CN104215828B - 射频线缆检测回路、磁共振射频安全监控系统及其控制方法 - Google Patents

射频线缆检测回路、磁共振射频安全监控系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种射频线缆检测回路、磁共振射频安全监控系统及其控制方法，所述磁共振射频安全监控系统包括接收机和发射线圈，所述发射线圈前设有功率耦合器，所述接收机通过射频线缆和功率耦合器相连，其中，还包括用于校正的信号源S、切换开关以及短路直连线，当所述信号源S通过切换开关和短路直连线相连时，所述信号源S、射频线缆和接收机形成闭合检测回路。本发明提供的射频线缆检测回路、磁共振射频安全监控系统及其控制方法，根据场地实际情况实时测量射频线缆损耗，并利用实测的射频线缆损耗计算控制患者吸收的射频功率和特别吸收率，从而大大简化场地布线，并提高磁共振射频安全监控算法的准确性。

Description

射频线缆检测回路、磁共振射频安全监控系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种射频安全监控系统及其控制方法，尤其涉及一种射频线缆检测回路、磁共振射频安全监控系统及其控制方法。
背景技术
医学磁系统由静态磁场B0、梯度场和射频场b1共同作用下对患者待检部位进行成像，然而在射频场b1的照射下，患者会产生SAR（Specific Absorption Rate特别吸收率），当前快速成像和高场磁共振要求发射的射频功率越来越大，导致患者要承受更多的电磁辐射，为了遵循IEC60601的要求保证患者的安全，磁共振系统需要设置一个SAR安全监控系统，实时监控患者身上吸收的SAR，该SAR监视器需要有十分高的精度，保证系统计算的SAR值是准确的。
图1为磁共振射频安全监控系统框架结构示意图，请参见图1所示，磁共振系统一般分设备间、扫描间和操作间三个房间，其中操作间是医生操作系统的房间，扫描间是对患者进行扫描的房间，一般扫描间里面放置有磁体系统，梯度系统，射频发射/接收线圈等部件，为了监控从发射线圈6照射到患者身上的射频功率大小，发射线圈6前会放有功率耦合器5，把前向和反向的射频功率耦合一小部分出来，传输到系统接收机3进行采样，计算患者吸收的射频功率大小，系统根据患者吸收的功率的大小和患者的体重计算SAR，实时监控SAR不超过标准要求，保证患者安全。磁共振的设备间里一般放置有大功率部件，如射频功率放大器2，接收磁共振信号的接收机及相关的控制数据处理系统等。从功率耦合器5耦合出来的信号经过很长的射频线缆8传输到接收机3，为了配合各医院的场地布置，要求该线缆的长度可变，对于设备间和扫描间距离很近的场地，要求该线缆较短，而设备间和扫描间的距离较远时，该线缆需要较长。然而对于耦合到的射频信号经过不同长度的射频线缆8衰减后得到的值是不一样的，该衰减后的信号经过放大计算，还原射频功率的值，如果线缆的衰减值不对，则对计算结果有很大的影响。常规的做法是固定从功率耦合器5到接收机3的线缆长度不变，不管场地的大小和距离，始终使用较长的射频线缆8，这样做能保证功率检测的准确性，却牺牲了场地布置的灵活性，经常需要在场地把长的射频线缆8盘绕固定，一来提高了该线缆的成本，二来不方便场地布置，三是线缆过长可能引起电磁兼容问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种射频线缆检测回路、磁共振射频安全监控系统及其控制方法，能够简化场地布线，并提高磁共振射频安全监控的准确性。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种射频线缆检测回路，包括用于校正的信号源S、切换开关以及短路直连线，所述信号源S和短路直连线的一端相连，所述短路直连线的另一端通过切换开关和射频线缆相连形成闭合检测回路。
本发明为解决上述技术问题还提供一种磁共振射频安全监控系统，包括接收机和发射线圈，所述发射线圈前设有功率耦合器，所述接收机通过射频线缆和功率耦合器相连，其中，还包括上述射频线缆检测回路，当所述信号源S通过切换开关和短路直连线相连时，所述信号源S、射频线缆和接收机形成闭合检测回路。
上述的磁共振射频安全监控系统，其中，所述短路直连线设置在功率耦合器内，所述短路直连线的一端设有切换开关S2，另一端设有切换开关S3。
上述的磁共振射频安全监控系统，其中，所述信号源S设置在接收机内，所述接收机设有多路信号输入端，每路信号输入端通过一根射频线缆和功率耦合器的信号输出端相连，所述信号源S通过切换开关S1和其中一路信号输入端共同连接在一根射频线缆上。
上述的磁共振射频安全监控系统，其中，所述信号源S设置在功率耦合器内并通过短线缆或者PCB走线和短路直连线相连。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种上述磁共振射频安全监控系统的控制方法，包括如下步骤：a)校正信号时，所述切换开关和信号源S、短路直连线相连，使得信号源S、射频线缆和接收机的信号输入端形成闭合检测回路；b)计算每根射频线缆的实际损耗Loss；c)安全监控时，所述切换开关和接收机的信号输入端、功率耦合器的信号输出端相连获取前向耦合功率PF和反向耦合功率PR；d)根据射频线缆的实际损耗Loss、前向耦合功率PF和反向耦合功率PR，实时计算患者吸收的射频功率Power，并控制患者的特别吸收率SAR在预设范围之内。
上述的磁共振射频安全监控系统的控制方法，其中，所述射频功率Power计算如下：
Power=0.001*10^((PF+Loss+X)/10)-0.001*10^((PR+Loss+X)/10)-CoilPowerloss；
所述患者的特别吸收率SAR计算如下：SAR=Power/mass；
其中，X为功率耦合器的耦合度，CoilPowerloss为发射线圈损耗，mass为患者体重。
上述的磁共振射频安全监控系统的控制方法，其中，所述信号源S设置在接收机内，所述接收机设有多路信号输入端，每路信号输入端通过一根射频线缆和功率耦合器的信号输出端相连，所述信号源S通过切换开关S1和其中一路信号输入端共同连接在一根射频线缆上，每根射频线缆的实际损耗Loss计算如下：
Loss=（REF-PS-3*SwLoss）/2，其中，REF为校正信号时，所述接收机和切换开关S1相连的信号输入端接收到的功率电平，PS为信号源S的功率电平，SwLoss为切换开关的损耗。
上述的磁共振射频安全监控系统的控制方法，其中，所述信号源S设置在功率耦合器内并通过短线缆或者PCB走线和短路直连线相连，每根射频线缆的实际损耗Loss计算如下：
Loss=（REF-PS-SwLoss），其中，REF为校正信号时，所述接收机和切换开关相连的信号输入端接收到的功率电平，PS为信号源S的功率电平，SwLoss为切换开关的损耗。
上述的磁共振射频安全监控系统的控制方法，其中，所述信号源S为低频振荡源，所述低频振荡源前设有门电路限幅电路，每根射频线缆在安全监控时的实际损耗Loss为校正测量得到损耗的1/K，K为在两个不同频率w0和w_cal下测得的衰减值比值，其中，w0为用于SAR计算的射频信号的频率，w_cal为用于校准的信号源S的频率。
上述的磁共振射频安全监控系统的控制方法，其中，所述信号源S为直流电压恒流源，每根射频线缆的实际损耗Loss计算如下：Loss=Loss0*(U/(I*R))，其中，I为电流强度，U为直流电压恒流源通过射频线缆后的电压降，R为射频线缆在直流电压恒流源下的单位损耗。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的射频线缆检测回路、磁共振射频安全监控系统及其控制方法，通过信号源S、切换开关以及短路直连线形成闭合检测回路，根据场地实际情况实时测量射频线缆损耗，并利用实测的射频线缆损耗计算控制患者吸收的射频功率和特别吸收率，从而大大简化场地布线，并提高磁共振射频安全监控算法的准确性。
附图说明
图1为磁共振射频安全监控系统框架结构示意图；
图2为本发明的磁共振射频安全监控系统中校正信号源分布连接示意图；
图3为本发明的磁共振射频安全监控系统中校正信号源另一种分布连接示意图。
图中：
1 上位机 2 射频功率放大器 3 接收机
4 功分器 5 功率耦合器 6 发射线圈
7 接收线圈阵列 8 射频线缆 9 短路直连线
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图2为本发明的磁共振射频安全监控系统中校正信号源分布连接示意图。
请参见图1和图2，本发明提供的射频线缆检测回路，包括用于校正的信号源S、切换开关以及短路直连线9，所述信号源S和短路直连线9的一端相连，所述短路直连线9的另一端通过切换开关和射频线缆8相连形成闭合检测回路。
本发明提供的磁共振射频安全监控系统包括接收机3和发射线圈6，所述发射线圈6前设有功率耦合器5，所述接收机3通过射频线缆8和功率耦合器5相连，其中，还包括上述射频线缆检测回路，当所述信号源S通过切换开关和短路直连线9相连时，所述信号源S、射频线缆8和接收机3形成闭合检测回路。
本发明提供的磁共振射频安全监控系统，所述信号源S一般可设置在接收机3内，所述接收机3设有多路信号输入端，每路信号输入端通过一根射频线缆8和功率耦合器5的信号输出端相连，所述信号源S通过切换开关S1和其中一路信号输入端共同连接在一根射频线缆8上。所述短路直连线9可设置在功率耦合器5内，所述短路直连线9的一端可通过切换开关S2和射频线缆8相连，另一端则可通过切换开关S3和射频线缆8相连。
现有射频线缆实际损耗值对计算SAR的影响如下：在磁共振系统中，射频信号通过射频功率放大器2后经过功分器4分配，分别经过功率耦合器5后馈入发射线圈6，射频功率通过发射线圈6在患者身上产生SAR，SAR的大小和患者吸收的功率Power有关，SAR=Power/mass，其中mass为患者的体重。功率大小一般通过功率耦合器5及接收机3检测，对于两通道系统，一般功率耦合器耦合出4路信号，分别为第一前向通道、第一反向通道、第二前向通道和第二反向通道。如图2所示，F_1，F_2，R_1，R_2分别为第一前向通道，第二前向通道，第一反向通道，第二反向通道耦合到的功率，假设功率耦合器的耦合度为X（dB），射频线缆的衰减为Loss（dB），接收机检测到的第一前向通道电压为U_F_1（V），第一反向通道电压为U_R_1（V），第二前向通道电压U_F_2（V），第二反向通道电压U_R_2（V），则在接收机端的前向功率为PF=10log((U_F_1^2/Z0)+(U_F_2^2/Z0)/0.001)(dBm)，反向功率为PR=10log((U_R_1^2/Z0)+(U_R_2^2/Z0)/0.001)(dBm)，其中Z0为系统的特性阻抗。根据前向功率PF和反向功率PR，考虑射频线缆的衰减Loss(dB)和功率耦合器的耦合度X(dB)可以计算得功率耦合器端的前向功率为PF+Loss+X和反向功率PR+Loss+X，再根据发射线圈的损耗CoilPowerloss可以计算出患者吸收的功率Power=0.001*10^((PF+Loss+X)/10)-0.001*10^((PR+Loss+X)/10)-CoilPowerloss以及SAR=Power/mass。可见在这个患者吸收功率监控系统中，射频线缆的损耗会影响到最终计算的SAR值。
本发明测量出使用的射频线缆的实际衰减值，如图2所示，本发明的工作过程及控制方法如下：正常进行安全监控时S1连接到ADC1端，S2和S3分别连接到F_1和F_2，校准时通过切换开关S1到放置在接收机内部的信号源S（该信号源已经在出厂前校准好发射的功率电平，用于作为测量实际衰减的参考，假设本实施例中S=0dBm），切换S2和S3到短路直连线9，这样信号源S发射的射频功率通过两根等长的射频线缆8回到接收机的信号输入端ADC2，设此时ADC2接收到的功率电平为REF（dBm），通过计算得到每根射频线缆8的衰减值为Loss=（REF-PS-3*Sw）/2，PS为信号源S的功率电平，Sw为切换开关的损耗，通过该校准方法，可以测量到用于射频监控的射频线缆8的实际损耗，提供给SAR的计算使用，保证安全监控的精度，该校准方法可以在系统安装完成后一次完成并在系统中记录Loss，也可以在每次更换射频线缆时重新校准，即使线路的长度或者损耗值发生变化，也能保证更换线缆后的射频监控精度。通过此校准方法，根据不同的场地配置情况，安全监控计算软件会调用不同的射频线缆损耗值，正确的计算SAR，从而保证患者的安全。
本发明提供的磁共振射频安全监控系统，用于校准的信号源S可以放在其他地方，可以不在接收机3内，如集成在磁共振发射机内部，由发射机通过开关切换为校准信号，或者集成在其他电子部件内部，只要已知其传输到功率耦合器路径的衰减（如固定长度的线缆），比如信号源S到功率耦合器的线缆长度和图2中的射频线缆使用相同的长度，或者提前在出厂前校准好信号源传输到功率耦合器端的信号幅度，即可根据上述计算方法计算准确的功率值，不局限于图2的硬件连接图。
图3为本发明的磁共振射频安全监控系统中校正信号源另一种分布连接示意图。请参见图3，所述信号源S设置在功率耦合器5内并通过短线缆或者PCB走线和短路直连线9相连，其好处在于可以把校准信号源S与功率耦合器5集成在同一个电路模块里，增强可靠性。此时，测得的每根射频线缆的衰减值为Loss=（REF-PS-Sw）。
校准信号源S不一定使用和系统相同的射频频率，为了实现方便，校准信号可以是低频信号，一般来说低频信号更容易实现，如在功率耦合器5电路里增加低频振荡源，经过门电路限幅保证校准电平，如果使用低频信号，则低频信号的线缆衰减和高频信号的线缆衰减存在换算关系，设用于SAR计算的射频信号的频率为w0，校准信号源的频率为w_cal，并测量得到在w_cal频率下的射频线缆的衰减为其在w0频率下的k倍，则可以根据校准频率下的测量衰减乘以k得到用于计算SAR值的衰减Loss。K为射频线缆在两个不同的频率w0和w_cal下测得的的衰减的比值。
此外，校准信号源S可使用直流电压（恒流源，假设电流为I），通过电压降U（V）和已知射频线缆在直流的单位损耗R（ohm/m）和射频线缆在该频率下的单位损耗Loss0也可以计算出用于监控的射频线缆的射频总衰减Loss：
Loss=Loss0*(U/(I*R))。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.一种磁共振射频安全监控系统，包括接收机(3)和发射线圈(6)，所述发射线圈(6)前设有功率耦合器(5)，所述接收机(3)通过射频线缆(8)和功率耦合器(5)相连，其特征在于，还包括射频线缆检测回路，包括用于校正的信号源S、多个切换开关以及短路直连线(9)，所述信号源S和短路直连线(9)的一端相连，所述短路直连线(9)的另一端通过多个切换开关和射频线缆(8)相连形成闭合检测回路，当所述信号源S通过多个切换开关和短路直连线(9)相连时，所述信号源S、射频线缆(8)和接收机(3)形成闭合检测回路。
2.如权利要求1所述的磁共振射频安全监控系统，其特征在于，所述短路直连线(9)设置在功率耦合器(5)内，所述短路直连线(9)的一端通过多个切换开关中的第二切换开关S2和射频线缆(8)相连，另一端通过多个切换开关中的第三切换开关S3和射频线缆(8)相连。
3.如权利要求2所述的磁共振射频安全监控系统，其特征在于，所述信号源S设置在接收机(3)内，所述接收机(3)设有多路信号输入端，每路信号输入端通过一根射频线缆(8)和功率耦合器(5)的信号输出端相连，所述信号源S通过多个切换开关中的第一切换开关S1和其中一路信号输入端共同连接在一根射频线缆(8)上。
4.如权利要求2所述的磁共振射频安全监控系统，其特征在于，所述信号源S设置在功率耦合器(5)内并通过短线缆或者PCB走线和短路直连线(9)相连。
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