本發(fā)明涉及磁共振成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于分形復(fù)合左/右手微帶線的射頻線圈，更具體地說是一種為提高磁共振成像射頻線圈中磁場強(qiáng)度和均勻性的基于分形復(fù)合左/右手微帶線的磁共振成像射頻線圈。

背景技術(shù)：

作為一種新型醫(yī)學(xué)成像手段，磁共振成像技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)上和疾病診斷中具有很大的優(yōu)越性，尤其是在面向阿爾茨海默癥和帕金森癥等功能退化性疾病的應(yīng)用中。磁共振成像的基本原理是將人體置于特殊編碼的強(qiáng)磁場中，用無線電射頻脈沖激發(fā)人體氫原子核，使人體氫原子核(¹h)吸收并存儲能量。當(dāng)停止無線電射頻脈沖后，人體氫原子核(¹h)按特定的激發(fā)頻率釋放出無線電射頻信號，并將存儲的能量釋放出來，被射頻線圈所探測接收，然后經(jīng)過電子計(jì)算機(jī)的分析處理，從而獲得幅度或者相位圖像。由于磁共振成像設(shè)備采集的射頻信號非常微弱，極易受到外界噪聲的干擾。因此，提高信噪比(signal-to-noiseratio,snr)是磁共振成像的首要任務(wù)之一。

提高磁共振成像信噪比的方法和手段有很多，包括但不局限于提高磁共振主線圈的磁場強(qiáng)度，降低被檢測對象中氫原子核(¹h)的環(huán)境溫度等等。而射頻線圈是磁共振成像系統(tǒng)的核心部件之一，在激發(fā)模式下需要產(chǎn)生均勻的射頻磁場來驅(qū)動人體氫原子核，在接收模式下需要以靈敏地探測接收感興趣區(qū)域的磁共振信號。所以，研究和發(fā)展射頻線圈技術(shù)是當(dāng)前磁共振成像領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

磁共振成像射頻線圈通常是由導(dǎo)體單元制成，在起到磁共振激發(fā)射頻信號的同時(shí)，又起到接收人體氫原子核(¹h)射頻信號的作用。類似于無線電天線的功能但又不同于無線電天線，磁共振成像射頻線圈采用的是近場駐波耦合的方式進(jìn)行工作。在高場磁共振中(1.5t、3.0t、4.7t、7.0t等)通常采用微帶陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)射頻線圈，即在射頻線圈的一面附上金屬薄層作為接地板，在射頻線圈的另一面用光刻腐蝕等工藝做出一定形狀的金屬貼片，而將中間層作為薄介質(zhì)基板(通常為fr-4、teflon、羅杰斯材料等)。

復(fù)合左/右手微帶作為人工電磁材料的傳輸線實(shí)現(xiàn)形式，當(dāng)電磁波在該傳輸線中傳播時(shí)，在某個(gè)頻率范圍呈現(xiàn)“左手特性”，而在其它頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)“右手特性”。因此，復(fù)合左/右手在制作寬頻段、低損耗性能微波器件方面有著廣泛的應(yīng)用潛力。本發(fā)明設(shè)計(jì)的復(fù)合左/右手微帶線實(shí)際上是一種快波設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的空間波動性變小，在特定物理尺寸下相位變化很小，這種快波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的磁共振射頻微帶線圈在近場的成像區(qū)域有良好的輻射特性，這也是能夠改善射頻線圈磁場分布均勻性的原因。h分形結(jié)構(gòu)的復(fù)合左/右手微帶線可以增強(qiáng)橫斷面上的磁場分布，這樣的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步提高磁共振成像射頻區(qū)域磁場分布的均勻性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處提供了一種基于分形復(fù)合左/右手微帶線的磁共振成像射頻線圈，以期在沿射頻線圈長軸方向產(chǎn)生盡量均勻的磁場，同時(shí)在橫斷面上產(chǎn)生盡量均勻的磁場，并且在感興趣的區(qū)域中，任意一點(diǎn)都盡量以相同的增益接收人體氫原子核的射頻信號。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種基于分形復(fù)合左/右手微帶線的磁共振成像射頻線圈，所述磁共振成像射頻線圈由多通道微帶線組成，

單個(gè)通道微帶線包括介質(zhì)基板、接地板和金屬貼片，所述接地板位于介質(zhì)基板的背面，金屬貼片設(shè)于介質(zhì)基板的正面；所述金屬貼片至少包括第一低阻抗微帶、第一高阻抗微帶、第二高阻抗微帶和第二低阻抗微帶，

按照將高低阻抗微帶通過第一非磁性貼片電容連接的方式來形成以第二非磁性貼片電容的豎直中心線軸對稱分布的復(fù)合左/右手微帶線結(jié)構(gòu)；

所述第一低阻抗微帶和所述第二低阻抗微帶上分別對稱布置有兩個(gè)第一非磁性貼片電感，所述第一高阻抗微帶和所述第二高阻抗微帶上分別對稱布置有兩個(gè)第二非磁性貼片電感，高低阻抗微帶分別通過非磁性貼片電感過孔接地；其中設(shè)置于所述低阻抗微帶的第一非磁性貼片電感和設(shè)置于所述高阻抗微帶的第二非磁性貼片電感按照以第二非磁性貼片電容的豎直中心線軸對稱的方式布置；通過第二非磁性貼片電容連接的第一高阻抗微帶和第二高阻抗微帶上的四個(gè)第二非磁性貼片電感對稱接觸形成矩形結(jié)構(gòu)。

所述第一高阻抗微帶和第二高阻抗微帶分別包括兩個(gè)h分形結(jié)構(gòu)微帶，所述兩個(gè)h分形結(jié)構(gòu)微帶對稱設(shè)于第一高阻抗微帶或第二高阻抗微帶的兩側(cè)并以高阻抗微帶的水平中心線為軸線對稱排布。

根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述高阻抗微帶至少包括第一高阻抗微帶和第二高阻抗微帶。

根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述第一高阻抗微帶和第二高阻抗微帶之間還設(shè)置有擴(kuò)展單元，所述擴(kuò)展單元為一個(gè)或多個(gè)高阻抗微帶；所述多個(gè)高阻抗微帶之間通過所述第二非磁性貼片電容連接。

根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述金屬貼片采用覆銅工藝腐刻在介質(zhì)基板的正面，所述金屬貼片為銅材料或其它非磁性良導(dǎo)體材料，所述金屬貼片的厚度為0.35μm。

根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述多通道微帶線排布成圓柱面、拋物面或半球面狀，所述高阻抗微帶在長軸方向長度是所述高阻抗微帶寬度的4～8倍。

根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述介質(zhì)基板(1)的高度h為13mm，長l為140mm，寬w為46mm。

根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述h分形結(jié)構(gòu)包括第一豎邊、橫邊及第二豎邊；所述第一豎邊的長和寬分別為6mm和2.5mm，所述橫邊的長和寬分別為12mm和1.5mm，所述第二豎邊的長和寬分別為8mm和1.5mm。

根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述非磁性貼片電容值和非磁性貼片電感值分別為16.6pf和15.0nh。

本發(fā)明還提供了一種制造基于分形復(fù)合左/右手微帶線的磁共振成像射頻線圈的方法，所述磁共振成像射頻線圈由多通道微帶線組成，

按照下述公式計(jì)算確定多通道微帶線的串聯(lián)諧振頻率ωse、并聯(lián)諧振頻率ωsh、傳播常數(shù)β和折射率n并據(jù)此確定多通道微帶線的結(jié)構(gòu)，其中：

所述串聯(lián)諧振頻率ωse和所述并聯(lián)諧振頻率ωsh是如下計(jì)算的：

其中躍遷頻率計(jì)算公式為：其中，c′l、l′l、c′r、l′r為分布電感和電容；

傳播常數(shù)β和折射率n公式分別為

其中，平衡結(jié)構(gòu)要求ωse＝ωsh，所以l′lc′r＝l′rc′l。

根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式，單個(gè)通道微帶線包括介質(zhì)基板、接地板和金屬貼片，所述接地板位于介質(zhì)基板的背面，金屬貼片設(shè)于介質(zhì)基板的正面；所述金屬貼片至少包括第一低阻抗微帶、第一高阻抗微帶、第二高阻抗微帶和第二低阻抗微帶，

按照將高低阻抗微帶分別通過第一非磁性貼片電容連接的方式來形成以第二非磁性貼片電容的豎直中心線軸對稱分布的復(fù)合左/右手微帶線結(jié)構(gòu)；

所述第一高阻抗微帶和第二高阻抗微帶分別包括兩個(gè)h分形結(jié)構(gòu)微帶，所述兩個(gè)h分形結(jié)構(gòu)微帶對稱設(shè)于第一高阻抗微帶或第二高阻抗微帶的兩側(cè)并以高阻抗微帶的水平中心線為軸線對稱排布。

根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述第一高阻抗微帶和第二高阻抗微帶之間還設(shè)置有擴(kuò)展單元，所述擴(kuò)展單元為一個(gè)或多個(gè)高阻抗微帶；所述多個(gè)高阻抗微帶之間通過所述第二非磁性貼片電容連接。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

1、采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)，將分形復(fù)合左/右手應(yīng)用于磁共振成像射頻線圈的設(shè)計(jì)，由于復(fù)合左/右手微帶線是一種快波設(shè)計(jì)的零階諧振結(jié)構(gòu)，在磁共振成像長軸方向(矢狀面)區(qū)域具有良好的磁場均勻性，使磁共振成像圖像更加清晰。分形結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步在提高橫軸方向(橫斷面)區(qū)域磁場均勻性，進(jìn)一步提高磁共振成像圖像質(zhì)量。

2、本發(fā)明還擴(kuò)展了分形復(fù)合左/右手微帶結(jié)構(gòu)，通過擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，可以使分形復(fù)合左/右手微帶射頻線圈應(yīng)用于不同磁共振成像平臺；通過擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，還可以使分形復(fù)合左/右手微帶射頻線圈應(yīng)用于不同人體部位磁共振射頻線圈。

更進(jìn)一步地說，所述分形復(fù)合左/右手微帶線的h分形結(jié)構(gòu)的高阻抗部分單元不僅僅局限于2個(gè)，也可以是1個(gè)、3個(gè)或3個(gè)以上。

更進(jìn)一步地說，復(fù)合左/右手微帶線的分形結(jié)構(gòu)不僅僅局限于h分形結(jié)構(gòu)，也可以是koch分形或其它分形結(jié)構(gòu)。

更進(jìn)一步地說，分形復(fù)合左/右手微帶線的分形部分不僅僅局限于一階，也可以是二階或二階以上。

附圖說明

圖1是分形復(fù)合左/右手微帶線結(jié)構(gòu)射頻線圈單元的俯視圖；

圖2是由4個(gè)分形部分組成的復(fù)合左/右手微帶線結(jié)構(gòu)射頻線圈單元的俯視圖；

圖3是傳統(tǒng)微帶線(mtl)、h分形結(jié)構(gòu)微帶線(h-mtl)及h分形復(fù)合左/右手微帶線(crlh-mtl)工作頻率；

圖4是仿真的(4a)傳統(tǒng)微帶線、(4b)h分形結(jié)構(gòu)微帶線及(4c)h分形復(fù)合左/右手微帶線的表面電流分布；

圖5是h分形復(fù)合左/右手微帶線射頻線圈上橫面x＝40mm、30mm、20mm、10mm、-10mm、-20mm、-30mm、-40mm截面上的磁場分布示意圖。；

圖6是h分形結(jié)構(gòu)示意圖；和

圖7是crlh-mtl理想等效電路模型。

附圖標(biāo)記列表

1：介質(zhì)基板2：接地板3：金屬貼片

31：第一低阻抗微帶32：第一高阻抗微帶33：第二高阻抗微帶

34：第二低阻抗微帶35：h分形結(jié)構(gòu)微帶351：第一豎邊

352：橫邊353：第二豎邊321：第三高阻抗微帶

322：第四高阻抗微帶4：第一非磁性貼片電容5：第二非磁性貼片電容6：第一非磁性貼片電感7：第二非磁性貼片電感

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明是基于分形結(jié)構(gòu)的復(fù)合左/右手微帶射頻線圈，射頻線圈由多通道組成。多通道微帶線圈可以是排布成拋物面的乳房射頻線圈，也可以是組成圓柱狀頭部線圈、頸部線圈、膝蓋線圈以及體線圈等。單個(gè)通道微帶線包括介質(zhì)基板1、接地板2和金屬貼片3，接地板2位于介質(zhì)基板1的背面，金屬貼片3設(shè)于介質(zhì)基板1的正面。金屬貼片3由第一低阻抗微帶31、第一高阻抗微帶32、第二高阻抗微帶33和第二低阻抗微帶34，高低阻抗微帶通過第一非磁性貼片電容4連接，形成以第二非磁性貼片電容5為中心對稱分布的復(fù)合左/右手微帶線結(jié)構(gòu)。第一高阻抗微帶32和第二高阻抗微帶33分別包括兩個(gè)對稱設(shè)置的h分形結(jié)構(gòu)微帶35，h分形結(jié)構(gòu)微帶35設(shè)于高阻抗微帶兩側(cè)并以高阻抗微帶的水平中心線為軸線對稱排布。

附圖1中給出了單通道分形復(fù)合左/右手微帶射頻線圈的示意圖。

如圖1所示，介質(zhì)基板1為teflon材料介質(zhì)基板，但不局限于teflon材料，也可以是fr-4材料、羅杰斯材料等。介質(zhì)基板高度h為13mm,長l為140mm，寬w為46mm。金屬貼片3采用覆銅工藝腐刻在介質(zhì)基板1的正面，金屬貼片3為銅材料或其它非磁性良導(dǎo)體材料，金屬貼片3金屬層厚度為0.35μm。高阻抗微帶線長軸方向?qū)挾仁歉咦杩刮Ь€寬度的4-8倍。如圖6所示，h分形結(jié)構(gòu)35包括第一豎邊351、橫邊352及第二豎邊353。所述第一豎邊351的長和寬分別為6mm和2.5mm，橫邊352的長和寬分別為12mm和1.5mm，第二豎邊353的長和寬分別為8mm和1.5mm。h分形結(jié)構(gòu)也可以是koch分形或其它分形結(jié)構(gòu)。非磁性貼片電容值和非磁性貼片電感值分別為16.6pf和15.0nh。

如圖2所示，高阻抗輻射貼片由4個(gè)h分形輻射貼片組成，h分形結(jié)構(gòu)復(fù)合左/右手微帶線高阻抗部分是可擴(kuò)展的周期性結(jié)構(gòu)，具體h分形輻射貼片個(gè)數(shù)根據(jù)具體的射頻線圈種類和大小來確定。參考圖2，其中擴(kuò)展單元為2個(gè)高阻抗微帶，即第三高阻抗微帶321和第四高阻抗微帶322，所述高阻抗微帶之間通過第二非磁性貼片電容5進(jìn)行連接，并且每個(gè)擴(kuò)展單元的高阻抗微帶設(shè)置有4個(gè)第二非磁性貼片電感7，并按照高阻抗微帶的第二非磁性電感之間接觸連接形成矩形結(jié)構(gòu)的方式布置。

如圖3所示，通過高頻電磁仿真hfss對傳統(tǒng)微帶線(mtl)、h分形結(jié)構(gòu)微帶線(h-mtl)及h分形復(fù)合左/右手微帶線(crlh-mtl)三種結(jié)果仿真，確定中心頻率(flarmor＝200mhz)反射系數(shù)(s11)均低于-10db，并且都有大約2mhz的帶寬，滿足磁共振射頻帶寬(幾十khz)的要求。其中200mhz的中心頻率是4.7t磁共振平臺氫原子核(¹h)的拉莫爾進(jìn)動頻率。

如圖4所示，經(jīng)過圖3對三種結(jié)構(gòu)的中心工作頻率的仿真，保證在同等條件下，(4a)傳統(tǒng)微帶線、(4b)h分形結(jié)構(gòu)微帶線及(4c)h分形復(fù)合左/右手微帶線仿真的工作在4.7t磁共振拉莫爾進(jìn)動頻率200mhz下輻射貼片表面的電流分布。通過比較表面電流分布(通過高頻電磁仿真hfss獲得)，可以得出h分形復(fù)合左/右手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效提高磁場空間分布均勻性，這種優(yōu)勢可以體現(xiàn)在磁共振成像區(qū)域得到更加均勻的射頻場，從而提高磁共振成像質(zhì)量。

如圖5所示，h分形復(fù)合左/右手微帶射頻線圈上x＝40mm、30mm、20mm、10mm、-10mm、-20mm、-30mm、-40mm截面上的磁場分布示意圖。

圖6示出了h分形結(jié)構(gòu)示意圖，所述h分形結(jié)構(gòu)包括第一豎邊351、橫邊352及第二豎邊353；其中第一豎邊351其沿a軸方向的長度為6mm，沿b軸方向的寬度為2.5mm；橫邊352其沿a軸方向的寬度為1.5mm，沿b軸方向的長度為15mm；第二豎邊353沿a軸方向的寬度為8mm，沿b軸方向的長度為1.5mm。

根據(jù)圖7所示的模型，串聯(lián)諧振頻率ωse和并聯(lián)諧振頻率ωsh分別為

這里的躍遷頻率計(jì)算公式為：

其中c′l、l′l、c′r、l′r為分布電感和電容。

傳播常數(shù)β和折射率n公式分別為

其中平衡結(jié)構(gòu)要求ωse＝ωsh，所以l′lc′r＝l′rc′l。

一段微分長度為δz的均勻理想復(fù)合左/右手傳輸線的等效電路模型如圖7所示，圖中的c’l、l’l、c’r、l’r分別為單位長度的分布電感、電容，其中定義如下：

c’l為雙導(dǎo)線單位長度的串聯(lián)電容，單位為f·m；

l’l為單位長度的并聯(lián)電感，單位為h·m；

c’r為雙導(dǎo)線單位長度的并聯(lián)電容，單位為f/m；

l’r為單位長度的串聯(lián)電感，單位為h/m。

磁共振成像射頻線圈的設(shè)計(jì)要求主要包括：

1)射頻線圈的工作頻率必須與磁共振成像相應(yīng)的拉莫爾進(jìn)動頻率一致：就人體氫原子核(¹h)而言，在室溫條件下，其定量關(guān)系為flarmor＝γ·(b0+b1)，這里的b0為磁共振成像平臺的主磁場強(qiáng)度，b1為梯度場的強(qiáng)度，γ為旋磁比，氫原子核(¹h)的旋磁比為42.58mhz/t。

2)沿射頻線圈長軸方向的磁場強(qiáng)度要盡量均勻，橫斷面上的磁場強(qiáng)度也要盡量均勻。

3)在射頻線圈中，感興趣區(qū)域的任意一點(diǎn)都應(yīng)當(dāng)以盡量相同的增益接收人體氫原子核(¹h)的射頻信號?，F(xiàn)有技術(shù)中的磁共振成像射頻線圈在以上幾個(gè)方面，尤其是在磁共振成像感興趣區(qū)域的磁場強(qiáng)度和均勻性方面需要進(jìn)一步得到提高。

根據(jù)上述計(jì)算來設(shè)計(jì)復(fù)合左/右手微帶單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，由此調(diào)整其工作頻率以適用于不同的磁共振成像平臺(包括1.5t、3.0t、7t到9.4t等)。

需要注意的是，上述具體實(shí)施例是示例性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在本發(fā)明公開內(nèi)容的啟發(fā)下想出各種解決方案，而這些解決方案也都屬于本發(fā)明的公開范圍并落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，本發(fā)明說明書及其附圖均為說明性而并非構(gòu)成對權(quán)利要求的限制。本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。