CN106133544B - 磁共振成像rf天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供RF天线系统(100、1014、1014’)，用于将RF激励信号发射到MR成像系统(1000、1100、1200)的成像体积(1015)和/或接收来自MR成像系统的成像体积的MR信号。磁共振成像天线包括：线圈形成器(100、1014、1014’)，其邻近所述成像体积(1015)；以及共振器(400、500、600)，其被附接到所述线圈形成器，并且被调谐到根据在多个电容器(302)之间的电连接(304)形成的至少一个共振频率。所述多个电容器分布于围绕并且沿着所述线圈形成器的周期性图样(300、700、800、900)中。

Description

磁共振成像RF天线

技术领域

本发明涉及磁共振成像，具体而言其涉及用于磁共振成像的射频天线。

背景技术

磁共振成像(MRI)扫描器使用大的静态磁场来对齐原子的核自旋，作为在患者体内产生图像的过程的一部分。该大的静态磁场被称作B0场。

在MRI扫描期间，由发射器线圈生成的射频(RF)脉冲引起对本地磁场的扰动，并且由核自旋发出的RF信号被接收器线圈检测到。这些RF信号被用于构造MRI图像。这些线圈还可以称作天线。此外，发射器和接收器线圈还可以并入到单个收发器线圈中，其执行两个功能。可以理解的是，术语“收发器线圈”的使用也指使用分开的发射器和接收器线圈的系统。发射的RF场被称作B1场。

现今，几乎所有的MRI系统都通过正交体线圈(QBC)进行递送，所述线圈通过鸟笼几何结构来实现。这由两个导电环制成，所述导电环经由(通过8-24个也导电的)梯级(rung)连接。该结构通过在梯级(低通鸟笼)中的电容器、环(高通鸟笼)或两者(带通鸟笼)而变得共振。该线圈能够在有限视野(FOV)内产生均匀B1场。

欧洲专利EP2097763公开了用于发射RF激励信号并接收MR驰豫信号的磁共振成像系统的RF线圈。RF线圈包括贴片的阵列，其彼此之间电容地耦合。贴片的阵列形成共振表面，所述表面上可以共振地激励表面电流以生成至少一个场样态。

发明内容

本发明在独立权利要求中提供了用于磁共振成像系统的天线以及磁共振成像系统。在从属权利要求中给出了实施例。

如本领域技术人员理解的，本发明的各方面可以实现为装置、方法或计算机程序产品。因此，本发明的各方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件、微代码等)或组合软件和硬件方面的实施例的形式，其在本文可以被统称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本发明的各方面可以采取在实现有计算机可执行代码的一个或多个计算机可读介质中实现的计算机程序产品的形式。

可以利用一个或多个计算机可读介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。本文所使用的“计算机可读存储介质”包含任意有形的存储介质，其可以存储能够由计算设备的处理器执行的指令。计算机可读存储介质可以被称作计算机可读非暂态存储介质。计算机可读存储介质还可以称作有形计算机可读介质。在一些实施例中，计算机可读存储介质还能够存储可由计算设备的处理器访问的数据。计算机可读存储介质的例子包括但不限于：软盘、磁硬盘驱动器、固态硬盘、闪存、USB拇指驱动、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光盘、磁光盘以及处理器的寄存器文件。光盘的例子包括压缩盘(CD)和数字通用盘(DVD)，例如CD-ROM、CD-RW、CD-R、DVD-ROM、DVD-RW或DVD-R盘。术语“计算机可读存储介质”也指各种类型的记录介质，其能够被计算机设备经由网络或通信链路访问。例如，可以通过调制解调器、通过因特网、或通过局域网取回数据。在计算机可读介质上实现的计算机可执行代码可以利用任何适当的介质进行传输，所述介质包括但不限于：无线、有线、光纤线缆、RF等，或前述的任意适当组合。

计算机可读信号介质可以包括实现有计算机可执行代码的传播数据信号，例如，在基带中或作为载波的一部分。这种传播信号可以采取多种形式中的任一种，包括但不限于：电磁、光或其任意适当组合。计算机可读信号介质可以是不是计算机可读存储介质的任意计算机可读介质，并且其可以传送、传播或转移程序以供指令执行系统、装置或设备使用或结合其使用。

“计算机存储器”或“存储器”是计算机可读存储介质的例子。计算机存储器是处理器能够直接访问的任意存储器。“计算机存储设备”或“存储设备”是计算机可读存储介质的另一例子。计算机存储设备是任意非易失性计算机可读存储介质。在一些实施例中，计算机存储设备还可以是计算机存储器或反之亦然。

本文所使用的“处理器”涵盖能够执行程序或机器可执行指令或计算机可执行代码的电子部件。对包括“处理器”的计算设备的引用应该解释为可能包含多于一个处理器或处理核心。处理器可以例如是多核心处理器。处理器还可以指的是在单个计算机系统中或分布于多个计算机系统间的处理器的集合。术语“计算设备”还应该解释为可以指的是每个都包括一个或多个处理器的计算设备的网络的集合。计算机可执行代码可以由多个处理器执行，所述处理器可以在同一计算设备中或甚至可以跨多个计算设备分布。

计算机可执行代码可以包括机器可执行指令或程序，其使得处理器执行本发明的方面。可以用一个或多个编程语言的任意组合来编写用于执行本发明各方面操作的计算机可执行代码，所述编程语言包括面向对象编程语言，例如Java、Smalltalk、C++等，以及传统的过程编程语言，例如，“C”编程语言或类似的编程语言，并被编译为机器可执行指令。在一些例子中，计算机可执行代码可以是高级语言的形式或者预编译形式，并结合即时生成机器可执行指令的解释器使用。

计算机可执行代码可以完全在用户的计算机上，部分地在用户的计算机上，作为独立的软件包，部分地在用户的计算机上且部分地在远程计算机上，或者完全在远程计算机或服务器上运行。在后一场景中，远程计算机可以通过任意类型的网络(包括局域网(LAN)或广域网(WAN))连接到用户的计算机上，或者可以(例如，利用因特网服务提供商通过因特网)连接到外部计算机上。

参考根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图图示和/或框图描述本发明的各方面。可以理解的是，流程图、图示和/或框图的每个框或一部分框可以在可适用时由计算机可执行代码形式的计算机程序指令实现。还可以理解的是，当不相互排斥时，可以组合在不同流程图、图示和/或框图的框的组合。可以将这些计算机程序指令提供到通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，以产生机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行的指令可以创建用于实现在流程图和/或框图的一个或多个框内指定的功能/动作的单元。

这些计算机程序指令还可以存储于计算机可读介质中，其可以指示计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备来以特定方式工作，使得存储于计算机可读介质中的指令产生包括实现在流程图和/或框的一个或多个框中指定的功能/动作的指令的制品。

计算机程序指令还可以加载到计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上，以使得在计算机、其它可编程装置或其它设备上执行一系列操作步骤，来产生计算机实现的过程，使得在计算机或其它可编程装置上执行的指令提供用于实现在流程图和/或框的一个或多个框中指定的功能/动作的过程。

本文所使用的“用户接口”是允许用户或操作者与计算机或计算机系统交互的接口。“用户接口”还可以称为“人机交互设备”。用户接口可以向操作者提供信息或数据和/或从操作者接收信息或数据。用户接口可以使得来自操作者的输入能够被计算机接收，并且可以从计算机将输出提供给用户。换句话说，用户接口可以允许操作者控制或操纵计算机，并且接口可以允许计算机指示操作者的控制或操纵的效果。在显示器或图形用户接口上显示数据或信息是向操作者提供信息的例子。通过键盘、鼠标、轨迹球、触摸板、定位杆、绘图板、控制杆、游戏手柄、网络摄像头、耳机、变速杆、转向轮、踏板、有线手套、跳舞垫、遥控器和加速计接收数据都是使得能够从操作者接收信息或数据的用户接口部件的例子。

本文所使用的“硬件接口”涵盖使得计算机系统的处理器能够接触和/或控制外部计算设备和/或装置的接口。硬件接口可以允许处理器将控制信号或指令发射到外部计算设备和/或装置。硬件接口还可以使得处理器能够通过外部计算设备和/或装置交换数据。硬件接口的例子包括但不限于：通用串行总线、IEEE 1394端口、并行端口、IEEE 1284端口、串行端口、RS-232端口、IEEE-488端口、蓝牙连接、无线局域网连接、TCP/IP连接、以太网连接、控制电压接口、MIDI接口、模拟输入接口以及数字输入接口。

本文所使用的“显示器”或“显示设备”涵盖适于显示图像或数据的输出设备或用户接口。显示器可以输出视觉、音频和/或触觉数据。显示器的例子包括但不限于：计算机监视器、电视机屏幕、触摸屏、触觉电子显示器、盲文屏幕、阴极射线管(CRT)、存储管、双稳态显示器、电子纸、矢量显示器、平板显示器、真空荧光显示器(VF)、发光二极管(LED)显示器、电致发光显示器(ELD)、等离子显示面板(PDP)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)、投影仪和头戴式显示器。

磁共振(MR)数据在本文中被定义为由原子自旋发出的射频信号的记录的测量结果。信号例如可以由磁共振装置的天线在磁共振成像扫描期间接收。磁共振数据是医学图像数据的例子。磁共振成像(MRI)图像在本文被定义为对在磁共振成像数据中包含的解剖数据的重建的二维或三维可视化。该可视化可以使用计算机来执行。

文本所使用的“射频开关”涵盖用于连接或断开电路的两部分的开关，并且射频开关可操作用于传导射频功率。射频开关的例子包括但不限于：PIN二极管、MEMS开关和晶体管开关。

在一个方面中，本发明提供了一种射频(RF)天线系统，用于将RF激励信号发射到磁共振(MR)成像系统和/或接收来自其的MR信号。在本文中，RF天线系统还可以称作天线或磁共振成像天线。天线可以操作用于发射和/或接收在获取磁共振数据的过程中使用的射频信号。也就是说，天线可以是发射和/或接收天线。天线可以包括：线圈形成器，其邻近成像体积。本文中使用的“线圈形成器”涵盖用于天线、天线元件或天线的部件的支撑结构。线圈形成器还可以包括有源天线的一部分。

例如，线圈形成器是圆柱体，其中该圆柱体具有形成成像体积的内部区域。线圈形成器的一个例子可以是圆柱体或管，其具有内部区域或内部体积。对于圆柱体或管状线圈形成器，内部区域或内部体积可以形成成像体积。对于扁平的、灵活的或平面的线圈形成器，成像体积可以是邻近线圈形成器的区域。本文使用的“成像体积”包括邻近或在天线内的区域，天线将操作以用于接收或发送磁共振信号。

天线还包括至少一个共振器，所述共振器被调谐到根据在多个电容器之间的电连接形成的共振频率。本文使用的“共振器”包括一个或多个天线元件。多个电容器分布于围绕且沿着所述线圈形成器的周期性图样中。

对于圆柱体或管状形状的线圈形成器，沿着圆柱体指的是沿着圆柱体的长度。围绕圆柱体指的是在圆柱体的圆周或直径周围。

实施例可以是有利的，因为大量电容器用于形成共振器。这防止了使用大的电容器，所述大的电容器在天线被使用时可能导致射频能量中的热点。因此，跨多个电容器的压降在该情况下是较小的，并且在这些电容器附近的电场较小。

与标准鸟笼线圈相比，天线的实施例可以减少共振器内部存储的能量。这大大减少了功率需求和局部SAR，同时增加了SNR和线圈带宽。这可以在线圈生产中节约成本，以及减少RF放大器的功率和带宽需求。增加的效率还可以用于减少体线圈占据的空间，这降低了系统的其它部件的成本，即，梯度/主磁体。

设计共振器的一个方式是通过模拟。这种模拟可以以不同方式执行。一种方式是基于端口的模拟，其可以在矩量法(MoM)中进行。MoM方法例如在Roger F.Harrington在IEEE Press,Piscataway,New Jersey USA 1993,ISBN-10 0780310144的“FieldComputation by Moment Methods”中描述。利用MoM方法，可以导出描述关于端口的行为的网络矩阵(例如，分散矩阵)。这可以用于spice模拟器以计算共振。在所述spice模拟器中，通常在拉莫尔频率处生成共振的最低的电容是正确的。

在另一实施例中，线圈形成器在形状上是圆柱体或管状。

在其它实施例中，线圈形成器不是圆柱形的。在一些例子中，横截面可以是圆形或其还可以是椭圆或其它形状。

在其它实施例中，线圈形成器可以是一个或多个二维薄片。

在另一实施例中，多个电容器具有一个或多个最近邻。所述多个电容器的最近邻是电绝缘的或者它们是串联电连接的。在一些例子中，所有的电容器都以网状布置附接到一起，形成单个共振器。在其它实施例中，共振器以组连接到一起。

在另一实施例中，线圈形成器由介电形成器形成。介电形成器可以由介电或绝缘材料制成。在一些例子中，介电形成器由平面形成器形成。c平面形成器r包括第一表面和第二表面。多个电容器中的每一个由第一导电部分和第二导电部分形成。所述第一导电部分附接到所述第一表面上。所述第二导电部分附接到所述第二表面上。介电形成器的一部分形成具有第一导电部分和第二导电部分的每个电容器。在该实施例中，介电形成器用于构造电容器，并且金属导电部分附接到形成器的侧面上以形成电容器。

在另一实施例中，线圈形成器由圆柱形介电形成器形成。介电形成器由圆柱形状的介电或绝缘材料制成。在一些例子中，圆柱体由圆柱介电形成器形成。圆柱体包括内表面和外表面。多个电容器中的每个由第一导电部分和第二导电部分形成。第一导电部分附接到内表面。第二导电部分附接到外表面。圆柱体的一部分形成具有第一导电部分和第二导电部分的每个电容器。在该实施例中，介电圆柱体形成电容器的一部分，并且金属导电部分附接到圆柱体的侧面上以形成电容器。

在其它实施例中，介电圆柱体是多层的，并且可能多于仅第一导电部分和第二导电部分。还可以构造多层电容器。

在另一实施例中，多个电容器中的每个的电容小于50pF。

在另一实施例中，多个电容器中的每个的电容小于70pF。

在另一实施例中，多个电容器中的每个的电容小于80pF。

通过使用多个电容器减少单个电容可以通过减少跨每个电容器的压降而是有利的。电容器的值取决于所使用的数量。如果在电容器之间的距离或网格减少，则需要更多电容器。实际的电容取决于所使用的B0场以及打算调谐到的频率。电容器的频率或值也取决于到RF屏蔽的整体距离以及整体维度和低通、高通或带通的选择或针对共振器的类似结构。

使用多个电容器还可以具有减少功率需求的优点。电容器中的单个电流和电压在与标准体线圈相比时可以是减少的。

在另一实施例中，天线是体线圈。本文所使用的“体线圈”包括集成到磁共振成像系统中的线圈。通常，体线圈被安装到圆柱形磁体的膛中。该实施例可以是有利的，因为在体线圈内的电流和电压在与标准体线圈相比时可以是减少的。这可以造成接近体线圈中的电容器处较低的电场并且在一些情况下可以减少功率需求。

在另一实施例中，共振频率是在磁共振成像系统的主磁场中的自旋包的拉莫尔频率。在一些情况下，共振器可以被调谐到多于一个的拉莫尔频率，在该情况下，共振器是多频率共振器。本文所使用的“自旋包”是由同一磁场影响的多个自旋。自旋包可以是不同的原子核或分子，例如水或有机分子上的氢。

在另一实施例中，天线包括堆叠到彼此之上的多个共振器，所述多个共振器被调谐到不同的共振频率。也就是说，一个共振器在第二共振器内。这可以是制造共振器多频率的有用的方式。例如，圆柱体可以在每个表面上具有独立的共振器，其每一个被调谐到不同的频率。

在另一实施例中，多个电容器包括多于1000个电容器。

在另一实施例中，多个电容器包括多于5000个电容器。

在另一实施例中，多个电容器包括多于10000个电容器。

在另一实施例中，天线还包括围绕圆柱体的射频屏障。使用射频屏障可以改善天线的效率。RF屏蔽例如可以是屏蔽材料、开缝的屏蔽物或由人工磁导体结构制成。

在一些情况下，圆柱射频屏障和圆柱体可以具有相同的对称轴。

在另一实施例中，在一些情况下用于连接到天线的射频馈送使得它们的接地端附接到射频屏障。

在另一实施例中，射频屏障由通过电容元件连接的导电元件的网所形成。该实施例可以是有利的，尤其在射频屏障被调谐到特定频率时。例如，射频屏障可以用于阻挡相同的共振频率作为共振器。这将使得其它射频经过仅阻挡共振器的射频屏障。

在另一实施例中，以在RF频率带共振的人工磁导体(AMC)结构的形式设置RF屏障或RF屏蔽。RF频率带可以与用于在获取磁共振数据期间的RF激励信号或接收到的RF信号的RF频率带相同。

在一些例子中，AMC结构可以包括金属贴片的阵列，所述贴片被定位于金属接地面板上，在其间存在介电基板。贴片通过接地柱与接地平面连接，或取代地提供接地柱金属条以形成接地回路。AMC结构还包括邻近贴片边缘的多个边缘电容器连接，用于使贴片彼此电容耦合。边缘电容器可以是可切换电容器，使得通过切换电容器，AMC结构的共振频率可以被控制，或者在于提供开关用于使得所述边缘电容短路以失谐或无效RF天线系统。这种RF屏蔽在PCT公开号WO 2008/078284 A2中描述，在引通过引用并入。

在另一实施例中，天线还包括在圆柱射频屏障和共振器之间连接的多个失谐射频开关。当闭合或将共振器连接到射频屏障时，失谐射频开关使得共振器失谐。本文所使用的“失谐射频开关”是射频开关。在失谐射频开关中的形容词“失谐”用作标签以指示特定组的射频开关。例如，“第一射频开关”可以用于替换“失谐射频开关”。

多个失谐射频开关的放置高度依赖于所使用的特定射频屏障和共振器的特定设计。放置开关的位置可以通过制造共振器的计算机模型并查找比平均电场点高的区域来执行。这也可以通过在特定共振器设计上执行测量来经验地确定。通过经由射频开关将这些高场点连接到射频屏障，共振器可以有效地从共振频率失谐。

在另一实施例中，天线还可以包括一个或多个次级共振结构(例如，像鸟笼或环形线圈)，其可以通过RF开关打开和关闭。由于两个结构(主要是感应的)耦合，通路状态可以用于失谐主天线。

在另一实施例中，将周期性图样分段为电绝缘组。每个电绝缘的组是电绝缘的。每个电绝缘的组可以操作用于连接到各自的射频信道。

在另一实施例中，至少一个共振频率是多个共振频率。每个电绝缘的组被调谐到从多个共振频率中选出的单个共振频率。该实施例可以提供以多个频率创建共振器的可靠方式。例如，可以选择两个共振频率。可以将电绝缘的组的一半调谐到一个频率，且将另一半调谐到第二频率。

在另一实施例中，RF天线系统是包括一个或多个天线元件的表面线圈，其中，每个天线元件是电绝缘的组之一，并且其中，所述表面线圈邻近所述成像体积。

在另一实施例中，所述圆柱体具有旋转对称轴。周期性图样被沿着所述旋转对称轴分段为电绝缘的组。长对称抽是沿长度围绕对称轴的。这还可以被认为是在所谓的z方向的分段。

作为替代，天线可以设计为使得不同的RF端口激励共振器中不同的共振。这些可以具有相同的共振频率，但是以不同空间概况激励B1场。这样，馈送到不同端口的RF功率的量可以用于调节天线的配置。还可以用于RF匀场或更先进的并行发射概念，例如，发射敏感编码(TxSensE)。

在另一实施例中，介电圆柱体具有对称轴。周期性图样关于对称轴被分段为电绝缘的组。该分段围绕天线的直径或圆周。这有效地将共振器划分为多个电绝缘的组，其关于对称轴位于相同的方向上。这可以使得能够构造具有在电容器周围减少的电场的鸟笼状线圈。

在另一实施例中，电绝缘的组关于所述对称轴扭曲。取代简单地沿着对称轴直着行进，电绝缘的组的带可以关于或围绕对称轴扭曲。这可以使得通过天线能够生成更均匀的电场。

在另一实施例中，电绝缘的组包括多个射频开关，所述多个射频开关布置为电连接电绝缘的组。这可以是有利的，因为可以使得天线的配置能够被即时执行，或例如由脉冲序列控制。

在另一实施例中，本发明提供一种磁共振成像系统，用于从成像区域采集磁共振数据。成像体积在所述成像区域内。成像区域是使得能够定位磁共振数据的高的且均匀的磁场的区域。成像体积是能够被特定天线或线圈成像的区域或空间。“成像体积在成像区域内”的陈述等价于陈述天线安装到磁共振成像系统中，使得可以操作用于获取磁共振数据。所述磁共振成像系统包括根据本发明实施例的天线。

在另一实施例中，天线是根据周期性图样被分段为电绝缘的组的实施例的。磁共振成像系统还包括射频系统，所述射频系统可以操作用于单独地向每个电绝缘的组供应射频功率。所述磁共振成像系统还包括一个或多个处理器，所述一个或多个处理器用于控制所述磁共振成像系统。所述磁共振成像系统还包括用于存储机器可执行指令和脉冲序列数据的存储器。执行所述机器可执行指令使得所述处理器控制所述磁共振成像系统来根据所述脉冲序列数据采集磁共振数据。

本文所使用的“脉冲序列数据”涵盖描述或包含控制命令的数据，所述控制命令使得磁共振成像系统能够根据特定的磁共振成像协议或技术来采集磁共振数据。脉冲序列数据还包括用于控制射频系统调节在采集磁共振数据期间供应给电绝缘的组中的每个的相位和/或射频功率的数据。该实施例是有利的，因为其使能在采集磁共振数据期间的天线的例如所谓的射频匀场。其还使能更先进的并行发射概念，例如，发射敏感编码(TxSensE)。

在另一实施例中，磁共振成像系统包括根据实施例的天线，其具有被布置为电连接电绝缘的组的射频开关。磁共振成像系统还包括射频开关控制器系统，用于控制多个控制射频开关的切换。磁共振成像系统还包括射频系统，其能够操作用于向电绝缘的组中的每个或者它们中的至少一部分供应射频功率。磁共振成像系统还包括一个或多个处理器，用于控制磁共振成像系统。

磁共振成像系统还包括用于存储机器可执行指令和脉冲序列数据的存储器。机器可执行指令的执行使得处理器控制磁共振成像系统根据脉冲序列数据采集磁共振数据。脉冲序列数据包括用于在采集磁共振数据期间控制射频开关控制器的数据。该实施例是有利的，因为其使能在采集磁共振数据期间的共振器配置。

在一些实施例中，在电容器之间的空间和/或网格形状可以是非等距的，以便对电场整形。

在其它实施例中，可以将单个电容器的值选择为不相等的。这可以特别地通过沿着z方向或圆柱体的轴改变电容的值而实现。

在其它实施例中，共振器可以被调谐到多于一个频率，并因此可以是多频率的以在磁共振成像期间查看多种原子核。这例如可以通过将共振器调谐到多于一个频率或利用根据实施例的分层的多于一个共振器来完成。也就是，多个共振器可以被分层，以创建调谐到多于一个频率的天线。电容器和导电元件的分布在不同层中可以不同。

在另一实施例中，多层结构还可以用于主要增加电容密度，例如，用于低场MR，其要求较低的共振频率。

在另一实施例中，可以通过控制射频开关来对供应给共振器的各个部分的电流进行整形。

可以理解的是，本发明的上述实施例中的一个或多个可以被组合，只要组合的实施例不互相排斥。

附图说明

在后文中将仅通过例子并参考附图描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1示出了天线100的模型的模拟结果；

图2示出了相对图1所示的天线生成的位置或距离200绘制的B1磁场202的绘图；

图3示出了关于圆柱分布以形成共振器的周期性图样的例子；

图4示出了构造体线圈400的一种方式；

图5示出了体线圈500的另一例子；

图6示出了体线圈600的另一例子；

图7图示了能够关于圆柱分布以形成共振器的周期性图样的另一例子；

图8图示了能够关于圆柱分布以形成共振器的周期性图样的另一例子；

图9图示了能够关于圆柱分布以形成共振器的周期性图样的另一例子；

图10图示了磁共振成像系统的例子；

图11图示了磁共振成像系统的另一例子；

图12图示了磁共振成像系统的另一例子；

图13图示了天线的共振器的替代设计；

图14图示了天线的共振器的另一替代设计；

图15图示了根据模拟具有平面共振器的RF天线系统的结果；并且

图16进一步图示了在图15中显示的模拟结果。

附图标记列表

100：天线

102：共振器

104：射频屏障

106：在射频屏障上的电流向量

200：距离[米]

202：B1场[A/m]

300：周期性图样

302：电容器

304：导体

306：三角单元元件

400：体线圈

402：分段

404：导体

406：连接点

408：连接点

500：体线圈

502：分段

600：体线圈

602：分段

604：导体

606：电容器

700：周期性图样

800：周期性图样

900：周期性图样

1000：磁共振成像系统

1004：磁体

1006：磁体的膛

1008：成像区域

1010：磁场梯度线圈

1012：磁场梯度线圈电源

1014：天线

1014’：天线分段

1015：成像体积

1016：收发器

1018：对象

1020：对象支撑体

1026：计算机系统

1028：硬件接口

1030：处理器

1032：用户接口

1036：计算机存储设备

1038：计算机存储器

1040：脉冲序列数据

1042：磁共振数据

1044：磁共振图像

1050：控制模块

1052：图像重建模块

1100：磁共振成像系统

1200：磁共振成像系统

1202：射频开关

1204：开关控制器

1300：共振器

1302：导电元件

1304：第一层

1306：第二层

1308：第三层

1310：第四层

1312：第五层

1314：第六层

1317：第七层

1320：z轴的方向

1322：位置

1400：共振器

1500：天线

1502：共振器

1504：平面

1506：矩形线圈

1600：表示磁场的向量

具体实施方式

在这些附图中相似地标号的元件是等价元件或执行相同的功能。如果功能是等价的，则先前讨论的元件在后面的图中不一定被讨论。

天线或共振器的例子可以在替代在MRI系统中的当前的正交体线圈(QBC)中是有用的。与现有技术的鸟笼线圈相比，本文描述的天线的例子大大减少了本地SAR，显著降低了功率需求，并具有更高的SNR。可以在没有昂贵的集总电容器的情况下实现线圈。这可以通过提供更便宜的构造和针对RF放大器的降低的功率需求而节约成本。

当前使用的鸟笼线圈己关于(尤其是全局)SAR、功率效率、FOV尺寸和SNR已经是优化的设计。然而，它们仍具有一些缺点，其需要通过提出的本发明来解决：

-在宽膛和/或高磁场MRI系统中，成像速度和/或SNR通常受限于局部SAR约束，其通常出现在线圈导线附近，尤其是接近共振电容器处。

-在具有到RF场的近距离的现代设计中，功率需求剧烈增加。通常到达线圈的功率的一半被使用来在患者内部生成B1场，同时另一半由线圈消耗。该额外的功率(损失)不得不由发射放大器递送。第一模拟示出了与现今使用的鸟笼线圈相比对提出的设计的损失减少的三个因素。该影响与可以通过在线圈处直接放置放大器而减少的电缆损失相比较。

-在带宽中指定(RF)发射放大器，其主要由梯度强度和FOV定义。鸟笼线圈的输入阻抗在该带宽中由于共振变化较大。因为提出的设计的更高的负载因素，可以通过两个因素粗略地增加带宽，所述因素大大减少了反射功率并因此减少放大器规范。

-鸟笼设计需要昂贵的手动安装高功率电容器。这可以通过低成本的设备或层压材料替代。

-线圈在产生期间需要被手动精细调谐。这可能不必要或至少可以自动化。

-必须使用大量单个梯级来生成均匀场。该新的设计类似地不具有可数的导体，并且代替地使用分布式电流。

本文描述的天线或RF线圈共振器可以使用人工介电材料。代替使用少量高功率电容器，提出的设计使用(非常)多数量的低功率电容器，这在一个实施例中可以通过层压PCB而不是集总元件实现。可以通过至少若干1000个导体来替换有限数量的鸟笼线圈导体(16梯级鸟笼的48个)。取代电容器的集总导体，所述结构行为像可以通过波传播理论描述的2D介电导体。与已经示出的具有三维介电介质的共振器相比，提出的设计与RF屏蔽组合更有效，因为(位移)电流被强加于最大屏蔽距离，这增加了有效产生B1场。该RF屏蔽有助于体线圈设计，因为其将RF场与低频梯度系统分离。还通过使用相同原理的共振结构进行实现。

可以区分示例性天线与现有技术体线圈设计的物理原理在于在结构中大大减少存储的能量。由于非常分散的电流，所以总的感应率尽可能的低。

对于每个共振器，功率由如下给出：P＝ωW/Q其中ω是(角)频率，W是存储的能量，且Q是品质因子。由于ω由拉莫尔频率给出，且Q受限于电容器或层状材料(通常大约为500)，所以线圈效率可以通过降低存储的能量而增加。由于(B1)磁场主要由总电流定义，所以存储的能量直接由减少线圈的总感应率而减少。

图1示出了天线100的模型的模拟结果。标记为102的网格表示共振器，并且标记为104的网格表示射频场。箭头，其中之一标记为106，示出了在射频场中的电表面电流。图1示出了提出的天线或共振器概念的简化模型。RF屏蔽假设具有76cm的直径，并且线圈导体被定位于上方2cm。共振器由2112个大约70pF的集总电容器制成。该结构的第一共振由在该结构的末端处的单个点激励。假设电容器的品质因子是500，模拟描绘了大约5欧姆的输入阻抗，其可以容易地匹配馈送系统。由于患者负载，该阻抗将进一步增加。所述结构只需要大约600W用于在3T频率处生成13.5uT。这大体是一些类似体线圈的一半到三分之一。图2示出了在轴向的B1概况。

图2示出了按图1所示的天线生成的位置或距离200绘制的B1磁场202的一块。天线具有1m的总长度。B1概况在天线100的中心或对称轴上。

降低到最大值的一半定义了粗略为35cm的FOV，其稍微小于鸟笼线圈。这是由于通过分布式电流替代集总环而减少的有效长度。

在该模拟中，所述结构在两个方向上具有相同的距离和相同的电容器。这可以由于不同的目标应用而改变。例如，可以通过调节轴向上的电容器值来定形RF场。对于多于两个端口的馈送，可以通过在轴向和圆周方向优化电容率来改善端口解耦合。然而，对于替换当前的QBC，仅需要(至少)由以90°偏移的几何上分离的馈送点而给出的两个端口。

一个设计可以使用更多数量的电容器，其随后不能由单个部件实现。可以替代地使用低损失层状材料，同时通过两个或更多铜层的交叠而实现电容器。由于电容密度主要定义共振频率，所以电容器的数量主要由PCB生产过程限制。这意味着电流非常分散。这大大减少了局部SAR，因为在线圈中不再存在电场的热点(单个结构的大小与患者距离相比是非常小的)。

另一优化线圈将使用较小的结构用于RF屏蔽。在该情况下，共振的数量粗略地加倍，并且屏蔽仅对于在两层中具有相反电流方向的模式有效，这可以容易地通过设计进行解决。

可以例如通过PIN二极管或其它射频开关切断(失谐)线圈，所述PIN二极管或其它射频开关将共振器的所选点以破坏共振的方式连接到屏障。这些点通常出现在具有高的(绝对)电势的区域。

线圈还可以装备有一组开关，其以不同的方式配置设计。这可以用于例如FR匀场(只具有一个放大器)或用于FOV操纵。

单个电容器具有非常低的电流和小的电压。因此，大大减少了出火花问题，并且可以通过用机器人研磨铜区域而调谐线圈。在生产中，建议在酸处理之前测量层的电容密度。这样，可以主要提前解决调谐，并且线圈可以在第一安装时己经共振。该方法还可以在安装线圈PCB之前，例如在测量2D设置中的初始共振之后，在2D中通过研磨来使用。

图3图示了可以关于圆柱分布以形成共振器的周期性图样的例子。该周期性图样300由个体三角单元元件306形成。单元元件306由通过导体304连接的三个电容器302形成。该特定的共振器设计使用单个三角单元元件306，以圆点304表示电容器。单个节或点可以进一步经由形成二维TEM人工结构的电容器连接到地面或射频屏蔽。可以使用例如利用不同导电和稳定化材料的激光打印来制成三维体线圈结构。图3图示了利用单个三角单元元件的天线或共振器概念的一个例子。圆点表示电容器。单个节还可以经由形成2D TEM人工结构的电容器连接到地面或RF屏蔽。可以经由利用不同导电和稳定化材料的激光打印来制成3D体线圈结构。

图4图示了构造体线圈400的一种方式。标记为402的网格表示体线圈400的电绝缘组。区域402是总体共振器的分段。在该设计中未示出电容器的准确模式，并且所述模式利用网格任意地表示。标记为404的区域是导体，其连接电绝缘组402。标记为406的点通过将整个单元差绕成圆柱体形状而连接到一起。标记为408的点也被连接。在图4中示出的体线圈400的视图可以被看作是被切割且被平坦放置的体线圈。在图4中，图示了体线圈概念。导体或分段402的各个部分是人工介电的且通电地连接。一个优点可以是通过具有更均匀的射频电流分布而减少靠近线圈导体的局部SAR。图4示出了示例性体线圈设计，其中导体的一部分是人工介电的，且通电地连接。优点是通过更均匀的射频电流分布而减少靠近线圈导体的局部SAR。

图5图示了体线圈500的另一例子。该体线圈500包含单个分段502，但是在该例子中，分段不被连接到一起。分段502可以被放置或嵌入到圆柱体以形成天线。在图5中示出的多元件发射体线圈概念或设计具有可以是由人工介电介质制成的导体的一部分。个体平面人工介电发射和接收线圈元件502可以在四个不同的端口被馈送。该结构的馈送被感应地执行或经由通电地连接到地面或人工介电的不同阻抗位置处的阻抗匹配网络执行。应该注意，在图1中示出的整体结构可以经由多端口连接使用一组射频放大器来驱动。

图5示出了多元件发射体线圈或天线概念，其中导体的一部分由人工介电介质制成。个体平面人工介电发射和接收线圈元件在端口处被馈送。该结构的馈送被感应地执行或经由通电地连接到地面或人工介电的不同阻抗位置处的阻抗匹配网络执行。即使在图1中示出的整个结构也可以经由多端口连接使用一组射频放大器驱动。通过使用到周围RF屏蔽的连接，还可以建立类似的结构，所述RF屏蔽随后使得其至少部分地像TEM共振器一样表现。

图6示出了体线圈600的另一例子。图6中的体线圈然后还必要地被切割且展开以示出设计。体线圈600由电绝缘组602制成。这些是共振器的分段602。在体线圈的任一端是导体604。电容器606然后被使用以将导体604连接到电容器606。标记为406的点被卷绕并彼此电连接，并且点408被卷绕且被电连接其自身。图6示出了体线圈设计，其中线圈导体的一部分包括人工介电介质。杆或环结构两者都可以包括人工介电材料。电容值和/或网格部件的分布和变化允许平展空间RF电流分布。

2D结构还可以是扭曲的，其对于均匀性是有利的。提出的共振器概念可以与传统的共振器元件组合，例如，如图6所示，或者还可以与传统线圈一起仅用作局部场增强器。组合可以是有利的，例如对于成本、RF功率耦合和可用性。提出的共振器概念甚至可以在z方向分割。

图7示出了替代的周期性图样700。周期性图样700示出了通过导体304连接的电容器302。电容器302布置到并联连接的组中，并且个体组串联连接。模式700可以在整个圆柱体上卷绕形成均匀的结构。在其它情况下，模式700可以用于形成共振器的条或部分。

图8示出了替代的周期性图样，其可以用于布置多个电容器。在该布置中，电容器302布置于六边形模式中并通过导体304连接。

图9示出了替代的周期性图样900，其可以用于分布电容器302。电容器302布置在方形模式中并通过导体340连接。

图10示出了根据本发明实施例的磁共振成像系统1000的例子。磁共振成像系统1000包括磁体1004。磁体1004是超导圆柱型磁体1004，其具有通过其的膛1006。使用不同类型的磁体也是可能的，例如，可以使用分裂式圆柱形磁体和所谓的开放式磁体两者。分裂式圆柱形磁体类似于标准的圆柱形磁体，除了低温恒温器已经分裂成两部分以允许访问磁体的等中心平面，这种磁体例如可以结合带点粒子束疗法使用。开放式磁体具有两个磁体部分，一个在另一个之上，其间具有足够大的空间以容纳对象：对两个部分区的布置类似于亥姆霍兹线圈。开放式磁体是流行的，因为对象较少地受限。在圆柱形磁体的低温恒温器内部，存在超导线圈的集合。在圆柱形磁体1004的膛1006内，存在成像区域1008，其中的磁场足够强和均匀以执行磁共振成像。

在磁体的膛1006内还存在一组磁场梯度线圈1010，其用于采集磁共振数据以对在磁体1004的成像区域1008内的磁自旋进行空间编码。磁场梯度线圈1010旨在是代表性的。通常磁场梯度线圈1010包含三个单独组的线圈，用于在三个正交空间方向进行空间编码。磁场梯度电源将电流供应到磁场梯度线圈。根据时间控制供应到磁场梯度线圈1010的电流，并且该电流可以斜变的或脉冲的。

邻近成像区域1008的是天线1014，其用于操纵磁自旋在成像区域1008内的方向，并用于接收从还在成像区域1008内的自旋发射的无线电。射频天线1014包括在成像体积1015周围的圆柱。根据在文本中详述的例子构造天线。成像体积1015示出为在成像区域1008内。射频天线可以包含多个线圈元件。射频天线还可以称作信道或天线。

天线1014连接到射频收发器1016。天线1014和射频收发器1016可以由分离的发射和接收线圈以及分离的发射器和接收器替换。可以理解的是，天线1014和射频收发器1016是代表性的。天线1014还旨在表示专用发射天线和/或专用接收天线。类似地，收发器1016还可以表示分离的发射器和接收器。天线1014还可以具有多个接收/发射元件，并且射频收发器1016可以具有多个接收/发射信道。

磁场梯度线圈电源1012和收发器1016连接到计算机系统1026的硬件接口1028上。计算机系统1026还包括处理器1030。处理器1030连接到硬件接口1028、用户接口1032、计算机存储设备1034和计算机存储器1036。

计算机存储设备1036示出为包含脉冲序列数据1040，其使得处理器1030利用磁共振成像系统1000来执行磁共振成像协议。计算机存储设备1036被示出为还包括利用射频天线1014采集的磁共振数据1042。计算机存储设备1036还被示出为包含磁共振成像图像，其是根据磁共振数据1042重建的。

计算机存储器1038还被示出为包含控制模块1050。控制模块1050包括计算机可执行代码，所述计算机可执行代码使得处理器1030能够控制磁共振成像系统1000的操作和功能。例如，控制模块1050可以包括计算机代码，其使得处理器1030能够使用脉冲序列数据1040控制磁共振成像系统1000以采集磁共振数据1042。计算机存储器1038还被示出为包含图像重建模块1052，图像重建模块1052使得处理器1030能够根据磁共振数据1042重建磁共振图像1044。计算机存储设备1036和计算机存储器1038的内容可以相同，或者内容可以被移动或在两者之间显示为不同。对于图10、11和图12是这样的。

图11示出了磁共振成像系统1100，其类似于图10所示。然而，在该例子中，射频天线由沿着磁体1004的对称轴分裂的若干不同无线电天线元件1014’制成。天线1014’本质上划分为沿着z方向的分段。收发器1016可操作用于向每个分段1014’将单个的射频脉冲提供到每个分段1014’。在一些例子中，每个分段可以具有两个或更多共振，其由个体的RF端口馈送。可以存在比分段多的放大器信道。

脉冲序列数据1040还包括使得处理器1030能够控制收发器1016在执行脉冲序列期间调节每个分段1014’的相位和功率的数据。图11所示的分段1014’意图是代表性的，并且不按比例绘制。它们还旨在表示沿着z方向的分段，并还可以用于表示共振器如图4、5和6所示围绕z方向或在z方向周围的分段。

图12示出了磁共振成像系统1200的另一例子。图12所示的磁共振成像系统1200类似于图11所示的磁共振成像系统1100。在图12中，存在额外的射频开关1202，其连接天线的个体分段1014’。每个开关1202由开关控制器1204控制。开关控制器1204还连接到硬件接口1028上，其使得处理器1030能够控制开关控制器1204。在该例子中，脉冲序列1040额外地控制处理器1030用于控制开关控制器1204的命令，以在采集磁共振数据1042期间修改射频天线1014’的配置。除了连接天线的分段1014’外，射频开关1202还可以连接到图中未示出的射频屏障。开关可以独立地被控制，并且连接到射频屏障的开关可以用于对线圈或甚至单个线圈分段1014’失谐。在个体分段1014’之间使用开关1202使得能够在采集磁共振数据1042期间即时重建天线。

图13示出了天线的共振器的替代设计。在该例子中，导电元件1302布置在一系列层1304、1306、1308、1310、1312、1314、1316中。示出了7个层。该结构通常在一个或多个模式中共振，其由分离的RF生成器或发射器激励。该结构还可以分离或一起连接在组中并被供电。各个层可以由电介质或电绝缘层分离。共振器可以是平面的，如图13所示。替代地，图13中的设计还可以塑造成圆柱形状。虚线1318示出了z轴的方向。七个层可以关于平行于1318的轴卷绕，从而端部1322彼此相遇。这将形成管状共振器，其在z方向上具有高的导电性。z方向与磁共振成像系统的磁体的B0场对齐。在该图中，导电元件1302用于在多个电容器之间的电连接，并还形成在相邻层中具有导电元件的多个电容器。当形成为圆柱体时，共振器例如可以用于替代鸟笼线圈。

图14示出了天线的共振器1400的另一替代构造。图14所示的共振器1400类似于图14中示出的共振器1300。在该例子中，导电元件1302布置在6层中。导电元件1302被划分为沿着轴线1318的较小分段。各个层1304、1308、1310、1312、1314还可以由电介质或电绝缘层分离。类似于共振器1300，共振器1400可以卷起以形成管状共振器。

图15和图16示出了模拟具有平面共振器的RF天线系统的结果。在两个图中，示出了具有平面共振器1502的天线1500。平面共振器是600mm*400mm大小。共振器由导体304的31*21网格制成。电线被建模成具有3mm半径，并且大约5pF的620个电容每个被定位于由导体340形成的矩形网格的交叉处。在建模期间，利用在共振器1502下方50mm的感应耦合的矩形线圈对天线1500进行馈送。

共振器在127.728MHz处共振，并且具有用于磁共振成像的磁共振分布。

在图15中，将磁场强度示出为平面1504中的灰度等级。磁场的幅度和方向也利用向量示出。

在图16中，向量1600表示具有对数刻度的磁场。图15没有使用对数刻度。可以看出，感应耦合的馈送线圈1506并不显著贡献于RF场，因为电流相对片状共振器是低的。

尽管已经在附图中和前述描述中详细图示和描述了本发明，但是这种图示和描述被认为是说明性或示例性的而非限制性的；本发明并不局限于所公开的实施例。

本领域技术人员通过研究附图、公开物和随附权利要求，在实践要求保护的发明时，可以理解和实现公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元件或步骤，并且词语“一”或“一个”并不排除多个。单个处理器或其它单元可以完成在权利要求中记载的若干项目的功能。尽管在相互不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。计算机程序可以存储/分布于适当的介质上，例如，光学存储介质或固态介质，其与其它硬件一起供应或作为其它硬件的一部分供应，但是还可以以其它形式分布，例如，经由因特网或其它有线或无线电信系统。权利要求中的任何附图标记都不应解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种RF天线系统(100、1014、1014’)，用于将RF激励信号发射到MR成像系统(1000、1100、1200)的成像体积(1015)和/或接收来自MR成像系统的成像体积的MR信号，其中，磁共振成像天线包括：

-线圈形成器(100、1014、1014’)，其邻近所述成像体积(1015)；以及

-共振器(400、500、600)，其被附接到所述线圈形成器，并且被调谐到根据在多个电容器(302)之间的电连接(304)形成的至少一个共振频率，其中，所述多个电容器分布于围绕并且沿着所述线圈形成器的二维周期性图样(300、700、800、900)中，并且其中，电容器的所述周期性图样形成表现为二维介电导体的结构，其中，所述二维周期性图样沿着纵向和横向延伸，具有沿着所述纵向设置的第一多个电容器和沿着所述横向设置的第二多个电容器，沿着所述纵向和所述横向设置的所述电容器是电互连的。

2.根据权利要求1所述的RF天线系统，其中，所述线圈形成器由电介质形成，其中，所述线圈形成器包括第一表面和第二表面，其中，所述多个电容器中的每个由第一导电部分和第二导电部分形成，其中，所述第一导电部分被附接到所述第一表面，其中，所述第二导电部分被附接到所述第二表面，其中，每个电容器由具有所述第一导电部分和所述第二导电部分的所述线圈形成器的各自的部分形成。

3.根据权利要求1或2所述的RF天线系统，其中，电容器的所述周期性图样在二维介电导体结构的两个方向上都具有相同的距离和相同的电容器。

4.根据权利要求1或2所述的RF天线系统，其中，所述多个电容器具有一个或多个最近邻，并且所述多个电容器的最近邻是以下之一：电绝缘的或者它们电串联连接。

5.根据权利要求2所述的RF天线系统，其中，所述磁共振成像天线具有外表面，其中，所述磁共振成像天线还包括邻近所述外表面的RF屏障(104)，并且其中，所述RF屏障(104)被提供为在RF频带共振的人工磁导体结构的形式。

6.根据权利要求5所述的RF天线系统，其中，所述RF天线系统还包括在所述RF屏障与所述共振器之间连接的多个失谐射频开关。

7.根据权利要求1所述的RF天线系统，其中，所述周期性图样被划分为电绝缘的组(502)，其中，所述电绝缘的组中的每个组与所述电绝缘的组中的任意其他组电绝缘，并且其中，所述电绝缘的组中的每个组能被连接到分别的射频信道。

8.根据权利要求7所述的RF天线系统，其中，至少一个共振频率是多个共振频率，其中，所述电绝缘的组中的每个组被调谐到从所述多个共振频率中选出的单个共振频率。

9.根据权利要求8所述的RF天线系统，其中，所述RF天线系统是包括一个或多个天线元件的表面线圈，其中，所述天线元件中的每个是所述电绝缘的组中的一个，并且其中，所述表面线圈邻近所述成像体积。

10.根据权利要求6-9中的任一项所述的RF天线系统，其中，所述线圈形成器是圆柱体，其中，所述圆柱体具有形成所述成像体积的内部区域，其中，所述圆柱体具有旋转对称轴，其中，所述周期性图样沿着所述旋转对称轴被分段为电绝缘的组(1014’)。

11.根据权利要求6-9中的任一项所述的RF天线系统，其中，所述线圈形成器是圆柱体，其中，所述圆柱体具有形成所述成像体积的内部区域，其中，所述圆柱体具有对称轴，其中，所述周期性图样关于所述对称轴被分段为电绝缘的组(402、502)。

12.根据权利要求11所述的RF天线系统，其中，所述电绝缘的组关于所述对称轴扭曲。

13.根据权利要求7-9中的任一项所述的RF天线系统，其中，所述电绝缘的组包括多个射频开关(1202)，所述多个射频开关被布置为电连接所述电绝缘的组。

14.一种磁共振成像系统(1000、1100、1200)，用于从成像区(1008)采集磁共振数据(1042)，其中，成像体积(1015)在所述成像区内，其中，所述磁共振成像系统包括根据权利要求1-13中的任一项所述的RF天线系统。

15.根据权利要求14所述的磁共振成像系统，其中，所述RF天线系统是根据权利要求9-13中的任意一项的，其中，所述磁共振成像系统还包括射频系统(1016)，所述射频系统能用于分别地向所述电绝缘的组(1014’)中的每个供应射频功率，其中，所述磁共振成像系统还包括用于控制所述磁共振成像系统的一个或多个处理器(1030)，其中，所述磁共振成像系统还包括用于存储机器可执行指令(1050、1052)和脉冲序列数据(1040)的存储器(1036、1038)，其中，所述机器可执行指令的执行使所述处理器控制所述磁共振成像系统根据所述脉冲序列数据来采集所述磁共振数据，其中，所述脉冲序列数据还包括用于控制所述射频系统来调节在所述磁共振数据的所述采集期间供应给所述电绝缘的组中的每个的相位和/或射频功率的数据。

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