CN112204410A - 具有光学后端的射频(rf)天线元件 - Google Patents

具有光学后端的射频(rf)天线元件 Download PDF

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Abstract

一种射频(RF)天线装置包括RF天线元件和光学后端。所述RF天线元件包括导电回路、电子前置放大器以及光电转换元件。所述光学后端包括光功率源和光电探测器。所述RF天线元件和所述光学后端被光学耦合，并且其中，所述光功率源被光学耦合到所述光电转换元件。所述光电转换元件在来自所述光功率源的光功率入射时生成去往所述前置放大器的电功率信号。所述光电转换元件根据由所述导电回路拾取的电数据信号来生成光学数据信号。所述光电转换元件将所述光学数据信号施加到所述光电探测器。

Description

具有光学后端的射频(RF)天线元件
技术领域
具有光学后端的射频(RF)天线元件被提供用于在磁共振检查系统中使用以拾取磁共振信号。
磁共振成像(MRI)方法利用磁场与核自旋之间的相互作用来形成二维或三维图像，这在当今已被广泛使用，尤其是在医学诊断领域中，因为它们对于软组织成像在许多方面优于其他成像方法，不需要电离辐射，并且通常是无创的。
通常，根据MRI方法，将要被检查的患者的身体布置在强而均匀的磁场B0中，其方向同时限定了与测量有关的坐标系的轴(通常为z轴)。磁场B0会对个体核自旋产生取决于磁场强度的不同能级，该磁场强度能够通过施加定义频率(所谓的拉莫尔频率或MR频率)的电磁交变场(RF场)来激励(自旋共振)。从宏观的角度来看，个体核自旋的分布会产生总体磁化，能够通过施加适当频率的电磁脉冲(RF脉冲)使总体磁化偏离平衡状态，同时该RF脉冲的对应磁场B1垂直于z轴延伸，使得磁化绕z轴进行进动。进动描述了圆锥的表面，其孔径角被称为翻转角。翻转角的大小取决于所施加电磁脉冲的强度和持续时间。在所谓的90°脉冲的示例中，磁化从z轴偏转到横向平面(翻转角90°)。
在RF脉冲终止后，磁化弛豫回到原始的平衡状态，在该原始的平衡状态下，以第一时间常数T1(自旋晶格或纵向弛豫时间)重新建立z方向上的磁化，并且以较短的第二时间常数T2(自旋-自旋或横向弛豫时间)使垂直于z方向的方向上的磁化弛豫。横向磁化及其变化能够借助于接收RF天线(线圈阵列)进行检测，该接收RF天线以如下方式被布置和定向在磁共振检查系统的检查体积内：在垂直于z轴的方向上测量磁化的变化。横向磁化的衰减伴随有由局部磁场不均匀性引起的在RF激励后发生失相，该失相促进了从具有相同信号相位的有序状态到所有相角均匀分布的状态的转变。能够借助于重新聚焦RF脉冲(例如，180°脉冲)来补偿失相。这会在接收线圈中产生回波信号(自旋回波)。
为了在诸如要被检查的患者之类的被成像对象中实现空间分辨率，沿着三条主轴延伸的磁场梯度被叠加在均匀磁场B0上，从而使得自旋共振频率具有线性空间依赖性。然后，在接收天线(线圈阵列)中拾取的信号包含不同频率的分量，这些分量能够与身体中的不同位置相关联。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空间数据通常包括以不同相位编码采集的多条线。通过收集大量样本将每条线数字化。借助于傅立叶变换将一组k空间数据转换为MR图像。
在存在磁场梯度的情况下，横向磁化也会失相。能够通过适当的梯度反转形成所谓的梯度回波来反转该过程，这类似于RF引发的(自旋)回波的形成过程。然而，在梯度回波的情况下，与RF重新聚焦(自旋)回波相比，不会重新聚焦主场不均匀性效应、化学位移效应和其他失谐效应。
背景技术
从美国专利申请US 2007/0164746中可知利用光学后端的射频(RF)天线元件。
已知的RF天线元件包括局部线圈和前置放大器。已知的RF天线元件被提供有光学接口电路。该光学接口电路形成光学后端。前置放大器使其输出被耦合到光学接口电路中的激光二极管，以生成沿着光纤传播的光信号。光学接口电路还包括光电管。当环形天线必须被解耦时，光电管会从激光二极管接收光学信号。光学接口电路的光电管被电连接到被耦合到环形天线的有源解耦电路。光学接口电路包括另外的光电池以接收光功率并将其转换成被施加到前置放大器的电功率。
发明内容
本发明的目的是提供具有光学后端的RF天线元件，该RF天线元件具有较简单的电路布置。
该目的通过RF天线元件来实现。
包括RF天线元件和光学后端，
所述RF天线元件包括导电回路、电子前置放大器以及光电转换元件，
所述光学后端包括光功率源和光电探测器，
所述RF天线元件和所述光学后端被光学耦合，并且其中
所述光功率源被光学耦合到所述光电转换元件，
所述光电转换元件在来自所述光功率源的光功率入射时生成去往所述前置放大器的电功率信号，并且
所述光电转换元件根据由所述导电回路拾取的电数据信号来生成光学数据信号，并且
所述光电转换元件将所述光学数据信号施加到所述光电探测器。
本发明的见解是采用光电转换元件将光功率信号光电转换成用于前置放大器的电信号以及将来自前置放大器的电子数据信号电光转换成光学数据信号。更一般地，光电转换元件既被布置用于将光功率输入转换成电功率输入，又被布置用于将电子数据输出转换成光学数据输出。因此，需要较少的光电转换元件，特别是在RF天线元件的布置的RF侧处如此。本发明使得能够向前置放大器提供来自光源的电功率并且能够接收所测量的通过引发的光致发光引起的磁共振信号。这减少了对与RF放大器元件的电连接(特别是电流连接)的需求。当RF天线元件被结合到介入器械(例如，导管)中时，该方法是有利的，因为不需要到器械的远端的电连接。另外，本发明的方法在具有多个RF天线元件的阵列的RF天线装置中是有利的。然后，本发明避免了对大量电连接(特别是电流连接)的复杂路由的需求。在这两种实施方式中，由于改为采用光学链路，因此降低了在导电电缆布置中不想要的RF谐振的风险。
本发明的这些方面和其他方面将参考从属权利要求中限定的实施例进行进一步阐述。
在具有光学后端的RF天线元件的实施例中，采用具有高双向转换效率的光电转换元件。这样既在光电方向上又在电光方向上实现了良好的转换效率。光电转换元件优选是(一个或多个)基于GaN的半导体(的阵列)。这样的光电转换元件对于光伏发电以及电致发光的转换效率略高于40％，这使得具有18％的相对较高的双向效率。
在本发明的另外的实施例中，在所述前置放大器与所述光电转换元件之间串联提供有电接口电路。电接口电路可以起到使光电转换元件的阻抗与前置放大器相匹配的作用，以向前置放大器提供有效负载，例如，50Ω，此时前置放大器的效率最优并且对前置放大器的电反射最小。接口电路还可以起到提供滤波功能的作用。
在本发明的另外的实施例中，所述光学后端包括光学分离器，特别是二向色镜，所述光学分离器被布置为：将所述光学数据信号从所述光电转换元件引导到所述光电探测器，并且将光功率信号从所述光功率源引导到所述光电转换元件。从光功率信号到电功率信号的光电转换以及从电数据信号到光学数据信号的反向电数据信号转换可以处于不同的光波长。光学分离器实现了将光学数据信号导向光电探测器并避免了光功率信号可能到达光电探测器但却导向光电元件。因此，避免了光学干扰。还可以更有效地使用光功率信号和光学数据信号。二向色镜或二向色分束器实现了对透射光学信号与反射光学信号的几乎完全分离。这进一步避免了光学信号之间的串扰。替代地，可以采用常规的50/50分束器或偏振分束器，然而，这在透射和反射中都会损失光学信号。针对光学分离器的其他替代方案可以是采用衍射光栅或类似菲涅耳的45°分束器。
本发明的这些方面和其他方面将参考以下描述的实施例并参考附图进行阐述。
附图说明
图1示出了本发明的RF天线装置的实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了本发明的RF天线装置的实施例的示意图。RF天线装置包括RF天线元件11和光学后端21。RF天线元件包括导电线圈回路12，该导电线圈回路12包括一个或多个电容121以及失谐电路122。电容121和失谐电路122协作以使得可以将导电回路切换为在拉莫尔频带中谐振而采集磁共振信号并且可以(通过失谐电路)将导电回路切换为非谐振的而使导电线圈回路不会由于例如强RF激励场而生成电压。前置放大器13被耦合到导电回路以放大导电线圈回路12的输出电压。光电转换元件14与前置放大器串联连接在电路中并放大导电回路的输出电压。光电转换元件14将前置放大器的经放大的电压转换成光学数据信号。光学数据信号通过被定义为第一光学链路的光学链路25被施加到光学后端21并且被施加到光电探测器，该光电探测器将光学数据信号转换回电子输出信号，该电子输出信号被输出到信号处理器和/或重建器，从而根据所采集的磁共振信号来重建磁共振图像，该磁共振信号是由导电回路的输出电压表示的。
前置放大器13由光学后端21的光功率源22供电。光功率源22经由被定义为第二光学链路的光学链路26被耦合到RF天线元件11的光电转换元件14。入射到光电转换元件14上的光功率被转换成电功率，该电功率被施加到前置放大器13。
根据本发明，光电转换元件14与光电探测器23之间的光学链路25以及光功率源22与光电转换元件之间的光学链路26部分重合。这里，由二向色镜24形成的光学分离器将光学数据信号从光电转换元件14到光电探测器的光路和从光功率源到光电转换元件的光功率信号进行分离。二向色镜24与光电转换元件14之间的光路25、26的部分共同延伸。也就是说，二向色镜将来自RF天线元件的光学数据信号与来自光功率源的光功率信号分离。为此，光电转换元件可以以比光功率源((405nm))更长的波长(例如，450nm)进行操作。
光电转换元件可以是基于GaN的半导体，例如，蓝色(GaInN)LED或蓝色GaN/InGaN半导体激光器。光电转换元件具有高双向转换效率，即，对于光伏转换以及电致发光都具有高效率。通过光引发的电致发光，光电转换元件将光发射到光学链路25中，该光学链路25通过由前置放大器引起的负载变化而得到调制。半导体激光器可以具有所需的带宽和电流特性。对于MR成像，通常使用1.5MHz的带宽，但在许多情况下使用几百kHz的带宽就足够了。期望的电流可以是几十到几百mA的数量级。
在前置放大器13与光敏转换元件14之间提供有接口电路15。接口电路15包括电容和电感的布置以使光敏转换元件的阻抗与针对前置放大器13的负载的阻抗(例如，50Ω)相匹配。接口电路还可以包括滤波功能。
光学后端的光源22可以是半导体激光器或LED(例如以405nm进行操作)。

Claims (4)

1.一种射频(RF)天线装置，包括RF天线元件(11)和光学后端(21)，
所述RF天线元件包括导电回路(12)、电子前置放大器(13)以及光电转换元件(14)，其中，所述电子前置放大器被耦合到所述导电回路并且被配置为放大所述导电回路的输出电压，并且其中，所述光电转换元件与所述前置放大器串联连接在电路中并且被配置为将所述前置放大器的经放大的电压转换成光学数据信号；
所述光学后端包括光功率源(22)和光电探测器(23)；
所述RF天线元件和所述光学后端被光学耦合，并且其中
所述光功率源经由第二光学链路(26)被光学耦合到所述光电转换元件；
所述光电转换元件被配置为在来自所述光功率源的光功率入射时生成去往所述前置放大器的电功率信号，并且
所述光电转换元件被配置为根据由所述导电回路拾取的电数据信号来生成光学数据信号，并且
所述光电转换元件被配置为经由第一光学链路(25)将所述光学数据信号施加到所述光电探测器，其中，所述第一光学链路(25)与所述第二光学链路(26)至少部分重合。
2.根据权利要求1所述的具有光学后端的射频(RF)天线元件，其中，所述光电转换元件特别是由具有高双向转换效率的一个或多个基于GaN的半导体的阵列形成的。
3.根据权利要求1或2所述的具有光学后端的射频(RF)天线元件，其中，在所述前置放大器与所述光电转换元件之间串联提供有电接口电路。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的具有光学后端的射频(RF)天线元件，其中
所述光学后端包括光学分离器，特别是二向色镜，所述光学分离器被布置为：
将所述光学数据信号从所述光电转换元件引导到所述光电探测器，并且
将光功率信号从所述光功率源引导到所述光电转换元件。
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