解調諧射頻線圈的製作方法

2023-12-06 13:21:16

專利名稱：解調諧射頻線圈的製作方法
解調諧射頻線圈
本發明涉及磁共振(MR)成像和光譜學，特別地涉及解調諧射頻(RF) 線圈。
在瓦裡安公司的專利申請(WO 02/082115 A2)中討論了一種用於解調 諧MR系統的圓柱狀主RF線圈的設備。然而，他們的設備不易適用於RF 線圈(例如，表面線圈)的其他配置。因此，需要具有能解調諧各種配置 RF線圈的設備。還需要具有解調諧RF線圈並可適用於各種各樣RF線圈 配置的方法，以及具有採用這樣的解調諧設備的磁共振系統。
因此，本文公開了一種解調諧各種配置的RF線圈的開關電路、 一種使 用這樣的開關電路調諧RF線圈的方法以及一種包括具有這樣的開關電路 的RF線圈的MR系統。傳輸線纜的第一導電元件用於形成可調諧到至少一 個第一諧振頻率的主諧振電路。傳輸線纜的第二導電元件用於形成開關電 路，該開關電路與主諧振電路電絕緣並且電抗耦合到主諧振電路。術語"電 抗耦合的"或"電抗耦合"指電感耦合、電容耦合或兩者的組合。開關電 路用於調諧主諧振電路到至少一個第二諧振頻率，其與第一諧振頻率不同。
本文所公開的相應方法包括配置傳輸線纜的第一導電元件以形成可調 諧到至少一個第一諧振頻率的主諧振電路，配置傳輸線纜的第二導電元件 以形成開關電路，該開關電路與主諧振電路電絕緣並且電抗耦合到主諧振 電路，並且使開關電路將主諧振電路調諧到至少一個第二諧振頻率。
通過將主諧振電路調諧到至少一個與主諧振頻率不同的第二諧振頻 率，對幵關電路進行的操作使得主諧振電路的諧振頻率(例如一個或多個 第一諧振頻率)產生頻移。因此，當其被操作時，開關電路對主諧振電路 進行解調諧。因為開關電路和主諧振電路在同一傳輸線纜上形成，有可能 獲得能夠解調諧各種各樣RF線圈配置的解調諧電路。
基於下列實施例並參考附圖，通過示例的方式在下文中詳細說明這些和其他方面，其中


圖1示意性示出了所公開的可調諧RF線圈的實施例； 圖2示意性示出了所公開的可調諧RF線圈的第二實施例； 圖3示意性示出了所公開的可調諧RF線圈的第三實施例； 圖4示出了調諧主諧振電路的一種方法；以及
圖5示意性地示出了採用所公開的可調諧RF線圈的一實施例的一種磁 共振系統。
各個附圖中使用的相應的參考號表示圖中相應的元件。
圖1示出了可調諧RF電路裝置的一個可能實施例。傳輸線纜100包括 兩個彼此絕緣的導電元件102、 104。第一導電元件104形成RF接收線圈 100的一部分，該接收線圈100調諧到至少一個第一諧振頻率，並且使用電 容106、 110、 114、 116和電感118連接到匹配網絡。還可以使用其他電路 配置或拓撲來調諧和匹配RF接收線圈。第二導電元件102與電容108、112、 和電感120、 122串聯連接以及並聯連接到PIN二極體124。框126示出了 包括例如電容和電感的集總電氣元件的部分解調諧和幵關電路。
對RF線圈進行解調諧是指將主諧振電路的諧振頻率移頻到不同於初 始諧振頻率的一個或多個其他頻率的動作。當RF發送線圈為活動的或運行 時，S卩，當系統向受檢查的對象發送RF激勵脈衝時，便通常對RF接收線 圈進行解調諧。RF發送線圈還可以在RF接收線圈是運行的時候被解調諧， 即，當RF接收方線圈正從受檢查的對象接收MR信號時。常規上使用連接 到主諧振電路(也被稱為諧振器)的二極體來解調諧RF線圈。
原則上具有兩種建立解調諧的方法。第一個方法是讓二極體與諧振器 串聯。當二極體是正向偏置的，線圈被接通以允許RF電流流經線圈，而在 反向偏置模式下，二極體形成高阻抗，因此電氣地開啟諧振器。在該設計 下，二極體和額外焊接點等的等價的串聯電阻引起的額外損耗直接影響諧 振電路。二極體還產生額外的非熱噪聲或散粒噪聲，該噪聲會進一步減少 線圈可獲得的信噪比(SNR)。第二個解調諧RF線圈的方法是使用與諧振 器串聯的並聯諧振電路，其中同樣採用二極體來開閉並聯諧振電路。在該 情況下，要將諧振器切換到操作模式，二極體需是反向偏置的。然而，在該情況下，額外的部件同樣地導致線圈中的損耗。特別地，第二可選方法
需要額外的電感器，該電感器可以使得主諧振電路的B,場分布失真。額外 的電感由於其大小通常質量較低。而且，並聯諧振電路在質量上還必須與 諧振器具有可比性，這對於高Q值的線圈來說不易達到。
在上述解調諧的兩個方法中，RF接收電路和解調諧電路電氣地連接。 相比之下，針對本文所公開的該類型的解調諧電路，RF接收器和解調諧電 路是分離的，兩者之間沒有直接的電互連。相反，所提出的設備使用兩個 電路間的強電抗耦合以實現RF接收電路的解調諧。這就消除了將額外的集 總電氣元件或焊接點直接放置在RF接收電路的需要，因此減少了電路中的 損耗。
在線圈大小與線圈和對象之間的距離具有可比性的情況下，RF接收線 圈中的損耗可能變得更嚴重。RF接收線圈中這種損耗嚴重影響線圈的信噪 比。所公開的解調諧方法描述了一種對這種RF接收線圈進行高效、省力以 及更為重要的是線圈中額外損耗非常低的解調諧的方法。實現所公開的方 法一種有效的方式是使用具有多條導線的傳輸線纜來構造諧振電路以及解 調諧或開關電路。通過將傳輸線纜長度固定成所接收的MR信號波長的1/4， 形成RF接收線圈的傳輸線纜還可以用作在諧振頻率下的波導。
參考圖1，形成RF接收線圈100的傳輸線纜的一條導線102連接到匹 配網絡以及緊隨匹配網絡的前置放大器。如圖l所示，形成RF線圈100的 另外導線104連接到開關電路，該開關電路通過二極體124與電容和電感 並聯連接形成的。RF線圈IOO調諧到期望的頻率，例如64MHz，這是在 1.5T的質子諧振頻率。當然，RF線圈IOO可以調諧為任何合適的頻率，這 取決於被研究的核的種類、主要磁場場強等。可替代地，可以通過同時調 諧到多個頻率，使得RF線圈成為多諧振，針對此的方法為本領域的技術人 員所熟知。
作為開關作用的二極體124可以是PIN 二極體。當二極體124是反向 偏置的，它表示高阻抗，典型地> 100千歐。在該條件下，在導線104中 幾乎沒有電流流動，因此，RF線圈的諧振頻率不會發生變化。在該狀態下， RF線圈100處在"操作"模式，這可以是"發送"模式和/或"接收"模式。 將正向偏置應用到二極體124會使其導通，這允許電流在導線104中流動。導線102和104之間的電抗耦合具有將線圈100的諧振頻移到不同頻率的 效果。可替代地，取決於電容108、 112的選擇，諧振頻率可以被分割為兩 個或多個頻率，因此減少原始諧振頻率下RF線圈的靈敏度。在任何一種情 況下，RJF線圈IOO在其之前被調諧到的該頻率下不能運行；實際上，諧振 線圈IOO解調諧。
可替代地，PIN 二極體124在RF線圈100的正常操作期間可以是正向 偏置的。因此，RF線圈IOO當在導線104中有電流流動時被調諧為想要的 頻率。當PIN二極體124是反向偏置時，導線104中流動的電流下降到幾 乎為O，這改變了兩條導線102、 104之間的電抗耦合。這具有減少初始諧 振頻率下RF線圈靈敏度的效果，從而對RF線圈IOO進行了解調諧。
框126示出了的調諧和開關電路，其為了說明性的目的與接收線圈100 分離。實際中，如圖1所示，調諧和開關電路126可以採用額外集總元件 連接的從相同的用於形成RP接收線圈100的傳輸線纜而形成。可以使用包 括多於兩條導線的傳輸線纜，其中一個導線用於形成開關電路，導線的餘 下部分可以連接起來，以形成單獨的諧振電路，每個諧振電路被調諧到不 同的諧振頻率。通過操作開關電路，可以同步解調諧所有諧振線圈。
形成部分開關電路的導線104在框100內顯示為完整的、未斷開的導 線，其僅為說明性的目的。即使導線斷開或不完整，仍可能實現開關電路。 在這樣的情況下，開關電路主要是電容耦合到諧振電路。兩條導線102、 104 的長度不需要相等，只要兩條導線能夠彼此電抗耦合。當形成RF線圈的導 線相對較短並且未斷開，它們之間的耦合本質上主要是電感耦合。當導線 長度變成例如所接收MR信號波長的10%時，諧振和開關電路之間的耦合 本質上更多可能是電容耦合的。
圖2示出了所公開的解調諧電路的一個可能實施例，其中傳輸線纜是 同軸電纜。同軸電纜由為外層覆蓋物或屏蔽導線204所包圍的至少一個內 芯導線202組成。兩條導線彼此電絕緣並一起形成RF接收線圈200。如圖 1所示同軸電纜連接到調諧、匹配和解調諧電路126。
如圖1所示，通過連接諧振電容，同軸電纜的內部導線202或外部導 線204可以用於形成主諧振電路。外部導線204與內部導線202相比具有 較少的損耗並且因此可以用於形成主諧振電路。現在內部導線202和外部
7導線204電抗耦合。將內部導線202連接以形成部分開關電路，也如圖1 所示。除了其成為部分開關電路，還可能配置內部導線202以形成次諧振 電路，這可能提高解調諧性能。可以將次諧振電路調諧到與主諧振電路的 相同或不同的諧振頻率。次諧振電路(以及主諧振電路)甚至可以被調諧 到多個頻率。在主要和次諧振電路被調諧到不同諧振頻率情況下，通過調 節次諧振電路中的電容，可以頻移RF線圈裝置200的兩個諧振頻率。這可 能對於多核應用有用，在其中使用同一 RF線圈200來觀察來自多個核素的 信號。
除了適用於MRI接收線圈，所公開的線圈裝置還適用於發送線圈。圖 3示出了應用於橫電磁(TEM)發送/接收線圈的所公開的解調諧設備的一 個可能實施例。傳輸線纜包括外部導線306，該導線串聯連接到電容304以 形成調諧到特定諧振頻率的第一諧振電路。內部導線308連接到至少一個 開關設備302以形成開關電路。內部導線308還可以串聯連接到電容310 以形成次諧振電路。儘管在圖3中外部和內部導線顯示為同軸的，諸如平 行導線的其他配置也是可能的。
TEM諧振器典型地由導電材料製成的中空柱狀物組成，該柱狀物具有 也由導電材料製成的兩個圓形端板。中空柱狀物包含柱狀洞或孔，並且至 少一個端板具有允許進入柱狀孔的圓形小孔。許多支柱(strut)或橫檔(mng) 具有屏蔽物內柱狀物的長度，物理上連接兩個端板。支柱典型的數目是8、 16或24，儘管還可能具有其他數字。橫檔的數目通常選擇為可被4整除， 以支持正交饋給(quadrature feeding)。支柱與導電柱狀物和端板一起創建 同軸傳輸線纜，該傳輸線纜具有分別作為內部和外部導線的支柱和導電柱 狀物。此外， 一些支柱可以由絕緣介電套分離的內部和外部導線組成，這 使得該內部和外部導線用作具有用於分別形成內部和外部導線的內部和外 部支柱的同軸線。在如圖3所示的特定實現中，支柱由同軸電纜元件組成， 並且同軸電纜(308)的中心導線形成內部支柱，以及同軸電纜(306)的 外部導線或外層覆蓋物形成外部支柱。關於TEM諧振器的額外信息可以在 [G. Bogdanov, R. Ludwig，"高場磁共振成像的耦合微帶線橫電磁共振模型" (Coupled microstrip line transverse electromagnetic resonator model for high-field magnetic resonance imaging), 磁共振在醫療中的應用(MagneticResonance in Medicine),巻47，號3，頁碼579-593]和在[Chingas GC， Zhang N， "TEM高場諧振器的設計策略(Design strategy for TEM high field resonators),第4次國際醫療磁共振協會年度會議論文集，頁碼1426，紐約 1996"]中找到。
圖4示出了用於向RF接收線圈提供解調諧電路的一種方法，包括配 置傳輸線纜的第一導電元件401以形成可調諧到至少一個第一諧振頻率的 主諧振電路，配置傳輸線纜的第二導電元件402以形成開關電路，該開關 電路與主諧振電路電絕緣並且電抗耦合到主諧振電路，並且使得開關電路 403調諧主諧振電路到至少一個第二諧振頻率。
圖5示出了採用所公開的解調諧電路的一種MR系統的可能實施例。 MR系統包括圖像採集系統580和圖像處理和顯示系統590。圖像採集系統 580包括一組主要線圈501、連接到梯度驅動單元506的多個梯度線圈502 以及連接到RF線圈驅動單元507的RF線圈503。可以以體線圈的形式集 成作磁體和/或可以是單獨的表面線圈的RF線圈503的功能，可以進一步 由一個或多個發送/接收(T/R)開關513所控制。多個梯度線圈502和RF 線圈503由供電單元512供電。運輸系統504，例如病人臺，可以用於定位 MR成像系統內的檢査對象505，例如病人。控制單元508控制RF線圈503 和梯度線圈502。圖像重建和顯示系統590包括進一步控制重建單元509操 作的控制單元508。控制單元508還控制顯示單元510，例如監視屏或投影 儀，數據存儲單元515和用戶輸入接口單元511，例如，鍵盤、滑鼠、跟蹤 球等。
主要線圈501產生穩定和均勻的靜態磁場，例如，其場強是1.5T或3T。 所公開的方法還適用於其他場強。主要線圈501以典型地圍繞通道形狀的 檢査空間的方式設置，對象505可以引導進該空間中。另外一個公共的配 置包括相反的極面，通過使用運輸系統504可以將對象505引導進極面間 的空氣間隔。為使得MR能夠成像，響應於梯度驅動單元506所供應的電 流，多個梯度線圈502產生疊加在靜態磁場的時變磁場梯度。裝配有電子 梯度放大電路的供電單元512向多個梯度線圈502供應電流，作為結果而 產生了梯度脈衝(還被稱為梯度脈衝波形)。控制單元508控制電流的特性， 特別地是其強度、持續時間和方向，該電流流經梯度線圈以產生合適的梯度波形。RF線圈503在對象505中產生RF激勵脈衝，並響應於RF激勵 脈衝而接收由對象505產生的MR信號。RF線圈驅動單元507向RF線圈 503供應電流以發送RF激勵脈衝，並將RF線圈503接收的MR信號進行 放大。RF線圈505或RF線圈組的發送和接收功能由控制單元508經過T/R 開關513來控制。T/R開關513具有用於在發送和接收模式之間切換RF線 圈503並保護RF線圈503的電子電路，以及防止擊穿或其他過載等的其他 相關電子電路。所發送的RF激勵脈衝的特性，特別地是其強度和持續時間， 由控制單元508所控制。
應該注意儘管在該實施例中發送和接收線圈示出為一個單元，還可能 分別具有單獨的用於發送和用於接收的線圈。進一步可能具有多個用於發 送或接收或既發送和又接收的RF線圈503。 RF線圈503可以以體線圈的 形式集成到磁鐵裡或可以是單獨的表面線圈。它們可以具有不同的幾何結 構，例如，鳥籠配置或簡單的迴路配置等。控制單元508優選地是以包括 處理器例如微處理器的計算機形式。控制單元508經過T/R開關513來控 制RF脈衝激勵的應用、包括回聲的MR信號的接收和自由感應衰減等。用 戶輸入接口設備511，如鍵盤、滑鼠、觸控螢幕、跟蹤球等，使得操作員與 MR系統進行交互。
採用RF線圈503所接收的MR信號包含關於成像對象505感興趣區域 局部自旋密度的實際信息。所接收的信號由重建單元509重建，並且作為 MR圖像或MR頻譜顯示在顯示單元510上。可替代地，可能存儲來自存儲 單元515中的重建單元509的信號，同時等待進一步處理。重建單元509 有益地以數字圖像處理單元來構造，對其編程來從RF線圈503獲得MR信 號。
所公開方法說明的實施例中的次序不必是強制性的。本領域的技術人 員可以改變步驟的次序，或通過使用線程模型、多處理器系統或多進程並 行執行步驟而不偏離所公開的概念。
應該注意上述實施例是在對本發明進行了說明而不是限制，並且本領 域的技術人員能設計許多可替代的實施例而不偏離所附加權利要求的範 圍。在權利要求中，放置在圓括號間的任何引用符號不應該理解為限制權 利要求。詞語"包括"並不排除除了在權利要求中所列出之外的元件或步驟的存在。元件之前的詞"一"並不排除多個這樣的元件的存在。所公開 的方法可以通過包括幾個不同元件的硬體來實現，並且可以通過合適編程 後的計算機的方式來實現。在列舉各個裝置的系統權利要求中，可以通過 計算機可讀軟體或硬體中的一個且相同的項來實現幾個這樣的裝置。僅僅 是在互相不同的從屬權利要求中陳述某些措施的事實並不表示不能利用這 些措施的組合來獲益。
權利要求
1、一種包括傳輸線纜的可調諧射頻線圈(100)，包括所述傳輸線纜的第一導電元件(102)，其用於形成可調諧到至少一個第一諧振頻率的主諧振電路；以及所述傳輸線纜的第二導電元件(104)，其用於形成與所述主諧振電路電絕緣並且電抗耦合到所述主諧振電路的開關電路，所述開關電路用於將所述主諧振電路調諧到至少一個第二諧振頻率。
2、 根據權利要求1所述的可調諧射頻線圈(100)，其中所述傳輸線纜 用於作為特定諧振頻率下的波導。
3、 根據權利要求1所述的可調諧射頻線圈(100)，所述傳輸線纜包括 多於兩個的導電元件，其中除所述第一導電元件和第二導電元件以外的每 個導電元件用於形成調諧到各自諧振頻率的獨立諧振電路。
4、 根據權利要求1所述的可調諧射頻線圈(100)，其中所述傳輸線纜 是同軸電纜。
5、 根據權利要求4所述的可調諧射頻線圈(200)，其中所述第一導電 元件是所述同軸電纜的外屏蔽層(204)並且所述第二導電元件是所述同軸 電纜內芯(202)。
6、 根據權利要求1所述的可調諧射頻線圈(100)，其中，所述開關電 路還用於形成可調諧到至少第三諧振頻率的次諧振電路。
7、 根據權利要求1所述的可調諧射頻線圈(100)，其中，所述傳輸線 纜形成至少一部分橫電磁(TEM)線圈。
8、 一種製造包括傳輸線纜的射頻線圈(100)的方法，包括配置所述傳輸線纜的第一導電元件(401)以形成可調諧到至少一個第 一諧振頻率的主諧振電路；配置所述傳輸線纜的第二導電元件(402)以形成開關電路，該開關電 路與所述主諧振電路電絕緣並且電抗耦合到所述主諧振電路；以及使所述開關電路(403)將所述主諧振電路調諧到至少一個第二諧振頻率。
9、 一種調諧包括傳輸線纜的可調諧射頻線圈(100)的方法，其中包 括所述傳輸線纜的第一導電元件(102)的主諧振電路被調諧到至少一個第 一諧振頻率，所述方法包括對包括所述傳輸線纜第二導電元件(104)的開關電路進行操作，所述 開關電路與所述主諧振電路電絕緣並且電抗耦合到所述主諧振電路；以及 將所述主諧振電路調諧到至少一個第二諧振頻率。
10、 一種包括可調諧射頻線圈(503)的磁共振系統，所述可調諧射頻 線圈(503)包括傳輸線纜，並且所述可調諧射頻線圈(503)還包括所述傳輸線纜的第一導電元件(102)，其用於形成可調諧到至少一個 第一諧振頻率的主諧振電路；以及所述傳輸線纜的第二導電元件(104)，其用於形成與所述主諧振電路 電絕緣並且電抗耦合到所述主諧振電路的開關電路，所述開關電路用於將 所述主諧振電路調諧到至少一個第二諧振頻率。
全文摘要
為了解調諧射頻線圈(例如，在磁共振成像和光譜學中)，傳輸線纜的導電元件(102)用於形成可調諧到至少一個第一諧振頻率的主諧振電路。傳輸線纜的第二導電元件(104)用於形成開關電路，該開關電路與所述主諧振電路電絕緣並且電抗耦合到所述主諧振電路，而且用於將主諧振電路調諧到至少一個第二諧振頻率。
文檔編號G01R33/34GK101454685SQ200780019771
公開日2009年6月10日 申請日期2007年5月29日 優先權日2006年5月30日
發明者C·芬德科裡, D·維爾茨 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司