不规则结构MR射频线圈设计的理论模型与应用研究

MRI引导下的术中测温肿瘤热消融手术是MR系统临床应用新兴发展方向，这类应用需求具有术中通道的结构不规则的MR射频线圈。但现有MR射频线圈多为规则对称结构，不能满足MRI引导下术中应用需求，现有MR射频线圈设计理论方法也无法满足不规则结构线圈设计需要。本课题对多种MR射频线圈设计最新方法做出改进，提出（1）面向器官的不规则射频线圈设计的逆方法；（2）矩量法/时域有限差分法（MoM/FDTD）混合工程优化方法；（3）将上述两种方法有机融合，建立不规则射频线圈设计和优化理论新模型。新理论模型从术中应用需求出发，倒推出不规则线圈结构，并结合工程需要进行优化，能够为MRI引导下的术中应用提供面向不同器官的、可在任意需要位置预留术中通道的、线圈射频场与人体组织之间复杂电磁作用效应下适用的不规则结构线圈设计和优化解决方案。部分预研成果得到国际同行认可，证明新理论模型可行。最后研制实验线圈验证理论模型。

磁共振引导下的术中测温肿瘤热消融手术等应用是磁共振系统新兴发展方向，这类应用要求 磁共振系统的射频线圈面向不同部位器官在不同位置留置不同规格物理通道，需求结构灵活的不规则射频线圈。但现有磁共振射频线圈多为规则对称结构，不能完全满足磁共振引导下的术中应用需求。本研究提出了一种面向器官的逆方法设计思想与MoM/FDTD混合工程优化方法，并在此基础上形成完整的术中磁共振不规则射频线圈设计优化理论模型。整体研究工作包括：（1）面向器官的目标区域电磁场分布模型的研究；（2）不规则射频线圈设计的面向器官的逆方法理论研究；（3）不规则射频线圈MoM/FDTD混合工程优化方法理论研究；（4）实验体模研制及原型射频线圈的制作。在项目实施期间，本研究获得以下重大进展：（1）构建了女性盆腔包括皮肤、脂肪、肌肉、骨骼、子宫、子宫腔等多个组织或器官的真实人体三维电磁模型，并通过网格化方法对模拟进行优化，为研究电磁场对人体作用奠定了模型基础；（2）提出一套应用于面向器官不规则射频线圈设计的逆方法理论，该理论包括表面电流密度分布区域几何模型的建立、线圈表面电流密度计算以及不规则射频线圈导线排布方案的生成。其中，在线圈表面电流密度分布研究中首次提出的双边界条件，极大拓宽了原有逆方法的应用领域；（3）提出不规则射频线圈的FDTD/MoM混合优化方法，并对所开发的不规则结构原型射频线圈进行优化，优化后线圈性能显著提高；（4）确立模拟人体组织介电特性的介电材料研究的经验公式，通过该公式可计算模拟人体组织介电特性的介电材料配比，从而制作人体相应组织的介电特性体模。此外，本课题还开发了一套可用于磁共振测温的体模系统，为磁共振温度成像提供了必要的校准和评价手段。以上的研究进展为应用于磁共振引导热消融手术系统不规则结构射频线圈研发，提供了理论指导和技术支撑。课题开展3年以来，共发表学术论文22篇（SCI检索10篇），已授权发明专利4项，培养硕士研究生8名，并邀请2位境外专家来华交流，成果指标均达到或超过预期。