核磁共振概念B部分,核磁共振工程

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核磁共振概念B部分,核磁共振工程/2020/文章

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体积 2020 |文章的ID 8828047 | https://doi.org/10.1155/2020/8828047

Michael J. Beck, Dennis L. Parker, J. Rock Hadley 相邻射频相控阵线圈元件的电容与重叠解耦:3特斯拉MRI样品负载变化时的成像鲁棒性比较",核磁共振概念B部分,核磁共振工程 卷。2020 文章的ID8828047 14 页面 2020 https://doi.org/10.1155/2020/8828047

相邻射频相控阵线圈元件的电容与重叠解耦:3特斯拉MRI样品负载变化时的成像鲁棒性比较

学术编辑器:拉尔斯·g·汉森
收到了 2020年6月22日
修改后的 2020年11月04
接受 2020年12月04
发表 2020年12月15日

摘要

相控阵(PA)接收线圈的建立使线圈元件近似于独立天线的行为。实现这一目标的一种方法是使用一种可用的解耦方法来解耦相邻的线圈元件。这项工作的目的是比较相对性能的两种解耦方法作为一个变化的函数样本负载。在电导率为0.3、0.6和0.9 S/m、直径为12 cm的圆柱形体上形成的两个5通道(5 ch)的PA接收线圈,评估了相对信噪比(SNR)和并行成像性能。他们只调谐和匹配0.6 S/m的幻影。通过电容解耦线圈的信噪比除以重叠部分,比较模拟和测量的轴向、矢状和冠状5环PA线圈的信噪比。针对两种解耦方法的电容值选择问题,采用大、小2通道(2 ch) PA线圈的匹配和调谐电容的比值进行评估。信噪比表明,两种解耦方法的信噪比非常接近。与电容解耦方法相比,逆几何因子映射具有相似但更好的整体并行成像性能。2通道PA线圈的最大和最小电容值比的商为大PA的3.28和1.38,小PA的3.28和2.22。 The results of this paper demonstrate that as the sample load varies, the capacitive and overlap decoupling methods are very similar in relative SNR and this similarity continues for parallel imaging performance. Although, for the 5-ch coils studied, the capacitive decoupling method has a slight SNR and parallel imaging advantage and it was noted that the capacitive decoupled coil is more likely to encounter unbuildable PA coil configurations.

1.简介

使用多个表面线圈(也被称为相控阵(PA)线圈)同时独立成像带来了许多好处[1].Roemer等人指出,这种方法的好处是增加了表面线圈阵列的视场(FOV),同时保持每个单独线圈元件的局部高信噪比(SNR) [2].Roemer提出了第一种方法,利用最优权值和相位将单个图像以像素为基础进行组合,形成一幅复合图像;这些推导假设独立的天线行为(线圈元件之间零相互耦合)。

如果已知线圈元件之间所有相互耦合的幅值和相位,即使线圈元件之间存在强耦合,PA线圈仍然可以使用。耦合信息可以用来去除通过互耦合从一个线圈元件传递到另一个线圈元件的任何信号和噪声[3.].由此产生的信号将看起来好像它们是从具有独立天线行为的线圈元件接收的。然而,它是更容易设计和建立一个PA线圈线圈之间的耦合最小化线圈元件。当一个线圈元件与其他线圈元件解耦时,可以改变其调谐而不影响其余线圈元件的调谐。而耦合的pa则不是这样,因为其他线圈元件的音调会受到很大影响,这使得具有大量线圈元件的pa无法进行调优。

目前用于解耦的方法有很多[3.].减少相邻线圈元件之间互感的最常见的技术之一是通过部分重叠它们或重叠解耦(OD)方法实现[2].一种替代磁解耦技术是通过将表面线圈与一个公用横档连接在一起,并在那个公用横档上使用一个电容来消除互感或电容解耦(CD)方法来实现的。4- - - - - -7].这些类型的保护层通常被称为梯圈[68- - - - - -10].接收PA线圈的其他技术包括用电感器抵消磁通[1112],使用解耦屏蔽[1314]、无源谐振器[15,以及自解耦线圈[16].Hui等人综述了不同的解耦方法及其优缺点[3.].

所述的解耦方法适用于相邻线圈元件。对于不相邻的线圈元件,使用不匹配的前置放大器可以减少相互耦合的影响。这些前置放大器通过帮助在线圈的输入端创建高阻抗来抑制产生电流的磁通,从而减少磁通连接[17].这种方法通常用于前面提到的解耦方法之外。

虽然已经有论文提出了不同的解耦方法,但尚未发表对不同方法的直接比较。其中一种方法是否具有信噪比优势,是否对荷载变化具有鲁棒性,或是否存在与施工相关的问题,仍有待证明。

本工作比较了模拟和测量的5通道(5通道)CD PA线圈和5通道外径PA线圈的信噪比和并行成像性能随线圈负载的变化。研究了两种常见的解耦方法在成像性能上的鲁棒性。最后,利用这些解耦方法中的任何一种,利用小型和大型2通道(2-ch) PA线圈探索PA线圈的可建性。

2.理论

如前所述,Roemer等人在假设没有磁耦合的情况下推导出了核磁共振PA的最佳重量和相位[2].线圈元件之间的磁耦合不仅会导致频率分裂,而且会导致信号和噪声的共享(串扰)[218].如果在将单个图像组合成单个合成图像之前没有补偿串扰,那么在使用罗默组合方法时,图像质量可能会受到不利影响[1819].因此,当务之急是磁力联轴器尽可能减少。

2.1.重叠的解耦理论

相邻线圈元件重叠解耦可以用法拉第感应定律和楞兹定律来理解: 在哪里 而且 分别为电动势、磁通量、磁场和表面积。线圈1和线圈2之间的串扰是由法拉第定律和伦茨定律决定的。根据法拉第定律,有一个互感方程(2)) (20.)与 而且 分别为磁通量、互感和电流互感的大小是线圈元件几何形状的函数。

信号和噪声在线圈之间传递所通过的相互阻抗见[421]:

有一个电阻元件,R21,与相关噪声和反应成分相关,21,相声通过它产生[41821].电阻元件将在下面讨论,但对于公式(2)、互感、21,将等于零,当净磁通量等于零,且回路1中有非零电流流过时。观察方程时(1),这是可能的,因为线圈元件1可以产生磁场分量,垂直于线圈元件2的表面积,当两个线圈重叠时,磁场分量是正的和负的。因此,方程中积分的和(1)可以等于零,两个线圈元件可以通过消除互感来解耦。Roemer等人发现,当从每个线圈元件的中心测量时,相同的圆形线圈元件之间的解耦距离为直径的75% [2].在实际操作中,也存在一种互电容,但这种互电容的电抗通常比互感的电抗小,因此被假定为等于零[16].

2.2.电容耦合理论

电容解耦利用一个电容来抵消相邻线圈元件之间互感的电抗,如下式(4)[4].相邻的CD线圈元素不是重叠的,而是共享一个共同的梯级。相邻线圈元件之间的串扰通过在共享横档上增加一个电容来消除,该电容形成的电抗可以抵消互感的电抗。当电容电抗的大小等于谐振频率处互感电抗的大小时,线圈对线圈解耦的结果最大:

2.3.电场和相关噪声

利用互易原理,每个PA线圈元件产生的电场与样品相互作用,产生相关的样品噪声。这种相关性的特征是阻力,R21,为前文所述的互阻抗。这些电阻表示线圈元件之间噪声的协方差。Hayes等人对相关噪声的影响进行了深入的研究[22].这些电阻不会导致频率偏移和信号/噪声共享(串扰)[2但可以限制信噪比[22].

3.方法

利用信噪比和并行成像数据进行了模拟分析,以确定哪种解耦方法对使用5通道PA线圈的样本负载变化更稳健。构建5通道PA线圈,测量信噪比和并行成像数据,与仿真数据进行比较。此外,使用大的和小的2通道PA线圈,比较了每种解耦方法的线圈元件电容值变化量,以确定哪种方法最有可能遇到由于不可实现的电容值而无法构建的PA线圈配置。所有模拟均采用计算机模拟技术(CST)、微波工作室(MWS)和CST设计工作室(DS)联合模拟。

3.1.5通道线圈的仿真

采用上述两种解耦方法分别对两个5通道PA线圈进行解耦,计算其信噪比和并行成像性能。它们被调谐并匹配到0.6 S/m的模体上,然后,在不做任何调整和匹配的情况下,在电导率为0.3、0.6和0.9 S/m的模体上进行数值测量。

通过计算信号和噪声电压来确定信噪比。根据每个线圈元件的磁场,利用CST-MWS计算信号电压,线圈元件中产生1安培电流[23].B1-场值计算公式为(5 b)[24]:

发射线圈磁场,B1+从方程(5),通常用于测定翻转角度;然而,CST-MWS并没有模拟发射线圈,而是假设了一个恒定的90°翻转角。磁化强度计算公式为6), 而且 为平衡磁化强度,质子密度,回旋磁比,普朗克常数除以2π、静磁场强度、玻尔兹曼常数、温度(开尔文)、磁化强度(正转框)、翻转角度、重复时间、纵向弛豫时间、横向弛豫时间[25].最后,方程(7)用来计算信号[24]:

噪声电压的计算公式为8), 而且 噪声协方差矩阵和带宽(驻留时间的倒数),和 是相位和频率编码数的乘积。通过去除匹配电容提取CST-DS的噪声协方差矩阵,然后测量z-参数的实部[26].使用Kellman等人提出的方法,对噪声协方差矩阵进行了缩放,以获得与MRI扫描仪测量结果更一致的信噪比值[27].方程(7)和(8)都在像域内,方程(8)将给出k空间中的噪声,如果不除以 方程(9),用于将来自各个信道的图像合并为单个信噪比合成图像[2]:

通过计算几何因子逆图(1/g因子)对5 ch CD线圈和外径PA线圈进行平行成像比较,加速速率为×2 -×5 [28].每个5 ch PA线圈被调谐并匹配到0.6 S/m模体,在不改变任何被动元件值的情况下,对0.3、0.6和0.9 S/m模体进行1/g因子图计算。并行成像比较的5-ch PA线圈和幻像设置与信噪比比较相同(见图1).

使用中心对中心的导体测量,用以下共享物理约束对两个5通道PA线圈进行建模:总体相同x而且z外型尺寸分别为15厘米× 8厘米,铜迹宽度为5毫米,每个PA线圈有5个通道。5寸CD PA线圈有线圈元件x而且z所有线圈元件的尺寸分别为3cm × 8cm,而5-ch OD PA线圈元件的尺寸均为x而且z尺寸分别为3.6厘米× 8厘米。PA线圈也被限制有相同的外部尺寸。每个线圈元件在周长周围有4个等间距的电容,这包括匹配电容。参见图1线圈配置示例和轴向。

每个5通道PA线圈模拟了三个圆柱形虚模。所使用的模体性能为水作为材料,介电常数为78,水的电导率为0.3、0.6或0.9 S/m。所选的电导率代表了人体的典型电导率范围[29].每个模型的直径和长度分别为12和20 cm。每个PA线圈与体模之间保持3mm的分离,不使用前一个。

在用于5通道PA线圈模拟的设置中,大约有2400万个六面体网格单元用于5通道CD PA线圈模拟,大约有1400万个六面体网格单元用于5通道OD PA线圈模拟。所有模拟均具有以下设置:精度为−80 dB,在线AR-filter分析,最大稳态误差为0.001,最小网格单元尺寸为0.1 mm,模型附近最大网格单元尺寸为8.4 mm,距离模型最大网格单元尺寸为7.5 cm,且没有自适应网格细化。5-ch CD和5-ch OD PA线圈的平衡比分别为1.1和1.25。前置放大器解耦的实现方法是在匹配电容上加入电感,并设置端口阻抗为3欧姆。在0.6 S/m的模体上,所有5通道PA线圈的线圈元件只被调谐并匹配到50欧姆。

3.2.5寸线圈的成像测量

构造了一个5-ch CD PA线圈、一个5-ch OD PA线圈和三个虚模来收集测量数据。构建的5通道PA线圈的尺寸和布局与模拟的5通道PA线圈相同,除了物理线圈构建在一个3mm厚的圆柱形聚碳酸酯成型上,以提供3mm线圈以实现幻影分离。通过将每个有源解耦电感放置在一个调谐电容上,实现了期望的有源解耦幅度。单独地在匹配电容器上放置主动解耦电感会导致主动解耦幅度不足。所有线圈元件只在0.6 S/m模体上调谐并匹配到50欧姆,并通过25厘米电缆和pi移相器连接到前置放大器,完成180°相移以获得最佳的前置放大器失谐。用含1.955 g CuSO的幻像液填充直径12 cm、长度20 cm的3个幻像液4×H20与1.094、3.020和4.915 g NaCl结合,在20℃下的电导率分别为0.3、0.6和0.9 S/m。

使用MAGNETOM 3T Trio (Siemens Healthcare, Erlangen, DE)磁共振扫描仪获得信噪比和并行成像测量。测量采用二维梯度回波(GRE)轴向、矢状和冠状图像,TE/TR = 4.0/500 ms,翻转角度= 90°,矩阵大小= 320 × 320, FOV = 300 × 300,层厚= 5 mm,带宽= 256赫兹/像素,射频发射电压设置为0伏,TR = 50 ms,采用相同序列的纯噪声图像。通过定位每个切片获得轴向、矢状和冠状图像,使其通过幻影中心成像。

3.3.线圈元件电容值的变化2环线圈

进行了模拟,比较匹配、解耦(仅CD配置)的变化量,以及使用小线圈和大线圈配置的2-ch CD和OD PA线圈的每个调谐和匹配线圈元件的调谐电容值。2-ch CD PA线圈有两种预定电容值类型,由负载(匹配电容)和互感(解耦电容)决定,2-ch OD PA线圈只有一种电容值类型由负载(匹配电容)预定。

用4个2寸PA线圈:小、大2寸CD PA线圈、小、大外径PA线圈对线圈元件电容值变化进行比较。约束每个2通道小PA线圈(小PA对)的线圈元件尺寸为相等,与解耦方法无关。对于每个大的2通道PA线圈(大PA对)的线圈元件大小也是如此。通过允许每个PA对的外部尺寸不同来满足这一约束。小PA对的线圈元件尺寸为3 × 5厘米x而且z方向,轨迹宽度分别为3.5 mm。大PA对的线圈元件尺寸为5 × 10厘米x而且z方向,轨迹宽度分别为5毫米。线圈元件的尺寸是从每个轨迹的中心测量的。小PA对的每个线圈元件在周长周围有4个等间距的电容,而大PA对有6个,其中包括匹配电容。参见图2线圈配置和图1轴的方向。

模拟了小型和大型2通道PA线圈的两种配置(调谐Cd而且Ct).调优Cd通过约束所有梯级电容(Cd而且Ct/Cd)值在调优时相等Ct通过约束外环电容(Ct/Cd)值和调谐电容(Ct1而且Ct2)值相等。的Cd调谐条件是一种尝试,以证明限制,将发生在更大的线圈阵列的内部元素。在这个简单的2-ch几何中,我们通过要求电容来模拟更大数量的线圈元件Ct/Cd要等于解耦电容,Cd.电容标签参考图2

采用单个模拟矩形体模对大小2通道PA线圈进行模拟。采用的模体性能为水为材料,介电常数为78,电导率为0.6 S/m。对矩形体模进行了模拟xz,y尺寸分别为15 × 15 × 10厘米。

在用于5通道模拟的设置中,小型和大型2通道CD pa分别约有800万至900万个六面体网格单元,小型和大型2通道OD pa分别约有1000万至1150万个六面体网格单元。所有模拟均设置精度为-80 dB,在线AR-filter分析,最大稳态误差为0.001,最小网格单元尺寸为0.1 mm,接近模型时最大网格单元尺寸为8.4 mm,远离模型时最大网格单元尺寸为7.5 cm,不进行自适应网格细化,平衡比为1.1。前置放大器解耦的实现方法是在匹配电容上加入电感,并设置端口阻抗为3欧姆。2通道PA线圈的所有线圈元件都被调谐并匹配到50欧姆。

4.结果

4.1.线圈:信噪比

模拟和测量的轴向、矢状和冠状二维信噪比图像3(一个),和一维信噪比线图3 (b), 5通道PA线圈如图所示3..仿真计算得到的图像与在该扫描仪上进行实验得到的图像具有较好的一致性。当观察信噪比图像时,在线圈元件下方的浅表区域可以看到分歧。

4.2.5英寸PA线圈:噪声相关

相应的噪声相关图如图所示4.模拟的5-ch CD PA线圈的反对角线值最大值(四舍五入到小数点后第二位)分别为0.38、0.41和0.40,模拟的5-ch OD PA线圈值分别为0.53、0.55和0.54(模拟的S/m分别为0.3、0.6和0.9 S/m)。5-ch CD PA线圈的测量值分别为0.25、0.30和0.32,5-ch OD PA线圈的测量值分别为0.3、0.6和0.9 S/m幻像的0.40、0.45和0.46。

4.3.5寸PA线圈:并行成像

并行成像结果如图所示5.图中显示了前后和左右方向的1/g因子图5(一个)而且5 (b).通过从5通道CD通道PA线圈中减去5通道OD通道PA线圈,1/g因子图的模拟差异如图所示5 (c).g因子的最大值和平均值见表1.5-ch CD PA线圈具有更好的整体并行成像性能。


前后 左右

0.3 /米 ×2 ×3 ×4 ×5 ×2 ×3 ×4 ×5

模拟 CD 1.47 2.96 11.68 65.30 4.43 9.59 37.80 7142.59
(1.15) (1.78) (3.92) (13.74) (1.30) (2.37) (6.76) (43.88)
OD 1.55 3.09 11.72 78.04 5.15 11.61 43.39 2775.42
(1.17) (1.87) (4.30) (16.51) (1.36) (2.58) (7.39) (45.69)
测量 CD 1.66 3.55 15.14 847.96 5.82 10.80 79.26 2256.00
(1.23) (2.00) (4.21) (15.25) (1.30) (2.49) (6.14) (18.01)
OD 1.79 4.09 17.04 506.96 6.34 12.79 82.29 4480.72
(1.28) (2.14) (4.80) (18.21) (1.32) (2.64) (6.62) (22.08)

0.6 /米 ×2 ×3 ×4 ×5 ×2 ×3 ×4 ×5

模拟 CD 1.50 3.29 10.88 60.83 2.28 7.16 31.21 1867.61
(1.14) (1.73) (3.67) (12.10) (1.16) (1.92) (5.46) (39.40)
OD 1.50 3.40 11.21 68.30 2.65 8.37 38.72 2665.41
(1.16) (1.83) (4.05) (14.64) (1.21) (2.11) (6.20) (44.39)
测量 CD 1.90 4.27 15.05 191.98 2.54 6.48 44.91 2354.87
(1.23) (2.02) (4.13) (14.70) (1.19) (2.07) (5.63) (20.42)
OD 2.04 4.81 17.83 183.64 2.57 7.24 53.77 4401.27
(1.28) (2.15) (4.64) (16.64) (1.21) (2.17) (6.24) (30.10)

0.9 /米 ×2 ×3 ×4 ×5 ×2 ×3 ×4 ×5

模拟 CD 1.66 3.94 11.97 59.15 1.73 6.28 29.63 992.37
(1.14) (1.77) (3.73) (11.51) (1.11) (1.76) (4.98) (31.86)
OD 1.64 3.93 12.22 61.17 1.80 6.98 34.27 925.98
(1.16) (1.84) (3.98) (13.32) (1.13) (1.86) (5.40) (32.28)
测量 CD 2.14 4.86 13.54 167.99 1.89 5.71 67.80 3620.02
(1.23) (2.00) (4.06) (13.04) (1.12) (1.90) (5.37) (24.52)
OD 2.25 5.25 16.65 177.03 1.93 6.29 71.22 4881.34
(1.29) (2.13) (4.48) (14.87) (1.14) (1.99) (5.80) (30.53)

4.4.5英寸PA线圈:s参数

测量的5通道PA线圈s参数如表所示2.这些测量是在前置放大器输入处进行的。除测量时需要拆卸的前置放大器外,所有前置放大器都已安装。使用网络分析仪测量每个s参数的S2, 1值。


El # 2 3. 4 5

S / m 0.3 (0.6) 0.9 0.3 (0.6) 0.9 0.3 (0.6) 0.9 0.3 (0.6) 0.9
1 S-CD −14.3(−13.4)−13.4 −5.30(−7.90)−9.70 −12.1(−16.0)−18.8 −12.9(−17.6)−21.5
S-OD −12.1(−10.5)−10.3 −4.10(−6.00)−7.50 −10.1(−13.3)−15.6 −10.8(−15.1)−18.6
M-CD −16.8(−15.3)−14.4 −6.80(−9.30)−10.7 −13.3(-20.0−17.6) −15.0(−19.4)−21.9
M-OD −11.2(−11.4)−9.70 −5.70(−7.80)−9.00 −12.7(−17.5)−20.1 −9.10(−13.5)−15.8

2 S-CD −14.5(−13.6)−13.5 −5.50(−8.10)−10.0 −12.1(−16.0)−18.8
S-OD −12.5(−10.6)−10.2 −4.00(−5.90)−7.30 −10.0(−13.3)−15.6
M-CD −20.4(−17.0)−16.6 −7.70(−10.4)−12.0 −15.0(−18.1)−20.6
M-OD −14.7(−12.3)−11.9 −5.80(−8.60)−10.2 −12.4(−16.6)−19.1

3 S-CD −14.5(−13.6)−13.5 −5.40(−7.90)−9.70
S-OD −12.6(−10.6)−10.2 −4.00(−6.00)−7.50
M-CD −17.0(15.7−16.0) −7.80(−9.70)−10.9
M-OD −15.2(−13.0)−12.1 −5.60(−7.70)−8.60

4 S-CD −14.2(−13.4)−13.4
S-OD −12.2(−10.5)−10.3
M-CD −16.7(−15.4)−14.0
M-OD −11.0(−11.8)−9.60

4.5.5寸PA线圈:质量因数

测量的5通道PA线圈的质量因数如表所示3..这些值是在完成线圈上测量的,有和没有幻像。移除被测线圈元件的前置放大器,并使用探针与该线圈元件轻微耦合,进行S2, 1测量。这些S2, 1测量允许提取质量因子。


5寸CD PA线圈 5通道外径PA线圈
U l U/l U l U/l

S / m
El #
0.0 0.3 0.6 0.9 0.3 (0.6) 0.9 0.0 0.3 0.6 0.9 0.3 (0.6) 0.9
1 192 88 61 49 2.2 (3.1) 3.9 160 74 55 45 2.2 (2.9) 3.6
2 173 81 54 43 2.1 (3.2) 4.0 140 66 48 40 2.1 (2.9) 3.5
3. 173 80 60 51 2.2 (2.9) 3.4 140 76 56 49 1.8 (2.5) 2.9
4 183 78 55 47 2.4 (3.3) 3.9 165 74 50 40 2.2 (3.3) 4.1
5 185 85 59 49 2.2 (3.1) 3.8 160 84 60 46 1.9 (2.7) 3.5

请注意。测量完成的线圈。
4.6.2-ch PA线圈:线圈元件电容值变化

电容值结果如表所示4.每个电容器的位置相对于每个线圈元件如图所示2.通过取匹配电容器与调谐电容器之比,比较了线圈元件在电容器值上的变化。最大和最小电容值比的商为3.28(调谐Cd), 1.68(曲调Ct)和1.38的大2通道CD PA线圈和大2通道OD PA线圈调谐配置,分别和3.28(调谐Cd), 2.44(曲调Ct)和2.22,分别为小型2通道CD PA线圈和2通道OD PA线圈调谐配置。


小(pF) C马克斯/C最小值 Cm1 C平方米 Ct1 Ct2 Cd Ct/Cd C等效

电容
(调Cd 3.28 137.7 137.7 42.03 42.03 84.75 84.75 18.30∼
(调Ct 2.44 137.5 137.5 56.26 56.26 84.75 56.26 18.31∼
重叠 2.22 144.8 145.3 65.24 65.06 - - - - - - - - - - - - 18.91∼
大(pF)
(调Cd 3.28 69.45 69.45 21.15 21.15 75.00 75.00 8.69∼
(调Ct 1.68 68.65 68.65 40.97 40.97 75.00 40.97 8.74∼
重叠 1.38 69.70 68.60 50.60 50.59 - - - - - - - - - - - - 8.84∼

5.讨论

本文采用仿真和物理测量的方法,比较了接收射频PA线圈中相邻线圈元件解耦的两种方法在样品负载变化时的相对性能。在仿真和实验中,对每种解耦方法的pa进行约束,使其线圈元件数量和外型尺寸相同。实验结果表明,在5个总元素组成的圆柱形组织模型的约束条件下,两种解耦方法构建的两种不同pa的信噪比相差很小。

5-ch CD PA线圈和5-ch OD PA线圈的信噪比随样品负载的变化,很大程度上是由于每个阵列有不同大小的线圈元件。当将0.3或0.9 S/m模型与0.6 S/m模型计算出的信噪比图像进行比较时,如图所示3., 5通道OD PA线圈的相对性能随着电导率的降低而提高。尽管阵列被调优和匹配的速度为0.6 S/m,但仍然可以观察到这一点。这种现象很可能发生,因为PA线圈必须是样本噪声主导,才能达到最终的固有信噪比[30.];否则,线圈电阻将成为一个额外的不相关噪声源[22].两个5通道PA线圈的线圈元件电阻保持不变,而两个5通道PA线圈的总电阻从0.3 S/m增加到0.9 S/m,增加了约230%。这种增加几乎完全是由于样品电阻的增加。虽然总电阻增加的百分比几乎是相同的两个5英寸的PA线圈,样本与线圈电阻的比例是不同的。电导率降低,样品电阻5-ch OD PA线圈的减少速度比5-ch CD PA线圈,因为尺寸较大的循环,但样本噪声仍保持主导地位。5通道外径PA线圈的样品噪声下降幅度越大,其相对性能随着电导率的降低而提高。

CD方法可用于布局更复杂的PA线圈设计[31- - - - - -35].一个复杂的布局要求至少有一个调谐电容可用来调谐每个线圈元件。例如,5 ch CD PA线圈的内部三线圈元件,每一个都比外部线圈元件少一个调谐电容,但它们仍然至少有一个调谐电容。在某些情况下,可能需要使用额外的解耦方法;正如Elabyad等人的工作中所看到的那样,使用两个相等的电容和一个间隙来解耦线圈元件,否则如果只用CD方法解耦,就不会留下调谐电容。

线圈元件电容值变化结果有助于说明使用CD方法时调谐电容数量减少可能导致的问题。一个是,CD方法很可能会遇到无法构建的2-ch PA线圈配置由于不可实现的电容值。导致无法实现的电容值的例子有:匹配电容值低于任何商业销售的电容值,或线圈元件的适当调谐和匹配所需的无限大的电容,因为匹配电容值低于等效调谐电容的值。通过计算线圈元件周围的所有电容器(包括匹配电容器)的等效电容,可以确定调谐线圈元件所需的等效调谐电容的近似值。匹配电容值随着样品电阻的增加而减小,如果2通道PA线圈中的线圈元件足够大或样品的导电性足够高,两种解耦方法都可能有无法实现的匹配电容。较大的2-ch OD PA线圈元件使他们更容易发生这种情况。除了大样本电阻之外,还有大量的配置可能导致不可实现的PA配置,但调CD配置中的2-ch CD PA线圈最可能遇到这个问题,因为它们的商值很大。商值越大,线圈元件周围的单个电容的值越有可能低于或接近等效调谐电容。

5寸CD PA线圈的整体并行成像性能更好。这是意料之中的,因为线圈元件在使用CD方法时不重叠。即使在5-ch CD PA线圈的最大g因子值大于5-ch OD PA线圈的情况下,5-ch CD PA线圈的平均g因子值仍然小于5-ch OD PA线圈。随着加速速度的增加,5通道CD PA线圈的性能差异比5通道OD PA线圈的性能差异更大。在左右方向上尤其如此。前后方向的g因子值优于左右方向。预计左右方向比前后方向的成像性能更好,但在我们的病例中,由于PA线圈的弯曲,前后方向更好。

相邻线圈元件的噪声相关值,5-ch CD PA线圈比所有虚模的5-ch OD PA线圈要小。线圈元件之间的相关性主要是由它们的几何形状决定的,这就是为什么相关性的变化在幻影之间是如此轻微。这些细微的变化是幻影之间电场差异的结果。此外,如果考虑MRI扫描仪的前置放大器和接收链的不相关噪声,这些模拟计算的噪声相关值会更小。

一般来说,制作CD或OD PA线圈的过程是相当相似的。在开始调谐和匹配之前,通常可以为两个PAs布置所有的铜迹/导线。一旦填充电容器,当两个线圈元件调谐并匹配到相同的阻抗时,通过最小化S21来确定两个相邻线圈元件之间的重叠距离和解耦电容值。重叠解耦法可以通过弯曲导线或轻微调整轨迹位置来最小化S21,使初始重叠距离最好接近最终距离。使用可调电容,CD法的电容值可以与重叠距离找到相同的方法,除了调整电容值而不是重叠距离。一旦两个PA线圈的S21最小化,完成所有PA线圈元件的调谐和匹配就是一个迭代的过程。

前面在理论部分讨论的理论可以应用于更高场强下的CD和OD方法[36- - - - - -39].该理论对于更高的场强是有效的,考虑到除了磁耦合外,还需要考虑电耦合(在我们的例子中假设可以忽略不计)[16].

在对两种解耦方法做出概括结论之前,还有许多工作要做。必威2490本研究的局限性在于,只有5个矩形线圈元件的PA线圈,在0.3和0.9 S/m的幻像上测试之前,只能调到0.6 S/m的幻像上。唯一使用的幻像是直径为12厘米的圆柱形幻像。还有许多其他的测试案例有待探索,因此未来的工作可能包括通道数不是5的PA线圈、不同形状和尺寸的线圈元件、不同形状和尺寸的幻像,并在初始调谐PA线圈并匹配电导率不是0.6 S/m的幻像时测试PA线圈的性能。

6.结论

本文的结果表明,随着样品负载的变化,5-ch CD线圈和OD PA线圈的相对信噪比非常相似,这种相似性在1/g因子的并行成像中继续存在。事实上,在许多领域,5-ch CD PA线圈的信噪比和并行成像性能都略高于5-ch OD PA线圈。在选择CD PA线圈还是OD PA线圈时,设计师需要意识到,与类似尺寸的OD PA线圈相比,CD PA线圈的一些配置由于调谐电容较少而无法实现。

数据可用性

支持这一研究结果的数据可向J. Rock Hadley索取rock.hadley@utah.edu或迈克尔·j·贝克mjb27@utah.edu

的利益冲突

作者声明本研究的发表不存在利益冲突。

致谢

这项工作得到了美国西门子医疗保健公司(Siemens Healthcare, USA)、弗吉尼亚州优异奖和NIH R01 HL 127582的支持。

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