在大鼠脊椎磁共振扫描实验中，主磁场强度较低且传统射频线圈成像深度浅、空间兼容性差、硬件成本要求高，最终导致大鼠脊椎部位图像信噪比降低。本文开发一种用于 9.4 T 高场下大鼠脊椎磁共振成像的射频线圈，旨在提高大鼠脊椎部位扫描图像信噪比的同时又能避免所设计线圈对特殊状态下（比如心脏导管插入等）的大鼠脊椎扫描造成的空间限制。本文通过仿真建模、线圈原型建立以及带负载 Q 值测试和 9.4 T 下水膜和活体大鼠脊椎线圈扫描成像对比实验，验证了所设计射频线圈在大鼠脊椎测试应用的优势。
引用本文： 徐永锋, 杨鸿毅, 钟凯. 9.4 T 大鼠脊椎磁共振成像射频线圈. 生物医学工程学杂志, 2019, 36(1): 116-120. doi: 10.7507/1001-5515.201707045 复制
引言
大鼠脊椎损伤是研究脊柱损伤及相关病理机制的重要动物模型，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价值。目前，大鼠脊椎磁共振扫描主要采用表面线圈[1-5]、体线圈[6-8]和多通道线圈[9-14]三种射频（radio frequency，RF）线圈。传统的表面线圈通常采用单线圈设计，存在成像深度浅、脊椎区域 B1 场强度下降较快的问题，使得脊椎成像的清晰度明显下降。采用体线圈的方式进行大鼠脊椎扫描能够克服表面线圈 B1 场不均匀的缺点，但线圈的填充因子降低导致整体信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）下降，同时由于其封闭的结构，不能兼容脊柱手术、心脏插管等技术操作。采用多通道线圈虽然能够克服表面线圈 B1 场分布不均匀的缺点，但依然存在空间兼容性的问题。同时，对硬件的要求更高，增加了研究成本。
针对以上问题，我们提出采用开放式的鸟笼结构设计，在增加线圈填充因子的同时提高大鼠脊椎部位的信噪比和灵敏度，并提供手术状态下的大鼠在有限空间中进行脊椎磁共振成像研究的兼容性。利用网络分析仪测量线圈的品质因数，基于有限元方法分析线圈在特殊谐振模式下的场分布特点。在 9.4 T 高场磁共振平台下，通过生理盐水和术中活体大鼠脊椎的成像实验来验证所设计线圈的优势和可行性。
1 实验部分
1.1 电路原理和线圈设计
对于开放式高通鸟笼结构线圈，如果线圈腿的数量为 N，则形成 N – 1 个环形，可以用梯度网络等效[15]，如图 1 所示，Mj，j 表示第 j 条腿的自感，Cj 表示连接第 j 条腿和第 j + 1 条腿之间的电容。Lj，j 表示连接电容 Cj 和 Cj - 1 之间的端环导体自感。定义第 j 条腿和第 k 条腿之间的互感 Mj，k 以及端环 j 和端环 k 之间的互感 Lj，k（图中未标出，但实际存在）。由线圈输入端口的接线方式可知线圈的第一条腿和最后一条腿的电流 I0 = IN = 0，结合基尔霍夫电压定律，每个环满足：
图1
开放式鸟笼结构射频线圈的等效电路
Figure1.
Equivalent circuit of open birdcage RF coil
 |
 |
每条腿的电流分布满足：
 |
当 C1 = C2 = 
= C，L1 = L2 = 
= L，M11 = M22 = 
= M 时，
 |
得到谐振频率：
 |
如图 2 所示，半开放鸟笼线圈采用一段弧形开口支架来保证大鼠脊椎位置能够尽量贴近线圈且身体器官不受挤压。线圈的弧形开口支架采用直径为 56 mm 的亚克力管的一部分，弧度角 30°。线圈采用厚度 1 mm、宽度 3 mm、长度 51 mm 的矩形铜皮材料作为腿部，由于腿之间的间隔为 3 mm 左右，所以端环处直接采用电容相连。电容均采用大功率高品质无磁电容（Johanson 公司）。在线圈外围增加同心的弧形屏蔽外壳，屏蔽与线圈之间距离为 12 mm，以提高线圈的品质因数[16]并抑制电磁干扰。同时在线圈发射接收端增加陷波器[17]来消除同轴电缆的共模电流造成的影响。如图 2 所示，开放式鸟笼线圈采用线性激励方式，激励端口位于中间的两条腿的同一侧端口，由同轴线引出。处于激励端口的两条腿之间用一个可调电容代替固定电容进行调谐。
图2
线圈实物图
Figure2.
Three-dimensional sketch of the RF coil
1.2 建模分析
如图 3 所示，按照实际尺寸建立开放式鸟笼结构线圈模型，共八条腿，14 个电容。线圈材料参数接近于铜。采用有限元法计算线圈在正确的谐振模式下的场分布[17]。线圈材料参数接近于铜：相对介电常数 δ = 1，相对磁导率 μ = 1；铜皮厚度 0.1 mm，宽度 3 mm，每条腿之间间隔 3 mm。长度 51 mm，弧形直径 56 mm。设置最大迭代次数 3 次，收敛误差 30%，主要分析其最高次模（8 条腿的开放鸟笼线圈有 7 种模式[18]）。
图3
开放鸟笼线圈模型
Figure3.
Open-birdcage coil model
1.3 MRI 生理盐水验证
对所设计线圈进行 9.4 T 下生理盐水 MRI 验证。生理盐水装在直径 40 mm、高度 75 mm 的塑料瓶中。首先采用安捷伦 E5061B 型网络分析仪测量 50 Ω 匹配下的生理盐水作为负载的线圈反射系数和品质因数：
，其中，w0 表示线圈谐振频率，本文谐振频率为 399.5 MHz，
表示带宽，本文选择网络分析仪测试的–3 dB 带宽值。其次，在 9.4 T 磁共振平台下进行生理盐水 MRI 扫描操作，采用单线性扫描接线方式，线圈输出端接入扫描前方端口。扫描参数为：TR = 200 ms，TE = 4 ms；翻转角：30°；矢状面视场：40 mm × 50 mm；横截面视场：40 mm × 40 mm；矩阵尺寸：128 × 128：层面厚度：2 mm。将连接好的线圈做进一步的调谐匹配操作后进行扫描。
1.4 9.4 T 下活体大鼠脊椎成像对比实验
为了验证本论文设计的大鼠脊椎磁共振射频线圈的实际效果，在同等条件下进行商用体线圈的对比实验。商用体线圈为正交鸟笼线圈结构，内径 72 mm。两种线圈采用同一只大鼠，且扫描参数相同：TR = 600 ms，TE = 5.9 ms；翻转角：40°；视场：40 mm × 40 mm；矩阵尺寸：256 × 256；层面厚度：1 mm。大鼠的麻醉状态、呼吸状况和心率变化等在整个实验过程中始终保持密切监控，以确保大鼠在实验过程中不会发生意外死亡。本论文设计的开放鸟笼线圈可保证大鼠有足够的空间避免胸腔受到挤压，并获得良好的脊髓图像。
2 结果与讨论
2.1 仿真分析
图 4 所示为线圈模型在谐振模式下的 H 场矢量分布。对于线性激发模式，H 场与磁共振成像所需的 B1 场有固定的线性关系，所以可直接采用分析 H 场的方法去衡量 B1 场的分布情况。由图可见，半开放鸟笼线圈在垂直于径向的平面产生扇形分布的 H 场，在靠近线圈的部分箭头长度较长，说明场强度较大。沿着线圈边缘向中心场强逐渐减弱，但沿着相同半径的弧形处，B1 场呈均匀分布。
图4
模拟线圈在谐振模式下的 H 场分布
箭头的长度表示磁场强度，箭头的方向为
length of the arrow represents magnetic field strength, and the direction of the arrow represents
2.2 生理盐水扫描实验
如图 5 所示，在 399.5 MHz 下，线圈负载为生理盐水测得的反射系数 S11 = –63.292 dB，–3 dB 带宽值为 5.6 MHz，计算得到品质因数 Q = 142.8。结果表明线圈损耗较小且基本上可以达到完全匹配，能够满足在平台上进行实际扫描的条件。
图5
带负载时的反射系数和 Q 值测量结果（上图）和生理盐水扫描结果（下图）
上图：反射系数 S11 = –63.292 dB，品质因数
the upper: S11 = –63.292 dB,
生理盐水扫描得到的梯度回波图像结果表明，线圈产生的 B1 场呈现较为均匀的扇形区域分布，与仿真结果相一致。大鼠脊椎位置距离背部的距离在 13 mm 处，取距离线圈底部 15 mm 处的中心测量信噪比。信噪比的测试采用感兴趣区域图像信号平均值与图像空白区域的噪声标准差的比值。图 5 中较大的椭圆形区域和圆形区域为感兴趣区域，位于边缘处较小的椭圆区域为图像空白区域。测得的矢状面方向信噪比为 71，横截面方向信噪比为 107。
2.3 活体大鼠脊椎成像实验
图 6 所示为分别采用商用体线圈和开放型线圈对活体大鼠脊椎进行的梯度回波图像扫描的矢状面结果对比图。取矩形区域内采集的噪声标准差作为归一化因子，分别对商用体线圈和开放型线圈的测试图进行归一化，其中商用线圈的归一化因子为 33，开放型线圈归一化因子为 76.7。信噪比测试方式与 2.2 节相同，取图 6 中椭圆形区域作为信噪比测试区，结果显示，采用商用体线圈在脊椎处测得的信噪比为 54，采用开放型鸟笼线圈在脊椎处测得的信噪比为 75，比商用体线圈高 40%。同时，开放型线圈 B1 场区域主要集中在脊椎部位，在无效区域（脊椎部位靠左较深的其他区域）没有信号，这种高度集中的场分布能够有效利用射频能量，从而大大增加脊椎区域信噪比。其次，商用体线圈在脊椎部位上部图像强度更强，这符合鸟笼体线圈的场特征，即中心场强度大于边缘场强度。但在测量脊椎时，体线圈的这种场分布特征反而制约了脊椎部位的成像信噪比。而开放型线圈在脊椎周围的场分布较商用体线圈更为均匀。以上结果表明，针对大鼠脊椎图像扫描设计的开放型鸟笼线圈比商用体线圈优势明显，脊椎部位图像信噪比高，且开放结构使大鼠在不同操作中（比如心肌缺血等手术）均能够顺利进行扫描实验。
图6
活体大鼠脊髓扫描结果对比
椭圆形区域作为信噪比测试区，矩形区域为噪声标准差采集区
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 结论
本文设计了一款开放式鸟笼结构的表面射频线圈，并基于有限元方法分析了线圈的谐振模式和场分布特点。在活体大鼠脊椎成像实验中，本文方法所得图像信噪比较之商用正交体线圈提高 40%，验证了开放型鸟笼表面线圈结构在大鼠脊椎成像应用上的优势。相信该构型可以更好地为哺乳动物的脊椎磁共振成像研究做出贡献。
引言
大鼠脊椎损伤是研究脊柱损伤及相关病理机制的重要动物模型，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价值。目前，大鼠脊椎磁共振扫描主要采用表面线圈[1-5]、体线圈[6-8]和多通道线圈[9-14]三种射频（radio frequency，RF）线圈。传统的表面线圈通常采用单线圈设计，存在成像深度浅、脊椎区域 B1 场强度下降较快的问题，使得脊椎成像的清晰度明显下降。采用体线圈的方式进行大鼠脊椎扫描能够克服表面线圈 B1 场不均匀的缺点，但线圈的填充因子降低导致整体信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）下降，同时由于其封闭的结构，不能兼容脊柱手术、心脏插管等技术操作。采用多通道线圈虽然能够克服表面线圈 B1 场分布不均匀的缺点，但依然存在空间兼容性的问题。同时，对硬件的要求更高，增加了研究成本。
针对以上问题，我们提出采用开放式的鸟笼结构设计，在增加线圈填充因子的同时提高大鼠脊椎部位的信噪比和灵敏度，并提供手术状态下的大鼠在有限空间中进行脊椎磁共振成像研究的兼容性。利用网络分析仪测量线圈的品质因数，基于有限元方法分析线圈在特殊谐振模式下的场分布特点。在 9.4 T 高场磁共振平台下，通过生理盐水和术中活体大鼠脊椎的成像实验来验证所设计线圈的优势和可行性。
1 实验部分
1.1 电路原理和线圈设计
对于开放式高通鸟笼结构线圈，如果线圈腿的数量为 N，则形成 N – 1 个环形，可以用梯度网络等效[15]，如图 1 所示，Mj，j 表示第 j 条腿的自感，Cj 表示连接第 j 条腿和第 j + 1 条腿之间的电容。Lj，j 表示连接电容 Cj 和 Cj - 1 之间的端环导体自感。定义第 j 条腿和第 k 条腿之间的互感 Mj，k 以及端环 j 和端环 k 之间的互感 Lj，k（图中未标出，但实际存在）。由线圈输入端口的接线方式可知线圈的第一条腿和最后一条腿的电流 I0 = IN = 0，结合基尔霍夫电压定律，每个环满足：
图1
开放式鸟笼结构射频线圈的等效电路
Figure1.
Equivalent circuit of open birdcage RF coil
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每条腿的电流分布满足：
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当 C1 = C2 = = C，L1 = L2 = = L，M11 = M22 = = M 时，
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得到谐振频率：
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如图 2 所示，半开放鸟笼线圈采用一段弧形开口支架来保证大鼠脊椎位置能够尽量贴近线圈且身体器官不受挤压。线圈的弧形开口支架采用直径为 56 mm 的亚克力管的一部分，弧度角 30°。线圈采用厚度 1 mm、宽度 3 mm、长度 51 mm 的矩形铜皮材料作为腿部，由于腿之间的间隔为 3 mm 左右，所以端环处直接采用电容相连。电容均采用大功率高品质无磁电容（Johanson 公司）。在线圈外围增加同心的弧形屏蔽外壳，屏蔽与线圈之间距离为 12 mm，以提高线圈的品质因数[16]并抑制电磁干扰。同时在线圈发射接收端增加陷波器[17]来消除同轴电缆的共模电流造成的影响。如图 2 所示，开放式鸟笼线圈采用线性激励方式，激励端口位于中间的两条腿的同一侧端口，由同轴线引出。处于激励端口的两条腿之间用一个可调电容代替固定电容进行调谐。
图2
线圈实物图
Figure2.
Three-dimensional sketch of the RF coil
1.2 建模分析
如图 3 所示，按照实际尺寸建立开放式鸟笼结构线圈模型，共八条腿，14 个电容。线圈材料参数接近于铜。采用有限元法计算线圈在正确的谐振模式下的场分布[17]。线圈材料参数接近于铜：相对介电常数 δ = 1，相对磁导率 μ = 1；铜皮厚度 0.1 mm，宽度 3 mm，每条腿之间间隔 3 mm。长度 51 mm，弧形直径 56 mm。设置最大迭代次数 3 次，收敛误差 30%，主要分析其最高次模（8 条腿的开放鸟笼线圈有 7 种模式[18]）。
图3
开放鸟笼线圈模型
Figure3.
Open-birdcage coil model
1.3 MRI 生理盐水验证
对所设计线圈进行 9.4 T 下生理盐水 MRI 验证。生理盐水装在直径 40 mm、高度 75 mm 的塑料瓶中。首先采用安捷伦 E5061B 型网络分析仪测量 50 Ω 匹配下的生理盐水作为负载的线圈反射系数和品质因数：，其中，w0 表示线圈谐振频率，本文谐振频率为 399.5 MHz， 表示带宽，本文选择网络分析仪测试的–3 dB 带宽值。其次，在 9.4 T 磁共振平台下进行生理盐水 MRI 扫描操作，采用单线性扫描接线方式，线圈输出端接入扫描前方端口。扫描参数为：TR = 200 ms，TE = 4 ms；翻转角：30°；矢状面视场：40 mm × 50 mm；横截面视场：40 mm × 40 mm；矩阵尺寸：128 × 128：层面厚度：2 mm。将连接好的线圈做进一步的调谐匹配操作后进行扫描。
1.4 9.4 T 下活体大鼠脊椎成像对比实验
为了验证本论文设计的大鼠脊椎磁共振射频线圈的实际效果，在同等条件下进行商用体线圈的对比实验。商用体线圈为正交鸟笼线圈结构，内径 72 mm。两种线圈采用同一只大鼠，且扫描参数相同：TR = 600 ms，TE = 5.9 ms；翻转角：40°；视场：40 mm × 40 mm；矩阵尺寸：256 × 256；层面厚度：1 mm。大鼠的麻醉状态、呼吸状况和心率变化等在整个实验过程中始终保持密切监控，以确保大鼠在实验过程中不会发生意外死亡。本论文设计的开放鸟笼线圈可保证大鼠有足够的空间避免胸腔受到挤压，并获得良好的脊髓图像。
2 结果与讨论
2.1 仿真分析
图 4 所示为线圈模型在谐振模式下的 H 场矢量分布。对于线性激发模式，H 场与磁共振成像所需的 B1 场有固定的线性关系，所以可直接采用分析 H 场的方法去衡量 B1 场的分布情况。由图可见，半开放鸟笼线圈在垂直于径向的平面产生扇形分布的 H 场，在靠近线圈的部分箭头长度较长，说明场强度较大。沿着线圈边缘向中心场强逐渐减弱，但沿着相同半径的弧形处，B1 场呈均匀分布。
图4
模拟线圈在谐振模式下的 H 场分布
箭头的长度表示磁场强度，箭头的方向为
length of the arrow represents magnetic field strength, and the direction of the arrow represents
2.2 生理盐水扫描实验
如图 5 所示，在 399.5 MHz 下，线圈负载为生理盐水测得的反射系数 S11 = –63.292 dB，–3 dB 带宽值为 5.6 MHz，计算得到品质因数 Q = 142.8。结果表明线圈损耗较小且基本上可以达到完全匹配，能够满足在平台上进行实际扫描的条件。
图5
带负载时的反射系数和 Q 值测量结果（上图）和生理盐水扫描结果（下图）
上图：反射系数 S11 = –63.292 dB，品质因数
the upper: S11 = –63.292 dB,
生理盐水扫描得到的梯度回波图像结果表明，线圈产生的 B1 场呈现较为均匀的扇形区域分布，与仿真结果相一致。大鼠脊椎位置距离背部的距离在 13 mm 处，取距离线圈底部 15 mm 处的中心测量信噪比。信噪比的测试采用感兴趣区域图像信号平均值与图像空白区域的噪声标准差的比值。图 5 中较大的椭圆形区域和圆形区域为感兴趣区域，位于边缘处较小的椭圆区域为图像空白区域。测得的矢状面方向信噪比为 71，横截面方向信噪比为 107。
2.3 活体大鼠脊椎成像实验
图 6 所示为分别采用商用体线圈和开放型线圈对活体大鼠脊椎进行的梯度回波图像扫描的矢状面结果对比图。取矩形区域内采集的噪声标准差作为归一化因子，分别对商用体线圈和开放型线圈的测试图进行归一化，其中商用线圈的归一化因子为 33，开放型线圈归一化因子为 76.7。信噪比测试方式与 2.2 节相同，取图 6 中椭圆形区域作为信噪比测试区，结果显示，采用商用体线圈在脊椎处测得的信噪比为 54，采用开放型鸟笼线圈在脊椎处测得的信噪比为 75，比商用体线圈高 40%。同时，开放型线圈 B1 场区域主要集中在脊椎部位，在无效区域（脊椎部位靠左较深的其他区域）没有信号，这种高度集中的场分布能够有效利用射频能量，从而大大增加脊椎区域信噪比。其次，商用体线圈在脊椎部位上部图像强度更强，这符合鸟笼体线圈的场特征，即中心场强度大于边缘场强度。但在测量脊椎时，体线圈的这种场分布特征反而制约了脊椎部位的成像信噪比。而开放型线圈在脊椎周围的场分布较商用体线圈更为均匀。以上结果表明，针对大鼠脊椎图像扫描设计的开放型鸟笼线圈比商用体线圈优势明显，脊椎部位图像信噪比高，且开放结构使大鼠在不同操作中（比如心肌缺血等手术）均能够顺利进行扫描实验。
图6
活体大鼠脊髓扫描结果对比
椭圆形区域作为信噪比测试区，矩形区域为噪声标准差采集区
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 结论
本文设计了一款开放式鸟笼结构的表面射频线圈，并基于有限元方法分析了线圈的谐振模式和场分布特点。在活体大鼠脊椎成像实验中，本文方法所得图像信噪比较之商用正交体线圈提高 40%，验证了开放型鸟笼表面线圈结构在大鼠脊椎成像应用上的优势。相信该构型可以更好地为哺乳动物的脊椎磁共振成像研究做出贡献。
