CN110168393B - 低磁场强度下运行的磁共振断层成像设备和局部线圈矩阵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种局部线圈矩阵和一种用于利用低的磁场运行的磁共振断层成像设备。局部线圈矩阵具有第一线圈绕组和第二线圈绕组，并且具有分别与线圈绕组电气连接的低噪声的第一前置放大器和第二前置放大器。第一线圈绕组具有在第一频率范围内在拉莫尔频率下与所述与之相连的第一前置放大器的宽带匹配。

Description

低磁场强度下运行的磁共振断层成像设备和局部线圈矩阵

技术领域

本发明涉及一种用于在低磁场强度下运行的局部线圈矩阵和磁共振断层成像设备。

背景技术

磁共振断层成像设备是为了对检查对象进行成像、利用外部强磁场将检查对象的核自旋对齐、并且通过交变磁场激励核自旋围绕该对齐进动的成像装置。自旋从该激励状态到具有较小的能量的状态的进动或返回作为响应又产生交变磁场、也称为磁共振信号，该磁共振信号经由天线接收。

借助梯度磁场对这些信号施加位置编码，位置编码随后使得接收到的信号能够与体积元素相关联。然后对接收到的信号进行分析并且提供检查对象的三维成像显示。所产生的显示给出自旋的空间密度分布。

目前在磁共振断层成像设备中，通常使用1.5特斯拉、3特斯拉或者更高的磁场作为用于对齐核自旋的B0场。由于拉莫尔频率随着B0场强而线性地增加，因此拉莫尔频率在70MHz至150MHz以及以上的范围内移动。这带来在较高频率中噪声分量下降的优点。然而，与此同时，由于内部的力上升，为此需要的磁体变得越来越重并且越来越贵。存储在场中的能量也增加，使得必须针对超导的故障采取越来越昂贵的安全措施。

因此，特别是对于低成本的磁共振断层成像设备，存在降低场磁体所需的成本的需求。

在较低的B0场强和对应地较低的30MHz以及以下的拉莫尔频率下，患者的身体从发送和/或接收线圈的交变电磁场吸收较少的功率。线圈的质量增加，使得一方面虽然接收信号的幅度随着拉莫尔频率而增加。另一方面，也由此增加了相邻的线圈的相互作用，例如在局部线圈矩阵中。较强的相互作用引起线圈的共振频率的偏移，从而总体上使信噪比变差。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于低的静磁场强度的局部线圈矩阵和磁共振断层成像设备，其具有改善的成像。

该技术问题通过根据本发明的局部线圈矩阵和根据本发明的磁共振断层成像设备，以及通过根据本发明的用于运行的方法来解决。

根据本发明的用于具有低的静磁场B0的磁共振断层成像设备的局部线圈矩阵具有第一线圈绕组和第二线圈绕组，并且具有分别与线圈绕组电气连接的低噪声的第一前置放大器和第二前置放大器。在此，第一线圈绕组具有在第一频率范围内在拉莫尔频率下与所述与之相连的第一前置放大器的宽带匹配。在优选的实施方式中，第二线圈绕组也具有宽带匹配。

拉莫尔频率被认为是对应于在低的场强、特别是小于或等于1.5T、1T或0.5T的场强的静磁场中待采集的核自旋的共振频率的频率。

在此，宽带匹配被认为是一种匹配，该匹配在线圈共振频率与拉莫尔频率偏差了100kHz、200kHz或500kHz或者偏差了1％、5％或10％的情况下，在拉莫尔频率下引起在前置放大器处的信噪比(SNR)降低了小于1dB、2dB、3dB或6dB。

宽带匹配还可以通过包括匹配网络的线圈绕组的阻抗与前置放大器的输入阻抗的失配来定义。如果由线圈和匹配网络构成的系统的阻抗的量与前置放大器的输入阻抗的量在拉莫尔频率下偏差了超过20％、70％、200％或者400％，则根据本发明提供宽带匹配。在50欧姆的前置放大器的输入阻抗的情况下，由线圈绕组和匹配网络构成的系统的阻抗的量例如可以大于70欧姆、100欧姆或150欧姆。

最后，宽带匹配也可以通过反射系数来定义。在根据本发明的局部线圈中，在前置放大器的输入端处在由线圈绕组和匹配网络构成的系统的方向上的驻波比(英语：Standing Wave Ratio，SWR)在拉莫尔频率下大于1.5、2、3或5。例如在SWR为2时，这对应于在前置放大器的输入端处反射的信号电压，该信号电压为从天线线圈和匹配网络输入的信号电压的33％。

以有利的方式，具有宽带匹配的局部线圈矩阵能够在拉莫尔频率下在多个相邻的线圈由于通过线圈的相互作用而引起共振频率偏移的情况下实现改善了的、具有更好的信噪比的接收。

根据本发明的转用支持方案的另外的优点在从属的从属权利要求中给出。

在根据本发明的局部线圈矩阵的可想到的实施方式中，第一线圈绕组与第二线圈绕组相邻地布置。第一和第二线圈绕组分别形成第一共振电路和第二共振电路，该第一共振电路和第二共振电路形成由第一线圈绕组和第二线圈绕组构成的耦合的、具有第一共振频率和第二共振频率的系统。例如，通过第一线圈绕组的磁场与第二线圈绕组重叠来实现耦合，反之亦然。在此，基于固有电容和连接的组件，线圈绕组形成共振电路。在此，所耦合的系统的第一共振频率和第二共振频率是不同的，并且位于宽带匹配的第一频率范围内。宽带匹配的第一频率范围例如可以位于围绕拉莫尔频率100kHz、500kHz、1MHz或者2MHz。

通过两个共振频率位于宽带匹配的范围内，可以以有利的方式降低用于抑制耦合的成本，而不会通过失配损失太多的信噪比。

在根据本发明的局部线圈矩阵的可能的实施方式中，第一线圈绕组具有多个匝。优选地，第二线圈绕组也具有多个匝。

以有利的方式，具有多个匝的线圈具有较高的阻抗，使得匹配网络可以简单地并且以较低损耗的方式被设计在随后的、具有较高的输入阻抗的前置放大器处，或者还可以完全取消，这特别是结合随后讨论的低噪声的晶体管可以是有利的。

在根据本发明的局部线圈矩阵的可想到的实施方式中，第一线圈绕组在没有匹配网络的条件下直接与第一前置放大器处于信号连接。优选地，第二线圈绕组也在没有匹配网络的条件下直接与第二前置放大器处于信号连接。

如上所述，特别是在使用低噪声的晶体管时，还结合具有多个匝的线圈，将前置放大器在没有实施阻抗变换的和/或导致损耗的匹配网络的条件下直接与线圈绕组连接可以是有利的。在此，例如线圈和前置放大器之间的开关元件系统的输入阻抗和输出阻抗之间大于2或小于0.5的系数可以被视为阻抗变换。在此，还可以通过低欧姆的导体(<1欧姆)设置连接，该导体的长度小于导体上具有拉莫尔频率的信号的波长的十分之一。在此特别有利的是，在线圈绕组的共振频率失谐时，例如在几何形状改变时通过与第二线圈绕组的相互作用而使线圈绕组的共振频率失谐时，前置放大器的噪声电流在线圈绕组的阻抗处引起相对于理想匹配更小的噪声电压。如果线圈绕组的(可选地通过匹配网络变换的)阻抗对应于前置放大器的输入阻抗，则其被称为理想匹配。

在根据本发明的局部线圈矩阵的可能实施方式中，局部线圈矩阵具有与第一线圈绕组以及与第一前置放大器处于信号连接的匹配网络。在此，针对信号在拉莫尔频率下实施信号输入端和信号输出端之间的阻抗变换的电气组件的电路被视为匹配网络。在此，例如线圈和前置放大器之间的开关元件系统的输入阻抗和输出阻抗之间大于2或小于0.5的系数被视为阻抗变换。在此，由匹配网络和第一线圈绕组构成的系统的阻抗小于第一前置放大器的输入阻抗。在此，阻抗的量例如可以小了2倍、5倍、10倍、20倍、50倍、100倍或者更多。

匹配网络能够以有利的方式改变通过线圈绕组和匹配网络在前置放大器处施加的源阻抗。通过由线圈绕组和匹配网络构成的系统的阻抗小于前置放大器的输入阻抗，前置放大器的噪声电流在第一线圈绕组失谐时产生较小的噪声增加。以有利的方式，可以使局部线圈矩阵对通过患者或者通过几何形状变化而引起的共振频率的失谐不敏感。

在根据本发明的局部线圈矩阵的可想到的实施方式中，匹配网络被设计为，使得在第一线圈绕组失谐时通过第一前置放大器的噪声电流在由匹配网络和第一线圈绕组构成的系统的阻抗处引起的、在信号中的噪声的增加小于预定的边界值。

失谐例如可以大于共振频率(即，磁共振断层成像设备的拉莫尔频率)的0.1％、1％、2％、5％或10％。此外，在失谐时，除了别的之外，通过前置放大器的噪声电流在由匹配网络和线圈绕组构成的系统的阻抗处引起的噪声电压增加。预定的边界值例如可以是相对于共振频率下的噪声信号的1dB、3dB、6dB或12dB的噪声增长。

在根据本发明的局部线圈矩阵的可能实施方式中，前置放大器具有E-PHEMT(英语：Enhancement mode Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor，增强模式伪形态高电子迁移率晶体管)。

E-PHEMT是一种具有特别低的固有噪声的晶体管类型。以有利的方式，特别低的固有噪声允许用在没有通过宽带匹配使线圈绕组失谐的条件下的信噪比(SNR)的变差来交换在线圈绕组失谐时的噪声增加的减少，而不会在理想情况下在没有失谐的条件下引起相对于具有传统的晶体管的前置放大器的图像质量的降低。由此简化了局部线圈的操纵和设计，并且使图像质量更具可再现性。

还可以想到，通过冷却前置放大器、替换地或者结合特别低噪声的晶体管类型来实现特别低的噪声。

在根据本发明的局部线圈矩阵的可能实施方式中，局部线圈矩阵具有经由控制连接可调节的、与第一线圈绕组信号连接的第一匹配网络。优选地，根据本发明的局部线圈矩阵还具有经由控制连接可调节的、与第二线圈绕组信号连接的第二匹配网络，其中在这种情况下，第一匹配网络和第二匹配网络优选地彼此独立。

可调节的匹配网络能够以有利的方式实现局部线圈矩阵的接收特征匹配于不同的条件，例如匹配于到患者身体的不同的距离或者其他的相貌。

在根据本发明的局部线圈矩阵的可想到的实施方式中，可调节的第一匹配网络被设计为，用于改变第一线圈绕组的第一共振频率和/或第一前置放大器的宽带匹配。例如，可以在匹配网络中设置诸如PIN二极管的电压可变电容。优选地，同样适用于第二匹配网络和第二前置放大器。

以有利的方式，可调节的共振频率和/或宽带匹配能够实现优化局部线圈矩阵对由磁场预先给定的拉莫尔频率的灵敏度。

在根据本发明的局部线圈矩阵的可能实施方式中，匹配网络被设计为，用于依据经由控制连接的调节在第一线圈绕组和第二线圈绕组的信号中选择预定的振荡模式。例如，通过适当地调节变化的电容，可以优选出特定的模式。各个模式在共振频率上不同，使得匹配网络例如可以影响模式的共振频率并且使该共振频率与拉莫尔频率一致。然后，该模式在更大程度上对局部线圈矩阵的接收信号做出贡献。在此例如，如果信号中的特定的模式下的幅值相对于另外的模式下的幅值增加了至少1dB、3dB、6dB或12dB，则可以视为在信号中是优选的。

以有利的方式，通过选择特定的模式，例如通过优选出在特定的待检查的区域中具有最大灵敏度的模式，可以在不同的深度以更好的信号质量采集该特定的待检查的区域。

在根据本发明的局部线圈矩阵的可想到的实施方式中，第一线圈绕组和第二线圈绕组具有共同的线圈导体片段和退耦元件。例如，线圈绕组可以以“8”的形状实施。然后，可以将电容插入共同的导体段中作为退耦元件，该共同的导体段布置在“8”的中心。在此，匹配网络是可调节的，从第一线圈绕组和第二线圈绕组的信号中优选出振荡模式，在该振荡模式中流过退耦元件的电流减小。

经由适当地调节匹配网络中的可变电容，由此例如可以以有利的方式选择第一和第二线圈绕组的振荡模式，对于该振荡模式，退耦元件例如通过欧姆的或介电的损耗对待分析的信号造成的影响被最小化。

在根据本发明的局部线圈矩阵的可能实施方式中，第一线圈绕组具有彼此电气绝缘的第一导电片段和第二导电片段。第一和第二线圈片段例如可以布置为在基板的两个相对的表面上的导体轨道。第一导电片段和第二导电片段分别具有这样的面：该面在垂直于表面的投影中彼此重叠并且彼此绝缘。利用位于其之间的基板或者另外的低损耗的电介质，导体片段的两个重叠的面在其之间形成两个导体片段之间的电容。

以有利的方式，重叠的导体面利用电介质形成低损耗的电容，该低损耗的电容能够实现具有较高的质量的线圈绕组。

在根据本发明的局部线圈矩阵的可想到的实施方式中，局部线圈矩阵具有用于连接到磁共振断层成像设备的、具有欧姆外罩波陷波器的信号导线。

在较低的磁场强度和由此产生的较低的拉莫尔频率下，在信号导线长度相同时，磁共振断层成像设备的激励脉冲到信号导线的耦合较低。因此，以有利的方式可以设置欧姆外罩波陷波器，该欧姆外罩波陷波器也不要求精确地调谐到特定的频率。

在根据本发明的局部线圈矩阵的可能的实施方式中，局部线圈矩阵具有用于连接到磁共振断层成像设备的、具有对称的双导体导线的信号导线。优选地，局部线圈被设计为，用于经由双导体导线的两个导体分别传输核自旋的共振信号。在此，一对导体被视为对称的双导体导线，该一对导体彼此以预定的距离并且通过电介质彼此绝缘地传导。优选地，两个导体由共同的导电的屏蔽部围绕。针对这种双导体导线的示例是LAN电缆布线中的CAT电缆，该CAT电缆具有逐对绞合的导体对和共同的屏蔽部。

以有利的方式，较低的拉莫尔频率以及与之相连的来自激励脉冲的较小的耦合能够实现使用较低成本的对称的双导体导线来传输局部线圈矩阵和磁共振断层成像设备之间的高频信号。

在根据本发明的局部线圈矩阵的可想到的实施方式中，局部线圈矩阵具有用于连接到磁共振断层成像设备的信号导线。在信号导线上设置具有多个信号触点的插接连接器。在插接连接器中，多个信号触点由多个接地触点围绕。换句话说，在平面(该平面基本上垂直于如下方向：在该方向上插接连接器与对应的配合件结合以形成触点接通)中的两个、三个或者更多个不同的方向上，与信号触点紧接的是接地触点。优选地，接地触点分别布置在信号触点和相邻的信号触点之间。

以有利的方式，根据本发明的由接地触点围绕信号触点的布置模拟同轴连接，这特别是在根据本发明的磁共振断层成像设备的30MHz以下的低的频率下以低成本的方式代替昂贵的同轴插接器。

在根据本发明的磁共振断层成像设备的可想到的实施方式中，该磁共振断层成像设备具有带有钇-铁-石榴石(YIG)样品的磁场相机。YIG样品具有电子自旋共振，该电子自旋共振例如在根据本发明的磁共振断层成像设备的低的B0磁场强度下位于20至30GHz的范围内，并且可以通过商业上可获得的技术接收。

以有利的方式，通过与利用基于核自旋共振的场相机的传统的磁共振断层成像设备相比更高的频率，可以明显更好地并且更容易地分析利用YIG的场相机的信噪比，而由于过高的电子自旋共振频率，不再能够利用商业上可获得的部件在具有1.5T、3T或者更高的B0场的传统的磁共振断层成像设备中使用YIG样品。

根据本发明的方法分享根据本发明的局部线圈矩阵和根据本发明的磁共振断层成像设备的优点。

附图说明

其他优点和细节从随后结合附图对实施例的描述中给出。以原理图：

图1示出了根据本发明的磁共振断层成像设备；

图2示出了根据本发明的局部线圈矩阵；

图3出了根据本发明的局部线圈的信号连接；

图4示出了根据本发明的局部线圈矩阵的线圈和前置放大器的示意图；

图5示出了针对图4的示意性等效电路图以用于估计噪声特性；

图6示出了根据本发明的局部线圈矩阵的示例性的匹配网络的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的磁共振断层成像设备1的实施方式的示意图。

磁体单元10具有场磁体11，所述场磁体产生静磁场B0，静磁场用于对齐记录区域中的样本或患者40的身体中的核自旋。记录区域布置在患者隧道16中，患者隧道16沿着纵向方向2延伸通过磁体单元10。在根据本发明的磁共振断层成像设备1的优选的实施方式中，场磁体11是超导磁体，其可以提供具有1T或者更小的磁通密度的磁场。相对低的场强以有利的方式减小了场磁体的尺寸和材料开销，包括持续的运行成本。原理上，还可以使用具有正常导电线圈的电磁体或者永磁体。

此外，磁体单元10具有梯度线圈12，梯度线圈12被设计为，用于将磁场B0与可变磁场在三个空间方向上叠加，以对所采集的检查体积中的成像区域进行空间区分。梯度线圈12通常是由正常导电的金属丝构成的线圈，所述线圈可以在检查体积中产生彼此正交的场。

磁体单元10还具有身体线圈14，身体线圈14被设计为，用于向检查体积中发射经由信号导线馈送的高频信号，并且接收由患者40发出的共振信号，并且经由信号导线输出。此外，根据本发明的磁共振断层成像设备具有一个或多个局部线圈矩阵50，该局部线圈矩阵靠近患者40地布置在患者隧道16中。

控制单元20向磁体单元10供应用于梯度线圈12和身体线圈14的不同的信号，并且对接收到的信号进行分析。

因此，控制单元20具有梯度控制器21，梯度控制器21被设计为，用于经由馈电线向梯度线圈12供应可变电流，可变电流以时间协调的方式在检查体积中提供期望的梯度场。

此外，控制单元20具有高频单元22，高频单元22被设计为，用于产生具有预先给定的时间走向、幅值和谱功率分布的高频脉冲，以用于激励患者40中的核自旋的磁共振。在此，可以实现千瓦范围内的脉冲功率。为此，高频单元22具有高频发生器，该高频发生器例如可以实现为由数值控制的频率合成器。各个单元经由信号总线25彼此连接。

由高频单元22产生的高频信号经由信号连接馈送到身体线圈14，并且发射到患者隧道16中。但是也可以想到，经由布置在患者处的局部线圈、还可能经由局部线圈矩阵50来发射高频信号。

然后,局部线圈矩阵50优选地接收来自患者40的身体的磁共振信号，因为由于距离小，局部线圈矩阵50的信噪比(SNR)好于通过身体线圈14接收的情况。在局部线圈矩阵50中对由局部线圈矩阵50接收到的MR信号进行整理，并且将该MR信号转发到磁共振断层成像设备1的高频单元22，以进行分析和图像采集。为此，也优选地使用了信号连接70，但还可以想到单独的信号连接或者无线传输。还可以想到，针对接收设置了特有的局部线圈矩阵50或者其它的天线。

图2示出了根据本发明的局部线圈矩阵50的实施方式的示意图。局部线圈矩阵50具有第一线圈绕组51和第二线圈绕组52。第一前置放大器53和第二前置放大器53分别与线圈绕组51、52连接，这些前置放大器分别放大通过线圈绕组51、52接收到的磁共振信号。第一和第二前置放大器51、52是低噪声的前置放大器，也被称为LNA(英语：low noiseamplifier，低噪声放大器)。通常，在现有技术中，第一线圈绕组51和第二线圈绕组52被共振地调谐到磁共振信号的频率，即，拉莫尔频率。以这种方式最大化信号幅度。在此，第一前置放大器53和第二前置放大器54匹配于线圈绕组51、52的阻抗，以便实现最佳的信噪比并且不会通过反射而丢失信号分量。

在相对低的静磁场B0的情况下，如在根据本发明的局部线圈矩阵50的情况下，例如在1T或更小的值的情况下，拉莫尔频率也与静磁场B0成比例地更小。然而，随着拉莫尔频率的降低，针对该频率的交变电磁场在人体组织中的吸收也在更大的程度上降低。因此，在患者上使用时，由第一线圈绕组51和第二线圈绕组52形成的振荡电路在拉莫尔频率下具有比在带有1.5T或者3T的磁共振断层成像设备的情况下显著更小的衰减。在此，通过重叠的交变磁场，线圈绕组51、52彼此处于相互作用中，这导致了线圈共振的耦合，该耦合随着在较低频率下通过身体组织的衰减的减小而增加。作为线圈绕组51、52耦合的结果，耦合的系统具有将共振频率ω0分为两个不同的值ω1和ω2的分离。因此，根据本发明的局部线圈矩阵50的第一前置放大器53和第二前置放大器54在其匹配中不再被优化到拉莫尔频率，而是在灵敏度在恰好拉莫尔频率下减小的情况下，被优化到在频率ω1和ω2下增加的灵敏度。然后，在现有技术中，在窄带匹配的情况下，针对拉莫尔频率下的磁共振信号的灵敏度或信噪比随后急剧降低，例如降低了6或12dB。

相反，根据本发明的局部线圈矩阵50具有宽带匹配。在此，第一和/或第二共振频率与拉莫尔频率偏差了100kHz、200kHz或500kHz仅导致信噪比(SNR)在拉莫尔频率下在前置放大器处减少了小于1dB、2dB或3dB。这种特性例如可以通过有针对性的失配来实现。这在本发明的意义上被称为放大器的宽带匹配。

例如还可以通过测量驻波比(SWR)来检查宽带匹配，该驻波比可以借助定向耦合器通过测量在前置放大器的输入端处的入射和反射的高频功率来确定。在此，驻波比明显地偏离理想值1，并且例如大于1.5、2、3或5。驻波比也可以一方面根据前置放大器的复阻抗、并且另一方面根据由线圈绕组和匹配网络构成的系统的复阻抗来计算地确定。在此，宽带匹配对应于由线圈绕组和匹配网络构成的系统的阻抗的量与前置放大器的输入阻抗的量的超过20％、70％、200％或300％的偏差。

图2示出了针对根据本发明的局部线圈矩阵50的实施方式的前置放大器53、54的可想到的匹配网络55、56。在第一线圈绕组51和第一前置放大器53之间布置第一匹配网络55。在此，将第一匹配网络55显示为可变的PI滤波器，但是还可以想到用于匹配的另外的电路，例如串联或共振电路。在此，在图2的实施方式中，PI滤波器的一个或两个电容是可调节的。优选地，通过局部线圈控制器57进行调谐，以便使局部线圈的调谐例如能够匹配于在患者上的不同的布置。这例如可以通过在作为电容的PIN二极管上的不同的控制电压进行。

也可以想到另外的电路作为匹配网络。因此，也可以例如通过并联和/或串联电容来实现匹配的改变。优选地，这些并联和/或串联电容被设计为可调节的电容。然而，更复杂的电路、诸如与由线圈绕组形成的共振电路耦合的辅助振荡电路也是可能的。

在根据本发明的方法中，磁共振断层成像设备1的控制器20调节可调节的匹配网络55、56，使得实现线圈绕组51、52与前置放大器53、54的宽带匹配。例如可以想到，通过改变匹配网络55、56的调节来优化接收到的信号。还可以想到例如用于测量阻抗、驻波比或者还有布置的几何形状的附加的传感器，借助该传感器可以实现预定的宽带匹配。通过控制器还可以使用存储的调节值，特别是以便调节下面描述的振荡模式。

以有利的方式，可调节的匹配网络55、56还对线圈绕组51、52的振荡模式产生反作用。因此，在一种实施方式中可以想到，局部线圈控制器57和/或控制器20被设计为，用于进行对一个或多个匹配网络55、56的调节，使得优选出具有预定的空间分布的两个线圈绕组的振荡模式。这例如可以通过由匹配网络改变模式的共振频率来实现。各个模式的共振频率不同，使得共振频率与拉莫尔频率一致的模式对磁共振信号做出特别强烈的贡献。以这种方式，局部线圈矩阵50的优选的采集区域例如可以在表面敏感模式和深度敏感模式之间切换。

在一种实施方式中还可能的是，线圈绕组51、52通过退耦元件58彼此电气连接。然而，退耦元件还带有降低局部线圈矩阵50的灵敏度的电气损耗。在根据本发明的局部线圈矩阵的可想到的实施方式中，局部线圈控制器58和/或控制器20被设计为，用于通过适当地选择优选的振荡模式来减少流过退耦元件的电流，使得还减少损耗并且改善质量。

图3中示意性地示出了根据本发明的局部线圈50与根据本发明的磁共振断层成像设备1的控制器20的信号连接70。

信号导线70具有第一导体71和第二导体72，该第一导体和第二导体被实施为对称的导体。在此，两个导体71、72彼此以预定的距离并且通过电介质彼此绝缘地传导。两个导体71、72由共同的屏蔽部73围绕。具有对称的导体71、72的这种信号导线70例如可低成本地作为LAN电缆布线中的CAT电缆使用。在此通常，第一导体71和第二导体72被用作对称的导线对，以便传输对称的信号。然而，给出的信号导线70、局部线圈矩阵50以及控制器20被优选地设计为，用于将两个导体71和72用作具有屏蔽部上的参考接地的、用于不同的非对称信号的分离的信号导体。通过适当地选择信号导线70的长度以及适当地选择发送和接收侧的导线终端，可以实现非对称信号的充分的退耦，从而不必使用高成本的同轴导线。但还可以想到具有经由同轴导体、光学导体或无线传输技术的信号传输的本发明的实施方式。

在较低的静磁场B0以及与之相连的较低的拉莫尔频率下，通过相对于导线长度更长的波长来减少信号导线的屏蔽部上的驻波的形成。因此，以有利的方式，在根据本发明的信号导线70中还可以使用简单的欧姆外罩波陷波器，如其通过屏蔽部73中的间隙和桥接电阻74所示出的那样，而不使用昂贵的共振外罩波陷波器。

在此，还可以想到将低成本的多头插接器/多头插座作为信号导线70和控制器20之间的插接连接器，该多头插接器/多头插座具有由接触销或者连接触点以二维布置的形式构成的矩阵。在此，第一导体71和第二导体72以及屏蔽部73与插接器或者插座的触点连接，使得与第一导体71连接的触点被与屏蔽部欧姆连接的触点围绕。这同样适用于第二导体72。特别地，与第一导体71连接的触点不直接布置在与第二导体72欧姆连接的触点附近。反之优选地，在该触点之间布置至少一个与屏蔽部73欧姆连接的另外的触点。

以这种方式，屏蔽部73也经由插接连接延伸，并且在不使用昂贵并且批量生产成本高的同轴插接器的条件下减少信号导体之间的相互作用。

在此，在线圈绕组51、52的可能的实施方式中可以想到，一个或两个线圈绕组由高温超导体制成，以便改善接收质量。可想到的材料例如是高温超导体或碳纳米管或者石墨烯。

在根据本发明的局部线圈矩阵50的可想到的实施方式中，第一线圈绕组51和/或第二线圈绕组52布置为平面的电介质(诸如刚性或者柔性的电路板)上的导体轨道。电介质具有两个相对的表面，在该表面上分别布置导体轨道。在此，各个线圈绕组71、72分别由两个相对的导体轨道形成，该导体轨道分别借助横向连接(所谓的穿透连接)在一个或多个位置穿过电介质彼此电气地连接。以这种方式，导体轨道的表面鉴于高频导线增大，以便减小趋肤效应的影响并且改善线圈绕组的质量。基于在较低的静磁场中的较低的拉莫尔频率，以有利的方式即使在使用传统的电路板材料作为电介质的情况下，介电损耗也足够低。

然而，在局部线圈矩阵50的可能的实施方式中还可以想到，线圈绕组51具有多个欧姆地彼此绝缘的线圈片段，其中至少两个片段布置在电介质的相对的表面上。在此，这两个片段重叠，即，片段在电介质的相对的表面上的、垂直于表面的投影具有与线圈绕组的第二片段的交集。以有利的方式，重叠的、具有位于其之间的电介质的片段形成与天线线圈的电感串联连接的电容。

为了对磁场进行校准和均匀化，使用所谓的磁场相机，在该磁场相机中针对样品通过确定自旋共振频率来确定磁场的强度。利用由钇-铁-石榴石-化合物(YIG)构成的样品可以特别简单地并且低成本地实现磁场相机，该磁场相机具有微波区域中的高的质量以及对电子自旋共振的窄的宽度。然而，针对1.5T或者更高的磁场，电子自旋共振位于几十GHz的范围内，并且只能够以高的成本来分析。然而，在根据本发明的具有1T或更低的静磁场B0的磁共振断层成像设备中，电子自旋共振处于针对分析电路在技术上以及商业上可容易获得的频率范围内。因此，在一种实施方式中，根据本发明的磁共振断层成像设备具有一个或多个具有YIG样品的磁场相机。

优选地，磁共振断层成像设备1的控制器20被设计为，用于借助磁场相机确定患者隧道16中的位置处的磁场，将该磁场与预定的额定值进行比较并且通过所谓的匀场将该磁场带到额定值。匀场例如可以通过在校正线圈中的可调节的电流来实现，该可调节的电流产生附加的、叠加的磁场。

图4示出了第一线圈绕组51和第一前置放大器53的示例性实施方式。在此，为清楚起见，图4未示出所有元件，诸如电流供应或者串联电阻。还未示出用于在磁共振断层成像设备1的激励脉冲期间进行失谐的电路技术上的措施。

在此，图4的第一线圈绕组51具有多个匝，示例性地示出了两个匝。在第一线圈绕组中设置扩展电容59，利用该扩展电容，第一线圈绕组51即使在几厘米的小尺寸的情况下也可以在拉莫尔频率下共振。通过多个线圈匝，可以增加第一线圈绕组51的阻抗。对于具有多个匝的线圈，针对阻抗的典型的数量级是几欧姆直至两位数的值。与此相反，具有低噪声FET晶体管(诸如E-PHEMT)的典型的前置放大器的输入阻抗在几千欧的范围内移动。

图5示出了针对图4的电路的等效电路图，用于估计由该电路引起的噪声。在此，第一线圈绕组51由阻抗的实部(由欧姆的线圈电阻81表示)和阻抗的虚部(由线圈阻抗的复数分量83表示)代表。

在噪声观测中，第一前置放大器53由噪声电压源83和噪声电流源84代表。在此，噪声电流源84产生实数的并且由此经由欧姆的线圈电阻81干扰的噪声电压。在复数分量82处由噪声电流产生的虚数的噪声电压不为干扰的噪声功率做出贡献。

通常尝试借助第一匹配网络55将第一线圈绕组51的输出阻抗在共振时，即，在拉莫尔频率下，变换到与第一前置放大器53的输入阻抗相同的值。因此，在第一线圈绕组51在拉莫尔频率下共振的情况下，可以实现最佳的信噪比。

然而，在局部线圈矩阵50中，该理想状态是例外，特别是当其是具有可变的几何形状的局部线圈矩阵时。通过与患者40以及与在可变位置处的相邻线圈绕组的相互作用使第一线圈绕组失谐。通过失谐进行相移，并且线圈阻抗的复数分量82根据噪声电流源84的噪声电流产生实数的、使信噪比变差的噪声电压。在此，通过第一匹配网络53的阻抗变换将该分量变换到更高的电压值，并且因此不成比例地为噪声做出贡献。

因此，在根据本发明的局部线圈矩阵50中进行宽带匹配，该宽带匹配不同于线圈阻抗与前置放大器53的输入阻抗的理想匹配。在图4中示出的实施方式中，省去了具有阻抗变换的匹配网络53。在此，在极端情况下可以想到，第一线圈绕组51仅具有唯一的匝。在此，由于第一线圈绕组51的低的信号电压，在第一前置放大器53具有极低的噪声数字的情况下需要第一前置放大器53具有非常高的放大，这例如在使用E-PHEMT作为晶体管时和/或在冷却放大器时被实现。

通过在宽带匹配时增加第一线圈绕组51的输出阻抗、但仍然保持明显地低于第一前置放大器53的输入阻抗，即，低了几倍或者几个数量级，可以实现在共振时更好的SNR和在失谐时仍然良好的特性之间的折衷。一种可能性是在第一线圈绕组51中有多个线圈匝。例如，第二线圈匝将第一线圈绕组51的阻抗提高了4倍。

图6示出了实施该折衷的另外的可能性。在此，在根据本发明的局部线圈矩阵50中设置匹配网络55、56，该匹配网络在共振时不设置天线阻抗和前置放大器输入阻抗之间的最佳的匹配，而是仅在前置放大器输入阻抗的方向上变换或者增强天线输出阻抗。在此，前置放大器输入阻抗的量除以经变换的天线输出阻抗的量的最佳比例T(用于变换)取决于第一前置放大器53的噪声数字。该噪声数字越低，通过第一前置放大器53的放大越高，而不会在共振时使SNR显著变差。因此，比例T还可以更大，并且可以减少在失谐时的前置放大器噪声。针对T的示例性的值可以大于1000、500、200、100或50。

图6中示例性地示出的匹配网络55是针对64MHz的频率计算出的，并且将第一线圈绕组51的0.8欧姆的阻抗变换为到第一前置放大器53的12欧姆的输出侧的阻抗值。就此而言，匹配网络与具有多个(例如，4个)匝的线圈绕组的阻抗相当。还可以想到变形方案，在该变形方案中电感(例如前置放大器的栅极和地之间的线圈)由电容代替。但是在此可能出现相移。

参考图4、5和6所进行的观测以同样的方式适用于第二线圈绕组52、第二前置放大器54和第二匹配网络，以及适用于根据本发明的局部线圈矩阵的另外的线圈绕组和前置放大器。

尽管已经在细节上通过优选实施例进一步详细说明和描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，并且本领域技术人员可以从其中得出其他的变形，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (24)

1.一种用于具有低的静磁场的磁共振断层成像设备(1)的局部线圈矩阵，其中，所述局部线圈矩阵(50)具有第一线圈绕组(51)和第二线圈绕组(52)和低噪声的第一前置放大器(53)和第二前置放大器(54)，

其中，所述局部线圈矩阵(50)具有经由控制连接可调节的、与所述第一线圈绕组(51)和/或所述第二线圈绕组(52)信号连接的匹配网络(55,56)，其中，所述匹配网络(55,56)被设计为，用于依据经由控制连接的调节在第一线圈绕组(51)和第二线圈绕组(52)的信号中优选出预定的振荡模式，

其中，所述第一前置放大器(53)与所述第一线圈绕组(51)电气连接并且所述第二前置放大器(54)与所述第二线圈绕组(52)电气连接，其中，所述第一线圈绕组(51)具有在第一频率范围内在拉莫尔频率下与所述与之相连的第一前置放大器(53)的宽带匹配。

2.根据权利要求1所述的局部线圈矩阵，其中，所述第一线圈绕组(51)与所述第二线圈绕组(52)相邻地布置，并且所述线圈绕组(51,52)分别形成第一共振电路和第二共振电路，并且由第一线圈绕组(51)和第二线圈绕组(52)构成的系统具有第一共振频率和第二共振频率，其中，所述第一共振频率和所述第二共振频率是不同的，并且位于所述宽带匹配的第一频率范围内。

3.根据权利要求1所述的局部线圈矩阵，其中，所述第一线圈绕组(51)具有多个匝。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的局部线圈矩阵，其中，所述第一线圈绕组(51)在没有匹配网络的条件下直接与所述第一前置放大器(53)处于信号连接。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的局部线圈矩阵，其中，所述局部线圈矩阵(50)具有与所述第一线圈绕组(51)以及与所述第一前置放大器(53)处于信号连接的匹配网络，其中，由匹配网络和第一线圈绕组(51)构成的系统的阻抗小于第一前置放大器(53)的输入阻抗。

6.根据权利要求5所述的局部线圈矩阵，其中，所述匹配网络被设计为，使得在所述第一线圈绕组失谐时通过第一前置放大器(53)的噪声电流在由匹配网络(55,56)和第一线圈绕组(51)构成的系统的阻抗处引起的、信号中的噪声的增加小于预定的边界值。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的局部线圈矩阵，其中，所述前置放大器具有E-PHEMT晶体管。

8.根据权利要求1所述的局部线圈矩阵，其中，可调节的第一匹配网络被设计为，用于改变所述第一线圈绕组(51)的第一共振频率和/或所述第一前置放大器(53)的宽带匹配。

9.根据权利要求1所述的局部线圈矩阵，其中，所述第一线圈绕组(51)和所述第二线圈绕组(52)具有共同的线圈导体片段和退耦元件(58)，其中，所述匹配网络(55,56)可调节为，使得在第一线圈绕组(51)和第二线圈绕组(52)的信号中优选出振荡模式，在该振荡模式中流过退耦元件的电流减小。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的局部线圈矩阵，其中，所述第一线圈绕组(51)具有彼此电气绝缘的第一导电片段和第二导电片段，其中，所述第一导电片段和所述第二导电片段分别具有彼此重叠并且通过电介质彼此绝缘的面。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的局部线圈矩阵，其中，所述局部线圈矩阵(50)具有用于连接到磁共振断层成像设备的信号导线(70)，其中，所述信号导线(70)具有欧姆外罩波陷波器(74)。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的局部线圈矩阵，其中，所述局部线圈矩阵(50)具有用于连接到磁共振断层成像设备(1)的信号导线(70)，其中，所述信号导线(70)具有对称的双导体导线。

13.根据权利要求1至3中任一项所述的局部线圈矩阵，其中，所述局部线圈矩阵(50)具有用于连接到磁共振断层成像设备(1)的信号导线(70)，其中，所述信号导线(70)具有带有多个信号触点的插接连接器，其中，所述多个信号触点分别由多个接地触点围绕。

14.根据权利要求1至3中任一项所述的局部线圈矩阵，其中，所述第一线圈绕组(51)具有超导体和/或碳纳米管。

15.根据权利要求14所述的局部线圈矩阵，其中，所述超导体是高温超导体。

16.根据权利要求1至3中任一项所述的局部线圈矩阵，其中，所述第一线圈绕组(51)具有带有两个相对的表面的电介质，在所述表面上分别相对地布置第一线圈绕组(51)的导体材料，其中，所述导体材料在两个相对的表面上借助穿过电介质的穿透连接电气导电地彼此连接。

17.一种磁共振断层成像设备，该磁共振断层成像设备具有根据上述权利要求中任一项所述的局部线圈矩阵(50)。

18.根据权利要求17所述的磁共振断层成像设备，其中，所述磁共振断层成像设备(1)具有控制器(20)，所述控制器被设计为，用于经由控制连接调节匹配网络(55,56)，使得在第一线圈绕组(51)和第二线圈绕组(52)的信号中优选出预定的振荡模式。

19.根据权利要求17所述的磁共振断层成像设备，其中，所述磁共振断层成像设备(1)具有控制器(20)，所述控制器被设计为，用于经由控制连接调节匹配网络(55,56)，使得在第一线圈绕组(51)和第二线圈绕组(52)的信号中优选出振荡模式，在所述振荡模式中流过退耦元件(58)的电流减小。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的磁共振断层成像设备，其中，所述磁共振断层成像设备(1)具有带有钇-铁-石榴石样品的磁场相机。

21.一种用于运行根据权利要求17所述的磁共振断层成像设备(1)的方法，其中，所述磁共振断层成像设备(1)具有控制器(20)，其中，所述方法具有如下步骤：借助可调节的匹配网络通过所述控制器(20)调节预定的宽带匹配。

22.一种用于运行根据权利要求18所述的磁共振断层成像设备(1)的方法，其中，所述方法具有如下步骤：通过所述控制器(20)调节可调节的匹配网络，使得在第一线圈绕组(51)和第二线圈绕组(52)的信号中优选出预定的振荡模式。

23.一种用于运行根据权利要求19所述的磁共振断层成像设备(1)的方法，其中，所述方法具有如下步骤：通过所述控制器(20)调节可调节的匹配网络，使得从第一线圈绕组(51)和第二线圈绕组(52)的信号中优选出振荡模式，在所述振荡模式中流过退耦元件(58)的电流减小。

24.一种计算机可读的存储介质，其上存储有电子可读的控制信息，所述电子可读的控制信息被设计为，用于在使用磁共振断层成像设备(1)的控制器(20)中的存储介质时，实施根据权利要求21至23中任一项所述的方法。

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