CN102713656B - 具有能去除的导体的用于mri 的rf 天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RF发射和/或接收天线，其特别呈现为线圈结构或者线圈或环布置，其具有一个或多个能去除的导体，特别是用在磁共振成像（MRI）系统或磁共振（MR）扫描器中，用于发射RF激励信号（B₁场）以便激励核磁共振（NMR），和/或用于接收NMR弛豫信号。提供该RF天线以使得其能够根据要求穿过RF天线的大开口或平行成像能力的应用以简单的方式进行适应。

Description

具有能去除的导体的用于MRI 的RF 天线

技术领域

本发明涉及RF发射和/或接收天线，特别是呈现为线圈结构或者线圈或环布置，其具有一个或多个能去除的导体或导体结构，特别是用在磁共振成像（MRI）系统或磁共振（MR）扫描器中，用于发射RF激励信号（B₁场）以便激励核磁共振（NMR），和/或用于接收NMR/RF弛豫信号。本发明还涉及包括此类RF发射和/或接收天线的磁共振成像（MRI）系统或磁共振（MR）扫描器。

背景技术

在MRI系统或MR扫描器中，检查对象——通常是患者——被暴露于均匀主磁场（B₀场），使得检查对象内的核子的磁矩倾向于围绕所施加的B₀场的轴旋转（Larmor进动），其中所有核子的某种净磁化平行于B₀场。进动速率被称为Larmor频率，其取决于所涉及的核子的特定物理特性——它们的旋磁比以及所施加的B₀场的强度。旋磁比是核子的磁矩与自旋之间的比值。

通过发射由RF发射天线生成的、与B₀场正交的RF激励脉冲（B₁场）并且匹配感兴趣核子的Larmor频率，核子的自旋被激励并被带至同相，并且获得其净磁化从B₀场的方向的偏转，从而生成相对于净磁化的纵向分量的横向分量。

在RF激励脉冲结束之后，净磁化的纵向和横向分量的弛豫过程开始，直到净磁化已经返回到其平衡状态为止。通过RF接收天线探测由横向弛豫过程发射的NMR弛豫信号。所接收的NMR信号是基于时间的振幅信号，其被Fourier变换到基于频率的NMR频谱信号并且被以已知方式处理以便生成检查对象的MR图像。

已知上述RF发射和/或接收天线呈现为被固定安装在MRI系统的检查空间内以便对整个检查对象进行成像的所谓的MR体线圈以及所谓的MR表面线圈，其直接布置在要检查的局部区或区域上并且被构建成例如柔性垫或者套筒或笼子的形式（头部线圈或鸟笼线圈）。为了检查局部区或区域，包括特别是以小线圈或环的形式的RF发射和/或接收天线以便接收MR弛豫信号的介入设备——如导管或其他侵入设备也是已知的。

关于检查空间的形状，两种类型的MRI系统或MR扫描器能够被区分。第一种是所谓开放式MRI系统（垂直系统），其包括位于垂直C形臂布置的两端之间的检查区。第二种是水平MRI系统，也被称为轴向MRI系统，其包括水平延伸的管状或圆柱状检查空间。

US 5,457,387公开了一种轴向MRI装置，其中提供具有由梯度线圈组件支撑的一对末端环的RF线圈组件，其中多个纵向线圈元件在该对末端环之间延伸，其机械地且选择性地能附接到梯度线圈组件和能从梯度线圈组件分离。通过这种RF线圈组件，应该防止MRI装置的磁体膛内的临界直径减小并且应该获得较大的患者孔径。

发明内容

已经显示出分离或去除RF天线的一个或多个线圈元件可能不利地影响RF天线的共振性质，从而RF天线的灵敏度和图像质量被恶化。

本发明的一个目标是提供一种RF发射和/或接收天线，特别是用在MRI系统中，该天线包括一个或多个能去除的天线元件，其中，当去除至少一个能去除的天线元件之一时，RF天线的共振性质不受影响或仅受到很小的影响。

本发明的另一目标是提供一种RF发射和/或接收天线，特别是呈现为MR表面线圈，其能够根据某种NMR检查的需求而适于实现穿过天线的大开口或者平行成像能力而基本不影响天线的共振性质。

根据权利要求1，这些目标通过一种RF发射和/或接收天线来解决，该天线包括形成以期望RF频率共振的第一网格的第一导体结构以及至少一个第二导体结构，其能够耦合到第一导体结构中，从而使得第一网格被至少一个第二导体结构划分成至少第二和第三网格，其中至少一个第二导体结构被调谐以使得第二和第三网格均以与第一网格相同或基本相同的期望频率共振。

从属权利要求公开了本发明的有利实施例。

应该理解本发明的特征易于被组合成任何组合，而不偏离由随附权利要求限定的本发明的范围。

根据通过参考附图给出的本发明的优选和示例性实施例的以下描述，本发明的更多细节、特征和优点将变得明显。

附图说明

图1示出MRI系统的图解侧视图；

图2示出呈现为单线圈或单环天线的RF天线的示例；

图3示出包括两个共振线圈或环的RF天线的示例；

图4示出根据本发明的RF天线的实施例；以及

图5示出根据图4的RF天线的等价电路。

具体实施方式

图1示出能够被提供根据本发明的RF发射和/或接收天线的MRI系统的基本部件，该天线用于发射RF激励脉冲和/或接收MR/RF弛豫信号。在图1中，示例性示出垂直（开放式）MRI系统，其具有在C形臂结构的上端和下端之间的检查区10。然而，根据本发明的RF发射和/或接收天线也能够被用于水平或轴向MRI系统，其包括公知的水平延伸的管状或圆柱状检查空间。

在检查区10的上方和下方提供相应的磁体系统20、30，用于生成基本均匀的主磁场（B₀场），以便对齐被检查对象中的核子自旋，其中磁通密度（磁感应）可以大约为从几十Tesla到几Tesla的量级。主磁场基本在垂直于患者P的纵轴的方向（即在x轴方向）延伸穿过患者P。

一般地，平面或至少大致平面的RF发射天线40（特别是呈现为RF表面共振器）用于以MR频率生成RF发射激励脉冲（B₁场），所述RF发射天线40被布置在磁体系统20、30中的至少一个处或其上。平面或至少大致平面的MR/RF接收天线50用于接收随后的NMR弛豫信号。这一天线也可以由在磁体系统20、30中的至少一个处或其上提供的RF表面共振器形成。如果至少一个公共RF/MR天线——特别是RF表面共振器——被适当地在发射和接收之间切换，则其也能够被用于RF发射和MR接收两者，或者两个RF天线40、50能够共同地均用于交替地发射RF脉冲和接收MR信号。

这些RF发射和/或接收天线40、50中的至少一个能够分别被提供成根据本发明的RF发射和/或接收天线的形式。

此外，为了从核子接收的MR弛豫信号的空间或切片选择和空间编码（激励状态的局部化），也提供多个梯度磁场线圈70、80，由其生成在x轴方向延伸的三个梯度磁场。第一梯度磁场在x轴方向基本线性变化，而第二梯度磁场在y轴方向基本线性变化，且第三梯度磁场在z轴方向基本线性变化。

最后，针对给定检查提供电附属设备或辅助装置。此类设备例如是呈现为RF/MR表面线圈60的RF接收天线，其被用于附加于或替代永久内置平面RF接收天线50（体线圈）并且被直接布置在患者P或检查区上。这种RF/MR表面线圈60能够被构造成柔性垫或者套筒或笼子，并且能够包括或被提供为根据本发明的RF发射和/或接收天线的形式。

以上及以下的本发明原理和考虑事项也适用于轴向或水平MRI系统的情况，其中患者或另一检查对象被引导在轴向上穿过圆柱状或管状检查空间10。磁体和RF发射和/或接收天线的形状和尺度以已知方式适应于圆柱状或管状检查空间的形状。

此外，根据本发明的RF天线优选仅被用作用于接收MR弛豫信号的RF/MR接收天线。然而，本发明的原理也适用于用于发射RF激励脉冲的RF发射天线，以及适用于被提供同时用于发射RF激励脉冲和接收MR弛豫信号的RF天线。所有这些RF天线都能够被用在垂直（开放式）MRI系统中和水平或轴向MRI系统中。为了覆盖所有这些替代方式，在下面它被统称为RF发射和/或接收天线。

一般地，上述RF发射和/或接收天线能够均具有一个或多个导体结构（即天线元件），其均共振以用于独立于其他此类导体结构或RF天线段发射和/或接收RF信号，并且均被提供各自的电子RF发射和/或接收单元，如公知的RF波形发生器、RF功率放大器和/或RF接收器，从而提供了多个能独立操作的RF发射和/或接收信道。

这种多信道系统通常被用于改善整个RF发射和/或接收天线的平行成像能力，并且在一定程度上改善特别是非常靠近RF发射和/或接收天线的导体生成的MR图像的信噪比（S/N）。

然而，特别是在RF表面线圈的情况下，这种多元件天线的一个问题可能是穿过RF天线进出（有时对于某些检查是期望的）是受限的或困难的。图2和图3示出了针对（表面）线圈结构形式的RF发射和/或接收天线的示例性极简单结构的这一问题。图2示出了具有一个环或线圈1的单元件RF天线，穿过该RF天线进出是相对简单的，因为线圈1包围了较大的开口。与此相比，根据图3的两元件RF天线被设计为几乎与根据图2的单元件RF天线具有相同的尺寸W，然而它包括第一线圈2和第二线圈3以实现平行成像，其中线圈2、3均具有公共交叠导体结构23，其显著地限制了穿过RF天线进出。

对RF发射和/或接收天线在大开口或平行成像能力方面的需求是随着不同种类的检查和/或不同种类的检查对象而不同的。因此，在进行此类检查之前必须选择适当的RF发射和/或接收天线并且可能将其布置在MRI系统内。这当然被认为是麻烦的，特别是在检查一个且同一对象的过程中需求变化的情况下。这可能发生在例如如下情形：首先应该进行诊断成像，对此而言图像质量和平行成像性质比对对象的进出更重要，然后介入设备——如导管或活检针或另一侵入设备应该被引导到对象体内以便检查局部区或区域，对此而言对对象的充分大的自由进出是需要的，特别是在RF发射和/或接收天线是直接布置在检查区上的表面线圈的情况下。

这种变化需求的另一示例是在诊断MR成像之后，应该进行HIFU（高强度聚焦超声）治疗，其中必须发射超声穿过RF表面线圈到对象上。为了避免超声场的任何扰动，没有导体结构可以延伸穿过该场并因此穿过RF天线的开口。

根据本发明，这一问题通过提供一种RF发射和/或接收天线来解决，其一方面具有平行成像能力，且另一方面能够以简单方式提供开口，该开口允许穿过RF天线的容易进出，而又不显著地改变RF天线的共振性质。

作为替代，根据本发明提供具有大开口以允许穿过RF天线的容易进出的单信道RF发射和/或接收天线，从而能够以简单的方式获得平行成像能力，而不减小整个RF天线的感兴趣区域并且与单元件RF天线相比不显著地改变RF天线的共振性质。

本发明的一个基本思想是提供一种RF发射和/或接收天线，其包括至少一个第一导体结构，特别是被布置成一个或多个共振线圈或环的形式，该第一导体结构形成第一网格（即包围开口），其被特别地设计尺寸以使得允许穿过它而对检查对象或该对象的感兴趣区域的进出，其中提供至少一个第二导体结构，其能够电磁耦合或连接到第一导体结构以使得它将第一网格划分成至少第二和第三网格（即它延伸穿过第一导体结构的开口），其中第二导体结构被调谐以使得第二和第三网格均在与第一网格相同或基本相同的期望频率下共振（即没有第二导体结构），由此提供RF发射和/或接收天线的平行成像能力。

此类RF发射和/或接收天线被示意性示出在图4中的示例性实施例中。它包括呈现为两个第一导体4、5的第一导体结构，这两个第一导体一起形成环形的第一网格或具有大致圆形或图4所示的大致矩形的线圈天线，由此包围上述开口。此外，该RF天线包括呈现为第二导体6的第二导体结构，其延伸穿过开口并且电磁耦合或连接到这两个第一导体4、5，病由此形成在第一网格内的第二和第三网格。机械地提供这种耦合，以使得第二导体6能够容易地从第一导体4、5去除并且再次耦合到这些导体4、5。此外，第一导体4、5均被提供有第一串联电容器C1，且第二导体6被提供有第二串联电容器C2。

图5示出根据图4的RF天线的等价电路。两个第一导体4、5均通过串行连接第一电容器C1和第一电感L1来提供，并且第二导体6通过串行连接第二电容器C2和第二电感L2来提供。此外，在该图中，指示出两个第一导体4、5之间的交互电感M和第一导体4、5中的每一个与第二导体6之间的交互电感M12。此外，假设通过RF天线接收和/或发射的电磁能量分别通过与两个第一电容器C1均并联（或作为其一部分）的前置放大器或发生器中的每一个耦合出和/或耦合入RF天线。

通过这一RF天线，如果第二导体6被去除，则能够通过形成第一网格的两个第一导体4、5来生成第一单电流模式I0。此外，如果第二导体6被耦合到第一导体4、5，则在第二网格中启动第二电流模式I1，且在第三网格中启动第三电流模式I2，其中第二和第三电流模式I1、I2在该示例中是相等的。

选择第二导体6内的第二电容器C2的值以将两个第二电流模式I1、I2隔离到：

$C_2=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2(L_2-M-{2M}_{12})}$

其中这些电流模式I1、I2的频率ω是：

$\mathrm{\ω}=\frac{1}{\sqrt{C_1(L_1+M)}}.$

频率ω是RF天线的期望共振频率并且被选择以通过适当选择第一电容器C1的值而将MRI系统中的RF天线用在MR频率。

在这种情况下，如果第二导体6被去除，则上述第一单电流模式I0具有与第二导体6耦合到第一导体4、5时发生的第二和第三电流模式I1、I2相同的共振频率。

由此，RF天线能够用作两元件或两信道天线（例如用于平行成像）或通过去除第二导体6而用作单元件或单信道天线（如果期望大开口，例如用于获得对检查对象的进出），二者处于相同的共振频率。

如果第二导体6被去除，与每个第一电容器C1并联的前置放大器或发生器都将面对相同的共振导体结构4、5。在接收信号的情况下，考虑到相关性及特别是所接收信号的噪声，根据需求和期望信号重建，能够放弃或保留两个前置放大器之一的信息。

如上所述，图4和图5中所示的两元件线圈仅是一种示例。RF发射和/或接收天线当然能够被提供具有多于两个元件——即具有多于两个第一导体4、5的第一导体结构，和/或多于一个能去除的第二导体结构（或由多于一个能去除的导体组成的一个第二导体结构），其能够被去除而基本不影响RF天线的共振性质。

由此，当将第二导体结构耦合到第一导体结构时，能够提供多于第二和第三网格，例如三个或五个网格等，以便获得更多平行成像的能力。

此外，通过将第二导体结构耦合到第一导体结构而提供的网格的尺寸或尺度能够全部相同或彼此不同。

此外，如果提供多于一个第二导体6或第二导体结构，它们能够被调谐以使得根据需要能够去除这些第二导体或导体结构中的一个或多个或全部，而基本不影响RF天线的共振性质。

此外，第二导体6能够具有不同于平直形式的另一形式，例如弯曲形式。

根据本发明的另一实施例，第一导体4、5或导体结构中的至少一个能够制成能调谐的，以便补偿当去除能去除的（第二）导体6时的可能频移。

在本发明的另一实施例中，能去除的导体结构能够与隔离的放大器组合以允许增加与或不与能去除的导体结构的耦合，如“The NMR PhasedArray”,P.B.Roemer,W.A.Edelstein,C.E.Hayes,S.P.Souza,O.M.Mueller,在Magnetic Resonance in Medicine,Vol.16,Is.2,p.192–225（1990）中略述的。

最后，能去除的第二导体结构能够制成一次性的。特别是如果第二导体结构需要被消毒，可能优选在消毒包装中出售它以作为一次性单元。这种使用在介入性MRI引导的程序中可能是有利的。用户能够在任何介入点处附接或移除消毒的一次性第二导体结构。

最后，根据本发明的RF发射和/或接收天线的上述原理能够应用于分别均固定安装在垂直或轴向MRI系统中的平面整体线圈和管状整体线圈，并且它能够应用于MR表面线圈——如直接定位在检查区域上的柔性垫，或者鸟笼线圈等。

虽然在附图和前面的说明书中已经详细地图示说明和描述了本发明，但这种图示说明和描述应被理解为是说明性的或示例性的而非限制性的，且本发明并不局限于所公开的实施例。在不偏离由随附权利要求限定的本发明的基本原理的情况下，有可能实现对前文中描述的本发明的实施例的各种变化，例如关于第一导体4、5和第二导体6的其他形式和尺度以及关于其数量和相对彼此的定位的变化。

通过研究附图、公开内容及随附权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的发明时能够理解和实现对所公开实施例的各种变化。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。单个处理器或其他单元可能完成权利要求中记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不表示这些措施的组合不能被有利地利用。权利要求中的任何参考标记不应被解读为限制其范围。

Claims (9)

1.一种RF发射和/或接收天线，其包括形成以期望RF频率共振的第一网格的第一导体结构(4、5)以及至少一个第二导体结构(6)，该至少一个第二导体结构能够耦合到所述第一导体结构(4、5)中，从而使得所述第一网格被所述至少一个第二导体结构(6)划分成至少第二和第三网格，其中，所述至少一个第二导体结构(6)被调谐以使得所述第二和第三网格均以与所述第一网格相同或基本相同的期望频率共振，并且所述第二导体结构(6)能够机械地能去除地耦合到所述第一导体结构(4、5)中。

2.如权利要求1所述的RF发射和/或接收天线，其中，通过串联连接到所述第二导体结构(6)中的电容器(C2)来调谐所述至少一个第二导体结构(6)。

3.如权利要求1所述的RF发射和/或接收天线，其中，以一个导体(6)的形式提供所述第二导体结构。

4.如权利要求1所述的RF发射和/或接收天线，其中，所述第一导体结构(4、5)以至少一个环或线圈的形式提供第一网格。

5.如权利要求4所述的RF发射和/或接收天线，其中，提供一个第二导体结构(6)，其将所述第一网格划分成具有基本相同尺寸的第二和第三网格。

6.如权利要求1所述的RF发射和/或接收天线，其被提供为表面线圈或鸟笼线圈或胸部线圈的形式以用于MRI系统。

7.如权利要求1所述的RF发射和/或接收天线，其被提供为RF/MR表面线圈的形式以用于高强度聚焦超声治疗。

8.如权利要求1所述的RF发射和/或接收天线，其被提供为整体线圈的形式以用于垂直或轴向MRI系统。

9.一种MRI系统或MR扫描器，其包括如权利要求8所述的整体线圈。