CN101454685A - 解调谐射频线圈 - Google Patents

Abstract

为了解调谐射频线圈(例如，在磁共振成像和光谱学中)，传输线缆的导电元件(102)用于形成可调谐到至少一个第一谐振频率的主谐振电路。传输线缆的第二导电元件(104)用于形成开关电路，该开关电路与所述主谐振电路电绝缘并且电抗耦合到所述主谐振电路，而且用于将主谐振电路调谐到至少一个第二谐振频率。

Description

解调谐射频线圈

本发明涉及磁共振(MR)成像和光谱学，特别地涉及解调谐射频(RF)线圈。

在瓦里安公司的专利申请(WO 02/082115 A2)中讨论了一种用于解调谐MR系统的圆柱状主RF线圈的设备。然而，他们的设备不易适用于RF线圈(例如，表面线圈)的其他配置。因此，需要具有能解调谐各种配置RF线圈的设备。还需要具有解调谐RF线圈并可适用于各种各样RF线圈配置的方法，以及具有采用这样的解调谐设备的磁共振系统。

因此，本文公开了一种解调谐各种配置的RF线圈的开关电路、一种使用这样的开关电路调谐RF线圈的方法以及一种包括具有这样的开关电路的RF线圈的MR系统。传输线缆的第一导电元件用于形成可调谐到至少一个第一谐振频率的主谐振电路。传输线缆的第二导电元件用于形成开关电路，该开关电路与主谐振电路电绝缘并且电抗耦合到主谐振电路。术语“电抗耦合的”或“电抗耦合”指电感耦合、电容耦合或两者的组合。开关电路用于调谐主谐振电路到至少一个第二谐振频率，其与第一谐振频率不同。

本文所公开的相应方法包括配置传输线缆的第一导电元件以形成可调谐到至少一个第一谐振频率的主谐振电路，配置传输线缆的第二导电元件以形成开关电路，该开关电路与主谐振电路电绝缘并且电抗耦合到主谐振电路，并且使开关电路将主谐振电路调谐到至少一个第二谐振频率。

通过将主谐振电路调谐到至少一个与主谐振频率不同的第二谐振频率，对开关电路进行的操作使得主谐振电路的谐振频率(例如一个或多个第一谐振频率)产生频移。因此，当其被操作时，开关电路对主谐振电路进行解调谐。因为开关电路和主谐振电路在同一传输线缆上形成，有可能获得能够解调谐各种各样RF线圈配置的解调谐电路。

基于下列实施例并参考附图，通过示例的方式在下文中详细说明这些和其他方面，其中：

图1示意性示出了所公开的可调谐RF线圈的实施例；

图2示意性示出了所公开的可调谐RF线圈的第二实施例；

图3示意性示出了所公开的可调谐RF线圈的第三实施例；

图4示出了调谐主谐振电路的一种方法；以及

图5示意性地示出了采用所公开的可调谐RF线圈的一实施例的一种磁共振系统。

各个附图中使用的相应的参考号表示图中相应的元件。

图1示出了可调谐RF电路装置的一个可能实施例。传输线缆100包括两个彼此绝缘的导电元件102、104。第一导电元件104形成RF接收线圈100的一部分，该接收线圈100调谐到至少一个第一谐振频率，并且使用电容106、110、114、116和电感118连接到匹配网络。还可以使用其他电路配置或拓扑来调谐和匹配RF接收线圈。第二导电元件102与电容108、112、和电感120、122串联连接以及并联连接到PIN二极管124。框126示出了包括例如电容和电感的集总电气元件的部分解调谐和开关电路。

对RF线圈进行解调谐是指将主谐振电路的谐振频率移频到不同于初始谐振频率的一个或多个其他频率的动作。当RF发送线圈为活动的或运行时，即，当系统向受检查的对象发送RF激励脉冲时，便通常对RF接收线圈进行解调谐。RF发送线圈还可以在RF接收线圈是运行的时候被解调谐，即，当RF接收方线圈正从受检查的对象接收MR信号时。常规上使用连接到主谐振电路(也被称为谐振器)的二极管来解调谐RF线圈。

原则上具有两种建立解调谐的方法。第一个方法是让二极管与谐振器串联。当二极管是正向偏置的，线圈被接通以允许RF电流流经线圈，而在反向偏置模式下，二极管形成高阻抗，因此电气地开启谐振器。在该设计下，二极管和额外焊接点等的等价的串联电阻引起的额外损耗直接影响谐振电路。二极管还产生额外的非热噪声或散粒噪声，该噪声会进一步减少线圈可获得的信噪比(SNR)。第二个解调谐RF线圈的方法是使用与谐振器串联的并联谐振电路，其中同样采用二极管来开闭并联谐振电路。在该情况下，要将谐振器切换到操作模式，二极管需是反向偏置的。然而，在该情况下，额外的部件同样地导致线圈中的损耗。特别地，第二可选方法需要额外的电感器，该电感器可以使得主谐振电路的B₁场分布失真。额外的电感由于其大小通常质量较低。而且，并联谐振电路在质量上还必须与谐振器具有可比性，这对于高Q值的线圈来说不易达到。

在上述解调谐的两个方法中，RF接收电路和解调谐电路电气地连接。相比之下，针对本文所公开的该类型的解调谐电路，RF接收器和解调谐电路是分离的，两者之间没有直接的电互连。相反，所提出的设备使用两个电路间的强电抗耦合以实现RF接收电路的解调谐。这就消除了将额外的集总电气元件或焊接点直接放置在RF接收电路的需要，因此减少了电路中的损耗。

在线圈大小与线圈和对象之间的距离具有可比性的情况下，RF接收线圈中的损耗可能变得更严重。RF接收线圈中这种损耗严重影响线圈的信噪比。所公开的解调谐方法描述了一种对这种RF接收线圈进行高效、省力以及更为重要的是线圈中额外损耗非常低的解调谐的方法。实现所公开的方法一种有效的方式是使用具有多条导线的传输线缆来构造谐振电路以及解调谐或开关电路。通过将传输线缆长度固定成所接收的MR信号波长的1/4，形成RF接收线圈的传输线缆还可以用作在谐振频率下的波导。

参考图1，形成RF接收线圈100的传输线缆的一条导线102连接到匹配网络以及紧随匹配网络的前置放大器。如图1所示，形成RF线圈100的另外导线104连接到开关电路，该开关电路通过二极管124与电容和电感并联连接形成的。RF线圈100调谐到期望的频率，例如64MHz，这是在1.5T的质子谐振频率。当然，RF线圈100可以调谐为任何合适的频率，这取决于被研究的核的种类、主要磁场场强等。可替代地，可以通过同时调谐到多个频率，使得RF线圈成为多谐振，针对此的方法为本领域的技术人员所熟知。

作为开关作用的二极管124可以是PIN二极管。当二极管124是反向偏置的，它表示高阻抗，典型地>100千欧。在该条件下，在导线104中几乎没有电流流动，因此，RF线圈的谐振频率不会发生变化。在该状态下，RF线圈100处在“操作”模式，这可以是“发送”模式和/或“接收”模式。将正向偏置应用到二极管124会使其导通，这允许电流在导线104中流动。导线102和104之间的电抗耦合具有将线圈100的谐振频移到不同频率的效果。可替代地，取决于电容108、112的选择，谐振频率可以被分割为两个或多个频率，因此减少原始谐振频率下RF线圈的灵敏度。在任何一种情况下，RF线圈100在其之前被调谐到的该频率下不能运行；实际上，谐振线圈100解调谐。

可替代地，PIN二极管124在RF线圈100的正常操作期间可以是正向偏置的。因此，RF线圈100当在导线104中有电流流动时被调谐为想要的频率。当PIN二极管124是反向偏置时，导线104中流动的电流下降到几乎为0，这改变了两条导线102、104之间的电抗耦合。这具有减少初始谐振频率下RF线圈灵敏度的效果，从而对RF线圈100进行了解调谐。

框126示出了的调谐和开关电路，其为了说明性的目的与接收线圈100分离。实际中，如图1所示，调谐和开关电路126可以采用额外集总元件连接的从相同的用于形成RF接收线圈100的传输线缆而形成。可以使用包括多于两条导线的传输线缆，其中一个导线用于形成开关电路，导线的余下部分可以连接起来，以形成单独的谐振电路，每个谐振电路被调谐到不同的谐振频率。通过操作开关电路，可以同步解调谐所有谐振线圈。

形成部分开关电路的导线104在框100内显示为完整的、未断开的导线，其仅为说明性的目的。即使导线断开或不完整，仍可能实现开关电路。在这样的情况下，开关电路主要是电容耦合到谐振电路。两条导线102、104的长度不需要相等，只要两条导线能够彼此电抗耦合。当形成RF线圈的导线相对较短并且未断开，它们之间的耦合本质上主要是电感耦合。当导线长度变成例如所接收MR信号波长的10％时，谐振和开关电路之间的耦合本质上更多可能是电容耦合的。

图2示出了所公开的解调谐电路的一个可能实施例，其中传输线缆是同轴电缆。同轴电缆由为外层覆盖物或屏蔽导线204所包围的至少一个内芯导线202组成。两条导线彼此电绝缘并一起形成RF接收线圈200。如图1所示同轴电缆连接到调谐、匹配和解调谐电路126。

如图1所示，通过连接谐振电容，同轴电缆的内部导线202或外部导线204可以用于形成主谐振电路。外部导线204与内部导线202相比具有较少的损耗并且因此可以用于形成主谐振电路。现在内部导线202和外部导线204电抗耦合。将内部导线202连接以形成部分开关电路，也如图1所示。除了其成为部分开关电路，还可能配置内部导线202以形成次谐振电路，这可能提高解调谐性能。可以将次谐振电路调谐到与主谐振电路的相同或不同的谐振频率。次谐振电路(以及主谐振电路)甚至可以被调谐到多个频率。在主要和次谐振电路被调谐到不同谐振频率情况下，通过调节次谐振电路中的电容，可以频移RF线圈装置200的两个谐振频率。这可能对于多核应用有用，在其中使用同一RF线圈200来观察来自多个核素的信号。

除了适用于MRI接收线圈，所公开的线圈装置还适用于发送线圈。图3示出了应用于横电磁(TEM)发送/接收线圈的所公开的解调谐设备的一个可能实施例。传输线缆包括外部导线306，该导线串联连接到电容304以形成调谐到特定谐振频率的第一谐振电路。内部导线308连接到至少一个开关设备302以形成开关电路。内部导线308还可以串联连接到电容310以形成次谐振电路。尽管在图3中外部和内部导线显示为同轴的，诸如平行导线的其他配置也是可能的。

TEM谐振器典型地由导电材料制成的中空柱状物组成，该柱状物具有也由导电材料制成的两个圆形端板。中空柱状物包含柱状洞或孔，并且至少一个端板具有允许进入柱状孔的圆形小孔。许多支柱(strut)或横档(rung)具有屏蔽物内柱状物的长度，物理上连接两个端板。支柱典型的数目是8、16或24，尽管还可能具有其他数字。横档的数目通常选择为可被4整除，以支持正交馈给(quadrature feeding)。支柱与导电柱状物和端板一起创建同轴传输线缆，该传输线缆具有分别作为内部和外部导线的支柱和导电柱状物。此外，一些支柱可以由绝缘介电套分离的内部和外部导线组成，这使得该内部和外部导线用作具有用于分别形成内部和外部导线的内部和外部支柱的同轴线。在如图3所示的特定实现中，支柱由同轴电缆元件组成，并且同轴电缆(308)的中心导线形成内部支柱，以及同轴电缆(306)的外部导线或外层覆盖物形成外部支柱。关于TEM谐振器的额外信息可以在[G.Bogdanov，R.Ludwig，“高场磁共振成像的耦合微带线横电磁共振模型”(Coupled microstrip line transverse electromagnetic resonator model forhigh-field magnetic resonance imaging)，磁共振在医疗中的应用(MagneticResonance in Medicine)，卷47，号3，页码579-593]和在[Chingas GC，ZhangN，“TEM高场谐振器的设计策略(Design strategy for TEM highfieldresonators)，第4次国际医疗磁共振协会年度会议论文集，页码1426，纽约1996”]中找到。

图4示出了用于向RF接收线圈提供解调谐电路的一种方法，包括：配置传输线缆的第一导电元件401以形成可调谐到至少一个第一谐振频率的主谐振电路，配置传输线缆的第二导电元件402以形成开关电路，该开关电路与主谐振电路电绝缘并且电抗耦合到主谐振电路，并且使得开关电路403调谐主谐振电路到至少一个第二谐振频率。

图5示出了采用所公开的解调谐电路的一种MR系统的可能实施例。MR系统包括图像采集系统580和图像处理和显示系统590。图像采集系统580包括一组主要线圈501、连接到梯度驱动单元506的多个梯度线圈502以及连接到RF线圈驱动单元507的RF线圈503。可以以体线圈的形式集成作磁体和/或可以是单独的表面线圈的RF线圈503的功能，可以进一步由一个或多个发送/接收(T/R)开关513所控制。多个梯度线圈502和RF线圈503由供电单元512供电。运输系统504，例如病人台，可以用于定位MR成像系统内的检查对象505，例如病人。控制单元508控制RF线圈503和梯度线圈502。图像重建和显示系统590包括进一步控制重建单元509操作的控制单元508。控制单元508还控制显示单元510，例如监视屏或投影仪，数据存储单元515和用户输入接口单元511，例如，键盘、鼠标、跟踪球等。

主要线圈501产生稳定和均匀的静态磁场，例如，其场强是1.5T或3T。所公开的方法还适用于其他场强。主要线圈501以典型地围绕通道形状的检查空间的方式设置，对象505可以引导进该空间中。另外一个公共的配置包括相反的极面，通过使用运输系统504可以将对象505引导进极面间的空气间隔。为使得MR能够成像，响应于梯度驱动单元506所供应的电流，多个梯度线圈502产生叠加在静态磁场的时变磁场梯度。装配有电子梯度放大电路的供电单元512向多个梯度线圈502供应电流，作为结果而产生了梯度脉冲(还被称为梯度脉冲波形)。控制单元508控制电流的特性，特别地是其强度、持续时间和方向，该电流流经梯度线圈以产生合适的梯度波形。RF线圈503在对象505中产生RF激励脉冲，并响应于RF激励脉冲而接收由对象505产生的MR信号。RF线圈驱动单元507向RF线圈503供应电流以发送RF激励脉冲，并将RF线圈503接收的MR信号进行放大。RF线圈505或RF线圈组的发送和接收功能由控制单元508经过T/R开关513来控制。T/R开关513具有用于在发送和接收模式之间切换RF线圈503并保护RF线圈503的电子电路，以及防止击穿或其他过载等的其他相关电子电路。所发送的RF激励脉冲的特性，特别地是其强度和持续时间，由控制单元508所控制。

应该注意尽管在该实施例中发送和接收线圈示出为一个单元，还可能分别具有单独的用于发送和用于接收的线圈。进一步可能具有多个用于发送或接收或既发送和又接收的RF线圈503。RF线圈503可以以体线圈的形式集成到磁铁里或可以是单独的表面线圈。它们可以具有不同的几何结构，例如，鸟笼配置或简单的回路配置等。控制单元508优选地是以包括处理器例如微处理器的计算机形式。控制单元508经过T/R开关513来控制RF脉冲激励的应用、包括回声的MR信号的接收和自由感应衰减等。用户输入接口设备511，如键盘、鼠标、触摸屏、跟踪球等，使得操作员与MR系统进行交互。

采用RF线圈503所接收的MR信号包含关于成像对象505感兴趣区域局部自旋密度的实际信息。所接收的信号由重建单元509重建，并且作为MR图像或MR频谱显示在显示单元510上。可替代地，可能存储来自存储单元515中的重建单元509的信号，同时等待进一步处理。重建单元509有益地以数字图像处理单元来构造，对其编程来从RF线圈503获得MR信号。

所公开方法说明的实施例中的次序不必是强制性的。本领域的技术人员可以改变步骤的次序，或通过使用线程模型、多处理器系统或多进程并行执行步骤而不偏离所公开的概念。

应该注意上述实施例是在对本发明进行了说明而不是限制，并且本领域的技术人员能设计许多可替代的实施例而不偏离所附加权利要求的范围。在权利要求中，放置在圆括号间的任何引用符号不应该理解为限制权利要求。词语“包括”并不排除除了在权利要求中所列出之外的元件或步骤的存在。元件之前的词“一”并不排除多个这样的元件的存在。所公开的方法可以通过包括几个不同元件的硬件来实现，并且可以通过合适编程后的计算机的方式来实现。在列举各个装置的系统权利要求中，可以通过计算机可读软件或硬件中的一个且相同的项来实现几个这样的装置。仅仅是在互相不同的从属权利要求中陈述某些措施的事实并不表示不能利用这些措施的组合来获益。

Claims (10)

1、一种包括传输线缆的可调谐射频线圈(100)，包括：

所述传输线缆的第一导电元件(102)，其用于形成可调谐到至少一个第一谐振频率的主谐振电路；以及

所述传输线缆的第二导电元件(104)，其用于形成与所述主谐振电路电绝缘并且电抗耦合到所述主谐振电路的开关电路，所述开关电路用于将所述主谐振电路调谐到至少一个第二谐振频率。

2、根据权利要求1所述的可调谐射频线圈(100)，其中所述传输线缆用于作为特定谐振频率下的波导。

3、根据权利要求1所述的可调谐射频线圈(100)，所述传输线缆包括多于两个的导电元件，其中除所述第一导电元件和第二导电元件以外的每个导电元件用于形成调谐到各自谐振频率的独立谐振电路。

4、根据权利要求1所述的可调谐射频线圈(100)，其中所述传输线缆是同轴电缆。

5、根据权利要求4所述的可调谐射频线圈(200)，其中所述第一导电元件是所述同轴电缆的外屏蔽层(204)并且所述第二导电元件是所述同轴电缆内芯(202)。

6、根据权利要求1所述的可调谐射频线圈(100)，其中，所述开关电路还用于形成可调谐到至少第三谐振频率的次谐振电路。

7、根据权利要求1所述的可调谐射频线圈(100)，其中，所述传输线缆形成至少一部分横电磁(TEM)线圈。

8、一种制造包括传输线缆的射频线圈(100)的方法，包括：

配置所述传输线缆的第一导电元件(401)以形成可调谐到至少一个第一谐振频率的主谐振电路；

配置所述传输线缆的第二导电元件(402)以形成开关电路，该开关电路与所述主谐振电路电绝缘并且电抗耦合到所述主谐振电路；以及

使所述开关电路(403)将所述主谐振电路调谐到至少一个第二谐振频率。

9、一种调谐包括传输线缆的可调谐射频线圈(100)的方法，其中包括所述传输线缆的第一导电元件(102)的主谐振电路被调谐到至少一个第一谐振频率，所述方法包括：

对包括所述传输线缆第二导电元件(104)的开关电路进行操作，所述开关电路与所述主谐振电路电绝缘并且电抗耦合到所述主谐振电路；以及

将所述主谐振电路调谐到至少一个第二谐振频率。

10、一种包括可调谐射频线圈(503)的磁共振系统，所述可调谐射频线圈(503)包括传输线缆，并且所述可调谐射频线圈(503)还包括：

所述传输线缆的第一导电元件(102)，其用于形成可调谐到至少一个第一谐振频率的主谐振电路；以及

所述传输线缆的第二导电元件(104)，其用于形成与所述主谐振电路电绝缘并且电抗耦合到所述主谐振电路的开关电路，所述开关电路用于将所述主谐振电路调谐到至少一个第二谐振频率。

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