一种可拆装式的脑外科手术用磁共振成像线圈

在临床磁共振成像(MRI)应用中,射频线圈的设计是非常关键的,针对不同的应用目的,合适的线圈能获得质量更好的图像. 有的应用需要线圈提供均匀性较好的射频场,而有的应用则需要线圈在特定区域内提供高的信噪比(SNR). 但是线圈很难同时得到好的射频场（B₁场）、空间均匀性和高的SNR,需要根据实际应用情况进行折衷设计. 针对MRI在脑外科手术中的应用特点,设计并制作了一种新颖的、适用于脑外科手术的MRI接收和发射共用射频线圈. 该线圈采用可分拆式结构,在脑外科手术支架上可以进行反复组装和拆卸,减少了MRI对医生手术的影响. 仿真结果和人体成像实验表明,该线圈能产生均匀的射频场、有较高的SNR和较大的成像范围,满足脑外科手术的需要.     

Bi系高温超导磁共振成像射频接收线圈的成像研究

射频接收线圈是磁共振成像系统输入通道的第一级,提高接收线圈的信噪比可以提高系统的图像质量.对于低场磁共振成像系统,如果能够降低常规铜接收线圈的等效串联电阻,就能够提高其信噪比.由于高温超导材料的直流电阻为零,交流传输损耗也远小于铜,采用高温超导材料制作磁共振接收线圈能够提高信噪比.本文采用Bi2223带材,设计、制作了超导接收线圈,并在0.23 T的磁共振成像系统中进行了成像实验.结果表明,超导接收线圈的图像信噪比比常规铜线圈提高约76%.     

一种新型的树枝状负磁导率材料微带天线

基于树枝状金属结构单元模型的电磁特性,设计了一种双面刻有树枝状金属结构单元阵列的负磁导率介质材料,并将这种介质材料作为微带天线的基板,制备了中心工作频率为2.64GHz的树枝状负磁导率材料微带天线.仿真和测量结果都表明：相比普通微带天线,树枝状负磁导率材料微带天线的性能得到了明显改善,定向性得到了提高,E面和H面的3dB角分别收缩了18°和13°,增益提高了2.19dB,相当于有效辐射功率提高了65%.说明利用负磁导率材料作为微带天线的基板,可以明显改善微带天线的性能. 关键词： 树枝状结构 微带天线 负磁导率 增益     

NQR炸药探测系统中射频线圈的设计研究

基于核四极矩共振(Nuclear Quadrupole Resonance, NQR)炸药探测原理,对探测系统中拾取信号的关键部件射频线圈进行了优化设计,并确定了小型螺线管型线圈的直径、长度和匝数. 试验测试表明,此线圈射频场均匀性好、信噪比大、灵敏度高,可以快速准确探测到NQR信号,验证了线圈设计理论的有效性和制作方法的可行性. 该设计方法对提高隐藏炸药探测的准确率以及不同试验条件下射频线圈的设计具有重要意义.     

MRI评价药物投递性能方法研究

采用MRI评价自制肝组织特异性非离子型高分子磁共振造影剂在小鼠体内药物投递效果. 分别在注射造影剂后0.1 h、6 h、12 h、24 h及7天采集磁共振T₁加权图像. 所有扫描均在1.5T临床磁共振成像仪上完成, 以固定体线圈为射频发射线圈, 三英寸圆形表面线圈为信号接收线圈. 数据分析前采用线圈非均匀性校正和信号非稳定性校正进行预处理. 实验结果显示,线圈空间敏感性校正使得小鼠组织图像信号强度空间更加均匀,稳定性校正后使得图像数据更加准确可靠,MRI是一种在体评价顺磁性标记高分子化合物药物投递效果的有效方法.     

基于单面金属结构的二维宽带左手材料

利用将磁谐振器与共面短金属导线相结合的思想,设计了一种基于单面金属结构的二维左手材料. 理论分析与仿真结果均表明该结构在某一频段同时具有负等效磁导率和负等效介电常数,并且相对左手带宽达到36%. 此外,该结构具有良好的容错能力,短金属导线宽度的变化对整体结构的谐振频率及通带宽度影响很小,这不仅有利于实际加工而且对于设计红外及太赫兹频率范围下的左手材料具有参考价值. 关键词： 左手材料 磁谐振器 宽频带 容错性     

单方环结构左手材料微带天线

设计了一种简单的双面单方环结构左手材料,在4.8–5.25 GHz频率范围内该材料的等效介电常数和等效磁导率同时为负.将此单方环左手材料作为覆盖层,置于中心工作频率为5.0 GHz的微带天线之上. 仿真和实验研究表明:相对普通微带天线而言,覆层微带天线的性能得到了明显改善, E面和H面的半功率波束宽度分别收缩了25°和20°,定向性得到了提高, 5 GHz处的增益提高了3 dB, -10 dB带宽增加了600 MHz. 关键词： 单方环结构 左手材料 微带天线     

基于介质与铁氧体的通阻捷变磁可调频率选择表面设计研究

提出了利用介质陶瓷和铁氧体材料构建可调型带通频率选择表面的设计思路.在C波段波导模式下通过仿真设计出高介电常数方形柱状结构,优化后使其产生宽频的负介电常数,基于等效媒质理论对该结构通阻特性进行分析研究,其传输禁带的产生途径在于介质中产生了具有类Drude谐振形式的电单极子.在相同的仿真环境下对铁氧体结构进行设计优化,调节外加偏置磁场,使铁磁谐振在相应的频点发生,产生负磁导率.利用负介电常数与负磁导率的"双负"特性规律,将两种结构进行组合,协同优化,使电磁谐振相互耦合,实现通带特性.C波段波导模式下的分析表明,两种结构在同一个频点电磁谐振耦合,可以实现"双负"通带的传输效果.在由于铁氧体的磁可调特性,通过改变外加偏置磁场,该通带可以在6—8 GHz范围内可调.对电磁场矢量分布状况和等效参数提取结果进行了数值分析研究,确定了电磁耦合的性质和形成机理,充分验证了这种方法的可行性.对该结构材料样品进行加工,并测试验证,最终实验结果与仿真结果基本一致,实现了"双负"通带的可调.该方法拓展了频率选择表面的设计思路,可用于设计多通带、可调谐频率选择表面.     

31P NMR表面线圈探头射频场B1的空间分布特性研究

对本实验室自制的³¹P表面线圈探头的射频场B₁强度的空间分布和脉冲宽度进行了初步研究.结果表明该表面线圈中心的90°脉冲约为10μs.得到的信号主要是线圈圆周内射频场B₁作用的结果,在垂直线圈平面的方向上随距离增加,信号迅速减弱.因此该表面线圈射频场B₁有效的作用范围在一个近半圆球体内,底面积半径约为线圈外半径,有效作用深度约为线圈半径.     

十字环型左手材料单元结构设计与仿真

提出了一种新型十字环型左手材料结构单元.该结构只需在介质板单侧蚀刻, 即可在二维方向上产生等效负介电常数和等效负磁导率.通过理论分析, 提出场-路结合的等效源分析法以计算等效介电常数、磁导率, 并据此对十字环型结构单元的左手特性激发机理进行了论证. 后采用Nicolson-Ross-Weir 等效参数法提取了十字环型单元阵列的相对介电常数和相对磁导率, 并通过棱镜实验对材料的负折射特性进行了验证.实验表明, 该左手材料在6.8-6.9 GHz频段具有二维入射左手特性. 此种左手材料制作工艺相对简单, 为左手材料在微波器件领域的应用提供了一种较为实用的设计方案.     

超声平面波同相正交信号频域波束形成算法

针对频域平面波波束形成算法尚不能直接应用于采用正交解调的超声成像系统中的实际问题,提出一种平面波同相正交信号频域波束形成方法。以平面波射频信号频域波束形成算法为基础,根据射频信号与同相正交信号波数空间变量之间的关系,推导了平面波同相正交信号与对应图像的频谱映射表达式,从而实现对正交解调后信号的频域超声图像重建。采用2016年Plane Wave Imaging Challenge in Medical Ultrasound (PICMUS)发布的仿真、仿体及在体原始回波数据对这一方法进行验证,并评估图像的分辨率和对比噪声比。仿真和仿体实验结果表明,相对于射频信号的频域波束形成算法,该算法可获得与之相同的图像质量,并将成像速度提高了约4倍。在体实验数据的成像结果也验证了该算法在实际应用中的有效性。     

双螺线圈射频共振结构增强硅空位自旋传感灵敏度方法

针对硅空位自旋磁共振信号射频场非均匀展宽问题,提出并设计了一种双螺线圈射频共振结构,利用双螺线圈平行对称特性,构建射频场均匀区,非均匀性小于0.9%,相比单根直线性结构,均匀性提高了56.889倍.同时,利用射频信号近距离互感耦合共振特性,实现了射频场的增强,相比单线圈结构增强了1.587倍,等效的自旋传感灵敏度提高了4.833倍.实验中搭建基于SiC硅色心自旋磁共振效应的光探测磁共振传感测量系统,通过对比不同类型的射频天线,测试得到基于双螺线圈射频共振天线结构的硅空位色心自旋磁共振信号对比度提高了6倍,通过调制解调信息解算方法得到传感器的灵敏度提高了4.833倍,传感器噪声降低了8倍,提高了硅空位自旋传感测量灵敏度,结合SiC晶圆芯片制造技术,为高精度、芯片级自旋量子传感器件的制造提供了技术支撑.     

低场核磁共振短死时间射频线圈与射频开关的设计

本文以核磁共振（NMR）射频线圈振铃信号产生原理为对象进行分析研究,提出了一种适用于低场环境下由环状间隙腔线圈与螺线管线圈构成的收发分离式短死时间射频线圈设计方案,采用优化调谐匹配网络提高发射效率;根据射频线圈方案需求设计了快速切换的射频开关及驱动．在此基础上依据仿真结果制作了短死时间射频线圈,并应用于自主研制的低场9.51 MHz便携式NMR谱仪系统,进行NMR实验,结果显示可将收发切换时间缩短至10 μs以内,验证了该设计方案的可行性．     

高温超导磁共振成像射频接收线圈的研究

为了提高低场磁共振成像系统的信噪比,提出了具有失谐电路的Bi2223带高温超导射频接收线圈.该线圈采用了电耦合方式传输超导谐振回路的磁共振信号,这种方式有利于进一步制成正交结构或相阵结构的超导接收线圈.为了防止趋肤效应降低超导接收线圈的性能,采用化学腐蚀的方法先将超导带的包套去掉,然后再制成超导主谐振电感.采用一种双探测线圈法对高温超导接收线圈和相同结构的常规铜线圈的Q值进行了测量,结果表明超导接收线圈比常规铜线圈的Q值约高一倍.     

1.5 T下高介电材料几何结构对发射场影响的仿真研究

近年来研究发现,在高场及超高场磁共振成像(MRI)中,高介电材料在提高磁共振射频线圈性能,以及增强图像信噪比方面具有极大的应用潜力．当前高介电材料研究主要集中于其对磁共振图像信噪比的改善,但对于高介电材料几何结构,以及其对发射场分布均匀度影响的研究不多．本研究利用电磁仿真的方法定量分析了1.5T下,高介电材料几何结构对水模感兴趣区内发射效率均值和发射场B₁⁺均匀度的影响．结果表明,高介电材料的几何结构对B₁⁺均匀度会产生较大影响;比较了不同几何结构的高介电衬垫之后发现,加入四等分圆筒状高介电衬垫后,感兴趣区内发射效率提升最高,同时B₁⁺均匀度也保持良好．该结果对高介电材料应用于MRI具有重要的参考价值．     

多通道相位图像的改进型自适应重建算法

自适应重建(Adaptive Reconstruction,AR)算法被广泛应用于磁共振图像的多通道合并问题上.AR算法不需要直接采集各个线圈的灵敏度信息,而是通过通道间信号及噪声相关矩阵,估算出各个通道的灵敏度,从而保证了合并的幅值图像具有较高的信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR).然而,由于AR算法没有针对相位图像的合并问题进行优化,导致重建出的相位图像具有不确定性.另外,受各通道之间相位偏移及低信噪比相位图像的影响,重建结果可能包含伪影.该文提出了一种改进型AR算法,估算并移除了各通道之间的相位偏移,同时对多通道数据的相位进行质量评估及通道重排,用以进行后续自适应重建.仿体及在体实验表明,该方法可以有效提升AR算法稳定性、消除重建图像中存在的伪影,同时保持合并后幅值图像及相位图像的高信噪比.     

基于平行金属双柱的太赫兹波二维左手材料

基于产生负介电常数的周期性金属线单元结构,利用平行金属双柱设计了具有双负通带的两种太赫兹波段二维左手材料。应用时域有限积分算法研究了二维左手材料的传输特性,仿真结果表明,在0.76THz附近,平行金属双柱的表面电荷振荡与反向平行电流引发了电磁谐振,出现良好的负折射效应。在0.75～0.78THz之间同时具有负等效磁导率和负等效介电常数,双负通带带宽约为0.03THz。进一步研究了金属双柱间距、长度及基板厚度等结构参数对双负通带带宽的影响。研究结果为太赫兹波段左手材料的设计和研制提供了参考。     

电磁超材料中负磁导率对负介电常数的影响

为深入了解电磁超材料中物质间相互作用关系,理论分析了金属导体线阵列宏结构嵌入单负磁导率媒质中时其等效介电常数的变化特性。数值计算和电磁仿真方法相结合,讨论了单负磁导率媒质和单负介电常数媒质的相互作用关系,提出了减小其相互作用的解决方法。仿真结果显示:将金属线阵列直接嵌入到单负磁导率媒质中时,电磁超材料传输特性在整个频段内为传输禁带;将金属线裹附一层绝缘材料后,传输禁带变为传输通带,这表明金属线阵列和单负磁导率媒质之间必须加入一种绝缘材料才能合成双负的电磁超材料。     

双负媒质结构改善Ku波段天线辐射特性

基于负介电常数和负磁导率产生原理,采用金属细线和裂环谐振器结构,针对12.5 GHz频率开展双负媒质结构设计。通过特殊边界条件下S参数计算以及Nicolson-Ross-Weir方法,完成等效参数的提取,获得介电常数、磁导率、折射率实部均为负值,且折射率接近于0的左手材料特性。将双负媒质结构加载于Ku波段圆锥喇叭口面进行仿真优化,提高天线增益2.17 dB,在11~13 GHz频带范围内,加载天线的增益均有所改善。实验结果表明,口面加载双负媒质结构后,天线增益提高1.51 dB,后向辐射减小5.7 dB,辐射特性获得了明显改善。     

低场永磁体磁共振射频场映像

射频场映像是通过一定算法对磁共振射频线圈的发射场进行重建的方法.高场下的射频场经过生物组织时会发生明显变化,在其基础上可以反演生物组织体内电特性,进而对癌症等疾病进行早期诊断,是对生物组织的磁共振结构成像的有力补充.目前为止,射频场映像和电特性研究都以高场鸟笼线圈为主,对低场下的相控阵研究较少.本文主要研究了低场永磁体磁共振射频场的均匀度.有限元仿真和实验验证了在17.8 MHz激励下,射频场在空载和负载下均匀度均发生较大变化.射频场均匀度在负载下的改变在一定程度上可以反映负载生物组织的电特性,对磁共振电特性实用化研究提供了一定的参考价值.