超导线圈研究

第 29卷 第 4期 2007年 11月 低 温 物 理 学 报 CHINESE JOURNAL OF LOW TEMPERATURE PHYSICS Vo1．29，No．4 November 2oo7 高温超导磁共振成像射频接收线圈的研究水 何砚发 王轶楠 吴春俐 孙 晶 白质明 王金星 东北大学理学院物理系，沈阳 110004 为了提高低场磁共振成像系统的信噪比，提出了具有失谐电路的Bi2223带高温超导射频接收线圈．该线圈采 用了电耦合方式传输超导谐振回路的磁共振信号，这种方式有利于进一步制成正交结构或相阵结构的超导接收线 圈。为了防止趋肤效应降低超导接收线圈的性能，采用化学腐蚀的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 先将超导带的包套去掉，然后再制成超导主 谐振电感．采用一种双探测线圈法对高温超导接收线圈和相同结构的常规铜线圈的Q值进行了测量，结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明超 导接收线圈比常规铜线圈的 Q值约高一倍． 关键词：高温超导体 ，磁共振成像，射频接收线圈 PACC：7470，8170L，8760 1引 言 磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI) 是现代医学影像领域中最先进的诊断方法之一，已 被广泛应用于临床医学．MRI系统中使用射频接收 线圈接收磁共振信号，然后对接收的信号进行放大、 采集和变换处理产生图像，由于接收线圈是输入通 道的第一级，其性能的好坏直接影响图像质量，因此 提高接收线圈的信噪比始终是磁共振成像研究所追 求的主要 目标之一． 对于低场 MRI系统，信噪比的提高主要受限于 接收线圈本身的品质因数．通过降低接收线圈中谐 振回路的等效串联电阻，能够提高其品质因数，进而 提高磁共振系统的整体信噪比．超导 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 具有与普 通金属截然不同的电磁特性，当处于超导态时，其直 流电阻为零，交流下虽然有交流损耗，但在低频下与 常规金属导体相比其损耗电阻还是很小的．如果低 场强 MRI系统中的射频接收线圈采用超导材料制 作，其品质因数可明显提高，从而改善 MRI系统信 噪比和图像质量． 目前国外已有对高温超导磁共振射频接收线圈 的研究 ¨J，但大多数项 目的超导线圈 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 不能满 足商用 MRI系统对安全性的基本要求．本文设计并 制作了具有失谐电路的 Bi2223高温超导磁共振射 国家自然科学基金(项 目编号：50577003)资助的课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 收稿日期 ：2007-06-12；修回日期：2007-08．16 频接收线圈，可以保证磁共振接收设备及被检测人 体部位的安全．同时使用了电耦合的方式传输信号， 使得本论文中制作的高温超导接收线圈更适于制成 正交结构或相阵结构的高性能线圈． 2磁共振成像接收线圈工作原理 对于中低场强(0．2—0．7 T)的 MRI系统，其对 应的氢原子核共振频率介于 8 MHz到 30 MHz之 间，接收线圈都是以集总参数元件组成的谐振回路 为基础构成的．图 1是一种接收线圈的原理图．该接 收线圈由谐振回路、阻抗转换、平衡／非平衡转换、传 输线和失谐电路构成． 电容 Cl、C2、C3、C4与电感 Ll、L2、IJ3、L4构成 主谐振回路．其中，电感由环绕人体的铜带构成，通 过建立与人体较强的磁耦合，吸收人体释放的磁共 振信号能量．为了分散电场分布，降低局部电场强 度，用高 Q值的电容 Cl～C4均匀的将电感分成四 段，即 Ll～L4．主谐振回路的谐振频率 0．9。为其适用 系统的氢原子核进动频率．电容 C5与 C4构成了倒 L形阻抗转换网络，使具有几千欧姆并联等效电阻 的接收线圈与磁共振系统的50欧姆射频接收链路 匹配．电感 L6和电容 C6组成平衡非平衡转换器， 其输出接 50欧姆 同轴传输线．失谐 电路由二极管 Dl、D2、电感 L5和电容 C2构成，用于保证磁共振接 维普资讯 http://www.cqvip.com 292 低 温 物 理 学 报 第29卷 收设备及被检测人体部位的安全，这是 MRI系统安 全性要求所必需的部分．电感 L5与 C2满足在共振 频率 谐振的条件．当磁共振系统工作在发射模式 下时，接收线圈感应部分射频能量，使二极管Dl和 D2导通，电感 L5和电容 C2将形成并联谐振关系， 在共振频率 。下，该回路的等效电阻很高，相当于 将接收线圈的谐振回路在此处断开，从而起到了保 护人体和接收通道设备的作用．当磁共振系统工作 在接收模式下时，接收线圈感应到人体释放的磁共 振信号，由于信号极弱，二极管Dl和D2截止，电感 L5未被接人线圈，谐振回路感应到的射频电磁波能 量全部经阻抗转换网络、平衡／非平衡转换器及信号 传输线输人磁共振信号接收机． 理论分析表明，接收线圈的信噪比 Q÷=( ) ㈩ 想提高接收线圈的信噪比，就要提高谐振回路 品质因数 p．针对特定的磁共振系统所进行的某种 接收线圈的设计，共振频率 谐振电容 C和谐振 电感 基本固定，提高谐振回路品质因数 Q主要是 降低谐振回路等效串联电阻 ．对于0．5T以下的 低场磁共振系统，由于系统共振频率较低，人体耦合 等效串联电阻 i。 在等效串联电阻 中所占比 例不高．高品质电容的使用使得电容等效串联电阻 。 。 在等效串联电阻 中所占比例也很低，Q值 主要受电感等效串联电阻尺 。 制约． 。 由电 感导体本身电阻和漏磁导致的等效电阻构成．由于 接收线圈的开放程度不高，漏磁很小，由漏磁导致的 等效电阻不大．因此降低电感导体本身电阻是提高 接收线圈品质因数 Q的关键．因为超导体的直流电 组为零，交流下虽然有交流损耗，但与常规金属导体 比其损耗电阻还是很小的，因此使用超导材料制作 磁共振接收线圈中谐振回路的电感可以提高回路的 品质因数，从而提高磁共振接收线圈的信噪比． L C 图2 谐振回路等效电路 3磁共振成像接收线圈的信噪比 图 l中的主谐振回路可简化为图 2的形式．图 中电阻 由电容等效串联电阻 。 。 、电感等效 串联电阻 和人体耦合等效串联电阻 i。 组成． Rs =RI d l0r+ c 。 。it。 + Patient (1) 该谐振回路的品质因数 Q： (2) 制作 4．1 高温超导接收线圈设计 磁共振接收线圈的设计多种多样，但在低场系 统中最常用的还是以单匝或多匝螺线管为基础的变 形结构．根据磁共振接收线圈原理，设计了高温超导 接收线圈，其结构如图3所示．主谐振回路电感采用 Bi2223超导带材绕制，用两个高 Q值的谐振电容 C 、C 将谐振电感均分成两段，从而构成主谐振回 路．为了保证磁共振接收设备及被检测人体部位的 安全，使高温超导线圈能满足 MRI系统的安全性要 求，采用了失谐回路(图3左侧)；为了将主谐振回 路的磁共振信号传输到磁共振系统接收机，超导线 圈设计中采用了电耦合方式，即图3右侧中的匹配 与平衡／非平衡转换电路，它在实现阻抗变换的同时 也实现了平衡／非平衡转换，与磁耦合相比，这种结 构更适于制作正交结构和多通道的相阵接收线圈． 其工作原理如下： 当电容 C1=C2、电感 L1=L2时，该回路构成一 个窄带的平衡／非平衡转换电路，其中心频率为 1 (4) 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 何砚发等：高温超导磁共振成像射频接收线圈的研究 293 通过该电路将平衡输出的谐振回路连接到单端 输入的系统接口．同时，从信号传输的角度上看，该 电路相当于一段由集总参数元件构成的四分之一波 长传输线，其自身阻抗特性为 通过它可实现阻抗变换 爱 (5) (6) 是输入阻抗 ， 为输出阻抗，通过适当选择 L1和 c1就可以实现谐振回路到系统的匹配． 图3 超导接收线圈结构图 4．2 高温超导接收线圈中材料的选择 谐振回路电感使用 AgMgNi合金包套的 37芯 Bi2223高温超导带材，银超比为 2：1，宽度和厚度 分别为 4．O0 mm、0．20 mm，临界电流 50 A．为了防 止趋肤效应降低超导接收线圈的性能，采用化学腐 蚀的方法将超导带的包套去掉，仅留端头 5 mm以 供焊接之用．两个谐振电容 C 。、C陀使用美国技术陶 瓷公司(ATC)生产的ATCIOOC系列电容．失谐电路 和匹配电路中的电感采用直径 0．21 mm的漆包线 在 PVC骨架上绕制 而成，电容选用 ATC生产的 ATCIOOB系列 电容．失谐 电路 中的二极 管采 用 PHILIPS公司生产的BAS216高速开关二极管，其封 装为 SOD110高性能陶瓷封装，能经受剧烈的热冲 击．接收线圈的线圈骨架使用外径 170 mm、壁厚 1． 6 mm、长35 mm的玻璃加强环氧树脂管，其热涨系 数与超导带较接近．低温容器使用发泡苯板制作，其 介电损耗很小． 4．3 高温超导接收线圈制作 4．3．1 谐振回路制作 将经过化学腐蚀去除包套的 Bi2223超导带固 定到线圈骨架上，再焊接谐振电容．超导接收线圈的 谐振频率设计为9．8 MHz，可工作在0．23 T的磁共 振成像系统中．采用 Agilent 4395A型网络分析仪和 8751 1A／B型 s参数测试台测试谐振回路的谐振频 率(测试原理参见 1．4)，更换不同电容值的电容，使 谐振峰出现在 9．8 MHz． 4．3．2 失谐 回路制作 失谐回路直接装在谐振 回路的谐振电容 C 上．调试时先断开 C 两端与超导谐振电感的连接， 并将两个二极管短路，采用 Agilent 4395A型网络分 析仪和8751 1A／B型s参数测试台测试失谐回路的 谐振频率，调整失谐电感的匝数，使谐振峰出现在 9．8 MHz之后，去掉短路线并重新将C 两端与超导 谐振电感连接起来． 4．3．3 匹配电路制作 匹配电路装配在一小张 PCB板上．由于电容为 固定值电容，因此要通过调整电感值使其满足在系 统中心频率9．8MHz的谐振条件．超导主谐振回路 的输出阻抗可按公式(7)计算 R= Q (7) JJ ，n u 根据超导谐振回路的输出阻抗，确定匹配电路， 用两根短铜线直接将匹配电路的平衡端连接在谐振 回路上的谐振电容 c 两端． 共制作了三个超导接收线圈，其谐振电感分别 为 1匝、2匝和 3匝，为了进行对比研究，同时制作 了三个尺寸完全相同的铜接收线圈．图 4为谐振电 感为 3匝的超导接收线圈． 端 图4 超导接收线圈照片 图5 接收线圈 Q值测量装置 口2 维普资讯 http://www.cqvip.com 294 低 温 物 理 学 报 第 29卷 5高温超导接收线圈的Q值实验研究 5．1 Q值的测量方法 因为信噪比S／NOC．Q ，回路的品质因数 Q直 接与信噪比相关．对于图2中所示的电路，由于等效 串联电阻的存在，谐振回路将不是谐振于单纯的频 率0．1。下，而是以0．1。为中心的一个频段内，该电路的 品质因数可表示为 Q=0．1。／(0．1。)，△∞。为谐振带宽， 测量谐振回路的中心谐振频率和带宽可计算出该回 路的品质因数 Q． 本文使用一种双探测线圈法测试超导接收线圈 谐振回路品质因数(如图5)．用两个同样的探测线 圈分别放置在主谐振回路的两侧，使得两探测线圈 间的耦合尽可能小．探测线圈 1发射的部分电磁波 量．这样，两探测线圈就通过待测谐振回路传递能 量．因此，两探测线圈间的传输损耗(s )曲线就与 待测谐振回路的谐振峰形一致．通过测量两探测线 圈间的传输损耗(s )曲线的带宽和中心频率就可 计算出待测谐振回路的品质因数． 实验中使用 Agilent 4395A型网络分析仪和 8751 1A／B型 S参数测试台作为测试谐振回路 Q值 的设备，两探测线圈接到 Agilent 87511A／B的端口 1和端口2．Agilent 87511A／B将4395A中信号源的 输出分配给 4395A的参考端和自己的端 口 1．对 AgJlent 4395A进行正确设置，可得到传输损耗(S ) 曲线，在曲线上可求得Q值或利用Agilent 4395A自 动完成测试曲线的品质因数计算． 5．2 接收线圈Q值测试结果与分析 在 300 K和 77 K以及磁体内(0．23 T)和磁体 被谐振回路通过磁耦合吸收，同时，探测线圈2也通 外(0 T)分别测试了自制的六种接收线圈的品质因 过磁耦合吸收了部分储存在谐振回路中的电磁能 数，数据列于表 1． 表 1 线圈品质因数对比 从表 1可以看到： (1)所有线圈 77K下的 Q值均高于300K时的 Q值． (2)77K下，1匝和2匝的超导接收线圈与常规 铜线圈比，Q值变化不明显，而 3匝超导接收线圈的 Q值提高显著，接近铜线圈的两倍． (3)线圈放人磁体中心时，线圈 Q值降低． 因为77K时铜和超导线圈电阻都降低，因此 Q 值会提高，结果(1)很容易理解．单匝超导接受线圈 的Q值没有没有明显增加，这是由于匹配电路、失 谐电路等附加电路的引入所导致的．在测量接收线 圈 Q值之前 ，对单匝超导谐振 回路和铜谐振回路 (均没有匹配电路和失谐电路等附加电路)在 77K 下的Q值进行了测量 ，结果分别为 526和293，超导 谐振回路具有较高的 Q值．但引入附加电路构成接 收线圈后，增加了整个接收线圈的等效串联电阻，虽 然这导致的附加阻抗很小，但对于Q值很高的超导 谐振回路影响还是很明显的．随着谐振回路匝数的 增加，3匝超导接收线圈的Q值逐步恢复到单匝超 导谐振回路的水平．这是由于匝数增加后，附加电路 引入的损耗却没有变化．于是随着谐振回路匝数的 增加，接收线圈的 Q值受附加电路引入的损耗影响 程度越来越小，并最终限制于超导谐振电感本身的 品质因数．接收线圈放人磁体内，磁体、梯度线圈、射 频发射线圈(失谐状态)等设备中的导体将与线圈 发生耦合现象，从而增加接收线圈的等效串联阻抗， 降低线圈 Q值． 从测试数据来看 ，3匝的接收线圈比较准确的 反映了超导谐振电感等效串联电阻对接收线圈 Q 值的影响，Q值高于普通铜接收线圈说明它具有较 高的信噪比，适合进行进一步的成像实验． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 何砚发等 ：高温超导磁共振成像射频接收线圈的研究 295 6结 论 为了提高低场磁共振成像系统的信噪比，本提 出了具有失谐 电路和 电耦 合方式传输 信号 的 Bi2223带高温超导射频接收线圈．失谐电路可以保 证磁共振接收设备及被检测人体部位的安全，电耦 合方式有利于进一步制成正交结构或相阵结构的高 性能超导接收线圈．采用除去包套的 Bi2223超导带 材绕制了磁共振接收线圈的谐振电感，选择适用于 77K下工作的相关材料和器件制作了失谐回路和匹 配与平衡／非平衡转换电路，从而实现了可工作在 0．23T磁共振成像系统中的 Bi2223高温超导磁共 振接收线圈．Q值实验表明，高温超导磁共振接收线 圈的Q值可达常规铜线圈的2倍，可以用于进一步 的成像研究． [1] vail Heteren JG，James TW，Bourne LC．，Magn．Reson．Med．， 32(1994)，396． [2] Q．Y．Ma，K．C．Chan，Daniel F．Kacher，Emhen Gao，Mei Sim Chow，Kelvin K．Wong，Aca．Radiology，10(2003)，978． [3] M．C．Chen，B．P．Tan，K．H．Lee，Q．Y．Ma，E．S．Yang， Supercond．Sci．Techno1．，l8(2005)，1100． [4] Hsu—Lei Lee， Tape and Thin—Film High—Temperature Superconducting RF Coils for 3T MRI，Taiwan Univesity(2004)． [5] 潘 俊，YBCO核磁共振探测线圈的设计与制备 ，南京大学 (2ooo)． [6] G．gl'aS$O，A．Malagoli，N．Scati，P．Guasconi，S．Roncallo， A．S．Sift，Supercond．Sci．Techno1．，13(2000)，L15． TAPE HIGH．TEM PERATURE SUPERCoNDUCTING RF CoILS FoR M 砒 He Yan·-fa Wang Yi-·nan Sun Jing Bai ZHi·-ming Wang Jin-·xing Physics Department，School ofScience，Northeastern University，Shenyang 110004 (Received 12 June，2007；revised manuscript received 16 August) In order to improve the signal noise ratio(SNR)of low field MRI system，A Bi2223 tape High— Temperature Superconducting RF receiving Coil with detuning circuit has been designed．An electrical coupling mode is used in the coil design and this makes it very suitable for quadrature coil and phase array coil．To prevent degradation by the skin effect，the Ag sheath of Bi2223 tape was firstly removed by using a chemical method． an d then the processed tape was wind on a frame to make the final superconducting resonance inductor．A double coil probe method is used to measure the quality factor (Q)of the RF Coils．Results show that the quality factor of HTS RF coils is 2 times that of copper coil with the same strueture． Key words：High temperature superconductor，Magn etic resonance imaging， RF receiving coil PACC： 7470，8170L，8760 Project supported by the National Science Foundation of China(Grant No．50577003) 维普资讯 http://www.cqvip.com