CN112649774A - 一种双调谐射频线圈装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种双调谐射频线圈装置，该双调谐射频线圈装置包括至少两个差模共模谐振结构，相邻的所述差模共模谐振结构之间设置有解耦回路；所述差模共模谐振结构包括共模线圈和差模线圈，所述共模线圈用于产生第一磁场，所述差模线圈用于产生第二磁场，所述第一磁场的主磁场方向与所述第二磁场的主磁场方向相互垂直；所述解耦回路用于对相邻的所述差模共模谐振结构进行解耦。本发明实施例提供的双调谐射频线圈装置通过解耦回路实现相邻差模共模谐振结构之间的解耦，提高了不同元素核磁共振信号的激发和接收效率，进而提高了基于信号生成的图像的信噪比。

Description

一种双调谐射频线圈装置

技术领域

本发明实施例涉及医疗设备领域，尤其涉及一种双调谐射频线圈装置。

背景技术

磁共振成像是利用原子核在强磁场内发生共振产生的信号经图像重建的一种成像技术。其基本原理为：人体组织内的一些含单数质子的原子，例如氢原子能够自旋运动，并产生磁矩，正常状态下，这些小磁体的自旋方向排列无规律，但在固定静磁场作用下会产生定向排列，此时，当外加一个和静磁场相同频率的射频脉冲时，这些氢原子吸收一定能量而产生共振，自旋方向在射频脉冲作用下发生偏转，呈规律排列，即发生了磁共振现象，射频脉冲消失后，这些氢原子都将恢复到原来的状态，在恢复过程中，释放能量及改变自旋方向，此时对这些氢原子产生的信号进行采样，然后利用这些采集的信号进行图像重建，就可以得到人体组织的图像。上述过程中，射频线圈主要用来发射射频脉冲以及采集磁共振射频信号。随着多核磁共振成像技术的迅速发展，双调谐线圈的设计成为亟待解决的技术问题。

在双调谐线圈中，通常采用H通道进行匀场，这就要求两个频率通道的磁场分布相似。目前关于双调谐射频线圈有如下几种策略：一、使用单频可调线圈；二、在外部计算机程序的帮助下切换自动调谐线圈的谐振频率；三、通过将鸟笼线圈的正交模式重新排列成两个单独的线性模式，并将其调整到1H/19F频率，以实现双共振。上述策略中，使用单频可调线圈必须手动调整至不同频率依次实现对目标信号的采集，但F信号较弱，通常增加采集时间以最大限度地提高信噪比(SNR)导致额外的时间成本以及成像位置的移动，会导致1H/19F错误配准造成的信号衰减使图像模糊；自动调谐的线圈在外部计算机程序的帮助下切换谐振频率的复杂性高，成本高；这两种方法在共配1H/19F信号的灵敏度和不准确性方面显示出一些局限性；在鸟笼结构设计中通过将鸟笼线圈的正交模式重新排列成两个单独的线性模式以实现双共振将导致两个核的信噪比(SNR)损失约30％，降低射频发射功率效率，降低B1场均匀性，对于带有陷波电路的线圈结构通常需要较大的频率分离，在1H/19F频率比较接近的情况下不易实现。由此可见，目前的双调谐线圈信号激发和接收效率低，基于信号得到的图像信噪比也较低。

发明内容

本发明实施例提供了一种双调谐射频线圈装置，以实现提高射频线圈激发和接收到的信号的效率，从而提高基于信号得到的图像的信噪比。

本发明实施例提供了一种双调谐射频线圈装置，包括至少两个差模共模谐振结构，相邻的所述差模共模谐振结构之间设置有解耦回路；

所述差模共模谐振结构包括共模线圈和差模线圈，所述共模线圈用于产生第一磁场，所述差模线圈用于产生第二磁场，所述第一磁场的主磁场方向与所述第二磁场的主磁场方向相互垂直；

所述解耦回路用于对相邻的所述差模共模谐振结构进行解耦。

可选的，在上述方案的基础上，所述差模线圈在所述共模线圈内。

可选的，在上述方案的基础上，所述共模线圈和所述差模线圈的中心线在同一直线上。

可选的，在上述方案的基础上，所述差模线圈和所述共模线圈为微带线结构。

可选的，在上述方案的基础上，所述差模线圈和/或所述共模线圈为矩形。

可选的，在上述方案的基础上，所述共模线圈上设置有至少两个调谐电容和至少一个第二协调电容，所述第一调谐电容设置在所述差模线圈的驱动端口，所述第二协调电容设置在所述差模线圈上的平行铜带与地之间，所述第一协调电容和所述第二协调电容用于调整所述差模线圈的谐振频率。

可选的，在上述方案的基础上，所述差模线圈包括第三协调电容和第四协调电容，所述第三协调电容设置在所述差模线圈的驱动端口，所述第四协调电容设置在所述差模线圈的平行待导体连接处。

可选的，在上述方案的基础上，所述解耦回路为基于感应电流补偿法的解耦结构，所述解耦回路包括至少两个均匀分布的解耦电容。

可选的，在上述方案的基础上，所述双调谐射频线圈装置设置在基板上，所述基板为体线圈结构。

本发明实施例所提供的双调谐射频线圈装置包括至少两个差模共模谐振结构，相邻的所述差模共模谐振结构之间设置有解耦回路；所述差模共模谐振结构包括共模线圈和差模线圈，所述共模线圈用于产生第一磁场，所述差模线圈用于产生第二磁场，所述第一磁场的主磁场方向与所述第二磁场的主磁场方向相互垂直；所述解耦回路用于对相邻的所述差模共模谐振结构进行解耦，通过解耦回路实现相邻差模共模谐振结构之间的解耦，提高了不同元素核磁共振信号的激发和接收效率，进而提高了基于信号生成的图像的信噪比。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的一种双调谐射频线圈装置的结构示意图；

图2是本发明实施例所提供的又一种双调谐射频线圈装置的结构示意图；

图3是本发明实施例所提供的又一种双核射频阵列线圈装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

针对现有双调谐射频线圈共振信号激发和接收效率低的技术问题，本发明实施例中利用微带传输线实现的共模和差模线圈以及基于感应电流补偿法的解耦结构，分别实现共模和差模线圈之间的解耦以及相邻共模差模结构之间的解耦，提高了不同元素核磁共振信号的激发和接收效率，进而提高了基于信号生成的图像的信噪比。

实施例一

图1是本发明实施例所提供的一种双调谐射频线圈装置的结构示意图，本实施例所提供的双核射频线圈可适用于多核素磁共振成像系统中。如图1所示，该双调谐射频线圈装置包括：至少两个差模共模谐振结构110，相邻的所述差模共模谐振结构110之间设置有解耦回路120。

所述差模共模谐振结构110包括共模线圈111和差模线圈112，所述共模线圈111用于产生第一磁场，所述差模线圈112用于产生第二磁场，所述第一磁场的主磁场方向与所述第二磁场的主磁场方向相互垂直；

所述解耦回路120用于对相邻的所述差模共模谐振结构110进行解耦。

具体的，差模共模谐振结构通过差模线圈和共模线圈产生主磁场方向相互垂直的第一磁场和第二磁场，通过互相正交的第一磁场和第二磁场实现了差模共模谐振结构中差模线圈和共模线圈的解耦，同时提高了匀场效率。并且，差模共模共振结构可以独立协调各模式下所需的工作频率。可以理解的是，为产生磁场，差模线圈和共模线圈为回路结构。其中，所需的工作频率为相应元素在磁共振成像系统下的拉莫频率。以7T磁共振成像中的1H和31P为例，其中1H在7T磁共振成像系统下的拉莫频率为300Mhz，31P在7T磁共振成像系统下的拉莫频率为121Mhz，假设1H通道所对应的射频线圈为差模线圈，31P通道所对应的射频线圈为共模线圈，则差模线圈的工作频率为300Mhz，共模线圈的工作频率为121Mhz，使得分别使用差模线圈和共模线圈对对应的原子核成像时均能产生质量较高的图像。

在本实施例中，本实施例中的双调谐射频线圈装置可以为阵列排布的差模共模谐振结构及解耦回路，还可以为体线圈结构排布的差模共模谐振结构及解耦回路，在此不做限制。

在上述方案的基础上，可以在差模线圈和共模线圈之间设置绝缘层，以消除差模线圈和共模线圈误接触导致磁场不稳定的情况，保证了磁场的稳定性，从而使磁共振信号的激发和接收更加稳定。

本发明实施例所提供的双调谐射频线圈装置包括共模线圈和差模线圈，所述共模线圈用于产生第一磁场，所述差模线圈用于产生第二磁场，所述第一磁场的主磁场方向与所述第二磁场的主磁场方向相互垂直；所述解耦回路用于对相邻的所述差模共模谐振结构进行解耦，其中，差模共模谐振结构通过产生主磁场方向相互垂直的第一磁场和第二磁场使得差模和共模的结构由于正交的第一磁场和第二磁场的存在而实现解耦，通过解耦回路实现相邻差模共模谐振结构之间的解耦，提高了不同元素核磁共振信号的激发和接收效率，进而提高了基于信号生成的图像的信噪比。

可选的，差模线圈和共模线圈的位置关系不做限定。优选的，所述差模线圈在所述共模线圈内。为简化射频线圈的复杂度，可以将差模线圈设置在共模线圈内。即共模线圈的大小大于差模线圈的大小。

在本实施例中，共模线圈和差模线圈的形状不受限制。但在上述方案的基础上，为提高磁场的稳定性，可以设置共模线圈和所述差模线圈的中心线在同一直线上。优选的，共模线圈和差模线圈为规则形状。如共模线圈和差模线圈可以为圆形，共模线圈和差模线圈也可以为矩形，共模线圈和差模线圈还可以为正方形。当共模线圈和差模线圈为原型时，共模线圈的中心线为穿过共模线圈圆心的直线，差模线圈的中心线为穿过差模线圈圆心的直线；当共模线圈和差模线圈为矩形或正方形时，共模线圈的中心线可以为与共模线圈的边平行，且通过共模线圈中心的直线，差模线圈的中心线可以为与差模线圈的边平行，且通过差模线圈中心的直线。优选的，差模线圈和/或共模线圈为矩形，矩形形状规则且结构简单，使得双调谐射频线圈装置的结构规则且简单，提高了双调谐射频线圈装置的鲁棒性。

一个实施例中，所述差模线圈和所述共模线圈为微带线结构。可选的，可以利用微带线结构以及共模差模技术，产生具备两种谐振频率的谐振结构。其中，共模模式是微带谐振器的二次谐波模式，由微带中心的同轴线圈驱动，这种工作模式下，谐振器的两个平行铜带导体的电流方向相同；差模模式是微带谐振器的主谐振模式，由方形电感回路驱动。在该模式下微带谐振器的两个平行带导体上的电流方向相反。可选的，差模线圈和共模线圈的两种模式分别由具备等幅值，90相位差的电流源驱动，输入功率设置为1w，可以获得各核素下各通道的电磁场分布。

可选的，所述共模线圈上设置有至少两个调谐电容和至少一个第二协调电容，所述第一调谐电容设置在所述差模线圈的驱动端口，所述第二协调电容设置在所述差模线圈上的平行铜带与地之间，所述第一协调电容和所述第二协调电容用于调整所述差模线圈的谐振频率。图2是本发明实施例所提供的又一种双调谐射频线圈装置的结构示意图。如图2所示，第一调谐电容Ccm-t1位于驱动端口处，第二协调电容Ccm-t2为辅助调谐电容，位于平行铜带与接地面之间。第一调谐电容和第二协调电容共同作用，将CM工作频率调谐至所需的工作频率。

可选的，所述差模线圈包括第三协调电容和第四协调电容，所述第三协调电容设置在所述差模线圈的驱动端口，所述第四协调电容设置在所述差模线圈的平行待导体连接处。如图2所示，第四协调电容Cdm-t位于平行带导体连接处，第三协调电容Cdm-m在驱动端口处，将DM工作频率调谐至所需的工作频率。在该模式下微带谐振器的两个平行带导体上的电流方向相反。

在本发明的一种实施方式中，所述双调谐射频线圈装置设置在基板上，所述基板为体线圈结构。图3是本发明实施例所提供的又一种双核射频阵列线圈装置的结构示意图。图3中以16通道为例，示意性的示出了体线圈结构的双协调射频线圈的结构。如图3所示，体线圈结构基板内侧均匀分布有差模共模谐振结构，且相邻的差模共模谐振结构之间设置有解耦回路。图3中除110和120标记之外的其他标记均为调谐电容。当通道数改变时，可以通过自有调节各通道的激励幅值和相位，使相邻单元间的激励相位相差45度，实现正交激发。其中，差模共模谐振结构以及解耦回路的实施方式可参照上述实施例，在此不再赘述。通过优化体线圈结构，如基板厚度和线圈尺寸，可以进一步提高基于采集的信号得到的图像的信噪比增益。

实施例二

本实施例在上述实施例的基础上，提供了一种优选实施例。本发明实施例将双调谐射频线圈装置具体化为HF双调谐射频线圈系统，对双调谐射频线圈装置进行说明。

本发明实施例提供的HF双调谐射频线圈系统包含利用微带传输线实现的共模和差模线圈单元(对应于上述实施例中的差模共模谐振结构)以及基于感应电流补偿法(based on inductive current compensation，ICE)的解耦结构(对应于上述实施例中的解耦回路)。

其中，本实施例中的共模和差模线圈单元利用微带线结构以及共模(CM)差模(DM)技术，产生具备两种谐振频率的谐振结构。也就是说，共模和差模线圈单元可以独立调谐共模、差模两种工作模式所需的工作频率，即在该线圈阵列结构下可以独立调谐各模式下所需工作频率。同时，由于共模和差模线圈单元本质上能够产生相互正交且分布相似的磁场，从而实现优异的核素解耦，并且提高了匀场效率。同时线圈阵列相邻单元之间设置的ICE解耦结构实现了通道间优越的电磁解耦。与现有技术相比，由于阵列具有简单的矩形几何形状，为HF双调谐射频线圈提供了一种简单而鲁棒的实现方法。

在本实施例中，CM结构调谐至H元素频率，DM结构调谐至F元素频率。根据上述实施例可知，在该双调谐射频线圈装置中，其共模和差模结构由于正交磁场的存在而实现解耦，因此，HF两种核素的电磁场相互正交，互不影响；上述特性为提高了质子和非氢磁共振信号激发和接收效率的关键。

同时，基于该双调谐结构单元的特点，在用于并行成像或并行激励应用的双调谐线圈阵列或双调谐收发器阵列中，采用适于无重叠线圈阵列设计的感应电流补偿法(ICE)解决CMDM阵列间的耦合问题，即利用单一ICE解耦单元同时实现HF核素各单元间解耦。由于阵列系统具有规则简单的矩形几何形状，且磁场正交，相邻通道间实现解耦，从而提高1H质子和19F核磁共振信号的激发和接收效率。

示例性的，可以将CMDM正交微带线阵列设置在H＝1.27厘米厚的特氟龙基板上(介电常数2.1，磁导率1)，基板尺寸为34.5厘米*12厘米(长为34.5厘米，宽为12厘米)，基板另一侧覆盖铜箔作为接地面，厚度为0.1毫米。采用5毫米宽的铜带制作CMDM谐振单元，CM结构单元为4.4厘米*9.6厘米尺寸的矩形，DM结构单元为2.6厘米*39厘米尺寸的矩形。相邻CMDM单元间的解耦由谐振单元ICE结构实现，谐振单元ICE结构的尺寸为1.6厘米*9.4厘米，与邻近的厘米DM谐振单元间隔0.3厘米。

本发明实施例提供的微带线双谐振线圈结构一共具有8个通道，包括4通道CM结构单元以及4通道DM结构单元，CM结构单元用于实现1H信号的采集，DM结构单元用于实现19F信号的采集。其中，CM共模模式是微带谐振器的二次谐波模式，由微带中心的同轴线圈驱动，在此工作模式下，谐振器的两个平行铜带导体的电流方向相同。参考图2，调谐电容Ccm-t1位于CM结构单元的驱动端口处，另一辅助调谐电容Ccm-t2位于平行铜带与接地面之间，两者共同作用，将CM工作频率调谐至7T系统下H的共振频率298MHz。匹配电容Ccm-m串联至驱动端口处，同轴电缆屏蔽层与铜接地面均接地。DM差模模式是微带谐振器的主谐振模式，由方形电感回路驱动，参考图2，调谐电容Cdm-t位于平行带导体连接处，将DM工作频率调谐至7T系统下19F的共振频率282MHz，匹配电容Cdm-m在DM结构单元的驱动端口处，在该模式下微带谐振器的两个平行带导体上的电流方向相反。上述两种模式分别由具备等幅值，90相位差的电流源驱动，输入功率可根据实际需求设置。

参照图2，ICE解耦结构回路中均匀设置有六个容值相等的电容器，使线圈回路中产生均匀的电流分布。采用独立线圈式的ICE解耦结构回路作为解耦元件，主要作用是补偿或消除相邻CDMD微带线元件间因相互耦合而产生的感应电流，通过调节独立线圈回路中的电容值改变该解耦线圈回路中的感应电流，从而实现CMDM相邻单元间的有效解耦。

本发明实施例提供的HF双调谐射频线圈系统用于磁共振下1H/19F核素成像，利用共模和差分模(CMDM)技术使微带传输线同时产生频率接近的H、F核素双谐振，两核素正交场分布产生显示了共模和差模之间的本质解耦能力，同时利用感应电流补偿法(ICE)的解耦结构实现了共模、差模结构的同时解耦。阵列系统具有规则简单的矩形几何形状，且磁场正交，相邻通道间实现解耦，提高了1H质子和19F核磁共振信号的激发和接收效率，提高了对1H/19F信号探测的敏感性，以及双调谐射频阵列线圈的鲁棒性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种双调谐射频线圈装置，其特征在于，包括：至少两个差模共模谐振结构，相邻的所述差模共模谐振结构之间设置有解耦回路；

所述差模共模谐振结构包括共模线圈和差模线圈，所述共模线圈用于产生第一磁场，所述差模线圈用于产生第二磁场，所述第一磁场的主磁场方向与所述第二磁场的主磁场方向相互垂直；

所述解耦回路用于对相邻的所述差模共模谐振结构进行解耦。

2.根据权利要求1所述的双调谐射频线圈装置，其特征在于，所述差模线圈在所述共模线圈内。

3.根据权利要求1所述的双调谐射频线圈装置，其特征在于，所述共模线圈和所述差模线圈的中心线在同一直线上。

4.根据权利要求1所述的双调谐射频线圈装置，其特征在于，所述差模线圈和所述共模线圈为微带线结构。

5.根据权利要求1所述的双调谐射频线圈装置，其特征在于，所述差模线圈和/或所述共模线圈为矩形。

6.根据权利要求1所述的双调谐射频线圈装置，其特征在于，所述共模线圈上设置有至少两个调谐电容和至少一个第二协调电容，所述第一调谐电容设置在所述差模线圈的驱动端口，所述第二协调电容设置在所述差模线圈上的平行铜带与地之间，所述第一协调电容和所述第二协调电容用于调整所述差模线圈的谐振频率。

7.根据权利要求1所述的双调谐射频线圈装置，其特征在于，所述差模线圈包括第三协调电容和第四协调电容，所述第三协调电容设置在所述差模线圈的驱动端口，所述第四协调电容设置在所述差模线圈的平行待导体连接处。

8.根据权利要求1所述的双调谐射频线圈装置，其特征在于，所述解耦回路为基于感应电流补偿法的解耦结构，所述解耦回路包括至少两个均匀分布的解耦电容。

9.根据权利要求1所述的双调谐射频线圈装置，其特征在于，所述双调谐射频线圈装置设置在基板上，所述基板为体线圈结构。

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