CN100397092C - 磁共振成像系统的接收线圈回路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁共振成像系统接收线圈回路，包括：调谐回路，通过调节可调电容，使回路在谐振频率谐振；失谐回路，在发射线圈发射信号时，使接收线圈处于非工作状态；匹配回路，使回路在中心频率达到匹配，上述调谐回路与上述失谐回路共用一个电容(Cp)，并且第一可调电容(Ctuning)和电容(Cp)并联。本发明的回路与现有技术相比较，其优点是：降低了可调电容值，因而使得可调电容的频率调谐范围增加；减小了总电路产生的容抗；可保护第一可调电容(Ctuning)，使其避免被高压击穿，并且不增加电路的损耗。

Description

磁共振成像系统的接收线圈回路

(一)技术领域

本发明涉及一种接收线圈回路，尤其是磁共振成像系统中的接收线圈回路。

(二)背景技术

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，缩写为MRI)是利用原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种成像技术，具体地说，磁共振的基本原理在于含单数质子的原子核，例如人体内广泛存在的氢原子核，其质子有自旋运动，带正电，产生磁矩，有如一个小磁体。小磁体自旋轴的排列无一定规律。但如在均匀的强磁场中，则小磁体的自旋轴将按磁场磁力线的方向重新排列。在这种状态下，用特定频率的射频(Radio Frequency，RF)脉冲进行激发，作为小磁体的氢原子核吸收一定量的能而共振，即发生了磁共振现象。停止发射射频脉冲，则被激发的氢原子核把所吸收的能逐步释放出来，其相位和能级都恢复到激发前的状态。MRI与X射线、CT等成像原理不同，它对人体没有射线损害，因此为临床应用提供了广阔的研究领域。

磁共振成像系统主要由磁体、梯度磁场线圈、射频线圈、扫描序列以及图像处理和显示系统等部分组成。梯度线圈的作用是修改主磁场，产生梯度磁场。其磁场强度虽只有主磁场的几百分之一，但梯度磁场为人体磁共振信号提供了空间定位的三维编码的可能。射频线圈由发射线圈和接收线圈组成，发射线圈很象一个短波发射台及发射天线，用适当的射频波向人体发射脉冲进行激励，人体内氢原子核(含单数质子的原子核)相当一台收音机接收脉冲。脉冲停止发射(激励)后，人体氢原子核变成一个短波发射台，而磁共振信号接收器则成为一台收音机接收磁共振信号。磁共振信号接收器的作用是由接收线圈来实现的。

上述接收线圈将上述人体发射的磁信号转变为电信号，然后通过插头(Plug)连到磁共振成像系统的图像处理和显示系统中，作进一步图像重建处理。为了使信号达到最大，就要使得接收信号的频率处于原子核发射信号的频率，即达到谐振。对于样品为氢质子的物质(包括人体)，在0.35T的磁场下，该质子的谐振频率是14.6MHz。由于生产出的磁体的磁场强度有一定误差，在0.35T附近偏移，因此质子的谐振频率也会在谐振频率附近有微小的变动。

因此，在磁共振成像系统中，接收线圈要能正常运作，是意味着接收线圈在谐振频率为中心的一个频段内(谐振频率±100kHz)都可以正常工作。通常情况下用分立的线路来达到这个目的，比如在文献Siemens Internal Document Part Number：7100303，7100394中所记载的线路。所谓分立线路，是指调谐回路和失谐回路各自所使用的固定电容不同，在图1中，调谐回路所使用的固定电容是Cp和Cdetune，而失谐回路所使用的固定电容是Cdetune。与分立线路相对的是合并线路，合并线路是指调谐回路和失谐回路使用同一个的固定电容。接收线圈分立线路的原理可以用图1来说明。图1中共包含三个回路，分别是调谐回路、失谐回路和匹配回路。

分立线路中图1中，失谐回路由电感Ls、二极管D、失谐电容Cdetune组成，上述电感Ls与二极管D串联，再与失谐电容Cdetune并联，该失谐回路的作用主要是在发射线圈发射信号时，使接收线圈处在非工作状态，即使得二极管D导通，电感Ls与失谐电容Cdetune处于谐振状态，根据谐振理论，此时失谐回路与外面的回路相当于断路状态，因此接收线圈不能工作。调谐回路工作时、二极管D截止，因此该调谐回路由可调电容Ctuning、失谐电容Cdetune、负载R、电感L串联后再与电容Cp并联组成，作用是通过调节可调电容Ctuning，使该回路在接收线圈中心频率谐振。其中可调电容Ctuning由一个固定电容C和一个电解电容Ctuning’并联组成，其结构可参见图2。匹配线路由可调电容Cs与上述的调谐回路串联组成，作用是当调谐回路在接收线圈中心频率达到匹配时，不会使信号在调谐回路里面产生反射，使信号传输达到最大。这三个回路共同作用，来满足接收线圈在谐振频率容许的范围内达到谐振的要求。

这种分立线路在调谐的状态下，失谐电容Cdetune和可调电容Ctuning各占据一部分感抗。也就是说，电感L、失谐电容Cdetune、可调电容Ctuning、电容Cp形成一个LC回路。LC回路满足 $\mathrm{\ω}\sqrt{\mathrm{LC}}=1$ ，其中ω为中心频率时的角速度、L为电感，它们均为定值，因此调谐电路的总容抗C也为定值。由于该总容抗C由Cdetune、Ctuning、Cp串联组成，而容抗具有越串联越小的特点，因此可调电容Ctuning、失谐电容Cdetune、电容Cp均大于总容抗C。另外，由于失谐电容Cdetune占据了一部分感抗，因此分到可调电容Ctuning上的感抗减小，导致可调电容Ctuning的容值增大。调谐回路中可调电容Ctuning很大会导致频率可调谐范围比较小，由于生产的每一磁体的场强不可能严格精确到0。35T，因而谐振频率也会稍微变化，一一调节每个接收线圈回路，即，需要选择和调节可调电容Ctuning，以使接收线圈在谐振频率为中心的一个频段内正常工作，因而目前接收线圈的生产效率比较低。

已有技术试图利用图3所示的方法，减小上述失谐电容Cdetune占据的感抗。失谐状态时由于二极管导通，电容C’不起作用，失谐电路仍与图1所示相同。但在调谐状态时，相当于Ls与C’串联，然后再与Cdetune并联。电容C’和Cdetune并联使失谐回路的电容增加，占据的感抗比较小。由于可调电容Ctuning占据的感抗增大，其容值可以较小，因而在一定程度上增大了调谐范围。但仍不能满足大范围调谐，而且Ls在调谐时也工作，因此增大了线路的损耗。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种包含调谐、失谐、匹配回路的磁共振成像系统接收线圈回路，该接收线圈回路能克服原有调谐电路容抗过大而导致调谐范围小的缺点、扩大调谐电路的调谐范围，从而不必在制造过程中根据每一个磁体的磁体强度来调节线圈，而是可以批量生产同一规格的接收线圈回路、满足不同磁场强度磁体的需要，并且该接收线圈回路不增加线路的损耗。

本发明的上述目的是通过以下方案实现的：一种磁共振成像系统接收线圈回路，用于发射线圈对人体进行激励后接收人体发射的磁信号，包括：一个调谐回路，通过调节第一可调电容，使上述调谐回路在中心频率谐振；一个失谐回路，在上述发射线圈发射信号时，使上述接收线圈回路处于非工作状态；一个匹配回路，使上述调谐回路在中心频率达到匹配，其特征在于，上述调谐回路与上述失谐回路共用一个电容，并且上述第一可调电容和上述电容并联。根据本发明的一个方面，磁共振成像系统接收线圈回路由第一电感、第一可调电容、二极管、电容、第二电感和负载、第二可调电容组成，上述第二电感、负载串联后与电容并联构成的回路与第一电感串联，再与第一可调电容并联，然后再与第二可调电容串联，上述二极管两端连接上述第一电感和电容，其作用是在失谐状态时导通使上述第一电感和电容谐振进而使整个线圈处于不工作状态。

根据本发明的另一个方面，所述磁共振成像系统接收线圈调谐回路由上述第一电感、第一可调电容、电容、第二电感和负载组成，上述第二电感、负载串联后与电容并联构成的回路与第一电感串联，再与第一可调电容并联。

根据本发明的又一个方面，所述磁共振成像系统接收线圈失谐回路由上述第一电感、二极管、电容组成，失谐时上述二极管导通、上述第一电感和上述电容并联。

根据本发明的再一个方面，所述磁共振成像系统接收线圈匹配回路由上述第一电感、第一可调电容、电容、第二电感和负载、第二可调电容组成，上述第二电感、负载串联后与电容并联构成的回路与第一电感串联，再与第一可调电容并联，最后再与第二可调电容串联。

采用了本发明的上述结构后，本发明的回路与现有技术相比较，其优点是：(1)降低了可调电容Ctuning值，因而使得可调电容的频率调谐范围增加，使得不必再针对每一个磁体的频率来调节线圈，而是可以批量生产同一规格的线圈、满足不同磁场强度磁体的需要；(2)分立线路中，Cs和外面的回路(由可调电容Ctuning、电容Cp、电感L、负载R)串联，当失谐回路工作时候，由于谐振而使回路断开，Cp与Cs构成了一个回路；而改进后，Ls与Cp谐振使得整个回路只剩下Cs’和Ctuning串联。由于Cs’小于Cs，Ctuning比Cp小，因此减小了总电路产生的容抗。(3)在发射信号时，失谐回路处在工作状态，由于Ctuning下端接地、由于二极管导通，Ctuning的上端也接地，这样就可保护可调电容Ctuning，使其避免被高压击穿。

(四)附图说明

图1是现有技术中磁共振成像系统接收线圈回路，其包括分立的匹配、调谐和失谐回路。

图2表明图1中的接收线圈回路的等效电路原理图。

图3表示是现有技术中为抵消图1失谐回路占据感抗而设的解决方案的原理图。

图4是本发明的磁共振成像系统接收线圈回路原理图，其由匹配、调谐和失谐回路合并而成。

图5是本发明的磁共振成像系统接收线圈回路的调谐回路未考虑可调电容Ctuning时的等效原理图。

图6是本发明的磁共振成像系统接收线圈回路的调谐回路考虑可调电容Ctuning时的等效原理图。

图7是将图6中并联的可调电容Ctuning等效为串联的电感Ls’时的电路原理图。

图8是为与图1在同等条件下进行比较而在图4中添加了一个失谐电容Cdetune和一个固定电容C以后的接收线圈回路合并线路工作原理图。

(五)具体实施方式

现结合附图，对本发明作进一步说明。图4表示本发明的磁共振成像系统接收线圈回路的一个实施例，该接收线圈回路由第一电感Ls、第一可调电容Ctuning、二极管D、电容Cp、第二电感L和负载R、第二可调电容Cs’组成。所述的负载R通常为病人负载。上述第二电感L、负载R串联后与电容Cp并联构成的回路与第一电感Ls串联，再与第一可调电容Ctuning并联，然后再与第二可调电容Cs’串联，上述二极管D两端连接上述第一电感Ls和电容Cp，其作用是在失谐状态时导通使上述第一电感Ls和电容Cp谐振进而使整个线圈处于不工作状态。

图4中的磁共振成像系统接收线圈回路分为调谐回路、失谐回路、匹配回路三个部分合并而成。其中调谐回路由上述第一电感Ls、第一可调电容Ctuning、电容Cp、第二电感L和负载R组成，上述第二电感L、负载R串联后与电容Cp并联构成的回路与第一电感Ls串联，再与第一可调电容Ctuning并联。失谐回路由上述第一电感Ls、二极管D、电容Cp组成，失谐时上述二极管D导通、上述第一电感Ls和上述电容Cp并联。调谐回路与失谐回路共用一个电容Cp。匹配回路由上述第一电感Ls、第一可调电容Ctuning、电容Cp、第二电感L和负载R、第二可调电容Cs’组成，上述第二电感L、负载R串联后与电容Cp并联构成的回路与第一电感Ls串联，再与第一可调电容Ctuning并联，最后再与第二可调电容Cs’串联。

本发明的接收线圈回路将调谐回路，失谐回路，匹配回路合并在一起，这种安排使得可调电容Ctuning和Cs’的值大幅减小，调谐范围显著增大。我们可以通过计算来证实这点。

图4中的可调电容Cs’是为了让调谐回路在谐振频率下达到传输最大，起到匹配效果。在匹配的情况下，调谐电路可以看成是λ/4线路，其等效电路为图5与图6两种方式，其中图5是在没有考虑可调电容Ctuning时调谐回路的等效电路，图6是考虑了可调电容Ctuning时的等效电路。

在本发明中，对于匹配回路，为了进行比较，我们假设如下条件：只需考虑图1中电容Cp右边部分和本发明的图5或图6中电容Cp右边的部分，并且这两部分的阻抗应该相等，由此可以得出阻抗关系式(1)

$\frac{1}{\mathrm{j\ωCs}}=\mathrm{j\ωLs}+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{\mathrm{Cs}}^{\′}}---\left(1\right)$

其中，Cs为图1中的匹配电容，由关系式(1)可以看出本发明的接收回路中的可调电容Cs’的值小于现有技术中的可调电容Cs。

在本发明中，失谐回路是一个谐振电路，振荡条件为 $\mathrm{\ω}\sqrt{\mathrm{LC}}=1,$ 因此有式(2)

ω²LC＝1(2)

本发明中的调谐回路的等效电路如图5和图6所示，从输入方向(图4的左边)看过去的整个调谐回路的阻抗为Zcoil，从输出方向(图4的右边)看过去整个回路的阻抗为Z，两者之间传输线路特性组抗为Z_L。依据高频线路中输入、输出方向看过去的阻抗等于传输线路特性阻抗的平方，可知图5中Z和Zcoil满足关系式(3)

$Z_L^2=Z*\mathrm{Zcoil}---\left(3\right)$

因此有

$Z=\frac{Z_L^2}{\mathrm{Zcoil}}---\left(4\right)$

根据电磁学原理，在高频线路中，传输线路的特性阻抗Z_L可以表示为：

$Z_L=\sqrt{\frac{L_S}{C_P}}---\left(5\right)$

如图6所示，在调谐回路的等效电路中并联一个可调电容Ctuning这相当于串联一个电感，由此，图6可以进一步等效成为图7所示的电路。因此关系式(4)可以变换得到：

$Z=\frac{Z_L^2}{\mathrm{Zcoil}+\mathrm{j\ω}{L}^{\′}}---\left(6\right)$

公式(6)中电感

$L^{\′}=\mathrm{Ls}\frac{\mathrm{Ctuning}}{\mathrm{Cp}}---\left(7\right)$

在进行上述推导的基础上，下面用带入具体的数值来计算现有技术和本发明的可调电容Ctuning的值和调谐频率范围，并加以比较。假设谐振频率为14.6MHz(对应于0.35T磁场下氢质子的谐振频率)，ω为2π*14.6MHz，总的调谐回路的感抗值L为800nH，电容Cp的值是330pF，失谐电容Cdetune的值为470pF，可调电容Ctuning的组成部分中固定电容C的值为470pF。

对于图1的分立线路的调谐回路，由于三个电容Cp，Cdetune和Ctuning为串联关系，由谐振条件关系式(2)可得：

$\frac{1}{\mathrm{Cp}}+\frac{1}{C\det \mathrm{une}}+\frac{1}{\mathrm{Ctuning}}={\mathrm{\ω}}^{2}L$

因此

$\mathrm{Ctuning}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2\·L-\frac{1}{C\det \mathrm{une}}-\frac{1}{\mathrm{Cp}}}$

带入上述的已知数值，即可得到谐振时的可调电容Ctuning为635.2pF。如果可调电容Ctuning值调节增大1pF，带入其他的电容和电感值，由下式计算新的谐振频率

$\mathrm{\ω}1={\left(\frac{\frac{1}{\mathrm{Cp}}+\frac{1}{C\det \mathrm{une}}+\frac{1}{\mathrm{Ctuning}+1}}{L}\right)}^{0.5}$

谐振频率f＝ω1/2π，从14.6MHz移为14.597MHz。换言之，可调电容Ctuning调节增大例如1pF，相应的谐振频率变化为3KHz。

对于图4和图8所示的本发明的合并线路的失谐回路，采用同样的电容和电感L值及ω值，根据谐振条件关系式(2)

$\mathrm{Ls}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{Cp}}$

可以算得电感Ls为360nH。

为了和图1在同等条件下比较，在图4中假设添加一个失谐电容Cdetune和一个固定电容C，图8为添加这两个电容以后的电路图。由于图8是在图4中电感L的支路里串联了两个电容，串联的电容占据的感抗增大，相应地可调电容Ctuning占据的感抗减小，因而可调电容Ctuning的值增大。在图8中，电感L和失谐电容Cdetune、固定电容C串联然后与电容Cp并联，再与可调电容Ctuning和电感Ls组成的串联回路并联。图8中可见，电感L和失谐电容Cdetune、固定电容C串联，其阻抗表达式是

$j\·\mathrm{\ω}\·L+\frac{1}{j\·\mathrm{\ω}\·\frac{C\det \mathrm{une}\·C}{C\det \mathrm{une}+C}}$

由于前面已经假设失谐电容Cdetune、固定电容C的值都为470，带入上式，然后与电容Cp并联，可以得到并联后的阻抗为

$\frac{(j\·\mathrm{\ω}\·L+\frac{1}{j\·\mathrm{\ω}\·235})\·\frac{1}{j\·\mathrm{\ω}\·\mathrm{Cp}}}{j\·\mathrm{\ω}\·L+\frac{1}{j\·\mathrm{\ω}\·235}+\frac{1}{j\·\mathrm{\ω}\·\mathrm{Cp}}}$

可调电容Ctuning和电感Ls组成的串联回路的阻抗是

$\frac{1}{j\·\mathrm{\ω}\·\mathrm{Ctuning}}+j\·\mathrm{\ω}\·\mathrm{Ls}$

在LC调谐回路谐振情况下，将该调谐回路视为串联关系时各部分阻抗之和为零。

$\frac{(j\·\mathrm{\ω}\·L+\frac{1}{j\·\mathrm{\ω}\·235})\·\frac{1}{j\·\mathrm{\ω}\·\mathrm{Cp}}}{j\·\mathrm{\ω}\·L+\frac{1}{j\·\mathrm{\ω}\·235}+\frac{1}{j\·\mathrm{\ω}\·\mathrm{Cp}}}+\frac{1}{j\·\mathrm{\ω}\·\mathrm{Ctuning}}+j\·\mathrm{\ω}\·\mathrm{Ls}=0$

于是可得

$\frac{1}{\mathrm{\ω}\·\mathrm{Ctuning}}=\frac{(-\mathrm{\ω}\·L+\frac{1}{\mathrm{\ω}\·235})\·\frac{1}{\mathrm{\ω}\·\mathrm{Cp}}}{\mathrm{\ω}\·L-\frac{1}{\mathrm{\ω}\·235}-\frac{1}{\mathrm{\ω}\·\mathrm{Cp}}}+\mathrm{\ωLs}$

因为在合并线路的失谐回路中有ω²·ls·Cp＝1，因此

$\frac{1}{\mathrm{\ω}\·\mathrm{Ctuning}}=\mathrm{\ω}\·\mathrm{Ls}\·(1+\frac{\frac{1}{\mathrm{\ω}\·235}-\mathrm{\ω}\·L}{\mathrm{\ω}\·L-\frac{1}{\mathrm{\ω}\·235}-\frac{1}{\mathrm{\ω}\·\mathrm{Cp}}})$

$\frac{1}{\mathrm{\ω}\·\mathrm{Ctuning}}=\mathrm{\ω}\·\mathrm{Ls}\·\left[\frac{1}{\mathrm{Cp}\·(\frac{1}{235}+\frac{1}{\mathrm{Cp}}-{\mathrm{\ω}}^2\·L)}\right]$

令

$C1=\frac{1}{235}+\frac{1}{\mathrm{Cp}}-{\mathrm{\ω}}^2\·L$

即上式中C1可以看成是图8中电感L和两个470pF的电容C构成的串联线路的等效电容值，于是导出

$\mathrm{Ctuning}=\frac{C1\·\mathrm{Cp}}{{\mathrm{\ω}}^2\·\mathrm{Ls}}$

将计算图1示所用的那些相同的数据带入上述公式得出，当接收线圈回路在14.6MHz谐振时，可调电容Ctuning为60.3pF。我们仍然将可调电容Ctuning调节增大例如1pF达到61.3pF，通过上述关系式可以计算出谐振频率ω2：

$\mathrm{\ω}2={\left(\frac{\frac{1}{235}+\frac{1}{\mathrm{Cp}}}{L+\mathrm{Ls}\·\frac{\mathrm{Ctuning}+1}{\mathrm{Cp}}}\right)}^{0.5}$

谐振频率f从14.6MHz移到14.591MHz，变化了9kHz。从上述的计算结果可以看出，根据本发明的接收线圈回路，其中，可调电容Ctuning的值仅为现有技术的约1/10，而可调电容Ctuning每调节1pF，谐振频率f就发生9KHz的变化，同等条件下，相当于已有技术频率调节范围的三倍。

为了便于与图1比较，图8在图4的基础上增加了不利因素C和Cdetune，即便如此，图8的计算结果仍然大大优于已有技术。采用如图4所示的本发明的方案后，由于没有不利因素C和Cdetune的影响，可调电容Ctuning值将在图8基础上进一步下降，因而可调电容的频率调谐范围进一步增加，可以批量生产同一规格的磁共振成像系统的接收线圈，即使磁体的磁场强度不同，本发明的接收线圈回路因具有足够宽的调谐范围也能满足谐振的要求。

Claims (4)

1.一种磁共振成像系统接收线圈回路，用于发射线圈对人体进行激励后接收人体发射的磁信号，包括：一个调谐回路，通过调节第一可调电容(Ctuning)，使上述调谐回路在中心频率谐振；一个失谐回路，在上述发射线圈发射信号时，使上述接收线圈回路处于非工作状态；一个匹配回路，使上述调谐回路在中心频率达到匹配，上述调谐回路与上述失谐回路共用一个电容(Cp)，并且上述第一可调电容(Ctuning)和上述电容(Cp)并联，其特征在于，该接收线圈回路由第一电感(Ls)、第一可调电容(Ctuning)、二极管(D)、电容(Cp)、第二电感(L)和负载(R)、第二可调电容(Cs’)组成，上述第二电感(L)、负载(R)串联后与电容(Cp)并联构成的回路与第一电感(Ls)串联，再与第一可调电容(Ctuning)并联，然后再与第二可调电容(Cs’)串联，上述二极管(D)两端连接上述第一电感(Ls)和电容(Cp)，其作用是在失谐状态时导通使上述第一电感(Ls)和电容(Cp)谐振进而使整个线圈处于不工作状态。

2.如权利要求1所述的磁共振成像系统接收线圈回路，其特征在于，所述调谐回路由上述第一电感(Ls)、第一可调电容(Ctuning)、电容(Cp)、第二电感(L)和负载(R)组成，上述第二电感(L)、负载(R)串联后与电容(Cp)并联构成的回路与第一电感(Ls)串联，再与第一可调电容(Ctuning)并联。

3.如权利要求1所述的磁共振成像系统接收线圈回路，其特征在于，所述失谐回路由上述第一电感(Ls)、二极管(D)、电容(Cp)组成，失谐时上述二极管(D)导通、上述第一电感(Ls)和上述电容(Cp)并联。

4.如权利要求1所述的磁共振成像系统接收线圈回路，其特征在于，所述匹配回路由上述第一电感(Ls)、第一可调电容(Ctuning)、电容(Cp)、第二电感(L)和负载(R)、第二可调电容(Cs’)组成，上述第二电感(L)、负载(R)串联后与电容(Cp)并联构成的回路与第一电感(Ls)串联，再与第一可调电容(Ctuning)并联，最后再与第二可调电容(Cs’)串联。

Images