CN110888095A - 具有失谐电路和能量收集电路的磁共振接收线圈 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁共振接收线圈(100)，其包括在磁共振成像系统中使用的共振器(101)。根据本发明的射频接收线圈(100)包括共振器(101)的第一导电元件(102)，该第一导电元件(102)具有导电回路，其中接收到的信号在该回路中被感应，该第一导电元件(102)被配置为形成能调谐到至少一个第一共振频率的初级共振电路；以及共振器(101)的第二导电元件(103)，其被配置为形成与初级共振电路电绝缘并且电抗耦合到初级共振电路的电路，该电路适于将所述初级共振电路失谐到至少一个第二共振频率。共振器的第二导电元件(103)具有带有与前置放大器(107)连接的端点对(104)的导电回路。

Description

具有失谐电路和能量收集电路的磁共振接收线圈
技术领域
本发明涉及磁共振设备领域，并且特别涉及具有磁共振接收线圈的磁共振设备，该磁共振接收线圈具有失谐电路和能量收集电路。
背景技术
利用磁场与核自旋之间的相互作用以形成二维或三维图像的磁共振方法现在被广泛使用，特别是在医学诊断领域中。
通常，磁共振成像(MRI)系统包括用于在检查区域中生成静态B0场的超导主磁体、用于在成像序列期间生成切换磁场梯度的梯度线圈以及射频线圈组件。已知MRI系统的射频线圈组件包括发射线圈以生成用于激发核自旋的B1场、以及用于与发射线圈结合以检测并接收磁共振信号的一个或多个接收天线。典型地，射频线圈组件的接收天线经由一束同轴电缆和具有平衡不平衡变换器(bazooka balun)的电线连接到远程接收器系统。另外地，射频线圈组件的接收天线经由一系列DC电缆供电。
可以相信，MRI接收天线与远程接收器系统之间的电缆布线可以由所接收的MRI信号的无线传输来代替。此外，可以将可再充电电池或电容器结合在MRI设备中以代替DC电缆。为了保持电池/电容器是带电的，由发射线圈生成的射频能量可以由以与MRI信号相同的共振频率操作的拾取线圈进行拾取。对射频能量进行进一步的整流，以为电池/电容器充电提供必要的电力。这种无线电力方案将由于拾取线圈干扰而导致B1场的不均匀性。由于B1场的不均匀性，图像质量将下降。
在失谐的接收线圈中使用发射B1残余电流以进行能量收集的想法非常具有挑战性，因为失谐电路必须足够高效以使得线圈仍然高效地关断。因此，射频线圈组件的接收天线的失谐是一个重要方面。
射频线圈的失谐指的是将初级共振电路的共振频率移位到与原始频率不同的一个或多个其他频率的实践。在现有技术中提到的失谐的方式中，射频接收器电路与失谐电路电连接。相反，对于本文所公开的这种失谐电路，射频接收器和失谐电路是分开的，其中两者之间没有直接(电流)电互连。相反，所提出的设备使用两个电路之间的强电抗耦合来实现射频接收器电路的失谐。
Young Liu的WO 2016/001180 A1公开了一种具有失谐电路和能量收集电路的MR接收线圈。失谐电路与接收天线耦合以用于在共振模式与非共振模式之间切换接收天线。
在匹配和失谐电路中，要求电感元件生成共振以形成低阻抗或高阻抗。这些电感元件典型地主导结构中的损耗。此外，用于非常高效的失谐或匹配的低损耗电感器需要很大的空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁共振接收线圈，其具有失谐电路和能量收集电路以用于在没有显著的失谐性能损失的情况下进行能量收集，并且该磁共振接收线圈不需要附加的空间并且在操作(接收)状态中仍然具有低损耗。
根据本发明，该目的通过独立权利要求的主题解决。在从属权利要求中描述了本发明的优选实施例。
因此，根据本发明，提供了一种射频接收线圈，其包括在磁共振成像系统中使用的共振器，该接收线圈包括：共振器的第一导电元件，其具有导电回路，其中所接收到的信号在该回路中被感应，该第一导电元件被配置为形成能调谐到至少一个第一共振频率的初级共振电路；共振器的第二导电元件，其被配置为形成与初级共振电路电绝缘并且电抗耦合到初级共振电路的电路，该电路适合于将初级共振电路失谐到至少一个第二共振频率；共振器的第二导电元件具有带有端点对的导电回路，其中前置放大器与端点中的一个串联连接；能量收集电路，其并联电耦合在第二导电元件的端点对上，其中能量收集电路适于在传输期间通过开关连接到第二导电元件；可再充电电源，其与能量收集电路耦合，其中可再充电电源适于由能量收集电路充电，并且pin二极管(或类似的开关组件，例如，与齐纳二极管的组合)与能量收集电路在电路中并联，其中一旦可再充电电源充电到足够的电压，pin二极管就适于重定向电流。第二导电元件可切换地电抗耦合到初级共振电路。即，第二导电元件可以通过开关组件的方式进行切换以电抗耦合到初级共振电路，以使得初级共振电路失谐。在实际实现方式中，可以激活开关组件以确保初级共振电路的失谐以及激活能量收集电路。
所提出的概念确保可再充电电源的充电状态不会影响接收线圈的射频属性。失谐和能量收集布置的简单结构使得其易于制造。本发明利用线圈回路本身进行失谐和匹配，因此不需要附加的空间。结合能量收集电路，可以将功率高效地传输到射频接收线圈。本发明比其他耦合的失谐电路(例如，应用专用变压器)更高效地起作用。
根据本发明的一个实施例，能量收集电路还包括整流器，其中整流器适于对可再充电电源充电。整流器生成直流电流以用作电源并且为可再充电电源充电。
根据本发明的一个实施例，共振器是传输电缆。优选地，传输电缆是同轴电缆。此外，优选的是，第一导电元件是同轴电缆的外屏蔽，并且第二导电元件是同轴电缆的内芯。使用同轴电缆形成射频接收线圈的共振器是一种简单且优雅的解决方案，并且同轴设计确保了在磁共振接收线圈的情况下高度的机械灵活性是可能的。
根据本发明的一个实施例，共振器由两个或更多个传输电缆组成。
本发明还涉及一种针对包括在磁共振成像系统中使用的共振器的射频接收线圈的能量收集的方法，该能量收集方法包括：通过共振器的具有导电回路的第一导电元件接收磁共振检查的磁共振信号，其中接收到的信号在该回路中被感应，其中第一导电元件被配置为形成可调谐到至少一个第一共振频率的初级共振电路；通过共振器的第二导电元件使第一导电元件失谐，其中第二导电元件被配置为形成与初级共振电路电绝缘并且电抗耦合的电路，该电路适合于将初级共振电路失谐到至少一个第二共振频率，其中共振器的第二导电元件具有带有端点对的导电回路；在第二导电元件的端点对处将收集电路并联地切换；通过从第一导电元件向第二导电元件感应电能以从第一导电元件收集电能，并且通过第二导电元件将电流传递到收集电路。
根据本发明的一个实施例，该方法还包括：利用整流器通过所感应的收集电流对可再充电电源进行充电。
本发明还涉及一种磁共振系统，包括上述的射频接收线圈。根据本发明的射频接收线圈整体上改进了磁共振系统的性能。
本发明还涉及一种计算机程序产品，其包括用于使磁共振系统执行上述的方法的步骤的指令。本发明的一些方面(例如，失谐的控制和电池充电的控制)也可以以软件的形式实现，特别是以软件包的形式实现，该软件包对已经安装的软件进行升级以使得所安装的磁共振成像系统也根据本发明进行操作。
附图说明
参考下文所描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。然而，这样的实施例不一定代表本发明的全部范围，因此参考权利要求并且本文用于解释本发明的范围。
在附图中：
图1示意性地描绘了所公开的射频接收线圈100的实施例，该射频接收线圈100包括在磁共振成像系统中使用的具有能量收集电路106的共振器101。
图2示出了根据本发明一个实施例的用于收集能量的方法的流程图200。
附图标记列表
RF接收线圈布置 100
共振器 101
第一导电元件 102
第二导电元件 103
端点对 104
第一导电元件中的间隙 105
收集电路 106
前置放大器 107
电气开关 108
电容器 109
可再充电电源 110
整流器 111
pin二极管 112
电阻器 113
具体实施方式
下面结合附图给出对本发明的详细描述。
图1示出了射频接收线圈100的一个可能的实施例，该射频接收线圈100包括在磁共振成像系统中使用的具有能量收集电路106的共振器101。
射频接收线圈100包括共振器101，以用于在被检查对象的磁共振检查中接收由原子核发射的射频信号。共振器101包括彼此绝缘的两个导电元件102、103。共振器101的第一导电元件102具有导电回路并形成射频接收器线圈100的一部分，该射频接收器线圈100的一部分被调谐到至少一个第一共振频率。通过选择第一导电元件102和第二导电元件103的正确长度，可以使共振器101共振。通过调节衬底的相对介电常数和第一导电元件102直径与第二导电元件103直径之间的比率来进一步调谐共振器101。共振器101的第二导电元件103具有带有端点对104的导电回路，其中共振器101的第二导电元件103被配置为形成与初级共振电路电绝缘并且电抗耦合的电路，该电路适合于将初级共振电路失谐到至少一个第二共振频率。电路原则上具有能够调谐各种配置的射频线圈的开关电路的功能。此外，电路提供能量收集以及将MRI信号耦合到随后的RF链的功能，同时接收回路到前置放大器107的噪声匹配。
参考图1，射频接收线圈100的一个可能的实施例是共振器101是传输电缆(例如，同轴电缆)。同轴电缆是由护套或屏蔽导体102围绕的至少一个内芯导体103来构成的，其中同轴电缆的屏蔽导体102形成第一导电元件102，并且内芯导体103形成第二导电元件103。两个导体彼此电绝缘，并且一起形成射频接收线圈100。
此外，可以在同轴电缆的屏蔽导体102中预见间隙105。内芯导体103上的电流从端点对104处的零大致线性地增加到屏蔽导体102的间隙105处的最大值，其通过屏蔽导体102的内表面上的相反电流分布来镜像。在屏蔽导体102的间隙处，趋肤深度效应允许电流流过间隙到达屏蔽导体102的外表面上，并且该电流均匀地朝向间隙105的另一边缘行进。
射频线圈的失谐指的是将初级共振电路的共振频率移位到与原始共振频率不同的一个或多个其他频率的实践。当射频发射器线圈是有效的或可操作时(即，当系统正在向检查对象发射射频激励脉冲时)，射频接收线圈通常是失谐的。射频接收线圈100是还包括无线收发器的射频接收器的一部分。射频接收线圈100接收来自检查区域的磁共振信号。
前置放大器107与第二导电元件的端点104中的一个串联连接。由图1中的FET示出的前置放大器107的连接被串联共振，使得与低阻抗连接，这破坏了回路共振。来自前置放大器107的信号可以被变换为数字信号和/或通过无线收发器无线地发送到远离检查区域的收发器单元。
为了针对射频接收器提供电力，射频接收线圈100还包括能量收集电路106和可再充电电源110。能量收集电路106并联电耦合在第二导电元件103的端点对104上。能量收集电路106可以通过开关108连接到第二导电元件103，其中开关在MRI序列的发送阶段期间被激活。开关108可以是例如由MRI系统控制的有源开关或由MRI激励脉冲的发射脉冲来激活的无源开关。可再充电电源110(例如，可再充电电池或电容器)由所收集的电力进行充电。可再充电电源110用于为射频接收器和无线收发器供电。
能量收集电路106还包括整流器111，以生成直流电流来用作电源并且对可再充电电源110充电。只要整流器111对可再充电电源110充电，能量收集电路106就在第二导电元件103的端点对104上形成低阻抗电路。当可再充电电源110几乎完全充满电时，充电电流将显著地减小，这表示第二导电元件103的端点对104不再被低阻抗终止。一旦可再充电电源110充电到足够的电压，电流例如经由电阻器113流到开关组件112，该开关组件112生成低阻抗以维持失谐。开关组件112可以是例如pin二极管，该pin二极管也可以与齐纳二极管组合。在可再充电电源110的高负载状态的情况下，开关组件112被激活以确保在发送阶段期间的有效的失谐。可以使用第二开关以在接收期间断开该路径。
图2示出了根据本发明的一个实施例的用于收集能量的方法的流程图。结合图1来描述图2。
在步骤210处，磁共振检查的磁共振信号由共振器101的第一导电元件102接收。第一导电元件102具有导电回路，其中接收到的信号在该回路中被感应。该第一导电元件102被配置为形成可调谐到至少一个第一共振频率的初级共振电路。
在步骤220处，通过共振器101的第二导电元件103使第一导电元件102失谐。该第二导电元件103形成与初级共振电路102电绝缘并且电抗耦合的电路。该电路适合于将初级共振电路失谐到至少一个第二共振频率。共振器101的第二导电元件103具有带有端点对104的导电回路。
在步骤230处，收集电路106在第二导电元件103的端点对104处并联地切换。收集电路106通过开关108并联地切换。
在步骤240处，通过从第一导电元件102向第二导电元件103感应电能以从第一导电元件102收集电能。通过第二导电元件103将收集电流传递到收集电路106。收集电路106的整流器111生成直流电流以用作电源并且为可再充电电源110充电。
虽然已经在附图和前述说明书中详细地示出并描述了本发明，但是这样的图示和描述应被认为是说明性或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解并实现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，并且不定冠词“一(a)”或“一个(an)”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为限制范围。此外，为了清楚起见，并非附图中的所有元件都可被提供有附图标记。

Claims (10)

1.一种射频接收线圈(100)，其包括在磁共振成像系统中使用的共振器(101)，所述接收线圈(100)包括：
所述共振器(101)的第一导电元件(102)，所述第一导电元件具有导电回路，其中所接收到的信号在该回路中被感应，所述第一导电元件被配置为形成能调谐到至少一个第一共振频率的初级共振电路；
所述共振器(101)的第二导电元件(103)，所述第二导电元件被配置为形成与所述初级共振电路电绝缘并且可切换地电抗耦合到所述初级共振电路的电路，所述电路适于将所述初级共振电路失谐到至少一个第二共振频率；
所述共振器的所述第二导电元件(103)具有带有与前置放大器(107)连接的端点对(104)的导电回路；
能量收集电路(106)，其并联电耦合在所述第二导电元件(103)的所述端点对(104)上，其中所述能量收集电路(106)适于在传输期间通过开关(108)连接到所述第二导电元件(103)；
可再充电电源(110)，其与所述能量收集电路(106)耦合，其中所述可再充电电源(110)适于由所述能量收集电路(106)充电；以及
开关组件(112)，其与所述能量收集电路(106)在电路中并联，其中一旦所述可再充电电源(110)充电到足够的电压，pin二极管(112)就适于将电流重定向。
2.根据权利要求1所述的射频接收线圈(100)，其中所述能量收集电路(106)还包括整流器(111)，其中所述整流器(111)适于对所述可再充电电源(110)充电。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的射频接收线圈(100)，其中所述共振器(101)是传输电缆。
4.根据权利要求3所述的射频接收线圈(100)，其中所述传输电缆是同轴电缆。
5.根据权利要求4所述的射频接收线圈(100)，其中所述第一导电元件(102)是所述同轴电缆的外屏蔽，并且所述第二导电元件(103)是所述同轴电缆的内芯。
6.根据权利要求3至5所述的射频接收线圈(100)，其中所述共振器(101)包括两个或更多个传输电缆。
7.一种由在磁共振成像系统中使用的如权利要求1所述的射频接收线圈(100)进行能量收集的方法，所述射频接收线圈包括共振器(101)和能量收集电路。
8.根据权利要求7所述的能量收集方法，还包括：
利用整流器(106)通过所感应的收集电流对可再充电电源(110)进行充电。
9.一种磁共振系统，其包括根据权利要求1至6中的任一项所述的射频接收线圈(100)。
10.一种计算机程序产品，其包括用于使根据权利要求9所述的磁共振系统执行根据权利要求7至8所述的方法的步骤的指令。
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