（电工理论与新技术专业论文）磁共振成像超导接收线圈品质因数的研究.pdf

匕 ， a t h e s i si s t u d y “f、，旁 i“丫， 独创性l 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 镌麟 日期：删5 - 3 - 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： j ， 东北大学硕士学位论文摘要 磁共振成像超导接收线圈品质因数的研究 摘要 磁共振成像是现代医学影像领域中最先进的诊断方法之一，已被广泛应用于 临床医学。射频接收线圈是磁共振成像系统中拾取信号的核心元件，提高其品质 因数可以提高系统的信噪比，进而提高成像质量。超导材料的零电阻特性可使用 其制作的射频接收线圈品质因数得到提高。本文在国家自然科学基金“磁共振成 像m g b 2 接收线圈的研究”资助基础上，主要采用计算机有限元分析和低温实验 两种方法对超导接收线圈的品质因数进行研究。 首先运用a n s o f th f s s 高频电磁仿真软件，按照b i 2 2 2 3 超导接收线圈的实验 装置建立了能够准确地模拟实验系统特性的仿真模型，经过模拟计算得到的品质 因数结果与实验的结果基本一致。通过调整仿真模型中谐振电容的大小改变谐振 回路的谐振频率，得到了超导接收线圈的品质因数与不同谐振频率之间的关系曲 线。结果表明，只有在较低谐振频率下通过使用超导材料制作射频接收线圈才能 有效提高其信噪比。粉末套管法是超导带材制备中普遍采用的工艺，此法制备的 带材表面有一层金属护套，仿真研究发现，在金属护套完全包裹超导带材时，超 导谐振回路的品质因数与相同规格的金属谐振回路的品质因数相同；而在去除外 侧表面的金属层时可获得最大的品质因数。这对磁共振成像超导接收线圈的实际 制作有重要的指导意义。 实验使用西北有色金属研究院制作的m g b 2 环，自制了一个超导谐振回路， 并设计一套g m 制冷机环境下测试品质因数的低温实验系统。对m g b 2 超导接收 线圈的品质因数进行了测试，实验结果表明，m g b 2 超导谐振回路同比铜质谐振 回路品质因数提高1 4 4 倍，这与仿真结果基本一致。 关键词：磁共振成像； 超导接收线圈：谐振回路； 品质因数；仿真分析 一i i - l 。f ， 东北大学硕士学位论文摘要 s t u d y 0 1 1q u a l i t yf a c t o ro f s u p e r c o n d u c t i n g r e c e i v i n gc o i lf o rm r is y s t e m a b s t r a c t m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ( m 对) i so n eo ft h em o s t a d v a n c e dd i a g n o s i s m o t h o d si n t h e i m a g i n gf i e l do fm o d e mm e d i c i n e t h em o t h o dh a sb e e nw i d e l y a p p l i e dt ot h ec l i n i c a lm e d i c i n e r a d i of r e q u e n c y ( r f ) r e c e i v i n gc o i li sa ni m p o r t a n t e l e m e n to fc o l l e c t i n gs i g a l si nam r i s y s t e m h e i g h t e n i n gi t sq u a l i t yf a c t o r ( q 、c a n i m p r o v et h es i g n a l n o i s er a t i o ( s n r ) a n dt h ei m a g i n g q u a l i t yo f t h e s y s t e m s u p p e r c o n d u c t i n gm a t e r i a lh a st h ec h a r a c t e ro fz e r or e s i s t a n c e ，w h i c hm a k e sq u a l i t y f a c t o ro fs u p p e r c o n d u c t i n gr fr e c e i v i n gc o i li m p r o v e dg r e a t l y i nt h i sp a p e r , t w om a i n m e t h o d so fc o m p u t e rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h el o wt e m p e r a t u r ee x p e r i m e n tw e r e a d o p t e dt os t u d yo nt h eq u a l i t yf a c t o ro fs u p e r c o n d u c t i n gr e c e i v i n gc o i lb a s e do nt h e n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n dp r o j e c t s t u d yo nm g b 2s u p e r c o n d u c t i n gr e c e i v i n gc o i l f o rm r i s y s t e m ” a n s o f lh f s s ( h i g hf r e q u e n c ys t r u c t u r es i m u l a t o r ) w a sa d o p t e dt os t u d yt h e q u a l i t yf a c t o ro ft h es u p e r c o n d u c t i n gr e s o n a n c el o o p a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t s e t u po ft h eb i 2 2 2 3s u p e r c o n d u c t i n gr e c e i v i n gc o i l ，as i m u l a t i o nm o d e lw a sb u i l ta n d t h eq u a l i t yf a c t o ro fr e s o n a n c el o o pw a sc a l c u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ea c c o r d w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h er e l a t i o nc u r v eb e t w e e nt h eq u a l i t yf a c t o ra n dt h e r e s o n a n c ef r e q u e n c yw a so b t a i n e db yc h a n g i n gt h er e s o n a n c ec a p a c i t a n c eo ft h e r e s o n a n c el o o p t h er e s u l t si n d i c a t et h a to n l yu n d e rt h el o w e rf e q u e n c y u s i n ga s u p e r c o n d u c t i n gm a t e r i a la st h er fr e c e i v i n gc o i lc a ne f f i c i e n t l yi m p r o v et h es n r o f t h em r is y s t e m p i ti sag e n e r a lp r o c e s st e c h n o l o g yi nt h es u p e r c o n d u c t i n gt a p e f a b r i c a t i o n ，h a v i n gam e t a ls h e a t ho nt h es u r f a c eo ft a p e t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s t h a tt h eq u a l i t yf a c t o ro fs u p e r c o n d u c t i n gr e s o n a n c el o o pi st h es a m ea st h a to ft h e m e t a lr e s o n a n c el o o pw h e nt h e s u p e r c o n d u c t i n gt a p ei se n w r a p p e db yt h em e t a l s h e a t h t h eq u a l i t yf a c t o rw o u l db et h em a x i m u mo n l yw h e nt h eo u t e rl a t e r a ls u r f a c eo f m e t a ls h e a t hw a sr e m o v e d t h e s er e s u l t sh a v ei m p o r t a n tg u i d i n g s i g n i f i c a n c ef o r m a k i n gp r a c t i c a ls u p e r c o n d u c t i n gr e c e i v i n gc o i l i i i 东北大学硕士学位论文摘要 i nt h ee x p e r i m e n t ，as u p e r c o n d u c t i n gr e s o n a n c el o o pw a sd o n eu s i n gt h em g b 2 m a d ei nt h en o r t h w e s ti n s t i t u t ef o rn o r - f e r r o u sm e t a lr e s e a r c h i t sq u a l i t yf a c t o rh a v e b e e nm e a s u r e di nt h eg - m r e f r i g e r a t o r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h eq u a l i t y f a c t o ro fm g b 2s u p e r c o n d u c t i n gr e s o n a n c el o o pi s1 4 4t i m e sh i g h e rt h a nt h a to f c o p p e rr e s o n a n c el o o p t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eb a s i c a l l ya c c o r dw i t ht h e s i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ( m r i ) ；s u p e r c o n d u c t i n gr e c e i v i n gc o i l ； r e s o n a n c el o o p ；q u a l i t yf a c t o r ；s i m u l a t i o na n a l y s i s i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a bs t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 磁共振成像基础知识1 1 1 1 磁共振成像原理2 1 1 2 磁共振成像仪组成4 1 1 - 3 磁共振图像的评价6 1 2 超导电性及其在磁共振成像系统中的应用8 1 2 1 超导体的性质8 1 2 2 超导电性在磁共振中的应用一1 0 1 3 磁共振成像超导接收线圈的研究现状1 1 1 4 课题意义及本文主要工作1 2 第2 章射频接收线圈的理论研究1 5 2 1 磁共振射频接收线圈工作原理15 2 2 接收线圈品质因数的理论分析1 8 2 2 1 串联谐振的特点1 8 2 2 2 品质因数的四种意义”2 1 2 3 超导材料应用在射频电路中存在的问题2 5 2 3 1 集肤效应2 5 2 3 2 交流损耗2 5 2 4 接收线圈品质因数的测试方法2 7 2 5 本章小结2 8 第3 章超导接收线圈品质因数的仿真分析2 9 3 1 有限元分析理论简介2 9 一v 一 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 1 有限元分析方法简介2 9 3 1 2a n s o f lh f s s 软件简介3 2 3 1 3a n s o f lh f s s 仿真关键技术3 4 3 2 仿真模型的建立和分析方法”3 5 3 2 1 创建模型3 5 3 2 2 模型材料与边界设置3 7 3 2 3 求解项设置3 9 3 3 仿真结果与分析4 l 3 3 1 超导与铜线圈品质因数比较4 l 3 3 2 谐振频率对品质因数的影响4 3 3 3 3 金属包套对品质因数的影响4 5 3 3 4m g b 2 超导线圈品质因数的仿真分析4 9 3 4 本章小结5 0 第4 章超导接收线圈品质因数的实验研究5 3 4 1 实验仪器简介5 3 4 1 1 频率特性测试仪5 3 4 1 2 低温制冷机“5 4 4 2m g b 2 超导谐振回路的制作5 5 4 3 温度测试系统的设计”5 6 4 4 实验结果与分析5 8 4 4 1m g b 2 超导线圈品质因数的测量”5 8 4 4 2 铜线圈的实验结果及对比分析6 1 4 5 本章小结一6 2 第5 章结论与展望6 3 参考文献6 5 致谢6 9 攻读学位期间发表的论文7 1 一v i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c ei n a g i n g ，m r i ) 是利用自旋的原子核在磁场 中与电磁波相互作用，引起共振，产生信号，经计算机处理、重建后成像的。它 是一种无损的检查技术，是计算机技术、电工电子技术及核磁共振理论等相结合 的科学结晶。是现代医学影像领域中最先进的诊断方法之一，已被广泛应用于临 床医学。 超导体独特的特性，可以制作出高场强的超导磁体和灵敏度极高的微弱信号 探测器，这意味着将超导材料应用于磁共振成像系统可以显著提高其成像质量， 而获得高质量图像一直是m r i 系统所追求的重要指标之一。m r i 系统中使用射 频接收线圈接收人体释放出的十分微弱的磁共振信号，然后对接收的信号进行放 大，采集和变换处理产生图像，由于接收线圈是输入通道的第一级，其灵敏度直 接影响系统的成像质量。理论研究表明，使用超导材料制作接收线圈可以获得很 高的灵敏度，进而提高成像质量。基于此，本文在国家自然科学基金“磁共振成 像m g b 2 接收线圈的研究”的资助基础上，主要对磁共振成像用超导接收线圈的 品质因数进行相关的研究工作。 本章将对磁共振成像基础知识、超导电性在磁共振成像系统中的应用、磁共 振成像超导接收线圈的研究现状进行概括和总结，并对论文所做的具体工作做概 要介绍。 1 1 磁共振成像基础知识 医用磁共振成像术是磁共振现象最为典型的两大成功应用之一，是8 0 年代发 展起来的一种全新的影像检查技术。它的全称是：核磁共振电子计算机断层扫描 术( 简称m ) 。 在1 9 7 2 年，劳特伯( p a u ll a u t e r b u r ) 通过使用梯度磁场线圈得到了一幅二维 质子密度加权图像【lj ，奠定了磁共振成像的基础。1 9 7 7 年，曼斯菲尔德( p e t e r m a n s f i e l d ) 发明e p i ( e c h o p l a n a ri a m g i n g ) 成像法，大幅度缩短了磁共振成像时 间，使磁共振成像更具实用价值。1 9 7 8 年英国科学家获得了第一幅人体头部的核 磁共振图像。8 0 年代美国政府丌始批准核磁共振机的商品化生产，并开始临床应 用。1 9 8 1 年在伦敦汉默史密斯医院出现了世界上第一台医用超导磁共振成像仪， 由于超导材料的使用使成像质量大大提高。从此，超导电性和核磁共振两门学科 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 紧密结合在一起，走入人们的生活。如今，磁共振成像检查己成为医学影像最先 进、最优秀的成像检查方式之一。 1 1 1 磁共振成像原理 具有自旋角动量和磁矩的原子核，在外磁场中，磁矩和磁场相互作用形成一 组能级，能级间距落在射频范围内。在适当射频作用下，原子核从射频场吸收能 量从低能级跃迁到高能级，产生核磁共振现象。 m r i 系统的基本原理是基于质子的核磁共振现象。人体中有大量的氢原子 核，其自旋量子数i = l 2 ，原子核的自旋磁矩为 = 掣厕 ( 1 1 ) , m e 式中，h 为普朗克常数，e 为质子电荷，m p 为质子质量，g 为核的朗德因子。 当它处于一个均匀稳恒的外磁场b z 中时，自旋磁矩为的氢原子核将处于两 个能级，一部分小磁矩沿着b z 方向，处于低能态；另一部分与b z 方向相反，处 于高能态，如图1 1 所示。 图1 。1 原子核自旋磁矩任外磁场中的能级分裂 f i g 1 1e n e r g yl e v e ls p l i to fn u c l e u si nm a g n e t i cf i e l d 两能级间的能量差为舡= 加8 0 ，同时，自旋的小磁矩绕b z 作拉莫( l a r m o r ) 进动，进动频率c o o = 吃，其中为核的磁旋比，h 为普朗克常数。 两能级原子核数将服从玻尔兹曼分布，低能级上的氢原子核数将稍高于高能 级。单位体积内，这一差别将形成宏观静磁化矢量 m 。：y n 肛，：n b o y 2 h 2 ( 1 2 ) 眠2 善心2 、r “2 ) 其与单位体积内氢原子核总数n 成j 下比，式中，为氢原子核的自旋磁矩沿外 磁场方向的分量。处于低能态原子核吸收h c o = y h b o 的电磁辐射能量后将跃迁到高 能级，这就是氢原子核的核磁共振现象。宏观上表现为静磁化矢量沿外磁场方向 oo 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的进动，如图1 2 所示。 图1 2 宏观磁矩沿外磁场方向进动 f i g 1 2m a c r om a g n e t i cm o m e n tp r e c e s s i o na r o u n db z 在平衡态下，沿着b z 方向的质子数目稍微多于反方向的质子，这些质子处于 不停的热运动中，它们的拉莫进动相位是异相的( 宏观磁矩m x y = 0 ) ，小磁矩的 总和表现为宏观磁矩m z = m o 。 当沿x 轴加上频率为的射频( r f ) 场b 1 时，从宏观看，b 1 对m o 施加的 力矩为m o b 1 ，它使m o 偏离z 轴。偏离z 轴的m o 又受到力矩m o xb z 的作用 而绕z 轴进动，进动频率为。在b 1 和b z 共同作用下，在实验室坐标系中， 宏观磁矩m o 以螺旋方式倒向x y 平面( 图1 2 ) 。在量子水平上，有的质子会吸 收射频场的能量，从低能念跃迁到高能态，这导致m z 分量减小，m x y 分量增大， 同时质子进动相位逐渐趋于同相。当m z 减小为零，m x y 达到最大时，所有的质 子同相。 一旦r f 场b 1 被关掉，质子吸收的能量释放出来，从高能级跳回到低能级； 进动的相位逐渐异相。这导致m z 恢复，m x y 衰减，这个过程称为“核磁弛豫”。 核磁弛豫过程用两个时间常数描述，一个是由自旋与晶格相互作用决定的纵向 m z 弛豫时间t l ，另个是由自旋与自旋相互作用决定的横向m x y 弛豫时间t 2 。 f m ：= m o ( 1 _ e7 1 ) ( 1 3 ) 一上 蚝= m o e 疋 ( 1 4 ) 若同时考虑到磁场的不均匀性，横向m x y 弛豫时间变为t 2 六。 人体中不同组织氢原子核的含量、化学环境都不尽相同，因此其自旋一晶格弛 豫时间t 1 和自旋一自旋弛豫时间t 2 也将不同。 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 现在，以自旋回波为例，介绍磁共振( m r ) 信号是如何获得的。图1 3 ( a ) 加上一个9 0 0r f 脉冲后的t = 0 时刻，在与m o 一同旋转的坐标系( x7 一y 乞z ) 中， m o 指向y 轴，所有自旋( 小磁矩) 同相。如果我们在垂直于y ( 固定坐标系) 放 置一个接收线圈，随着时间的推移我们会受到一个自由感应衰减( f i d ) 信号。( b ) 通过t 2 机制自旋异相，经过一个t e 2 时间，在t = t e 2 时刻，沿x7 方向加18 0 0r f 脉冲，使异相的矢量关于x7 轴反转同时相异变号。( c ) 由于磁场均匀性不变，进 动速度不变，经过t e 2 时间后，小磁矩逐渐同相( d ) 在t = t e 时，所有小磁矩 同相，则在一y 方向获得自旋回波，如图1 3 所示。 r b j 图1 3 自旋同波的形成 f i g 1 3t h ef o r m a t i o no fs p i ne c h o 如果在静磁场b z 方向上叠加一个线性梯度场g z 。共振频率与坐标z 就有了 一一对应关系，这样就可以确定出m r 信号来自哪罩，这就是空间编码技术 经过空问编码技术，用探测器检测并接受以电磁形式放出的核磁共振信号， 输入计算机，经过数据处理转换，最后将人体各组织的形态形成图像。 1 1 2 磁共振成像仪组成 磁共振成像系统是一套集多方面技术于一体的复杂系统，系统的基本结构按 功能可半h 略分为磁体部分，谱仪部分和计算机部分。磁体部分提供极化磁场b 。， 4 f i g 1 4s t r u c t u r eo fm r is y s t e m 由图可见，磁体部分是磁共振成像系统中最大、最重要的部分，是仪器的核 心。它主要由主磁体、梯度线圈和射频线圈三部分组成。 ( 1 ) 主磁体 主磁体是磁共振成像系统中的基础设施，磁共振现象就是在其提供的背景磁 场下发生的。其提供磁场的强度、均匀度和时问稳定性将决定最终得到图像的质 量。 从磁场的产生机制上磁共振成像主磁体可分为永磁磁体、常导磁体和超导磁 体。由于常导磁体有能耗高、磁场强度低和时问稳定性差的缺点，已基本不再生 产。目前，世界范围内，磁共振磁体技术主要向两个方向发展： 一方面是高场强的超导磁共振磁体，主要向1 5 t 以上发展。这些高场强的超 导磁共振系统主要服务于临床科研的需要，用于解决特殊的临床病症，探索和揭 示人体更深层次的奥秘，它们多集中在大型医疗和研究单位使用。 另一方面是向永磁低场强( 集中在0 2 t - - 一0 3 5 t ) 开放式磁体方向发展。这是当 前世界范围内m r i 发展的新潮流，已成为各级医疗单位、尤其是广大的中小医院 5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 购置的热门机种。即使是购置高场强超导磁共振的大型医疗单位，也积极争取再 购置永磁低场强开放式m r i 系统，以弥补高场强超导磁共振系统用于临床时在功 能上的不足( 例如同益盛行的介入治疗) 、并同时满足科研和临床两方面的需要。 而0 5 t 、1 0 t 等中或高中场强市场正在萎缩。 ( 2 ) 梯度线圈 梯度线圈用于在灵敏区内沿空间某个方向产生线性变化的磁场。一般磁共振 成像系统包含三对梯度线圈，产生彼此相互正交的三个梯度磁场，它们分别用于 层面选取、相位编码和频率编码。 梯度线圈的性能指标主要包括：线性度、强度和切换时间。线性度越高，图 像的几何失真越小。梯度场强度则决定空间分辨率。目前，在0 2 - - 0 3 5 t 永磁低 场强开放式m r i 中，一般梯度强度在1 22 2 m t m 之间，梯度切换率均在 2 4 m t m m s 以上。 ( 3 ) 射频线圈 射频线圈由发射线圈、接收线圈构成。射频系统通过射频信号源和射频脉冲 控制器控制射频放大器，由发射线圈向被监测人体发射射频电磁波，该电磁波将 激励背景磁场下的宏观磁矩绕静磁场方向进动，从而形成核磁共振现象。之后， 接收线圈探测人体散发的磁共振信号，经射频解调电路解调并由a d 转换器数字 化后供谱仪系统进行图象重建。 接收线圈是磁共振成像系统的关键。因为人体散发的磁共振信号相当微弱， 必须精细设计接收线圈才能尽量减小其噪声水平，从而得到高信噪比的磁共振图 像。通常接收线圈可分为四代：第一代是线性极化线圈；第二代是圆形极化线圈， 其更充分利用磁共振信号的能量比第一代线性极化线圈的信噪比提高了近4 0 ； 第三代是相控阵表面线圈，它出现于9 0 年代中期，通过减小单个线圈覆盖面积降 低噪声水平使其信噪比得到了进一步提高；9 0 年代末，第四代并行接收线圈快速 发展，为磁共振成像在时间和成像质量问提供了更加自由的权衡余地。 1 1 3 磁共振图像的评价 磁共振成像系统最终的目的是得到高质量的人体解剖图像以供医学诊断。而 任何一种成像方法或技术首先要考虑的就是图像质量的评价方法。对比度、分辨 率和信噪比是评价图像质量的三个重要指标。 ( 1 ) 对比度 6 一 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 图像的对比度是指相邻像素间灰度值( 亮度) 的差别。在磁共振图像中，对 比度反映体素间磁共振信号的差别。这一差别体现在不同体素i 、日j 氢原子核密度、 纵向弛豫时间、横向弛豫时间及运动速度等的不同。这正是磁共振图像能够反映 人体解剖结构和区分病变组织的物理学基础。图像的对比度主要受体素本身特性 和脉冲序列参数设置影响。 ( 2 ) 空问分辨率 空间分辨率指一幅图像中包含像素的多少。对于磁共振系统，等同于一幅解 剖图像中体素的多少。提高分辨率可增强区分组织结构细节及发现细小病灶的能 力。提高图像空间分辨率受静磁场均匀度、梯度场强度、扫描时间及图像质量等 方面要求的制约。 ( 3 ) 信噪比 信噪比( s n r ) 是指信号强度( s ) 与噪声强度( n ) 的比值。它是衡量图像 质量最重要的指标。任何增加信号强度或降低噪声强度的措施均可使s n r 提高， 从而使图像质量得到改善。 s n r 与接收线圈的几何形状、线圈的品质因素( q ) 、线圈与人体的温度、静 磁场强度( b o ) 、磁共振谱仪的动态范围、共振原子核密度、弛豫时间以及脉冲序 列参数的选择都有关系【2 1 。从不同的角度，s n r 可用不同的关系式表达。 豪尔特表达式： 3111 s n r ：a o 0 4 v 丁t 2 2 c ：a ( ) b 0 ) 4 r v t 2 5 c ( 1 5 ) r fc 彳r t se 彳 式( 1 5 ) 中a 是与接收线圈几何形状有关的常数，r 是接收线圈的半径，v 表示被检测区的体积，c 为人体中氢原子核的密度，t s 和t c 分别表示人体和接 收线圈的温度，t 2 为横向弛豫时间。从该式中可以看出，优化接收线圈的几何形 状，减小其半径，降低其温度，提高静磁场强度等手段对提高s n r 是有帮助的。 豪尔特一劳特伯表达式： s n r ：丝坚：堕坠一 ( 1 6 ) 口国。；+ 6 0 0 2 b i2 b 5 止( 声。) ；+ ( 归。) z b 。z b s 与公式( 1 5 ) 不同，式( 1 6 ) 中静磁场强度对s n r 的贡献更加明显。分母 中两部分分别代表线圈和人体的热噪声。 伍德表达式： 7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 s n r ：k ! 竺皇墨兰竺! 鱼兰型皇全 ( 1 7 ) n f 响n 山地b w 对于特定的磁共振成像系统，式( 1 7 ) 表达了不同序列参数对图像信噪比的 影响。增加平均次数( n s a ) 或降低扫描矩阵的大小( n 呐xn p h 撒) 将有助于提 高图像的信噪比。从另一角度讲，就是提高系统信噪比后，可在保持图像信噪比 不变的f j 提下，减低扫描平均次数( 这意味着成倍的降低扫描时间) 或提高扫描 矩阵的大小( 这将相应提高图像的空间分辨率) 。 从式( 1 5 ) 到式( 1 7 ) 可见，由于研究的出发点不同，考虑的因素也不同， 即便对于同样的影响因素，其对最终图像信噪比的影响程度也不同。经过实践的 验证，目前人们普遍同意以下关系 7 s n ro c 坠 ( 1 8 ) ；：兰坠：一 ( 1 ) , j r 。t s + r p t p 式中r s 为线圈损耗等效电阻，r p 为人体耦合损耗的等效电阻，而t s 和t p 分别为线圈和人体的温度。 由1 8 式可见，在基础磁场b o 一定的情况下，设法减小线圈损耗等效电阻r s 和人体耦合损耗的等效电阻r p 可以提高接收线圈信噪比，进而提高系统成像质 量。 1 2 超导电性及其在磁共振成像系统中的应用 超导电性被发现以来，受到众多科学家的极大关注，不断产生新的成果，有 数位科学家因此获得诺贝尔奖。超导电性在众多领域应用前景广阔，磁共振成像 技术等医学应用是其重要应用之一。 1 2 1 超导体的性质 超导是某些物质在一定温度条件下电阻降为零的性质。这一现象在1 9 1 1 年， 由荷兰物理学家卡昂尼斯率先发现。如图1 5 所示是汞的超导转折曲线，随着 温度的下降汞的电阻不是平滑地减小，而是在4 2 k 下突然降到零3 1 。 8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 矿 夕 i l 扩 3 。 温厦( k ) 图i 5 汞的超导转折曲线 f i g 1 5s u p e r c o n d u c t i n gt r a n s i t i o nc u r v eo fh g 在低温下，随着电阻的消失，材料已处于一种新的状态，这种状态被称作超 导态，而将这种材料称为超导体。发生电阻跃变时的温度，叫做临界温度，通常 用t c 表示。由于昂尼斯对低温物理的杰出贡献，特别是超导现象的发现，他获得 了1 9 1 3 年的诺贝尔物理学奖。但是，一般金属的t c 极低没有实用价值( 例如： 汞的t c 为4 2 k 、锡的t c 仅为3 4 k ) ，因此，在这之后科学家们一直致力寻找临 界温度更高的超导体，现在已经发现了上百种超导材料4 8 】，超导体发展简要历程 如图1 6 所示： 、 鼍 倒 赠 y u i i，嵋，- qj ，哪j ，l ，工i i 朋j 时嘲( y ) 图1 6 超导体发展简要历程 f i g 1 6t h e b r i e fc o u r s eo fd e v e l o p m e n ti ns u p e r c o n d u c t o r 其中m g b 2 是日本青山学院大学于2 0 0 1 年年初发现的会属系高温超导体，它 的超导临界温度为绝对温度3 9 度( 零下2 3 4 摄氏度) 。优点是原材料成本低廉， 加工容易，能够应用现有的超导体制造和加工技术。 m g b 2 作为一种极具比较优势的超导体，线材和带材研究吸引了很多研究人员 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的注意，并进行了很多有意义的工作【9 】。m g b 2 的线、带材制备技术主要有柔性金 属带材沉积膜技术、b 纤维m g 扩散技术以及粉术套管( p i t ：p o w d e ri nt u b e ) 技术。 b i 系超导体制备线、带材采用的p i t 技术所获得的研究成果，给制备m g b 2 线带 材起到了极好的启发和借鉴作用，对m g b 2 采用这种方法制备线材、带材也取得 了相当大的进展，使得p i t 成为目前实用化线材、带材制备技术的主流。实用化 线材、带材对传输大电流( 即高j c ) 的安全稳定性要求和必需的机械性能要求，使 得p i t 法制备m g b 2 线带材必须考虑两个方面的内容，即：包套材料的选择和超 导相的形成。随着各国研究人员的进一步探索，m g b 2 材料将在实际应用中取得 重大的突破【1 0 - 14 1 。 超导体的主要性质表现为： ( 1 ) 超导体进入超导态时，其电阻率等于零。 ( 2 ) 外磁场可破坏超导态。只有当外加磁场小于某一量值h e 时l 能维持超 导电性，否则超导态将转变为正常态，h e 称为临界磁场强度。h c 与温度的关系 为h c h o ( 1 - - ( t t o ) 2 ) ，h o 是t = 0 k 时的临界磁场强度。 ( 3 ) 超导体内的电流强度超过某一量值i c 时，超导体转变为正常导体，i c 称为临界电流。 ( 4 ) 不论丌始时有无外磁场，只要t t c ，超导体变为超导态后，体内的磁 感应强度恒为零，即超导体能把磁力线全部排斥到体外，具有完全的抗磁性。此 现象首先由w 迈斯纳和r 奥克森菲尔德两人于1 9 3 3 年发现，称为迈斯纳效应。 目前，超导材料在核磁共振成像技术、超导磁体系统、超导输电线、计算机 的超导逻辑和存储元件、超导谐振腔和高频电路元件、超导陀螺仪和加速计、无 摩擦超导轴承等多个领域都有重要应用【l5 1 。高温超导体的大量发现，使得使用廉 价、高效、安全的液氮作制冷剂或使用制冷机进行制冷成为可能，这不仅大大降 低了超导材料用于降温的成本，同时也降低了用于保持低温的保温系统的要求， 这很大程度上减小了设备的体积，使设备更适宜实际应用。 总之，超导技术是近3 0 多年发展起来的高新技术，随着实用高温超导材料的 不断发展，以及新型超导材料的研究探索，超导技术将在电力、交通、医疗、工 业和科学实验等各个领域都有重要的现实作用和广阔的发展前景。 1 2 2 超导电性在磁共振中的应用 制造磁共振设备的最终目的是得到人体的解剖图像。而评价图象质量的最主 1 0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 要参数是图像的信噪比。为此各国相关科研机构和商业公司都把研究重点集中到 如何提高磁共振信号强度和降低背景噪声上来，即提高系统信噪比。根据1 1 3 节中的分析，系统信噪比与背景磁场强度成正比，与线圈损耗等效串联电阻反比。 鉴于此，目前，人们把主要目光投射到通过进一步提高主磁体静磁场强度和 减小接收线圈损耗电阻来提高磁共振系统成像能力上【l 昏1 8 j 。 就目前已有的磁共振成像系统来说，系统主磁体有三类：永磁磁体、常导电 磁磁体和超导磁体。永磁体磁场较弱，主要用来制作低场丌放式磁共振系统；常 导电磁磁体和超导磁体是靠电流产生磁场。两者的主要区别是：常导电磁磁体用 铜导线承载电流，而超导磁体用超导线承载电流。 由于超导材料能几乎无损的承载远大于同体积铜导体的电流，因此，超导磁 体的场强普遍比常导电磁磁体高得多。但目前超导磁体主要由铌钛合金等低温超 导材料制成，超导体必须运行于液氦温度下，这使得其制冷费用相当高昂。 与低温超导体相比，高温超导体( h t s ) 有较高的临界温度，可以在制冷机冷却 下运行( 2 0 8 0 k ) ，摆脱了复杂而且昂贵的液氦制冷设备，同时也大大降低了制冷 系统的运行费用。因而，受到人们的极大关注，随着高温超导材料和技术的发展， 高温超导材料制备工艺日渐成熟。各国科研机构和相关企业正积极投入到高温超 导磁体实用化研究中来。 与此同时，人们也在通过优化接收线圈形状，尽可能减小其体积等一系列措 施减小线圈损耗等效串联电阻，以提高系统信噪比，经过多年的技术改进，接收 线圈形状已经尽可能的得到了优化。限制其损耗进一步降低的是铜的电阻导致的 损耗。由于超导材料的传输电流损耗远小于铜，因此国内外很多科研机构正在从 事磁共振超导接收线圈的研究。 1 3 磁共振成像超导接收线圈的研究现状 低温超导材料一般有较好的机械性能，容易加工成磁共振接收线圈要求的形 状，但它需要价格昂贵的液氦做制冷剂，才能实现超导转变。在同样大幅度增加 设备制造和运行成本的情况下，用低温超导材料制作超导磁体能获得更好的成像 质量。因此，低温超导磁共振接收线圈没有应用价值。与低温超导材料相比，高 温超导材料拥有较高的超导转变温度，可以在低温制冷机下实现超导转变，这将 大大降低制冷成本。但高温超导材料机械性能较差，不容易加工成复杂形状。这 阻碍了高温超导材料的实际应用。目前，应用高温超导材料还不能制作出磁共振 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 系统中用的磁体，高温超导磁共振接收线圈的研究主要是表面接收线圈的研究。 从高温超导磁共振接收线圈所用的高温超导材料上可分为高温超导薄膜磁共 振接收线圈和高温超导带材磁共振接收线圈两种。 高温超导薄膜磁共振接收线圈通常生长在陶瓷基底上，陶瓷基底只能制成小 块的平面结构，因此，高温超导薄膜磁共振接收线圈也只能制成平面结构，并且 最大尺寸被限制在1 0 c m 以下。这导致其成像视野( f o v ) 较小，不适于大面积 人体成像应用。但从已有文献上看，高温超导薄膜磁共振接收线圈的实验性能较 为突出【1 9 。2 2 1 。 与高温超导薄膜磁共振接收线圈相比，高温超导带材磁共振接收线圈可制成 任意大小，并且线圈的结构可在表面线圈和容积线圈间任意选择。只是其实验性 能不如高温超导薄膜磁共振接收线圈2 3 。2 7 1 。 在接收线圈的实际应用中，图像信噪比与成像区域到线圈表面的距离成反比， 与接收线圈的填充率的二分之一次幂成正比。平面线圈的填充率原本就低于容积 式线圈，加之低温容器在接收线圈和测试样品间将占据较大空间，这些因素使得 高温超导薄膜磁共振接收线圈实际应用时的填充率非常低。所以，在实际应用中， 高温超导薄膜磁共振接收线圈远达不到其理论预期的信噪比。从实际效果看，高 温超导带材磁共振接收线圈更适合实际应用。 另外，m g b 2 超导带材有原材料成本低，制备容易的特点，这使得用m g b 2 超 导带制作高温超导磁共振接收线圈拥有更大的成本优势。本论文中使用西北有色 金属研究院压制的m g b 2 环制作高温超导磁共振接收线圈，并进行相关的研究。 1 4 课题意义及本文主要工作 高温超导材料应用于磁共振成像仪的研究，不仅具有较高的应用价值，更具 有重要的学术意义。粉末套管法( p i t ) 工艺制备的b i 2 2 2 3 高温超导多芯带材是 较早进行商业化生产的实用高温超导材料