專(zhuān)利名稱：一種用于引導(dǎo)超聲聚焦系統(tǒng)的射頻線圈及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁共振成像技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)，是涉及一種在超聲聚能熱消融術(shù)中熱消融參數(shù)精確測(cè)量的射頻線圈結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
超聲聚能熱消融技術(shù)(FUS)因具有良好的定向性，非侵入性及安全性，在臨床治療，尤其是腫瘤治療方面?zhèn)涫荜P(guān)注。其機(jī)理是利用超聲波的組織穿透性及可聚焦特性，將超聲換能器發(fā)射的無(wú)數(shù)束低能超聲波準(zhǔn)確聚焦于體內(nèi)靶組織，通過(guò)超聲對(duì)組織的熱效應(yīng)使聚焦區(qū)域的組織瞬間發(fā)生凝固性壞死。因此，熱消融手術(shù)的治療效果與靶組織的溫度密切相關(guān)，在治療過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病變靶組織的溫度變化，并根據(jù)溫度變化對(duì)超聲換能器發(fā)射的超聲波進(jìn)行控制和調(diào)整，最終達(dá)到治療目的。在現(xiàn)有的人體組織溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)中，磁共振溫度敏感成像技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)靶組織溫度的重要方法。該方法具有無(wú)創(chuàng)及安全等特點(diǎn)，與超聲聚能熱消融技術(shù)的非侵入性及安全性相合，也符合當(dāng)前臨床手術(shù)的微創(chuàng)趨勢(shì)。目前，應(yīng)用于臨床的磁共振引導(dǎo)超聲聚焦(MRgFUS)系統(tǒng)中，磁共振裝置均為高場(chǎng)。高場(chǎng)磁共振的超導(dǎo)磁體內(nèi)部空間非常狹小，而且磁體內(nèi)部一般相對(duì)封閉，僅在首尾有開(kāi)口，因此，當(dāng)患者躺入超導(dǎo)磁體內(nèi)時(shí)，醫(yī)師沒(méi)有足夠的空間操作手術(shù)。此外，高場(chǎng)磁共振的成本相對(duì)較高，加之超聲聚能治療裝置的造價(jià)也比較高，使得總體造價(jià)過(guò)高，因此這種監(jiān)測(cè)治療組合裝置在實(shí)際中沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。相對(duì)而言，低場(chǎng)磁共振系統(tǒng)采用磁場(chǎng)方向垂直的永磁體，該磁體通常為U-形或C-形開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，因此可在術(shù)中提供足夠的操作空間。同時(shí)，低場(chǎng)磁共振系統(tǒng)的價(jià)格也比較低，便于在醫(yī)療機(jī)構(gòu)中推廣。然而，在低場(chǎng)磁共振系統(tǒng)中，由于其主磁場(chǎng)是垂直場(chǎng)，射頻線圈裝置在使用時(shí)，需要將線圈套住人體，但現(xiàn)有線圈裝置的前面及背面均排布有線圈回路，無(wú)法為超聲聚能設(shè)備提供治療空間，因此需要對(duì)射頻線圈裝置重新設(shè)計(jì)，使其能夠滿足磁共振引導(dǎo)超聲聚焦熱消融手術(shù)的應(yīng)用要求?，F(xiàn)有的磁共振射頻線圈設(shè)計(jì)方法中，逆方法是一重要的方法。在運(yùn)用該方法設(shè)計(jì)線圈時(shí)，需要首先根據(jù)具體的磁場(chǎng)分布需求提出一目標(biāo)場(chǎng)，并通過(guò)目標(biāo)場(chǎng)求得線圈表面的電流密度，之后利用流函數(shù)技術(shù)來(lái)確定線圈回路排布，最后對(duì)其進(jìn)行必要的離散化或簡(jiǎn)化，使其能夠在工程中實(shí)踐。由于逆方法本身的數(shù)值計(jì)算具有高度復(fù)雜性，因此在以往的逆方法設(shè)計(jì)射頻線圈中，通常是將線圈支撐殼體假定為柱形或錐形，以方便建模，降低計(jì)算復(fù)雜性，然而，這種普通柱面或錐面的支撐殼體會(huì)使得計(jì)算所得的電流密度分布于整個(gè)殼體的表面，無(wú)法為超聲聚能設(shè)備提供治療空間。此外，在對(duì)由流函數(shù)求得的線圈回路排布進(jìn)行離散化或簡(jiǎn)化之后，該回路排布所產(chǎn)生的磁場(chǎng)只能近似于目標(biāo)場(chǎng)，因此需要對(duì)離散化后的線圈進(jìn)行優(yōu)化或補(bǔ)償，然而，在以往的逆方法中，優(yōu)化或補(bǔ)償技術(shù)并未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種用于引導(dǎo)超聲聚焦系統(tǒng)的射頻線圈及其設(shè)計(jì)方法。該射頻線圈裝置使低場(chǎng)磁共振設(shè)備與超聲聚焦系統(tǒng)可以配合使用，并能為醫(yī)師提供足夠的手術(shù)操作空間，在熱消融手術(shù)中實(shí)現(xiàn)對(duì)人體組織溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)。本發(fā)明的第一個(gè)目的通過(guò)以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)一種用于引導(dǎo)超聲聚焦系統(tǒng)的射頻線圈，所用線圈支撐殼體為圓柱面；設(shè)有弧面缺口 α，以便為超聲聚焦設(shè)備預(yù)留空間；線圈回路排布于所述支撐殼體上，所述線圈回路包括兩組8字形回路和一組環(huán)形補(bǔ)償回路；所述兩組8字形回路沿圓柱軸向平行排布，同一個(gè)8字形回路的兩個(gè)環(huán)沿圓柱圓周方向排布；所述環(huán)形補(bǔ)償回路排布于兩組8字形回路正中間沿圓柱圓周方向排布；所述8字形回路交叉部分均設(shè)有絕緣墊；所述兩組8字形回路在接入輸出電路板時(shí)并聯(lián)成一個(gè)通道；環(huán)形補(bǔ)償線圈單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)通道，并接入輸出電路板將信號(hào)送出。所述弧面缺口 α的角度大小由支撐殼體的半徑及殼體所需缺口的尺寸來(lái)決定。本發(fā)明還可做以下改進(jìn)所述排布線圈為寬度10_20mm的紫銅帶材料，在不影響工程實(shí)現(xiàn)及成像質(zhì)量的前提下，可根據(jù)需求選用不同規(guī)格。所述射頻線圈還包括設(shè)置于電路板上的去耦電路、調(diào)諧電路、匹配電路、去耦保護(hù)電路。所述去耦電路為電容量為20pF的高精度可變電容并聯(lián)在兩個(gè)通道之間，來(lái)去除之間的耦合；所述調(diào)諧電路采用LC串聯(lián)諧振電路，并將多個(gè)電容并聯(lián)以提高調(diào)試精度；所述匹配電路為在每個(gè)通道端口處設(shè)置50歐姆匹配電路，從而使線圈獲得較高的信噪比；所述去耦保護(hù)電路為在每塊電路板上設(shè)置由雙向二極管及電感器構(gòu)成的去耦保護(hù)電路，使接收線圈在發(fā)射線圈工作時(shí)處于失諧狀態(tài)，從而避免前置放大器燒壞。所述線圈支撐殼體為無(wú)磁有機(jī)玻璃材料。所述線圈整體外部還設(shè)有一無(wú)磁絕緣材料制成的外殼，該外殼與支撐殼體扣合，共同將線圈包裹在二者形成的空間中，使患者不會(huì)接觸線圈回路，保證線圈的安全性。所述支撐殼體與外殼均可分為兩半，每一半之間設(shè)有搭扣機(jī)關(guān)相連，使線圈在使用時(shí)容易套住人體。所述圓柱面形線圈支撐殼體的半徑為16cm，長(zhǎng)度為34cm，圓柱面徑向的弧面缺口為120°，并可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)線圈尺寸進(jìn)行擴(kuò)展。本發(fā)明的第二個(gè)目的為提供一種用于引導(dǎo)超聲聚焦系統(tǒng)的射頻線圈的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟(1)根據(jù)具體的磁場(chǎng)分布需求提出一目標(biāo)磁場(chǎng)由互易原理可知，射頻接收線圈的性能優(yōu)劣與該線圈結(jié)構(gòu)作發(fā)射模式時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)均勻性有關(guān)，因此設(shè)定靶組織表面的目標(biāo)磁場(chǎng)是均勻的，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，并設(shè)定其大小為單位場(chǎng)強(qiáng)1亨利；設(shè)定所用線圈支撐殼體為圓柱面形；由于電流密度均分布于圓柱表面，因此在理論建模中只考慮旋轉(zhuǎn)角方向和柱面長(zhǎng)度軸方向的電流密度分量，且每一個(gè)電流密度分量?jī)H以旋轉(zhuǎn)角和柱面長(zhǎng)度軸為自變量；(2)通過(guò)目標(biāo)場(chǎng)求得線圈表面的電流密度首先設(shè)定兩個(gè)邊界條件，1)在柱面兩端，柱面長(zhǎng)度軸方向的電流密度分量為零，幻在無(wú)線圈回路區(qū)域與線圈回路區(qū)域的兩條交界線上，旋轉(zhuǎn)角方向的電流密度分量為零；構(gòu)造出電流密度的二重傅里葉級(jí)數(shù)形式為
權(quán)利要求
1.一種用于引導(dǎo)超聲聚焦系統(tǒng)的射頻線圈，所用線圈支撐殼體(1)為圓柱面；其特征在于所述圓柱面徑向設(shè)有弧面缺口 α ；線圈回路排布于所述支撐殼體(1)上，所述線圈回路包括兩組8字形回路(2、；3)和一組環(huán)形補(bǔ)償回路；所述兩組8字形回路沿圓柱軸向平行排布，同一個(gè)8字形回路的兩個(gè)環(huán)沿圓柱圓周方向排布；所述環(huán)形補(bǔ)償回路(4)排布于兩組8字形回路正中間沿圓柱圓周方向排布；所述8字形回路交叉部分均設(shè)有絕緣墊(8)；所述兩組8字形回路在接入輸出電路板(5、6)時(shí)并聯(lián)成一個(gè)通道；環(huán)形補(bǔ)償線圈單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)通道，并接入輸出電路板將信號(hào)送出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于引導(dǎo)超聲聚焦系統(tǒng)的射頻線圈，其特征在于所述排布線圈為寬度10_20mm的紫銅帶材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于引導(dǎo)超聲聚焦系統(tǒng)的射頻線圈，其特征在于所述射頻線圈還包括設(shè)置于電路板上的去耦電路、調(diào)諧電路、匹配電路、去耦保護(hù)電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于引導(dǎo)超聲聚焦系統(tǒng)的射頻線圈，其特征在于所述去耦電路為電容量為20pF的高精度可變電容并聯(lián)在兩個(gè)通道之間；所述調(diào)諧電路采用LC串聯(lián)諧振電路，并將多個(gè)電容并聯(lián)；所述匹配電路為在每個(gè)通道端口處設(shè)置50歐姆匹配電路；所述去耦保護(hù)電路為在每塊電路板上設(shè)置由雙向二極管及電感器構(gòu)成的去耦保護(hù)電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于引導(dǎo)超聲聚焦系統(tǒng)的射頻線圈，其特征在于所述線圈支撐殼體為無(wú)磁有機(jī)玻璃材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的一種用于引導(dǎo)超聲聚焦系統(tǒng)的射頻線圈，其特征在于所述線圈整體外部還設(shè)有一無(wú)磁絕緣材料制成的外殼，該外殼與支撐殼體扣合，共同將線圈包裹在二者形成的空間中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于引導(dǎo)超聲聚焦系統(tǒng)的射頻線圈，其特征在于所述支撐殼體與外殼均可分為兩半，每一半之間設(shè)有搭扣機(jī)關(guān)相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種用于引導(dǎo)超聲聚焦系統(tǒng)的射頻線圈，其特征在于所述圓柱面形線圈支撐殼體的半徑為16cm，長(zhǎng)度為3km，圓柱面徑向的弧面缺口為120°。
9.一種用于引導(dǎo)超聲聚焦系統(tǒng)的射頻線圈的設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟(1)根據(jù)具體的磁場(chǎng)分布需求提出一目標(biāo)磁場(chǎng)設(shè)定靶組織表面的目標(biāo)磁場(chǎng)是均勻的，并設(shè)定其大小為單位場(chǎng)強(qiáng)1亨利；設(shè)定所用線圈支撐殼體為圓柱面形；由于電流密度均分布于圓柱表面，因此在理論建模中只考慮旋轉(zhuǎn)角方向和柱面長(zhǎng)度軸方向的電流密度分量，且每一個(gè)電流密度分量?jī)H以旋轉(zhuǎn)角和柱面長(zhǎng)度軸為自變量；(2)通過(guò)目標(biāo)場(chǎng)求得線圈表面的電流密度首先設(shè)定兩個(gè)邊界條件，1)在柱面兩端，柱面長(zhǎng)度軸方向的電流密度分量為零，2)在無(wú)線圈回路區(qū)域與線圈回路區(qū)域的兩條交界線上，旋轉(zhuǎn)角方向的電流密度分量為零；構(gòu)造出電流密度的二重傅里葉級(jí)數(shù)形式為
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于引導(dǎo)超聲聚焦系統(tǒng)的射頻線圈的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟(3)中，所述離散化為將線圈回路離散化為四個(gè)單環(huán)，并將其中每?jī)蓚€(gè)分別進(jìn)行交叉串聯(lián)構(gòu)成兩組8字形回路；步驟(4)中，所述補(bǔ)償優(yōu)化是在兩個(gè)回路之間增加一路環(huán)形線圈，使其剛好補(bǔ)償在離散化所造成的圓柱體中部磁場(chǎng)強(qiáng)度降低所導(dǎo)致均勻性變差的缺陷。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于引導(dǎo)超聲聚焦系統(tǒng)的射頻線圈及其設(shè)計(jì)方法，屬于磁共振成像技術(shù)領(lǐng)域。該射頻線圈所用的線圈支撐殼體為圓柱面；并且圓柱面徑向設(shè)有弧面缺口α；線圈回路排布于支撐殼體上，包括兩組8字形回路和一組環(huán)形補(bǔ)償回路；兩組8字形回路沿圓柱軸向平行排布，同一個(gè)8字形回路的兩個(gè)環(huán)沿圓柱圓周方向排布；環(huán)形補(bǔ)償回路排布于兩組8字形回路正中間；8字形回路交叉部分均設(shè)有絕緣墊；兩組8字形回路并聯(lián)成一個(gè)通道；環(huán)形補(bǔ)償線圈單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)通道，并接輸出電路板將信號(hào)送出。該射頻線圈裝置使低場(chǎng)磁共振設(shè)備與超聲聚焦系統(tǒng)可以配合使用，并能為醫(yī)師提供足夠的手術(shù)操作空間，在熱消融手術(shù)中實(shí)現(xiàn)對(duì)人體組織溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)A61B5/055GK102565730SQ20111043997
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者辛學(xué)剛, 陳武凡, 韓繼鈞 申請(qǐng)人:南方醫(yī)科大學(xué)