Decoupling Methods of Magnetic Resonance Imaging Array Coils and Its Biomedical Applications

在磁振造影系統(Magnetic Resonance Imaging，MRI)中，影像的品質與射頻線圈有最直接的關係，而射頻線圈尺寸與產生出 場及可視範圍(Field of view，FOV)息息相關。單一表面線圈雖能提高局部區域高信雜比(Signal to noise，SNR)，但是受限線圈的大小，無法提供區域面積較大的影像。因此，提高表面線圈的數目，不僅可以保有高信雜比的優點，更可增加可視範圍，來提供更多元之磁振造影之應用。然而在增加線圈數目的同時，線圈之間的耦合效應(Coupling)也相對增加，因此如何有效的消除線圈耦合效應，則是本研究的重點。除此之外，利用陣列線圈中單一通道的敏感度(Sensitivity)特性，發展出平行影像的加速應用，使陣列線圈除了可以提供高信雜比、更大的可視範圍之外，更可以縮短取像時間，更進一步提供磁振造影能夠有更多領域的應用。 本論文將文獻上的各種去耦合(Decoupling)理論，包含幾何去耦合(Overlap decoupling)、電容去耦合(Capacitive decoupling)、前置放大器去耦合(Preamplifier decoupling)做完整的整理及推導，並佐以電磁模擬軟體HFSS利用三維空間設計來模擬這三種去耦合理論，並提供設計線圈時的準則。 於理論及模擬之外，我們首先針對幾何去耦合及電容去耦合來實作2通道(2 channels)線圈，並成功的在台大電機3T MRI下取得食鹽水仿體影像，並藉由均勻的仿體影像來探討這兩種單獨去耦合方法的優缺點，其後，並結合這兩種去耦合方法的優點來實作第三種線圈；我們亦將線圈應用到小鼠的解剖影像，並驗證這三種去耦合方式的可行性。 由於幾何與電容去耦合仍會受到線圈幾何配置影響，設計上及線圈通道數有些許限制；而前置放大器利用低輸入阻抗來去耦合，較不受到線圈間幾何形狀所限；因此第二階段的實作，利用放大器的去耦合優點，將線圈的形狀應用至3通道脊椎線圈，及4通道體線圈，也成功的在台大電機3T MRI系統取得食鹽水仿體及小鼠影像。由量測及影像結果，前置放大器的去耦合效果使通道間之隔離程度 降低至-25dB以下，並且利用平行影像敏感度編碼(Sensitivity encoding，SENSE)重建，確定陣列線圈可成功加速至2倍。 本研究初步結合去耦合理論提供實驗的佐證，並完成了線圈及放大器的設計原理可供未來應用參考，若再增加陣列線圈數目，則可擁有更高倍數的加速，更可提供活體生物的應用。In MRI (Magnetic Resonance Imaging) system, phased-array coils have been used to have high signal-to-noise (SNR) as well as to cover big field-of-view (FOV). When the numbers of coils increases, the coupling between coils get increased also. How to decrease the mutual inductance between these coils is the main goal of this thesis. In these several years, array coils have also combine parallel imaging to reduce the acquisition time for fast imaging applications. Overlap decoupling, capacitive decoupling, and preamplifier decoupling theories are introduced in this thesis. These decoupling methods are also verified by HFSS simulation, which can create 3D models for real coils situations, and provide rule of thumb for coil design. In addition to theory and simulations, two channel array coils were designed with overlap and capacitive decoupling for phantom and mice at 3T MRI in National Taiwan University. Advantages and disadvantages of these two methods are also discussed. A hybrid method cover these two methods was also designed for mice anatomic imaging. Preamplifier decoupling was also introduced due to the limitation of decoupling effects for complicated geometry coil for these two methods. We take advantage of preamplifier decoupling with low input impedance for better decoupling in complicated coil configuration. Three channel spine array coils and four channel whole body array coils was implemented with better isolated images (<-25dB) in phantom and mice study than overlap and capacitive decoupling theory (almost >-20dB) of it. These multi-channel array could successfully used to reduce sampling time to half by SENSE(Sensitivity encoding) reconstruction. These design techniques of coils and preamplifiers could be used for large number of channels in future applications widely. IC fabrication as well wireless technology will be covered in the future studies.誌謝i 中文摘要ii 英文摘要iii 目錄iv 圖目錄viii 表目錄xi 第一章 緒論 1.1 研究動機1 1.2 研究主題2 1.3 論文架構3 第二章 射頻線圈、陣列線圈及平行影像理論 2.1 本章簡介4 2.2 射頻線圈理論 2.2.1 共振頻率4 2.2.2 S參數理論5 2.2.3 S參數量測方法6 2.2.4 表面線圈7 2.2.5 接收線圈調頻設計7 2.2.6 陣列線圈8 2.2.7 射頻線圈之信雜比9 2.3 陣列線圈去耦合理論 2.3.1 互感耦合理論11 2.3.2 幾何去耦合理論12 2.3.3 電容去耦合理論13 2.3.4 前置放大器去耦合理論15 2.4 陣列線圈去耦合理論電磁模擬 2.4.1 模擬環境17 2.4.2 幾何去耦合模擬18 2.4.3 電容去耦合模擬20 2.4.4 前置放大器去耦合模擬22 2.5 平行影像理論 2.5.1 SENSE之發展背景25 2.5.2 敏感度編碼26 2.5.3 平行影像與陣列線圈之雜訊27 第三章 幾何去耦合與電感去耦合線圈實作及結果 3.1 本章簡介30 3.2 實驗方法30 3.3 2通道線圈實作設計 3.3.1 幾何去耦合31 3.3.2 電容去耦合32 3.3.3 結合幾何及電容去耦合32 3.4 2通道線圈實作網路分析儀量測結果 3.4.1 幾何去耦合33 3.4.2 電容去耦合34 3.4.3 結合幾何及電容去耦合34 3.5 2通道線圈實作仿體結果 3.5.1 幾何去耦合35 3.5.2 電容去耦合37 3.5.3 結合幾何及電容去耦合38 3.6 2通道線圈實作小鼠結果 3.6.1 幾何去耦合40 3.6.2 電容去耦合42 3.6.3 結合幾何及電容去耦合43 3.7 3通道線圈實作設計與結果 3.7.1 線圈實作設計45 3.7.2 網路分析儀量測結果47 3.7.3 仿體結果47 3.7.4 小鼠結果49 3.8 幾何耦合及電容耦合討論 3.8.1 幾何去耦合及電容去耦合比較51 3.8.2 結合幾何及電容去耦合討論52 3.8.3 3通道結果討論53 第四章 前置放大器去耦合線圈實作及結果 4.1 本章簡介55 4.2 實驗方法55 4.3 線圈實作設計及量測參數 4.3.1 脊椎型陣列線圈56 4.3.2 4通道體陣列線圈56 4.4 阻抗匹配之前置放大器57 4.5 3通道脊椎陣列線圈結果 4.5.1 Coronal view59 4.5.2 Sagittal view63 4.6 4通道體陣列線圈結果66 4.7 放大器去耦合之實驗結果討論70 4.8 自製放大器實作與結果72 第五章 實驗討論、結論與未來工作 5.1 實驗討論79 5.2 結論79 5.3 未來工作80 參考文獻8