CN112763953B

CN112763953B - 基于7.0t磁共振成像系统的头/膝关节多用途射频线圈装置

Info

Publication number: CN112763953B
Application number: CN202011458436.7A
Authority: CN
Inventors: 王鹤; 方磊
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2040-12-10
Also published as: CN112763953A

Abstract

本发明属于磁共振成像技术领域，具体为一种基于7.0T磁共振成像系统的头/膝关节多用途射频线圈装置。本发明装置包括用于激发磁共振信号的圆极化发射系统、用于接收磁共振信号的阵列接收系统（含采集膝关节磁共振信号的接收阵列组合和采集颅脑磁共振信号的接收阵列组合），用于固定和连接收发系统、可根据不同扫描用途进行切换设备的滑槽导轨，发射系统和接收系统采用无质子信号的塑料作为射频电路载体和外壳，内部均设置有射频通道。本发明可在7.0T超高场临床磁共振系统中，确保成像质量不变的情况下，采用单个设备对多个部位实施成像的功能，这将大幅降低成本，且在检查过程中无需频繁更换设备，大大增加临床检查的效率。

Description

基于7.0T磁共振成像系统的头/膝关节多用途射频线圈装置

技术领域

本发明属于磁共振成像技术领域，具体涉及一种用于人体器官磁共振成像系统的射频线圈装置，特别是涉及一种头/膝关节多用途射频线圈装置。

背景技术

磁共振影像系统（MRI）是核磁共振（NMR）在医学上的一个应用。磁共振影像系统的主磁系统产生一均匀强磁场（称为MRI系统主磁场—B₀）。人体中的氢原子核在B₀场下发生自旋极化。磁极化的氢原子核自旋在人体中产生磁矩i。在没有B₀以外的外磁场激励情况下，该磁矩处于稳态，方向和主磁场B₀方向同轴向，不产生有用的信息。

当有外加的均匀的射频（RF）磁场（称为激发磁场或B₁磁场）存在时，人体内磁矩受激产生核磁共振信号，经接受线圈采集，电子线路和软件整合处理后，最终获取磁共振影像系统（MRI）的数据和图像。

具体而言，射频发射线圈在所需探测的图像区域产生B₁磁场，该射频发射线圈由采用功率放大器的受计算机控制的射频发射器驱动。在激发过程中，原子核自旋系统吸收能量，使磁矩绕着主磁场方向进动。在激发后，进动的磁矩将经历自由感应衰减（FID），释放其吸收的能量并返回稳态。自由感应衰减（FID）过程中释放的能量以射频电磁场向周围传播，在人体受激部分附近放置的接收射频线圈会受此射频电磁场感应而产生感应电压，经前置放大器放大后即得到核磁共振（NMR）信号。接收射频线圈可以是发射线圈本身也可以是专门接收射频信号的独立线圈。集成在主磁场系统中的梯度线圈可以产生附加脉冲梯度磁场，选择性地激发所需要位置的体内的原子核，并对信号进行频率编码和相位编码，在空间频率坐标系（k空间）中建立一幅完整的核磁共振信号图，最终经过傅立叶变换，在寻常空间（R空间）内得到一幅完整的磁共振影像。

在磁共振影像系统（MRI）中，发射系统和接收系统所产生的磁场的均匀性是获得高质量图像的一个关键因素。在一般的磁共振影像系统中，通常采用整体射频线圈取得最佳激发场均匀性。整体射频线圈是系统中最大的射频线圈。但是，在超高场磁共振系统中，采用成体射频线圈进行发射需要极强的功率，且在检查过程中会产生较高的SAR值（比吸收率），容易超出人体所能接受的范围，从而迫使检查中断，因此，通常会采用小型局部发射系统来提高发射效率和安全性。同样，如果采用较大的线圈接收，则会产生较低的信噪比（SNR），这主要是因为这样的接收系统与参与成像的信号发生组织距离较远，且大型整体射频线圈的灵敏度较低又会引入全局噪声。在磁共振影像系统（MRI）中，最重要的是获得高信噪比（SNR），所以经常采用高密度阵列进行射频接收以提高所需探测部分的信噪比（SNR）。

在实用中，设计较佳的专用射频线圈应当具有下列功能：高信噪比、好的均匀性，谐振电路的高空载质量因子（Q）。此外，线圈装置必需设计成适于医生操作并具有舒适度，而且在病人与射频电子设备之间提供保护屏障。目前最优的提高信噪比的方法是采用高密度阵列技术进行信号接收，为了对一个较大的区域进行成像，如果使用单个较大的线圈，线圈所覆盖的所有区域的噪声均进入线圈，因此信噪比差。如果使用高密度阵列技术，使用多个独立的小线圈一起覆盖此区域，由于只有临近线圈的很小区域的噪声才能进入线圈，因此能够有效地提高信噪比。

头/膝关节多用途射频线圈装置在目前的超高场磁共振成像中有着极为重要的应用价值，不但可以用于精确诊断大脑、脑干、小脑、垂体、延髓、视神经系统、内听道神经系统、鼻咽部等颅脑内的各种病变，还可以用于精确诊断的膝关节周边的骨关节、软骨、韧带、半月板等各种病变。一方面来说，现有用于做头部和膝关节部位的诊断使用的是两款设备，两款设备均为收发一体化线圈，具备独立的发射系统和接收系统。因此在日常检查扫描时，需要安装、拆卸更换不同的设备来应对不同的检查部位，这不但会增加设备操作人员的工作负担，也大大降低了检查的效率和流量，同时，频繁的插拔设备也容易加速设备的老化，缩短使用寿命。另一方面来说，目前进行头部检查的线圈严格意义上说应该为大脑线圈，其有效的FOV(成像范围)仅覆盖在了大脑组织，而超出这一范围的诸如脑干、小脑、延髓等部位的信号则会极具衰减，无法作为诊断研究的依据。而目前进行膝部检查的设备亦为圆柱体的前后贯穿结构，拥有一套几乎雷同于头部线圈的独立的发射系统，而在接收系统层面，因为膝部检查的范围相对有限，所以在接收阵列的设置方面，并未配置到系统的最上限。因此，对于终端来说，不但在设备采购环节上造成了一定的重复支出，又在设备使用环节上，未能充分的利用设备的性能。

发明内容

为解决现有的头部和膝关节部装置存在的图像范围小、信号缺失严重、操作繁琐、检查效率低、设备投入成本过高等一系列的缺陷，本发明的目的是提供一种具备广泛适用性，设备高度集成整合，使用过程轻松简单无需频繁更换且具备全局成像视野的头/膝关节多用途射频线圈装置。

本发明提供的头/膝关节多用途射频线圈装置，既可以单独采用发射系统结合膝关节接收阵列组进行膝关节部位的检查和扫描，又可以将膝关节接收阵列组和颅脑接收阵列组进行组合，形成头部阵列组，再结合发射系统进行整个头部的检查和扫描。在成像质量得到充分保障的前提下，不但解决了此前脑部成像范围小、诊断受局限的问题，还简化了扫描的流程，在切换头部检查和膝关节检查时无需更换设备，大大提高了检查的效率，减轻了临床工作者的负担，规避了更换过程中可能导致设备损坏的潜在风险；同时只需采购一款设备便能满足了检查的多样性，大幅压缩了设备成本。

本发明提供的头/膝关节多用途射频线圈装置，是用于7.0T磁共振成像系统的，其结构包括：用于激发磁共振信号的圆极化发射系统，用于接收磁共振信号的接收系统；含接收膝关节及周边部位磁共振信号的膝关节接收阵列组和接收大脑部位磁共振信号的颅脑接收阵列组；用于固定和连接接收和发射系统、可根据不同扫描用途进行切换设备的滑槽导轨；发射系统和接收系统均采用无质子信号的塑料作为结构载体和外壳，内部均设置有射频电路；其中：

所述圆极化发射系统，其主体为正圆柱形鸟笼结构，前后两头贯穿，其长度大于组合后的头部阵列组，采用无质子信号的塑料作为机械结构的载体，笼体梁柱根数为4的整数倍，呈等距分布（例如，笼体梁柱为16根，每根梁之间的夹角为22.5°）。

所述圆极化发射系统，其笼体梁内均设置有等距对称的鸟笼结构射频电路，从而构建成为圆极化发射线圈，来产生高度均匀的发射场。

所述圆极化发射系统，其下方外侧具有支撑底座，底座为水平，可以平稳的放置在磁共振扫描床上。

所述圆极化发射系统，其腔体内部正下方底面内侧设有轴向滑槽，滑槽的一侧齐平于圆极化发射系统，另一侧向外侧延伸，延伸距离不低于圆极化发射系统轴向长度的130%。

所述轴向滑槽上设有滑托，滑托下方设有滑扣16，滑扣16嵌入滑槽中，因此滑托可以延滑槽方向上前后移动。

所述的滑托上方设有定位槽。

所述的接收系统由两部分组成，一部分是用来接收膝关节及周边部位磁共振信号的膝关节接收阵列组；另一部分是用来接收大脑部位磁共振信号的颅脑接收阵列组。

所述膝关节接收阵列组，其主体结构呈正圆柱形，前后两头贯穿，下方设有定位柱，可以与滑托上的定位槽相匹配；在使用时，将膝关节接收阵列组下方的定位柱插入滑托上的定位槽，便可在圆极化发射系统内实现轴向的移动来调节相应的位置。

述膝关节接收阵列组，其内部环绕设置有多个等权重的环形接收天线，用以构成高灵敏度的膝关节接收阵列组来采集膝关节及周边相关组织的磁共振信号。

所述颅脑接收阵列组，其一头呈正圆柱形开口状，其直径与膝关节接收阵列组一致；另一头呈半圆形逐渐收口至封闭，类似穹顶状。

所述颅脑接收阵列组，下方设有定位柱，可以与滑托上的定位槽相匹配，在使用时，将颅脑接收阵列组下方的定位柱插入滑托上的定位槽，便可在圆极化发射系统内实现轴向的移动来调节相应的位置。

所述颅脑接收阵列组，其内部环绕设置有多个等权重的环形接收天线，用以构成高灵敏度的颅脑接收阵列组来采集大脑组织的磁共振信号。

所述颅脑接收阵列组，其开口侧设有延伸套管，套管的直径略小于开口侧直径（即膝关节接收阵列组的直径），内部设置有去耦电路。

所述颅脑接收阵列组，可以通过滑托移动位置，和膝关节阵列组组合成一体，形成具有较大成像范围的头部接收阵列，从而可以对整个头部包含大脑、中脑、小脑、延髓、鼻咽部实施精准成像。

本发明的有益效果：

只需要采用一个通用的圆极化发射系统来激发磁共振信号，叠加两个可以分离或组合的接收阵列来实现磁共振信号接收，在使用过程中，无需装卸线圈，只需简单的滑移不同的接收阵列进行组合，便能对不同的部位实施扫描检查；而且，组合后的头部接收阵列的成像范围较原有的头部线圈有大幅度的提高，是原本无法成像的部位也能获得精准成像，突破原有的临床应用的局限性，进一步挖掘超高场磁共振的应用潜力，发挥价值。

附图说明

图1是本发明的整体结构分解示意图。

图2是本发明的圆极化发射系统示意图（一个角度）。

图3是本发明的圆极化发射系统示意图（另一个角度）。

图4是本发明滑托的结构示意图。

图5是本发明的膝关节接收阵列组结构示意图（一个角度）。

图6是本发明的膝关节接收阵列组结构示意图（另一个角度）。

图7是本发明的颅脑接收阵列组结构示意图。

图8是本发明的头部接收阵列组结构示意图。

图9是本发明的系统磁场和方向示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

如图1所示，是本发明头/膝关节多用途射频装置的整体结构示意，主要由三个部分组成：1. 用于激发磁共振信号的圆极化发射系统1；2.用于接收膝关节及周边磁共振信号的膝关节接收阵列组2；3.用于接收大脑磁共振信号的颅脑接收阵列组3。对于目前的7.0T磁共振系统来说，内部不再集成整体线圈作为信号发射系统，主要是因为在超高场的环境下，如果采用整体线圈作为发射，由于它所激发的是整个容积内环境内的质子信号，需要很强的功率来激发，这样不但对于设备来说，硬件的承载压力较高，对于被测患者而言，过量的SAR值也会超出人体所能承受的安全界限。另一方面，对于磁共振成像而言，通常扫描需求为一个局部的感兴趣区域，例如头部或膝关节部，因此，只要这个部位的信号能够被激发便具备了成像的条件，其他非扫描部位的信号即便被激发也没有任何价值，非但如此，非扫描部位的被激发后也会产生信号，反而还有可能形成伪影对感兴趣区的图像造成干扰。所以，采用小型局部发射系统来进行信号激发是一种优选方案，既大大减轻了系统硬件的承载压力，增加了发射的效率，又避免了人体接受SAR值过高，或者图像受到干扰的问题。

在具体使用时，圆极化发射系统1平放于扫描病床之上，膝关节接收阵列组2和颅脑接收阵列组3分别固定在滑托14之上，利用滑托14在滑槽13内的活动来调整其与圆极化发射系统1的相对位置，确保其完全容纳于发射场。膝关节接收阵列组2和颅脑接收阵列组3有两种使用模式，第1种是当进行膝关节的扫描检查时，将膝关节接收阵列组2通过滑托14延滑槽13置入圆极化发射系统1内，其两头贯穿，脚部和小腿可以穿过它从而将膝部置入膝关节接收阵列组2从而实施膝关节的扫描检查，在这种情况下，颅脑接收阵列组3可以通过滑托14移至圆极化发射系统1以外，这样一来，既不需要采用主被动失谐电路对设备进行保护，也不用担心其他非扫描部位的信号被激发采集而影响感兴趣区域的成像。第2种是当进行头部扫描检查时，将膝关节接收阵列组2和颅脑接收阵列组3都置入圆极化发射系统1内，两者组合相连，利用膝关节接收阵列组2覆盖于面部，来采集获得额面部、中脑、小脑的磁共振信号，利用颅脑接收阵列组3覆盖于颅顶来获得大脑的磁共振信号，两者协同，便可完成对整个头部的磁共振信号采集。采用该方案所获得的的成像范围将远远大于目前头线圈所能覆盖采集的成像范围，是本发明最大的创新点。

如图2、图3所示，是本发明的圆极化发射系统1示意图。圆极化发射系统1由无质子信号的塑料作为外壳，整体呈圆柱形鸟笼结构，前后两头均为正圆开口，两头贯穿，连接两侧开口的是中间设置的16根笼体梁柱11，每根梁柱11两两之间到圆柱形鸟笼结构圆心的夹角为22.5°，呈等距分布，所有的塑料笼体梁柱11内均设置有射频电路，因此电路结构也依托于外壳的鸟笼结构形成了一个90°正交的圆极化线圈，圆极化线圈所构建的是两个垂直于B0场（静磁场），且自身也相互垂直的B1场（射频场），这种结构的射频场在其容积区间内高度均匀，同时，由于其激发容积的大大缩小，使激发所需要的能量大幅降低，是作为发射系统的最优选择。圆极化发射线圈的下方底部外侧具有支撑底座12，底座12的上侧呈圆弧形，弧度等同于圆柱形的鸟笼结构，下侧呈水平，这样，在实际应用时，圆柱形的鸟笼结构圆极化发射线圈可以依托支撑底座12平稳、牢固的放置在磁共振扫描床上。圆极化发射线圈的下方底部的内侧设有轴向的滑槽13，滑槽13的一侧（F侧）齐平于圆极化发射系统1的一面，这是因为在滑动接收阵列组的时候，需要确保接收阵列组始终处于圆极化发射系统1的腔体内，在这个区域内的信号才会获得激发，从而被接收阵列组采集生成影像数据；另一侧（H侧）向后延伸，其延伸距离不小于圆极化发射系统1轴向长度的130%，这是因为在进行膝关节的扫描检查时，可以将颅脑接收阵列组3移至发射系统之外，从而无需采用主被动失谐电路对设备进行保护，也不用担心其他非扫描部位的信号被激发采集而影响真正感兴趣区域的成像，另一方面，也可以确保膝盖检查时脚部和小腿部贯穿膝关节接收阵列组2后可以有足够的摆放空间。

如图4所示是本发明滑托14的结构示意图，滑托14同样采用无质子信号的塑料作为材料制作而成，整个滑托14的形状呈半圆形，其弧度与接收阵列组下部的弧度一致，滑托14下方设置有滑扣16，滑扣16的形状和圆极化发射系统1内的滑槽13相匹配，可以嵌入其中，并延槽内方向移动，滑托14的上方设置有定位槽15，与接收阵列组下部的定位柱22相匹配，用于固定接收阵列组和滑托14的连接，连接后的接收阵列组依托滑托14便可在滑槽13内滑动进而改变其与圆极化发射线圈的相对位置关系。

如图5、图6所示是本发明的膝关节接收阵列组2结构示意图，其主体结构同样采用无质子信号的塑料作为材料制作而成，呈正圆柱形，直径小于圆极化发射系统1，前后两头贯穿，使用时将下肢贯穿而过，将膝盖部位置于阵列组的中心来进行信号的采集。主体结构中心正下方的外侧设有定位柱22，在使用时，将膝关节接收阵列组2下方的定位柱22插入滑托14上的定位槽15，便可在圆极化发射系统1内实现轴向的移动来调节相应的位置。主体结构的内部环绕设置有多个等权重的环形接收天线，磁共振信号接收的强度主要取决于环形接收天线的大小和其所放置的位置，通常情况下，只要环形接收天线的规格尺寸相同，则理论上它所能探测的范围和灵敏度就是一致的；另外，对于感兴趣区域而言，只要在区间内均匀的分布同样大小的接收天线，便能在感兴趣区域内获得较为均匀的信号区间，因此，用多个等权重的环形接收天线覆盖于圆柱形主体结构内，就构成了高灵敏度的膝关节接收阵列组2，便可以采集膝关节及周边相关组织的磁共振信号。

如图7所示是本发明的颅脑接收阵列组3结构示意图，其主体结构同样采用无质子信号的塑料作为材料制作而成，一头（F侧）呈正圆柱形开口状，其直径与膝关节接收阵列组2一致，这样无论是从几何结构来说还是从信号强度来说，均能够实现较为平顺的过渡；另一头（H侧）呈半圆形逐渐收口至封闭，类似穹顶状，这部分的设置能够使其内部的等权重环形天线完全覆盖于颅顶之上，从而更高效率的获得磁共振信号，生成更高信噪比的影像数据。颅脑接收阵列组3主体结构的正下方同样设有定位柱22，可以与滑托14上的定位槽15相匹配，在使用时，将颅脑接收阵列组3下方的定位柱22插入滑托14上的定位槽15，便可在圆极化发射系统1内实现轴向的移动来调节相应的位置。颅脑接收阵列组3主体结构内部同样环绕设置有多个等权重的环形接收天线，与膝关节接收阵列组一样，用以构成高灵敏度的颅脑接收阵列组3来采集大脑组织的磁共振信号。颅脑接收阵列组3的开口端（F侧）设有延伸套管31，套管31的直径略小于开口端直径（即膝关节接收阵列组2的直径），内部设置有去耦电路。在本发明中，用来采集获得磁共振信号的主要就是安装设置在主体结构内部的多个等权重的环形天线，既然是等权重，那每个天线的工作频率基本一致，增益强度基本一致，阻抗特性也基本一致，因此相互之间会形成极为强烈的射频干扰，这些干扰会导致磁场环境变得紊乱，匀场性能大幅降低，进一步的就是导致成像结果的极度不均匀而无法进行评判。一般来说，对于这种情况，可以通过电路设计的优化来解决这些问题，但这种方法局限于单个设备的内部，对于两个相互独立的设备而言无法实现。因此我们采用另一种方法——空间去耦法来解决这个问题，在套管31内设置有去耦电路，在膝关节接收阵列组2和颅脑接收阵列组3进行组合形成头部接收阵列组时，会将颅脑接收阵列组3开口端（F侧）的延伸套管31嵌入膝关节接收阵列组2的后端（H侧），套管31内的去耦电路和膝关节接收阵列内的环形接收天线形成空间上的交叠，所以这两者之间的磁场也就发生了交叠，从而相互抵消完成去耦。

如图8所示，是本发明的头部接收阵列组结构示意图，头部接收阵列组是由膝关节接收阵列组2和颅脑接收阵列组3组合而成，两者分别通过其下方的定位柱22插入滑托14上的定位槽15，再通过滑动滑托14将颅脑接收阵列的延伸套管31插入膝关节接收阵列的H侧形成两者相连，最终组合成头部接收阵列，然后将其移动至圆极化发射系统1之内便可接收受激发组织的磁共振信号进行成像。本发明的优选方案将头部的成像范围大幅扩大，从现有的仅能对大脑成像扩展至了包含中脑、小脑、延髓、颌面等部位的整个头部的成像，从而使影像数据更为完整，为临床诊断或脑部的研究提供了更多更有价值的信息。

如图9所示，是本发明的系统磁场和方向示意图，z轴为系统超导线圈所产生的磁场方向，也就是所谓的B0场。而x与y轴与主磁场相垂直，也就是所谓的B1场。射频发射和接收系统所激发或获取的信号均来自于这两个方向。

Claims

1.一种用于7.0T磁共振成像系统的头/膝关节多用途射频线圈装置，其特征在于，包括：

用于激发磁共振信号的圆极化发射系统，用于接收磁共振信号的接收系统；其中含接收膝关节及周边部位磁共振信号的膝关节接收阵列组和接收大脑部位磁共振信号的颅脑接收阵列组；

用于固定和连接接收系统和发射系统、可根据不同扫描用途进行切换设备的滑槽导轨；

所述圆极化发射系统，其主体为正圆柱形鸟笼结构，前后两头贯穿，其长度大于组合后的颅脑接收阵列组，采用无质子信号的塑料作为机械结构的载体，笼体梁柱根数为4的整数倍，呈等距分布；

所述圆极化发射系统，其笼体梁内均设置有等距对称的鸟笼结构射频电路，从而构建成为圆极化发射线圈，来产生高度均匀的发射场；

所述的接收系统由两部分组成，一部分是用来接收膝关节及周边部位磁共振信号的膝关节接收阵列组；另一部分是用来接收大脑部位磁共振信号的颅脑接收阵列组；

所述膝关节接收阵列组，其主体结构呈正圆柱形，前后两头贯穿，下方设有定位柱；

所述膝关节接收阵列组，其内部环绕设置有多个等权重的环形接收天线，用以构成高灵敏度的膝关节接收阵列组来采集膝关节及周边相关组织的磁共振信号；

所述颅脑接收阵列组，其一头呈正圆柱形开口状，其直径与膝关节接收阵列组一致；另一头呈半圆形逐渐收口至封闭，类似穹顶状；下方设有定位柱；

所述颅脑接收阵列组，其内部环绕设置有多个等权重的环形接收天线，用以构成高灵敏度的颅脑接收阵列组来采集大脑组织的磁共振信号；

所述圆极化发射系统，其腔体内部正下方底面内侧设有轴向滑槽，滑槽的一侧齐平于圆极化发射系统，另一侧向外侧延伸，延伸距离不低于圆极化发射系统轴向长度的130%；

所述轴向滑槽上设有滑托，滑托下方设有滑扣，滑扣嵌入滑槽中，滑托可以延滑槽方向上前后移动；所述的滑托上方设有定位槽；

所述膝关节接收阵列组下方的定位柱与滑托上的定位槽相匹配；在使用时，将膝关节接收阵列组下方的定位柱插入滑托上的定位槽，在圆极化发射系统内实现轴向的移动来调节相应的位置；

所述颅脑接收阵列组下方的定位柱与滑托上的定位槽相匹配，在使用时，将颅脑接收阵列组下方的定位柱插入滑托上的定位槽，在圆极化发射系统内实现轴向的移动来调节相应的位置。

2.根据权利要求1所述的头/膝关节多用途射频线圈装置，其特征在于，所述圆极化发射系统，其下方外侧具有支撑底座，底座为水平，可以平稳的放置在磁共振扫描床上。

3. 根据权利要求1或2所述的头/膝关节多用途射频线圈装置，其特征在于，所述颅脑接收阵列组，其开口侧设有延伸套管，套管的直径略小于膝关节接收阵列组的直径，内部设置有去耦电路。

4.根据权利要求3所述的头/膝关节多用途射频线圈装置，其特征在于，所述颅脑接收阵列组通过滑托移动位置，和膝关节阵列组组合成一体，形成具有较大成像范围的头部接收阵列，从而实现对整个头部包含大脑、中脑、小脑、延髓、鼻咽部实施精准成像。