RU183997U1

RU183997U1 - MAGNETIC RESONANT TOMOGRAPH RADIO FREQUENCY COIL

Info

Publication number: RU183997U1
Application number: RU2017143679U
Authority: RU
Inventors: Алексей Петрович Слобожанюк; Алена Вадимовна Щелокова; Станислав Борисович Глыбовский; Анна Александровна Хуршкайнен; Павел Александрович Белов; Мохамед Реда Бенаоуда Абдеддайм; Энох Стефан; Антон Владимирович Никулин
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2018-10-11

Abstract

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно является антенной - составной частью приемо-передающего тракта магнитно-резонансного доклинического или клинического томографа с уровнем постоянного поля магнита от 0.5 Тесла и выше. Устройство предназначено для передачи радиочастотных импульсов возбуждения ядерного магнитного резонанса спинов и приема радиочастотного сигнала отклика спинов на одной или нескольких частотах в задачах томографии и спектроскопии. Устройство представляет собой многомодовый резонатор на основе периодической структуры из двух рядов металлических проводников, соединенных конструктивными емкостными нагрузками, возбуждаемый при помощи одной или нескольких рамочных антенн, подключенных к приемо-передающему устройству томографа посредством радиочастотных кабелей. Использование распределенных емкостей позволяет повысить соотношение сигнал/шум радиочастотной катушки, кроме того, использование двух ортогональных мод резонатора позволяет упростить процедуру настройки катушки на Ларморовы частоты.

The utility model relates to medical equipment, namely, it is an antenna - an integral part of the transceiver tract of a magnetic resonance preclinical or clinical tomograph with a constant magnetic field level of 0.5 Tesla and above. The device is intended for transmitting radio frequency pulses of excitation of nuclear magnetic resonance of spins and receiving a radio frequency signal of the spin response at one or more frequencies in tomography and spectroscopy problems. The device is a multimode resonator based on a periodic structure of two rows of metal conductors connected by constructive capacitive loads, excited by one or more frame antennas connected to the tomograph sender and receiver via radio frequency cables. The use of distributed capacities makes it possible to increase the signal-to-noise ratio of a radio frequency coil; in addition, the use of two orthogonal resonator modes makes it possible to simplify the procedure for tuning the coil to Larmor frequencies.

Description

1. Область техники1. The technical field

Предлагаемое техническое решение относится к медицинской технике, а именно является приемной и/или передающей антенной (радиочастотной катушкой) - составной частью приемо-передающего тракта магнитно-резонансного томографа. Устройство предназначено для передачи радиочастотных импульсов возбуждения ядерного магнитного резонанса спинов и приема радиочастотного сигнала отклика спинов на одной или нескольких частотах и применимо в задачах томографии и спектроскопии с повышенными требованиями к разрешающей способности и скорости проведения сканирования.The proposed technical solution relates to medical equipment, namely, it is a receiving and / or transmitting antenna (radio frequency coil) - an integral part of the transmitting and receiving tract of a magnetic resonance imager. The device is intended for transmitting radio frequency pulses of excitation of nuclear magnetic resonance of spins and receiving a radio frequency signal of spin response at one or several frequencies and is applicable in tomography and spectroscopy problems with increased requirements for resolution and scanning speed.

2. Уровень техники2. The level of technology

Для повышения соотношения сигнал-шум в изображениях МРТ путем модификации приемных и/или передающих радиочастотных катушек томографа были предложены различные методы.Various methods have been proposed to increase the signal-to-noise ratio in MR images by modifying the receiving and / or transmitting RF coils of the tomograph.

Известна радиочастотная катушка с распределенной емкостью, а также томографическая система на ее основе, где распределенная емкость способствует повышению коэффициента полезного действия за счет снижения локализации электрического поля, а также повышению электрической прочности [Патент США 2013/0335086 А1, 19.12.2013]. В вышеупомянутом устройстве резонатор типа bird-cage (птичья клетка), включающий в себя первое оконечное кольцо с распределенной емкостью, второе оконечное кольцо с распределенной емкостью, а также множественные секции, подключенные между первым и вторым кольцами с распределенной емкостью, в котором по крайней мере одно из колец с распределенной емкостью содержит двухстороннюю подложку, в которой проводники одной группы нанесены на одну сторону, а проводники из другой группы нанесены на другую сторону, и изолятор нанесен на первую сторону таким образом, что изолятор покрывает значительную часть проводников первой группы. Недостатком известного устройства является возможность использования распределенной емкости для повышения соотношения сигнал-шум только в одной реализации приемопередающей катушки - объемного резонатора типа bird-cage, в котором объект исследования может располагаться исключительно целиком и внутри резонатора. В результате на основе известного решения нельзя построить локальную (поверхностную) катушку, которая дает наивысшее соотношения сигнал-шум за счет максимально близкого расположения к сканируемому объекту.Known radio frequency coil with distributed capacity, as well as a tomographic system based on it, where distributed capacity helps to increase the efficiency by reducing the localization of the electric field, as well as increasing electric strength [US Patent 2013/0335086 A1, 12/19/2013]. In the aforementioned device, a bird-cage resonator (bird cage) including a first end ring with a distributed capacity, a second end ring with a distributed capacity, and also multiple sections connected between the first and second rings with a distributed capacity, in which at least one of the rings with a distributed capacitance contains a two-sided substrate in which the conductors of one group are applied to one side, and the conductors of the other group are applied to the other side, and the insulator is applied to the first side t Kim that the insulator covers a significant portion of the conductors of the first group. A disadvantage of the known device is the possibility of using distributed capacitance to increase the signal-to-noise ratio in only one implementation of the transceiver coil — a bird-cage type cavity, in which the object of study can be located entirely inside the cavity. As a result, based on the known solution, it is impossible to build a local (surface) coil, which gives the highest signal-to-noise ratio due to the closest possible location to the scanned object.

Известен также магнитно-резонансный томограф, включающий, по меньшей мере, источник постоянного магнитного поля, блок формирования градиентного магнитного поля, генератор радиочастотных импульсов, приемник, а также усилитель электромагнитного поля, выполненный в виде метаматериала и расположенный вблизи приемника, отличающийся тем, что метаматериал включает набор протяженных изолированных друг от друга преимущественно ориентированных проводников, каждый из которых характеризуется длиной L_i, среднее значение которой равно L, расположенных на расстояниях S_i друг от друга, среднее значение которых равно S, имеющих поперечные размеры d_i, среднее значение которых равно D, причем среднее значение длин проводников удовлетворяет условию 0,4λ<L<0,6λ, где λ - длина волны радиочастотного сигнала в метаматериале, среднее значение расстояний между проводниками удовлетворяет условию 0,001λ<S<0,1λ, среднее значение поперечных размеров проводников удовлетворяет условию 0,00001λ<D<0,01λ, а проводники выполнены из немагнитного материала [Патент РФ №2601373 от 03.07.2015]. Недостатком вышеуказанного решения является необходимость заполнения объема метаматериала между проводниками диэлектриком с высоким значением диэлектрической проницаемости с целью миниатюризации усилителя электромагнитного поля, а также неравномерность магнитного поля вдоль проводников.Also known is a magnetic resonance imager, including at least a constant magnetic field source, a gradient magnetic field generating unit, an RF pulse generator, a receiver, and an electromagnetic field amplifier made in the form of a metamaterial and located near the receiver, characterized in that the metamaterial includes a set of extended, isolated from one another, predominantly oriented conductors, each of which is characterized by a length L _i , the average value of which is L, located married at distances S _i from each other, the average value of which is S, having transverse dimensions d _i , the average value of which is D, and the average value of the lengths of the conductors satisfies the condition 0.4λ <L <0.6λ, where λ is the radio frequency wavelength the signal in the metamaterial, the average value of the distances between the conductors satisfies the condition 0.001λ <S <0.1λ, the average transverse dimensions of the conductors satisfy the condition 0.00001λ <D <0.01λ, and the conductors are made of non-magnetic material [RF Patent No. 2601373 of 03.07 .2015]. The disadvantage of the above solution is the need to fill the volume of the metamaterial between the conductors with a dielectric with a high dielectric constant in order to miniaturize the electromagnetic field amplifier, as well as the unevenness of the magnetic field along the conductors.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является квадратурная радиочастотная катушка [Патент US 6,980,003 В2 от 27.12.2005, кл. 324/309], использующая две собственные моды многомодового резонатора в форме периодической структуры из связанных элементов. Радиочастотная катушка с двумя развязанными точками питания состоит из резонатора, квадратурной схемы подключения средства связи радиочастотной катушки с приемо-передающим устройством (радиочастотных кабелей) и схемы согласования. Резонатор представляет собой периодическую систему индуктивно-связанных резонансных отрезков ТЕМ линии передачи. Квадратурная схема подключения радиочастотных кабелей включает симметрирующую балансную схему согласования, подключенную к двум оконечным резонансным отрезкам ТЕМ линии передачи и состоящую из симметрирующего трансформатора, двух конденсаторов с фиксированной емкостью и одного перестраиваемого конденсатора. Схема согласования для второй моды состоит из одного перестраиваемого конденсатора, подключенного последовательно к центральному резонансному отрезку ТЕМ линии передачи. Недостатками данного устройства являются необходимость использования дорогостоящих сосредоточенных конденсаторов для согласования импеданса по двум точкам питания и настройки на Ларморову частоту. Другим недостатком является невозможность сканирования по нескольким ядрам, имеющим различные Ларморовы частоты, что ограничивает область ее применения.The closest technical solution adopted for the prototype is a quadrature radio frequency coil [Patent US 6,980,003 B2 of 12/27/2005, cl. 324/309], using two eigenmodes of a multimode resonator in the form of a periodic structure of coupled elements. A radio frequency coil with two isolated power points consists of a resonator, a quadrature circuit for connecting a radio frequency coil with a transceiver (radio frequency cables), and a matching circuit. The resonator is a periodic system of inductively coupled resonant segments of the TEM transmission line. A quadrature RF cable connection circuit includes a balancing balancing matching circuitry connected to two terminal resonant sections of the TEM transmission line and consisting of a balancing transformer, two fixed capacitors and one tunable capacitor. The matching circuit for the second mode consists of one tunable capacitor connected in series to the central resonant segment of the transmission line TEM. The disadvantages of this device are the need to use expensive concentrated capacitors to match the impedance of the two power points and tune to the Larmor frequency. Another disadvantage is the inability to scan across multiple cores having different Larmor frequencies, which limits its scope.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является понижение стоимости изготовления и улучшение качества получаемых изображений, а также расширение области применения радиочастотной катушки.The task to which the proposed utility model is directed is to lower the manufacturing cost and improve the quality of the resulting images, as well as expand the scope of the RF coil.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении соотношения сигнал/шум и упрощении процедуры настройки катушки.The problem is solved by achieving a technical result, which consists in increasing the signal-to-noise ratio and simplifying the procedure for tuning the coil.

Указанный технический результат достигается тем, что радиочастотная катушка, включающая в себя, по меньшей мере, резонатор радиочастотной катушки, состоящий из системы периодически расположенных немагнитных элементов одинаковой длины и средство связи радиочастотной катушки с приемо-передающим устройством магнитно-резонансного томографа в виде радиочастотных кабелей, отличается тем, что периодически расположенные немагнитные элементы выполнены в виде протяженных металлических проводников длиной не более пяти длин волн радиочастотного сигнала в воздухе и диаметром поперечного сечения не менее четырех ширин скин-слоя на Ларморовой частоте магнитно-резонансного томографа и не превышающим расстояние между проводниками, расположенных на нескольких соосных цилиндрических поверхностях на расстоянии не более четверти длины волныThe specified technical result is achieved in that the radio frequency coil, which includes at least a resonator of the radio frequency coil, consisting of a system of periodically arranged non-magnetic elements of the same length and means of communication of the radio frequency coil with the transceiver of the magnetic resonance imager in the form of radio frequency cables, characterized in that periodically located non-magnetic elements are made in the form of extended metal conductors with a length of not more than five wavelengths of radio frequencies signal in air and with a cross-sectional diameter of at least four skin-layer widths at the Larmor frequency of a magnetic resonance imager and not exceeding the distance between conductors located on several coaxial cylindrical surfaces at a distance of no more than a quarter of the wavelength

радиочастотного сигнала на Лароморовой частоте магнитно-резонансного томографа в воздухе друг от друга, концы соседних проводников с одной стороны соединены друг с другом при помощи системы изолированных металлических дорожек, размещенных как минимум в одном слое печатной платы на изолирующей подложке, при этом с другой стороны концы соседних проводников соединены электрически, а средство связи радиочастотной катушки с приемо-передающим устройством выполнено посредством радиочастотных кабелей через рамочные антенны.the RF signal at the Laromorphic frequency of the magnetic resonance imager in air from each other, the ends of adjacent conductors are connected to each other on the one hand using a system of insulated metal tracks placed in at least one layer of the printed circuit board on an insulating substrate, while on the other hand the ends neighboring conductors are electrically connected, and the means of communication of the radio frequency coil with the transceiver is made by means of radio frequency cables through the frame antennas.

Упрощение настройки обеспечивается использованием двух ортогональных мод благодаря связи резонатора с приемо-передающим устройством магнитно-резонансного томографа через рамочные антенны, а повышение соотношения сигнал/шум - за счет использования распределенных емкостей.Simplification of the configuration is provided by the use of two orthogonal modes due to the coupling of the resonator with the transceiver of the magnetic resonance imager through the frame antennas, and the increase in the signal-to-noise ratio due to the use of distributed capacities.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется фигурами. Общий вид предлагаемого устройства показан на фиг. 1 и фиг. 2, на фиг. 3 - поперечное сечение предлагаемого устройства, на фиг. 4 - эквивалентная схема соединения дорожек печатной платы и проводников резонатора радиочастотной катушки, на фиг. 5 - схема расположения дорожек на печатной плате резонатора радиочастотной катушки, на фиг. 6 - схема расположения радиочастотной катушки в магнитно-резонансном томографе, на фиг. 7 - частотная зависимость коэффициента отражения предлагаемого устройства радиочастотной катушки, на фиг. 8 - рассчитанная зависимость нормированной амплитуды магнитного поля круговой поляризации в режиме передачи катушки от расстояния внутрь объекта сканирования на Ларморовой частоте изотопов фосфора-31 (81 МГц) и водорода-1 (200,1 МГц).The essence of the claimed utility model is illustrated by figures. A general view of the proposed device is shown in FIG. 1 and FIG. 2, in FIG. 3 is a cross section of the proposed device, in FIG. 4 is an equivalent circuit for connecting tracks of a printed circuit board and conductors of a resonator of an RF coil; FIG. 5 is a diagram of the arrangement of tracks on a printed circuit board of a resonator of a radio frequency coil; FIG. 6 is a layout diagram of a radio frequency coil in a magnetic resonance imager; FIG. 7 - frequency dependence of the reflection coefficient of the proposed device of the radio frequency coil, FIG. 8 - calculated dependence of the normalized amplitude of the circular polarization magnetic field in the transmission mode of the coil on the distance inside the scan object at the Larmor frequency of phosphorus-31 isotopes (81 MHz) and hydrogen-1 (200.1 MHz).

Радиочастотная катушка (фиг. 1) состоит из резонатора, представляющего собой множество протяженных металлических проводников 1 на верхней цилиндрической поверхности и проводников 2, расположенных на нижней цилиндрической поверхности. Над цилиндрической поверхностью, образованной множеством проводников 1, в центральной ее части установлена рамочная антенна 3, а между поверхностями, образованными множествами проводников 1 и 2, в плоскости, проходящей через центральные проводники множеств 1 и 2, установлена рамка 4. Средства связи в виде радиочастотных кабелей 5 и 6 соединяют рамочные антенны 3 и 4 с приемо-передающимThe radiofrequency coil (Fig. 1) consists of a resonator, which is a set of extended metal conductors 1 on the upper cylindrical surface and conductors 2 located on the lower cylindrical surface. A frame antenna 3 is installed in the central part above the cylindrical surface formed by the plurality of conductors 1, and a frame 4 is mounted between the surfaces formed by the pluralities of conductors 1 and 2 in a plane passing through the central conductors of the sets 1 and 2. Radio communication means cables 5 and 6 connect the frame antennas 3 and 4 to the transceiver

устройством томографа. Распределенная емкость, соединяющая концы соседних проводников множеств 1 и 2, реализована в виде системы металлических дорожек 7 и 8 на изолирующей подложке 9. Противоположные концы проводников множеств 1 и 2 соединены между собой перемычками 10 и 11, реализующими электрический контакт проводников.tomograph device. The distributed capacitance connecting the ends of adjacent conductors of sets 1 and 2 is implemented as a system of metal tracks 7 and 8 on an insulating substrate 9. The opposite ends of the conductors of sets 1 and 2 are interconnected by jumpers 10 and 11, which realize the electrical contact of the conductors.

Предлагаемая радиочастотная катушка работает следующим образом. При передаче радиочастотного сигнала передатчиком томографа по радиочастотным кабелям 5 и 6, сигнал достигает рамочных антенн 3 и 4, соответственно, которые возбуждают две собственные моды периодической структуры множеств проводников 1 и 2, имеющие взаимно-ортогональные распределения радиочастотного магнитного поля при настройке соответствующих резонансных частот на две Ларморовы частоты, определяющиеся типами ядер. При резонансном возбуждении собственных мод периодической структуры в области сканирования непосредственно над множеством проводников 1, где расположен объект сканирования, создаются распределения радиочастотного магнитного поля, возбуждающего спины в объекте сканирования. За счет ортогональности распределений магнитного поля в объекте при возбуждении различных собственным мод, возможна независимая настройка двух соответствующих резонансных частот.The proposed radio frequency coil operates as follows. When the radio frequency signal is transmitted by the tomograph transmitter through the radio frequency cables 5 and 6, the signal reaches the frame antennas 3 and 4, respectively, which excite two eigenmodes of the periodic structure of the sets of conductors 1 and 2 having mutually orthogonal distribution of the radio frequency magnetic field when setting the corresponding resonant frequencies to two Larmor frequencies determined by the types of nuclei. When the eigenmodes of the periodic structure are resonantly excited in the scanning region directly above the plurality of conductors 1 where the scanning object is located, distributions of the radio-frequency magnetic field exciting the spins in the scanning object are created. Due to the orthogonality of the magnetic field distributions in the object upon excitation of various eigenmodes, independent adjustment of the two corresponding resonant frequencies is possible.

Периодическая структура радиочастотной катушки представляет собой, таким образом, резонатор с двумя рабочими собственными модами, который состоит из множеств проводников 1 и 2, параллельных друг другу, и состоящих, например, из немагнитных металлических проводников круглого сечения одинаковой длины L<5λ, где λ - длина волны радиочастотного сигнала в воздухе. Проводники в составе множеств проводников 1 и 2, имеющих радиусы цилиндрической поверхности r_в и r_н, распределены периодически. При этом их угловой период на цилиндрических поверхностях одинаков и равен α, a расстояние между соседними проводниками в каждом из множеств 1 и 2 должно быть не более λ/4 и не менее расстояния от множества проводников 1 до поверхности объекта сканирования для достижения однородного изображении при сканировании. Количество проводников в каждом из множеств 1 и 2 должно быть не менее двух. Количество проводников в множествах 1 и 2 ограничено сверху следующим требованием, расстояние между соседними проводниками должно быть больше удвоенного диаметра поперечного сечения проводника.The periodic structure of the RF coil is, therefore, a resonator with two working eigenmodes, which consists of sets of conductors 1 and 2 parallel to each other, and consisting, for example, of non-magnetic metal conductors of circular cross section of the same length L <5λ, where λ - wavelength of a radio frequency signal in air. The conductors in the sets of conductors 1 and 2 having radii of the cylindrical surface r _in and r _n are distributed periodically. Moreover, their angular period on cylindrical surfaces is the same and equal to α, and the distance between adjacent conductors in each of sets 1 and 2 should be no more than λ / 4 and not less than the distance from the set of conductors 1 to the surface of the scan object to achieve a uniform image when scanning . The number of conductors in each of sets 1 and 2 must be at least two. The number of conductors in sets 1 and 2 is limited from above by the following requirement, the distance between adjacent conductors must be greater than twice the cross-sectional diameter of the conductor.

Первая рабочая собственная мода формируется электрическими токами, текущими по множеству проводников 1, и в магнитном поле, создаваемом данной модой в области сканирования преобладает вертикальная компонента, которая определяет индуктивную связь с возбуждающей рамочной антенной 3 и возможность возбуждения посредством подачи сигнала в кабель 5. Вторая рабочая собственная мода формируется токами, протекающими по множествам проводников 1 и 2. В магнитном поле данной моды преобладает горизонтальная компонента в области сканирования, при этом между множествами проводников 1 и 2 вектор магнитного поля ориентирован по нормали к плоскости рамочной антенны 4, что позволяет возбуждать данную моду посредством подачи сигнала в кабель 6. Ортогональность поля собственных мод обеспечивает развязку радиочастотных кабелей 5 и 6 и независимую перестройку резонансных частот и согласование импеданса. Значения резонансных частот каждой из двух рабочих мод частот определяются длиной проводников L и расстоянием между ними. Т.к. резонансные длины дипольных проволочных антенн сопоставимы по порядку величины с λ/2, использование периодической структуры из ненагруженных резонансных проводников приводит к размерам структуры, превышающим имеющиеся размеры тоннеля томографа. С целью миниатюризации элементов периодической структуры в предлагаемом техническом решении применены конструктивные распределенные емкости, реализованные в виде печатных металлических дорожек 7 и 8, периодически нанесенных на обе стороны диэлектрической подложки печатной платы 9 и играющие роль оконечных нагрузок проводников. Соединение дорожек печатной платы и проводников в двух слоях периодической структуры реализует попарное соединение проводников через распределенные емкости в соответствии с эквивалентной схемой, показанной на фиг. 4. Емкости C₁ и С₂, которые определяются диэлектрической проницаемостью печатной платы 9 и площадью перекрытия соседних дорожек, подключенных к различным проводникам периодической структуры, определяют наряду с длиной L резонансные частоты первой и второй рабочих мод, соответственно. Выбор вышеуказанных параметров позволяет настроить радиочастотную катушку на две различные Ларморовы частоты без использования сосредоточенных конденсаторов. В показанном на фиг. 1, 2, 3 примере реализации предложенной катушки дорожки 7 и 8 имеют форму двух соединенных секторов колец разного радиуса и угловой ширины. Емкостные свойства печатной платы 9, показанной на фиг. 1 и 2, достигаются за счет взаимного перекрытия соседних металлических дорожек, напечатанных на противоположных сторонах печатной платы. Перекрытие дорожек показано на фиг. 5. Примером является перекрытие показанных на фиг. 5 дорожки 7 (подключена к проводнику множества 1) и дорожки 8 (подключена к соседнему проводнику в пределах множества 2). Данное перекрытие реализует эффективную емкость С₁, соединяющую соседние проводники в множестве 1. Та же дорожка 7 имеет перекрытие с другим участком дорожки 8, подключенной к соответствующему проводнику в множестве 2, что определяет эффективную емкость С₂. Величина емкости C₁ и С₂ определяется площадью перекрытия соответствующих дорожек S, толщиной подложки d печатной платы и величиной диэлектрической проницаемости подложки ε как С=0.5 εε₀S/d, где ε₀=8.85 пФ/м. Противоположные концы множеств проводников 1 и 2 соединены между собой через два типа перемычек 10 и 11, показанных на фиг. 1 и 2. Соединяющая перемычка 10 обеспечивает электрический контакт между концами всех проводников множества 1. Перемычка 11 содержит периодически расположенные металлические проводники, попарно соединяющие концы проводников множеств 1 и 2.The first working eigenmode is formed by electric currents flowing through a plurality of conductors 1, and the vertical component prevails in the magnetic field generated by this mode in the scan area, which determines inductive coupling with the exciting frame antenna 3 and the possibility of excitation by supplying a signal to cable 5. Second working the eigenmode is formed by currents flowing through the sets of conductors 1 and 2. In the magnetic field of this mode, the horizontal component prevails in the scanning region, at ohm between the sets of conductors 1 and 2, the magnetic field vector is oriented normal to the plane of the loop antenna 4, which makes it possible to excite this mode by supplying a signal to cable 6. Orthogonality of the eigenmodes field ensures isolation of the radio frequency cables 5 and 6 and independent tuning of the resonant frequencies and matching of the impedance . The resonant frequencies of each of the two working frequency modes are determined by the length of the conductors L and the distance between them. Because the resonance lengths of dipole wire antennas are comparable in order of magnitude with λ / 2, the use of a periodic structure of unloaded resonant conductors leads to structure sizes exceeding the available dimensions of the tomograph tunnel. In order to miniaturize the elements of the periodic structure, the proposed technical solution employs structural distributed containers implemented in the form of printed metal tracks 7 and 8, periodically applied to both sides of the dielectric substrate of the printed circuit board 9 and playing the role of terminal loads of conductors. The connection of the tracks of the printed circuit board and the conductors in two layers of the periodic structure implements a pairwise connection of the conductors through the distributed capacities in accordance with the equivalent circuit shown in FIG. 4. Capacities C ₁ and C ₂ , which are determined by the dielectric constant of the printed circuit board 9 and the overlap area of adjacent tracks connected to different conductors of a periodic structure, determine along with length L the resonant frequencies of the first and second working modes, respectively. The selection of the above parameters allows you to tune the RF coil to two different Larmor frequencies without using lumped capacitors. As shown in FIG. 1, 2, 3 of an example implementation of the proposed coil, tracks 7 and 8 are in the form of two connected ring sectors of different radius and angular width. Capacitive properties of the printed circuit board 9 shown in FIG. 1 and 2 are achieved due to the mutual overlap of adjacent metal tracks printed on opposite sides of the printed circuit board. The overlap of the tracks is shown in FIG. 5. An example is the overlap shown in FIG. 5 of track 7 (connected to the conductor of set 1) and track 8 (connected to the adjacent conductor within set 2). This overlap implements an effective capacitance C ₁ connecting adjacent conductors in set 1. The same track 7 has an overlap with another portion of track 8 connected to the corresponding conductor in set 2, which determines the effective capacitance C ₂ . The value of the capacitance C ₁ and C ₂ is determined by the overlap area of the corresponding tracks S, the substrate thickness d of the printed circuit board and the dielectric constant of the substrate ε as C = 0.5 εε ₀ S / d, where ε ₀ = 8.85 pF / m. The opposite ends of the sets of conductors 1 and 2 are interconnected via two types of jumpers 10 and 11 shown in FIG. 1 and 2. The connecting jumper 10 provides electrical contact between the ends of all the conductors of the set 1. The jumper 11 contains periodically arranged metal conductors pairwise connecting the ends of the conductors of the sets 1 and 2.

В показанной на фиг. 1 и 2 предложенной РЧ катушке перемычки 10 и 11 выполнены в виде металлических дорожек, размещенных на общей печатной плате 12. Также перемычки могут быть реализованы как на одной двухслойной печатной плате, так и на двух однослойных. Удобство размещения перемычек на торцевой плате 12 заключается в возможности перестройки резонансных частот собственных мод за счет перемещения платы 12 вдоль направления множеств проводников 1 и 2. Для этого проводники множеств 1 и 2 должны соединяться с перемычками 10 и 11 скользящими электрическими контактами. Для независимой перестройки перемычки 10 и 11 должны быть расположены на разных печатных платах с возможностью независимого перемещения вдоль множеств проводников 1 и 2. При этом перемещение перемычки 10 за счет изменения эффективной длины множества проводников 1 изменяет резонансную частоту рабочей моды 1, а перемещение 11 за счет изменения эффективной длины множеств проводников 1 и 2 изменяет резонансную частоту моды 2.In the embodiment shown in FIG. 1 and 2 of the proposed RF coil, jumpers 10 and 11 are made in the form of metal tracks placed on a common printed circuit board 12. Also, jumpers can be implemented both on one double-layer printed circuit board, and on two single-layer ones. The convenience of placing jumpers on the end plate 12 consists in the possibility of tuning the resonant frequencies of the eigenmodes by moving the board 12 along the direction of the sets of conductors 1 and 2. For this, the conductors of sets 1 and 2 must be connected to the jumpers 10 and 11 by sliding electrical contacts. For independent tuning, the jumpers 10 and 11 must be located on different printed circuit boards with the possibility of independent movement along the sets of conductors 1 and 2. Moreover, the movement of the jumper 10 due to a change in the effective length of the set of conductors 1 changes the resonant frequency of the operating mode 1, and the movement 11 due to changing the effective length of the sets of conductors 1 and 2 changes the resonant frequency of mode 2.

Повышение конструктивных емкостей С₁ и С₂ нагрузки проводников 1 и 2 за счет геометрических параметров печатной платы или электрических параметров подложки ведет к снижению резонансных частот собственных мод резонатора при той же длине проводников множеств 1 и 2 пропорционально С₁ ^-1/2 и С₂ ^-1/2 соответственно. При сканировании по одному типу ядер может использоваться одна из имеющихся собственных мод резонатора. Так как длина проводников множеств 1 и 2 определяет длину рабочей области сканирования, а средняя ширина структуры (r₁+r₂)⋅sin(N⋅α) определяет ширину рабочей области сканирования, резонансная частота выбранной моды должна быть подобрана равной Ларморовой частоте путем подбора геометрических параметров дорожек 7 и 8, параметров подложки 9 и плотности расположения проводников на заданной средней ширине структуры (r₁+r₂)⋅sin(N⋅a). Повышение числа проводников множеств 1 и 2 позволяет увеличить равномерность ближнего электромагнитного поля для каждой из собственных мод, в особенности - вблизи поверхности сканируемого объекта. При реализации предложенной РЧ катушки необходимо учитывать, что толщина проводников должна быть не менее четырех ширин скин-слоя во избежание влияния омических потерь.An increase in the design capacitances C ₁ and C _{2 of the} load of conductors 1 and 2 due to the geometric parameters of the printed circuit board or the electrical parameters of the substrate leads to a decrease in the resonant frequencies of the eigenmodes of the resonator with the same length of the conductors of sets 1 and 2 in proportion to C ₁ ^-1/2 and C ₂ ^-1/2, respectively. When scanning for one type of nucleus, one of the available eigenmodes of the resonator can be used. Since the length of the conductors of sets 1 and 2 determines the length of the scanning working area, and the average structure width (r ₁ + r ₂ ) ⋅sin (N⋅α) determines the width of the scanning working area, the resonant frequency of the selected mode should be chosen equal to the Larmor frequency by selection the geometric parameters of tracks 7 and 8, the parameters of the substrate 9, and the density of the conductors at a given average structure width (r ₁ + r ₂ ) ⋅ sin (N. a). An increase in the number of conductors of sets 1 and 2 makes it possible to increase the uniformity of the near electromagnetic field for each of the eigenmodes, in particular, near the surface of the scanned object. When implementing the proposed RF coil, it must be taken into account that the thickness of the conductors must be at least four skin-layer widths in order to avoid the influence of ohmic losses.

В предлагаемом техническом решении обеспечивается повышение соотношения сигнал-шум по сравнению со стандартными РЧ катушками в виде нагруженных на сосредоточенные конденсаторы рамочных антенн. Повышение соотношения сигнал-шум достигается благодаря тому, что для настройки предложенной периодической системы в резонанс не требуются сосредоточенные конденсаторы. Вместо этого используется конструктивная емкость, распределенная в подложке торцевой печатной платы, что существенно снижает вносимые диссипативные потери и повышает добротность РЧ катушки при условии использования высококачественных материалов подложек печатной платы 9 (с тангенсом угла потерь не более 0.002). Другим достоинством предложенной катушки является возможность независимой настройки на две Ларморовы частоты томографа путем перемещения перемычек 10 и 11, показанных на фиг. 1 и 2 и согласования импеданса без использования сосредоточенных конденсаторов.The proposed technical solution provides an increase in the signal-to-noise ratio compared to standard RF coils in the form of loop antennas loaded onto concentrated capacitors. An increase in the signal-to-noise ratio is achieved due to the fact that concentrated capacitors are not required for tuning the proposed periodic system into resonance. Instead, structural capacitance distributed in the substrate of the end printed circuit board is used, which significantly reduces the introduced dissipative losses and increases the quality factor of the RF coil, provided that high-quality substrate materials of the printed circuit board 9 are used (with a loss tangent of not more than 0.002). Another advantage of the proposed coil is the ability to independently tune to two Larmor frequencies of the tomograph by moving the jumpers 10 and 11 shown in FIG. 1 and 2 and matching impedance without the use of lumped capacitors.

При сканировании объекта радиочастотная катушка должна быть расположена внутри корпуса магнитно-резонансного томографа как показано на фиг. 6. Радиочастотная катушка находится в постоянном магнитном поле В₀внутри радиочастотного экрана 13 так, что изоцентр магнита находится в пределах сканируемой области 14, а проводники множеств 1 и 2 параллельны вектору напряженности постоянного магнитного поля В₀.When scanning an object, the RF coil should be located inside the body of the magnetic resonance imager as shown in FIG. 6. The radio frequency coil is in a constant magnetic field B ₀ inside the radio frequency screen 13 so that the isocenter of the magnet is within the scanned area 14, and the conductors of sets 1 and 2 are parallel to the constant magnetic field vector B ₀ .

В качестве примера практической реализации предлагаемого технического решения далее приводятся геометрические параметры радиочастотной катушки для доклинических МРТ исследований на томографе с диаметром радиочастотного экрана 260 мм и уровнем постоянного магнитного поля В₀=4,7 Тл. При численном расчете была рассмотрена структура, показанная на фиг. 1, 2, 3. Параметры были выбраны по критерию настройки на Ларморову частоту водорода ¹Н f₁=200,1 МГц, а также на Ларморову частоту фосфора ³¹Р f₂=81 МГц. Входной импеданс РЧ катушки чувствителен по отношению к объекту исследования, поэтому существует необходимость согласования входного импеданса РЧ катушки с приемо-передающими устройствами томографа в присутствии объекта исследования и в окружении РЧ экрана томографа. В предложенной РЧ катушке подстройка входного импеданса на Ларморовых частотах осуществляется с помощью перемещения независимых печатных плат с перемычками 10 и 11 вдоль множеств проводников 1 и 2, причем для настройки РЧ катушки на Ларморову частоту фосфора с использованием рабочей моды 1 необходимо перемещать плату с перемычками 10, соединяющую проводники множества 1, а для настройки РЧ катушки на Ларморову частоту водорода с использованием рабочей собственной моды 2 необходимо перемещать плату с перемычками 11, соединяющую посредством скользящих контактов проводники множества 1 с соответствующими проводниками множества 2 (см. фиг. 1 и 2). РЧ катушка расположена вплотную к однородному жидкостному фантому 14 (см. фиг. 6) цилиндрической формы (диаметр основания цилиндра 100 мм, высота 250 мм, удельная диэлектрическая проницаемость 34, электрическая проводимость 0.4 См/м). Конструктивные распределенные емкости, перемычки, а также рамочные антенны 5 и 6, показанные на фиг. 1 и 2 реализованы в виде печатных плат на одинаковых подложках марки Arlon AD1000 с диэлектрической проницаемостью 10 и тангенсом угла потерь 0.0023 толщиной 0.508 мм. Проводники множеств 1 и 2 выполнены в виде полых латунных трубок с внешним радиусом 1 мм. Выбранные геометрические параметры:As an example of the practical implementation of the proposed technical solution, the geometrical parameters of the radio frequency coil for preclinical MRI examinations on a tomograph with a diameter of the radio frequency screen of 260 mm and a constant magnetic field level of ₀ = 4.7 T are given below. In numerical calculation, the structure shown in FIG. 1, 2, 3. The parameters were selected according to the tuning criterion for the Larmor frequency of hydrogen ¹ N f ₁ = 200.1 MHz, as well as for the Larmor frequency of phosphorus ³¹ P f ₂ = 81 MHz. The input impedance of the RF coil is sensitive to the object of study, therefore, there is a need to match the input impedance of the RF coil with transceiver devices of the tomograph in the presence of the object of study and surrounded by the RF screen of the tomograph. In the proposed RF coil, the input impedance is tuned at Larmor frequencies by moving independent printed circuit boards with jumpers 10 and 11 along the sets of conductors 1 and 2, and to tune the RF coil to the Larmor frequency of phosphorus using operating mode 1, it is necessary to move the board with jumpers 10, connecting the conductors of set 1, and to tune the RF coil to the Larmor frequency of hydrogen using a working eigenmode 2, it is necessary to move the board with jumpers 11 connecting by means of creeping contacts conductors of set 1 with the corresponding conductors of set 2 (see Fig. 1 and 2). The RF coil is located close to the homogeneous liquid phantom 14 (see Fig. 6) of a cylindrical shape (cylinder base diameter 100 mm, height 250 mm, specific dielectric constant 34, electrical conductivity 0.4 S / m). Distributed capacitances, jumpers, and loop antennas 5 and 6 shown in FIG. 1 and 2 are implemented in the form of printed circuit boards on the same Arlon AD1000 brand substrates with a dielectric constant of 10 and a loss tangent of 0.0023 with a thickness of 0.508 mm. Conductors of sets 1 and 2 are made in the form of hollow brass tubes with an external radius of 1 mm. Selected geometric parameters:

- Длина латунных трубок проводников множеств 1 и 2: L=50 мм;- The length of the brass tubes of the conductors of sets 1 and 2: L = 50 mm;

- Радиус латунных трубок проводников множеств 1 и 2: 1 мм;- The radius of the brass tubes of the conductors of sets 1 and 2: 1 mm;

- Общее количество проводников множеств 1 и 2: 14;- The total number of conductors sets 1 and 2: 14;

- Угловой период множеств проводников 1 и 2: α=10 градусов;- The angular period of the sets of conductors 1 and 2: α = 10 degrees;

- Радиус, вдоль которого распределены 7 проводников множества 1: r_в=60 мм;- The radius along which 7 conductors of set 1 are distributed: r _in = 60 mm;

- Радиус, вдоль которого распределены 7 проводников множества 2: r_н=90 мм;- The radius along which 7 conductors of set 2 are distributed: r _n = 90 mm;

- Внутренний радиус печатной платы с распределенной емкостью: r₁=50,5 мм;- The internal radius of the printed circuit board with a distributed capacity: r ₁ = 50.5 mm;

- Средний радиус печатной платы с распределенной емкостью: r₂=81,5 мм;- The average radius of the printed circuit board with a distributed capacity: r ₂ = 81.5 mm;

- Внешний радиус печатной платы с распределенной емкостью: r₃=92,5 мм;- The outer radius of the printed circuit board with a distributed capacity: r ₃ = 92.5 mm;

- Внутренний радиус печатной платы с распределенной емкостью: 50 мм;- The internal radius of the printed circuit board with a distributed capacity: 50 mm;

- Внешний радиус печатной платы с распределенной емкостью: 93 мм;- The external radius of the printed circuit board with a distributed capacity: 93 mm;

Полученная в результате частотная зависимость коэффициента отражения радиочастотной катушки (Г) при подключении к радиочастотному кабелю с волновым сопротивлением 50 Ом показана на Фиг. 7. Видно, что данная радиочастотная катушка имеет настройку и согласование по уровню Г<0,02 на обоих Ларморовых частотах 81 (Фиг. 7а) и 200 МГц (Фиг. 7б) без использования сосредоточенных конденсаторов.The resulting frequency dependence of the reflection coefficient of the radio frequency coil (G) when connected to a radio frequency cable with a wave impedance of 50 Ohms is shown in FIG. 7. It can be seen that this RF coil has tuning and matching in level G <0.02 at both Larmor frequencies 81 (Fig. 7a) and 200 MHz (Fig. 7b) without the use of lumped capacitors.

На Фиг. 8а и 8б показана рассчитанная зависимость нормированной амплитуды магнитного поля круговой поляризации в режиме передачи катушки от расстояния внутрь объекта сканирования на Ларморовой частоте изотопов фосфора-31 81 МГц и водорода-1 200,1 МГц (соответствующих напряженности постоянного поля магнита 4.7 Тл) соответственно. Сплошной черной линией показана кривая зависимости, полученная для предложенной РЧ катушки, штриховой линией - зависимость, соответствующая стандартной катушке в виде рамочной антенны диаметром 60 мм.In FIG. 8a and 8b show the calculated dependence of the normalized amplitude of the circular polarization magnetic field in the transmission mode of the coil on the distance inside the scan object at the Larmor frequency of the isotopes of phosphorus-31 81 MHz and hydrogen-1 200.1 MHz (corresponding to the constant field strength of the magnet 4.7 T), respectively. The solid black line shows the dependence curve obtained for the proposed RF coil, the dashed line is the dependence corresponding to the standard coil in the form of a frame antenna with a diameter of 60 mm.

Claims

A radio frequency coil for magnetic resonance imaging of an object, including at least:

- the resonator of the radio frequency coil, consisting of a system of periodically arranged non-magnetic elements of the same length and

- a means of communication of a radio frequency coil with a transceiver of a magnetic resonance imager in the form of radio frequency cables,

characterized in that periodically located non-magnetic elements are made in the form of extended metal conductors with a length of not more than five wavelengths of an RF signal in air and a cross-sectional diameter of not less than four skin layer widths at the Larmor frequency of a magnetic resonance imager and not exceeding the distance between the conductors located on several coaxial cylindrical surfaces at a distance of not more than a quarter of the wavelength of the radio frequency signal at the Larmor frequency of the magnetic resonance of the homograph in the air from each other, the ends of adjacent conductors are connected to each other on one side by a system of insulated metal tracks placed in at least one layer of a printed circuit board on an insulating substrate, while on the other hand, the ends of adjacent conductors are electrically connected, and the communication means a radio frequency coil with a transceiver is made by means of radio frequency cables through a loop antenna.