Восьмиканальная радиочастотная катушка для сверхвысокопольного магнитно-резонансного томографа
EIGHT-CHANNEL RF COIL FOR ULTRA-HIGH-FIELD MAGNETIC RESONANCE IMAGING

Изобретение относится к медицинской технике и может использоваться в качестве приёмопередающей радиочастотной катушки для магнитно-резонансного (МР) томографа с уровнем постоянного рабочего поля 7 Тл и более.
Известна радиочастотная катушка для применения в сверхвысокопольной томографии в виде дипольной антенны, предназначенная для использования в качестве элемента приёмопередающей фазированной нательной решетки (заявка WO 2014133391 А1, опубликовано 4 сентября 2014), выполненной в виде немагнитной металлизации на диэлектрической подложке.
Данная радиочастотная катушка обладает существенным недостатком в виде высокого уровня удельного коэффициента поглощения электромагнитной мощности (УКП), который связан с высоким уровнем электрического поля, создаваемого на поверхности исследуемого объекта.
Устройство с пониженным УКП и выбранное в качестве прототипа к предлагаемому - восьмиканальная приёмопередающая радиочастотная катушка для сверхвысокопольной МР-томографии, интегрированная в корпус томографа. Катушка представляет собой восемь приёмопередающих антенных элементов, соединённых через цепи согласования с коаксиальными кабелями, являющимися входами/выходами катушки. Антенные элементы представляют собой металлические полосы, выполненные в виде металлизации на диэлектрической подложке, с разрезом в центре полосы, и соединены с металлическим радиочастотным экраном томографа в виде боковой поверхности горизонтально расположенной прямой призмы, и расположены параллельно восьми её граням. При этом угол между плоскостями антенных элементов равен 135°. Концы каждой половины антенных элементов соединены с радиочастотным экраном через два конденсатора ёмкостью 1 пФ (Orzada S. et al. Analysis of an integrated 8-channel Tx/Rx body array for use as a body coil in 7-Tesla MRI //Frontiers in Physics. – 2017. – Т. 5. – С. 17). При этом одна половина соединена через схему согласования с центральной жилой коаксиально кабеля, а другая с его оплёткой.
Прототип обладает недостатком в виде недостаточно высокого качества получаемых изображений из-за низкого уровня радиочастотного магнитного поля, возбуждаемого в объекте сканирования.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, – повышение качества получаемых МР-изображений.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении уровня радиочастотного магнитного поля в объекте сканирования в момент передачи РЧ-импульсов в процессе проведения МР-томографии.
Данный технический результат достигается тем, что восьмиканальная радиочастотная катушка для сверхвысокопольного магнитно-резонансного томографа, интегрированная в его корпус и содержащая восемь приёмопередающих антенных элементов, представляющих собой металлические полосы, выполненные в виде металлизаций на диэлектрических подложках, размещённых внутри горизонтально расположенной прямой металлической призмы параллельно восьми её боковым граням с углом между плоскостями антенных элементов, равном 135°, и соединённых через состоящие из немагнитных конденсаторов с ёмкостью от 1 до 100 пФ цепи согласования с коаксиальными кабелями, являющимися входами/выходами катушки, отличается тем, что прямая призма выполнена восьмигранной с длиной боковых граней a≥20000/f м, где f – рабочая частота томографа в МГц, и шириной b≥0,2 м, антенные элементы представляют собой сплошные прямоугольные полосы, большие стороны которых параллельны ребрам призмы и имеют длину L=k15000/f, где k – коэффициент со значением от 0,9 до 1,1, а ширину - не менее 0,195 м, соединенные через цепи согласования только с центральными жилами коаксиальных кабелей, оплётки которых присоединены к боковым граням призмы. Толщина диэлектрической подложки лежит в пределах от 0,02÷0,05 м, а в зазоре между краями антенных элементов электрически изолировано закреплены пары металлических рамок с длиной параллельной большей стороне антенного элемента в пределах 0,75L÷1,25L и шириной 0,02÷0,05 м, плоскости каждой пары рамок параллельны биссекторным плоскостям двугранных углов призмы, а рамки каждой пары соединены между собой немагнитным подстроечным конденсатором ёмкостью 0,5÷5 пФ и расположены друг относительно друга на расстоянии от 0,001 м до размера промежутка, ограниченного величиной зазора между ближайшими краями антенных элементов.
Сущность изобретения поясняется фигурами, где на фиг.1 изображен поперечный срез предлагаемой радиочастотной катушки, а на фиг. 2 – внешний вид катушки в изометрии. Фиг. 3 иллюстрирует внешний вид зазора между антенными элементами.
Устройство состоит  (фиг. 1) из восьми антенных элементов 1, выполненных в виде металлических полос прямоугольной формы, реализованных как металлизация на диэлектрической подложке с толщиной в пределах 0,02÷0,05 м. Антенные элементы 1 размещены внутри горизонтально расположенной прямой восьмигранной металлической призмы 2 с длиной боковых граней a≥20000/f м, где f – рабочая частота томографа в МГц, и шириной b≥0,2 м параллельно каждой из её граней. Угол между плоскостями антенных элементов 1 равен 135°. Большие стороны антенных элементов 1 параллельны рёбрам призмы 2 и имеют длину L=k15000/f, где k – коэффициент со значением от 0,9 до 1,1, а ширину - не менее 0,195 м. Антенные элементы 1 соединены через цепи согласования 3, состоящие из немагнитных конденсаторов ёмкостью 0,5÷5 пФ, с центральными жилами коаксиальных кабелей 4, являющимися входами/выходами радиочастотной катушки. Причём оплётки коаксиальных кабелей 4 соединены с гранями призмы 2. В зазорах между антенными элементами 1 расположены пары металлических рамок 5, длина которых параллельна большей стороне антенного элемента и заключена в пределах 0,75L÷1,25L, а ширина - 0,02÷0,05 м. При этом плоскости рамок 5 параллельны биссекторной плоскости двугранных углов призмы 2, а рамки каждой пары соединены между собой немагнитными подстроечными конденсаторами 6 ёмкостью 0,5÷5 пФ и расположены друг относительно друга на расстоянии от 0,001 м до размера промежутка, ограниченного величиной зазора между ближайшими краями антенных элементов.
Устройство работает следующим образом.
В момент передачи радиочастотные импульсы с приёмопередающего устройства томографа подаются через коаксиальные кабели 4 на антенные элементы 1. Внутри каждого антенного элемента 1, представляющего собой плоскопараллельный резонатор, возбуждаются собственные колебания, что обеспечивает возбуждение радиочастотного магнитного поля внутри объёма восьмигранной призмы 2. Толщина диэлектрической подложки антенного элемента 1 в пределах 0,02÷0,05 м максимизирует рабочую полосу частот антенного элемента 1, необходимую для передачи импульсных МР-сигналов и, тем самым, высокий уровень радиочастотного магнитного поля, так как данные антенные элементы 1 эквиваленты щелевым антеннам, вырезанным в металлическом экране (Сазонов Д. М. и др. Антенны и устройства СВЧ. – 1988, «Высшая школа», с. 258). Схема согласования 3, выполненная из немагнитных конденсаторов ёмкостью от 1 до 100 пФ, служит для трансформации импеданса антенного элемента к волновому сопротивлению коаксиального кабеля 4, что исключает снижение уровня радиочастотного магнитного поля. Наличие соединённых между собой подстроечными конденсаторами 6 рамок 5 в зазорах между антенными элементами 1, исключает снижение радиочастотного магнитного поля из-за связи между входами антенных элементов. В режиме приёма радиочастотная катушка работает аналогичным образом, но в обратном направлении. Сигнал отклика, возникающего в объекте сканирования, наводит сигнал в антенном элементе 1. Далее через цепь согласования 3 сигнал отклика через коаксиальные кабели 5, которые в данном случае являются выходами радиочастотной катушки, поступает на приёмопередающее устройство томографа для обработки и построения МР-изображения. Таким образом, реализация антенных элементов в виде металлизации на диэлектрической подложке в сочетании со схемами согласования и рамками, размещёнными в зазорах между антенными элементами, обеспечивают высокий уровень радиочастотного магнитного поля и его сохранение.