強度較大。沿著線圈邊緣向中心場強逐漸減弱，但沿著相同半徑的弧形處，B1 場呈均勻分布。
圖4
模擬線圈在諧振模式下的 H 場分布
箭頭的長度表示磁場強度，箭頭的方向為
length of the arrow represents magnetic field strength, and the direction of the arrow represents
2.2 生理鹽水掃描實驗
如圖 5 所示，在 399.5 MHz 下，線圈負載為生理鹽水測得的反射系數 S11 = –63.292 dB，–3 dB 帶寬值為 5.6 MHz，計算得到品質因數 Q = 142.8。結果表明線圈損耗較小且基本上可以達到完全匹配，能夠滿足在平臺上進行實際掃描的條件。
圖5
帶負載時的反射系數和 Q 值測量結果（上圖）和生理鹽水掃描結果（下圖）
上圖：反射系數 S11 = –63.292 dB，品質因數
the upper: S11 = –63.292 dB,
生理鹽水掃描得到的梯度回波圖像結果表明，線圈產生的 B1 場呈現較為均勻的扇形區域分布，與仿真結果相一致。大鼠脊椎位置距離背部的距離在 13 mm 處，取距離線圈底部 15 mm 處的中心測量信噪比。信噪比的測試采用感興趣區域圖像信號平均值與圖像空白區域的噪聲標準差的比值。圖 5 中較大的橢圓形區域和圓形區域為感興趣區域，位于邊緣處較小的橢圓區域為圖像空白區域。測得的矢狀面方向信噪比為 71，橫截面方向信噪比為 107。
2.3 活體大鼠脊椎成像實驗
圖 6 所示為分別采用商用體線圈和開放型線圈對活體大鼠脊椎進行的梯度回波圖像掃描的矢狀面結果對比圖。取矩形區域內采集的噪聲標準差作為歸一化因子，分別對商用體線圈和開放型線圈的測試圖進行歸一化，其中商用線圈的歸一化因子為 33，開放型線圈歸一化因子為 76.7。信噪比測試方式與 2.2 節相同，取圖 6 中橢圓形區域作為信噪比測試區，結果顯示，采用商用體線圈在脊椎處測得的信噪比為 54，采用開放型鳥籠線圈在脊椎處測得的信噪比為 75，比商用體線圈高 40%。同時，開放型線圈 B1 場區域主要集中在脊椎部位，在無效區域（脊椎部位靠左較深的其他區域）沒有信號，這種高度集中的場分布能夠有效利用射頻能量，從而大大增加脊椎區域信噪比。其次，商用體線圈在脊椎部位上部圖像強度更強，這符合鳥籠體線圈的場特征，即中心場強度大于邊緣場強度。但在測量脊椎時，體線圈的這種場分布特征反而制約了脊椎部位的成像信噪比。而開放型線圈在脊椎周圍的場分布較商用體線圈更為均勻。以上結果表明，針對大鼠脊椎圖像掃描設計的開放型鳥籠線圈比商用體線圈優勢明顯，脊椎部位圖像信噪比高，且開放結構使大鼠在不同操作中（比如心肌缺血等手術）均能夠順利進行掃描實驗。
圖6
活體大鼠脊髓掃描結果對比
橢圓形區域作為信噪比測試區，矩形區域為噪聲標準差采集區
Figure6. Comparison of spinal scan results of in vivo ratthe areas marked by the circle are the regions of interest where the mean value of image signal was acquired, and the part of the rectangles are the noise gathering areas
3 結論
本文設計了一款開放式鳥籠結構的表面射頻線圈，并基于有限元方法分析了線圈的諧振模式和場分布特點。在活體大鼠脊椎成像實驗中，本文方法所得圖像信噪比較之商用正交體線圈提高 40%，驗證了開放型鳥籠表面線圈結構在大鼠脊椎成像應用上的優勢。相信該構型可以更好地為哺乳動物的脊椎磁共振成像研究做出貢獻。
引言
大鼠脊椎損傷是研究脊柱損傷及相關病理機制的重要動物模型，而大鼠脊椎磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）在其中具有重要的作用和價值。目前，大鼠脊椎磁共振掃描主要采用表面線圈[1-5]、體線圈[6-8]和多通道線圈[9-14]三種射頻（radio frequency，RF）線圈。傳統的表面線圈通常采用單線圈設計，存在成像深度淺、脊椎區域 B1 場強度下降較快的問題，使得脊椎成像的清晰度明顯下降。采用體線圈的方式進行大鼠脊椎掃描能夠克服表面線圈 B1 場不均勻的缺點，但線圈的填充因子降低導致整體信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）下降，同時由于其封閉的結構，不能兼容脊柱手術、心臟插管等技術操作。采用多通道線圈雖然能夠克服表面線圈 B1 場分布不均勻的缺點，但依然存在空間兼容性的問題。同時，對硬件的要求更高，增加了研究成本。
針對以上問題，我們提出采用開放式的鳥籠結構設計，在增加線圈填充因子的同時提高大鼠脊椎部位的信噪比和靈敏度，并提供手術狀態下的大鼠在有限空間中進行脊椎磁共振成像研究的兼容性。利用網絡分析儀測量線圈的品質因數，基于有限元方法分析線圈在特殊諧振模式下的場分布特點。在 9.4 T 高場磁共振平臺下，通過生理鹽水和術中活體大鼠脊椎的成像實驗來驗證所設計線圈的優勢和可行性。
1 實驗部分
1.1 電路原理和線圈設計
對于開放式高通鳥籠結構線圈，如果線圈腿的數量為 N，則形成 N – 1 個環形，可以用梯度網絡等效[15]，如圖 1 所示，Mj，j 表示第 j 條腿的自感，Cj 表示連接第 j 條腿和第 j + 1 條腿之間的電容。Lj，j 表示連接電容 Cj 和 Cj - 1 之間的端環導體自感。定義第 j 條腿和第 k 條腿之間的互感 Mj，k 以及端環 j 和端環 k 之間的互感 Lj，k（圖中未標出，但實際存在）。由線圈輸入端口的接線方式可知線圈的第一條腿和最后一條腿的電流 I0 = IN = 0，結合基爾霍夫電壓定律，每個環滿足：
圖1
開放式鳥籠結構射頻線圈的等效電路
Figure1.
Equivalent circuit of open birdcage RF coil
|
|
每條腿的電流分布滿足：
|
當 C1 = C2 = = C，L1 = L2 = = L，M11 = M22 = = M 時，
|
得到諧振頻率：
|
如圖 2 所示，半開放鳥籠線圈采用一段弧形開口支架來保證大鼠脊椎位置能夠盡量貼近線圈且身體器官不受擠壓。線圈的弧形開口支架采用直徑為 56 mm 的亞克力管的一部分，弧度角 30°。線圈采用厚度 1 mm、寬度 3 mm、長度 51 mm 的矩形銅皮材料作為腿部，由于腿之間的間隔為 3 mm 左右，所以端環處直接采用電容相連。電容均采用大功率高品質無磁電容（Johanson 公司）。在線圈外圍增加同心的弧形屏蔽外殼，屏蔽與線圈之間距離為 12 mm，以提高線圈的品質因數[16]并抑制電磁干擾。同時在線圈發射接收端增加陷波器[17]來消除同軸電纜的共模電流造成的影響。如圖 2 所示，開放式鳥籠線圈采用線性激勵方式，激勵端口位于中間的兩條腿的同一側端口，由同軸線引出。處于激勵端口的兩條腿之間用一個可調電容代替固定電容進行調諧。
圖2
線圈實物圖
Figure2.
Three-dimensional sketch of the RF coil
1.2 建模分析
如圖 3 所示，按照實際尺寸建立開放式鳥籠結構線圈模型，共八條腿，14 個電容。線圈材料參數接近于銅。采用有限元法計算線圈在正確的諧振模式下的場分布[17]。線圈材料參數接近于銅：相對介電常數 δ = 1，相對磁導率 μ = 1；銅皮厚度 0.1 mm，寬度 3 mm，每條腿之間間隔 3 mm。長度 51 mm，弧形直徑 56 mm。設置最大迭代次數 3 次，收斂誤差 30%，主要分析其最高次模（8 條腿的開放鳥籠線圈有 7 種模式[18]）。
圖3
開放鳥籠線圈模型
Figure3.
Open-birdcage coil model
1.3 MRI 生理鹽水驗證
對所設計線圈進行 9.4 T 下生理鹽水 MRI 驗證。生理鹽水裝在直徑 40 mm、高度 75 mm 的塑料瓶中。首先采用安捷倫 E5061B 型網絡分析儀測量 50 Ω 匹配下的生理鹽水作為負載的線圈反射系數和品質因數：，其中，w0 表示線圈諧振頻率，本文諧振頻率為 399.5 MHz， 表示帶寬，本文選擇網絡分析儀測試的–3 dB 帶寬值。其次，在 9.4 T 磁共振平臺下進行生理鹽水 MRI 掃描操作，采用單線性掃描接線方式，線圈輸出端接入掃描前方端口。掃描參數為：TR = 200 ms，TE = 4 ms；翻轉角：30°；矢狀面視場：40 mm × 50 mm；橫截面視場：40 mm × 40 mm；矩陣尺寸：128 × 128：層面厚度：2 mm。將連接好的線圈做進一步的調諧匹配操作后進行掃描。
1.4 9.4 T 下活體大鼠脊椎成像對比實驗
為了驗證本論文設計的大鼠脊椎磁共振射頻線圈的實際效果，在同等條件下進行商用體線圈的對比實驗。商用體線圈為正交鳥籠線圈結構，內徑 72 mm。兩種線圈采用同一只大鼠，且掃描參數相同：TR = 600 ms，TE = 5.9 ms；翻轉角：40°；視場：40 mm × 40 mm；矩陣尺寸：256 × 256；層面厚度：1 mm。大鼠的麻醉狀態、呼吸狀況和心率變化等在整個實驗過程中始終保持密切監控，以確保大鼠在實驗過程中不會發生意外死亡。本論文設計的開放鳥籠線圈可保證大鼠有足夠的空間避免胸腔受到擠壓，并獲得良好的脊髓圖像。
2 結果與討論
2.1 仿真分析
圖 4 所示為線圈模型在諧振模式下的 H 場矢量分布。對于線性激發模式，H 場與磁共振成像所需的 B1 場有固定的線性關系，所以可直接采用分析 H 場的方法去衡量 B1 場的分布情況。由圖可見，半開放鳥籠線圈在垂直于徑向的平面產生扇形分布的 H 場，在靠近線圈的部分箭頭長度較長，說明場強度較大。沿著線圈邊緣向中心場強逐漸減弱，但沿著相同半徑的弧形處，B1 場呈均勻分布。
圖4
模擬線圈在諧振模式下的 H 場分布
箭頭的長度表示磁場強度，箭頭的方向為
length of the arrow represents magnetic field strength, and the direction of the arrow represents
2.2 生理鹽水掃描實驗
如圖 5 所示，在 399.5 MHz 下，線圈負載為生理鹽水測得的反射系數 S11 = –63.292 dB，–3 dB 帶寬值為 5.6 MHz，計算得到品質因數 Q = 142.8。結果表明線圈損耗較小且基本上可以達到完全匹配，能夠滿足在平臺上進行實際掃描的條件。
圖5
帶負載時的反射系數和 Q 值測量結果（上圖）和生理鹽水掃描結果（下圖）
上圖：反射系數 S11 = –63.292 dB，品質因數
the upper: S11 = –63.292 dB,
生理鹽水掃描得到的梯度回波圖像結果表明，線圈產生的 B1 場呈現較為均勻的扇形區域分布，與仿真結果相一致。大鼠脊椎位置距離背部的距離在 13 mm 處，取距離線圈底部 15 mm 處的中心測量信噪比。信噪比的測試采用感興趣區域圖像信號平均值與圖像空白區域的噪聲標準差的比值。圖 5 中較大的橢圓形區域和圓形區域為感興趣區域，位于邊緣處較小的橢圓區域為圖像空白區域。測得的矢狀面方向信噪比為 71，橫截面方向信噪比為 107。
2.3 活體大鼠脊椎成像實驗
圖 6 所示為分別采用商用體線圈和開放型線圈對活體大鼠脊椎進行的梯度回波圖像掃描的矢狀面結果對比圖。取矩形區域內采集的噪聲標準差作為歸一化因子，分別對商用體線圈和開放型線圈的測試圖進行歸一化，其中商用線圈的歸一化因子為 33，開放型線圈歸一化因子為 76.7。信噪比測試方式與 2.2 節相同，取圖 6 中橢圓形區域作為信噪比測試區，結果顯示，采用商用體線圈在脊椎處測得的信噪比為 54，采用開放型鳥籠線圈在脊椎處測得的信噪比為 75，比商用體線圈高 40%。同時，開放型線圈 B1 場區域主要集中在脊椎部位，在無效區域（脊椎部位靠左較深的其他區域）沒有信號，這種高度集中的場分布能夠有效利用射頻能量，從而大大增加脊椎區域信噪比。其次，商用體線圈在脊椎部位上部圖像強度更強，這符合鳥籠體線圈的場特征，即中心場強度大于邊緣場強度。但在測量脊椎時，體線圈的這種場分布特征反而制約了脊椎部位的成像信噪比。而開放型線圈在脊椎周圍的場分布較商用體線圈更為均勻。以上結果表明，針對大鼠脊椎圖像掃描設計的開放型鳥籠線圈比商用體線圈優勢明顯，脊椎部位圖像信噪比高，且開放結構使大鼠在不同操作中（比如心肌缺血等手術）均能夠順利進行掃描實驗。
圖6
活體大鼠脊髓掃描結果對比
橢圓形區域作為信噪比測試區，矩形區域為噪聲標準差采集區
Figure6. Comparison of spinal scan results of in vivo ratthe areas marked by the circle are the regions of interest where the mean value of image signal was acquired, and the part of the rectangles are the noise gathering areas
3 結論
本文設計了一款開放式鳥籠結構的表面射頻線圈，并基于有限元方法分析了線圈的諧振模式和場分布特點。在活體大鼠脊椎成像實驗中，本文方法所得圖像信噪比較之商用正交體線圈提高 40%，驗證了開放型鳥籠表面線圈結構在大鼠脊椎成像應用上的優勢。相信該構型可以更好地為哺乳動物的脊椎磁共振成像研究做出貢獻。
