CN1005932B - 互感核磁共振射频线圈匹配装置 - Google Patents

Abstract

耦合装置应用互感耦合一核磁共振射频线圈到一个射频功率放大器和射频接收器前置放大器。该装置包括一匹配线圈。其接在射频功率放大器和前置放大器上。且放在射频线固和去耦合屏蔽罩中间由射频线圈产生的磁密最大的区域。这保证了对射频线圈的有效耦合。同时提供了通过改变耦合线圈切割磁通的面积来调整耦合度（因此也就调整了输入阻抗）的方法。

Description

互感核磁共振射频线圈匹配装置

本发明涉及的是核磁共振装置。更确切些说，本发明涉及一阻抗匹配装置，它利用互感来耦合射频线圈到射频功率放大器以及射频接收机前置放大器，而射频功率放大器和射频接收机前置放大器组成核磁共振扫描器的一部份。

过去，结构化学家已经在高分辨率核磁共振光谱学仪器中应用核磁共振现象来分析化合物的结构。最近，核磁共振已发展为一种医学诊断方式，并在人体解剖成像以及实现在体外对体内进行光谱学分析方面获得了应用。正如现在充分了解的那样，放在极化磁场中的样品体，诸如病人，放在拉马（Larmor）频率下的射频能量照射会激发核磁共振现象。在医疗诊断应用中，通常是把要检查的病人放在园柱形的射频线圈中，并用射频功率放大器激励射频线圈来实现的。在射频激励停下来时，同一线圈或另外的线圈和一射频前置放大器接收躺在射频线圈磁场中的病人体上发出来的核磁共振信号。核磁共振信号通常是在线性梯度磁场存在时观察的，此线性梯度场用于把空间信息编码成信号。在整个核磁共振扫描期间，多数核磁共振信号通常都会被观察到。然后应用这些信号来获得关于被研究物体的核磁共振图象或光谱学信息。

为保证射频功率放大器和射频线圈以及线圈和核磁共振接收机前置放大器之间最大的功率传输，射频线圈的输入阻抗必须与放大器的输出阻抗以及前置放大器的输入阻抗相匹配。另外射频线圈的阻抗必须与连接射频线圈和射频功率放大器或前置放大器的传输线的特性阻抗相匹配。这点可以通过作用可调阻抗匹配网络来获得。而传统的核磁共振射频线圈匹配网络的一个问题是：对这样的电路的恰当地使用要依赖于线圈的品质因数Q，而品质因数又随其中物体的大小而变化。因此一个大个子（比如体重超过220磅）将要比一个小个子使线圈Q值降低的多的多。Q值的降低通常会导致阻抗失配，这是因为Q值的降低会伴随产生线圈输入阻抗的减少的缘故。

为了重新获得最优输入阻抗，传统的匹配网络要么需要可拆卸的电气连接，代换电容值;要么采用可变电容或可变电感以备调整。然而，代换具有离散值的部件，或者电气接线的改接可能只会使数目有限的核磁共振射频线圈负载达到阻抗匹配。同样不希望的是在核磁共振磁铁铁芯附近使用可调电容性或电感性元件，因为它们会影响磁场的均匀性。

因此，当今发明的主要目的是提供一核磁共振射频线圈阻抗匹配装置，它克服了上面讨论的传统装置的缺点。

本发明的另一目的是提供一使用可变互感的核磁共振射频线圈阻抗匹配装置，此装置可对阻抗范围很大的大多数负载实现匹配。

核磁共振扫描装置包含一个射频线圈，用以发送或接收射频信号。当射频线圈作用于发送方式下时，它被耦合到射频能源。在接收方式下，射频线圈被耦合到射频接收器。使用耦合线圈通过互感来实现核磁共振射频线圈到射频能源和到接收机的耦合。为此，实施时耦合线圈放置在射频线圈的磁场中。

我们相信本发明是新颖的，其特征在后面的权项中详细阐述，然而参照下面的叙述和附图可以在它的组织以及进一步与物体一起进行操作的方法，和由此带来的优点两方面，对发明有更好的理解。

图1是核磁共振扫描器磁铁的剖面图，包括射频线图，梯度磁场线圈和磁场调整线圈组件和射频屏蔽罩。

图2描述一种直接激励核磁共振射频耦合线圈的传统方法，包括射频屏蔽罩的一个断面视图。

图3与图2相似，但它描述了体现本发明的，利用可变互感的核磁共振射频线圈阻抗匹配装置的一个例子。

图4描绘按照使用可变互感的本发明激励射频线圈的方法。

图5A是核磁共振射频线圈的顶视图，该线圈已在图3示出。该图画出了射频磁通分布以及对本发明中的匹配线圈推荐一个适宜位置，以便产生一个线性极化射频磁场。

图5B与图5A类似，但另外描绘了正交谐振方式下的磁通分布以及对本发明中的匹配线圈推荐一个适宜位置，以产生一环形极化射频磁场。

图6是实现使用正交激励来产生形形激化磁场的推荐电路框图。

图7详细画出了实现发明的阻抗匹配线圈的另一个例子，其对于与图5A和图5B中所描述的实例一起使用十分有例。

图8画出了一个射频屏蔽罩的实现图，在本发明中对激励射频线圈很有用。

图1是核磁共振磁铁的侧剖面图，其总标号是10，用以产生极化磁场。在后继的讨论中所述的磁铁设计为超导型。然而这仅仅是个例子，也可以使用其它设计的磁铁，该磁铁是螺线管结构，有一园柱状铁芯12，沿纵轴14放置在中心。磁铁上有一组主线圈绕组16，通电时产生极化磁场。在超导磁铁中，线圈放置在低温恒温器18中，其内含有适当的致冷剂，诸如液态氦或液态氮，以维持绕组处予线圈中所用材料的超导特征温度下。一组或多组电阻性或超导的调节线圈20放在主线圈绕组临近处，有益于校正由绕组16产生的极化磁场的内在不均匀性。当然超导调节线圈也应放在低温恒温器18中。射频线圈组件22同轴地置于梯度线圈24中，后者与调节线圈相邻。射频去耦合屏蔽罩26同轴地放在射频线圈和梯度线圈组件中间，消除两线圈之间的耦合。屏蔽罩本质上作为一个低通滤波器，允许属于音频范围的梯度磁场脉冲不受阻碍通过，而对射频而言实际上短路，以此避免由梯度线圈耦合到射频线圈的不良效应。使用中，要被检查的病人（图中未示出）区域与一放在铁芯中的通常为球形的物体28对准这里极化磁场和射频磁场是均匀的，而由线圈组件产生的梯度磁场是线性的。

核磁共振扫描器的总体结构参照图1作了概括叙述。射频线圈，射频屏蔽罩以及按照传统方法直接激励射频线圈的方式将参照图2详细叙述。射频线圈30被射频屏蔽罩32围绕，图中射频屏蔽罩为清楚起见切去了一部分。射频线圈由一对导电回路元件34和36组成，它们又由八个轴向的导电条37～44相互连接起来。每一轴向导电条上至少装有一个容性元件，就象图中用46-53标明的，分别对应于导电条37-44的电容器一样导电回路元件34上有第一对串接的电容器54和55，它们位于回路上轴向导电条37的两边，导电回路34上第二对串接电容器56和57接在回路上轴向导电条41的两边，正好与轴向导电条37径向相对，相似的，导电回路36上接有电容器对62-63和64-65，它们也分别接在轴向导电条37和41的两边。电容器54-57和62-65的作用是阻止回路元件中涡电流的循环和提供正确的激励点阻抗，其中涡流是由于在核磁共振图象应用中脉冲式使用梯度磁场所致。虽然没有在图2中单独示出，但在回路元件34和36中有一与之相伴的固有电感，它需要与接在轴向导电条中的电容结合以获得合适的线圈功能。另外，可以看到图2绘出的射频线圈有八个轴向导电条。然而实用中并不以此为限，可以使用更多或更少的导电条，其原则是导电条的数目越多，产生的射频磁场越均匀。

射频线圈由一射频功率放大器66激励，后者从发送器接收输入射频信号（发送器图中未示出）。射频放大器的输出通过同轴电缆68，发送1接受开关70和第二根同轴电缆72跨接在电容元件54和55上，同轴电缆72的中心导线接在串接电容器54和55的一边，而其外罩接在另一边，同时在点74处接地到屏蔽罩32。当射频线圈作为接收天线使用时，接收到的核磁共振信号通过同轴电缆72和发送/接收开关70接到射频前置放大器76，然后接到射频接收器（图中未示出）。射频线圈在美国专利申请548745中公开并提出权项要求，参考文献中列出了该专利申请。

上面参考图2叙述的在射频线圈加电的直接激励方法在许多应用中工作得很令人满意。然而还有一些伴随的缺点。正如已经指出的，线圈阻抗随取象物体的尺寸而变化：当物体变大时阻抗减小。这导致线圈和射频放大器间的阻抗失配，降低了功率耦合到线圈的效率。另外，由于射频功率放大器的输出阻抗设定在50欧姆的工业标准阻抗上，所以线圈的输入阻抗必须保持非常接近这个数值。为达到这一点，跨接于其上而对射频线圈加电的电容器54和55必须小（数量级为100～200微微法），这是因为随着电容量的减小阻抗增加这一事实。一方面，要求这些电容要小以获得希望的线圈阻抗;另一方面，要求这些电容尽可能大以避免由于射频电流过大在电容器上产生的高电压过早损坏射频线圈，这两种要求是互相冲突的。这种高电压能够引起射频线圈中的电容器介质击穿而过早损坏。射频线圈直接激励驱动方法要求线圈必须封在射频屏蔽罩中以去除射频线圈和梯度线圈之间的耦合，同时要求射频线圈和屏蔽罩在同轴驱动电缆上接地（就象在图2中74标明的点）以把由于电缆的敷设和移动而引起的阻抗变化减至最小，这是这种方法的又一缺点。屏蔽罩和射频线圈同轴电缆的连接在线圈激励时会引起电流不平衡，这是由于线圈和屏蔽罩相离太近而产生的分布电容所致。电流不平衡会引起射频磁场的不均匀，不均匀的射频磁场又会引起图象失真。虽然可以采用传统的平衡-不平衡变换器消除电流的不平衡，但是这样的装置已被证明在核磁共振系统中难以维护。如果线圈的谐振频率稍稍偏离由射频放大器提供的射频激励频率，电流不平衡也会发生。不平衡电流会在线圈的一节产生较高电压。接着会导致图象失真和由于过电压电介质的过早损坏。

现在参考图3和图4来叙述本发明。按照本发明的方法可以克服前面叙述的传统的核磁共振射频线圈驱动方法的缺点。首先参见图3，图里示出了射频线圈30放置在屏蔽罩32中，实际上与上面图2中叙述的线圈和屏蔽罩相同，其中相似的部分用相似的参考号标明。另外，图3中示出一匹配线圈80，它由放置在射频线圈和屏蔽罩间的长形导电回路组成，一端经由电容器C₁耦合到同轴功率馈给电缆72的芯线，其另一端接至射频屏蔽罩（75标明的点）和同轴电缆的外层导体。匹配线圈80的放置应使在射频线圈的共振频率下相对于射频线圈有最大射频磁密的地方，举例来说如箭头82所示。通过同轴电缆72加在匹配线圈上的射频能量是通过可变互感（变压器作用）耦合到射频线圈的。匹配线圈和磁通之间的耦合程度依赖于可用于耦合到磁通的匹配线圈的有效面积以及匹配线圈和射频线圈间的耦合系数。当匹配线圈的平面垂直于箭头82代表的射频磁通时耦合程度最大。

根据本发明的一个实现方案，耦合程度可以通过围绕径向轴84旋转匹配线圈80来改变，沿双向箭头86所指的方向旋转耦合线圈改变了耦合线圈和磁通的耦合面积。一般说来，希望构造一个具有足够大面积的耦合线圈以提供耦合线圈和射频线圈间的高耦合度。

下面参考图4更详细地叙述使用可变互感激励射频线圈的作用原理。图4以图的方式描述了射频线圈、匹配线圈和射频功率放大器。图中匹配线圈4与电容器C₁和电阻R₁串连，其中R₁为此次讨论方便起见，假定小的可以忽略。核磁共振射频线圈的电容和电感分别用集总元件C₂和L₂表示，L₂和L₁由互感M耦合。图中还绘出与电感L₂和电容C₂串接有一可变电阻元件R₂。电阻R₂表示为一个可变元件是为了指出射频线圈的品质因数是随着病人的高矮、胖瘦而变化的。例如，对于大个子病人，线圈的Q值减小。这等价于R₂阻值的增加。在射频功率源88的输出阻抗R_S等于耦合线圈两端的阻抗Z_in时可以获得最大的功率传输。这个条件也导致核磁共振射频线圈流过最大电流I₂₀亦即当

（1）

成立时I₂最大。式中ω是射频线圈的共振频率，M是匹配线圈和射频线圈间的互感耦合因数。这个关系式在线圈中的电容和电感共振时成立，就象在一般谐振回路中的情形一样，其中耦合线圈和射频线圈设计为在我们感兴趣的原子核的拉马频率下共振，而射频源频率等于希望的共振频率。

由于方程（1）显而易见，Z_in取决于电阻R₂的值，而R₂正如已经指出的那样，与线圈的品质因数有关，因此品质因数Q的变化引起了由射频功率源看进去的输入阻抗Z_in的变化，结果导致阻抗失配。根据本发明，而且由上面列出的方程也很明显地看出，改变匹配线圈电感L₁和射频线圈电感L₂间的耦合，可以调整Z_in的数值。耦合度由互感耦合因子M表示。如同前面已经指出的，旋转图3中的耦合线圈80可以改变线圈回路包围的可用以耦合射频磁通的面积，从而可以调节耦合度。耦合线圈的转动有改变互感M的作用，但对耦合线圈的自感L₁却很少影响。这是由于其长度和几何形状并没有因线圈的转动而改变。因此尚不同大小的病人放在核磁共振射频线圈中时，用来平衡匹配线圈自感的电容器C₁不需调整。

应该看到，上面叙述的通过旋转匹配线圈来改变射频线圈和匹配线圈之间耦合的方法仅是一个例子。其它的方法像改变匹配线圈和射频线圈之间的距离而移到射频磁密较大或较小处，也很好用。

图5A是同轴配置的射频屏蔽罩90和射频线圈92的顶视图，有16个轴向导电条，例如图中有两个就用数字92作为示例标明。图中还标明耦合线圈96为产生一线性极化射频磁场的适宜位置。这在核磁共振图象应用中特别有用。匹配线圈96置于射频线圈和屏蔽罩中具有最大射频磁密的位置上，图中磁力线98的相对最接近处。图5A中绘出的磁通形状是为了线圈谐振方式的，其中在轴向导电条上的电流是正弦分布，结果在射频线圈内部的射频磁通是均匀的，就象图中磁力线部分100标明的那样。

图5B实际上同图5A，其中相似的部分用相似的参考数字标明。图5B绘出本发明的一个实现方案，它是使用可变电感激励射频线圈以产生一环形极化磁场。如所周知，环形极化磁场有消耗功率小的优点，同时改善核磁共振应用中的信噪比。图5A和图5B中的显著不同在于，图5B中增设了第二个匹配线圈102。线圈96和102放在偏离竖直轴45°的地方，如同图中所示的那样，以使两个线圈沿射频线圈园周分开90°。这种结构在研究那对称物体时可以避免射频线圈的不平衡负载。匹配线圈的位置选择在与正交谐振方式下最大磁密一致的地方，其垂直于已在图5A中叙述的，而在图5B中用实线标明的方向上。与正交方式相联系的磁通在图5B中用虚线标出，而线圈放置在用参考数字104标明的最大磁密区域中。为了耦合到正交谐振方式，匹配线圈96和102在匹配线圈和射频线圈的谐振频率下由射频功率源（未示出）激励，其相位为彼此相距90电角度。在推荐的本发明的实现方案中，这一点是通过使用已知的几个四端装置中的一种，比如正交差动装置106而获得的，如图6。

接着参考图6，射频功率放大器108的输出通过发送/接收开关110a接到正交差动装置的端口1上，在这里它被分成两个幅值相等、而相位彼此相距90°的两个信号。分开的两个功率信号出现在端口3和端口4上，并且接到匹配线圈上，就象图5B中用96和102标明的那样。在接收方式下，射频线圈接收到的核磁共振信号接在端口3和4，而且适当地在正交差动装置上整相，使得实际上所有的信号都出现在端口2上，从这里这些信号通过发送/接收开关1106接到射频前置放大器112，然后接到核磁共振接收器上（图中未示出）。匹配负载电阻114通过发送/接收开关耦合到正交差动装置的端口2上，以保证在发送周期中正工作。其它适当的回端装置包括环形差动装置，对称耦合器非对称耦合器，锥形线耦合器和集总元件耦合器等均可使用，但并不以此为限。

耦合线圈依照本发明的另一实现方案见图7。线圈由一角型导电元件116组成，其伸长部分平行于射频屏蔽罩118，并由一较短的竖直条与屏蔽罩实现电气连接。第二个角型导电元件120其伸长部分与元件116平行放置，并隔开一定空间以便产生一小的间隙。元件120的短垂直边接在同轴电缆122的芯线上，后者耦合到时频源（未示出）且其外部导体在屏蔽罩118上接地。导电元件116和120圈确定了一个面积124，图中用元件的长边和射频屏蔽罩之间的虚线标明。这个面积决定了匹配线圈和射频线圈之间的耦合度。元件116和120间的气隙相应于图4中描述的电容C₁，而导电元件相应于电感L₁。不用置换导电元件而调整面积的一个方法是调整其对屏蔽罩的高度，就象双向箭头126a和126b指示的那样。通过调整一对螺钉128和130可以改变元件116和120之间间隙的开度，从而可以改变电容C₁的数值。实践中面积和电容调节到某些经验值，它们对多数希望被扫描的病人并不会产生不可接受的阻抗失配，因为允许对于精确的阻抗匹配条件有一些偏离。

本发明应用可变互感激励射频线圈的方法具有几个优点。例如，如图2所示分别放置在导电回路元件34和36中的电容元件54～57和62～65现在可以取得大一些，以使其上的压降较小，因此有助于消除介质击穿。这是一个优点。因为这些电容器在射频线圈中具有最小的数值（由需要高输入阻抗决定的），因此它们在高电压下会最先损坏。另外，采用本发明方法提供的阻抗的特性是实值的（由于由恰当激励射频线圈所需要的共振条件决定），同时可能通过增加与磁场磁通相耦合的匹配线圈的面积设定到大的数值。另一优点是核磁共振射频线圈不再需要直接连接到屏蔽罩的任何点，象在图2中所述的传统驱动情形下那样，那里射频线圈是在点74耦合到屏蔽罩上的。这就允许线圈在电的意义上讲是浮空的，而由寄生电容自动平衡自身。根据本发明，匹配线圈在图3中的屏蔽罩上点75处接地，使得屏蔽罩作为电感驱动装置的一个整体部分使用，因此不再需要平衡/不平衡变换器，而为射频功率放大器提供一稳定的输入阻抗。在线圈偏频工作时，从功率放大器到射频线圈的能量传输由于共振磁通特性图而衰减至最小。亦即如果线圈不在共振（也就是说，它由一个频率异于射频线圈谐振频率的射频源激励），放大器将不能把功率耦合到线圈，因为线圈将不提供必要的磁通特性图来耦合到匹配线圈。这一点作为一个自保护机构是我们希望的，而传统的直接驱动激励射频线圈的方法并不提供此种保护。

核磁共振射频屏蔽罩的一个实现方案见图8，它对上面描述的射频线圈很有用处。该屏蔽罩已在1983.12.16日申请的，申请号为562121的公开报告中公开，并提出保护权项，作为参考把它结合到本说明书中。简略地说，图8是一个腐蚀图，它用于一个由介电材料隔开的双面印刷电路板的两个导体面上。实线（例如140）指明印刷电路板上内导电层要被腐蚀的区域（亦印形成屏蔽罩的内园柱表面的导电层），而虚线（例如142）指明在外层导体上要被腐蚀的区域。把腐蚀过的印刷电路板的内导电层的A-B边和C-D边焊接起来可以做成一个园柱，其内放置核磁共振射频线圈外导电层的边不作电气连接而形成一个间隙，图中用连接点A-B和C-D的虚线标明。屏蔽罩上用字母E、F、G和H定义的中央矩形区的内外导电层均要被腐蚀，以分别形成众多竖直导电条146和148。它们平行于核磁共振射频线圈的轴向导电条。内外导电面上腐蚀出的线彼此相距半个条宽，以使在一个导电层上的间隙通过在另一导电层上伸出的导电条桥接起来。内导电层上的导电条150、152和154和导电条156，158与160导通的电流分别对应于图3中核磁共振射频线圈导电回路元件34和36中流过的电流。导电回路元件34放在导电条154中央，而导电回路元件36放在导电条156中央。在这些路径中不存在间断点，因为位于沿终点JK、LM的线的腐蚀区域可以放在回路园周上的适当点上，使得回路元件中的电流在这些点上最小。腐蚀线162和164确实阻挡竖直电流。然而这些切口是必须的，它可以阻止屏蔽罩中感生的涡流。不过线圈的这一区域，线圈电流展得很宽，而使跨过腐蚀线162和164的电流密度小于导电条154和156中的电流密度。另外大面积的电容耦合桥路连接了线162和164。在外导电层上的腐蚀线166，168和170远离向导电层上的腐蚀线162和164以供跨越腐蚀线162和164的电容桥路为最大，腐蚀线144和172在完整的屏蔽罩的外导电层上形成一间隙，该间隙阻止梯度场感生的涡电流回路而对屏蔽罩的效用无任何不良影响，应该看到，内导电层上的任一腐蚀线均不跨越外层导体上的腐蚀线。然而也可能希望允许这样的交叉出现。例如连接线162和164，则在N点和P点间形成一条连续的腐蚀线。在这种情形下，所有屏蔽罩的导电元件，象由146标明的，实际上将对在内层表面感生的电流产生同样的阻抗。

尽管本发明是参照特定的实现方案和特别的例子叙述的，根据上面的讲叙，熟练的技术人员也可能提出其它的修改和改进。因此，应该理解，在后面提出的权项范围内，本发明除了用明确叙述过的方法以外，也可以用其它方法实现。

Claims (15)

1、核磁共振扫描装置，包括：

（1）用以发送和接收射频信号的射频线圈装置，

（2）当上述射频线圈以发送方式工作时，第一个用以激励上述线圈的激励装置，

（3）当上述线圈以接收方式工作时，用来接收射频信号的接收装置，

其特征在于，所说核磁共振扫描装置具有：

第一个匹配线圈装置，用于耦合上述射频线圈装置到上述激励装置和接收装置，上述匹配线圈装置安装在上述射频线圈的磁通量场中，位置上要使得上述匹配线圈装置和上述射频线圈装置在工作时通过互感耦合。

2、权利要求1所述的核磁共振扫描装置，其特征在于进一步包括调整上述匹配线圈装置和上述射频线圈装置之间的互感耦合的第一个调整装置。

3、权利要求2所述的核磁共振扫描装置，其特征在于，所说第一个调整装置包括改变匹配线圈的用以耦合到射频线圈磁通量场的面积的装置。

4、权利要求1或2所述的核磁共振扫描装置，其特征在于进一步包括屏蔽装置，上述匹配线圈装置在其上电气接地，使上述射频线圈装置在电气意义上相对于上述匹配线圈装置和屏蔽罩装置浮动。

5、权利要求1或2所述的核磁共振扫描装置，其特征在于进一步包括：

（1）第二个匹配线圈装置，用以耦合上述射频线圈到上述接收装置，该第二个匹配线圈装置安装在上述射频线圈的磁通量场中，并在物理上沿上述射频线圈圆周与第一个匹配线圈装置隔开90°放置，和

（2）激励上述第二个匹配线圈装置的装置，上述最后提到的装置的输出与上述激励第一个匹配线圈装置的装置电气上相差90度。

6、权利要求5所述的核磁共振扫描装置，其特征在于进一步包括调整上述第二个匹配线圈装置和上述射频线圈装置之间的互感耦合的第二个调整装置。

7、权利要求6所述的核磁共振扫描装置，其特征在于，上述第二个调整装置包括改变上述第二个匹配线圈用来耦合到上述射频线圈的磁通量场的面积的装置。

8、权利要求7所述的核磁共振扫描装置，其特征在于，进一步包括屏蔽罩装置，上述第一和第二个匹配线圈装置在其上电气接地，使上述射频线圈装置在电气意义上相对于上述每一匹配线圈和上述屏蔽罩装置浮动。

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