傅方杰，徐俊成，趙超，姚守權(quán)，蔣瑜

功能磁共振成像作為一種新興的神經(jīng)影像學(xué)方法，在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域中起到了不可替代的作用[1-3]。而獼猴由于在形態(tài)學(xué)上與人類相似，遺傳物質(zhì)上與人類有很高的同源性，以及具有更容易飼養(yǎng)、適應(yīng)性更好等特點。近年來利用功能磁共振成像方法，探究獼猴腦部的認(rèn)知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機制，已成為熱門研究方向[4-8]。

由于獼猴大腦的尺寸相比于人類來說要小得多，因此獼猴腦部的成像對磁共振圖像的信噪比以及分辨率的要求更高，而現(xiàn)有商業(yè)磁共振接收線圈由于很難做到貼合獼猴腦部，其填充系數(shù)較低，導(dǎo)致信噪比也較低，往往很難清晰地顯示猴腦的各個細(xì)節(jié)。因此，設(shè)計一款專門用于獼猴腦部成像實驗的多通道接收線圈顯得尤為重要。國內(nèi)外已有很多相關(guān)的研究，Khachaturian[9]曾設(shè)計過獼猴腦部的四通道接收線圈，但由于線圈并沒有完全貼合猴腦，無法達(dá)到最高的信噪比。李磊等[10]曾對獼猴腦部不規(guī)則線圈進(jìn)行過仿真測試，但僅對相鄰兩重疊線圈間的去耦進(jìn)行了仿真，沒有涉及非相鄰線圈間的去耦問題，線圈無法完全覆蓋整個猴腦。

本文介紹了一種針對特定獼猴腦部的定制多通道線圈的設(shè)計方法。首先通過工程制圖軟件，根據(jù)某一特定猴腦設(shè)計一款緊貼猴腦的多通道表面線圈，再通過電磁場及電路仿真軟件對線圈的空間位置、線圈的通道間去耦以及調(diào)諧匹配等進(jìn)行仿真優(yōu)化，以消除多通道線圈的兩兩通道之間的耦合，從而得到線圈及電路的最優(yōu)參數(shù)，完成對該猴腦定制線圈的設(shè)計。

1 線圈形狀的設(shè)計

在進(jìn)行獼猴腦部功能磁共振成像，尤其是清醒獼猴的MRI實驗時，由于獼猴在實驗過程中會產(chǎn)生不自覺的運動，這樣會導(dǎo)致運動偽影的產(chǎn)生，從而大大降低最終圖像的質(zhì)量。因此在進(jìn)行清醒獼猴的MRI實驗時，往往需要一些約束猴頭運動的裝置，而線圈形狀的設(shè)計就必須考慮避開這些約束裝置。

蔡昕[11]曾提出一種獼猴固定方法，其通過在獼猴頭骨植入的固定樁與外部容納裝置機械連接的方式，將獼猴頭部進(jìn)行較好的固定。李磊等[10]曾提出一種線圈設(shè)計方法，其做到避開獼猴頭部固定樁并貼合獼猴腦部，同時相鄰線圈做到重疊面積去耦。

本文根據(jù)上述文中提出的方法，將某一實驗得到的靜息態(tài)獼猴腦部磁共振圖像還原成3D猴頭模型，并根據(jù)該3D模型設(shè)計一款避開固定樁并貼合猴腦的線圈，線圈形狀如圖1。再將該線圈模型導(dǎo)入電磁場仿真軟件HFSS中，調(diào)整線圈的形狀及位置，使得每組相鄰線圈通道之間在線圈諧振頻率處(根據(jù)Siemens Trio Tim 3.0 T磁共振系統(tǒng)，線圈諧振頻率為123.3 MHz)隔離度較高，實現(xiàn)相鄰線圈之間的重疊面積去耦，仿真結(jié)果見圖2，其中S21參數(shù)為兩個線圈仿真端口之間的傳輸系數(shù)，能反映兩個線圈通道之間的隔離度，S21越小，代表隔離度越高。

2 非相鄰線圈間LC去耦的仿真

2.1 LC去耦理論

多通道接收線圈相比于單通道線圈在信噪比方面往往有很大的優(yōu)勢。然而隨著通道數(shù)的增加，通道間的互耦問題將嚴(yán)重影響接收線圈的接收性能。如圖3[12]。當(dāng)兩個線圈相互靠近時，每個線圈的諧振峰將分裂成兩個峰，導(dǎo)致線圈在工作頻率f0處靈敏度下降，且一個線圈的信號和噪聲也能耦合到另一個線圈中。因此，筆者在設(shè)計多通道線圈的時候就必須考慮通道間的去耦。

通道間互耦產(chǎn)生的原因是線圈間的互感，因此消除通道間耦合的關(guān)鍵就是減小線圈之間的互感。前文中提到將相鄰線圈一部分面積重疊以達(dá)到去耦目的的方法為重疊面積去耦法，但其只能做到消除相鄰線圈之間的耦合，因此，本文將用到另一種去耦方法——LC去耦法[13]。

LC去耦原理示意圖如圖4[14]，其中L為線圈，與諧振電容C1、C2組成諧振回路，X為去耦元件。當(dāng)回路之間是電容性耦合時，X為電感；是電感性耦合時，X則為電容。將回路1耦合到回路2的電壓看作一個電壓源，其電壓為V。V2為通道2端口電壓，當(dāng)完成去耦時，流經(jīng)通道2的L的電流為0，因此，此時V2也為0。假設(shè)流過回路1中C1的電流為i1=Ie-jωt，則回路1端口電壓為：

其中ω為諧振頻率。假設(shè)回路間是電感性耦合，X是電容，那么通過X的電流為：

假設(shè)回路之間的互感為M，那么由回路1耦合到回路2的電壓以及通過回路2中L的電流分別為：

當(dāng)回路A通過X流入回路2的電流與通過耦合進(jìn)入回路2的電流相互抵消，即

此時相當(dāng)于回路1無耦合電流流入回路2，兩個線圈之間沒有互感，耦合被消除。

將式(2)和式(4)帶入式(5)，可得：

當(dāng)回路之間的耦合為電容性耦合時，X為電感，經(jīng)過推導(dǎo)可得相同的結(jié)論。

2.2 雙線圈之間的LC去耦仿真

首先將四通道線圈模型中不相鄰但相互靠近的一組線圈單獨建模，如圖5。再將該雙線圈模型導(dǎo)入電磁場仿真軟件HFSS中，仿真其電磁場特性。仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS的高速電路仿真軟件。由于線圈間存在耦合，筆者很難對兩個線圈單獨進(jìn)行調(diào)諧與匹配而不相互影響，因此需要先根據(jù)線圈的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁場仿真，將得到的數(shù)據(jù)再導(dǎo)入電路仿真軟件中，進(jìn)行調(diào)諧與匹配仿真，從而得到調(diào)諧電容與匹配電容的值。在雙線圈電路仿真中，將事先得到的調(diào)諧電容與匹配電容的值輸入，得到相鄰線圈的耦合結(jié)果如圖6。由圖6A可得，兩個線圈之間的傳輸系數(shù)S21在諧振頻率處-7.83 dB，可以看出線圈之間的隔離度較低，耦合較大，而根據(jù)圖6(B)也能看到，單個線圈諧振峰分裂成兩個諧振峰，線圈在諧振頻率處S11值較大，即反射較大，說明接收性能較差。

因此，需要加入LC去耦網(wǎng)絡(luò)。雙線圈之間的去耦電路示意圖如圖7，在電路仿真軟件中加入LC去耦網(wǎng)絡(luò)，得到仿真結(jié)果如圖8。由仿真結(jié)果可以看出，在加入了去耦網(wǎng)絡(luò)以后，線圈間的傳輸系數(shù)S21在諧振頻率處達(dá)到最低，為-30 dB左右(一般認(rèn)為線圈間S21不應(yīng)超過-15 dB[14])。而通過S11圖也可以看出，兩個線圈均能同時調(diào)諧至123.3 MHz附近，諧振峰不分裂，通過匹配網(wǎng)絡(luò)也能將線圈在諧振點處的反射調(diào)至-30 dB以下，說明線圈均能較好地接收信號，耦合基本被消除。

表1 各線圈之間的傳輸系數(shù)(dB)Tab. 1 The transmission coefficient of the coils (dB)

表2 各線圈諧振頻率及諧振點處的反射系數(shù)Tab. 2 The resonant frequency of each coil and reflection coefficient at the resonance point

3 四通道線圈的仿真

前文已經(jīng)驗證了相鄰線圈間的重疊面積去耦仿真以及非相鄰線圈之間的LC去耦仿真，通過仿真結(jié)果圖2和圖8可以看出，通過重疊面積去耦的兩個線圈，其隔離度要高于通過電容電感去耦仿真的線圈，說明重疊面積去耦效果要好于電容電感去耦。此外，重疊面積去耦只需調(diào)節(jié)線圈的位置，無需添加額外的電路，相對于電容電感去耦也更加簡單方便，因此一般優(yōu)先選擇重疊面積去耦的方法。然而，本文設(shè)計的線圈由于需要避開獼猴頭部的固定裝置，將線圈分為左右兩組，因此左邊與右邊的線圈無法做到部分面積重疊，所以無法重疊的線圈之間將采用電容電感去耦法進(jìn)行去耦。

四通道線圈的仿真電路示意圖如圖9所示，圖中線圈均簡化成圓形線圈，實際線圈形狀如圖1所示。其中相鄰線圈1～2、3～4之間通過重疊面積去耦，非相鄰線圈1～3、1～4、2～3、2～4之間通過去耦電感L13、L14、L23、L24形成的去耦網(wǎng)絡(luò)完成去耦。

最終通過調(diào)節(jié)相鄰線圈之間的位置以及各個去耦電感的大小，使得各個通道間的耦合達(dá)到盡可能最小。最后仿真結(jié)果如表1所示。各個線圈之間的傳輸系數(shù)均在-15 dB以下，大部分線圈之間傳輸系數(shù)在-30 dB以下。

在線圈之間的耦合基本被消除以后，便可以對各個線圈進(jìn)行調(diào)諧與匹配。結(jié)果如表2，各個線圈均能調(diào)諧至123.3 MHz附近，并且峰值均低于-40 dB，證明有較好的匹配。

4 討論

本文介紹了一種獼猴腦部的多通道接收線圈的設(shè)計方法。根據(jù)特定實驗用獼猴頭部，定制一款幾乎完全貼合猴頭的多通道接收線圈。并通過仿真實現(xiàn)多通道間的去耦問題，驗證了該設(shè)計方法的可行性。

在仿真過程中，根據(jù)獼猴頭部結(jié)構(gòu)以及固定樁的位置情況設(shè)計線圈的形狀，并根據(jù)重疊面積去耦確定相鄰線圈之間的位置關(guān)系，非相鄰線圈之間通過LC去耦網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)去耦，最終在仿真中實現(xiàn)四通道線圈間的去耦。在后續(xù)實驗中，將根據(jù)本文的線圈設(shè)計，設(shè)計一款用于線圈及電路板固定的獼猴頭盔并通過3D打印制成實物，再根據(jù)本文得到的各項電路參數(shù)進(jìn)行實際的線圈電路調(diào)試，最后在Siemens Trio Tim 3.0 T磁共振系統(tǒng)中完成獼猴腦部的成像實驗。

利益沖突：無。