CN113436863A - 去耦器件、射频环路线圈阵列、行波天线阵列及mri设备 - Google Patents

去耦器件、射频环路线圈阵列、行波天线阵列及mri设备 Download PDF

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CN113436863A CN202110547602.9A CN202110547602A CN113436863A CN 113436863 A CN113436863 A CN 113436863A CN 202110547602 A CN202110547602 A CN 202110547602A CN 113436863 A CN113436863 A CN 113436863A
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Abstract

本申请涉及一种去耦器件、射频环路线圈阵列、行波天线阵列及MRI设备，采用同轴电缆和两个集总元件连接形成闭路，形成去耦器件。只需将该去耦器件放置在两个射频元件之间，在两射频元件之间相互耦合时，通过去耦器件即可消除这两个射频元件之间的电磁耦合。上述方案的去耦器件应用到磁共振成像中时，可有效去除磁共振成像设备中的射频元件之间的耦合，从而有效提高磁共振成像设备的成像质量。

Description

去耦器件、射频环路线圈阵列、行波天线阵列及MRI设备
技术领域
本申请涉及射频技术领域，特别是涉及一种去耦器件、射频环路线圈阵列、行波天线阵列及MRI设备。
背景技术
MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像)是利用射频磁场对人体内氢核分布进行成像的医学诊断设备。MRI基本由磁体、梯度线圈和射频线圈组成。外磁体产生的主磁场B0迫使体内的质子沿B0方向排列，射频发射(Tx)线圈将磁场B1+发射到体内，导致组织中的质子自旋不平衡，射频接收(Rx)线圈检测在质子沿B0方向重新排列时发射的磁场B1－。通过将人体各组织重构为数字信息，可显示其不同的磁特性，达到重构人体图像的目的。
在射频线圈中，谐振回路线圈和偶极天线等元件是磁电耦合的，在多通道阵列系统中，线圈的相互耦合会降低图像质量。传输过程中，射频线圈元件之间的耦合会降低传输效率；接收过程中，射频线圈元件之间的耦合会导致从线圈接收到的信号之间产生噪声相关性，并降低几何因子(g-因子)，从而降低平行成像效率。因此，传统的射频线圈之间的相互耦合会严重影响磁共振成像的图像质量。
发明内容
基于此，有必要针对传统的射频线圈之间的相互耦合会严重影响磁共振成像的图像质量的问题，提供一种去耦器件、射频环路线圈阵列、行波天线阵列及MRI设备。
一种去耦器件，包括：同轴电缆，设置于两个相邻射频元件之间；第一集总元件，设置于所述同轴电缆的一端，所述第一集总元件的第一端连接所述同轴电缆的内导体，所述第一集总元件的第二端连接所述同轴电缆的外屏蔽导体；第二集总元件，设置于所述同轴电缆的另一端，所述第二集总元件的第一端连接所述同轴电缆的内导体，所述第二集总元件的第二端连接所述同轴电缆的外屏蔽导体。
在一个实施例中，所述第一集总元件为调谐元件，所述第二集总元件为负载元件。
在一个实施例中，所述调谐元件为电容器或电感器，所述负载元件为电容器或电感器。
一种射频环路线圈阵列，包括射频环路线圈和上述的去耦器件，所述去耦器件设置于任意相邻两个射频环路线圈之间。
在一个实施例中，所述射频环路线圈包括第一环路调谐电容器、第二环路调谐电容器、第三环路调谐电容器和阻抗匹配电路，所述第一环路调谐电容器、所述第二环路调谐电容器、所述第三环路调谐电容器和所述阻抗匹配电路依次通过射频导线连接构成环路。
在一个实施例中，设置于任意相邻两个射频环路线圈之间的去耦器件距离所述任意相邻两个射频环路线圈的距离相等。
一种行波天线阵列，包括行波天线和上述的去耦器件，所述去耦器件设置于任意相邻两个行波天线之间。
在一个实施例中，所述行波天线为偶极天线。
在一个实施例中，所述偶极天线包括第一偶极调谐元件、第二偶极调谐元件、第一天线导线、第二天线导线和阻抗匹配电路，所述第一偶极调谐元件设置于所述第一天线导线，所述第二偶极调谐元件设置于所述第二天线导线，所述阻抗匹配电路的第一端连接所述第一天线导线，所述阻抗匹配电路的第二端连接所述第二天线导线。
一种MRI设备，包括射频元件和上述的去耦器件，所述去耦器件设置于任意相邻两个射频元件之间。
上述去耦器件、射频环路线圈阵列、行波天线阵列及MRI设备，采用同轴电缆和两个集总元件连接形成闭路，形成去耦器件。只需将该去耦器件放置在两个射频元件之间，在两射频元件之间相互耦合时，通过去耦器件即可消除这两个射频元件之间的电磁耦合。上述方案的去耦器件应用到磁共振成像中时，可有效去除磁共振成像设备中的射频元件之间的耦合，从而有效提高磁共振成像设备的成像质量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一实施例中去耦器件结构示意图；
图2为一实施例中射频环路线圈阵列结构示意图；
图3为另一实施例中射频环路线圈阵列结构示意图；
图4为一实施例中射频环路线圈阵列阻抗示意图；
图5为一实施例中行波天线阵列结构示意图；
图6为另一实施例中行波天线阵列结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。
请参阅图1，一种去耦器件，包括：同轴电缆10，设置于两个相邻射频元件之间；第一集总元件20，设置于同轴电缆10的一端，第一集总元件20的第一端连接同轴电缆10的内导体11，第一集总元件20的第二端连接同轴电缆10的外屏蔽导体12；第二集总元件30，设置于同轴电缆10的另一端，第二集总元件30的第一端连接同轴电缆10的内导体11，第二集总元件30的第二端连接同轴电缆10的外屏蔽导体12。
具体地，同轴电缆10(Coaxial Cable)是指有两个同心导体，而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆。最常见的同轴电缆10由绝缘材料隔离的导体组成，其中心采用铜线等导电金属线材作为内导体11，在里层绝缘材料的外部是另一层环形导体及其绝缘体，然后整个电缆由聚氯乙烯或特氟纶材料的护套包住。集总元件即为外形尺寸远小于通过自身的电磁波信号的波长类型的器件或部件，该器件或部件对于电路的影响可以理想等效成一个点，相对于分布元件而言，如常见尺寸的电容、电阻等可以看成是集总元件。或者说，实际电路中使用的电路部件一般都和电能的消耗现象及电、磁能的储存现象有关，它们交织在一起并发生在整个部件中，假定在理想条件下，这些现象可以分别研究，并且这些电磁过程都分别集中在各元件内部进行，这样的元件称为集总参数元件，简称为集总元件。
本实施例的方案，采用在同轴电缆10的两端分别设置第一集总元件20与第二集总元件30，通过第一集总元件20的第一端-内导体11-第二集总元件30的第一端-第二集总元件30的第二端-外屏蔽导体12-第二集总元件30的第二端形成闭合回路，组成一去耦器件。通过将该去耦器件设置在两个相邻射频元件之间，射频元件之间的相互耦合将会由于去耦器件的存在而被消除，从而达到射频元件之间去耦合的目的。
本实施例的方案中，采用同轴电缆10与集总元件构成去耦器件，去耦器件可独立射频元件设置，使得该寄生同轴电缆类型的去耦器件不仅能够去耦结构上彼此靠近配置的强耦合射频线圈，还能应用于行波天线阵列等，实现行波天线阵列的去耦操作。同时，寄生同轴电缆类型的去耦器件相比常规的寄生环路去耦器件可占用更少的空间，因此寄生同轴电缆类型的去耦器件可用于紧凑型阵列设计中。并且，由于电缆具有易弯曲的特点，寄生同轴电缆类型的去耦器件同样可实现弯曲，从而应用到柔性射频线圈阵列设计等，具有更为广泛的用途。进一步的，相对常规重叠去耦方法由于线圈重叠空间几何因子(g-因子)较高，导致PI效率低，本实施例所提供的寄生同轴电缆类型的去耦器件则可实现PI效率较高的非重叠去耦。
可以理解，第一集总元件20与第二集总元件30的具体类型并不是唯一的，在一个实施例中，第一集总元件20为调谐元件，第二集总元件30为负载元件。
具体地，在本实施例中，针对第一集总元件20与第二集总元件30在去耦器件中所实现的作用不同，第一集总元件20与第二集总元件30的具体类型也会有所区别。本实施例中，采用调谐元件作为第一集总元件20，在去耦器件中实现调谐操作，以使得去耦器件在运行过程中，将寄生元件的欧姆损耗最小化，提高去耦器件的工作可靠性。而第二集总元件30则为负载元件，在去耦器件中实现负载功能。
可以理解，无论是调谐元件还是负载元件，其具体形式均不是唯一的，在一个较为详细的实施例中，调谐元件为电容器或电感器，负载元件为电容器或电感器。也即本实施例中，采用电容器或电感器来作为调谐元件以及负载元件，调谐元件以及负载元件可以是相同类型的器件，例如均为电感器或均为电容器，还可以是不同类型高的器件，也即其中一个为电容器，而另一个为电感器，具体可根据实际需求进行不同的选择。
上述去耦器件，采用同轴电缆和两个集总元件连接形成闭路，形成去耦器件。只需将该去耦器件放置在两个射频元件之间，在两射频元件之间相互耦合时，通过去耦器件即可消除这两个射频元件之间的电磁耦合。上述方案的去耦器件应用到磁共振成像中时，可有效去除磁共振成像设备中的射频元件之间的耦合，从而有效提高磁共振成像设备的成像质量。
请参阅图2，一种射频环路线圈阵列，包括射频环路线圈200和上述的去耦器件100，去耦器件100设置于任意相邻两个射频环路线圈200之间。
具体地，采用在同轴电缆10的两端分别设置第一集总元件20与第二集总元件30，通过第一集总元件20的第一端-内导体11-第二集总元件30的第一端-第二集总元件30的第二端-外屏蔽导体12-第二集总元件30的第二端形成闭合回路，组成一去耦器件100。通过将该去耦器件100设置在两个相邻射频元件之间，射频元件之间的相互耦合将会由于去耦器件100的存在而被消除，从而达到射频元件之间去耦合的目的。用一个寄生同轴电缆类型的去耦器件100实现两个射频元件之间的去耦操作，可扩展到更多通道的射频阵列，只要在任意两相邻射频环路线圈200之间均设置一去耦器件100，则可有效去除任意两相邻射频环路线圈200之间的电磁耦合。
可以理解，射频环路线圈200的具体类型并不是唯一的，只要是两个相邻射频环路线圈200之间会发生电磁耦合现象类型的射频线圈，均可在任意两相连的射频线圈之间设置去耦器件100，实现电磁耦合消除操作。
例如，请结合参阅图3，在一个实施例中，射频环路线圈200包括第一环路调谐电容器210、第二环路调谐电容器220、第三环路调谐电容器230和阻抗匹配电路240，第一环路调谐电容器210、第二环路调谐电容器220、第三环路调谐电容器230和阻抗匹配电路240依次通过射频导线连接构成环路。
具体地，本实施例的射频环路线圈200为电容分段类型的线圈，该类型线圈可通过设置于线圈中的第一环路调谐电容器210、第二环路调谐电容器220、第三环路调谐电容器230进行调谐操作。在实际使用过程中，可通过调整去耦器件100的调谐元件，以将去耦器件100的寄生元件的欧姆损耗最小化，负载元件的电阻为零。某些情况下，如果仅通过调整调谐元件难以将去耦器件100的寄生元件的欧姆损耗最小化，则可以改变两个射频环路线圈200的电阻。在负载元件的电阻为零的情况下，计算负载元件的电抗，并将计算得到电抗相应的集总元件作为负载元件，连接到同轴电缆10的另一端。
进一步地，在一个实施例中，设置于任意相邻两个射频环路线圈200之间的去耦器件100距离任意相邻两个射频环路线圈200的距离相等。
具体地，去耦器件100距离任意相邻两个射频环路线圈200的距离，即去耦器件所处位置到任意相邻两个射频环路线圈200中相同位置的距离，也即结构上完全一致的两个射频环路线圈200，只需将去耦器件100沿两个射频环路线圈200的对称轴设置，即可使得去耦器件100距离任意相邻两个射频环路线圈200的距离相等。本实施例中，将去耦器件100设置距离相邻射频环路线圈200的距离相等，可以有效提高去耦可靠性。
请结合参阅图4，以射频环路线圈200为矩形环路线圈为例进行进一步解释说明，此时将去耦器件100距离两个射频环路线圈200中第一环路调谐电容器210所在射频导线的距离均记为d，基于电压定律，可得到：
Z1I1+Z12I2+Z1dId＝V1
Z21I1+Z2I2+Z2dId＝V2
Zd1I1+Zd2I2+ZdId+ZLId＝0
其中，Z1和Z2分别为第一射频环路线圈和第二射频环路线圈的自阻抗，Z12与Z21是两个射频环路线圈的互阻抗，Z1d、Z2d、Zd1与Zd2分别为两个射频环路线圈与去耦器件100的互阻抗，Zd为去耦器件100的自阻抗，I1、I2和Id分别为第一射频环路线圈、第二射频环路线圈和去耦器件100的测量电流，V1、V2分别为第一射频环路线圈、第二射频环路线圈的测量电压，ZL是第二集总元件30(也即负载元件)的阻抗。可用矩阵进一步表示为：
Figure BDA0003074109100000081
由于两个射频环路线圈是完全相同的，故Z1＝Z2，且去耦器件100距离两个射频环路线圈之间的距离相同，则有Z1d＝Z2d，因此，可进一步将上述矩阵重新排列为缩小矩阵形式，提供两个射频环路线圈的电压和电流关系，如下所示：
Figure BDA0003074109100000082
其中，
Figure BDA0003074109100000083
而
Figure BDA0003074109100000084
进一步地，由于该矩阵为对称矩阵，Z′21＝Z′12，当Z′12为零时，两个射频环路线圈彼此去耦，
Figure BDA0003074109100000091
为了将将寄生元件的欧姆损耗最小化，负载元件的电阻必须为零：
Figure BDA0003074109100000092
因此，需要通过调整器件的调谐元件(也即第一集总元件20)以满足
Figure BDA0003074109100000093
调谐元件可以是电容器或者电感器，通过调整电容器或者电感器的大小实现调谐操作。
在某些情况下，若仅通过调整调谐元件难以满足
Figure BDA0003074109100000094
Figure BDA0003074109100000095
则可以改变两个射频环路线圈200的阻抗。在负载元件的电阻为零的情况下，计算负载元件所需的电抗，并将相应电抗的集总元件连接到同轴电缆10的另一端，其中，负载元件所需的电抗
Figure BDA0003074109100000096
在调谐去耦器件100之后，通过使用负载了介电样品的合适的阻抗匹配电路240，将射频环路线圈200的输入阻抗(阻抗之和)归一化为50欧姆。
上述射频环路线圈阵列，采用同轴电缆10和两个集总元件连接形成闭路，形成去耦器件100。只需将该去耦器件100放置在两个射频环路线圈200之间，在两射频环路线圈200之间相互耦合时，通过去耦器件100即可消除这两个射频环路线圈200之间的电磁耦合。
请参阅图5，一种行波天线阵列，包括行波天线300和上述的去耦器件100，去耦器件100设置于任意相邻两个行波天线300之间。
具体地，采用在同轴电缆10的两端分别设置第一集总元件20与第二集总元件30，通过第一集总元件20的第一端-内导体11-第二集总元件30的第一端-第二集总元件30的第二端-外屏蔽导体12-第二集总元件30的第二端形成闭合回路，组成一去耦器件100。通过将该去耦器件100设置在两个相邻射频元件之间，射频元件之间的相互耦合将会由于去耦器件100的存在而被消除，从而达到射频元件之间去耦合的目的。本申请所提供的去耦器件100不仅可以实现有源射频线圈之间的去耦操作，还可以应用到行波天线阵列。通过一个寄生同轴电缆类型的去耦器件100实现两个行波天线300之间的去耦操作，可扩展到行波天线阵列，只要在任意两相行波天线300之间均设置一去耦器件100，则可有效去除任意两相邻行波天线300之间的电磁耦合。
同样的，在一个实施例中，与上述射频环路线圈阵列类似，为了提高去耦操作的可靠性，可将耦器件100距离任意相邻两个行波天线300的距离相等。
可以理解，行波天线300的具体类型均不是唯一的，只要是会产生电磁耦合的相邻行波天线300之间，均可设置去耦器件100进行去耦操作。在一个较为详细的实施例中，行波天线300为偶极天线。
具体地，偶极天线亦称“振子天线”、“对称振子”，是一种具有对称双臂的天线。习惯上是将偶极天线看作两根大小相同的金属辐射构件，在其中心处馈电，天线上的电流分布类似于开路传输线上的电流分布，它的两末端是电流波节。
进一步地，在一个实施例中，请参阅图6，偶极天线包括第一偶极调谐元件330、第二偶极调谐元件340、第一天线导线310、第二天线导线320和阻抗匹配电路240，第一偶极调谐元件330设置于第一天线导线310，第二偶极调谐元件340设置于第二天线导线320，阻抗匹配电路240的第一端连接第一天线导线310，阻抗匹配电路240的第二端连接第二天线导线320。
具体地，偶极天线的调谐操作可通过调节第一天线导线310以及第二电线导线的长度来实现，还可以是通过在第一天线导线310和第二电线导线上设置具有调谐功能的器件来实现。本实施例的方案中，在第一天线导线310和第二电线导线上分别设置有第一偶极调谐元件330和第二偶极调谐元件340，通过调节第一偶极调谐元件330和第二偶极调谐元件340的大小来实现调谐操作，具有调谐操作便利的优点。
上述行波天线阵列，采用同轴电缆10和两个集总元件连接形成闭路，形成去耦器件100。只需将该去耦器件100放置在两个射频环路线圈200之间，在两射频环路线圈200之间相互耦合时，通过去耦器件100即可消除这两个射频环路线圈200之间的电磁耦合。
一种MRI设备，包括射频元件和上述的去耦器件100，去耦器件100设置于任意相邻两个射频元件之间。
具体地，采用在同轴电缆10的两端分别设置第一集总元件20与第二集总元件30，通过第一集总元件20的第一端-内导体11-第二集总元件30的第一端-第二集总元件30的第二端-外屏蔽导体12-第二集总元件30的第二端形成闭合回路，组成一去耦器件100。通过将该去耦器件100设置在两个相邻射频元件之间，射频元件之间的相互耦合将会由于去耦器件100的存在而被消除，从而达到射频元件之间去耦合的目的。
本实施例的方案，在磁共振成像设备的射频元件之间设置有去耦器件100，通过去耦器件100可消除射频元件之间的电磁耦合，使得输过程中，射频元件之间并不会由于电磁耦合而降低传输效率；接收过程中，射频元件之间也不会由于电磁耦合导致从线圈接收到的信号之间产生噪声相关性，降低几何因子(g-因子)，从而提高平行成像效率。
可以理解，本实施例中的射频元件的具体类型并不是唯一的，只要是存在电磁耦合的射频元件之间，均可设置去耦器件100进行去耦操作，例如，可以是上述实施例中的射频环路线圈或者行波天线等。
上述MRI设备，采用同轴电缆10和两个集总元件连接形成闭路，形成去耦器件100。只需将该去耦器件100放置在两个射频元件之间，在两射频元件之间相互耦合时，通过去耦器件100即可消除这两个射频元件之间的电磁耦合。上述方案的去耦器件100应用到磁共振成像中时，可有效去除磁共振成像设备中的射频元件之间的耦合，从而有效提高磁共振成像设备的成像质量。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种去耦器件，其特征在于，包括：
同轴电缆，设置于两个相邻射频元件之间；
第一集总元件，设置于所述同轴电缆的一端，所述第一集总元件的第一端连接所述同轴电缆的内导体，所述第一集总元件的第二端连接所述同轴电缆的外屏蔽导体；
第二集总元件，设置于所述同轴电缆的另一端，所述第二集总元件的第一端连接所述同轴电缆的内导体，所述第二集总元件的第二端连接所述同轴电缆的外屏蔽导体。
2.根据权利要求1所述的去耦器件，其特征在于，所述第一集总元件为调谐元件，所述第二集总元件为负载元件。
3.根据权利要求2所述的去耦器件，其特征在于，所述调谐元件为电容器或电感器，所述负载元件为电容器或电感器。
4.一种射频环路线圈阵列，其特征在于，包括射频环路线圈和权利要求1-3任一项所述的去耦器件，所述去耦器件设置于任意相邻两个射频环路线圈之间。
5.根据权利要求4所述的射频环路线圈阵列，其特征在于，所述射频环路线圈包括第一环路调谐电容器、第二环路调谐电容器、第三环路调谐电容器和阻抗匹配电路，所述第一环路调谐电容器、所述第二环路调谐电容器、所述第三环路调谐电容器和所述阻抗匹配电路依次通过射频导线连接构成环路。
6.根据权利要求4所述射频环路线圈阵列，其特征在于，设置于任意相邻两个射频环路线圈之间的去耦器件距离所述任意相邻两个射频环路线圈的距离相等。
7.一种行波天线阵列，其特征在于，包括行波天线和权利要求1-3任一项所述的去耦器件，所述去耦器件设置于任意相邻两个行波天线之间。
8.根据权利要求7所述的行波天线阵列，其特征在于，所述行波天线为偶极天线。
9.根据权利要求8所述的行波天线阵列，其特征在于，所述偶极天线包括第一偶极调谐元件、第二偶极调谐元件、第一天线导线、第二天线导线和阻抗匹配电路，所述第一偶极调谐元件设置于所述第一天线导线，所述第二偶极调谐元件设置于所述第二天线导线，所述阻抗匹配电路的第一端连接所述第一天线导线，所述阻抗匹配电路的第二端连接所述第二天线导线。
10.一种MRI设备，其特征在于，包括射频元件和权利要求1-3任一项所述的去耦器件，所述去耦器件设置于任意相邻两个射频元件之间。
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