CN103412271B - 多通道核磁共振线圈 - Google Patents

多通道核磁共振线圈 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多通道核磁共振线圈，工作于谐振频率f0，包括不少于5个闭合的单元环构成的信号通道，所述多个单元环围合在成像区域外围的柱面上，并且每个单元环包括平行于该柱面的轴线的2竖直导体部分和垂直于该柱面的轴线的2弧形导体部分；在每个所述单元环的竖直导体中串联电感和电容，并与相邻单元环的竖直导体部分的串联电感和电容构成谐振回路；在相邻的所述单元环的弧形导体的两两之间连接环间串联电容，所述环间串联电容把每个相邻单元环同一侧的弧形导体相连接。本发明由于采用环间串联电容减小多通道单元环之间的耦合，从而获得良好的信噪比。

Description

多通道核磁共振线圈
技术领域
本发明涉及核磁共振成像系统，尤其涉及一种多通道核磁共振线圈。
背景技术
核磁共振成像系统是根据核磁共振成像原理生成样品的二维或者三维图像的设备，在医疗诊断领域有着越来越广泛的应用。常见的核磁共振系统一般包括：产生静态均匀磁场B0的磁体，该静态均匀磁体的范围足够大，能够覆盖病人的身体的成像部位；射频系统，包括用于激发样品发生共振的射频发射线圈，和用于接收样品发出的共振信号的射频接收线圈；梯度系统，用于在样品空间产生梯度磁场、便于成像编码；以及计算机成像系统，用于处理射频接收线圈收集的信号，处理成便于医生观察的视觉图像。
核磁共振成像技术中，使用接收线圈来收集样品受激发出的射频信号，收集到的射频信号被放大后用于样品图像重建。接收线圈的电气结构主要包括由导电材料做成的线圈体，和连接在线圈体中的电感和电容。在工作状态下，接收线圈环绕着病人的被检查的部位，其输出阻抗与后端数据收集设备匹配，并且在工作频率线圈内部具有均匀的电磁场分布，引出的谐振信号具有良好的信噪比，从而获得清晰无畸变的样品图像。当接收线圈不工作的时间里，处于失谐状态，不会干扰发射线圈和系统中其它设备的工作。
现有技术中，多通道核磁共振接收线圈的结构常包括多个围合在成像区域外围的闭合的单元环，增加单元环的数量，理论上有可能在更短的时间内获得更加强的电磁信号，但是需要更加复杂的调试才能获得良好的信噪比，和清晰的样品图像。这是因为通道增加了，单元环之间的相互耦合更加复杂，相邻的单元环之间可以通过交叉重叠或者直接串接电感电容来消除耦合，而相隔较远的线圈单元环之间的耦合则难以消除。如果各个单元环之间不能消除耦合，多通道线圈就不能正常工作。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有多通道单元环的核磁共振接收线圈，能够在更短的时间内获得更强的核磁共振信号和良好信噪比。
本发明公开了一种多通道核磁共振线圈，工作于谐振频率f0，包括不少于5个闭合的多个单元环构成的信号通道，所述多个单元环围合在成像区域外围的柱面上，并且每个单元环包括平行于该柱面的轴线的2个竖直导体部分和垂直于该柱面的轴线的2个弧形导体部分；在每个所述单元环的竖直导体中串联电感和电容，并与相邻单元环或相隔一个单元环的竖直导体部分的串联电感和电容之间构成谐振回路，用于减小相邻信号通道或者相隔一个信号通道之间的耦合；或者，在每个所述单元环的竖直导体中只串联电容，并与相邻单元环或相隔一个单元环的竖直导体部分之间再并联电容，该串联和并联电容之间构成谐振回路，用于减小相邻信号通道或者相隔一个信号通道之间的耦合；以及，在相邻的所述单元环的弧形导体的两两之间连接环间串联电容用于减小多通道之间的耦合，所述环间串联电容把每个相邻单元环同一侧的弧形导体相连接。
在本发明的多通道核磁共振线圈中，每个所述单元环的一侧的弧形导体中间还串联电容用于减小多通道之间的耦合。
在本发明的一个实施例中，每个所述单元环的上下两侧的弧形导体中间分别都串联电容；以及每个相邻单元环的上下两侧的弧形导体都分别通过所述环间串联电容相连接。
在本发明的另一个实施例中，在每个所述单元环的竖直导体中只有串联电容，并且每个所述单元环围成的面积分别与相邻的两个单元环重叠构成重叠面积；所述重叠面积产生的耦合互感，与所述串联电容构成谐振电路，用于减小相邻信号通道之间的耦合。
在本发明的另一个实施例中，改变所述单元环的导体在构成重叠面积处的相互交叉的位置的面积，用于减小相邻信号通道之间的耦合。还改变交叉导体之间的距离，在一个实施例中，这个距离等于3mm。
在本发明的另一个实施例中，在每个所述单元环的竖直导体中只串联电感，并且与相邻单元环或相隔一个单元环的竖直导体中的串联电感产生涡流；该涡流抵消耦合产生的涡流，用于减小相邻信号通道或者相隔一个信号通道之间的耦合。
在一个实施例中，所述重叠面积的大小使得相邻单元环间的相互耦合小于-15dB。
在本发明的多通道核磁共振线圈中，还包括连接在每一个单元环上的失谐电路，该失谐电路于预设的时间段使得该单元环失谐。
本发明公开的多通道核磁共振线圈，由于采用环间串联电容把每个通道单元环串联起来，同时采用多种方法去除单元环之间的耦合，从而获得良好的信噪比。
附图说明
图1为一实施例的多通道单元环核磁共振线圈的电路结构示意图。
图2为另一实施例的多通道单元环核磁共振线圈的电路结构示意图。
图3为相邻线圈之间的减少线圈导体重叠面积去耦法示意图。
图4为相邻线圈之间的并联谐振电容去耦法示意图。
图5为连接前置放大器去耦法示意图。
图6为一实施例的单元环CH1的印刷电路板布线图。
图7为一实施例的多通道单元环核磁共振线圈外形照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示为本发明一实施例的多通道单元环核磁共振接收线圈的电路结构示意图，图中共有8通道,全部单元环都展开在平面上。每个单元环首尾相连成闭合电回路。8个单元环围合在一个类似圆柱面上，该圆柱的内部空腔即为线圈的成像空间。我们把每一个单元环结构中大致沿着上述圆柱轴线方向分布的部分导体称为竖直导体，如图1中的单元环的串联着电感电容的部分的导体，即为该单元环的2个竖直导体部分；把每一个单元环结构中沿着上述圆柱的圆周方向分布的2部分导体称为圆弧导体部分，如图1中的单元环的串联着电容、并且与相邻的单元环中的串联电容首尾相接的部分的导体，即为该单元环的1个圆弧导体。
如图1可见，在该实施例中，8个单元环分别为CH1、CH2、CH3、CH4、CH5、CH6、CH7、CH8。每个单元环i的2个竖直导体部分分别串接电感Li1和电容Ci1、以及Li2和电容Ci2，该电感Ｌ和电容C分别与相邻单元环的竖直导体部分串接的电感Ｌ和电容C相互耦合，谐振于工作频率，从而消除相邻单元环之间的电磁耦合。同时，每个单元环i的一个圆弧导体部分也都串接电容Ｃi0，并且每两个相邻单元环之间的同一侧圆弧导体部分还用另一个电容Ｃi11串联起来，串接电容Ｃ0和电容C11把该多通道核磁共振线圈沿着成像空间的一端连接成一个首尾相连的圆环，这种串联电容带来的不同单元环之间的耦合使得线圈中每一个单元环都能同时工作在谐振频率下。
在上述实施例中，减小多通道核磁共振线圈中相邻通道之间的耦合的方法，采用了相邻单元环间的互感去耦法，在电路原理上，相当于在线圈里插入一个变压器，变压器原边和副边的线圈分别接于相邻单元环的竖直导体上，变压器产生的涡流可以抵消耦合产生的涡流。这种去耦法也可以用于相邻的重叠边框上，从而可以减小相隔一个单元环的单元环之间的电磁耦合。
在本发明的其他实施例中，核磁共振线圈的每一个单元环的上下2侧的圆弧导体部分都串联电容，并且每两个相邻的单元环之间都再用串联电容相互串联起来形成首尾相连的圆环。
图2是本发明另一实施例的多通道单元环核磁共振接收线圈的其中3单元环展开在平面上的电路结构的示意图，图中分别包括CH（i-1）单元环，Chi单元环，和CH（i+1）单元环。该实施例中相邻的单元环相互交叉，使得每两个相邻单元环内的面积都有部分重叠，我们把重叠的部分称为重叠面积；并且相邻单元环的相应的部分边框（竖直导体）在另一个单元环的面积之内，构成重叠面积的边框，我们称之为重叠边框，每个通道单元环的两边竖直导体都构成2个重叠边框，分别与相邻的两个单元环构成重叠面积。每个重叠面积的大小影响相邻两个单元环之间的耦合程度，调节该重叠面积的大小即可去除相邻单元环之间的耦合；而相隔一个单元环的2个单元环的竖直导体，在中间的一个单元环的2个重叠面积中为重叠边框，并且成为相邻竖直导体，其中串联的电感Ｌ和电容C用于降低相隔单元环之间的耦合，如图2所示，相邻重叠边框中串联串联C（i-1）1和串联电感L（i-1）1与串联电容C（i+1）2和串联电感L（i+1）2构成串联耦合谐振。
下面进一步描述降低多通道核磁共振线圈中通道之间的耦合的方法。如图1和图2中所示为相邻单元环的互感去耦法示意图，在电路原理上，相当于在线圈里插入一个变压器，变压器原边和副边的线圈分别接于相邻的重叠边框上，或者分别接于相邻单元环的竖直导体上，变压器产生的涡流可以抵消耦合产生的涡流。
在多通道单元环线圈中，每隔一个单元环的两个单元环之间通过重叠边框的互感线圈去耦合，如图2中分别重叠在Chi单元环面积内的CH（i-1）单元环和CH（i+1）单元环的重叠边框之间通过电感电容的互感去耦合。
图2所示为相邻单元环的空间位置去耦法；相邻单元环的重叠面积使得2个单元环之间产生电磁感应，根据法拉第电磁感应定律，2个相邻的线圈中感应出来的电流产生的磁场可以和线圈的重叠面积产生的磁场相抵消。法拉弟电磁感应定律见下式：
式中E是电场强度，B是磁场强度，C是线圈轮廓，S是线圈包围面积。所以当2个线圈的相对位置固定时空间位置重叠方法可以消除相邻线圈间的强耦合。
在多通道单元环接收线圈中，调整相邻单元环的重合面积的大小，可以使得在相邻线圈间的互感为零，实现空间位置去耦。
如图3所示为减少单元环的导体的相互重叠面积去耦法示意图；一般的核磁共振线圈采用具有一定宽度的金属箔构成每个单元环的竖直导体和圆弧导体，物理学知识表明，平行板电容器的电容C跟介电常数ε成正比，跟正对面积s成反比，与极板间的距离d成反比，有：
C=εs/d
式中ε是介电常数。
所以挖去重叠边框的导体的交叉部分的部分面积，调整交叉部分的重叠边框之间的距离，可以减少因为导体的重叠产生的电容，从而消除线圈耦合。
在多通道单元环接收线圈中，如图2所示，相邻单元环的重叠边框的导体交叉重叠，导体的重叠产生电容，调整该部分导体相互之间的距离和重叠面积的大小，即可减少该电容值。
图4为并联谐振电容去耦法示意图，在两个相邻单元环间加上合适容值的电容，使电容和线圈间存在的电感在谐振时形成并联谐振，电阻很大，使得相互感应电流很小，从而去耦。电感跟电容去耦效果一致，只是电感去耦损耗大，电容去耦损耗小，电容可以传递射频信号。如图2所示的实施例中使用的是互耦电感去耦合。
本发明还在各个相邻单元环之间分别以环间串联电容相连，如图2中的C（i-1）01和Ci01、C(i+1)01，等等；以及每个单元环的弧形导体中串联电容C（i-1）0、Ci0、和C(i+1)0。这种由串联电容首尾相连构成的通路能使线圈整体的相互耦合下降，提高线圈品质。
如图5所示为连接前置放大器去耦法示意图，在谐振状态下前放可以看作电阻，连接线圈的电缆带来分布电感。前放和电容、电感在谐振频率处形成并联谐振，并联谐振时的电阻很大，减少感应电流，从而去耦。这种去耦方法也消除线圈非相邻单元环间的弱耦合。
下面以一8通道单元环的膝盖接收线圈为例解释接收线圈的调试方法。
图6为本发明的一个8通道膝盖接收线圈的外形照片。
如图7所示为一实施例的单元环CH1的印刷电路板布线图。图中DC3与DC6为该单元的失谐电路，在核磁共振系统的射频发射工作时间段失谐电路DC3与DC6被加载使得接收线圈断开处于失谐状态；在核磁共振系统的射频接收工作时间段失谐电路DC3与DC6接通使得接收线圈处于谐振工作状态。P6与P5之间、以及P15与P14之间焊接去耦电感，分别于单元环CH7和单元环CH3的相应重叠边框中的去耦电感形成互感去耦合，其去耦方式参考图2。P26电连接P7成为单元环CH1的第一重叠边框，P27电连接P10成为单元环CH8的第二重叠边框，调整CH1的第一重叠边框和CH8的第二重叠边框的相对位置，就调节了单元环CH1和单元环CH8的重叠面积。同样的，P29电连接P16成为单元环CH1的第二重叠边框，P28电连接P13成为单元环CH2的第一重叠边框，调整CH1的第二重叠边框和CH2的第一重叠边框的相对位置，就调节了单元环CH1和单元环CH2的重叠面积。调节相邻单元环之间重叠面积的大小可以改变相邻单元环之间的耦合，该去耦方式参考图3。电容C8、C12改变了接收线圈中单元环CH1与单元环CH4、CH5、和CH6之间的耦合。
作为一个8通道单元环的膝盖接收线圈，如图7所示，其电容分布为：C24为200pF、C6为130pF、C11为110Pf、CV4为24pF可调、C9为200pF、C8和C12为10pF；通过调节可调电容C24、C25与CV4的值可以使该MRI射频线圈匹配50Ω前置放大器。
8通道单元环的膝盖接收线圈的调试过程，作为本发明的一个实施例，以单元环CH1为例描述如下：
开始先断开电容C8和C12，采用如图2所示的方法，调节P26-P7与P27-P10之间的相对位置，同时使用网络分析仪测量单元环CH1与单元环CH8之间的耦合程度，直到其相互耦合的信号衰减小于-15dB；同样调节P29-P16与P28-P13之间的相对位置来改变单元环CH1与单元环CH2之间的重叠面积，并使用网络分析仪测量其耦合，直到耦合信号S21衰减到小于-15dB。
再调节P6与P5、以及P15与P14之间焊接的互感电感，使单元环CH1与单元环CH3之间的耦合、以及单元环CH1与单元环CH7之间的耦合衰减到小于20dB。
此时测量单元环CH1与单元环CH4之间的耦合信号衰减、以及单元环CH1和单元环CH5之间的耦合信号衰减、以及单元环CH1和单元环CH6之间的耦合信号衰减，都大于-6dB。这么大的耦合无法用低阻前置放大器来消除，因此本发明的消除耦合办法增加C8、C12电容，从5pF开始逐渐增加电容值，电容C8与电容C12的存在向相邻的单元环传递了一部分信号，相当于增加了相邻单元环之间的耦合。随着电容C8与电容C12的电容值的增加使用网络分析仪监测单元环CH1与单元环CH4之间的信号耦合、以及单元环CH1和单元环CH5之间的信号耦合、以及单元环CH1和单元环CH6之间的信号耦合，当耦合信号衰减到小于-10dB即可，因为这种耦合可以用低阻前置放大器组成的信号导出电路消除。在本实施例中电容C8与电容C12的电容值等于10pF。
然后，再采用如图5所示的减少线圈导体重叠面积去耦法，挖去重叠边框的交叉部分的导体的部分面积，并且调整重叠边框的导体重叠部分的相互之间的距离，使用网络分析仪监测单元环CH1与单元环CH2、单元环CH8之间的耦合。在本实施例中，当重叠边框的导体重叠部分之间的距离为间隔3mm是最优化消除相邻单元耦合；从而使8CHKneeCoil的通道单元耦合消除。
反复地分别对8通道单元环核磁共振接收线圈的每一个单元使用上述调试方法，即可获得信噪比高的多通道核磁共振接收线圈。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多通道核磁共振线圈，工作于谐振频率f0，包括不少于5个的闭合的多个单元环构成的信号通道，所述多个单元环围合在成像区域外围的柱面上，并且每个单元环包括平行于该柱面的轴线的2个竖直导体部分和垂直于该柱面的轴线的2个弧形导体部分；其特征在于：
在每个所述单元环的竖直导体中串联电感和电容，并与相邻单元环或相隔一个单元环的竖直导体部分的串联电感和电容之间构成谐振回路，用于减小相邻信号通道或者相隔一个信号通道之间的耦合；
以及，在相邻的所述单元环的弧形导体的两两之间连接环间串联电容用于减小多通道之间的耦合，所述环间串联电容把每个相邻单元环同一侧的弧形导体相连接。
2.如权利要求1所述的多通道核磁共振线圈，其特征在于，每个所述单元环的一侧的弧形导体中间还串联电容用于减小多通道之间的耦合。
3.如权利要求1或者2所述的多通道核磁共振线圈，其特征在于，每个所述单元环的上下两侧的弧形导体中间分别都串联电容；以及每个相邻单元环的上下两侧的弧形导体都分别通过所述环间串联电容相连接。
4.如权利要求1所述的多通道核磁共振线圈，其特征在于，在每个所述单元环的竖直导体中只有串联电容，并且每个所述单元环围成的面积分别与相邻的两个单元环重叠构成重叠面积；所述重叠面积产生的耦合互感，与所述串联电容构成谐振电路，用于减小相邻信号通道之间的耦合。
5.如权利要求4所述的多通道核磁共振线圈，其特征在于，改变所述单元环的导体在构成重叠面积处的相互交叉的位置的面积，用于减小相邻信号通道之间的耦合。
6.如权利要求4所述的多通道核磁共振线圈，其特征在于，所述重叠面积的大小使得相邻单元环间的相互耦合小于-15dB。
7.如权利要求1或者2所述的多通道核磁共振线圈，其特征在于，包括8个围合在柱面上的单元环，所述环间串联电容Ci的电容值等于10pF。
8.如权利要求1或者2所述的多通道核磁共振线圈，其特征在于：还包括连接在每一个单元环上的失谐电路，该失谐电路于预设的时间段使得该单元环失谐。
9.如权利要求4所述的多通道核磁共振线圈，其特征在于，所述竖直导体在构成重叠面积处的导体重叠部分之间的垂直距离为间隔3mm。
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