CN101086525B - 感性耦合接收线圈 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种感性耦合接收线圈，用于接收射频信号并将其通过耦合器耦合到系统，所述的耦合器由相互耦合的耦合电感构成，所述的耦合电感之间设置至少一附加耦合电路，所述的附加耦合电路分别与所述的耦合电感相耦合以传输所述的射频信号。通过在所述的感性耦合接收线圈的耦合器的耦合电感之间的附加耦合电路，该附加耦合电路可以低损耗、无相移地在所述的耦合电感之间传输所述的射频信号，从而使得所述的耦合器的耦合电感不再受耦合距离的限制。

Description

感性耦合接收线圈

技术领域

本发明涉及一种射频信号的接收装置，特别是涉及一种接收射频信号的耦合接收线圈。

背景技术

在磁共振成像系统中，采用接收线圈来接收人体发出的射频信号，然后对接收到的射频信号进行处理成像。

请参阅图1以及图2，目前常用的接收线圈主要采用环形天线的设计：电感L1、电容Cs及C1串联组成接收线圈10用于接收射频信号；所述射频信号传送到该电容Cs与电感Ls组成的失谐回路11，其中通过与该电容Cs、电感Ls并联的二极管D1的导通与否来控制所述接收线圈10的工作状态，通过与电容Cs、电感Ls连接的电容Cp调节系统的匹配；然后所述的射频信号经过前置放大器Preamp和扼流圈13被传送到插拔接头30；最后通过所述的插拔接头30传送到系统40中，所述的系统40在该磁共振系统中负责数据处理。图3简单地示出了这种接收线圈的连接方式，接收线圈10用来接收射频信号并与插拔接头30相连，通过该插拔接头30与系统40连接从而将射频信号传送到该系统40。

然而，上述的接收线圈存在如下缺点：a)由于所述的插拔接头30一端与系统40相连，另一端与所述的接收线圈10以及相应电路相连，使得医生在放置或者定位所述的接收线圈10以接收病人不同部位的射频信号时受到很大的限制，难以自由无约束地移动；b)频繁的插拔使得所述的插拔接头30很容易损坏；c)每个接收线圈10都与一套前置放大器Preamp和扼流圈13相连，这大大增加了接收线圈的成本，而且与接收线圈相连的扼流圈在极端的情况下有可能会对病人造成伤害。

为了解决现有接收线圈的上述问题，Markus Vester等人提出一种感性耦合线圈，其原理和逻辑框图分别如图4和图5所示。电感L1’、两个电容C1’以及电容C12串联组成接收线圈10’，该接收线圈10’是一个LC回路，其在系统40的中心频率下进行谐振，从而接收人体发出的射频信号。电容C12，C2和耦合电感L2组成自动失谐回路12，该回路是一个并联LC回路，其在中心频率谐振；根据射频电路原理，这时的LC回路相当于断路；它保证在耦合电感L2和耦合L4没有耦合的情况下，即耦合系数Km为零的时候，接收线圈10’在C12处断开，接收线圈10’处在不工作状态；从而保证接收线圈10’在没有耦合的情况下，不会影响其他线圈和部件的正常工作。电感L2和L4组成耦合器20，在L2和L4耦合的情况下，将接收到的射频信号耦合到系统40中。电容C3和电感L4’组成被动失谐回路14，保证在L2和L4耦合的情况下，在发射线圈工作时，通过二极管D1’的导通，该C3和L4’构成的并联谐振回路将L4打开，使接收线圈10’处于非工作状态；电容C4与该C3和L4’构成的并联谐振回路相连，起到使系统在50欧姆下进行匹配，使信号的传输达到最大。该被动失谐回路14分别与前置放大器Preamp和扼流圈13以及系统40相连。

图6简单地示出了上述感性耦合线圈的连接方式，接收线圈10’通过耦合器20将接收到的射频信号耦合到系统4中，从而取消了图1中所示的传统接收线圈10中的插拔接头30的使用。由于插拔接头的取消，使得用户不必承担因其损毁而带来的后果和成本的增加。其中，该耦合器20包括可移动部分22(图4中的L2)和固定部分24(图4中的L4)，该可移动部分22与该接收线圈10’相连并可随其自由移动；该固定部分24与各回路以及系统40相连；接收线圈10’接收到射频信号后便可以通过该耦合器20从其可移动部分22传送到其固定部分24，进而传送到系统40。由于可移动部分22与该接收线圈10’相连并可随其自由移动，而且该可移动部分22并不与该固定部分24相连，因此医生可以不受限制地随意移动该接收线圈10’。而且与该固定部分24相连的前置放大器和扼流圈可以与不同的接收线圈10’配合使用，大大节约了成本；同时，由于接收线圈10’不再与前置放大器和扼流圈相连，保证了病人的安全。

上述图4中感性耦合线圈的原理图可以等效转化成图7中所述的电路，进一步简化成图8中所述的电路(为简明起见，前置放大器Preamp后面的连接省略)。图中，电阻Rp表示负载，电阻R1代表L1’的损耗，电阻R2代表L2的损耗，电阻R4代表L4的损耗，电阻R4’代表L4’的损耗，Lm为耦合电感。由于L1’，C1和C12组成接收线圈10’，所以，L1’，C1和C12构成的LC回路在系统40的中心频率下谐振，即在中心频率下，L1’和C1的串联相当于电感-C12。因为C12，C2，L2-Lm和Lm构成的回路(自动失谐回路12)也在中心频率下谐振，这时，C2和L2-Lm组成的串联回路可以等效为电感-C12和电容-Lm组成的串联回路。Lm，L4-Lm和C3组成谐振回路，则L4-Lm可以看成是电容-Lm和电感-C3组成的串联回路。同理，L4’也可以看成是-C3。因此，图7可以进一步简化为图8，这样原来的原理图简化成由三个四分之一波长(下文简称为λ/4)回路组成。设C12的容抗值是X12，Lm的容抗值是Xm，C3的容抗值是X3；另外，假设R1，R2和R4相比较于X12，Xm和X3来讲很小，则这整个回路引起的损耗值(信噪比的变化与信噪比的比值)可以用下式表示：

$\frac{\mathrm{delta}\left(\mathrm{SNR}\right)}{\mathrm{SNR}}=\frac{R1R2{X3}^2+R1{R4}^{\′}{\mathrm{Xm}}^2}{{X12}^2{X3}^2}+\frac{R4{X12}^2}{R1{\mathrm{Xm}}^2},$

当X12满足下列条件时，可以使损耗达到最小：

${X12}^2=R1\mathrm{Xm}\·\sqrt{\frac{R2}{R4}+\frac{{R4}^{\′}}{R4}\·\frac{{\mathrm{Xm}}^2}{{X3}^2}}.$

以Km＝0.6，X12＝50欧姆，XL2＝XL3＝50欧姆(XL2和XL3分别为L2和L3的感抗值)，R1＝2.5欧姆，R2＝0.5欧姆，R4＝0.5欧姆，R4’＝0.5欧姆为例，可以得出这时候的损耗为1.9％。从应用的角度讲，这样的损耗是可以接受的。

然而，要保证上述的接收线圈装置的感性耦合接收线圈的正常工作，一个最关键的因素就在于L2和L4之间的耦合系数Km(见图4)。Km的值越大则回路引起的损耗值越小，在理想情况下Km＝1，这样，所有的信号都没有损失地耦合进系统。要做到这一点，就需要L2和L4越接近越好，理想的情况是它们之间的距离为零。但是在实际情况中，并不能做到这一点。

请参阅图9，上述的感性耦合线圈在实际的应用中，接收线圈10’放在病床50上面，用来接收射频信号；耦合器20分成两部分，一部分与接收线圈10’相连，该部分称为该耦合器20的可移动部分22(图4中的L2)；另一部分固定在磁体的外壳附近、病床50的下面，该部分称为耦合线圈的固定部分24(图4中的L4)。接收线圈10’接收到射频信号后将其传送到该耦合器20的可移动部分22；该可移动部分22再把该射频信号耦合到该该耦合器20的固定部分24后传送到系统40中。然而，上述Markus Vester等人提出的感性耦合线圈的耦合器20的可移动部分22和固定部分24只能在很小距离内进行有效的耦合，而不能有效地穿透病床50。因此在上述的耦合过程中，由于病床50的厚度d1使该耦合器20的可移动部分22和固定部分24之间的距离过大，导致耦合系数Km大大减小，回路的损耗达到不可接受的程度。而如果把耦合器20的可移动部分22放在病床50的下面，则需要在病床50上挖很大的槽，而且由于该可移动部分50a需要与该接收线圈10’相连，因此其在插入及抽出所述的槽的时候对操作造成很大的麻烦。

发明内容

本发明的目的在于提出一种感性耦合接收线圈，用来消除其耦合器的耦合电感之间的耦合受到距离的影响，从而将接收线圈接收到的射频信号有效地耦合到系统中。

为实现上述目的，本发明提出一种感性耦合接收线圈，用于接收射频信号并将其通过耦合器耦合到系统，所述的耦合器由相互耦合的耦合电感构成，所述的耦合电感之间设置至少一附加耦合电路，所述的附加耦合电路为两个相连的四分之一波长线路，其输入信号和输出信号之间的相移为零，其分别与所述的耦合电感相耦合以传输所述的射频信号。

所述的附加耦合电路分别通过第一耦合电感和第二耦合电感与所述的耦合器的耦合电感相耦合，其中，所述的第一耦合电感依次与第一串联电容、串联电感、第二串联电容和该第二耦合电感串联，并在该第一耦合电感和第一串联电容的两端并联一并联电容后形成回路。

所述的回路在该第一耦合电感和第二耦合电感与所述的耦合器的耦合电感相耦合时形成该两个相连的λ/4线路，其输入阻抗等于输出阻抗，故增加的附加耦合电路对于其他部分，除了其本身引入的损耗外不构成任何影响。

所述的回路在该第一耦合电感和第二耦合电感与所述的耦合器的耦合电感的值相等，使得该第一耦合电感和第一串联电容构成的串联回路与该并联电容构成的并联回路谐振；该串联电感、第二串联电容和该第二耦合电感构成的串联回路与该并联电容构成的并联回路谐振。

通过在所述的感性耦合接收线圈的耦合器的耦合电感之间设置一个或者多个该附加耦合电路，所述的附加耦合电路可以低损耗、无相移地在所述的耦合电感之间传输所述的射频信号，从而使得所述的耦合器的耦合电感不再受耦合距离的限制。

附图说明

图1是使用插拔接头连接系统的现有接收线圈的原理图；

图2是图1的逻辑框图；

图3是图2的简化的逻辑框图；

图4是由Markus Vester等人提出的、使用耦合器将射频信号耦合到系统的感性耦合线圈的原理图；

图5是图4的逻辑框图；

图6是图5的简化的逻辑框图；

图7是图4的等效原理图；

图8是图7的简化原理图；

图9是图4的感性耦合线圈的应用实施例，该感性耦合线圈的耦合器的可移动部分和固定部分分别设置在病床的上下两侧，射频信号由该可移动部分直接耦合到该固定部分；

图10是本发明感性耦合线圈的原理图，其耦合器中包括一附加耦合电路；

图11是图10的逻辑框图；

图12是图10的感性耦合线圈的应用实施例，该感性耦合线圈的耦合器的可移动部分和固定部分分别设置在病床的上下两侧，该附加耦合电路设置在该可移动部分和固定部分之间并分别与所述两部分耦合，射频信号由该可移动部分耦合到该附加耦合电路，再由该附加耦合电路耦合到该固定部分；

图13是对图10的电路进行分析的原理图；

图14是图13的等效原理图；

图15是对图14的原理图的阻抗相移分析的原理图；

图16是图10的附加耦合电路的原理图；

图17至图18是对图16的附加耦合电路分别在两端耦合的分析的原理图；

图19是对图16的附加耦合电路同时在两端耦合的分析的原理图；以及

图20是图19的等效原理图。

具体实施方式

请参阅图10和图11，本发明的感性耦合接收线圈与图4所示的现有技术相比，最主要的特征在于在图4的耦合电感L2和L3之间插入虚线框表示的附加耦合电路26，即在该感性耦合接收线圈的耦合器20的可移动部分22和固定部分24之间插入该附加耦合电路26。

所述的附加耦合电路26分别与所述的耦合电感L2和L4相耦合以传输所述的射频信号。该附加耦合电路26分别通过第一耦合电感L2’和第二耦合电感L3与所述的耦合器20的耦合电感L2和L4相耦合，其中，所述的第一耦合电感L2’依次与第一串联电容C2’、串联电感L3’、第二串联电容C3”和该第二耦合电感L3串联，并在该第一耦合电感L2’和第一串联电容C2’的两端并联一并联电容C3后形成回路。所述的回路在该第一耦合电感L2’和第二耦合电感L3与所述的耦合器20的耦合电感L2，L4相耦合时形成两个相连的λ/4线路，其输入阻抗等于输出阻抗，相移为零。所述的回路在该第一耦合电感L2’和第二耦合电感L3与所述的耦合器20的耦合电感L2，L4的值相等，使得该第一耦合电感L2’和第一串联电容C2’构成的串联回路与该并联电容C3构成的并联回路谐振；该串联电感L3’、第二串联电容C3”和该第二耦合电感L3构成的串联回路与该并联电容C3构成的并联回路谐振。

请进一步参阅图12，本发明的感性耦合接收线圈包括接收天线10’，该接收天线10’位于病床50的上方，用来接收射频信号；所述的射频信号通过耦合器20耦合到系统40。该耦合器20包括相互耦合的可移动部分22(图10中的L2)和固定部分24(图10中的L4)；该可移动部分22设置在病床50上方，并且可自由移动地与该接收天线10’相连；该固定部分24设置在病床50下方，并且与系统40相连。为了解决该耦合器20的可移动部分22和固定部分24之间由于病床50的厚度d1(进一步地包括病人)的阻隔而使得耦合距离过大，从而导致耦合系数大大减小的问题，本发明在该耦合器20的可移动部分22和固定部分24之间设置附加耦合电路26。该附加耦合电路26的一端设置在病床50的上方，另外一端设置在病床50的下方，该两端分别与该可移动部分22和固定部分24耦合，从而将射频信号间接地从该可移动部分22耦合到固定部分24。由于该附加耦合电路26与该可移动部分22之间的耦合距离d2，以及该附加耦合电路26与该固定部分24之间的耦合距离d3可以很方便地设置成很小，从而保证了该附加耦合电路26与该可移动部分22以及该固定部分24之间的耦合效率。可以理解地，为了满足不同情况下的需要，两个或者两个以上依次耦合的附加耦合电路26也可以同时应用于本发明中来将射频信号间接地从该可移动部分22耦合到该固定部分24。

为逐步和详细地说明图10中本发明的感性耦合接收线圈的工作原理，先来分析图13所示的电路，图13是图10所示的电路没有插入附加耦合电路26时的电路原理图。

请参阅图14，图14是图13的等效原理图，其中，M为L2和L4的互感。在这个电路中，电容C2与电感L2构成串联回路，在中心频率下谐振，所以C2与L2-M构成的串联回路等效于-M。将图13中的电容C4’看成是电容C5与电感L5的串联；调节C4’，使C5与L4谐振、L5与C3谐振；再调节L4’，使C3与L4’谐振，这时的电路将是两个λ/4回路，如图15所示。请参阅图15，输入阻抗Z0通过第一个λ/4回路转换得到的阻抗Z1可以用下式表示，其相移为90度：

$Z1=\frac{{\mathrm{Zm}}^2}{Z0}$

其中，Zm是M的阻抗表示，再经过第二个λ/4回路转换，得到的阻抗Z可以用下式表示，其相移为-90度：

$Z=\frac{{Z3}^2}{Z1}=\frac{Z0*{Z3}^2}{{\mathrm{Zm}}^2}$

其中，Z3是C3的阻抗表示，如果C3与M的阻抗值相等，那么Z就等于Z0。也就是说，射频信号经过这两个λ/4回路的转化，相移为零。

接下来分析图10中插入的附加耦合电路26，该电路如图16所示，该图是图13的两个线圈的对向相连。在L2和L2’耦合的情况下，即图17，粗黑虚线以左的部分可以看成是两个λ/4回路，这样，L3’相当于-C3’，C3”与L3谐振；由于L3’、C3”与L3构成的串联回路和C3’并联谐振，L2’处于打开状态，而C2和L2谐振，这样，从端口1看过去是短路状态。同理，将L2与L3耦合，如图18，从端口1看过去，也是短路状态。

如果L2＝L2’＝L3，从图17可以看出，L3’、C3”和L3组成的串联回路与C3’构成的并联回路谐振；从图18看出，L2’和C2’构成的串联回路与C3’谐振。这样一来，L3’和C3”构成的串联回路等效于C2’。

请参阅图19，下面对图13和图16结合起来同时进行分析，为方便理解，图19等效为图20。假设L2＝L2’＝L3＝L4，M表示L2和L2’以及L3与L4在100％耦合情况下的互感。在这种情况下，C2与L2谐振，那么C2与L2-M等效于-M；C2’和L2’构成的串联回路与C3’谐振，所以L2’-M和C2’可以看成是-M-C3’；同理可得C2’与L3-M构成的串联回路等效于-M-C3’；C4’与L4构成的串联回路与C3谐振，所以C4’和L4-M可以看成是-M-C3；因为C3与L4’构成失谐回路，所以L4’等效于-C3。故本发明增加该附加耦合电路的结果是在图13的耦合线圈构成的两个λ/4电路的基础上再加入两个λ/4电路。在C3’和M相等的情况下，加入的两个λ/4电路的输入阻抗等于输出阻抗，相移为零。这样的话，增加的附加耦合电路对于其他部分，除了其本身引入的损耗外不构成任何影响。

Claims (3)

1.一种感性耦合接收线圈，用于接收射频信号并将其通过耦合器(20)耦合到系统(40)，所述的耦合器(20)由相互耦合的耦合电感(L2，L4)构成，其特征在于，所述的耦合电感(L2，L4)之间设置至少一附加耦合电路(26)，所述的附加耦合电路(26)为两个相连的四分之一波长线路，其输入信号和输出信号之间的相移为零，其分别与所述的耦合电感(L2，L4)相耦合以传输所述的射频信号；

其中，所述的附加耦合电路(26)分别通过第一耦合电感(L2’)和第二耦合电感(L3)与所述的耦合器(20)的耦合电感(L2，L4)相耦合，其中，所述的第一耦合电感(L2’)依次与第一串联电容(C2’)、串联电感(L3’)、第二串联电容(C3”)和该第二耦合电感(L3)串联，并在该第一耦合电感(L2’)和第一串联电容(C2’)的两端并联一并联电容(C3)后形成回路。

2.根据权利要求1的感性耦合接收线圈，其特征在于：所述的回路在该第一耦合电感(L2’)和第二耦合电感(L3)与所述的耦合器(20)的耦合电感(L2，L4)相耦合时该回路形成所述的两个相连的四分之一波长线路，其输入阻抗等于输出阻抗。

3.根据权利要求2的感性耦合接收线圈，其特征在于：所述的回路在该第一耦合电感(L2’)和第二耦合电感(L3)与所述的耦合器(20)的耦合电感(L2，L4)相等，使得该第一耦合电感(L2’)和第一串联电容(C2’)构成的串联回路与该并联电容(C3)构成的并联回路谐振；该串联电感(L3’)、第二串联电容(C3”)和该第二耦合电感(L3)构成的串联回路与该并联电容(C3)构成的并联回路谐振。

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