CN107533116A - 多通道发送/接收射频(rf)系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于磁共振检查系统的多通道发送/接收射频(RF)系统，其具有包括多个天线元件的RF天线阵列和用于向天线元件供应电RF功率的RF电源。定向耦合器在相应的天线元件与功率分布器之间形成电路。监测模块被配置为测量个体定向耦合器处的(一个或多个)正向电波幅度和(一个或多个)反射电波幅度，并且算术模块被配置为基于所测量的正向电波幅度和反射电波幅度来计算个体线圈元件电流。

Description

多通道发送/接收射频(RF)系统
技术领域
本发明涉及用于磁共振检查系统的多通道发送/接收射频(RF)系统。
磁共振成像(MRI)方法利用磁场和核自旋之间的相互作用，以便形成二维或三维图像，现在广泛使用，尤其是在医学诊断领域中，因为对于对软组织的成像，齐在许多方面优于其他成像方法，不需要电离辐射并且通常不是侵入性的。
根据一般的MR方法，要被检查的患者的身体被布置在强的均匀磁场B0中，其方向同时限定测量与之相关的坐标系的轴(通常z轴)。磁场B0根据可以通过应用限定的频率(所谓的拉莫尔频率或MR频率)的交变电磁场(RF场)所激励(自旋共振)的磁场强度而产生针对个体核自旋的不同的能级。从宏观角度而言，个体核自旋的分布产生总体磁化，所述总体磁化可以通过应用适当频率的电磁脉冲(RF脉冲)而偏离平衡态，而该RF脉冲的对应磁场B1垂直于z轴延伸，使得磁化关于z轴执行进动。该进动描述圆锥体的表面，所述圆锥体的孔径角称为翻转角。翻转角的尺寸取决于所应用的电磁脉冲的强度和持续时间。在所谓的90°脉冲的范例中，磁化从z轴偏转到横向平面(翻转角90°)。
在RF脉冲的终止之后，磁化弛豫回到初始的平衡状态，其中，z方向上的磁化以第一时间常量T1(自旋点阵或纵向弛豫时间)再次建立，并且垂直于z方向的方向上的磁化以第二且更短的时间常量T2(自旋-自旋或横向弛豫时间)弛豫。横向磁化及其变化可以借助于接收RF天线(线圈阵列)来检测，所述RF天线以如下的方式在磁共振检查系统的检查体积内布置和取向：使得在垂直于z轴的方向上测量磁化的变化。在由局部磁场不均匀性所诱发的RF激励之后，横向磁化的衰变伴随有失相发生，所述局部磁场不均匀性促进从具有相同信号相位的有序状态到其中所有相位角均匀地分布的状态的转变。失相可以借助于重聚焦RF脉冲(180°脉冲)来补偿。这产生接收线圈中的回波信号(自旋回波)。
为了实现来自正在成像的受试者(例如要检查的患者)的磁共振信号的空间分辨率，沿着三个主轴延伸的恒定磁场梯度被叠加在均匀磁场B0上，从而导致自旋共振频率的线性空间相关性。在接收天线(线圈阵列)中拾取的信号然后包含可以与身体中的不同位置相关联的不同频率的分量。经由接收线圈获得的信号数据对应于磁共振信号的波向量的空间频域，并且被称为k空间数据。k空间数据通常包括不同相位编码的所获得的多个行。通过收集多个样本来将每个行数字化。通过傅里叶变换将一组k空间数据转换成MR图像。
在存在恒定磁场梯度的情况下，横向磁化也移相。通过适当的梯度反转形成所谓的梯度回波，该过程可以反转，类似于RF诱导(自旋)回波的形成。然而，在梯度回波的情况下，与RF重聚焦(自旋)回波相对，主场不均匀性的效应、化学位移和其他非共振效应不再被重聚焦。
背景技术
用于磁共振检查系统的多通道发送/接收射频(RF)系统从I.Graesslin的PIERSProceedings，Cambridge，USA中的文章的“Comprehensive RF safety concept forparallel transmission MR”(2008年7月2-6日)获知。
已知的多通道发送/接收射频(RF)系统包括RF天线阵列，例如多通道体线圈或(局部)多元件(RF)发送阵列。提供多个RF放大器以个体地激活RF天线阵列的个体天线元件。此外，为RF天线元件中的每个提供拾取线圈。监测每个拾取元件的电流，并与要求的RF波形进行比较。这使得能够检测RF天线元件处的幅度和相位偏差，并且控制局部的比吸收率(SAR)。美国专利申请US2010/0167668涉及监测磁共振断层摄影系统中的射频发射器。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有SAR监测功能的多通道发送/接收射频(RF)系统，其需要较少的电子部件，特别是板上线圈或线圈阵列。
该目的通过本发明的多通道发送/接收射频(RF)系统实现，其包括：
RF天线阵列，其包括多个天线元件，
RF电源，其用于向天线元件提供电RF功率，
定向耦合器，其在相应的天线元件和所述功率分布器之间形成电路(circuited)，其中，
监测模块被配置为测量个体定向耦合器处的(一个或多个)正向电波幅度和(一个或多个)反射电波幅度，
算术模块被配置为基于所测量的正向电波幅度和反射电波幅度来计算个体线圈元件电流。
根据本发明，在与RF天线元件中的每个相关联的定向耦合器处测量个体RF天线元件的正向波幅度和反射波幅度。例如，在RF线圈阵列中，RF天线元件由阵列的线圈元件形成。在定向耦合器处，可以区分正向波幅度和反射波幅度，但是为了本发明的目的，似乎不需要出现高度的方向性。因此，为了本发明的目的，可以采用实际的定向耦合器以及具有特定程度的定向耦合的其它电子部件。然而，通常，需要通过实际的定向耦合器来保护RF放大器免受反射波幅度的影响，很容易将正向波幅度和反射波幅度从这些实际定向耦合器解耦合。在相应的定向耦合器处，与其相关联的RF天线元件的正向和反射(复值，例如幅度和相位)波幅度的部分被解耦合。表示正向和反射波幅度的电压或电流从定向耦合器电信号中的每个解耦合。即，解耦合的正向波幅度和反射波幅度可以被测量为电压或电流信号。本发明实现了从个体正向和反射波幅度测量值确定线圈电流，即RF天线元件中的每个中的电流。因此，本发明避免了需要额外的拾取线圈和相关联的电路(特别是布线)来控制个体RF天线元件处的发送的电磁场。本发明应用用于为RF天线元件提供功率的任何信号源；这可以通过用于RF天线元件中的每个的个体放大器来实现，或者比RF天线元件更少的放大器可以与(一个或多个)功率分路器一起使用。实际的，即物理的电线圈电流涉及表示从定向耦合器解耦合的正向电波幅度和反射电波幅度的可访问信号的线性组合。这些线性组合由分布矩阵表示，其实际上表示RF天线元件之间的以及来自RF天线元件的正向信号和反射信号的分布以及来自定向耦合器和RF天线元件(即包括任何匹配电路)之间的RF链的部分中的RF天线元件的反射。
本发明使用一组校准测量结果来直接访问测量的正向波幅度和反射波幅度的线性组合，其描述RF天线元件中的每个中的电流。亦即，根据该组校准测量结果确定分布矩阵元素。这允许从定向耦合器处解耦合的波幅度的被测量的部分计算实际电线圈电流。即，使用描述线性组合的分布矩阵元素计算RF天线元件中的每个中的电流，从而产生形成在定向耦合器处测量的正向波幅度和反射波幅度的电流。继而，根据计算的实际电流可以计算由RF天线元件生成的B1场分布。
根据本发明，从定向耦合器的测量的解耦合信号可以计算每个单个RF天线元件中的电流。该计算可以在近似中进行，即定向耦合器之间的交叉耦合可以忽略不计。然而，这仍然允许RF天线元件之间的显著的耦合。该近似使得能够校准分布矩阵的(矩阵元素的)公平近似。根据RF天线元件(RF阵列的线圈)中的每个的实际电流可以计算发射的电场分布，以及因此实际的SAR。
因此，一旦确定了该线性组合，或对应地分布矩阵或其公平近似(因为线性组合可以由矩阵方程表示)，则针对来自测量的正向和反射波幅度的任意激励模式可以计算RF天线元件中的实际电线圈电流。因此，对于定义其空间激励模式的RF激励的选定波形，根据天线元件的几何配置和天线元件中计算的实际电流，计算由RF线圈元件生成的旋转B1场。根据这些计算的旋转B1场，还应计算沉积到对象中的RF能量的比吸收率(SAR)。因此，本发明实现了获得特定磁共振成像方法中涉及的实际SAR。
对于校准测量，针对至少一个位置的电线圈电流和B1场的关系需要对于至少一个线圈负载是已知的，优选地对于空线圈或加载有小的油模体的。
一旦被校准，由激活的天线元件生成的旋转B1场以及沉积到对象中的RF能量的比吸收率(SAR)可以从用于针对任何任意激励模式(即由个体RF放大器生成的幅度和相位的任何集合)对患者加载线圈模拟加权的测量的线圈元件电流被准确地估计。这一切在不需要单独的拾取线圈或其他类型的传感器的情况下工作，其直接测量个体电线圈电流，例如，通过由局部线圈元件电流生成的感应信号。因此，需要更少的布线，使得降低共模传播的风险。在本发明的另一方面中，功率分布器耦合在多个放大器和天线元件之间，使得可以采用比RF天线元件的数量少的RF功率放大器。
将参考从属权利要求中定义的实施例进一步阐述本发明的这些和其它方面。
本发明的见解在于，描述测量的波幅度和线圈元件电流的线性组合的分布矩阵由两个对角线块的矩阵相当地近似，即正向对角线块和反射对角线块：
在该等式中，I是包含个体线圈元件电流的向量，矩阵M＝(αβ)描述了正向(a)和反射(b)波幅度向量的线性组合。它由两个对角矩阵块组成，所述对角矩阵块由α和β表示。这种近似成立是因为由放大器开始并在个体线圈匹配电路之后结束的个体RF链之间的交叉耦合是可忽略的。实际上，在RF放大器和个体线圈匹配电路的远端之间，主要使用良好屏蔽的布线和集总电子器件，其固有地具有低互耦。注意，这不要求线圈元件被良好地去耦合，并且通道之间的交叉耦合由RF天线元件本身之间的耦合主导。可以通过以下来校准正向(α)和反射(β)对角矩阵块的矩阵元素：在RF天线元件的第一定义调谐状态(优选地被调谐到共振处或接近共振)下测量在由功率分布器(即RF匀场集合)供应的多个不同的正向波幅度生成的旋转Bl场，以及测量正向(a)和反射(b)波幅度。RF天线元件中的电流与测量的旋转Bl场直接相关。这种关系可以被建立，例如通过基于例如Biot/Savart定律对来自(简化的近似)计算的模拟。此外，在第二定义的调谐状态下，特别是利用解调的线圈元件，或在预定的加载状况下执行进一步的校准测量。在完全解调的RF天线元件测量处的该校准测量中，不需要测量B1场，只是因为解调的RF天线元件不发射(显著的)旋转Bl场强。在这些测量中，正向波幅度生成反射波幅度，所述反射波幅度表示信号在RF天线元件与定向耦合器之间分布的方式的部分。
优选地，至少独立操作的RF天线元件的数量的多个独立RF匀场集合与天线元件一起被采用在其调谐和解调状态中。使用元件计数N的两倍数量的不同的第一和第二调谐状态的以上校准实现了确定2N个未知矩阵系数。不需要个体地调谐/解调。针对校准测量调谐和解调一次就足够了。看起来甚至将线圈解调一次是足够的，例如通过采用跳线开关，每元件将电容器去焊接或使其短路。一旦校准，线圈元件原则上不再需要解调。备选地，可以通过不同地加载RF天线元件来实现不同的第一和第二调谐状态。本发明的一个见解是，在分布矩阵的校准中采用的调谐状态和解调状态两者中，RF通道的结构相等。这实现了校准对于RF通道结构的细节是相对不敏感的。
本发明还涉及确定用于磁共振检查系统的多通道发送/接收射频系统中的个体线圈元件电流的方法。根据本发明，该方法还包括在向天线元件供电的两个或更多个预定义的电学状况下测量个体定向耦合器处的(一个或多个)正向电波幅度和(一个或多个)反射电波幅度，并且基于测量的正向电波幅度和反射电波幅度计算个体线圈元件电流。如所解释的，本发明避免了对控制个体RF天线元件处的发送的电磁场的额外的的拾取线圈和相关联的电路(特别是布线)的需要。
将参考下文描述的实施例并参考附图来阐述本发明的这些和其它方面。
附图说明
图1示出了采用本发明的磁共振检查系统的示意性表示；
图2示出了具有耦合到用于图1的磁共振检查系统的RF发送/接收系统中的多个RF通道的匹配电路的RF线圈阵列的示意性表示。
具体实施方式
图1示出了采用本发明的磁共振检查系统的示意性表示。磁共振成像系统包括具有一组主线圈10的主磁体，由此生成稳定的均匀磁场。主线圈例如以这样的方式构造：其形成膛以围绕隧道形检查空间。要检查的患者被放置在患者载体上，患者载体被滑动到该隧道形检查空间中。磁共振成像系统还包括多个梯度线圈11、12，由此生成呈现空间变化的磁场，特别是以个体方向上的时间梯度的形式，从而被叠加在均匀的磁场上。梯度线圈11、12连接到包括一个或多个梯度放大器和可控电源单元的梯度控制器21。梯度线圈11、12通过借助于电源单元21应用电流而被通电；为此，电源单元配有电子梯度放大电路，其将电流应用到梯度线圈，从而产生适当时间形状的梯度脉冲(也称为“梯度波形”)。梯度的强度、方向和持续时间由电源单元的控制来控制。磁共振成像系统还包括分别用于生成RF激励脉冲和用于拾取磁共振信号的发送和接收天线(线圈或线圈阵列)13、16。发送线圈13优选地构造为体线圈13，由此可以围绕要检查的对象(的部分)。体线圈通常以这样的方式布置在磁共振成像系统中：使得要被检查的患者在他或她被布置在磁共振成像系统中时被体线圈13围绕。体线圈13用作用于发送RF激励脉冲和RF重聚焦脉冲的发送天线。优选地，体线圈13涉及发送的RF脉冲(RFS)的空间均匀的强度分布。通常将相同的线圈或天线交替地用作发送线圈和接收线圈。通常，接收线圈包括多个元件，每个元件通常形成单个回路。回路的各种形状的各种几何结构和各种元件的布置是可能的。发送和接收线圈13连接到电子发送和接收电路15。
应注意，存在一个(或几个)RF天线元件，其可以用作发送和接收；此外，通常，用户可以选择采用通常形成为接收元件的阵列的应用特定的接收天线。例如，表面线圈阵列16可以用作接收线圈和/或发送线圈。这种表面线圈阵列在相当小的体积中具有高灵敏度。接收线圈连接到前置放大器23。前置放大器23放大由接收线圈16接收的RF共振信号(MS)，并且被放大的RF共振信号被应用到解调器24。接收天线，例如表面线圈阵列，连接到解调器24，并且接收的前置放大的磁共振信号(MS)借助于解调器24被解调。前置放大器23和解调器24可以被数字地实施并集成在表面线圈阵列中。经解调的磁共振信号(DMS)被应用到重建单元。解调器24解调经放大的RF共振信号。经解调的共振信号包含关于要成像的对象的部分中的局部自旋密度的实际信息。此外，发送和接收电路15连接到调制器22。调制器22以及发送和接收电路15激活发送线圈13从而发送RF激励和重聚焦脉冲。具体地，表面接收线圈阵列16通过无线链路耦合到发送和接收电路。由表面线圈阵列16接收的磁共振信号数据被发送到发送和接收电路15，并且控制信号(例如，调谐和解谐波表面线圈)通过无线链路被传送到表面线圈。
重建单元从经解调的磁共振信号(DMS)中导出一个或多个图像信号，所述图像信号表示要检查的对象的被成像的部分的图像信息。实际上，重建单元25优选地被构造为数字图像处理单元25，所述数字图像处理单元被编程从而从经解调的磁共振信号导出表示要成像的对象的部分的图像信息的图像信号。重建的输出上的信号被应用到监测器26，使得重建的磁共振图像可以显示在监测器上。备选地，能够将来自重建单元25的信号存储在缓冲单元27中，同时等待进一步的处理或显示。
根据本发明的磁共振成像系统还被提供有例如以包括(微)处理器的计算机形式的控制单元20。控制单元20控制RF激励的运行和时间梯度场的应用。为此，将例如包括用于执行包括适当的MR脉冲序列的成像协议的指令的软件加载到控制单元20和重建单元25中。实际上，控制单元20可以形成系统主机。
图2示出了具有耦合到用于图1的磁共振检查系统的RF发送/接收系统中的多个RF通道的匹配电路的RF线圈阵列的示意性图示。本发明中采用的RF发送/接收系统是多通道发送/接收射频系统。在范例中，示出了六个独立RF通道102-1至102-6。这些独立的RF通道耦合到RF线圈阵列16。RF线圈阵列包括RF线圈元件或线圈回路形式的若干RF天线元件103-1至103-6。在多个(即六个)RF通道102-1、...、102-6中，经由包括在匹配链104中的匹配电路从RF放大器将正向波幅度(ai)发送到RF线圈阵列的线圈元件。正向功率可以由针对每个通道的个体放大器模块供应。备选地，较少的放大器模块，例如一个或仅几个放大器模块，可以与可控功率分路器一起提供，以将正向波幅度供应给RF通道中的每个。返回到RF通道的反射的、即更一般地返回或散射的波幅度(bj)形成包括匹配电路的匹配链。定向耦合器101-1..101-6被提供在RF通道中的每个中以阻止反射波幅度的进一步传输。正向波幅度和反射波幅度的部分从RF通道中的每个中的定向耦合器耦合出来，并被馈送到检测电路105中。这可以容易地通过将反射和正向波幅度在一长度的线缆上耦合出来到50Ω负载来实现，在所述负载处ADC对耦合出的电压进行采样。应注意，信号(波)的反射和散射可以从信号通道的个体部分发生。具有ADC的检测电路105形成监测模块。检测到的正向和反射波幅度的检测到的信号值被馈送到算术模块106中。这些检测到的信号值可以从反射和正向波幅度的电流和/或电压导出。备选地，正向和反射波幅度可以从发送链中的定义的位置处的测量结果导出(可以不同于在所述处的测量值)。注意，波幅度通常具有复数值，因为波幅度具有幅度和相位。该算术模块106具有对描述RF天线元件中的电流与检测到的正向和反射波幅度之间的对应性的分布矩阵元素的访问权。这些分布矩阵元素在如上所述的校准步骤中被确定并存储在校准存储器107中。算术模块106还被配置或编程为使用检测到的信号值和分布矩阵元素计算线圈元件103-1..103-6中的每个中的实际电流。算术模块106和校准存储器107可以容纳在控制单元或系统主计算机20中。实际发送的B1场、电场分量以及因此SAR电平可以通过算术模块来计算。这些结果还可以被用于控制放大器系统23和任选地匹配电路，以控制馈送到线圈回路中的波幅度从而控制所发送的Bl场。
在其他的实施方式中，可以采用更大数量的独立的RF通道，例如32、64或甚至128或更多独立RF通道。此外，RF天线元件或RF线圈阵列中的线圈元件的数量可以为6、32、64或甚至128或更大。

Claims (5)

1.一种用于磁共振检查系统的多通道发送/接收射频(RF)系统，包括：
RF天线阵列，其包括多个天线元件，
RF电源，其用于向所述天线元件供应电RF功率，
定向耦合器，其在相应的天线元件与功率分布器之间形成电路，其中，
监测模块被配置为测量个体定向耦合器处的一个或多个正向电波幅度和一个或多个反射电波幅度，
算术模块被配置为基于所测量的正向电波幅度和反射电波幅度来计算个体线圈元件电流。
2.根据权利要求1所述的多通道发送/接收射频(RF)系统，其中，所述监测模块被配置为在向所述天线元件供电的两个或更多个预定义的电学状况下测量信号的两个独立的集合，所述信号特别是正向波幅度和反射波幅度。
3.根据权利要求2所述的多通道发送/接收射频(RF)系统，其中，个体天线元件包括调谐/解调功能，并且所述预定义的电学状况具有所述个体天线元件的不同调谐状态。
4.根据权利要求3所述的多通道发送/接收射频(RF)系统，其中，所述预定义的电学状况包括：(i)以预定输入幅度和相位和频带供应电功率并且所述天线元件被调谐为在所述频带中共振的调谐电学状况，以及(ii)以预定输入幅度和相位和频带供应电功率并且所述天线元件被解调为在所述频带中非共振的解调的电状况。
5.一种确定在用于磁共振检查系统的多通道发送/接收射频系统中的个体线圈元件电流的方法，包括以下步骤：
在向天线元件供电的两个或更多个预定义的电学状况下测量个体定向耦合器处的一个或多个正向电波幅度和一个或多个反射电波幅度，并且
基于所测量的正向电波幅度和反射电波幅度来计算所述个体线圈元件电流。
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