CN104303069B - 用于向磁共振线圈系统的多个线圈元件提供射频信号的馈送电路装置 - Google Patents

用于向磁共振线圈系统的多个线圈元件提供射频信号的馈送电路装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于向磁共振线圈系统(12)的多个线圈元件(14)提供射频信号的馈送电路装置(18)，其中，所述电路装置(18)包括用于连接射频信号源(16)的主线(20)；多条馈送线(22)，每条馈送线(22)用于连接所述线圈系统(12)的对应线圈元件(14)；功率分配器(24)，其被布置在所述主线(20)和所述多条馈送线(22)之间以用于将所述主线(20)上的信号分布到所述馈送线(22)中的每条，其中，所述馈送线(22)中的至少一条包括具有用于连接/断开所述馈送线(22)的两条最终的线路段(30、32)的切换元件(28)的可控切换电路(26)，第一线路段(30)在所述分配器侧上并且第二线路段(32)在能连接到所述线圈元件(14)的所述侧上，并且其中，所述切换电路(26)还包括用于所述第一线路段(30)的线端接的至少一个可连接终端元件(44)，或者所述主线(20)包括与终端单元(62)互连的环行器设备(60)。本发明还涉及一种对应的并行收发器系统(10)。

Description

用于向磁共振线圈系统的多个线圈元件提供射频信号的馈送 电路装置
技术领域
本发明涉及用于向磁共振(MR)线圈系统的多个线圈元件提供射频(RF)信号的馈送电路装置的领域。本发明还涉及针对磁共振系统的对应的并行发射器系统，特别是针对磁共振系统的并行收发器系统，并且涉及一种用于切换并行发射器系统的线圈元件的方法。
背景技术
多元件射频(RF)线圈系统正变成高场磁共振(MR)系统的中心部件，以便于降低SAR并且提高B1均一性。由于局部并行收发器(TX)系统具有降低系统成本的潜力，所以在较低场强中局部并行收发器(TX)系统正吸引显著的兴趣。
特别在具有由一个RF信号源提供的多个线圈元件的MR线圈系统中，更多地使用系统的线圈元件而不是系统的发送通道存在明显的发展。这意味着若干线圈元件由一个发送通道经由馈送电路装置同时馈送，所述馈送电路装置包括功率分配器(具有或不具有移相器的分离器、混合耦合器……)和多条馈送线。可以以这种方式来设定一个TX通道的线圈元件之间的固定的幅值关系和相位关系。该原理还可以用在单个TX通道系统(如1.5特斯拉系统)中以为TX线圈阵列馈送。
专利说明US 7633293 B2示出了具有RF信号源的非常复杂的并行收发器系统、具有多个线圈元件的磁共振线圈系统以及包括多条馈送线的馈送电路，其中，用于馈送对应的线圈元件的每条馈送线都包括针对每个线圈元件的高功率放大器和收发切换设备。该收发切换设备运行以在针对所述线圈元件中的每个的发送电路和接收电路之间切换。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于向磁共振线圈系统的多个线圈提供射频信号的简单但动态可切换的馈送电路装置，以及一种针对具有磁共振线圈系统的磁共振系统的并行收发器系统，其中，所述磁共振线圈系统包括多个线圈元件。
该目标由根据本发明一方面所述的馈送电路装置和根据本发明另一方面所述的并行收发器系统来实现。
根据本发明的馈送电路装置包括：(i)用于连接射频信号源的主线；(ii)多条馈送线，每条馈送线用于连接所述线圈系统的对应线圈元件；(iii)功率分配器，其被布置在所述主线和所述多条馈送线之间以用于将所述主线上的信号分布到所述馈送线中的每条。
所述馈送线中的至少一条包括具有用于连接/断开所述馈送线的两条最终的(resulting)线路段的切换元件的可控切换电路，第一线路段在所述分配器侧上并且第二线路段在能连接到所述线圈元件的所述侧上。所述切换电路还包括用于所述第一线路段的线端接的至少一个可连接终端，或者所述主线包括与终端单元互连的环行器设备。所述至少一个终端元件或所述终端单元具有用于线端接的预定义的终端电阻(终端阻抗)。所述切换元件能由控制器通过DC偏置电压来控制。优选地，所有馈送线都包括具有各自的切换元件的可控切换电路。所述切换允许对独立的线圈元件的切换而不影响所述功率分配器(或等价设备)的正确的功能。可以以这种方式使所述线圈元件阵列适应实际视场(FoV)，因此降低SAR(SAR：特殊吸收率)和潜在的折叠伪影。所述馈送电路装置使得能够选择性地将单个线圈元件去激活，这引起优化所述发送(TX)场的额外的自由度，甚至对于具有低TX通道计数的系统也是这样。
根据本发明的优选实施例，所述至少一个终端元件或所述终端单元是无源部件。
根据本发明的另一个优选实施例，所述至少一个终端元件与用于将所述终端元件与所述对应的第一线路段相连接的另外的切换元件串联连接。
根据本发明的另一个优选实施例，用于连接到所述功率分配器的所述至少一个(开路)第一线路段的线端接的所述终端元件具有50欧姆或100欧姆的预定义的终端电阻。
根据本发明的又一个优选实施例，用于能连接到所述对应的线圈元件的所述至少一个(开路)第二线路段的线端接的另一个终端元件具有零欧姆或50欧姆或100欧姆或大于10千欧姆的预定义的终端电阻，并且任选地含有四分之一波长元件以便于变换所述终端电阻。
总体上，所述(一个或多个)切换元件可以是适合于RF应用的任何类型的切换元件。根据本发明的优选实施例，所述(一个或多个)切换元件是(一个或多个)PIN二极管和/或所述(一个或多个)另一个切换元件是(一个或多个)PIN二极管。PIN二极管是具有p型半导体区域与n型半导体区域之间的宽的、轻掺杂的“近”本征半导体区域的二极管。所述p型区域和n型区域典型地是重掺杂的，这是因为它们用于欧姆接触。所述宽的本征区域与普通PN二极管形成对比。所述宽的本征区域使得所述PIN二极管适合于用作非常快速的切换。
根据本发明的优选实施例，所述馈送电路装置还包括至少一个收发切换设备。
根据本发明的优选实施例，所述至少一个收发切换设备是独立于所述至少一个切换电路的切换设备。根据本发明的备选的优选实施例，所述主线包括所述一个收发切换设备或者所述馈送线中的每条包括所述收发切换设备中的一个。
根据本发明的另一个优选实施例，所述功率分配器是分离器设备或混合设备或者至少包括分离器单元或混合单元。分离器设备和混合设备是用于将主线的功率分配到多条线中的众所周知的设备。所述功率分配器包括用于使至少一条馈送线的相位偏移的至少一个移相器元件。
根据本发明的又一个优选实施例，所述馈送电路装置的所有电气部件(所述功率分配器的部件、线和终端元件)，除了所述至少一个PIN二极管，都是无源部件。
根据本发明的针对磁共振系统的并行发射器系统，尤其是针对磁共振系统的收发器系统，包括磁共振线圈系统，所述磁共振线圈系统包括多个线圈元件、RF信号源、前述的馈送电路装置、以及具有用于控制所述切换电路的所述切换元件的控制器的控制器系统。
在用于切换根据本发明的并行发射器系统的所述线圈元件的方法中，依据校准数据和/或用户输入借助于所述控制器系统和所述切换元件来执行所述切换。
根据本发明的优选实施例，所述校准数据是所述线圈元件的灵敏度概况的数据和/或所述线圈元件的位置的数据。
根据本发明的另一个优选实施例，所述用户输入是对视场的选择和/或对扫描类型的选择。
本发明还涉及以机器可读或机器可执行的形式编码程序以执行前述方法的数据存储设备。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并且将参考下文描述的实施例对本发明的这些和其他方面进行说明。
在附图中：
图1示出了针对包括馈送电路装置的磁共振系统的并行收发器系统，
图2示出了根据本发明的第一优选实施例的馈送电路装置，
图3示出了根据本发明的第二优选实施例的馈送电路装置，
图4示出了根据本发明的第三优选实施例的馈送电路装置，
图5示出了根据本发明的第四优选实施例的馈送电路装置，
图6示出了根据本发明的第五优选实施例的馈送电路装置，
图7示出了根据本发明的第六优选实施例的馈送电路装置，
图8示出了根据本发明的第七优选实施例的馈送电路装置，
图9示出了根据本发明的第八优选实施例的馈送电路装置，并且
图10示出了针对切换元件的控制器系统的方框图。
具体实施方式
图1示出了针对磁共振系统的并行收发器系统10，其具有包括多个线圈元件14的磁共振线圈系统12、射频(RF)信号源16、以及用于将信号源16的射频信号发送到多个线圈元件14的馈送电路装置18。馈送电路装置18包括多条馈送线22和用于电气连接射频信号源16的主线20，每条馈送线22用于连接线圈系统12的对应线圈元件14。馈送电路装置18还包括被布置在主线20与多条馈送线22之间、用于将来自信号源16(信号生成设备)的信号经由主线20分布到所述馈送线22的功率分配器24。所述馈送线22中的每条包括具有用于连接/断开对应的馈送线22的两条最终的线路段30、32的切换元件28的可控切换电路26。功率分配器24包括分离器设备34和用于使在馈送线22中的每条上发送的信号的相位独立地偏移的多个移相器元件36。收发器系统还包括具有用于控制切换电路26(箭头42)的切换元件28的控制器40的控制器系统38。
存在实现需要的功率分配器24的若干方式，例如分离器设备34、混合设备、Wilkinson分配器、Gysel功率分离器、环形耦合器(rat race coupler)等。这些设备将输入功率分布到若干输出端口。这些输出端口处的相位差是分离器设计(例如90°混合)中固有的或者可以由额外的移相器元件36(例如具有定义的长度的发送线)来实现。还可以将这些分配器24(分离器34)级联以便于增加输出通道的数量。
图2在馈送线22中的一个的范例上以更具体的方式示出了馈送电路装置18，并且特别是切换电路26中的一个。切换电路26包括两个线路段30、32与两个对应的交叉连接电流路径之间的馈送线22中的切换元件28。每条交叉连接电流路径包括具有用于切换元件28的端口处的对应馈送线的两条线路段30、32的线端接的预定义的终端阻抗Z0的终端元件44、46。终端元件44、46中的每个与另外的切换元件48、50串联连接。这些串联连接中的每个将切换元件28的对应端口耦合到参考电位(地52)。另外的切换元件48、50也能由控制器40控制。
图3示出了馈送电路装置18的第二实施例。在该实施例中，两个终端元件44、46由公共的另外的切换元件48来切换。该公共的另外的切换元件48与两个终端元件44、46的并联连接进行串联连接。这些终端元件中的第一终端元件44与第一线路段30相连接，并且第二终端元件46与第二线路段32相连接。
图4示出了馈送电路装置18的第三实施例。在该实施例中，切换元件28由可控PIN二极管54来实现，并且另外的切换元件48也由可控PIN二极管54来实现。部件的布置大体上与图3中所示出的布置相对应。
例如可以采用FET切换器、继电器或优选的PIN二极管54来实现用来将线圈元件去使能的切换元件28。图2和图3中示出了示范性切换装备，并且图4中描绘了应用PIN二极管54的实施例。功率分配器24的输出端口必须由它们的特征阻抗Z0来端接，以便于确保正确的功能。这些电阻器必须能够吸收以其他方式发送到线圈的功率。由于许多分离器设计(Wilkinson、Gysel……)中已经存在有这样的电阻器，所以优选地将切换器和对应的(具有终端阻抗Z0的)终端元件44物理地放置在分配器/分离器24的位置处。
图5示出了馈送电路装置18的第四实施例。图6示出了馈送电路装置18的第五实施例。在这些实施例中，对应的线圈元件14的端口并不由终端元件来端接。如果线圈元件14被去使能，那么在对应的馈送线22处实现开路(图5)或短路(图6)，应用适当的发送线可以将所述开路或短路变换为在线圈元件14自身处的开路。可以以这种方式来抑制去使能的线圈元件14中的感应电流。由提到的切换器来使线圈元件14去使能，则到线圈的连接也能够由Z0来端接。在这种情况下，线圈元件14的电气属性(例如感应电流)保持恒定。
图7示出了馈送电路装置18的第六实施例。在该图中指示了收发(TX/RX)切换设备56的可能的位置。存在三种可能的位置：(i)在主线中，(ii)在对应的馈送线22的第一线路段30中，或者(iii)在对应的馈送线22的第二线路段32中。这种收发切换设备56是独立于至少一个切换电路26的切换设备。
如图7中所描绘的，原则上可以将TX/RX切换设备56放置在分配器24的前面、提到的切换器的前面分配器24的后面、以及还在提到的切换器的后面。后者的位置具有优势，即无论切换状态，RX总是可能的。如果TX/RX切换设备在提到的切换元件的前面，那么对于RX该切换元件必须是闭合的，但是可以通过打开切换设备28来将前置放大器和耦合到其他线圈元件的前置放大器噪声与线圈阵列断开。如果对应的线圈元件14并不对MR信号贡献很多，而是将噪声耦合到其他线圈元件14，那么这样是有利的。如果TX/RX切换设备56被放置在分配器24的前面，则RX信号已经被组合并且不能记录针对每个线圈元件14的独立RX信号。
图8示出了馈送电路装置18的第七实施例。如图8所示，在该实施例中，切换电路26可以被实现为TX/RX切换设备56，这是因为二极管54典型地已经存在并且可以被采用。每条馈送线22包括TX/RX切换设备56。TX/RX切换设备56中的每个包括电流路径，所述电流路径包括具有另外的切换元件48、50的交叉连接电流路径之间的、切换元件28(PIN二极管54)与四分之一波长元件58的串联连接。对应的馈送线22的第二线路段32在切换元件28与四分之一波长元件58之间的节点中分支出来，并且通向对应的线圈元件14。
图9示出了根据本发明的第八实施例的、不具有切换电路26中的终端元件44的馈送电路装置。在这种情况下，主线20包括与终端单元62互连的环行器设备60。环行器设备60将由至少一个切换元件28的开路端口反射的波重新路由到终端单元62。
换言之，不对分配器24的输出端口进行端接也是可能的。如已经说明的，这样降低了它的正确的功能，尤其是在它的输入端口(到TX放大器的连接)处的匹配。如果使用与匹配的电阻器相连接的环行器，则不会发生性能问题，因此这也是本发明的可能的实施例。
并行发射器/收发器系统10的整体部分是控制器系统38，控制器系统38选择独立TX线圈元件14的切换状态。图10中描绘了该系统。该控制器系统38考虑校准数据(方框64：线圈的灵敏度概况、测得的线圈位置……)和用户输入(方框66：视场，扫描类型……)，并且还确保由切换元件28和/或另外的切换元件48、50执行的切换过程的正确计时。
尽管已经在附图和前文的描述中详细说明并描述了本发明，但这种说明和描述被视为说明性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践要求保护的本发明时，能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于向磁共振线圈系统(12)的多个线圈元件(14)提供射频信号的馈送电路装置(18)，其中，所述电路装置(18)包括：
主线(20)，其用于连接到射频信号源(16)；
多条馈送线(22)，每条馈送线(22)用于连接所述线圈系统(12)的对应线圈元件(14)；
功率分配器(24)，其被布置在所述主线(20)和所述多条馈送线(22)之间以用于将所述主线(20)上的所述信号分布到所述馈送线(22)中的每条，
其中，所述馈送线(22)中的至少一条包括具有用于连接/断开所述馈送线(22)的两条最终的线路段(30、32)的切换元件(28)的可控切换电路(26)，第一线路段(30)在所述分配器侧上并且第二线路段(32)在能连接到所述线圈元件(14)的侧上，并且
其中，所述切换电路(26)还包括用于所述第一线路段(30)的线端接的、具有预定义的终端电阻的至少一个可连接终端元件(44)，或者所述主线(20)包括与终端单元(62)互连的环行器设备(60)，并且其中，所述至少一个可连接终端元件(44)与用于连接所述终端元件的另外的切换元件(48、50)串联连接。
2.如权利要求1所述的馈送电路装置，其中，所述终端元件(44)具有50欧姆或100欧姆的预定义的终端电阻。
3.如权利要求1所述的馈送电路装置，其中，用于所述第二线路段(32)的线端接的至少一个终端元件(46)具有零欧姆或50欧姆或100欧姆或大于10千欧姆的预定义的终端电阻或者额外地由四分之一波长元件(58)来变换，并且其中，所述至少一个终端元件(46)与用于连接所述终端元件的另外的切换元件(48、50)串联连接。
4.如权利要求1所述的馈送电路装置，其中，所述切换元件(28)是PIN二极管(54)。
5.如权利要求1所述的馈送电路装置，其中，所述另外的切换元件(48、50)是PIN二极管(54)。
6.如权利要求1所述的馈送电路装置，其中，所述馈送电路装置(18)还包括至少一个收发切换设备(56)。
7.如权利要求6所述的馈送电路装置，其中，所述至少一个收发切换设备(56)是独立于所述至少一个切换电路(26)的切换设备。
8.如权利要求6所述的馈送电路装置，其中，所述主线(20)包括所述一个收发切换设备(56)或者所述馈送线(22)中的每条都包括所述收发切换设备(56)中的一个。
9.如权利要求1所述的馈送电路装置，其中，所述功率分配器(24)包括用于使至少一条馈送线(22)的相位偏移的至少一个移相器元件(36)。
10.如权利要求1所述的馈送电路装置，其中，所述馈送电路装置的所有电气部件(20、22、34、36、44、46)，除了所述切换元件(28)和所述另外的切换元件(48、50)，都是无源部件。
11.一种用于磁共振系统的并行发射器系统(10)，其具有包括多个线圈元件(14)的磁共振线圈系统(12)、射频信号源(16)、如权利要求1所述的馈送电路装置(18)、以及控制器系统(38)，所述控制器系统(38)具有用于控制所述切换电路(26)的所述切换元件(28)和所述另外的切换元件(48、50)的控制器(40)。
12.一种用于磁共振系统的并行收发器系统(10)，其具有包括多个线圈元件(14)的磁共振线圈系统(12)、射频信号源(16)、如权利要求1所述的馈送电路装置(18)、以及控制器系统(38)，所述控制器系统(38)具有用于控制所述切换电路(26)的所述切换元件(28)和所述另外的切换元件(48、50)的控制器(40)。
13.一种用于对如权利要求11所述的并行发射器系统或如权利要求12所述的并行收发器系统的所述线圈元件(14)进行切换的方法，其中，依据校准数据(64)和/或用户输入(66)借助于所述控制器系统(38)和所述切换元件(28)和/或所述另外的切换元件(48、50)来执行所述切换。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述校准数据(64)是所述线圈元件(14)的灵敏度概况的数据和/或所述线圈元件(14)的位置的数据。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述用户输入(66)是对视场的选择和/或对扫描类型的选择。
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