重庆大学万裁、徐征 等：超低场磁共振膝关节正交接收线圈设计

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轻量化，便携化的超低场磁共振成像系统（ULF-MRI）能搭载在救护车，能工作在ICU内，甚至有望在社区医院、乡镇医院推广，这补充了高场磁共振成像系统的应用场景。然而，目前多数研究团队主要对脑部进行成像，仍需要探索在人体其他部位的成像效果。重庆大学电气工程学院磁共振技术研究团队针对50 mT MRI系统设计了用于膝关节成像的正交接收线圈，并获得了满意的成像结果。

研究背景

超低场磁共振成像由于信噪比低，一直被行业忽视。近年来，随着硬件、图像去噪、脉冲序列等方面的发展，超低场磁共振成像逐渐成为国内外学者们的研究焦点。

射频接收线圈是磁共振成像系统中的关键部件，用于检测变化的磁场，其性能直接影响图像质量。超低场磁共振系统的固有信噪比低，射频接收线圈的优化设计至关重要。

论文所解决的问题及意义

目前高场磁共振系统的线圈产品已经趋于成熟，但是超低场磁共振系统中的线圈设计还需要大量的工作。并且超低场磁共振系统的射频接收线圈工作在较低频率，其阻抗特性不同于高场磁共振系统的射频接收线圈，不能用高场MRI中的线圈作为指导设计。在硬件成本和性能之间取得良好平衡的正交接收线圈，提高了磁共振图像的信噪比，并有望在超低场磁共振系统中实现对膝关节部位的病情诊断。

论文方法及创新点

1、可开合的膝关节正交接收线圈

图1 膝关节正交接收线圈示意图

本文设计的正交接收线圈用于膝关节磁共振成像。为适应膝关节尺寸，并提高填充因子，设计了一款半径为80 mm、长度为200 mm的线圈支撑结构，如图1（a）所示。同时提高线圈的实用性，本文将圆柱形设计为开合结构，如图1（b）所示，红色区域为感兴趣区域（Region of Interest, ROI），其半径为 65 mm，长度为100mm。

本文采用鞍形与亥姆霍兹线圈构成正交接收线圈，如图1（c-e）所示。为了获得鞍形与亥姆霍兹线圈的最佳尺寸参数，本文计算了ROI内的线圈效率以及射频磁场不均匀性，分析两者之间的关系，最终获得了一组考虑尺寸约束、线圈效率和射频磁场不均匀性之间权衡的最佳尺寸参数。

2、线圈SNR优化

图2 鞍形和亥姆霍兹线圈归一化SNR与线圈匝数的关系

通过尺寸优化后，该文初步确定了单回路射频接收线圈的最佳结构。对于已知尺寸的射频接收线圈，本文通过调整射频接收线圈匝数来改变其效率和交流电阻。磁共振成像扫描仪的组件和待扫描患者通过改变周围的磁导率，电导率等增加了射频接收线圈的交流电阻。

于是本文将射频接收线圈置于实际的工作环境中使用阻抗分析仪测量了不同匝数的射频接收线圈的交流电阻。射频线圈的负载和空载交流电阻值随着匝数的增加而增加，且线圈匝数越多电阻上升得越快。同时，负载交流电阻大于空载交流电阻。射频线圈的SNR随着匝数的增加先增加，然后降低。最终，本文确定鞍形和亥姆霍兹线圈的最佳匝数分别为5匝和4匝，如图2所示。

3、线圈SNR优化

图3 正交接收线圈和体膜及人体膝关节成像照片

图4 体膜成像结果

图5 人体体内膝关节成像结果

本文使用最佳正交接收线圈，实现了圆柱体体膜成像和人体体内膝关节成像，如图3所示。本文计算了如图4，5所示的红框1中的图像SNR，红框2表示噪声像素区域。每个单通道都在相同区域进行图像SNR的计算。图像SNR定义为图像中心的平均像素值与噪声像素值的标准偏差之比。其中在体膜成像中，正交接收线圈图像SNR比单通道接收线圈SNR最多可提高约33.5%。在体内膝关节成像中，正交接收线圈图像SNR比单通道接收线圈SNR最多可提高约30.9%。

结论

本文设计并制造了一种用于50 mT 磁共振成像的膝关节正交接收线圈，该线圈由鞍形和亥姆霍兹线圈组成。最后，使用该正交接收线圈实现了体模和人体体内膝关节成像，与单通道接收线圈相比，图像SNR都得到了明显提高。在这项工作中，从射频接收线圈匝数的角度对线圈进行了分析和优化，揭示了线圈匝数是影响ULF-MRI射频接收线圈SNR的重要因素，为射频接收线圈的设计和优化提供了新的依据。

团队介绍

重庆大学电气工程学院磁共振技术研究团队，长期从事磁共振成像装备的电磁结构优化及电路系统研究。目前在读博士研究生7名，硕士研究生11名。团队负责人徐征教授，博导，担任中国电工技术学会生物电工专委会委员，电工理论专委会委员，主持多项国家自然科学基金，出版专著2部，发表SCI论文50余篇，获权发明专利30余项，实现发明专利转化4项。研究兴趣包括电磁场数值计算，磁共振成像技术，研制出国内首台可在重症监护室使用的床旁磁共振成像设备，协助中海油服研制出具有自主知识产权的磁共振测井系统。

万裁

博士研究生，研究方向核磁共振仪器开发，射频线圈设计和超低场膝关节磁共振成像。

徐征

教授，博士生导师，研究方向电磁场数值计算，可移动超低场磁共振技术。

本工作成果发表在2024年第7期《电工技术学报》，论文标题为“超低场磁共振膝关节正交接收线圈设计“。本课题得到国家自然科学基金、重庆市自然科学基金、重庆市教委自然科学项目和深圳市科技创新委员会的支持。

引用本文

万裁, 何为, 沈晟, 徐征. 超低场磁共振膝关节正交接收线圈设计[J]. 电工技术学报, 2024,39(7): 1923-1931. Wan Cai, He Wei, Shen Sheng, Xu Zheng. Design of a Quadrature Receive Coil for Ultra-Low-Field Knee Magnetic Resonance Imaging. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024,39(7): 1923-1931.

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