CN103576108B

CN103576108B - 控制发送/接收阵列以用于在发送情况下退耦

Info

Publication number: CN103576108B
Application number: CN201310333117.7A
Authority: CN
Inventors: S.比伯; K.休伯
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers AG
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2033-08-02
Also published as: KR101562703B1; CN103576108A; US20140043029A1; KR20140019757A; US9395427B2; DE102012213995B3

Abstract

为了控制发送/接收阵列以用于在发送情况下退耦，本发明涉及一种用于在磁共振断层造影的情况下电磁地激励检查对象的系统以及一种具有按照本发明的系统的磁共振断层造影设备。所述系统具有用于产生高频信号的HF装置和用于发射高频信号的多个天线。在HF装置的输出端和多个天线之间存在信号连接，其中在天线的接头点处与HF装置的输出端的信号连接的源阻抗明显比在接头点处的天线阻抗更高，从而在施加高频信号的情况下天线以电流源馈电模式馈电。

Description

控制发送/接收阵列以用于在发送情况下退耦

技术领域

本发明涉及一种用于在磁共振断层造影的情况下电磁地激励检查对象的系统，具有用于产生高频信号的HF装置和用于发射高频信号的多个天线，以及一种具有按照本发明的用于激励的系统的磁共振断层造影设备。

背景技术

常规的磁共振断层造影设备通常具有用于产生静态磁场的磁体，以及用于在所有三个空间轴上产生可变的磁梯度场的梯度场线圈，该磁梯度场可以与静态磁场叠加。通过用于产生以脉冲形式的HF激励信号的HF装置以及用于向磁场中的、样本位于其中的体积中发射该脉冲的天线来激励在该磁场中对齐的氢核。通过HF响应信号确定在样本中的氢核的密度和环境条件，氢核基于其在磁场中的进动发送该HF响应信号作为对激励脉冲的响应。HF响应信号由天线捕获并且在HF装置中整理。发送天线以及接收天线通常都是所谓的身体线圈（BodyCoils），其围绕具有样本的体积。

为了在仅部分地填满样本体积的小的检查对象的情况下，特别是在检查四肢或头部时提高接收灵敏度，例如由专利文件US4825162公开了，直接在检查对象上布置多个接收线圈。重叠地布置接收线圈，使得在所选择的线圈中相邻线圈的信号恰好抵消。这些信号彼此“正交”并且可以对于分别位于其下面的检查对象体积彼此独立地处理。为了相隔一个而相邻的线圈的退耦，设置具有低阻抗的输入端的前置放大器。

此外，由专利公开文件WO2008/078239A1和WO2011/054923A1公开了，通过特别是几何布置和在线圈上的突起（Fortsatz）（所述突起在侧面从线圈突出并且分别与再下一个线圈的突起重叠），也可以抑制与分别再下一个线圈的相互作用。在此，该抑制对于使用线圈作为用于激励信号的发送天线也是有效的。

相应的布置分别对于特定几何特征，例如对于平的布置，抑制了相邻线圈之间的相互作用。但也部分地也需要空间上围绕检查对象，例如膝部布置线圈。此外，检查对象也通过其介电特征的和磁特征来影响电场分布和磁场分布，从而来自于相邻线圈的信号的抑制不完全地进行。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种磁共振断层造影设备，其对于不同的几何布置也可以减小由于相邻线圈或天线的信号的干扰。

上述技术问题通过用于电磁地激励的系统以及具有按照本发明用于电磁地激励的系统的磁共振断层造影设备来解决。

按照本发明的用于在磁共振断层造影的情况下电磁地激励检查对象的系统具有用于产生高频信号的HF装置和用于发射高频信号的多个天线。此外，按照本发明的系统具有在HF装置的输出端和多个天线之间的信号连接，其中在天线的接头点处与HF装置的输出端的信号连接线的源阻抗明显比在接头点处的天线的阻抗更高，从而在施加高频信号的情况下以电流源馈电模式对天线馈电。

按照本发明的用于电磁地激励的系统具有一系列优点。按照本发明的在接头点处天线的和信号输送线的阻抗失配导致了天线以电流源馈电模式运行。在该模式下，流过天线的电流基本上通过由电流源提供的电流来确定。在天线中的电流因此基本上不取决于由在接头点处的信号导线提供的电压。由此特别地，流过天线的电流基本上也不取决于在天线中感应的相反的电压，该电压例如可以源于与相邻天线的相互作用。如果流过天线的电流又是独立的，则例如在作为天线的线圈中所产生的磁的和电的交变场基本上不取决于相邻天线。

在电流馈电模式中的天线的耦合相应于以强耦合强制产生出的振荡，从而振荡基本上通过由HF装置耦合的振荡来确定并且几乎不受其它天线的影响。在天线中振荡的相位依赖关系和振幅依赖关系也仅以小程度由天线本身的共振频率确定，从而在天线的场中例如温度或介质的影响很小。在此通常将HF装置的输出端设计为，可选地也向需要高输入功率的身体线圈提供输出信号。由此在与身体线圈相比小的天线的失配的情况下也可以确保提供足够的功率来激励样本。

在一种实施方式中，在天线的接头点处与HF装置的输出端的信号连接的源阻抗比在接头点处的天线阻抗高至少两倍。

优选地，这样的关系导致相邻天线的干扰影响减小了一半。

在一种实施方式中，HF装置具有用于处理接收信号的输入端以及系统具有在HF装置的输入端与多个天线之间的开关和信号连接。在此，开关设计为，天线可选地与HF装置的输出端连接。

通过开关既可以以有利的方式将天线与HF装置的输出端连接，以便向天线提供HF信号来激励样本，也可以通过开关将天线与HF装置的输出端分离，以便接收样本的信号作为对激励的响应。通过这种方式确保了所接收的信号优选地源于激励的体积，从而也可以并行地运行多个线圈。由于发送天线和接收天线靠近样本，灵敏度也最大。

在一种实施方式中，在天线的接头点处与HF装置的输入端的信号连接的接头阻抗明显比在接头点处的天线阻抗更高。

在一种实施方式中，在天线的接头点处与HF装置的输入端的信号连接的接头阻抗比在接头点处的天线阻抗高至少两倍。

通过这种方式优选地，在发送时可以将天线与HF装置的输入端连接，而天线无需吸取极大的发送功率。

在一种实施方式中，系统具有HF控制矩阵，其被设计为，将高频信号从HF装置的输出端到天线的接头点以预定的阻抗并且对于每个天线分别以预定的相移分配。

借助在接头点处的预定的阻抗可以为每个天线设置预定的阻抗系数并且由此以有利的方式按照本发明减小了在天线之间的串扰。

在一种实施方式中，这样设计天线的布置和预定的相移，使得天线产生圆偏振的电磁交变场。

由此优选地，可以分别由HF装置向各个天线提供预定相位的HF脉冲，由此通过各个天线的电磁交变场之和可以产生例如具有圆偏振的结果的电磁交变场，其对于产生核自旋是特别合适的。

在优选的实施方式中，天线是天线线圈。线圈通过短接的结构形式而对于电增压（Aufladungen）是不灵敏的，并且也不形成会导致患者危险的电场峰。放置在样本上的天线线圈的优选的发射方向垂直于（在几乎位于平面中的平的线圈中的）天线线圈的平面对准样本并且由此优选地激励样本中的体积。在并排布置的天线线圈中，样本的各个激励的区域分散，即在该区域中天线线圈关于采样的区域彼此“正交”，其中正交在此不是理解为几何意义上的，而是理解为信号处理意义上的。

在一种实施方式中，这样重叠天线线圈的平面，使得两个相邻平面的相互作用最小。通过这种方式已经可以通过天线线圈的布置实现，并排布置的天线线圈尽可能小的影响，并且能够并行地分析并排布置的天线线圈的信号，而不会在断层造影中产生伪影。

附图说明

本发明的上述特性、特征和优点及其实现的方式结合下面对结合附图详细说明的实施例的描述可以清楚且明显地理解。附图中：

图1示出了按照本发明的磁共振断层造影设备的示意图；

图2示出了按照本发明的用于电磁激励的系统的示意图；

图3示出了单个天线的等效电路图；

图4示出了单个天线的由外部感应的干扰的等效电路图；

图5示出了在线圈之间的串扰衰减与失配的依赖关系的线图；

图6示出了对于不同的匹配关系在线圈中的电流的频率响应和相位响应的线图；和

图7示出了由按照本发明的用于激励的系统的电路形成的片段。

具体实施方式

图1单独示出了按照本发明的磁共振断层造影设备1的示意图。磁共振断层造影设备1包括磁体装置10和供电装置20。

磁体装置10具有用于产生静态磁场的超导磁体11。磁体装置10还具有用于在所有三个空间方向上产生可变的磁场梯度的梯度线圈12。此外，在磁体装置10中通常布置身体线圈13，其用于在由超导磁体11包围的体积中产生电磁交变场。通常地，身体线圈13也用于，借助由其产生的电磁交变场在所包围的体积中测量通过电磁交变场激励的磁共振。

但是也可以考虑，不使用超导磁体11而使用永久磁铁或正常导电的电磁铁来产生静态磁场。如下面还要说明的，也可以通过其它的天线来替代身体线圈13。

此外，按照本发明的磁共振断层造影设备1具有天线15，其在所述优选的实施方式中被构造为天线线圈15，可以将该天线线圈15直接布置在处于所包围的体积中的患者14上。例如可以将天线线圈15布置在身体部位、诸如膝部上。当要以高的分辨率来检查患者的仅一个小的部位时，这一点是特别具有优势的。天线线圈15然后接管身体线圈13的功能作为激励的交变场的接收天线或也作为激励的电磁交变场的发送天线。在此，既作为发送天线又作为接收天线的天线线圈15的作用限制到与由身体线圈13激励的体积相比的小的体积，该小的体积由天线线圈15的几何特征预先给定。例如如果天线线圈15具有平面的、圆形的或正方形的形状，则该激励体积或接收体积基本上是垂直地从平面线圈延伸到空间的瓣形状（Keulenform）。通过这种方式在测量时不采集在该激励体积或接收体积外部的、静态磁场的空间不均匀性并且不影响结果。通过这种方式可以改善分辨率。

此外，瓣（Keulen）不覆盖或仅稍微覆盖单个天线线圈15。单个天线线圈15因此可以同时接收或发送用于不同的体积的信号。甚至可以改变在单个天线线圈15中的激励频率，以便例如均衡静态磁场的空间不均匀性。为了进一步降低天线线圈15的相互影响，也可以考虑如图2表示的那样，可以将天线线圈15部分地重叠。因为在由天线线圈15围绕的面积中的天线线圈15的磁场恰好与在线圈侧面空间中的散射场的场方向相反并且明显更强，由此在正确地选择几何特征的情况下两个天线线圈15的小的重叠区域恰好能够补偿由于外部散射场的相互作用。另一种按照本发明的用于通过电路技术措施来降低的可能性结合图3至图7进一步解释。

图2示出了按照本发明的用于电磁激励检查对象的系统的示意图。所述系统包括天线线圈15和HF装置30。HF装置30通常是供电装置20的部件，该供电装置20还包括用于控制梯度线圈的梯度控制器21以及用于监视检查和采集测量数据的控制器40。

HF装置30具有脉冲发生器31，该脉冲发生器在HF输出端32提供对于激励磁共振合适的高频脉冲。由于HF装置30的脉冲发生器31在HF输出端32通常设计为向身体线圈13提供HF脉冲，因此在HF输出端32提供的HF功率对于较小的天线线圈15来说超出所需，从而通过下面讨论的在HF输出端32和天线线圈15之间有针对性的失配引起的功率损耗对于天线线圈15不具有不利的效果。

高频脉冲经由HF控制矩阵36并且经由开关35传导到天线线圈15。开关35、HF控制矩阵36以及其它电连接元件，诸如同轴电缆37、38，建立了在HF装置30和天线线圈15之间的信号连接。在此在优选的实施方式中，开关35在发送用于激励的高频脉冲期间实现在HF输出端32和天线线圈15之间的连接，并且在随后的接收阶段期间将HF输出端与天线线圈15分开，以便使微弱的接收信号的衰减最小化。在此可以考虑，在发送高频脉冲的情况下通过开关35将在HF输入端34和天线线圈15之间的信号连接38断开，以便例如保护HF输入端34不受高频脉冲的高的幅值损害。但也可能的是，如图7所示的那样，当HF输入端34以其它措施防止高频脉冲的作用时，在高频脉冲期间允许保持在天线线圈15和HF输入端34之间的信号连接38。在该情况下，由于高频脉冲的高的功率而可以忽略高频脉冲通过HF输入端34的衰减。开关35例如可以机械地或，如图7所示的那样，电子地实施。

HF控制矩阵36的任务是，将高频脉冲分配到多个天线线圈15。在此优选这样进行分配，即这样协调地控制多个天线线圈15，使得由全部天线线圈15产生的电磁交变场圆偏振或具有至少一个圆偏振分量，以便确保最佳的激励。为此例如可以采用巴特勒矩阵（Butler-Matrix）作为HF控制矩阵36。巴特勒矩阵具有对称数量的输入端和输出端。巴特勒矩阵将在输入端馈入的信号分配到输出端，其中在输出端的这些信号分别相对于彼此偏移一个恒定的相移。通过这种方式可以在合适地选择相移和天线线圈15的几何布置，例如布置为圆形或多边形的情况下实现产生的电磁交变场的期望的圆偏振。在此，在巴特勒矩阵的输入端和输出端处的阻抗分别相同。通常地，在HF技术中广泛使用的阻抗为50欧姆。

在此可能的是，为所有天线线圈15共同地提供仅一个开关35。特别地在开关35的电子实施中也可以考虑，如图2所示的那样，对于每个天线线圈15分开地实施开关35的功能。该开关可以直接设置在天线线圈15的各个接头点16处。还可以考虑，设置多个接收单元33，以便能够同时处理多个天线线圈15的接收信号。

按照本发明的用于电磁激励的系统能够通过电路技术措施来降低在不同天线线圈15之间的相互作用以及由此的不期望的串扰。这在以下结合图3指6进行解释。

图3示出了按照本发明的系统的简化等效电路图。在左侧，天线线圈15通过电容C_A、电阻R_A和电感L_A反映。对于随后的分析，假定线圈L_A＝i*1、电阻R_A＝1和电容C_A＝-i*1的标准化的复数的交流电阻，由此下面仅取决于与在右侧的源的值的比例。其例如可以是标准化到50欧姆的典型的天线阻抗和源阻抗的值。源在图3中通过具有电压U_Q和复数的源电阻Z_Q的电压源表示。

在天线线圈15的共振频率的情况下标准化的电流是：

I = \frac{U_{Q}}{Z_{Q} + 1}

对于z_Q0＝1并且U_Q0＝1，即以匹配的源进行馈电的情况，对于标准化的电流成立I₀＝1/2。

但也可以考虑，源具有较高的阻抗，其通过无损耗的变换（变压地或反应性地）实现，其中n是变换系数并且得出

U_Q=n以及Z_Q=n²*Z_Q0=n²

在天线线圈15中的电流依据变换系数n确定，在此为

I (n) = \frac{n}{n^{2} + 1}

因此，在天线线圈中的电流随着变换系数的升高而降低。在以匹配的源进行馈电的情况下与电流的比例在该情况中是：

v = \frac{I}{I_{0}} = \frac{2 n}{n^{2} + 1}

图4示出了图3的具有附加的由外部感应的干扰U_S的电路。为了简化，将初始源的幅值U_Q置为0，但这对于下面的观察没有影响。电流I_S如下地计算：

I_{S} = \frac{U_{S}}{1 + Z_{Q}} = \frac{U_{S}}{1 + n^{2}}

对于通过匹配的源进行的馈电（例如以50欧姆给出，ZQ＝1），干扰电流为：

I_{S 0} = \frac{U_{S}}{2}

一般地，对于以较高的源阻抗ZQ进行的馈电，得出干扰电流抑制d为：

d = \frac{I_{S}}{I_{S 0}} = \frac{2}{1 + n^{2}}

因此，通过源阻抗的变换可以实现在天线线圈中电流对外部耦合的以因数d降低了的灵敏度。图5以对数图示出了v、d和d/v与n的依赖关系。干扰电流抑制比场产生的电流的下降明显更强地随着源阻抗上升。此外，电流的相位响应也是重要的。通过温度变化以及与之相连的几何变化或天线线圈15的由于场中介质的负载，共振频率和相位改变。在此值得期望的是，该改变的影响尽可能小。图6在上部线图中示出了在y轴上的标准化电流v的大小与在x轴上的标准化频率的依赖关系。在此可以识别，随着变换系数n的增加，标准化电流的大小更加不灵敏地对共振频率的变化作出反应。同样适用于相位，其在图6的下部线图中示出。描绘了在y轴上的标准化电流v的相位与在x轴上的标准化频率的依赖关系。在此也可以识别，相位的依赖关系随着变换系数n的增加而减小。

图7示出了阻抗变换和开关35的可能的电路技术实现。高频脉冲由HF输出端32馈入到电路。通过电感L₁和C₁对于馈入的高频振荡进行阻抗变换。在示例性的电路中在HF输出端处以50欧姆的阻抗的馈入。电感L₁在此具有90nH的值，电容C₁具有22pF的值。

在发送高频脉冲来激励样本的情况下，经由PIN开关二极管D₁向天线线圈的接头点16传输高频能量，该天线线圈利用第二极与接地地线相连。

在高频脉冲之间经由接头点16传输由天线线圈15接收的信号。在接收信号到达接收单元33的前置放大器的HF输入端34之前，通过电感L₂和C₂进行按照本发明的阻抗变换。在此在所示的示例性的实施方式中，电容C₂具有27pF的值并且电感具有56nH的值。

对于期望的阻抗变换取决于期望的变换系数，即输入端34、输出端32和天线线圈15的阻抗，但也可以考虑电容C₁、C₂和电感L₁、L₂的其它值组合，其实现了线圈退耦的期望效果。

在电路的接收模式和激励模式之间的切换借助PIN二极管D₁和D₂进行，其在示例性的实施方式中是Temex公司的DH80120型。所述切换受开关信号控制地进行，该开关信号在开关输入端39以相对于地线的电势参考（Potentialbezug）来传输并且经由电路中的另外的电感L₃、L₂被分配到二极管。通过相同的方式经由其他电感L₄和L₅建立控制信号的低频的接地参考。

电感L₃、L₄和L₅通过其视在电阻妨止在二极管处的HF信号向地线导出或导出到控制电压的电势。L₃、L₄和L₅的示例性的电感值为3μH。PIN二极管D₁、D₂依据施加的电压改变其截止层电容及其用于高频信号的视在电阻，由此实现期望的开关效果。

虽然在细节上通过优选的实施例详细解释和描述了本发明，但本发明不受所公开的示例的限制，并且可以由专业人员从中导出其它方案，而不脱离本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于在磁共振断层造影的情况下电磁地激励检查对象的系统，其中所述系统具有：

HF装置(30)，其用于产生高频信号；

多个天线(15)，其用于发射所述高频信号；

在HF装置的输出端(32)和多个天线(15)之间的信号连接(35，36，37)，

其中在天线(15)的接头点(16)处与HF装置的输出端(32)的信号连接(35，36，37)的源阻抗明显比在接头点(16)处的天线(15)的阻抗更高，从而在施加高频信号的情况下所述天线(15)以电流源馈电模式馈电。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，在天线(15)的接头点(16)处与HF装置的输出端(32)的信号连接(35，36，37)的源阻抗比在接头点(16)处的天线(15)的阻抗高至少两倍。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述HF装置(30)具有用于处理接收信号的输入端(34)以及所述系统具有在HF装置(30)的输入端(34)与多个天线(15)之间的开关(35)和信号连接(38)，其中所述开关(35)设计为，所述天线(15)可选地与所述HF装置的输出端(32)连接或与所述输出端(32)分离。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，在天线(15)的接头点(16)处与HF装置(30)的输入端(34)的信号连接(38)的接头阻抗明显比在接头点(16)处的天线阻抗更高。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，在天线(15)的接头点(16)处与HF装置(30)的输入端(34)的信号连接(38)的接头阻抗比在接头点(16)处的天线(15)的阻抗高至少两倍。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述系统具有HF控制矩阵(36)，其中所述HF控制矩阵(36)被设计为，将高频信号从HF装置(30)的输出端(32)到天线(15)的接头点(16)以预定的阻抗分配并且对于每个天线(15)分别以预定的相移分配。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，这样设计天线(15)的布置和预定的相移，使得所述天线(15)产生圆偏振的电磁交变场。

8.根据上述权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述天线(15)是天线线圈(15)。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，这样重叠天线线圈(15)的平面，使得两个相邻平面的相互作用最小。

10.一种具有按照上述权利要求中任一项所述的系统的磁共振断层造影设备。