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技术研究
可穿戴式磁共振设备头部柔性和弹性线圈设计及验证
张双 李贵豪 吴林

Cite this article as: Zhang S, Li GH, Wu L. Design and verification of flexible and elastic coil for the head of wearable MRI device[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(2): 62-68.本文引用格式:张双, 李贵豪, 吴林. 可穿戴式磁共振设备头部柔性和弹性线圈设计及验证[J]. 磁共振成像, 2022, 13(2): 62-68. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.02.013.


[摘要] 目的 为了减少高场磁共振成像中因患者身体几何尺寸的差异而引起的扫描部位与线圈尺寸的匹配程度对信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)的影响。材料与方法 选用成人头部为研究对象,采用共边正六边形填充线圈表面的方式制作柔性头线圈。在验证自制线圈与商用线圈的性能时,分别用水膜和真实人体头部开展对比实验。结果 水膜实验证明:随着成像深度的增加,自制线圈SNR呈递减趋势,SNR最大时表层是深层的3倍;对比商用8通道头线圈,从组织表层到水膜46 mm深度的深层,自制线圈SNR相较商用线圈提升了0~2倍;但随着深度进一步增加,SNR在逐渐降低,相较46 mm深度处,更深处SNR大约降低15%。对人体头部冠状面结构扫描发现:人体头部冠状面结构SNR值,表层位置SNR值最大,中心部位SNR值最小,组织从表层到深层图像SNR逐步递减。同时,线圈铺设不完全,会造成成像结果有一定的恶化。通过测试得出自制线圈是可行且稳定的。结论 本研究充分证明了柔性材料和弹性材料相结合的方式能够适应成人头部变化带来的几何形变,使线圈内部获得最大的填充系数。同时线圈的不完全铺设引起的成像质量恶化也是存在的,并且该恶化无法通过高填充系数弥补,临床应用是不可忽视的。
[Abstract] Objective To reduce the influence of the matching degree between the scanning site and the coil size on signal-to-noise ratio (SNR) in high field magnetic resonance imaging due to the difference of patients' body geometry.Materials and Methods To achieve better matching of scanning position and coil, one adult head was selected as the research object, and the flexible coil for the head was made by filling the surface of the coil with common-side regular hexagon. To verify the performance of the self-made coil and the commercial coil, comparative experiments were carried out with water film and true human head respectively.Results The water film experiment proved that with the increase of imaging depth, the SNR of the self-made coil showed a decline trend. The maximum SNR was of the surface layer which was 3 times that of the deep layer; compared with the commercial 8-channel head coil, from the tissue surface to the deep layer (46 mm) of the water film, the SNR of the self-made coil increased by 0-2 times. Compared with the SNR at the 46 mm depth, the SNR at a deeper point was reduced by about 15%. Scanning the coronal surface structure of the human head showed that the SNR value of the coronal surface structure of the human head had the largest SNR value at the surface position and the smallest SNR value at the center. From the surface layer to the deep layer, the SNR of the image gradually decreased. At the same time, due to incomplete coil laying, the imaging results would be worsened to a certain extent. The tests showed that the self-made coil was feasible and stable.Conclusions It fully proves that the combination of flexible material and elastic material can adapt to the geometric deformation caused by the adult's head change, so as to obtain the maximum filling coefficient inside the coil. At the same time, the imaging quality worsening caused by the incomplete laying of the coil also exists, which cannot be compensated by a high filling coefficient, so in the clinical application it cannot be ignored.
[关键词] 穿戴式;共边正六边形;头部线圈;柔性;磁共振成像
[Keywords] wearable;common-side regular hexagon;head coil;flexibility;magnetic resonance imaging

张双 1, 2, 3*   李贵豪 2, 3, 4   吴林 2, 3  

1 内江师范学院人工智能学院,内江 641112

2 电子科技大学生命科学与技术学院,成都 611731

3 电子科技大学高场磁共振脑成像四川省重点实验室,成都 611731

4 新乡医学院第一附属医院放射治疗中心,新乡 453100

张双,E-mail:zhangshuanghua1@126.com

作者利益冲突声明:全部作者均声明无利益冲突。


基金项目: 国家自然科学基金 U19A2082 四川省科技计划项目 2019YJ0181,22MZGC0086 中国博士后科学基金面上项目 2020M683294 成都医学院四川应用心理学研究中心资助项目 CSXL-21103 内江师范学院科研团队项目 17TD03,2021TD02
收稿日期:2021-09-01
接受日期:2022-01-24
中图分类号:R445.2 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.02.013
本文引用格式:张双, 李贵豪, 吴林. 可穿戴式磁共振设备头部柔性和弹性线圈设计及验证[J]. 磁共振成像, 2022, 13(2): 62-68. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.02.013

       磁共振成像技术[1]是现代医学诊断中非常重要的临床诊断手段之一。由于该系统使用线圈发射电磁信号,在线圈内部形成均匀度极高的磁场,当成像体体内的氢质子在吸收射频线圈产生的能量跃迁后,检测回到平衡态过程释放的能量;产生的能量级跃迁表现为微弱的电压信号形式,最后被接收线圈接收与处理,形成一种灰度医学影像的医学成像技术。由于该技术具有无创性、无辐射性以及成像截面灵活等特点,成为现代医学诊断,特别是神经医学、软组织损伤相关医学诊断的重要手段。磁共振系统中,射频发送/接收线圈是该系统中必不可少的组成部分,通过它能够向机体发送电磁波信号;并且还能接收到来自机体组织释放出来的能量,从而形成医学影像,因此线圈的性能将直接影响磁共振系统的性能[2, 3, 4, 5, 6, 7]

       随着集成电路和电子元器件的发展,相控阵线圈概念[2]也逐步在磁共振系统中广泛应用。该线圈将来自线圈的各个单一元器件的信号进行合理地组合,形成信号接收阵列,使用这种方法可以让多个小表面射频线圈在更广视野范围内的图像信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)更高,采集到的图像质量也就更佳。在成像系统中,为了提高设备的成像效率,提升可实现的最大加速因子,通常需要增加接收阵列的线圈数目[6],线圈通道数越多,成像效果越好,因此现代磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)系统中,随着电子技术的迅速发展,以及电路板制成工艺的逐步成熟,通道数量也在进一步增加。2006年,Wiggins等[7]将接收头线圈通道数增加到32,相较8通道接收头线圈,其皮层和中心位置的SNR提升了3.5倍和1.4倍。2012年,Keil等[8]在Wiggins之后更是将通道数增加到64,相比32通道接收头线圈,其皮层SNR增加了1.3倍,中心位置SNR与32通道线圈相似,线圈在加速性能上又进一步获得提升,四倍加速下皮层和中心SNR分别是32通道线圈的1.4倍和1.2倍。为了确定高密度多线圈MRI接收机阵列能否在实践中实现高加速并行成像,Hardy课题组[9]甚至已经把通道数增加到128,但通道数目继续增加也意味着单圈尺寸的减少和线圈阻抗的增加,而且更多的通道意味着大量的电子器件将布局在线圈固定电子元器件的区域(单个圆环很小,而单圈所有元器件又必须固定在线圈上),在性能增加的同时也使得线圈更加笨重,使其轻便性和舒适性变差。

       在商用多通道相控阵线圈中,线圈都具有固定的机械结构,这对于不同的患者,由于身体几何尺寸的差异,使用相同的线圈将会有不同的填充系数[10, 11, 12, 13, 14],并且线圈填充系数增加对SNR的提升贡献巨大。紧凑型线圈的设计能够实现最大化的填充系数S/N≈QL*η (η为线圈的填充系数)[9]。然而对于传统线圈来说,为了在系统中让线圈填充系数达到最大,就需要针对不同的患者、不同的形体大小、检测部位的个体特性定制不同型号、大小、类型的线圈,以满足高质量成像要求,如此不但会增加患者的时间成本与经济成本,更重要的是很难实现商业上的普适性。设备的应用将极大地受限。而柔性线圈设计为解决相同线圈作用在不同患者时候获得最大填充系数提供了新思路,柔性[15]和弹性[16, 17]概念用在线圈制作上,针对不同的患者,均能够实现线圈与组织的最佳贴合,从而获得最大线圈填充系数并获得良好SNR图像。

       本文以成年人头部为研究对象,充分发挥柔性和弹性线圈对较小变化颅脑具有极佳贴合性这一特点,采用共边正六边形填充线圈“机械”表面设计头部线圈,在线圈制作过程中,为了使线圈中电路元器件更加集中,减小元器件所占空间,器件组装设计时,提出使用主被动一体失谐电路的方式来实现器件集中。为了测试线圈的性能,设计了与8通道商用头接收线圈的水膜实验与临床试验。

1 穿戴式头接收线圈设计

1.1 线圈布局

       在精准神经调控系统中,高质量的脑成像技术将直接影响调控的精准性。为了研制一个具有普适性,同时还能兼顾个体差异的高质量人体头部线圈,以成年人头部为研究对象,根据《人体解剖学数值》和人口普查数据,我们发现,成年人头部几何个体差异十分小,根据人体头部数据的几何特性(长、宽、高)计算,成年人头部尺寸大小变化范围为14%。根据这一数据,在线圈制作过程中,将线圈的几何形态结构定义为一个棱和边均为圆弧的长方体(图1),同时分别设置线圈的长为187 mm、宽为150 mm,高为220 mm,构建柔性和弹性线圈。

       在线圈表面填充过程中,选用共边正六边形线圈来完成(图1)。线圈设计的工作系统为GE 3.0 T磁共振系统(Discovery MR750 3.0 T),为了保证后期对线圈调谐部分调试的方便,将依据成像深度与单圈尺寸、人体头部简化模型、头盔形状硬壳机械三个方面来进行确定。通过成像深度与单圈尺寸的计算关系(最佳SNR回路深度优化半径r0=ξ/5,ξ为成像深度)发现[18],在高场磁共振成像中,当头部线圈的线圈单圈半径为4.0~4.3 mm时成像效果最佳。由于人体头部可以近似看成为一个长方体,结合共边正六边形填充理论,可以计算出此时线圈半径为4.1~4.4 mm[2,7,19, 20]。在32通道自制头线圈的“头盔”形状硬壳机械设计过程中,所需要接收线圈半径大小组合为4.25 mm (26个)+3 mm (6个)。结合三方面的计算,得出本系统中4.2 mm为设计线圈半径(实际测试过程中,可以根据场景进行微调)。

       在线圈谐振频率设定过程中,将串联谐振频率与并联谐振回路谐振频率设置为相同值127.8 MHz±100 KHz,为了满足线圈工作环境(3.0 T),该系统在工作时定义127.8 MHz为系统中心频率,根据波长与频率的关系,可以得出该频率下波长为2.4 m;同时针对单圈半径为4.2 mm的线圈,至少串联3颗谐振电容来避免线圈中等效电感太长出现的天线效应(在63.5 MHz和127.8 MHz频率下,线圈中等效电感长度不超过该频率下波长的120);使用单一通道链路(图2)主被动失谐电路板(图3) [电容:Dalicap_DLC10B,线圈导体:铜皮(0.1 mm厚、4 mm宽),弹性材料:24AWG1007铜芯]。在3.0 T磁共振中心频率下,主被动失谐回路S21均控制在-30 dB范围内来保证失谐电路在系统发射状态下具有稳定良好的工作性能;同时回路调谐中心频率控制在±200 KHz范围内,S11保持小于-18 dB,回路匹配良好,且调试时,保持中心频率和Mark点均为127.8 MHz,从而来保证线圈接收信号以及信号的高效率传输。

图1  绘制线圈布局轨迹。
图2  单通道链路电路原理图。
图3  主被动一体电路。
图4  头接收线圈结构图。
图5  头接收线圈系统线巴伦。
Fig. 1  Coil Layout track Plot.
Fig. 2  Schematic circuit diagram of single channel link.
Fig. 3  Active and passive integrated circuit.
Fig. 4  Structure diagram of head receiving coil.
Fig. 5  System wire balun of head receiving coil.

1.2 线圈调试

       在线圈的空间关系与几何位置确定以后,对于线圈内的各种功能性电子元器件,需要逐个调试。根据实际测试顺序,从设计线圈头颈连接的线圈机械底部开始对每个通道进行调试,调试过程中,为了保证自制线圈在后期调谐过程中调谐的准确性,调试时,先将第一个线圈的单圈谐振频率调节为3.0 T磁共振的中心频率,同时为了实现后期调试中能够对串联谐振的微调,设定调试中心频率控制在±200 KHz范围内,将调谐电容与可调电容(Voltronics JZ150)进行有效的并联(调谐电容可以有效减小非相邻线圈耦合,并连的可调电容则可以方便精确调试),使用该频率作为系统调谐频率开展测试。同时还需保证S11小于-18 dB,回路匹配良好。为了更加全面掌握线圈整体性能,按照以上流程,扩展到第二个线圈及其他线圈的调试,主要调试线圈除前放解耦、匹配和调谐三个参数以外的其他参数。调试中,对相邻通道进行解耦调试时,使用重叠面积解耦的方式来逐个调试。如果头线圈为平面,那么各圆环按照理论设计的几何尺寸,各项参数基本固定;如果线圈为立体,圆环之间的耦合就会发生变化,为了保证测试系统的效果,圆环就需要微调,重叠面积也会发生变化,对应的参数也会有较小变化。调试时,隔离度要求小于-15 dB;在实际解耦过程中,会出现少数几个相邻通道隔离度大于-15 dB,这是由于复杂的机械结构和通道数目过多所造成,因此在后期设计过程中需要综合考虑这两个因素。在整个调试中,通过调节相应可调电容,让中心频率调节至耦合波形波谷,从而来实现对低阻抗前置放大器的解耦调试。

       在器件安置布局过程中,在对应通道线圈附近的机械上固定其对应的低阻抗前置放大器,以此来解决放大器到线圈同轴线过长引起的额外干扰和信号路径损耗。从测试结果发现,由于每个线圈环大小可能完全一样,但是反射系数又存在较小差异,且单通道线圈存在一定的差异匹配电容(50~70 pF),在设计时需要将端口阻抗调至50 Ω,S11控制在-18 dB以内以此来保证Smith原图中的中心频率在±1 MHz内无干扰。为了保证相邻通道间的耦合小于-15 dB,需要使用重叠面积解耦来实现,线圈32个通道前置放大器解耦过程中,为了实现不相邻通道之间的解耦调试,将15 pF电容与3~15 pF的可调电容(Voltronics JZ150)并联在一起(涉及商业核心,部分展示作了模糊处理),并将前置放大器解耦波形调至耦合波波谷,完成线圈调试。完成调试布局后的实物布局如图4所示。

       在系统链接过程中,两根16通道的系统线分两部分将所有线圈集成起来形成链路,连接过程中,系统线上增加了两个“筒式”巴伦来抑制传输线引起的共模干扰,如图5所示。各个放大器输出端与所对应的系统信号线和直流供电线连接,测试时调谐频率为127.8 MHz。

       为了测试线圈各个通道增益失谐情况,对线圈进行了台架综合测试。详细测试方案如下:定义一个通道为测试通道,测试该通道增益和通道间隔离度,另外31个通道为失谐通道,给失谐通道供10 V、20 mA直流电让其失谐。通过测试数据分析得出:各个通道的较小增益差异会受单圈尺寸的影响(表1)。

表1  各通道匹配与增益(dB)
Tab. 1  Matching degree and gain of each channel (dB)

2 自制头线圈成像测试与结果分析

       为了验证线圈成像性能,以美国GE公司的3.0 T磁共振成像系统(Discovery MR750 3.0 T)为测试平台,结合本文设计的头线圈开展水膜和人体头部扫描成像测试,并分析系统成像效果。

2.1 水膜成像测试

       制作一个直径为185 mm球形水膜[成分:水92%,NaCl 5%,NiSO4·6(H2O) 3%]开展水膜测试实验。为了防止水膜在测试线圈中晃动,需要对其双面固定,且放置在线圈在中央,使用GRE测试序列,TR=200 ms,TE=3.9 ms,Flip angle=30°,Thickness=3 mm,结果如图6所示。

       为了便于观察,将灰度图像转化为SNR图,如图7所示。

       从图6和图7我们可以发现,线圈在水膜成像中,成像效果比较对称,浅层比深层的SNR要高。由此可以得出本文所研发的头线圈性能稳定,成像效果表现良好。

图6  头接收线圈水膜灰度成像。6A为横断面图像;6B为冠状面图像。
图7  头接收线圈水膜SNR图像。7A为横断面图像;7B为冠状面图像。
图8  8通道头线圈水膜灰度成像。8A为横断面图像;8B为冠状面图像。
图9  8通道头线圈水膜SNR图像。9A为横断面图像;9B为冠状面图像。
Fig. 6  Water film-based gray scale imaging of head receiving coil. 6A is a cross sectional image; 6B is coronal section image.
Fig. 7  Water film-based SNR image of head receiving coil. 7A is a cross sectional image; 7B is coronal section image.
Fig. 8  Water film-based gray scale imaging of 8-channel head coil. 8A is a cross sectional image; 8B is coronal section image.
Fig. 9  Water film-based SNR image of 8-channel head coil. 9A is a cross sectional image; 9B is coronal section image.

2.2 与商用线圈成像性能对比分析

       为了验证本设计线圈的性能,结合成熟的针对头部成像的商用(8通道)线圈[21],使用上述实验过程中相同的扫描参数进行扫描,得出结果如图8和图9所示。

       为了让成像效果更加直观,通过图像转化,将采集到的灰度图像转化为SNR图像。在对比过程中,为了保证对比的合理性,在数据选取过程中,以两种线圈成像的偶数层作为对比样本,以同一层、同一水平位置像素点的SNR为数据依据,比较其SNR值的大小(图10)。图中红色曲线表示本文设计线圈SNR值变化,蓝色表示商用线圈SNR值变化。从图中可以看出:均匀度上,商用线圈表层和深层值分布比较均匀,每层值均在150~220之间,波动范围较小;而本设计线圈表层比深层的SNR明显要高,跨度范围150~400之间,每层表层几乎都是深层的2倍。造成这一现象原因是:商用线圈在设计中,单圈尺寸设计较大,水膜能够被线圈完全包围;而本文的自制线圈由于具有柔性和弹性,设计尺寸相对较小,且能够很好地水膜贴合,但由于线圈尺寸较小,部分区域没有设计线圈布局,当成像深度逐步增加时,线圈的SNR也在减小。当成像深度在46 mm以内时,SNR值增加了0~2倍,当深度进一步增加时,自制项圈比商用线圈SNR幅度降低了约15%。

       通过上述结果分析可以发现,为了获得更高的图像SNR,可以通过增加线圈通道数、提高线圈填充系数来实现。本文结果中,虽然由于部分区域没有布局线圈、较小的通道尺寸等因素造成中心SNR值比商用线圈略低(约15%),但是表层比深层(中心点) SNR高出了0~3倍。充分说明本系统是可行的。

       由于人体头部组织结构复杂、且组织分布也极其不均匀、为了更加充分论证线圈在临床方面的表现。接下来在电子科技大学生命科学与技术学院通过公开发布招募志愿者公告的方式招募志愿者开展临床试验,该研究通过了电子科技大学生命科学与技术学院伦理审查委员会审查(审查号:1420200407-8)。在志愿者选取过程中,其纳入标准为:年龄20~45岁,体内没有植入物,同时志愿者没有精神类相关疾病。同时还需要充分考虑志愿者头部存在的差异,且差异范围满足线圈延展范围。经过筛选,最终13名志愿者(其中男7名,年龄最小22岁,最大42岁,平均32.5岁;女6名,年龄最小20岁,最大43岁,平均33岁;差异无统计学意义)入组参加试验。随机选取三名被试开展本试验。

图10  四分之一处水平和偶数层面中心位置SNR对比。10A为第二层;10B为第四层;10C为第六层;10D为第八层。
图11  人体头部冠状面结构SNR图像及对应位置SNR值。11A为A被试者;11B为B被试者;11C为C被试者。
Fig. 10  SNR comparison between central positions of horizontal and even-numbered slices (at the quarter). 10A: The second layers; 10B: The fourth layers; 10C: The sixth layers; 10D: The eighth layers.
Fig. 11  SNR Image of coronal plane structure of human head and SNR values at corresponding positions. 11A: Subjects A; 11B: Subjects B; 11C: Subjects C.

2.3 临床测试对比分析

       召集志愿者后,首先对志愿者进行健康询问,在确认志愿者体内无植入式设备后,确定志愿者为合格被试。将试验过程、试验方法、中间使用的设备是否对机体有伤害如实给志愿者描述清楚,在志愿者了解清楚后签署知情同意书。经测量,三名被试的头颅大小分别为56、61、59 cm,为了试验的方便以及被试者的个人隐私,在征得同意后将被试按照头围大小定义为A、B和C;与水膜实验一样,试验过程中选用前序所用的商用线圈作为成像对比依据,使用相同的序列(3D SPGR序列:TR=5.6 ms,TE=3.9 ms,Flip angle=12°)、相同摆放体位进行扫描。获取真实头颅两种不同线圈的成像结果。

       定位序列执行完成后,为了扫描框下缘接近枕骨大孔且包括小脑丘部,扫描框整体平行于胼胝体膝部和胼胝体压部的连线,需要在矢状面图像中完成横断面定位。最后对A、B和C三位被试者开展自制线圈与商用线圈的对照扫描实验,获得人体头部冠状面结构灰度图像,经过图像转化获得比较直观的SNR图像,如图11所示。

       从图11可以看出,人体头部冠状面结构SNR值,表层位置SNR值最大,中心部位SNR值最小,组织从表层到深层图像SNR逐步递减。由于在头部线圈机械制作初期,选用B的头部大小作为测试线圈制作的参考,从而出现B被试的人体头部冠状面结构SNR图像不论从表层还是深层来看,和商用线圈来比较,其效果均比A和C要好。3个被试者针对两个线圈的成像对比总体趋势一致,但是通过分析三幅图中红色箭头指示部分,A和C成像都有一定的恶化,出现恶化的原因是线圈铺设不合理所致(四分之一在弹性过渡部分,四分之三在柔性部分),当志愿者个体头颅几何尺寸发生变化(变大或变小)时,自制线圈柔性部分会产生较小的形变,弹性部分会发生一定物理挤压伸缩变化,使自制线圈内部柔性线圈也产生一定的变化,在线圈结构产生变化时,线圈的性能也随之变差。

3 讨论

       患者检测部位的几何差异,会导致磁共振成像系统中填充系数发生变化,从而影响磁共振成像效果。本文以人体头部为研究对象,结合柔性材料和弹性材料特性,制作了高贴合性的磁共振头部线圈。头线圈采用共边正六边形填充线圈表面,并使用主被动一体失谐电路来保证线圈布局紧凑性、此方法还能有效提高电路品质因数,使线圈中电路元器件更加集中。水膜实验证明:随着成像深度增加、自制线圈SNR呈递减趋势,SNR最大时表层是深层的3倍;对比商用8通道头线圈,从组织表层到水膜46 mm深度的深层,自制线圈SNR相较商用线圈而言,提升了0~2倍;但随着深度进一步增加,SNR在逐渐降低,相较46 mm深度处,更深处SNR大约降低15%。对人体头部冠状面结构扫描发现:人体头部冠状面结构SNR值,表层位置SNR值最大,中心部位SNR值最小,组织从表层到深层图像SNR逐步递减。由于在头部线圈机械制作初期,选用B的头部大小作为测试线圈制作的参考,从而出现B被试的人体头部冠状面结构SNR图像不论从表层还是深层来看,和商用线圈来比较,其效果均比A和C要好。3个被试者针对两个线圈的成像对比总体趋势一致,但是通过分析三幅图中色箭头指示部分,A和C成像都有一定的恶化,出现恶化的原因是线圈铺设不合理(四分之一在弹性过渡部分,四分之三在柔性部分),当志愿者个体头颅几何尺寸发生变化(变大或变小)时,柔性部分发生很小程度形变,而弹性部分伴随改变。由此充分证明了柔性材料和弹性材料相结合的方式能够适应成人头部变化带来的几何形变,使线圈内部获得最大的填充系数。同时线圈的不完全铺设引起的成像质量恶化也是存在的,并且该恶化无法通过高填充系数弥补,临床应用是不可忽视的。

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