磁共振成像小尺寸射频线圈设计的研究

摘要

射频线圈是磁共振成像系统的关键组成部分。射频线圈作为发射线圈发射射频脉冲信号时，需要在磁共振成像系统内部的成像区域产生频率为拉莫频率的均匀稳定的射频磁场，从而激发自旋核产生磁共振信号；射频线圈作为接收线圈接收自旋核产生的磁共振回波信号时，需要拥有较高的接收信噪比并保证射频接收磁场的均匀性。
　　本文以实蝇磁共振成像为研究背景，对传统的射频线圈的设计方法进行了改进，并将其应用于小尺寸圆柱体射频线圈和小尺寸主动屏蔽射频线圈系统的设计中。
　　论文第一部分讨论了小尺寸圆柱体射频线圈的设计方法。通过目标场法，求解出分布于圆柱体射频线圈表面的电流密度表达式。利用流函数的方法将电流密度表达式离散为傅里叶级数的形式。通过吉洪诺夫正则化的方法，引入电流密度的散度最小化约束函数和曲率最小化约束函数，解决了积分方程的病态问题。通过软件编程和仿真，求得了傅里叶系数，将傅里叶系数分别带入电流密度表达式和感兴趣区域磁场强度表达式得到了线圈的绕线形状和感兴趣区域的磁场强度。
　　论文第二部分完成了小尺寸圆柱体射频线圈的设计方法的拓展应用，根据自备射频屏蔽功能的射频线圈系统设计原理，在主线圈外部设计了一个与主线圈平行且线圈表面有电流密度分布的屏蔽线圈，构成了自备射频屏蔽功能的小尺寸射频线圈系统。并利用小尺寸圆柱体射频线圈的设计方法对该射频线圈系统进行求解，得到了主线圈和屏蔽的绕线形状以及主线圈内部和屏蔽线圈外部感兴趣区域的磁场强度。最后讨论了线圈尺寸大小的改变和约束因子取值的改变对线圈形状、绕线结构以及成像区域磁场分布均匀性的影响。
　　研究表明，用该方法设计的线圈能在感兴趣区域产生均匀的磁场。与两种惩罚函数对应的约束因子均能改变线圈的绕线形状和磁场分布的均匀性。线圈尺寸大小不同，则线圈合适的约束因子取值也各不相同，约束因子的值的选取必须同时兼顾线圈绕线形状的简单性以及磁场强度的均匀性这两个因素。
　　论文的创新点有：（1）利用目标场法完成了小尺寸圆柱体射频线圈和小尺寸主动屏蔽射频线圈系统的设计，结合了电流密度的散度最小化约束函数和曲率最小化约束函数，对病态的积分方程加以约束。（2）详细讨论了实际线圈加工过程中约束因子的取值对射频线圈的绕线形状以及感兴趣区域磁场分布均匀性的影响。

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目录

1 绪论

1.1 磁共振成像系统

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 论文架构

2 磁共振成像原理、射频线圈及相关设计方法和技术

2.1 磁共振成像原理和系统硬件

2.2 目标场法

2.3 流函数

2.4 正则化方法

2.5 本章小结

3 磁共振成像小尺寸圆柱体射频线圈设计

3.1 求解射频线圈表面的电流密度

3.2 利用流函数离散电流密度表达式

3.3 傅里叶系数的求解

3.4 数值积分

3.5 软件编程

3.6 仿真结果与分析

3.7 本章小结

4 磁共振成像小尺寸主动屏蔽射频线圈系统设计

4.1 求解射频线圈表面的电流密度

4.2 利用流函数离散电流密度表达式

4.3 傅里叶系数的求解

4.4 仿真结果与分析

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 展望

参考文献

作者简历