CN1287730C - 用于磁共振系统的阻容线圈装置 - Google Patents

Abstract

一种用于MR成象系统的RF线圈装置，其中B₀场按特定方向定向。该装置包括线圈结构，它包括一对细长线圈件和所选数目的横向线圈件。多个第一电容选择地沿细长线圈件定位，在每个横向线圈件中包含一个第二电容，每个第二电容具有第二电容量。第一耦合网络控制线圈结构以选择地发射和接收第一RF场分量。第二耦合网络控制线圈结构以选择地发射和接收第二RF场分量，第一和第二电容量是分别选取的以使第一和第二RF场分量频率相等。

Description

用于磁共振系统的阻容线圈装置

技术领域

本发明公开和要求保护的装置总地涉及用于磁共振(MR)成象系统的在B₀场方向中的RF线圈装置，更具体地，本发明涉及上述类型的RF线圈装置，该线圈装置产生I和Q正交分量，以便在成象空间内产生圆偏振RF场。更加具体地，本发明涉及RF线圈装置，该装置与上述类型的MR系统结合在例如脊柱成象的应用中特别有用。

背景技术

众所周知，在孔型整个人体的MR成象系统中，病人放在圆柱形主磁体的孔中，静态的或主B₀磁场是沿孔轴定向，因此，在病人的头和脚之间延伸的方向上定向(以后称上下或SI方向)。然而，在近些年，在MR领域的发明者已经研制和引入干预式或开式磁体MR成象系统。在这些系统中，DC或主B₀场由两个隔开的磁体件产生。该成象空间，亦即在成象过程中病人或其它物体居留的空间，位于主磁体件之间。

在多数的这种系统中，统称为侧进系统，病人在两个主磁体件之间通过进入成象空间，然后进而坐、卧或站在其间。由此，主B₀场具有一个横向，亦即是相对于病人从一侧到另一侧方向(以后称左-右或LR方向)。而且，按这种配置，它有利于把两个主磁体件相当靠近配置在一起。这样在两个主磁体件之间的空间只需要容纳沿LR或AP方向的病人的尺寸大小，而不是沿病人的SI方向。

虽然预期上述类型的开式磁体比圆柱形整体磁体有明显的优点，但实施上还存在一些问题，如大视场(F0V)的脊柱成象。在脊柱成像中，已有的通用的实施方式是提供两个RF正交分量，亦即，在它们之间具有90°相位差的分量，以产生圆偏振的RF场。这在脊柱成像中为实现可接受的SNR或灵敏度已经做了。过去，蝶形圈组合线圈典型地用于产生RF分量，这种组合可以包括单独的一个圈和蝶形线圈，或作为一种变换，可以是单个的共振线圈结构。单个圈产生一个正交于线圈平面的RF分量(垂直模式)，而蝶形线圈产生平行于线圈平面的RF分量(水平模式)。正如众所周知的，由两个RF分量产生的圆偏振场的平面必须正交于B₀场方向。

已有技术的蝶形圈线圈的缺点是其产生的RF场在圆偏振平面内的不同位置上具有不同的亮点。当B₀是LR，且亮点只发生于整个脊椎中的一些脊椎上时，这特别麻烦。亮点上的RF场强明显地高于周围邻近位置。因此，亮点把不均匀性或不一致性带入在位于正交于主B₀场平面内的不同位置的RF场。在前面的脊柱成象方法中，与孔型MR成象装置或类似的装置结合实施时，RF亮点不是一个严重的问题，这是因为病人的脊柱在这种成象装置中是沿B₀场取向，且不受沿垂直于B₀场的线上不同点之间RF不均匀性的影响。事实上，与RF场亮点对准的脊柱可能沿B₀场延伸，这可能是优点。现在，然而，在上述的开式磁体系统中，脊柱成象必须在相对于病人的LR取向的B₀场内进行。由此，位于圆偏振的RF场平面内的脊柱和获得的脊柱象明显地受光点的影响，如果已有技术的蝶形圈线圈须用于产生RF场。例如，脊柱的一个或两个脊椎可能与RF光点是一致的，而余下的脊椎是在非常不同的RF强度下。因此，需要提供一种替换的可产生圆偏振RF场的RF线圈结构，由这种结构可以消除已有技术的光点不均匀性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的用于MR成象的RF正交线圈。

本发明的另一个目的在于提供一种上述类型的用于成象细长结构的RF线圈，例如位于MR成象系统的正交于B₀场的平面内的病人的脊柱。

本发明的又一个目的在于提供上述类型的RF线，该线圈明显地改进了RF场的均匀性，消除或明显地减少在正交于B₀场的平面内的RF场中的亮点。

本发明的再一个目的在于产生一个在垂直于B₀场的平面内的圆偏振场。

本发明的又一个目的在于提供一种应用于例如大F₀V脊柱成象的上述类型的RF线圈。

本发明还有一个目的在于提供一种上述类型的RF线圈，它配置来用于与开式磁体或干预式MR系统连接，其中系统的B₀场相对于病人是LR。

本发明总的提供一种用于MR成象系统用的RF线圈装置。RF线圈是按所选择的与B₀场的关系定位的，它包括一个梯形网络，该网络包括一对分隔开的平行的细长的线圈件，还包括选定数目的沿彼此隔开的平行的细长线圈件配置的横向线圈件，每个横向线圈件电连接到两个细长线圈件上，以形成梯形网络或线圈结构。RF线圈装置还包括用于对梯形网络施加第一激励信号的装置，以产生沿正交于B₀场的第一轴方向的第一RF磁场。还有用于把第二激励信号施加到梯形网络上的装置，以产生沿与B₀场和第一轴都成正交关系的第二轴方向的第二RF磁场。多个第一电容件，每个电容件的电容量为C_H，它们有选择地沿细长线圈件分布。第二电容件连接到每个横向线圈件上，每个的电容量为C_L。第一和第二RF场的频率决定于电容量C_L和C_H，更具体的，决定于C_L/C_H的比例。按照本发明，分别选取C_L和C_H以使得第一和第二RF场的频率相等。还包括一个在第一和第二RF场之间产生90°相移的装置，因此，两个磁场包括I和Q正交场分量，它们一起产生用于MR成象系统的圆偏振RF磁场。

按照本发明的一个优选实施例，横向线圈件分别与B₀磁场的方向成平行关系对准，而细长件垂直于它们。每个细长线圈件包括多个导电段，它们通过相应的第一电容件按线性关系连接在一起，每个横向线圈件包括一对横向导电段，每对通过相应的第二电容件按线性关系连接在一起。

按照本发明的一个实施例，用于施加第一和第二激励信号的装置分别包括第一和第二电容耦合网络。在另一个实施例，激励信号的一个或两个感应地耦合到梯形网络上。应该预期到本发明的实施例便于与MR成象系统结合使用，以产生大的F0V脊柱成象，其中MR系统具有横向的B₀场，亦即，B₀场相对于在系统的B₀磁场方向的病人为LR。然而，本发明并不意味限于这种使用。

本发明这些和其它目的通过下面结合附图的详细说明将会更加清楚。

附图说明

图1所示是本发明的一个实施例的示意图；

图2是说明由图1的实施例产生的RF场相结合的圆偏振的图；

图3是说明图1的实施例用于具有横向或LRB₀场的MR系统的简化透视图；

图4说明用于操作本发明的第二个实施例的连接配置；

图5是说明用于图4实施例的平衡/非平衡网络的示意图；

图6是用于图1和图4实施例的组合器网络的示意图；

图7是用于具有奇数横向线圈件的本发明实施例的感应耦合配置的简化示意图；

图8是用于具有偶数横向线圈件的本发明实施例的感应耦合装置的简化示意图。

具体实施方式

参照图1，示出了一个按照本发明组成的RF线圈结构10。线圈10包括两个彼此隔开的平行的并沿与MR成象系统相关的一组直角座标的X轴延伸的线性细长的线圈件12和14。细长的线圈件12包括多个线性的导电段12a，它们通过电容器16按线性关系连接，亦即因此，它们位于平行于X轴的线上。同样，细长的线圈件14包括多个线性的导电段14a，它们同样地按线性关系通过电容器16连接。每个电容器16具有的电容量为C_H。

图1进一步示出RF线圈10，它包括多个横向线圈件18，每个包括两个横向导电段18a和18b，它们按线性关系通过具有电容量C_L的电容器20连接在一起。横向线圈件18沿细长线圈件12和14彼此按等间隔的平行关系，且按与座标系的Z轴平行的关系定位。每个横向导电段18a和18b分别电连接到导电段12a和14a上，以形成如梯形网络的线圈结构10。可以看出，线圈结构10包括奇数的横向线圈件18。

进一步参照图1，示出了连接到线圈结构10的电容耦合网络22，以便当RF线圈在发射模式工作时，由同轴连接器24对线圈施加线圈激励信号e_I。网络22还用于当线圈10处于接收模式工作时把由线圈10接收的MR信号分量e_I’耦合到连接器24。下面将对此做详细说明。图1所示的网络22耦合跨过分别连接到最中心的线性导电段12a’的两个电容器26。网络22具有电容器26，它们分别把加载病人的整个线圈结构匹配到在这种模式下的50欧姆。网络22还包括以后将说明的跨过电容器26并接地32的180°相移器28。同轴连接器24的外导体也连接到地32。

图1还示出了越过电容20a连接的电容耦合网络30，电容器20a与电容器20b一起连接到电容耦合网络30上，以便在最中心的横向线圈件18的导电段、横向导电段18a’和18b’之间提供电容C_L。网络30配置成当RF线圈10处于发射状态工作时把来自同轴连接器34的线圈激励信号e_Q连接到电容器20a，网络30还用于当线圈10处于接收模式工作时把由线圈10接收的MR信号分量e_Q’连接到同轴连接器34上。网络30具有一个电容器36，该电容器把加载病人的整个结构匹配到用于该模式的50欧姆。同轴连接器34接地38，地38必须与连接到网络22的地32绝缘。从图1中可以看出，网络22和30相对于线圈10的最中心的横向线圈件18上分别对称地连接。

通过产生信号e_I和e_Q，由此，它们之间存在90°的相位差，它们分别控制线圈10产生RF场分量，这些分量也是相位差90°，且分别沿Y-轴和X-轴定向。这些场分量由此可以分别作为圆偏振RF信号，起到I和Q正交分量。而且，接收到的信号e_I’和e_Q’通过各自的I和Q的RF分量在线圈10中感应，且是90°的相位差。应该注意，180°的相移器28的提供确保了信号e_I和e_Q之间，还有信号e_I’和e_Q’之间的绝缘。

为了在SI方向上有更好的均匀性，在LR方向上需要有多个导体，这些导体产生垂直于B₀磁场的RF磁场。由此，线圈10，如图1中所示的梯形网络，或平直带通鸟笼，可以作为传输线的开件。按第一或基本模式(模式1)，线圈10可以包含相应于在导体18a和18b中的电流密度图案的半波长，它们类似于单个圈的电流密度图案。对于无限多个导体18a和18b，电流密度图案等于半波长正弦的电流密度图案。信号e_I和e_I’与模式1有关。次高模式(模式2)设定在导体18a和18b中的电流密度分布，它们类似于全波长正弦，并由此类似于蝶形图案。信号e_Q和e_Q’与模式2相关。在平坦的鸟笼情况下，两个感兴趣的模式，即模式1和模式2将在相同的频率，以一定的比例C_L/C_H发生。

更具体地，RF线圈10在模式1和2的工作频率可用下面的表达式使之相等：

${\mathrm{\ω}}_J^2=\frac{{2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\α}}^2\{1+C_L/C_H-\cos [\mathrm{\πJ}/(N+1)\left]\right\}}{1-2\mathrm{\ξ}\cos [\mathrm{\πJ}/(n+1)]}$ 方程式(1)

其中：J是模式指数，ω_α是等价低通单网络频率(通过短路电容器C_H获得)，C_L/C_H是低通到高通的电容量之比，和ξ是相邻单元间磁耦合的系统。N是梯形网络中的单元数。对于图1所示的线圈10，N为10。可以看出，方程式(1)可以用于计算C_L/C_H，这样，模式1的频率ω₁应等于模式2的频率ω₂。各个电容值C_L和C_H可以被选取以提供这个比值。事实上，模式频率f₁和f₂相等的一般条件是在线圈多个共振模式的频率中间多个一般相等(或用技术术语为简并)的特殊情况。这种简并恰在现有电路模型的限制范围内。所述的电路利用了磁耦合的单个系数；但是，对于一个模型，在其中附加系数必须证明是明显的情况下，电路的进一步限制必须是能产生所要求的简并。例如，引入电容器连接梯形网络其它网格。在这个方案上的变化对于本专业的技术人员是可以想象的，因此，应该强调的是本发明的关键不仅在于产生期望对数的模式的简并的特殊装置，而且还在于利用以上概括的建议设计具有简并共振模式的梯形网络(和其它平板网络)的一般原理。

参照图2，示出了正交的RF分量I和Q，包括模式1和模式2的信号，分别相对于Y-和X-轴正弦变化。当它们变化时，两个分量提供最终的圆偏振RF磁场S。已经发现，这种按照方程式(1)产生的正交的场图案在脊柱方向上是高均匀度的。

参照图3，示出了横向B₀场的开式磁体MR系统40，该系统具有隔开的磁体件42a和42b和坐在或站在它们之间的病人44。沿Z轴方向的和相对于病人44的LR的静态的B₀场由磁体42a和42b产生。包含在系统40中的线圈10在正交于B₀的X-Y平面内产生圆偏振RF场，以提供B₁场。按图3所示的配置可以用于在X-Y平面内对准的脊柱的病人44的脊柱成象。应该注意，所选择的线圈10的电容量C_H和C_L对于MR成象提供与Larmor频率匹配的RF频率，并且使用于正交的模式1和模式2的频率彼此相等。

参照图4，示出了部份的线圈10a，它与线圈10基本一致，除了它具有偶数的横向线圈件18，例如12个，而不是奇数的之外。由此，这些线圈包括两个最中心的横向线圈件18，每个横向线圈件包括横向导电部份18a’和18b’，替代如线圈10所示的一个最中心件。应该明白，在部分地示出的线圈10a中，对图4所示的两个中心件18的左边部分和右边部分存在相同数目的横向线圈件18。因此，为保持对称性，分别用于控制线圈10a的电容耦合网络48和50两者必须耦合在其两个中心件18之间。

进一步参照图4，示出了包括电容器52a和52b的耦合网络48，它们分别将模式1的线圈10的结构匹配为中心横向线圈件18间的50欧姆。电容器16a和16b的电容量累加地提供电容量C_H。匹配电容52b直接耦合到同轴电缆54的内导体上，电容器52通过两个90°相移器56a和56b耦合到其上。相移器用于如上说明的起到把信号e_I与e_Q隔开的作用。图4还示出了具有电容器64的网络50，每个电容匹配50欧姆的模式2的线圈结构。

为了消除同轴电缆54和60外壳上感应的驻波，平衡/不平衡网络(baluns)66分别接到它们上面。参照图5，示出了包括一段同轴电缆68以及跨过其两端连接的电容器70的平衡-不平衡网络66，以提供高阻抗的屏蔽传输通道。平衡一不平衡网络66起到把与电缆54和60的屏蔽相关的地彼此隔开的作用。这是非常重要的，因为两种模式的接地不能共用。

可以预期，线圈10和10a非常典型可用作只用于接收的线圈。在这种配置，RF主体线圈将用于激励。而且还无须发送/接收开关，因为它不需要在发射模式中配置线圈。因此，它需要提供具有常规去耦网络(未示出)的线圈10和10a，以保证这种线圈在成象序列的发射阶段期间与发射线圈去耦。

按另一种配置，线圈10和10a可以用于发射，也可用于接收I和QRF场分量。这种结构如图4中所示，其中同轴电缆54和60被配置用于分别接收I-和Q-通道的激励信号e_I与e_Q。激励信号通过90°组合器网络72供给，当连接到其上的发射/接收(T/R)开关74是处于发射模式时。更特殊地，在与MR系统相关的MR脉冲序列期间，发射放大器76提供一个RF信号e_T，与此同步地，T/R开关工作将RF信号送到组合器网络72，再送到同轴电缆54和耦合网络48，作为激励信号e_I。同时，耦合网络72通过90°延迟信号e_T，提供耦合到同轴电缆60和耦合网络50的激励信号e_Q。由此，电缆54和网络48包括I-通道，电缆60和网络50包括Q-通道。

在MR脉冲序列的采集阶段，由本发明的RF线圈的相同组成部分分别检测所接收到的MR信号分量e_I’和e_Q’，以产生如上所述的Y-方向和X-方向RF激励分量。被检测的e_I’和e_Q’信号分别经同轴电缆54和60向后耦合到组合器网络72。组合器网络72处理e_I’和e_Q’信号，由此产生最终接收到的MR信号e_R，该信号耦合到T/R开关74。在采集阶段，开关74工作，把MR信号耦合到接收放大器78。

组合器网络72包括一常规装置，如图6所示。其电容元件80-90如所示的分别连接到电感元件92和94。

参照图7，所示的是按照本发明构成的线圈，如线圈10，它具有奇数的横向线圈件18。然而，在图7中，感应耦合电路而不是前述的电容电路，用来把RF正交信号分量耦合的线圈从线圈耦合出。I-通道部分是用单圈的线圈96感应传输和接收的，而Q-通道部分由蝶形线圈98发射和接收。线圈96和98两者对称地相对于如图7所示的线圈10的最中心横向线圈件18c配置。感应线圈96和98的中心保证了它们之间的隔离。

参照图8，示出了用于线圈例如10a的感应耦合配置，亦即本发明的具有偶数横向线圈件18的RF线圈。这种线圈包括两个中心线圈件，在图8中分别以18d和18e表示。图8中的感应耦合电路包括单圈线圈100和蝶形线圈102，其中两个线圈100和102分别相对于中心横向线圈件18d和18e对称地定位。按类似于图7配置的方式，使用中心感应线圈100和102保证了两种线圈操作模式之间的隔离。

应该明白，组合器耦合网络可以相对于线圈10使用。例如，I-通道部分感应地耦合到线圈10上，而Q-通道部分可电容地耦合到其上。这种配置同样可以在模式1和2之间达到良好的隔离。

显然，基于上述的教导，还可以做出本发明的许多其它的改进和变换，然而，应该明白，它们都在本发明所公开的内容的范围之内，本发明可以除已说明方式的之外的方式实施。

Claims (10)

1.一种用于磁共振系统的射频线圈装置，其中系统的B₀磁场是按特定方向定向的，所说的射频线圈装置包括：

一个线圈结构，所说的线圈结构包括一对隔开的平行的细长线圈件，和还包括选定数目的沿所说的彼此隔开的平行的细长线圈件定位的横向线圈件，每个横向线圈件耦合到两个所说的细长的线圈件上，以形成所说的线圈结构；每个所述横向线圈件分别与所述B₀磁场对准成平行关系，使得所述线圈结构落在同样与所述B₀磁场对准成平行关系的线圈平面内，所述线圈平面包括与所述线圈结构的每个所述细长线圈件和横向线圈件相交叉的假设平面；

多个第一电容件，每个具有第一电容量，选择地沿所说的细长线圈件定位；

多个第二电容件，包含在每个所说的横向线圈件内，每个所说的第二电容件具有第二电容量；

第一耦合装置，用于控制所说的线圈结构能选择地发射和接收沿与所说的B₀场方向正交的第一轴方向的第一射频场分量；

第二耦合装置，用于控制所说的线圈结构能选择地发射和接收沿与所说的B₀场方向和所说的第一轴都正交的第二轴方向的第二射频场分量，所述第一和第二射频场分量的频率等于相同的特定频率。

2.按照权利要求1所述的装置，其中所述第一耦合装置包括以单环线圈模式共同地操作所述线圈结构的每个线圈件和每个所述第一和第二电容件以发送和接收所述第一射频场分量的装置；和

所述第二耦合装置包括以蝶型线圈模式共同地操作所述线圈结构的每个线圈件和每个所述第一和第二电容件以发送和接收所述第二射频场分量的装置。

3.按照权利要求2所述的装置，其中所说的第一和第二射频场分量包括一起产生用于所说的磁共振成象系统的圆偏振射频磁场的正交磁场分量，所述射频磁场位于与所述线圈结构的所述线圈平面成正交关系的平面内。

4.按照权利要求3所述的装置，其中所说特定频率由所说的第二电容量与所说的第一电容量的比率决定。

5.按照权利要求3所说的装置，其中所说的射频磁场的均匀性与所述线圈结构的所述横向线圈件的数目有关，所述均匀性随所述横向线圈件数目的增加而增大。

6.按照权利要求5所述的装置，其中所说的第一和第二耦合装置分别包括第一和第二电容耦合网络，每个电容耦合网络都有一个接地连接，且

所说的射频线圈装置还包括用于保持所说的接地连接之间绝缘的装置。

7.按照权利要求5所述的装置，其中人体相对于所述磁共振成象系统定位以限定其中的左右方向和上下方向，所述左右方向平行于所述B₀磁场的方向，所述上下方向与所述B₀磁场的方向垂直，和其中

所述的细长线圈件与每个所述横向线圈件成正交关系对准，与所述上下方向成平行关系对准，使得所述线圈结构的所述线圈平面与延伸穿过所述左右方向和上下方向的轴成平行关系。

8.按照权利要求2所述的装置，其中所说的线圈结构包括阶梯网络。

9.按照权利要求8所述的装置，其中所说的线圈结构包括奇数数目的所说的横向线圈件，所说的横向线圈件之一包括一个最中心的线圈件；和

所说的每一个耦合装置耦合到所说的最中心线圈件上。

10.按照权利要求8所述的装置，其中所说的线圈结构包括偶数数目的所说的横向线圈件，所说的横向线圈件的两个包括最中心的线圈件；和

所述第一耦合装置和所述第二耦合装置分别耦合在所说的最中心线圈件之间。

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