用于TRASE MRI性能改善的扭曲螺线管线圈（twisted solenoid coils）之替代绕制模式（Alternative winding patterns）

《Journal of Magnetic Resonance》：Alternative winding patterns for twisted solenoid coils with improved characteristics for TRASE MRI

　　

摘要：发射阵列空间编码（Transmit Array Spatial Encoding, TRASE）是一种利用射频或B1场相梯度实现空间编码的磁共振成像（MRI）技术，其潜在优势包括硬件简化及声学噪声降低。研究人员通过毕奥－萨伐尔（Biot–Savart）数值模拟，评估了数种用于TRASE相位梯度线圈的扭曲螺线管（twisted solenoid）绕制模式，包括已有带/不带回线的扭曲螺线管设计、双绕制扭曲螺线管（double-wound twisted solenoid）及离散环扭曲螺线管（discrete-loop twisted solenoid）。分析指标为B1场均匀性与相位线性度。结果表明，双绕制和离散环设计较既有设计均有相似程度的改善；其中离散环模式所需导线长度少于双绕制版本，是TRASE MRI系统中实际线圈制作与运行时的优选方案。

论文解读：

《Journal of Magnetic Resonance》刊载的本研究由Nahid Ghomimolkar、Alexander E. Krosney与Christopher P. Bidinosti完成，探讨用于TRASE（Transmit Array Spatial Encoding，发射阵列空间编码）MRI系统的射频（Radio Frequency, RF）相位梯度线圈——扭曲螺线管线圈（twisted solenoid coil）之替代绕制模式及其B₁⁺场特性改善。

一、研究背景与开展原因

传统MRI依赖静磁场梯度线圈（B₀梯度系统）进行空间编码，带来复杂硬件与较大声学噪声。TRASE MRI由Sharp和King提出，利用正交平面内B₁场线性相位梯度（phase gradient of the B₁field）取代B₀梯度完成空间编码，具备低成本、低场强及低噪声潜力。然而TRASE所用RF相位梯度线圈仍属新兴课题，缺乏传统MRI数十年RF线圈研发积累。近年出现的扭曲螺线管（twisted solenoid），源自双螺旋线圈（double-helical coil），可在垂直或横向主磁场（B₀）构型中产生线性RF相位分布，已被用于TRASE并在几何去耦、截断（truncated）设计等方面获初步改进。但现有扭曲螺线管的B₁场幅值均匀性与相位线性仍有提升空间，因此研究人员开展本研究，在相同几何参数下数值比较新型绕制图案相对经典设计的优劣。

二、主要关键技术方法

研究人员沿用文献中经实验验证的9.28 MHz与2.84 MHz TRASE扭曲螺线管几何参数（圆柱半径a＝7.8 cm，调制幅值A_n＝5.5 cm，螺距相关h＝3.0 cm，匝数N＝10，多极阶数n＝2，初相φ＝0），借助Biot–Savart定律数值计算四种典型绕制模式的B₁场分布，提取B₁幅值均匀性及沿指定轴相位梯度线性度进行量化对比。四种模式分别为：经典扭曲螺线管（有无回线）、带反向并联绕组的双绕制扭曲螺线管（double-wound twisted solenoid）、由分立环按扭曲螺线管路径排布的离散环扭曲螺线管（discrete-loop twisted solenoid）。

三、研究结果

Parametric curves and winding patterns

研究人员给出经典扭曲螺线管绕组参数曲线P(θ)＝(a·cosθ, a·sinθ, A_n·sin(nθ＋φ)＋(h／2π)·θ)，在此基础上定义双绕制与离散环两种变体：双绕制即在同骨架上沿相同路径反向叠加第二股导线以部分抵消非期望B₁分量；离散环模式则将连续螺旋近似分解为沿参数曲线等角度分布的一圈圈独立小环（discrete loops），整体仍服从原扭曲螺线管空间位形。

B₁Field evaluation

采用与前人一致的仿真设置，主磁场B₀沿x轴，计算区域内仅考虑横向分量B_1y与B_1z，合成B₁幅值与arg(B_1y＋iB_1z)即相位分布。均匀性以ROI内|B₁|变异系数衡量，相位线性以沿目标轴拟合残差评估。

Comparison of the four archetypal twisted solenoid winding patterns

Biot–Savart仿真表明，相对于原始扭曲螺线管（带或不带回线），双绕制扭曲螺线管与离散环扭曲螺线管在成像敏感区内均展现更高的|B₁|均匀性及更优的相位梯度线性度，且二者性能相近。双绕制需双倍导线长度从而增加电阻与RF功耗；离散环模式仅需与原设计相当的总导线长度即可实现同等改善，工程实现难度未显著增加，且先前提出的截断设计（coil truncation）可自然推广至离散环构型。

四、讨论与结论总结

研究人员指出，引入双绕制与离散环两种替代绕制模式可有效提升TRASE用扭曲螺线管线圈的B₁场均匀性和相位线性度。综合考量制作复杂度与导线用量，离散环扭曲螺线管（discrete-loop twisted solenoid）为最优方案，适宜在低场TRASE MRI系统中推广。此比较研究为垂直B₀磁体构型的TRASE RF相位梯度线圈优化设计提供量化依据。

Conclusion（结论译文）：

总体而言，本比较研究为采用垂直B₀磁场的TRASE MRI系统中RF相位梯度线圈设计改进提供了有价值信息。本研究主要目标是引入可改善B₁场均匀性与相位线性度的替代扭曲螺线管绕制模式。此前的不完整扭曲螺线管（Incomplete Twisted Solenoid, ITS）虽被用于指导TRASE线圈设计，但未能充分反映回线等因素对B₁特性的不利影响。本研究之双绕制与离散环设计克服了部分局限，尤以离散环模式兼具性能提升与耗材节约，推荐作为后续TRASE线圈构建之首选拓扑。