CN101971044A - 包括具有两个前置放大器的线圈元件的rf线圈阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例涉及用于多通道RF线圈阵列的无损耗或低损耗耦合的方法和装置。不可逆噪声可以转换为可逆噪声。特定实施例涉及用于具有多通道RF线圈阵列的磁共振成像(MRI)的方法和装置。特定实施例涉及将至少两个前置放大器匹配到MRI阵列中的相关线圈并调谐MRI线圈阵列的方法和装置，其中前置放大器之一与常规的前置放大器去耦一样是功率失配，而另一个前置放大器在线圈端具有低输入阻抗，并用作电流感应前置放大器。

Description

包括具有两个前置放大器的线圈元件的RF线圈阵列
技术领域
本发明的实施例涉及用于多通道RF线圈阵列的无损耗或低损耗耦合的方法和装置。特定实施例涉及用于磁共振成像(MRI)的方法和装置。
相关申请的交叉参考
本申请请求2007年12月6日提交的序号为61/005,657的美国临时申请的权益，此处结合其全文作为参考，包括所有图示、表格或附图。
背景技术
磁共振成像(MRI)的当前趋势是采用越来越多的射频(RF)线圈。目前，标准的临床MRI系统具有可用于RF线圈采集的32通道。随着32通道临床MRI系统以及具有更多通道数的研究系统的出现，许多RF线圈产品和样机开始利用接收机的硬件基本结构来构造。在许多情况下，如果线圈元件的数量非常多并且单元线圈很小就会影响信噪比(SNR)(Boskamp，E.B等，Proc.ISMRM，2007，1048页，以及Wiggins，G.C.等，Proc.ISMRM，2005，第671页)，这一点已经非常明显。尤其明显的是在与阵列体积中心附近的体积线圈相比时候的体积阵中。引起这些SNR损耗的原因假设包括不必要的导体损耗、不可逆噪声的耦合、多通道的屏蔽效应以及线缆电流损耗(Wiggins，G.C.等，Proc.ISMRM，2005，第243页)。消除一个或所有这些影响是有利的。
不可逆噪声的耦合是多通道RF线圈阵列中SNR损耗的一个重要影响。(Reykowski，Arne等，Rigid Signal-to-Noise Analysis of Coupled MRI CoilsConnected to Noisy Preamplifiers and the Effect of Coil Decoupling onCombined SNR，Proc.ISMRM，2000.)。去耦线圈阵列的最新方法是利用与线圈元件严重功率失配的前置放大器(Roemer等)。这种方式通过减小每个线圈元件中的电流来降低互感的影响。这种减小是由于附接前置放大器而将大阻抗插入到线圈回路中而导致的，该大阻抗通常是初级阻抗。虽然由于前置放大器的噪声系数典型地小于1dB，这种方法不会严重损耗指定线圈的SNR，但是，由于以共用阻抗的方式从一个元件耦合到另一个元件的某个前置放大器的噪声，因此这确实降低了线圈元件阵列的组合SNR(信噪比)。因为线圈元件包含前置放大器，因此前置放大器的噪声对于线圈信号很低。但是，对于耦合到第一线圈元件的第二线圈元件来说，来自于第一线圈的前置放大器的噪声相对于从第一线圈耦合到第二线圈的噪声能量来说是主要的。减小电流的相同阻抗和由此产生的电感去耦成为在线圈元件中传播的噪声流的主要来源。采用与线圈功率失配的前置放大器的方法对于允许有效的多通道阵列非常管用。由于失配的增多和回路中有效电阻的增加，耦合也单调降低。但是，随着失配的增多，来自于前置放大器的耦合到阵列中其他元件的噪声相对百分比也增加。从第一线圈元件耦合到第二线圈元件的噪声与来自前置放大器的在第一线圈元件上出现的噪声非常不同。这一事实使完全消除噪声耦合的影响变得不可能。
因此，使用与线圈功率失配的前置放大器对于多通道线圈阵列显示出局限性。在新式的32元件线圈中，一个指定元件可以与20个或更多其他元件具有很小但可测量的耦合效应。由于与每个前置放大器相关联的噪声源与来自另外一个前置放大器的是不互相关联的，因此来自于前置放大器的每个耦合的噪声成分是不互相关联的。因此，SNR中的每个损耗几乎与耦合的噪声功率线性相加。结果就是对于4或8通道阵列来说足够的互阻抗，对于32或更小的线圈元件则不够。
如上所述，利用多元件系统，每个线圈元件典型地具有一个相应的前置放大器。前置放大器接收来自于线圈的信号，并且输出由接收机处理的信号。由此，输出到接收机的信号包括线圈电阻引起的噪声。这是因为电阻产生热噪声。与附近的线圈电感耦合能增加从与线圈相关联的前置放大器输出到接收机的总噪声。当耦合很强和/或许多线圈元件相耦合时，目前的降低SNR损耗的方法则失效。具有32或更多元件的阵列线圈似乎处于某一点，即，从前置放大器经由线圈元件互阻抗耦合的噪声效应变得非常重要。
Roemer等(Mag.Res.Med.16，192-225，1990)示范了一种基本的电感去耦方法。此外，Roemer等还描述了用于从多个重叠和位置接近的RF线圈元件同时获取并随后结合NMR信号的方法。对于Roemer等所教导的NMR相控阵列，为了减小互感将相邻的线圈重叠，每个线圈连接到在线圈元件中产生高阻抗的高阻抗失配前置放大器，以减小不重叠的线圈元件之间互感的影响。Roemer等教导，线圈和前置放大器之间的阻抗失配越大，并且因此提供给线圈元件的阻抗则越大，则线圈元件之间互阻抗的影响减小的越大。
由于Roemer等人介绍的这种电感去耦技术，在进一步增加前置放大器和线圈元件之间的阻抗失配方面已经做出了努力。目前的MRI系统中使用的典型前置放大器具有大约50的失配率。失配率定义为前置放大器的输入阻抗除以由线圈元件提供给前置放大器的阻抗。这表示具有2欧姆阻抗的线圈元件从前置放大器看大约100欧姆。对于包括2欧姆的线圈元件和2欧姆的功率匹配放大器的功率匹配的前置放大器而言，利用阻抗失配的放大器显著地使有效回路阻抗从4欧姆增加到了102欧姆。这导致对于第一线圈元件中的常压源而言，在第二线圈元件中由互感所感应的电压下降到大约1/25。这对于相对少量的耦合回路之间的中度电感耦合是有效的，其中该耦合回路中耦合噪声的主要来源可以描述为回路中的电压源。但是，如果耦合很强和/或耦合的元件数很多，那么这种技术至少有一个方面是有问题的。从具有102欧姆有效阻抗的这个回路传送的噪声电压主要来自于由前置放大器提供给线圈元件的100欧姆，而不是来自于线圈或采样。在由Rothe和Dahlke(Rothe，H.，Dahlke，W.，四极噪声理论，Proceedings of theIre，1956年6月，第811-818页)提出的前置放大器的输入参考噪声模型中，来自于前置放大器的噪声可以建模为噪声电压源和噪声电流源。虽然可以利用前置放大器去耦减小由于前置放大器噪声电压源导致的噪声耦合，但是随着改进了的前置放大器去耦，由于前置放大器噪声电流源导致的耦合实际上将会增加。可以利用Penfield从Rothe和Dahlke模型中得到的波模型中解释这种影响。在Penfield的这种模型中，在前置放大器的输入侧有两个不相互关联的噪声波。一个噪声波向着源(此处是线圈)传播，在所述源处在噪声匹配的情况下被完全吸收。另一个波向着前置放大器传播，在所述前置放大器处，由于前置放大器的输入阻抗，所述波被部分反射。在噪声匹配的情况下，只有向着前置放大器传播的波将会添加到前置放大器输出的噪声上。由于前置放大器去耦要求线圈和前置放大器间的高反射因数，因此大部分向着前置放大器传播的噪声波都将会在前置放大器的输入处被反射，由此也耦合到了其他线圈元件。在(Papoulis，A.，Wave representation ofAmplifier Noise，Ire Transactions on Circuit Theory，第84-86页)和(Duensing“Maximizing signal to noise ratio in the presence of coilcoupling”J.Magn.Res.111：230-235，1996)中也描述了这种噪声耦合的形式。这一问题的结果是许多线圈之间的基本耦合可以引起不可恢复的SNR(信噪比)损耗。
具有低输入阻抗前置放大器的两个线圈之间的噪声和信号耦合非常小。假定图10中的两个线圈都分别调谐到相同的谐振频率
Figure GPA00001146404100041
在第二线圈元件不存在的情况下，则从端点A看去的初级回路的总阻抗指定为R1。在第二线圈存在并且连接到输入阻抗为的前置放大器的情况下，从初级线圈元件的端点看去的阻抗ZA指定为
Figure GPA00001146404100043
第二项是由于两个线圈元件之间的互阻抗而得到的。如果互阻抗为0或前置放大器的输入阻抗很大，则第二项接近于0，并且所得阻抗
Figure GPA00001146404100044
是谐振的单个独立线圈的阻抗。
在两个线圈之间传送的NMR信号可以由从端点A看去的开路电压VA确定，结果如下：
Figure GPA00001146404100045
因此，如果互阻抗很低或者前置放大器输入阻抗很高，则开路电压VA接近于由独立的初级线圈接收的电压。
因此可以看出，与减小互阻抗一样，增加次级线圈元件的前置放大器的输入阻抗降低了互阻抗对于第一线圈的信号输出的影响。但是，图10的模型还不包括用于第二线圈元件中的前置放大器的噪声模型。下面将说明考虑用于前置放大器的所有噪声模型对于前置放大器去耦的表现(即具有重要影响。
图11示出用于第二前置放大器的输入参考噪声模型和用于两个耦合的线圈元件的等效电路。利用该输入参考噪声模型，从端点A看去的开路电压VA变为
Figure GPA00001146404100052
再者，如果互耦合系数k接近于0，则开路电压VA接近于由独立的初级线圈接收的电压。但是，如果不能消除互阻抗，而改为采用前置放大器去耦(即)以减小互耦合的影响，那么开路电压VA将为：
Figure GPA00001146404100054
这表示只要具有显著的互阻抗ω0L线圈k，就会有从前置放大器2耦合到前置放大器1的噪声。与线圈元件之间不存在互阻抗的情况相比，从一个线圈元件耦合到另一个线圈元件的该噪声减小了阵列线圈可获得的总组合SNR(也参见Reykowski，Wang，“Rigid Signal-to-Noise Analysis of CoupledMRI Coils Connected to Noisy Preamplifiers and the Effect of Coil Decouplingon Combined SNR”，Procdings of ISMRM，2000)。
仍然假设
Figure GPA00001146404100055
则从端点B点看去的电压VB为
Figure GPA00001146404100056
其中
Figure GPA00001146404100057
是感应到线圈元件2的MRI信号，
Figure GPA00001146404100058
是因为采样和线圈中的损耗而导致的随机热噪声电压。由于前置放大器典型地增加了非常小的噪声，因此VB中的大部分噪声将是由于采样和线圈导致：
Figure GPA00001146404100059
对于噪声系数为0.5dB的前置放大器，只有5％的输出端RMS噪声是由于前置放大器导致，95％是由于线圈和采样损耗导致。这也表示从线圈元件2耦合到线圈元件1的噪声与在前置放大器2的输出可测得的噪声
Figure GPA000011464041000511
高度地不相关。这意味着以下机制不能通过后处理来自于所有线圈元件的所有输出信号而可逆，该机制导致从附接到第二线圈元件的前置放大器发出并耦合到第一线圈元件的噪声。
因此，需要一种减小在多通道RF线圈阵列中的线圈之间的噪声耦合的方法和装置。
附图说明
图1示出了根据主题发明实施例所构造的具有共用臂的一对线圈(大约10*12cm)；
图2A和2B示出了使用图1所构造的一对线圈的标准去耦前置放大器单通道图像，其对于噪声平衡的通道1和通道2具有很差的隔离；
图3A和3B示出了具有前置放大器前方的90度相移器的标准去耦前置放大器单通道的输出，所述相移器使用分别针对噪声平衡通道1和通道2的图1所构造的一对线圈；
图4示出了根据主题发明实施例的使用图1所构造的一对线圈的特征处理的回路模式；
图5示出了根据主题发明实施例的使用图1所构造的一对线圈的蝶形模式；
图6示出了根据主题发明实施例的使用图1所构造的一对线圈的特征处理的回路模式；
图7示出了根据主题发明实施例的使用图1所构造的一对线圈的蝶形模式；
图8示出了对于标准的前置放大器去耦情况下，优化噪声白化之后图5-8所示实施例的平方和；
图9示出了前置放大器超耦合的情况下，优化噪声白化之后图5-8所示实施例的平方和；
图10示出了共用互感的两个线圈元件的电路模型；
图11示出了共用互感的两个线圈元件的电路模型，该模型包含用于附接到第二线圈元件的前置放大器的输入参考噪声模型；
图12示出了附接到阻抗为Z输入的单个线圈元件的两个前置放大器，其中前置放大器1具有输入阻抗
Figure GPA00001146404100061
和最佳噪声匹配阻抗
Figure GPA00001146404100062
前置放大器2具有输入阻抗
Figure GPA00001146404100063
和最佳噪声匹配阻抗
Figure GPA00001146404100064
图13示出了将前置放大器添加到一个负载线圈的S11的影响；
图14示出了两个瓶子，圆线圈元件环绕每个瓶子，且两个瓶子彼此同轴倾斜；
图15示出了共用互阻抗ZM的两个耦合线圈元件的电路模型，该两个耦合线圈元附接到前置放大器，该前置放大器具有关联的噪声电压源
Figure GPA00001146404100071
和噪声电流源
Figure GPA00001146404100072
图16示出了使用4.5”分离的耦合线圈的图14所示瓶子的冠状图；
图17示出了三种情况下的SNR与回路之间的距离：(情况1)所有4个前置放大器都用于重建，(情况2)两个另外前置放大器附接到线圈但不对其供电，以及(情况3)标准的2前置放大器去耦方法；
图18示出了用于连接到单个线圈的两个前置放大器的修改的等效噪声模型；
图19示出了输入参考噪声模型；
图20示出了具有两个线圈的主题发明实施例的示意图，其中每个线圈具有两个前置放大器。
具体实施方式
本发明的实施例涉及用于多通道RF线圈阵列的无损耗或低损耗耦合的方法和装置。不可逆噪声可以转换为可逆噪声。具体实施例涉及用于具有多通道RF线圈阵列的磁共振成像(MRI)的方法和装置。具体实施例涉及用于将一个或多个前置放大器匹配到MRI阵列中的相关线圈并且调谐MRI线圈阵列的方法和装置。本发明的实施例可以包含将线圈匹配到前置放大器的阻抗。
本发明的实施例对于使用大通道数量是有利的。在具体实施例中，将主题技术应用于采用至少具有32个线圈的阵列。在另一具体实施例中，将主题技术应用于至少具有64个线圈的阵列。主题发明的另一优势在于其可用于特殊的线圈配置。
本发明的实施例涉及与特殊的重建算法相关联的将多个耦合的RF线圈相匹配。在本发明的一个实施例中，可以允许通道间电感耦合。只要可测量，中等数量的耦合是没有坏处的。在该实施例中，通道中的噪声可以与通道间传送的噪声线性相关。如果是线性的，最好是严格线性，那么可以实现反演。准确测量耦合信号允许代数反演。
在另一实施例中，参照图12，可以采用由Roemer等教导的具有最佳噪声匹配阻抗
Figure GPA00001146404100081
和高输入阻抗
Figure GPA00001146404100082
的前置放大器。在该实施例中，具有最佳噪声匹配阻抗
Figure GPA00001146404100083
和低输入阻抗
Figure GPA00001146404100084
的第二前置放大器串联连接到第一前置放大器。可以示出，只要
Figure GPA00001146404100085
则从输出信号的加权组合可获得的SNR与从具有另外相同噪声参数的单个的噪声匹配前置放大器获得的SNR相同。
Roemer提出前置放大器去耦方法的主要原因在于，通常在不同频率下，线圈间耦合会导致多种模式(N个线圈产生N种模式)。使用Roemer提出的前置放大器去耦方法(即为每个线圈的输入端提供高阻抗)减小了线圈元件间模式耦合的影响。
没有前置放大器去耦，两个耦合的相同线圈在不同频率下可以具有两个关联的模式。在一个实施例中，可以调节线圈的频率将一个模式带入拉莫尔频率。在该实施例中，将一个模式带入拉莫尔频率允许前置放大器的良好匹配和噪声系数。这导致系统接收的两个通道都具有几乎相同的特性，即两个前置放大器以与图12中两个前置放大器从共用线圈元件接收信号相同的方式接收来自于共用耦合模式的信号。如果则可以从模式中提取最大SNR，其中
Figure GPA00001146404100087
和
Figure GPA00001146404100088
是两个前置放大器的最佳噪声匹配阻抗，Z模式是如果用短路代替另一个前置放大器，则由两个前置放大器中的一个面对的模式阻抗。
在一个实施例中，如果模式之间的分裂不比线圈的Q系数大很多，那么在一个谐振模式下两个端口的动作将不会完全相同。例如，两个参照的耦合线圈可以具有与同向旋转电流相关的模式和与反向旋转电流相关的模式。在该实施例中，如果调谐线圈使得拉莫尔频率处于同向旋转模式，例如，将会期望无论激励回路1还是激励回路2，两个线圈的输出都将相同。但是，因为另一个模式不是无限远离的，并且Q的大小也不是无限的，因此当驱动回路1时，回路1的输出通常将至少略高于回路2的输出。此外，相位也不会完全相同。对于本发明的实施例，这个微小的区别很重要。如果在所有线圈的输出中表现出了所有可能的模式，那么通常重建这些输出的所有模式是可能的。到了噪声耦合和信号耦合相同的程度，基于噪声白化的反演也造成了与阵列的电阻特征模式相关的信号分布。可以在耦合线圈的输出上执行如Roemer等和Pruessmann等描述的(MRM 1999SENSE：Sensitivity Encoding for Fast MRI)标准(噪声协方差)最佳重建，以产生最终的图像。
参照图1，示出了一对二者之间具有共用臂的线圈元件，其中每个线圈大约是10cm×12cm。在共用臂上放置电容器以提供调节有效互电抗的方式。利用臂上的大约143pF产生64MHz隔离。调节线圈以产生按下述方式测量的某损耗。通过线圈输入驱动一个线圈，并且用场探头测量电流。通过减小臂上的电容来调节隔离，使得当附接上前置放大器(使用经调谐输入)并且当通过抬高电容器而使线圈物理开路时，电流大约有2dB的差别。电容大约是76pF，意味着互阻抗大约是15欧姆，而每个线圈需要大约150欧姆电容以调谐至谐振。因此耦合系数“k”大约是0.1，而预计的分裂大约是6MHz。台式测量显示一个大约7MHz的分裂。对调谐进行调节，使得更高的频率模式(蝶形)为64MHz，而更低的频率模式(大回路)为56.4MHz。为线圈元件提供低电阻的前置放大器，其电阻值大约是隔离的线圈元件电阻的1/50。这种配置为线圈元件间提供了最差的隔离情况，可以看出两个前置放大器都可以面对相同的蝶形模式。还可以看出使用两个前置放大器代替一个前置放大器并没有太大优势。
图2-9示出了在前置放大器去耦情况下和超耦合情况下来自于该线圈的MR结果。图2A和2B示出了使用前置放大器去耦的单个图像。在这种情况下，两个前置放大器都为线圈元件提供高电阻，该电阻比隔离的线圈元件的电阻值高大约50倍。图3A和3B示出了当在前置放大器前方添加90度相移器时相同的两个前置放大器的输出。在这种情况下，前置放大器的输入阻抗大约是隔离的线圈元件电阻的1/50。这两种情况的图像看起来似乎相同，但是并不很相同。两个前置放大器的噪声输出与信号相关的方式一样非常相关。下一步是在这两种情况下白化噪声。图4和5中示出了新的单个图像。图4示出了特征处理的回路模式，图5示出了蝶形模式。回路模式在深度上看起来更好，而蝶形模式看起来对于关闭更好。图6和7示出了与图4和5相同的特征模式，但是由于回路模式是7.5MHz的截止频率，因此其影响非常小，而由于附接前置放大器的无损耗方式，因此蝶形模式要好大约20％。在图8和9中示出了组合的平方和(SoS)图像区域。图8示出了标准的前置放大器去耦情况下优化噪声白化之后的平方和图像区域。图9示出了前置放大器超耦合情况下的优化噪声白化之后的平方和图像区域。
使用前置放大器去耦的过程(即，)是有损耗的。当线圈元件之间的互阻抗很强时，线圈元件之间传送的噪声与前置放大器前端发射的噪声相关，而不是来自于线圈元件和采样的损耗的热噪声。这是因为这一事实，即通过使用前置放大器去耦的方法，会显著减小由于线圈和采样中的损耗引起的热噪声而在线圈元件中产生的电流。但是，由于前置放大器前端而引起的线圈元件中的噪声电流部分不是线圈和前置放大器组合的总阻抗的函数，而是线圈和前置放大器之间的反射系数的幅值的函数(参见Penfield参考文献)。这一事实防止线圈元件间耦合的噪声的线性反演和校正。但是，当使用相反的方法(即
Figure GPA00001146404100102
)时，我们可以定义术语“前置放大器超耦合”，在两个前置放大器之间耦合的噪声将主要由线圈元件和采样之间的损耗所引起。而且，前置放大器的输出端的噪声将由一个分量所支配，该分量是所附接的线圈元件上的噪声电流的线性函数。
假设两个前置放大器所接收的主要模式的SNR能够恢复到与利用单个前置放大器接收相同模式相似的程度。在这一点上，问题在于由另一模式所接收的其它信号是否允许进一步增加SNR，或者这些模式在频率上是否相距太远，由此使信号太弱而不能充分采样。对于所描述的特定情况，回路模式是56.4MHz，偏离7.5MHz，与标准去耦的情况相比损耗很严重，从而使得仅能获得这种模式的SNR的大约50％。
特定实施例包括用于将不可逆噪声转换为可逆噪声的方法和装置。将不可逆噪声转换为可逆噪声可以消除改进多通道阵列的阻碍。用于将不可逆噪声转换为可逆噪声以解决不可逆噪声耦合的主题方法的实施例可以用于耦合是允许但可测的情况。准确测量耦合信号能够允许噪声的代数反演。这种代数反演可以通过例如最优重建、采用噪声相关性测量来实现。
考虑图15中具有耦合和不具有耦合两种线圈系统。在该等效电路中，由互阻抗ZM建立耦合。在没有耦合(ZM＝0)的情况下，数据的两个通道可以表示为：
Figure GPA00001146404100111
和
Figure GPA00001146404100112
其中S(1)和S(2)分别表示用于线圈元件1和线圈元件2的信号。N(1)和N(2)分别表示来自第一和第二线圈/采样系统内的噪声。噪声N(1)来自于例如线圈元件1与采样之间的相互作用，来自于线圈元件1内的电子设备，以及来自于线圈元件1导体。噪声是附加噪声，其可以与前置放大器以及随后的通道1的接收链相关。
系数A和B是网络阻抗的函数，仅仅影响各自的增益而不影响最终的SNR和噪声相关性：
Figure GPA00001146404100114
Figure GPA00001146404100115
在存在耦合时，数据的数据的两个通道可以表示为：
Figure GPA00001146404100116
和
Figure GPA00001146404100117
其中
Figure GPA00001146404100118
其中k12表示从线圈元件1到线圈元件2耦合的有效电压，而k21表示从线圈元件2到线圈元件1耦合的有效电压。当线圈元件1和2通过共用阻抗ZM耦合时，等式(7)表示来自线圈元件1的输出，等式(8)表示来自线圈元件2的输出。注意了解k12和k21在后续处理中可以通过使用电压耦合矩阵K的反演消除部分耦合成分：
K = 1 - k 21 - k 12 1
还要注意前置放大器去耦(
Figure GPA00001146404100122
)将会使电压耦合系数变消失。但是，后处理技术或前置放大器去耦都不会消除等式(7)和(8)中由于噪声电流的耦合导致的项：
Nf 3 = Z M i n ( 1 ) Nf 4 = Z M i n ( 2 )
使用高输入阻抗前置放大器减小互阻抗影响的能力不可避免地受制于线圈元件的输出不会由于插入高前置放大器输入阻抗而恶化这一事实，但是引起到其他线圈元件的剩余耦合的剩余循环噪声电流由从前置放大器发射的噪声决定。
如果可以得到Nf3和Nf4的测量值，那么反演耦合是可能的。
设计下述方法以获得关于Nf3和Nf4的知识，其目的为减小线圈元件之间噪声耦合的影响。在这种方法中，两个前置放大器附接到每个线圈元件。这些前置放大器的输出信号能够组合成两种模式。第一种模式可以包括一信号，其SNR等于期望从附接到线圈的单个噪声匹配前置放大器所得到的SNR。第二种模式可以包括能够允许减小元件间耦合的噪声的影响的噪声信息。这种组合可以在硬件、软件中或通过使用最佳重建算法(Roemer等)来实现。
图18示出了对于附接到单个线圈元件的两个前置放大器的等效电路。
前置放大器1具有输入阻抗
Figure GPA00001146404100125
和最佳噪声匹配阻抗
Figure GPA00001146404100126
前置放大器2具有输入阻抗
Figure GPA00001146404100127
和最佳噪声匹配阻抗
Figure GPA00001146404100128
可以示出，只要
Figure GPA00001146404100129
则从来自于两个前置放大器的输出信号的加权组合(＝第一模式)获得的SNR与从具有另外相同噪声参数的单个噪声匹配前置放大器获得的SNR相同。
如果前置放大器1具有非常高的输入阻抗(＝前置放大器去耦)而前置放大器2具有非常低的阻抗(＝前置放大器超耦合)，那么线圈上的噪声电流将主要由前置放大器1的噪声电流源
Figure GPA000011464041001210
引起。现在可以示出利用前置放大器输出的适当加权组合，可以建立与
Figure GPA000011464041001211
成比例的第二模式。由此关于该第二模式的知识可以允许减小耦合到其它线圈元件的噪声的影响。
Figure GPA000011464041001212
和
Figure GPA000011464041001213
都反比于各自最佳噪声匹配阻抗
Figure GPA000011464041001214
和
Figure GPA000011464041001215
的幅值。
由此如下：
Figure GPA00001146404100131
在这种情况下，第二模式将会与线圈元件上的噪声电流非常相似。
在1956年由Rothe和Dahlke介绍了输入参考噪声模型(Proceedings ofthe IRE1956第811页)。该模型包括输入端带有串联电压源和分路电流源的无噪声前置放大器。这在图19中示出。对于这个模型，前置放大器的参数最小噪声系数F最小和最佳电源阻抗Z最佳可以写为电压源Vn、串联电流源In和它们与信号的相关性γr和γi的函数：
Figure GPA00001146404100132
Figure GPA00001146404100133
图12示意地示出主题发明的实现方式的实施例。在图12所示的实施例中，前置放大器1是标准功率失配前置放大器，其中，
Figure GPA00001146404100134
并且
Figure GPA00001146404100135
采用前置放大器1以尽可能地减小互感的影响。调谐前置放大器2使之具有相反的效果，
Figure GPA00001146404100136
并且
Figure GPA00001146404100137
其表示回路阻抗中可忽略的变化。在该配置中，当时，达到了单个线圈元件的最佳噪声系数。由于我们并不关心前置放大器2的噪声系数，因此我们不特别去计算或测量
Figure GPA00001146404100139
或
Figure GPA000011464041001310
前置放大器2可以想象为电流感应前置放大器。由于回路中的电流引起了感应耦合，因此前置放大器2作为另一个传感器可以提供关于耦合到其它线圈元件的信号的信息。特别是关于耦合到其它线圈元件的噪声的信息。因为前置放大器2对于线圈元件的阻抗产生了非常小的改变，因此在实验过程中前置放大器2可以插入线圈元件或从线圈元件中移除。
图13示出了附接和不附接前置放大器2时线圈的S11测量。更好的匹配(更深的曲线)对应于不附接前置放大器的线圈。但是，信号和噪声表示除与前置放大器2的噪声系数相关联的噪声以外的耦合到其它通道的信号和噪声。
我们可以将图12所示的线圈考虑作为线圈1，并且加上第二个相同的线圈元件，线圈2。图20示出了具有两个线圈的实施例的示意图，其中每个线圈都具有两个前置放大器。如果我们假定现在有等式(7)、(8)、(9)和(10)的四个信号/噪声组合，可以看出由正确的耦合系数衡量每个新数值，我们几乎可以恢复到最初没有耦合的信号。近似值具有以下形式：
Figure GPA00001146404100141
Figure GPA00001146404100142
Figure GPA00001146404100143
Figure GPA00001146404100144
Figure GPA00001146404100145
Figure GPA00001146404100146
Figure GPA00001146404100147
Figure GPA00001146404100148
Figure GPA00001146404100149
Figure GPA000011464041001410
Figure GPA000011464041001411
Figure GPA000011464041001412
Figure GPA000011464041001413
Figure GPA000011464041001414
S1+N1-k21Nf3+Nf1        (11)
和
S2+N2-k12Nf4+Nf2        (12)
在具体实施例中，通过这种方式，确定耦合的形式而不是耦合的幅值。从线圈出来的带有噪声的信号可以通过如第二前置放大器进行测量，而不是进一步减小耦合系数。通过这种方式，由第二前置放大器测量第一前置放大器输出的噪声。因此，本发明的实施例可以减小把耦合降低到最低水平的需要。
为了测试该第二前置放大器允许耦合的信号和噪声几乎无损反演的能力，如图14所示将两个线圈互相耦合。如图12所示，每个线圈包含两个前置放大器。两个线圈同轴布置，每个线圈围绕不同的瓶子(2.21公升蒸馏水，4.42gCuSO4.5H20和4.42gNaCl)。线圈平面的分离从6.75英寸下调到3英寸。为每个线圈的分离所拍摄如图16所示的具有三种配置的图像。在第一种配置中(情况1)，前置放大器1和前置放大器2都工作。在第二种配置中(情况2)，将前置放大器2附接上但是不用供电电压进行供电，以及在第三种配置中(情况3)，为每个线圈使用单个标准去耦前置放大器1。在对情况2和情况3的两通道和情况1的四通道进行噪声最佳重建(Roemer等)之后测量SNR值。
在不同的实施例中，可以用其它装置代替前置放大器2。在一具体实施例中，可以将放大器放入回路中以实现物理附接。在另一实施例中，可以使用捡拾环(pick up loop)，其不物理附接到回路，而是通过耦合获得信号和噪声。在另一实施例中，可以将小探针线圈放置在回路附近，且探针线圈可以具有前置放大器。
图17示出了对于所有的线圈分离，参照图16所讨论的三种情况的相对SNR图表。可以看出加上前置放大器2但不对其供电(情况2)，由于前置放大器2的增加的电阻而产生了接近10％的SNR损耗。但是，当对其供电并用于重建(情况1)时，曲线发生改变，使得随着耦合变强而得到更高的SNR。在大约6.75英寸这一分离点(这里耦合很弱)，情况2和情况1重合，但是随着分离下降并且耦合变强，相对SNR增加并且在采用前置放大器2的大约3.75英寸这一分离点开始提供比标准方法有所改进的SNR(情况3)。这表明当耦合引起SNR减小时，增加前置放大器以测量线圈电流对于SNR有益。对于特殊的强耦合，即使具有额外的SNR损耗，采用来自第二前置放大器2的信号也可以达到净改善。线圈电流的测量(包括来自标准前置放大器的噪声)允许对耦合损耗的校正。噪声最佳重建可以自动执行这种校正。可以降低与前置放大器2相关的损耗，使得来自前置放大器2的更低的信号(接近于20dB或更低)仍然允许信号的正确采样。这种方法也可以应用于许多弱耦合的线圈对。在其它实施例中，可以调节系统的参数以提高图16中情况1的曲线，使得情况1越过回路间6英寸的距离具有更高的SNR。
本发明的实施例涉及用于使用多个线圈进行成像的方法和装置，包含线圈电流的测量。这种线圈电流的测量在减小由耦合到其它线圈的剩余耦合所引起的SNR损耗方面很有意义。实施例可以应用于具有很多弱耦合线圈的线圈配置中。进一步的实施例可以优化前置放大器2的阻抗，并能够减小由前置放大器2所引起的损耗。
此处所参考或者引用的所有专利、专利申请、临时申请和公开文本都以其全文(包括所有附图和图表)进行参考，至它们不与本说明书的详细教导相矛盾的程度。
应该理解此处描述的实例和实施例仅仅用于说明的目的，本领域技术人员将会理解由此产生的各种修改和变化，这些修改和变化包含在本申请的精神和范围内。

Claims (41)

1.一种MRI线圈配置，包括：
线圈元件；
第一前置放大器电路；以及
第二前置放大器电路，
其中，所述第一前置放大器电路输出第一信号，
其中，所述第二前置放大器电路输出第二信号。
2.如权利要求1所述的MRI线圈配置，还包括：
至少一个另外的线圈元件，其中，所述至少一个另外的线圈元件每一个均包括相应的至少一个另外的第一前置放大器电路，其中，所述至少一个前置放大器电路输出相应的至少一个另外的第一信号。
3.如权利要求2所述的MRI线圈配置，还包括：
至少一个另外的第二前置放大器电路，其中，所述至少一个另外的第二前置放大器电路输出相应的至少一个另外的第二信号。
4.如权利要求3所述的MRI线圈配置，还包括：
用于从所述第一信号、所述第二信号、所述至少一个另外的第一信号和所述至少一个另外的第二信号产生MRI图像的装置。
5.如权利要求4所述的MRI线圈配置，其中，所述MRI图像经由最佳重建产生。
6.如权利要求1所述的MRI线圈配置，其中，所述第一前置放大器电路和所述第二前置放大器电路串联。
7.如权利要求1所述的MRI线圈配置，其中，所述第一前置放大器电路和所述第二前置放大器电路并联。
8.如权利要求1所述的MRI线圈配置，其中，所述第一前置放大器电路具有近似等于Z线圈的Z最佳，其中，Z最佳是为了实现最佳噪声系数所述第一前置放大器电路需要面对的阻抗。
9.如权利要求8所述的MRI线圈配置，其中，所述第一前置放大器电路具有大于(10)Z线圈的Z输入，其中，Z线圈是所述线圈元件的输入阻抗。
10.如权利要求8所述的MRI线圈配置，其中，所述第一前置放大器电路包括第一前置放大器和第一匹配电路，其中，所述第一前置放大器电路具有近似等于
Figure FPA00001146404000021
的Z输入，其中Z输入(PA)是所述第一前置放大器的输入阻抗。
11.如权利要求8所述的MRI线圈配置，其中，所述第二前置放大器电路具有小于Z线圈的10％的Z最佳(2)。
12.如权利要求8所述的MRI线圈配置，其中，所述第二前置放大器电路具有小于Z线圈的5％的Z最佳(2)。
13.如权利要求1所述的MRI线圈配置，其中，所述第一前置放大器电路具有Z最佳(1)并且所述第二前置放大器电路具有Z最佳(2)，使得Z最佳(1)+Z最佳(2)近似等于Z线圈。
14.如权利要求1所述的MRI线圈配置，其中，所述第一前置放大器电路包括第一匹配电路和第一前置放大器，其中，所述第一匹配电路执行所述第一前置放大器的Z输入(PA)和Z最佳(PA)到所述第一前置放大器电路的Z输入(1)和Z最佳(1)的无损耗变换。
15.如权利要求10所述的MRI线圈配置，其中，
Figure FPA00001146404000031
16.如权利要求10所述的MRI线圈配置，其中，
Figure FPA00001146404000032
17.如权利要求10所述的MRI线圈配置，其中，Z输入(2)＞Z线圈。
18.如权利要求1所述的MRI线圈配置，还包括：
用于生成第一组合信号和第二组合信号的装置，其中，所述第一组合信号与由所述线圈元件检测到的变化E-M场有关，其中，所述第二组合信号与由所述线圈元件产生的变化E-M场有关。
19.如权利要求18所述的MRI线圈配置，其中，所述第一组合信号是所述第一信号和所述第二信号的线性组合。
20.如权利要求18所述的MRI线圈配置，其中，所述第二组合信号是所述第一信号和所述第二信号的线性组合。
21.如权利要求19所述的MRI线圈配置，其中，所述第二组合信号是所述第一信号和所述第二信号的线性组合。
22.如权利要求18所述的MRI线圈配置，其中，用于生成所述第一组合信号的所述装置包括用于经由软件生成所述第一组合信号的装置。
23.如权利要求18所述的MRI线圈配置，其中，用于生成所述第一组合信号的所述装置包括用于经由硬件生成所述第一组合信号的装置。
24.如权利要求1所述的MRI线圈配置，其中，所述第一信号与由所述线圈元件检测到的变化E-M场有关，其中，所述第二信号与由所述线圈元件产生的变化E-M场有关。
25.如权利要求1所述的MRI线圈配置，其中，所述第一信号是第一电流信号，其中，所述第二信号是第二电流信号。
26.如权利要求18所述的MRI线圈配置，其中，所述第一组合信号是第一电流信号，其中，所述第二组合信号是第二电流信号。
27.如权利要求1所述的MRI线圈配置，其中，所述第一信号是第一电压信号，其中，所述第二信号是第二电压信号。
28.如权利要求18所述的MRI线圈配置，其中，所述第一组合信号是第一电压信号，其中，所述第二组合信号是第二电压信号。
29.如权利要求1所述的MRI线圈配置，其中，所述第一信号的部分与由所述线圈元件检测到的变化E-M场成比例。
30.如权利要求1所述的MRI线圈配置，其中，所述第二信号的部分与由所述线圈元件检测到的变化E-M场成比例。
31.如权利要求18所述的MRI线圈配置，其中，所述第一信号的部分与由所述线圈元件检测到的变化E-M场成比例。
32.如权利要求18所述的MRI线圈配置，其中，所述第二信号的部分与由所述线圈元件检测到的变化E-M场成比例。
33.如权利要求29所述的MRI线圈配置，其中，所述第一信号的另一部分与由所述线圈元件生成的噪声、由所述第一前置放大器电路生成的噪声和由所述第二前置放大器电路生成的噪声的总和成比例。
34.如权利要求30所述的MRI线圈配置，其中，所述第二信号的另一部分与由所述线圈元件生成的噪声、由所述第一前置放大器电路生成的噪声和由所述第二前置放大器电路生成的噪声的总和成比例。
35.如权利要求31所述的MRI线圈配置，其中，所述第一信号的另一部分与由所述线圈元件生成的噪声、由所述第一前置放大器电路生成的噪声和由所述第二前置放大器电路生成的噪声的总和成比例。
36.如权利要求32所述的MRI线圈配置，其中，所述第二信号的另一部分与由所述线圈元件生成的噪声、由所述第一前置放大器电路生成的噪声和由所述第二前置放大器电路生成的噪声的总和成比例。
37.如权利要求1所述的MRI线圈配置，其中，所述线圈元件包括至少一个导体回路。
38.如权利要求37所述的MRI线圈配置，其中，所述线圈元件还包括：
至少一个电容元件，调节所述电容元件调谐所述线圈元件的谐振频率。
39.如权利要求3所述的MRI线圈配置，还包括：
用于通过使用所述第一信号和所述第二信号减小所述至少一个另外的第一信号中的噪声的装置。
40.如权利要求39所述的MRI线圈配置，还包括：
用于通过使用所述第一信号和所述第二信号减小所述至少一个另外的第一信号中的噪声的装置。
41.一种RF线圈配置，包括：
线圈元件；
第一前置放大器电路；以及
第二前置放大器电路，
其中，所述第一前置放大器电路输出第一信号，
其中，所述第二前置放大器电路输出第二信号。
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