一种新型永磁发射线圈设计

广西汇智精英科技有限公司 （广西 南宁 530200）

内容提要： 文章主要介绍磁共振系统中，一种新的射频发射线圈组件。具体描述了新发射线圈组件的组成，电路调揩，磁场均匀性相关技术参数。通过与传统线圈对比，均匀性相同，但该发明节省了电容器成本和磁体间宝贵的空间。

上世纪70年代，Lauterbur提出磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）的方法和实验装置。经过近50年的发展，医用MRI设备已比较普及。低场强磁共振（场强小于0.5T）系统的市场竞争趋于白热化。国内供应商基本属于同质化竞争，打价格战，而降低成本是各大厂商优先采用的方法。作为磁共振关键部件，一种低成本的射频发射线圈运用而生。

磁共振射频线圈的工作频率是由磁体的磁场强度来决定的。频率从几兆赫兹，几十兆赫兹一直到上百兆赫兹。所以发射线圈设计需要对电磁场仿真，这就需要一套高效的软件来完成。

Ansoft HFSS，即Ansoft高频结构仿真器（High Frequency Structure Simulator，HFSS），是Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，可以对任意的三维模型进行全波分析求解，先进的材料类型，边界条件及求解技术，使其以无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准。

本文描述的发射线圈设计就是利用HFSS软件进行建模、设置、计算和结果分析。下面从电路组成，电路调揩，磁场均匀性几个方面进行详细阐述。

1.电路组成

发射线圈一般由等同于电感器的铜带，电容器，导线和开关二级管组成。每个发射线圈一般由两个镜向的单元组成，如图1所示。磁共振系统发射线圈安装于磁体内侧，两个发射线圈单元相对安装。两线圈单元之间通过两段导线连接。图1中，标号为1，2，4，5的位置本来放置电容器，现在直接用铜带短路，或者直接做成整个一条完整的铜带。电容的厚度一般为4.5mm。所以取消电容后，发射线圈可以做的更薄。标号为3的位置放置调频率电容。标号为6的位置放置调阻抗电容，同时也是线圈的输入端口。

2.电路调谐

使由电容和电感组成的电路处于谐振状态，可以节省射频放大器的功率。由上文可知，改进后的发射线圈仅剩下标号3和6位置的电容。通过改变电容3的大小，可以改变谐振频率。具体地，电容增加，谐振频率降低，反之易然。由于电容6的两端为输出接口，所以改变电容6除了可以改变谐振频率，还可以改变输出阻抗。频率和阻抗又是相互影响的，所以需要不断来回重复调整电容3和电容6才能使谐振状态同时满足频率要求和阻抗要求。具体地，频率要求就是磁体磁场强度决定的频率，如0.5T对应频率是0.5×42.58=21.29MHz。阻抗要求，如在某一频率下的反射值小于-20dB。

图1.发射线圈组成

3.磁场均匀性

射频场均匀性一般通过成像空间内坐标点场强值来表征。磁场均匀性越好，最终的图像就越好。因为射频场的均匀度决定图像的均匀度。

如图2所示，在发射线圈两个单元之间放置一个直径为150mm球的模体，模体溶液是由化学试剂和蒸馏水通过一定比例配制而成，溶液的导电率基本模拟人体制作而成。由于发射场的不均匀基本出现在成像空间的边缘，在模体边缘的上，下，左，右，前和后以及中心共7个点，测量各点的场强值，再通过场强值得到平均值，方差和均匀性。其中，均匀性的计算公式为：（样本最大值-样本最小值）/平均值。见表1。

图2.测量场强值的坐标点分布图

4.小结

表2是图1中6个位置都有电容时，场强分布情况。通过对比平均值，方差和均匀性三个参数的结果，新发射线圈性能没有下降。同时，新线圈节省了电容成本（由以前的6个，变成现在的2个），同时也节省了磁体的空间（9mm），如果磁体开口不变的情况下，减小发射线圈的厚度，就意味着用更少的磁性材料，可达到相同的磁场强度，从而降低很多的成本。即此发明对降低整个磁共振系统成本有实际意义。

表1.2个电容时仿真结果

表2.6个电容时仿真结果