CN103116147B - 一种用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈，该射频线圈包括线圈外壳（1）、真空罩（2）、液氮罐装置、线圈导体（3）、信号传输线（4）和低噪声前置放大器（9），该射频线圈为至少一个射频接收线圈或至少一个可操作性的既可发射也可接收的射频线圈，所述线圈导体（3）由端环（5）以及连接该端环的互相平行的偶数个腿（6）组成，线圈导体（3）上设有谐振电容（7），所述信号传输线（4）一端设有磁共振系统连接端口（8），线圈导体可以作为接收线圈使用，也可以作为接收/发射线圈使用，具有很好的正交接收以及激发性能，在成像区域有较高的均匀性，通过对导体用液氮制冷来降低磁共振接收过程中的损耗和由于电阻产生的热噪声，从而提高获得图像的信噪比。

Description

一种用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈

技术领域

本发明涉及一种用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈，尤其涉及到一种采用液氮制冷并用具有接收或发射/接收的线圈导体进行诊断的射频线圈。

背景技术

目前，磁共振成像技术已广泛应用于世界上各个大型医疗机构并且在医学实践中取得了巨大而独特的效益。这些磁共振成像技术不仅具有在识别和评估病理、判断受测组织健康状况方面的医学诊断价值，还广泛应用于临床和研究中；虽然通过不懈的努力，磁共振成像已获得长足的进步，但是磁共振成像还有进一步改善的需要，如更高的对比度、增强的信噪比、更快的采集速度和/或更高的空间和时间分辨率。线圈是拾取磁共振信号的核心部件，线圈拾取信号的能力大小以及质量的高低，对成像质量有直接的至关重要的影响，磁共振成像系统中，人体中质子受激发后发出的磁共振信号是很微弱的。线圈的一个重要的指标是品质因子，一般简写为Q，它由线圈的谐振峰的中心频率除以谐振峰的宽度而得，它反映的是线圈接收信号和排除干扰的能力，在线圈可用带宽大于磁共振系统所需带宽的前提下，空载Q通常是越高越好。决定线圈的Q的主要因素是整个线圈回路中的电阻，主要是导体中的电阻，导体电阻越大，线圈的Q也就越低，成像品质越差。

现有采用的方法为：通过改进布线来降低线圈重叠部位耦合电容，从而提高线圈的Q值，但因受限于常温铜导体内固有电阻，Q值仍然不够高，与电子热噪声关联的图象噪声影响成像清晰度，使用的导体为常温铜导体，成像过程中，为了减弱铜导体中与电子热噪声以及固有电阻带来的影响，必须通过延长扫描时间来提高信噪比，从而导致设备使用成本的提高；目前常用的线圈设计主要基于常温导体，普遍都不能获得较高的空载Q。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈，该线圈与各类磁共振系统配合使用，主要膝关节、腕关节、踝关节等部位的临床扫描，辅助医务人员进行诊断。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈，该射频线圈包括线圈外壳、真空罩、液氮罐装置、线圈导体、信号传输线和低噪声前置放大器，该射频线圈为至少一个射频接收线圈或至少一个可操作性的既可发射也可接收的射频线圈，所述线圈导体由端环以及连接该端环的互相平行的偶数个腿组成，线圈导体上设有谐振电容，所述谐振电容两端与线圈导体连接，谐振电容两端的电压差可转化为磁共振系统可利用的信号；所述线圈导体采用高通、低通和带通三种结构，根据谐振电容在线圈导体中不同位置来判定线圈导体结构。

所述信号传输线一端设有磁共振系统连接端口，所述信号传输线连接线圈导体，并穿过真空罩及外壳与磁共振系统连接端口相连接，所述磁共振系统连接端口为接收端口或接收/发射端口，所述液氮罐装置设置于真空罩内，所述液氮罐装置包括液氮罐，所述液氮罐上设有至少一个液氮加注管，所述液氮加注管穿过外壳和真空罩，所述线圈导体放置在液氮罐和真空罩隔离出的一个公共真空室内。所述真空罩为中通密封圆柱体，真空罩上设有真空抽口，真空罩上设有至少三个孔，所述液氮加注管、信号传输线和真空抽口穿过孔，所述线圈导体信号输出端与低噪声前置放大器相连，所述外壳下端设有支持装置。

作为本发明的进一步改进，所述线圈导体部分或全部设置在液氮罐内部或外部，线圈导体部分或全部通过非磁性电绝缘低温传导材料与液氮罐外表面接触。

作为本发明的进一步改进，所述公共真空室内设有非磁性非金属的保温材料，所述保温材料为珠光砂或气凝胶毡。

与现有技术相比，本发明具有下列优点。

（1）本发明中涉及的线圈导体采用非超导材料、超导材料或高温超导材料，线圈导体可以做为接收线圈使用，也可以做为接收/发射线圈使用，产生的电磁场高度均匀，而且线圈有高度对称性，容易实现正交发射和接收，具有较好的正交接收以及激发性能，正交发射时，其功耗低，正交接收时，信噪比较非正交接收的线圈高。

（2）所述线圈导体采用高通、低通和带通三种结构，高通型鸟笼线圈的谐振电容均焊在端环导体上，低通型的谐振电容焊在每根腿导

体中间，带通型线圈则在端环和腿上都布有电容，根据不同的主磁场方向可以选择不同类型的线圈导体。

（3）通过对线圈导体用液氮制冷，降低导体的电阻，使用普通导体在低温下、电阻会明显降低，而当使用可在液氮温度下工作的高温超材料作为导体时，电阻可以降低到忽略不计的程度，从而大幅提高线圈的Q；导体中的电子热噪声正比于温度和电阻的乘积，当温度从室温降低到液氮温度时，线圈导体中的电子热噪声会大幅降低。

通过对导体用液氮制冷来降低磁共振接收过程中的损耗和由于电阻产生的热噪声，从而提高获得图像的信噪比，明显增强线圈的信号接收性能，大幅提高磁共振成像的图像质量。

（4）使用液氮制冷，使得成本降低，所述液氮罐装置包括液氮罐，所述液氮罐上设有至少一个液氮加注管，使用者通过液氮加注管向液氮罐加注液氮，加注时，用通过其中的一个加注管加注液氮，另一个用作排气管，排放液氮罐内液氮气化而来的氮气，加注完成后，两个液氮加注管均作为液氮排气管使用，通过简便易操作的液氮加注系统，实现液氮的有效循环与连续使用。

（5）所述真空罩为中通密封圆柱体，真空罩上设有真空抽口，真空罩上设有至少三个孔，所述信号传输线和真空抽口穿过孔，所述线圈导体放置在液氮罐和真空罩隔离出的一个公共真空室内，这样保持在高真空状态的公共真空室可以很好地将液氮罐的液氮温度环境与真空罩之外的室温以及人体隔开，做到长时间保持液氮罐的低温并保护用此实例进行成像的人员；所述公共真空室内设有非磁性非金属的保温材料，所述保温材料为珠光砂或气凝胶毡，以进一步提高保温效果。

（6）所述外壳下端设有支持装置，如：外壳下端伸出脚或做成矩形，防止实例在使用过程中滚动。

附图说明

图1为本发明用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈的结构示意图。

图2为本发明用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈的侧视结构图。

图3为本发明中线圈导体为接收模式时原理图。

图4为本发明中线圈导体为作为接收/发射线圈模式时原理图。

图5为本发明中线圈导体的高通结构示意图。

图6为本发明中线圈导体的低通结构示意图。

图7为本发明中线圈导体的一种应用示意图。

具体实施方式

实施例一。

如图1、图2和图3所示，一种用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈，该射频线圈包括线圈外壳1、真空罩2、液氮罐装置、线圈导体3、信号传输线4和低噪声前置放大器9，该射频线圈为一个射频接收线圈，工作时处于接收模式，需要另一个由MRI系统自带的发射线圈对被测物品进行激发，然后由接收线圈接收被测物品产生的信号。

如图5、图6和图7所示，所述线圈导体3由端环5以及连接该端环的互相平行的偶数个腿6和谐振电容7组成，端环5或腿6上可焊接谐振电容7以达到谐振条件，不同位置的谐振电容7两端有不同的电压差，可以在选定的一个或多个谐振电容两端搭接上匹配网络系统来将此电容两端的电压差转化为系统可利用的信号，线圈导体3以及谐振电容7等构成的射频线圈通过一根低损耗的信号传输线4穿过真空罩2以及外壳1与磁共振系统连接端口8相连接，磁共振系统连接端口8与磁共振系统连接，磁共振系统连接端口8为单纯的接收端口，所述线圈导体3采用高通、低通和带通三种结构，高通型线圈的谐振电容7均焊接在端环5导体上，低通型线圈的谐振电容7焊接在每根腿6导体的中间，带通型线圈的谐振电容7在端环5和腿6上都设有，可根据谐振电容7在线圈导体3中不同位置来选择不同类型的线圈导体结构。

外壳1为非金属无磁材料，如：工程塑料，外壳1不完全封闭，留有两个孔，分别供液氮加注管12以及连接磁共振系统的信号传输线4穿过；

外壳1以内是一个真空罩2，真空罩2为真空容器，其外形为中通的圆柱体，真空罩2满足作为真空容器的要求，即硬度较高、放气率低、漏气率低，故真空罩采用环氧树脂玻璃纤维或双层隔热玻璃，真空罩2留有四个孔，分别用于让液氮加注管12、信号传输线4穿过，以及安装一个可反复密封的真空抽口10，液氮加注管12、信号传输线4和真空抽口10与真空罩2接触的缝隙均要密封。

液氮罐11设置在真空罩2内部，液氮罐11是一个中通圆柱形的低温真空容器，液氮罐11外壁直径小于真空罩2的外径，内壁直径则大于真空罩2的内壁直径，液氮罐11顶端伸出两个液氮加注管12穿过真空罩2以及外壳1直接通向外界，通过液氮加注管12向液氮罐11加注液氮，加注时，用通过其中的一个加注管12加注液氮，另一个加注管12用作排气管，排放液氮罐11内液氮气化而来的氮气，加注完成后，两个液氮加注管12均作为液氮排气管使用。

所述线圈导体3采用非超导材料、超导材料或高温超导材料，有多种温度组合供维持线圈运作。例如，在某些配置方式下，所有线圈可能都维持在77K；所述线圈导体3采用高温超导材料，如YBaCuO、BiSrCaCuO等，也可采用超导材料、纳米材料如碳纳米管和具有高导电性特点的材料/结构。

所述线圈导体3放置在由非磁性非金属（例如环氧树脂玻璃纤维，双层隔热玻璃）构成的液氮罐11和真空罩2隔离出的一个公共真空室13内，所述公共真空室13内设有非磁性非金属的保温材料，所述保温材料为珠光砂或气凝胶毡。

所述线圈导体3部分或全部设置在液氮罐11内部或外部，即：线圈导体3从液氮罐11获得制冷的方法有以下几种：

（i）线圈导体3部分或全部放在液氮罐11中，线圈导体3直接浸泡在液氮中而被制冷，其余部分伸出液氮罐11，通过导体自身的热传导能力而被制冷；

（ii）线圈导体3部分或全部用胶水直接粘在液氮罐11的外表面而被制冷，其余部分通过导体自身的热传导能力而被制冷；

（iii）线圈导体3部分或全部经过非磁性电绝缘低温传导材料（例如蓝宝石，氮化铝）与液氮罐11外表面接触而被制冷，其余部分通过导体自身的热传导能力而被制冷；

（ⅳ）以上三种方式的组合。

所述线圈导体3的信号输出端与低噪声前置放大器9相连，线圈工作时感应到的信号经低噪声前置放大器9放大后，通过一根低损耗电缆送至系统信号处理后端进行处理。低噪声前置放大器9可以工作在室温环境下，也可以与冷媒接触，工作在液氮温度。

按照上述结构组装进行操作，首先，打开外壳1，露出真空罩2以及真空抽口10，将外接抽真空装置与真空抽口10连接并抽真空，使真空罩2与液氮罐11之间的空间内达到一定的真空度，然后密封好真空抽口10断开真空泵，装好外壳1；再通过液氮加注管12对液氮罐11加注液氮，使与其接触的线圈导体3降温到液氮温度；将病人的膝关节放置到线圈中心开孔内，然后将整个制冷放置到磁共振系统的主磁场中心处，并将线圈的信号传输线4与磁共振系统连接端口8连接；最后，线圈为接收模式，需要另一个发射线圈，通常由MRI系统自带，对被测物品进行激发，然后由接收线圈接收被测物品产生的信号，线圈工作时感应到的信号经低噪声前置放大器9放大后，通过一根低损耗电缆送至系统信号处理后端进行处理，扫描并成像。

实施例二。

如图1和图4所示，一种用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈，该射频线圈包括线圈外壳1、真空罩2、液氮罐装置、线圈导体3、信号传输线4和低噪声前置放大器9，所述射频线圈作为接收/发射线圈时，激发和接收线圈为同一个线圈，磁共振系统连接端口8为接收/发射端口。

首先将外接抽真空装置与真空罩2上的真空抽口10连接并抽真空，使真空罩2与液氮罐11之间的空间内达到一定的真空度，然后密封好抽口10断开真空泵，装好外壳1。

再通过液氮加注管12对液氮罐11加注液氮，使与其接触的线圈3降温到液氮温度，液氮罐11的温度会降到77K。

将病人的膝盖放置到线圈中心开孔内，然后将整个制冷放置到磁共振系统的主磁场中心处，并将线圈的输出线与系统信号处理后端连接；首先，线圈工作于发射模式，发出能量，对被测物品进行激发；完成之后，线圈工作于接收模式，不再发出能量，而仅接收被测物品产生的信号，线圈工作时感应到的信号经低噪声前置放大器9放大后，通过一根低损耗电缆送至系统信号处理后端进行处理，扫描并成像。

Claims (8)

1.一种用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈，该射频线圈包括线圈外壳（1）、真空罩（2）、液氮罐装置、线圈导体（3）、信号传输线（4）和低噪声前置放大器（9），其特征在于：该射频线圈为至少一个射频接收线圈或至少一个可操作性的既可发射也可接收的射频线圈，所述线圈导体（3）由端环（5）以及连接该端环的互相平行的偶数个腿（6）组成，线圈导体（3）上设有谐振电容（7），所述线圈导体（3）采用高通、低通和带通三种结构，根据谐振电容（7）在线圈导体（3）中不同位置来判定线圈导体（3）结构，所述信号传输线（4）一端设有磁共振系统连接端口（8），所述磁共振系统连接端口（8）为接收端口或接收/发射端口，所述信号传输线（4）连接线圈导体（3），并穿过真空罩（2）及外壳（1）与磁共振系统连接端口（8）相连接，所述液氮罐装置设置于真空罩（2）内，所述线圈导体（3）的信号输出端与低噪声前置放大器（9）相连。

2.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈，其特征在于：所述谐振电容（7）与线圈导体（3）相连，所述谐振电容（7）两端的电压差可转化为磁共振系统可利用的信号。

3.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈，其特征在于：所述真空罩（2）为中通密封圆柱体，真空罩（2）上设有真空抽口（10），真空罩（2）上设有至少三个孔，所述液氮加注管（12）、信号传输线（4）和真空抽口（10）穿过孔。

4.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈，其特征在于：所述液氮罐装置包括液氮罐（11），所述液氮罐（11）上设有至少一个液氮加注管（12），所述至少一个液氮加注管（12）穿过外壳（1）和真空罩（2）。

5.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈，其特征在于：所述线圈导体（3）放置在液氮罐（11）和真空罩（2）隔离出的一个公共真空室（13）内。

6.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈，其特征在于：所述线圈导体（3）部分或全部设置在液氮罐（11）内部或外部，线圈导体（3）部分或全部通过非磁性电绝缘低温传导材料与液氮罐外表面接触。

7.根据权利要求5所述的用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈，其特征在于：所述公共真空室（13）内设有非磁性非金属的保温材料，所述保温材料为珠光砂或气凝胶毡。

8.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的膝盖射频线圈，其特征在于：所述外壳（1）下端设有支持装置。