CN107367702B - 一种多端口线圈的匹配方法及网格化射频线圈 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多端口线圈的匹配方法及网格化射频线圈，所述多端口线圈通过匹配网络与前端放大器连接，所述匹配网络输入端口与所述多端口线圈的端口连接，所述匹配网络的输出端口与所述前端放大器连接，配置所述匹配网络的阻抗，使得所述匹配网络的输入端口的输入阻抗为高阻状态，并且所述匹配网络的输出端口的阻抗能够使得所述前端放大器的噪声系数最小，本发明既满足了多端口线圈与前置放大器的连接要求，又使得谐振状态在连接前置放大器前后保持不变。

Description

一种多端口线圈的匹配方法及网格化射频线圈

技术领域

本发明涉及磁共振领域，具体涉及一种应用于磁共振成像的多端口线圈的匹配方法及网格化射频线圈。

背景技术

在磁共振领域，传统的磁共振系统的局部接收线圈通常采用阵列结构，如图1所示，所述线圈的输出端连接有前置放大器，而线圈与所述前置放大器的阻抗不一致，因此需要进行匹配。所述阵列结构与同样覆盖范围的单个大环线圈相比，每个线圈单元灵敏度分布更加局域化，负载噪声更低，因此信噪比明显优于大环线圈。磁共振图像由阵列结构的所有单元的图像合成得出，因此通过拓展阵列单元数可以实现覆盖更大的视野。

然而在阵列单元数目增长的同时,不同单元之间的耦合会影响线圈的谐振状态，导致合成的信噪比的损失，因此阵列单元之间必须采取某种去耦手段消除耦合，例如相邻单元间采用部分重叠方式去耦，线圈单元额外增加一个环形电感进行重叠去耦，或者采用去耦网络进行去耦。在单元数目较大的情况下，以上各种去耦方式都会导致过于复杂的去耦结构，或者非相邻单元之间无法实现去耦。

为了进一步减小阵列单元之间的耦合，需要在所述线圈阵列与所述前端放大器之间设置匹配网络，所述匹配网络是一个双端口组件，从前置放大器向线圈看能够实现前放去耦，从线圈向放大器看能够实现线圈与放大器的匹配。通过匹配网络的设置将前端放大器的低输入阻抗变换为高输入阻抗，从而降低线圈的Q值，使得实际的线圈电流减小，从而减小因为磁场带来的耦合。如图2A所示，从放大器向线圈看，阻抗为50ohm，这是放大器最佳噪声匹配点的要求；如图2B所示，从线圈向放大器方向看，阻抗为高阻，这是传统线圈前放去耦的要求(这种匹配方式可称之为前放去耦匹配方式)。此时线圈的匹配电容为前方匹配的一个组成部分，因此连接前端放大器后，线圈相当于在匹配电容位置断开。产生的实际效果是，线圈未连接放大器时为正常的谐振状态，如图3A所示；而当线圈连接放大器时，放大器匹配得到的高阻会降低线圈的Q值，表现为线圈谐振峰的分裂，所述线圈谐振状态发生变化，如图3B所示。

为了解决阵列线圈的去耦问题，也可以采用一种多端口的线圈结构,每个端口对应一个输出通道。多端口线圈的输出阻抗与放大器的输入要求并不一致，因此仍然需要进行匹配。如上所述，传统的前方去耦匹配方式会改变线圈的谐振状态，由于多端口线圈和阵列线圈工作原理的差异，谐振状态的改变对于阵列线圈没有影响，但多端口线圈通常具有多个谐振频率，对应多种模式，谐振状态不能轻易改变，故有必要研发出适用于多端口线圈的匹配方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于磁共振成像的多端口线圈的匹配方法及网格化射频线圈，通过配置匹配网络的阻抗，使得所述匹配网络的输入端口的输入端为高阻状态，并且所述匹配网络的输出端口的阻抗能够使得所述前端放大器的噪声系数最小，既满足了多端口线圈与前置放大器的连接要求，又使得谐振状态在连接前置放大器前后保持不变。

本发明是以如下技术方案实现的，一种多端口线圈的匹配方法，所述多端口线圈通过匹配网络与前端放大器连接，所述匹配网络输入端口与所述多端口线圈的端口连接，所述匹配网络的输出端口与所述前端放大器连接，配置所述匹配网络的阻抗，使得所述匹配网络的输入端口的输入端为高阻状态，并且所述匹配网络的输出端口的阻抗能够使得所述前端放大器的噪声系数最小。

优选的，还包括根据所述多端口线圈的网络结构的谐振特性和接收场分布选择所述端口。

优选的，所述匹配网络由T型网络或π型网络实现。

优选的，所述匹配网络的输出端口的阻抗为50ohm。

优选的，所述T型匹配网络同时满足公式1和公式2，其中：

公式1：

公式2：

其中，Z_LNA为所述前端放大器的阻抗，Z_in为所述多端口线圈的阻抗，Z₁，Z₂和Z₃分别为所述T型匹配网络的三个支路的阻抗，Z_{high-impedance}表示高阻。

优选的，Z_{high-impedance}的实部可以为任意值，虚部为0。

优选的，所述π型匹配网络同时满足公式1和公式2，其中：

公式1：

公式2：

其中，Z_LNA为所述前端放大器的阻抗，Z_in为所述多端口线圈的阻抗，Z₁，Z₂和Z₃分别为所述π型匹配网络的三个支路的阻抗，Z_{high-impedance}表示高阻。

优选的，Z_{high-impedance}的实部可以为任意值，虚部为0。

优选的，确定所述多端口线圈的端口位置的谐振模式后，所述匹配网络和所述端口的端口电容共同形成高阻状态。

一种网格化射频线圈，包括多个射频信号接收单元，所述射频线圈包括一个或数个输出端口、匹配网络、前端放大器，所述匹配网络输入端与所述射频线圈的输出端口连接，所述匹配网络的输出端与所述前端放大器连接，所述匹配网络的阻抗被配置为：所述匹配网络的输入端为高阻状态，并且所述匹配网络的输出端口的阻抗大小范围为40-60ohm。

优选的，所述射频线圈的输出端口和所述匹配网络的输入端口均未设置匹配电容。

优选的，所述匹配网络的输出端口的阻抗为50ohm。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种应用于磁共振成像的多端口线圈的匹配方法及网格化射频线圈，通过配置匹配网络的阻抗，使得所述匹配网络的输入端口的输入端为高阻状态，并且所述匹配网络的输出端口的阻抗能够使得所述前端放大器的噪声系数最小，既满足了多端口线圈与前置放大器的连接要求，又使得谐振状态在连接前置放大器前后保持不变。

附图说明

图1是常规线圈阵列示意图；

图2A从前置放大器向传统线圈看时传统线圈输出匹配示意图；

图2B是从传统线圈向前置放大器看时传统线圈输出匹配示意图；

图3A是传统线圈连接前置放大器之前谐振状态示意图；

图3B是传统线圈连接前置放大器之后谐振状态示意图；

图4是复杂网络线圈多端口设置示意图；

图5是传统线圈与多端口线圈匹配方法差异；

图6是第一个实施例匹配方法示意图；

图7是第一个实施例匹配网络示意图；

图8是第二个实施例匹配网络示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

在第一个实施例中，如图4所示，多端口线圈的基础是一个整体的网络结构，在其基础上根据该结构的谐振特性和接收场分布选择特定的位置作为输出端口，每一个输出端口对应一个系统接收通道。

在传统的阵列线圈单元的匹配方式中，线圈的匹配电容通过匹配网络和前端放大器相连，在此处形成一个高的输入阻抗。如果考虑理想情况，前端放大器的输入阻抗为0，则此时匹配电容处的阻抗为无穷大。因此在工作状态，线圈上不会有电流形成，从而消除了单元之间由于磁场产生的耦合。实际情况下典型的前端放大器通常具有1～3欧姆的输入阻抗，因此在匹配电容位置仍能形成足够高的阻抗，从而实现前放去耦功能。

由于环形线圈仅有一个谐振频率，并且在线圈尺寸远小于波长的情况下，沿线圈环路的电流近似为均匀分布。因此采用前放去耦的匹配方式仅改变了线圈的Q值，并不会改变线圈的谐振频率或者谐振模式。但是对于具有复杂结构的多端口线圈，其通常具有多个谐振频率，对应多种模式。选定的工作模式的特点是电流分布的局域性强，因此相邻端口为弱耦合，端口之间不需要进行额外的去耦。如果在某个端口采用前放去耦的匹配方式，则会将该端口电容的阻抗变为高阻，使得此条边上的电流被切断，因此改变了该处局部的电流分布，从而改变多端口线圈的原有谐振模式。而多端口线圈具有对应不同模式的不同的谐振频率，谐振状态不能轻易改变，因此，现有的前方去耦的匹配方式不适应该多端口线圈。

传统线圈与多端口线圈匹配方法差异如图5所示，传统线圈的端口电容和匹配网络共同形成高阻，因此相当于把端口电容所在的这条边断开；新线圈的匹配网络输入端本身就是高阻，并联到端口电容后近似于没有影响。

传统线圈的要求是：从线圈到放大器实现匹配，反方向实现前放去耦；

多端口线圈自身为一个整体，通常为网格状结构，在网格的每个节点或者边上设置适当的电容形成谐振。该类型的结构存在多个谐振模式，每个模式对应网格结构上不同的电流分布。其中特定的谐振模式下，电流分布局域性较高，因此相邻端口之间为弱耦合状态，因此不需要考虑去耦问题。因此多端口线圈的要求是：从线圈到放大器实现匹配，反方向保持谐振状态不变。

本实施例中的多端口线圈的匹配方法中，所述多端口线圈通过匹配网络与前端放大器连接，所述匹配网络输入端口与所述多端口线圈的端口连接，所述匹配网络的输出端口与所述前端放大器连接，如图6所示，具体包括如下步骤：

S1.配置所述匹配网络的阻抗，使得所述匹配网络的输入端口的输入端为高阻状态；

S2.配置所述匹配网络的阻抗，使得所述匹配网络的输出端口的阻抗为50ohm。

此外，还包括根据所述多端口线圈的网络结构的谐振特性和接收场分布选择端口。

具体地，所述匹配网络如图7所示，由T型网络实现。

所述T型匹配网络同时满足公式1和公式2，其中：

公式1：

公式2：

其中，Z_LNA为所述前端放大器的阻抗，Z_in为所述多端口线圈的阻抗，Z₁，Z₂和Z₃分别为所述T型匹配网络的三个支路的阻抗，Z_{high-impedance}表示高阻。

其中线圈端口的阻抗Z_in和放大器的阻抗Z_LNA为已知量，Z₁，Z₂和Z₃均为未知变量。以上两个复数方程需要对实部和虚部分别求解，因此共有4个方程。此时方程数量大于未知量数量，因此为超定方程组，不存在解。本实施例中采用的做法是放松对Z_{high-impedance}的约束，仅要求其虚部为0，而实部不做要求，从而减少一个约束方程。此时对于Z₁，Z₂和Z₃存在唯一的解。因此对于任意的线圈端口输入阻抗和前端放大器输入阻抗，都可以确定出一组匹配元件的值。

第二个实施例，一种多端口线圈的匹配方法，所述多端口线圈通过匹配网络与前端放大器连接，所述匹配网络输入端口与所述多端口线圈的端口连接，所述匹配网络的输出端口与所述前端放大器连接，配置所述匹配网络的阻抗，使得所述匹配网络的输入端口的输入端为高阻状态，并且所述匹配网络的输出端口的阻抗能够使得所述前端放大器的噪声系数最小，本实施例中输出端口的阻抗为50ohm。

此外，还包括根据所述多端口线圈的网络结构的谐振特性和接收场分布选择端口。

具体地，所述匹配网络如图8所示，由π型网络实现。

所述π型匹配网络同时满足公式1和公式2，其中：

公式1：

公式2：

其中，Z_LNA为所述前端放大器的阻抗，Z_in为所述多端口线圈的阻抗，Z₁，Z₂和Z₃分别为所述π型匹配网络的三个支路的阻抗，Z_{high-impedance}表示高阻。

其中线圈端口的阻抗Z_in和放大器的阻抗Z_LNA为已知量，Z₁，Z₂和Z₃均为未知变量。以上两个复数方程需要对实部和虚部分别求解，因此共有4个方程。此时方程数量大于未知量数量，因此为超定方程组，不存在解。本实施例中采用的做法是放松对Z_{high-impedance}的约束，仅要求其虚部为0，而实部不做要求，从而减少一个约束方程。此时对于Z₁，Z₂和Z₃存在唯一的解。因此对于任意的线圈端口输入阻抗和前端放大器输入阻抗，都可以确定出一组匹配元件的值。

第三个实施例，与上前两个实施例的区别是确定了多端口线圈的端口位置的谐振模式后，要求匹配网络和端口电容共同形成高阻状态。

第四个实施例，一种网格化射频线圈，包括多个射频信号接收单元，所述射频线圈包括一个或数个输出端口、匹配网络、前端放大器，所述匹配网络输入端与所述射频线圈的输出端口连接，所述匹配网络的输出端与所述前端放大器连接，所述匹配网络的阻抗被配置为：所述匹配网络的输入端为高阻状态，并且所述匹配网络的输出端口的阻抗大小为40ohm。所述射频线圈的输出端口和所述匹配网络的输入端口均未设置匹配电容。

第五个实施例，与第四个实施例区别在于，所述匹配网络的输出端口的阻抗为50ohm。

第六个实施例，与第四个实施例区别在于，所述匹配网络的输出端口的阻抗为60ohm。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种多端口线圈的匹配方法，所述多端口线圈通过匹配网络与

前端放大器连接，所述匹配网络输入端口与所述多端口线圈的端口连接，多端口线圈具有对应不同模式的不同的谐振频率，所述匹配网络的输出端口与所述前端放大器连接，其特征在于，配置所述匹配网络的阻抗，使得所述匹配网络的输入端为高阻状态，并且所述匹配网络的输出端口的阻抗能够使得所述前端放大器的噪声系数最小；

所述匹配网络由T型网络或π型网络实现；

所述T型匹配网络同时满足下述公式，其中：

公式1：

其中，Z_LNA为所述前端放大器的阻抗，Z_in为所述多端口线圈的阻抗，Z₁，Z₂和Z₃分别为所述T型匹配网络的三个支路的阻抗，Z_{high-impedance}表示高阻；

所述π型匹配网络同时满足下述公式，其中：

其中，Z_LNA为所述前端放大器的阻抗，Z_in为所述多端口线圈的阻抗，Z₁，Z₂和Z₃分别为所述π型匹配网络的三个支路的阻抗，Z_{high-impedance}表示高阻。

2.根据权利要求1所述的一种多端口线圈的匹配方法，其特征在于，还包括根据所述多端口线圈的网络结构的谐振特性和接收场分布选择所述端口。

3.根据权利要求1所述的一种多端口线圈的匹配方法，其特征在于，Z_{high-impedance}的实部为任意值，虚部为0。

4.根据权利要求1所述的一种多端口线圈的匹配方法，其特征在于，确定所述多端口线圈的端口位置的谐振模式后，所述匹配网络和所述端口的端口电容共同形成高阻状态。

5.根据权利要求1所述的一种多端口线圈的匹配方法，其特征在于，所述多端口线圈为网格化射频线圈，所述射频线圈的输出端口和所述匹配网络的输入端口均未设置匹配电容。

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