CN101438181A - 用于mri的双共振发射接收螺线管线圈 - Google Patents
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Abstract
一种磁共振系统(8)包括射频线圈(36),其能够至少在第一预定共振频率和第二预定共振频率处共振。调谐共振电路(110,132)串联耦合至所述射频线圈(36)。所述调谐共振电路(110,132)包括调谐部件(Cp,Lp;Cp,Ch,Lh)。选择所述调谐电路(110,132)的调谐部件(Cp,Lp;Cp,Ch,Lh)的值,使得在所述第一频率处共振的射频线圈的灵敏度分布与在所述第二频率处共振的射频线圈的灵敏度分布基本匹配。
Description
技术领域
本申请涉及磁共振领域。它在遵循19F-1H分子成像的磁共振成像中具有特殊应用,因而将具体参考这一点对本申请予以说明。然而,它还更广泛地应用在具有各种偶极子对(例如,碳、磷等的偶极子对)的多核磁共振成像、磁共振波谱学等当中。
背景技术
磁共振成像扫描仪通常包括一般为超导的主磁体,其产生穿过检查区域的在空间和时间上都保持恒定的磁场B0。将诸如全身线圈、头部线圈之类的射频(RF)线圈和发射器调谐到要被在所述B0场内成像的偶极子的共振频率。经常采用所述线圈和发射器来激励和操作这些偶极子。通过利用电流驱动梯度线圈来对空间信息进行编码,从而穿越所述检查区域沿各个方向建立除所述B0场之外的磁场梯度。磁共振信号一直由同一个或独立的仅用于接收的RF线圈来获取,RF接收器对所述磁共振信号进行解调、滤波和抽样,最后在某一专用硬件或通用硬件上将所述磁共振信号重构为图像。
双共振19F和1H磁共振成像或波谱学提供了不同种类的代谢信息。例如,在分子成像领域中,19F磁共振成像在对氟标记的示踪剂和药物的检测和直接量化方面具有很高的潜力。而与1H磁共振成像的结合能够为19F成像之前的定位提供相关的解剖学信息。
在一种方法中,采用双调谐鸟笼式线圈执行19F-1H磁共振成像,所述线圈针对每一频率具有独立的接收器信道,将一个接收器调谐至图像氢(1H成像),将另一个接收器调谐至图像氟(19F成像)。但是,任一信道的灵敏度都显著低于可在对应的单共振电路中获得的灵敏度。此外,尽管能够在某一频率上优化灵敏度,但是其他频率的灵敏度还是显著低于经优化的频率上的电路灵敏度。
在另一种方法中,采用两个独立的线圈。将一个线圈调谐至19F频率,将另一个线圈调谐至1H频率。在该方法中,这两个经调谐的线圈对于这两个成像偶极子中的每一个也具有不同的灵敏度分布。要想针对两个线圈获得类似的优化灵敏度分布是不切实际的。
本申请提供了能够克服上述问题以及其他问题的经改进的设备和方法。
发明内容
根据一个方面,公开了一种磁共振系统。射频线圈能够至少在第一和第二预定共振频率处共振。将调谐共振电路串联耦合至所述射频线圈,所述调谐共振电路包括调谐部件。选择所述调谐电路的调谐部件的值,从而使在所述第一频率处共振的所述射频线圈的灵敏度分布与在所述第二频率处共振的所述射频线圈的灵敏度分布基本匹配。
根据另一方面,公开了一种磁共振成像方法。将包括调谐部件的调谐电路串联耦合至射频线圈,所述射频线圈能够至少在第一和第二预定共振频率处共振。确定所述调谐电路的调谐部件的值,从而使所述射频线圈在所述第一共振频率和第二共振频率处共振,并且使所述第一频率的灵敏度分布与所述第二频率的灵敏度分布基本匹配。
根据另一方面,公开了一种磁共振线圈系统。射频螺线管线圈包括以螺旋形缠绕在圆筒上的导体。所述螺线管线圈具有固有电感和等距离连接在所述导体的缝隙(split)之间的第一电容器。将共振电路串联耦合至所述导体,并且所述共振电路包括第二电容器、与所述第二电容器并联连接的第三电容器、和与所述第三电容器串联的辅助电感。所述第一电容器、第二电容器和第三电容器以及所述辅助电感协同工作,从而使所述射频螺线管线圈在第一和第二预定共振频率处共振,其中,对于所述两个频率而言,具有基本匹配的灵敏度分布。
一个优点在于多调谐线圈,所述多调谐线圈对于每一频率具有同等的灵敏度分布。
在阅读并理解了下述具体实施例后,本领域技术人员将认识到本发明的其他优点。
附图说明
本发明具体化为各种部件和各种部件布局以及各种步骤和各种步骤排列形式。附图的作用仅在于对优选实施例进行说明,不应将其视为对本发明构成限制。
图1是磁共振成像系统的示意图;
图2是螺线管线圈系统的示意图;
图3是螺线管线圈系统的电气示意图;
图4是具有额外的并联电路的螺线管线圈系统的示意图;
图5是具有额外的调谐电容器的图4所示的线圈系统的电气示意图;以及
图6示出了实现双共振19F-1H成像的调谐电路部件的一系列可能值。
具体实施方式
参考图1,磁共振成像系统8包括扫描仪10,扫描仪10包括外壳12,该外壳12界定一个检查区域14,在所述检查区域14内,将患者或其他成像对象16安置在患者支架或对象支架或床18上。设置在外壳12内的主磁体20在检查区域14内产生主磁场B0。典型地,主磁体20是由低温套(cryoshrouding)24包围的超导磁体;但是,也可以采用常导型主磁体或永磁型主磁体。在外壳12内或外壳12上布置磁场梯度线圈28,从而在处于所述检查区域14内的主磁场上叠加选定的磁场梯度。在外壳12内布置全身射频线圈30,例如,带状线圈、SENSE线圈元件、鸟笼式线圈等,从而向检查区域14内注入射频激励脉冲,并检测所产生的磁共振信号。将双共振射频(RF)线圈系统或装置32设置成邻近所述检查区域14,以产生垂直于所述主磁场B0的磁场B1。线圈系统32可以是螺线管线圈、鞍形线圈、螺线管线圈和鸟笼式线圈的组合、螺线管线圈和鞍形线圈的组合、螺线管线圈的组合等。在示例性实施例中,线圈系统32包括射频线圈36,所述射频线圈36包括以螺旋形缠绕在电介质圆筒40上的一个或多个导体38。当然,线圈系统32能够具有不同的几何形状,例如,椭圆形。如下文将要详细论述的,调谐电路部件确定装置、处理器、算法、人工计算或其他单元42对调谐电路的元件或部件的适当值进行确定,从而使线圈系统32在两个共振频率处共振,并且对于这两个频率表现出基本匹配的灵敏度分布。屏蔽件44将线圈30、36与梯度线圈和其他周围结构屏蔽开。
继续参考图1,磁共振成像(MRI)控制器50对耦合至梯度线圈28的磁场梯度控制器52进行操作,从而在检查区域14内的主磁场上叠加选定的磁场梯度,此外,磁共振成像控制器50还对耦合至射频线圈36的射频发射系统54进行操作,从而向所述检查区域14内注入选定的射频激励脉冲HB1和FB1,以便用于成像,其中所述选定的射频激励脉冲HB1和FB1大约处于磁共振频率Hfres和Ffres中的选定的一者或两者。还可以设想,将射频发射系统54耦合至全身射频线圈30。射频激励脉冲在成像对象16内激励磁共振信号,采用选定的磁场梯度对所述磁共振信号进行空间编码。成像控制器50还控制射频接收系统56,所述射频接收系统56与线圈30、36电感耦合,从而在每一共振频率处对所接收到的经过空间编码的磁共振信号进行解调。当然,可以设想,通过诸如电容耦合等其他手段使射频接收系统56与线圈36耦合。将所接收的经空间编码的磁共振数据存储在磁共振或MR数据存储器60内。
重构处理器、算法、装置或其他单元62将所存储的磁共振数据重构成位于检查区域14内的成像对象16或其选定部分的重构图像。重构处理器62采用傅立叶变换重构技术或其他与数据采集过程中使用的空间编码相适应的适当重构技术。将重构图像存储在图像存储器64内,并且可以将其显示在用户界面66上,通过局域网或Internet传输,通过打印机打印,存储在患者数据库内,或者另作他用。在图示的实施例中,用户界面66还能使放射医师或其他用户与成像控制器50交互,以选择、修改或执行成像序列。
所描述的磁共振成像系统10只是示例性的例子。一般而言,基本上任何磁共振扫描仪都可以并入所公开的射频线圈。例如,所述扫描仪可以是开放式磁扫描仪、竖直腔扫描仪、低场扫描仪、高场扫描仪等。在图1的实施例中,线圈36既用于磁共振序列的发射阶段又用于磁共振序列的接收阶段;但是,在其他实施例中,可以提供单独的发射线圈和接收线圈,它们或者是全身线圈或局部线圈,所述单独的发射线圈或接收线圈之一或二者均可以结合本文公开的一种或多种射频线圈设计和设计方案。
继续参考图1,并进一步参考图2,将一个或多个导体38按照螺线管图案缠绕或环绕在电介质圆筒40的周围,每两个环形导体38之间具有规定间隙d1。对于小的成像对象而言,圆筒40的内径d2等于大约70mm,两个导体38之间的间隙d1等于大约8mm。测量螺线管线圈36的第一固有电感或串联电感Ls,并且在124MHz的频率时,该电感大约等于1024nH。为了作进一步的计算,假设该值在20MHz的带宽上恒定。
等距电容分割段(capacitive split)沿导体38设置,从而在螺线管线圈环之间提供串联的集总第一电容或电容器或串联电容或电容器Cs,从而避免由传播效应引起的电流不均匀性。例如,集总电容Cs包括15个沿导体38等距离设置的电容器。
继续参考图2,并进一步参考图3,第一或串联共振电路100表示线圈36的电路,该第一或串联共振电路100包括第一或串联电感Ls和串联电容Cs,其中所述第一或串联电感Ls表示线圈导体38的固有电感,所述串联电容Cs与所述第一电感Ls串联耦合,并且表示上文论述的集总电容。当线圈导体38的固有电阻接近0Ω时,忽略线圈导体38的固有电阻。第一共振电路100的开路第一或串联电路阻抗Zs为:
其中,参数ω表示与频率f的相关性:
ω=2πf (2)
虚数j满足:
j2=-1 (3)
如果第一电感和电容Ls、Cs将串联电路共振频率ωs确定为:
那么,可以将串联电路阻抗Zs的方程(1)重写为:
可以看出,对于低于串联电路共振频率ωs的频率而言,第一阻抗Zs的作用类似于电容器,例如,虚部为负,对于高于串联电路共振频率ωs的频率而言,第一阻抗Zs的作用类似于电感,例如,虚部为正。
继续参考图2,并进一步参考图4,第二共振电路110与第一共振电路100串联。第二共振电路110包括第二或并联电感Lp以及与所述第二电感Lp并联连接的第二或并联电容器或电容Cp。第二共振电路110的开路第二或并联电路阻抗Zp为:
其中,第二电感和电容Lp、Cp将并联电路共振频率ωp确定为:
可以看出,对于低于并联电路共振频率ωp的频率而言,第二阻抗Zp的作用类似于电感,例如,虚部为负,对于高于并联电路共振频率ωp的频率而言,第二阻抗Zp的作用类似于电容器,例如,虚部为正。
在将第一电路和第二电路100和110组合成第三电路120时,第三电路120在第一共振频率和第二共振频率ω1和ω2(ω1<ω2)处共振,所述第一共振频率和第二共振频率是使对象16内存在的同位素磁共振所必需的,可以通过下述关系式计算所述第一共振频率和第二共振频率:
其中,Zs是第一或串联电路的阻抗;Zp是第二或并联电路的阻抗。
第一电感和第二电感Ls、Lp之间的关系为:
在方程(9)中,线圈导体38的固有电感或第一电感Ls、第一共振频率和第二共振频率ω1、ω2是预定参数,例如,可以预先测量固有电感Ls,并给出第一共振频率和第二共振频率ω1、ω2,将它们作为磁场B0中的19F-1H或其他偶极子对的已知共振频率。由于第二电感Lp一定是正值,因此并联电路共振频率ωp一定大于第一共振频率ω1,并小于第二共振频率ω2。利用处于该范围内的每个值将得到第二电感Lp、第二电容器Cp和第一电容器Cs的一组有效值。
如果第一共振频率和第二共振频率ω1、ω2的值彼此基本接近,例如,对于3T成像而言,19F→120.24MHz,1H→127.74MHz,那么第二电感Lp将远远小于所述第一电感或固有电感Ls。必须将第二电感Lp的值确定在实用的范围内。例如,如上所述,对于经测量大约为1024nH的示例性线圈导体38的固有电感Ls而言,第二电感Lp的最大值为:
从实际的角度考虑,这是一个难以实现的值。
参考图5,第四或双共振电路130包括调谐电路132,其具有相互串联的辅助电容器或第三电容器Ch和第三电感或辅助电感Lh。在一个实施例中,第三电感Lh等价于第二或并联电路电感,并且它等于Lp。如果满足下述方程,那么第四电路130将发生共振:
其中,第四电路130的共振频率ωh为:
提供高阻抗的截止频率ωblock为:
可以将截止频率ωblock选为:
可以将串联电路共振频率ωs和第四电路130的共振频率ωh之间的关系表示为:
参考图6,从曲线图140可以看出,对于频率fh的每个值而言,其中fh等于:
可以为辅助电感Lh、辅助电容Ch、并联电路电容Cp和串联电路电容Cs找到一组适当的值,从而将线圈36调谐成在19F(120.23MHz)和1H(127.73MHz)的示例性3T拉莫尔频率处共振。例如,每一列中的每一组值都提供了用于对电路部件进行调谐以实现用于19F-1H成像的双共振的一组适当的值。例如,对于大约等于112.5MHz的频率fh的值而言,辅助电感Lh可以等于大约89.85nH,并联电路电容Cp可以等于大约89.85pF,辅助电容Ch可以等于大约23.07pF,串联电路电容Cs可以等于大约1.63pF。
在上述方式中,建立了针对两个频率具有基本类似的灵敏度分布的双共振线圈。
任选地,可以将第二组线圈导体38’以基本垂直于主要线圈导体38的方式缠绕在所述圆筒上,从而实现正交激励和接收。不在检查区域14的周围延伸,螺线管线圈可以包括处于检查区域之上、之下的环和/或位于检查区域任一侧的环。还可以将这些线圈与诸如鞍形线圈之类的其他线圈一起使用。此外,除鸟笼式线圈之外,还可以额外采用这些线圈,或者采用这些线圈替代鸟笼式线圈。
在一个实施例中,可以利用诸如PIN二极管之类的调谐器件来使线圈系统32电子失谐,从而可以在不去除19F-1H线圈36的情况下采用全身线圈30进行发射/接收。
已经参考优选实施例对本申请进行了描述。在阅读并理解了前面的具体实施方式后,本领域技术人员可以想到各种修改和变化。应当将本申请视为包括所有落在所附权利要求及其等同要件的范围内的这些修改和变化。
Claims (20)
1、一种磁共振系统(8),包括:
射频线圈(36),其能够至少在第一预定共振频率和第二预定共振频率处共振;以及
调谐共振电路(110,132),其与所述射频线圈(36)串联耦合,所述调谐共振电路(110,132)包括调谐部件(Cp,Lp;Cp,Ch,Lh),选择所述调谐电路(110,132)的所述调谐部件(Cp,Lp;Cp,Ch,Lh)的值,使得在所述第一频率处共振的所述射频线圈的灵敏度分布与在所述第二频率处共振的所述射频线圈的灵敏度分布基本匹配。
2、根据权利要求1所述的系统,其中,所述射频线圈(36)包括螺线管线圈。
3、根据权利要求2所述的系统,其中,所述射频螺线管线圈(36)包括导体(38),所述导体(38)具有围绕检查区域(14)的环。
4、根据权利要求3所述的系统,还包括:
具有环的辅助导体(38’),所述环围绕所述检查区域(14),并且基本垂直于所述导体(38)的环,从而实现正交激励和接收。
5、根据权利要求3所述的系统,其中,所述导体(38)包括以螺旋形布置的环,在相邻环之间界定了间隙(d1)。
6、根据权利要求5所述的系统,其中,所述导体(38)包括第一电容(Cs),所述螺线管线圈(36)具有第一电感(Ls),所述调谐电路(132)包括:
第二电容(Cp);
与所述第二电容(Cp)并联连接的第三电容(Ch);以及
与所述第三电容(Ch)串联连接的辅助电感(Lh),所述第一电容、第二电容和第三电容(Cs,Cp,Ch)和所述辅助电感(Lh)协同工作,从而使所述射频线圈(36)在对应于第一磁共振频率的所述第一预定频率和对应于第二磁共振频率的所述第二预定频率处共振。
7、根据权利要求6所述的系统,其中,所述第一电容(Cs)和所述第一电感(Ls)界定了与所述调谐电路(132)串联连接的串联电路(100),在所述调谐电路(132)中,所述辅助电感(Lh)和所述第三电容(Ch)相互串联连接,从而界定了一条支路,所述支路与所述第二电容(Cp)并联连接。
8、根据权利要求6所述的系统,其中,选择所述第一电容(Cs)的值来调谐所述串联电路(100),从而在低于所述第一共振频率的频率处使其作为电容工作,而在高于所述第一共振频率的频率处使其作为电感工作;选择所述第二电容(Cp)和辅助电感(Lh)的值来调谐所述调谐电路(110,132),从而在低于所述第二共振频率的频率处使其作为电感工作,而在高于所述第二共振频率的频率处使其作为电容工作。
9、根据权利要求6所述的系统,其中,选择所述第二电容和第三电容(Cp,Ch)以及所述辅助电感(Lh)的值,以便利用所述调谐电路(132)来调谐所述射频线圈(36),从而使其既在所述第一共振频率处又在所述第二共振频率处共振。
10、根据权利要求6所述的系统,还包括:
磁体(20),其产生穿过所述检查区域(14)的主磁场(B0),其中,所述第一共振频率是所述主磁场中的氟(19F)的共振频率,所述第二共振频率是所述主磁场中的氢(1H)的共振频率。
11、根据权利要求1所述的系统,其中,所述线圈(36)包括第一电容(Cs)和第一电感(Ls),其界定了与所述调谐电路(110)串联连接的串联电路(100)。
12、根据权利要求11所述的系统,其中,所述调谐电路(110)包括:
第二电容(Cp);以及
与所述第二电容(Cp)并联连接的第二电感(Lp)。
13、一种磁共振成像方法,包括:
将包括调谐部件(Cp,Lp;Cp,Ch,Lh)的调谐电路(110,132)串联耦合至射频线圈(36),所述射频线圈(36)能够至少在第一预定共振频率和第二预定共振频率处共振;以及
确定所述调谐电路的所述调谐部件的值,使得所述射频线圈在所述第一共振频率和第二共振频率处共振,并使所述第一频率的灵敏度分布与所述第二频率的灵敏度分布基本匹配。
14、根据权利要求13所述的方法,其中,所述导体(38)被缠绕在具有固有电感(Ls)的螺线管上,第一电容(Cs)与所述固有电感串联连接,所述方法包括:
选择所述第一电容(Cs)的值,使得所述串联连接的固有电感和第一电容在高于所述第一共振频率处作为电感工作,而在低于所述第一共振频率的频率处作为电容工作。
15、根据权利要求14所述的方法,其中,所述调谐电路(110,132)包括与至少电感元件(Lp,Lh)并联连接的第二电容(Cp),所述方法包括:
选择所述第二电容(Cp)和所述电感元件(Lp,Lh)的值,使得所述调谐电路(110,132)在高于所述第二共振频率的频率处作为电容工作,而在低于所述第二共振频率的频率处作为电感工作。
16、根据权利要求14所述的方法,其中,所述调谐电路(132)包括:
第二电容(Cp);
与所述第二电容并联连接的第三电容(Ch);以及
与所述第三电容串联连接的辅助电感(Lh),
所述方法包括:
选择所述第二电容和第三电容以及所述辅助电感的值,使得所述射频线圈在所述第一预定频率和第二预定频率处共振。
17、根据权利要求16所述的方法,还包括:
选择所述第一电容、第二电容和第三电容以及所述辅助电感的值,使得所述第一预定共振频率是氟(19F)的共振频率,并且使得所述第二预定共振频率是氢(1H)的共振频率。
18、一种磁共振扫描仪(10),包括:
主磁场磁体(20),其产生穿过检查区域(14)的主磁场(B0);
射频线圈(36),其至少用于在第一预定共振频率和第二预定共振频率处进行下列操作之一:向所述检查区域(14)内发射射频信号和从所述检查区域接收射频信号;以及
调谐电路(110,132),其具有利用根据权利要求13所述的方法来调谐的调谐部件(Cp,Lp;Cp,Ch,Lh)。
19、一种磁共振线圈系统(32),包括:
射频螺线管线圈(36),其包括以螺旋形缠绕在圆筒(40)周围的导体(38),所述螺线管线圈(36)具有固有电感(Ls)以及等距离连接在所述导体中的缝隙之间的第一电容器(Cs);以及
串联耦合至所述导体(38)的共振电路(132),其包括:
第二电容器(Cp),
与所述第二电容器(Cp)并联连接的第三电容器(Ch),以及
与所述第三电容器(Ch)串联连接的辅助电感(Lh);
所述第一电容器、第二电容器和第三电容器(Cs,Cp,Ch)以及所述辅助电感(Lh)协同工作,使得所述射频螺线管线圈(36)在第一预定共振频率和第二预定共振频率处共振,其中,对于所述两个频率而言,具有基本匹配的灵敏度分布。
20、一种采用根据权利要求19所述的线圈系统(32)来对19F-1H进行磁共振成像的磁共振成像方法,所述方法包括:
调谐第一电容器、第二电容器和第三电容器(Cs,Cp,Ch)以及辅助电感器(Lh),使得第一预定共振频率是磁场(B0)中的(19F)的共振频率,并且使得所述第二共振频率是所述磁场(B0)中的(1H)的共振频率;
在所述螺线管线圈(36)内产生穿过检查区域(14)的所述磁场(B0);
将梯度磁场施加在所述检查区域上;
在包含(19F)和(1H)的所述共振频率的每一个的频谱中对所述螺线管线圈(36)进行脉冲激励,从而使处于所述检查区域(14)内的对象(16)中的(19F)和(1H)偶极子发生共振;
采用所述螺线管线圈(36)接收处于(19F)和(1H)的共振频率的共振信号;以及
将所述(19F)共振信号重构成(19F)图像,将所述(1H)共振信号重构成(1H)图像,对所述(19F)和(1H)图像进行固有配准。
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