基于部分元等效电路法的磁共振超薄射频线圈设计

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在单边核磁共振领域,常采用性能优良,占用空间少,且制作工艺简单的PCB超薄射频线圈作为射频磁场激励和接收线圈。单边磁共振传感器中射频线圈的工作频率一般在几百k Hz到几MHz,集肤效应和邻近效应使得有效电流密度仅分布在铜线表面的薄层;同时,介质基片的极化与线圈周围金属的感应涡流也会影响线圈的阻抗和射频磁场分布。准确且快速计算超薄射频线圈的交流电阻、电感以及目标区域射频磁场分布,有利于线圈尺寸设计。超薄射频线圈厚度只有几十μm,而长度常以厘米甚至米为量级,常规有限元等数值方法在处理这种多尺度电磁场问题时剖分单元数量巨大,消耗的硬件资源和计算时长超过可接受范围。此外,由于考虑金属涡流影响下的射频线圈模型常常不具有对称性,无法建立简洁且可用的解析式进行计算。因此,针对单边核磁共振传感器中的超薄射频线圈,有必要寻找一种阻抗和射频磁场分布的快速计算方法。本文主要工作如下:(1)总结了常用射频线圈电磁场计算方法,采用部分元等效电路(PEEC)模型计算单边磁共振传感器中的超薄射频线圈阻抗和射频磁场;分别推导了只考虑电阻、电感效应的部分元等效电路模型和综合考虑电阻、电感、电容效应的部分元等效电路模型,实现了从电磁场问题到纯电路问题的过渡。(2)给出了PEEC模型的网格单元剖分方法,使得剖分单元数远低于常用的有限元等方法,推导给出了超薄平面矩形螺旋线圈、线圈两端圆截面引接线、介质基片以及线圈底部金属的剖分方法及对应PEEC模型,总结给出了PEEC剖分参数选取方法。并将线圈PEEC阻抗计算的精度和计算时间与实测和商用有限元仿真软件进行了对比。(3)基于毕奥萨伐定律,推导了PEEC模型下射频线圈的磁场计算,分析对比了射频线圈底部金属涡流对线圈阻抗和目标区域射频磁场的影响,给出了射频线圈的简化等效电路与调谐匹配电路。(4)对单边磁共振传感器,以射频线圈信噪比最大为优化目标,利用PEEC法精确且快速计算的优势,对超薄平面矩形螺旋射频线圈尺寸进行参数化扫描,得到了最优线圈尺寸。对硅橡胶复合绝缘子核磁共振测试,成功得到了高信噪比的伞裙CPMG回波信号。结果表明,PEEC法非常适合单边磁共振传感器中的超薄射频线圈设计。
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