CN113785212A - 加压气体供电的磁共振成像天线 - Google Patents

加压气体供电的磁共振成像天线 Download PDF

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Abstract

公开了一种包括一个或多个线圈元件(115)的磁共振成像天线(114)。该磁共振成像天线还包括耦合到一个或多个线圈元件的射频系统(116)。该磁共振成像天线还包括被配置用于接收加压气体的气体入口(200)。该磁共振成像天线还包括被配置用于排放加压气体的气体出口(202)。该磁共振成像天线还包括被配置用于在存在外部磁场时将由所述加压气体从所述气体入口传送到所述气体出口所产生的机械能转换成电能的发电机(117)。该发电机被配置为使用该电能向射频系统供电。

Description

加压气体供电的磁共振成像天线
技术领域
本发明涉及磁共振成像，具体地涉及用于磁共振成像的天线。
背景技术
作为用于产生患者身体内的图像的流程的部分，大静磁场由磁共振成像(MRI)扫描器使用以对准原子的核自旋。该大静磁场被称为B0场或主磁场。可以使用MRI在空间上测量对象的各种物理量或性质，诸如质子密度或各种弛豫时间，诸如T1、T2或T2-星值。
除了使用B0场外，还存在用于发射和接收射频(RF)信号的天线。所发射的RF信号(B1场)被用于操纵自旋的取向。所接收的RF信号(被记录为磁共振成像数据)从自旋接收并且被用于重建磁共振图像。当接收RF信号时，有益的是将诸如前置放大器和数字转换器的电子器件放置成尽可能靠近相应的天线元件。然而，大磁场和RF场的存在能够使得这些电路的供电困难。
美国专利公开US 10175313 B2公开了包括功率发射单元、信号接收单元和图像重建单元的MRI装置。该功率发射单元通过磁性耦合的共振型无线功率传输将电功率无线发射到RF线圈器件。该信号接收单元无线接收从RF线圈设备无线发射的数字化的核磁共振信号。该图像重建单元获得由信号接收单元接收到的核磁共振信号，并且基于该核磁共振信号重建物体的图像数据。
发明内容
本发明提供了磁共振成像天线和磁共振成像系统。
如上所述，能够难以向磁共振成像系统的成像区内的电子电路提供功率。本发明的实施例可以提供一种通过使用由压缩气体供电的发电机为磁共振成像天线供电的改进手段。这具有以下优点，即不存在需要被保护免受磁共振成像系统内的RF信号的影响的电导线。此外，B0场的存在消除了发电机具有其自己的磁体的需要。使用压缩气体使得发电机能够根据需要被供电并且甚至在长的磁共振成像检查期间被恒定地供应。这可以消除对具有电池或电容器存储能量以向磁共振成像天线供电的需要。
在一个方面，本发明提供了包括一个或多个线圈元件的磁共振成像天线。磁共振成像天线还包括连接到一个或多个线圈元件的射频系统。磁共振成像天线还包括被配置用于接收加压气体的气体入口。磁共振成像天线还包括被配置用于排放加压气体的气体出口。磁共振成像天线还包括发电机，所述发电机被配置用于在存在外部磁场的情况下将由加压气体从气体入口传送到气体出口所产生的机械能转换成电能。
该发电机被配置为使用该电能为包括射频系统的磁共振成像天线供电。取决于配置，磁共振成像天线可以包括部件，诸如：调谐/解调谐电路、AD转换器、DA转换器、数字至数字光学转换器、传感器和/或其他电学附件。其全部可以由发电机供电。
发电机的独特性在于其不具有其自己的磁体。磁共振成像系统通常包括主磁体，该主磁体产生执行磁共振成像所必需的大磁场。外部磁场可以是磁共振成像系统的主磁场。该实施例可以是有益的，因为它提供了与存在于磁共振成像系统中的大磁场和射频场完全兼容的用于向磁共振成像天线供应功率的手段。其可以避免为电池或电容器充电以向磁共振成像天线供电的问题和困难。
在另一实施例中，该发电机包括被配置用于由从气体入口传送到气体出口的加压气体旋转的涡轮。该涡轮被配置用于旋转导电元件。该导电元件被配置用于当在外部磁场中旋转时生成电能。该实施例可以是有益的，因为器提供了向射频系统提供电功率的直观手段。
在另一实施例中，该导电元件是导电环路。例如，由于该环路由涡轮来旋转，其可以充当发电机。
在另一实施例中，该涡轮包括桨状物。导电环路被附接到桨状物中的至少两个。例如，导电环路可以被集成到涡轮的桨状物中。这可以是有益的，因为其可以减小涡轮的尺寸并使得其更紧凑。将导电环路并入到桨状物中也可以使得它们更耐用。
在另一实施例中，该发电机包括与导电环路串联的开关电路。该开关电路被配置用于由导电环路供电。该开关电路被配置用于以预定频率电子地断开和电子地闭合导电环路。该发电机还包括被配置用于接收以预定频率切换的电能量的一个或多个固定式拾取线圈。至少一个固定式拾取线圈被配置用于向射频系统供电。该实施例可以是有益的，因为其可以消除对发电机中的电刷的需要。而且，通过使用电路以预定频率断开和闭合环路，可以选择例如非常有效且在用于磁共振成像流程的范围之外的频率。例如，1MHz在从导电环路向固定式拾取线圈传递能量时将是非常有效的。10MHz可以甚至更好地工作。
在另一实施例中，该发电机包括用于从导电环路向射频系统供应电能的电刷。
在另一实施例中，该涡轮具有旋转轴。导电元件关于旋转轴是非对称的。该发电机还包括一个或多个固定式拾取线圈。固定式拾取线圈被配置用于接收由导电元件的旋转引起的电能量。至少一个固定式拾取线圈被配置用于向射频系统供应电能。在该实施例中，关于旋转轴非对称的物体可以具有当其旋转时具有涡电流的效应。这些涡电流可以产生射频场，该射频场可以由固定式拾取线圈拾取。例如，盘状结构可以被旋转。例如，这可能不如使用环路那么有效，但是其然而是极其耐用的选项。
在另一实施例中，该涡轮包括转子。该转子具有小于2mm的直径，并在一些情况下小于1mm。使用小于2mm或1mm的转子意味着该转子可以具有非常高的旋转速率。这意味着由其生成的噪声能够高于可听范围。
在另一实施例中，该涡轮被配置为具有每分钟至少1200万转的旋转速率。该实施例可以是有益的，因为由涡轮生成的噪声然后能够高于20000Hz，这高于普通人类的听力范围。
在另一实施例中，磁共振成像天线包括多个涡轮。例如，涡轮可以被安装成使得它们的旋转轴彼此垂直。这在磁共振成像天线可以相对于磁共振成像磁体被放置成不同取向的情况下可能是有利的。具有多个涡轮可以具有以下优点：不管磁共振成像天线的位置，其仍然能够生成用于为射频系统供电的电能。
在另一实施例中，发电机包括被配置用于响应于加压气体从气体入口到气体出口的传送而生成声学共振的共振腔。发电机还包括被配置用于响应于声学共振而振动的机械构件。机械构件悬挂于共振腔内。发电机还包括至少一个导电路径，其被配置为使得机械构件的移动引起在外部磁场中生成电能。例如，这可以采取不同形式。在一些示例中，导电路径至少部分地在机械构件上方行进，使得随着机械构件在外部磁场中移动，其导致在至少一个导电路径中生成电能。
在其他示例中，该机械构件例如可以在共振腔中具有扭转移动或旋转移动，并且其在磁场内的移动可以导致能被拾取的射频扰动，并且在这种情况下，至少一个导电路径是被用于收集这种电能的拾取线圈。
在另一实施例中，共振腔是到超声频率的汽笛。该实施例可以是有益的，因为然后可以构建共振腔，使得其不能够由典型人听到。
在另一实施例中，该机械构件包括导电元件。该导电元件被配置为用旋转部件振动和/或扭转地振动。使机械构件旋转地和/或扭转地振动可以等效于局部或旋转移动。这可以导致磁场中的扰动。至少一个导电路径是被配置用于接收由导电元件的振动生成的电能量的一个或多个固定式拾取线圈。
至少一个固定式拾取线圈被配置用于向射频系统供应电能。该实施例可以是有益的，因为其不需要机械构件与至少一个固定式拾取线圈之间的任何电连接。例如，当机械构件变得磨损时，能够可能替换该部分而无需对磁共振成像天线的电路做出任何改变。
在另一实施例中，至少一个导电路径中的每个至少部分在机械构件上。随着机械构件振动，由导电路径包围的区可以改变，因为当磁共振成像天线被放置在外部磁场(诸如来自磁共振成像系统的场)中时，导电路径在机械构件上的这种移动将导致电能的生成。换句话说，至少一个导电路径中的每个被配置为使得机械构件的移动导致由导电路径包围的区改变。
在另一实施例中，至少一个导电路径是两个导电路径。两个导电路径是电隔离的。当两个导电路径被配置时，两个导电路径被配置用于独立地生成电能。例如，该机械构件可以被放置为使得可以限定各自由导电路径包围的两个垂直区。这可以使得不管相对于磁共振成像系统的磁场的取向，发电机能够起作用。
在另一实施例中，该发电机被布置为使得从气体入口传送到气体出口的加压气体冷却该射频系统。例如，该发电机也可以充当散热器。这可以是有益的，因为其可以提供在磁共振成像检查期间减少对象附近的热的量的有效手段。
在另一实施例中，该射频系统包括耦合到一个或多个线圈元件的至少部分的接收器。
在另一实施例中，该射频系统还包括耦合到一个或多个线圈元件的至少部分的发射器。例如，该线圈可以充当发射器、接收器或收发器。
在另一实施例中，该磁共振成像天线包括被配置用于控制射频系统的光纤通信系统。这可以是有益的，因为光纤不会干扰在磁共振检查期间存在的电场或磁场。
在另一实施例中，该磁共振成像天线包括被配置用于控制射频系统的无线通信系统。这可以是有益的，因为其可以提供照明延伸去往和来自磁共振成像天线的电线的手段。
在另一方面中，本发明提供了一种包括根据实施例的磁共振成像天线的磁共振成像系统。该磁共振成像系统包括主磁体。该主磁体被配置用于生成外部磁场。该磁共振成像系统还包括用于向磁共振成像线圈提供加压气体的加压气体系统。该实施例可以是有益的，因为该磁共振成像系统提供加压气体以及发电机产生电能所需要的外部磁场。
在另一实施例中，该磁共振成像系统还包括存储机器可执行指令和脉冲序列命令的存储器。脉冲序列命令被配置用于控制磁共振成像系统使用磁共振成像天线获取磁共振成像数据。该磁共振成像系统还包括被配置用于控制磁共振成像系统的处理器。
机器可执行指令的运行使处理器通过用脉冲序列命令控制磁共振成像系统来采集磁共振成像数据。机器可执行指令的运行还使处理器通过在采集磁共振成像数据期间控制加压气体系统以供应加压气体来为磁共振成像线圈供电。
应理解，本发明的上述实施例中的一个或多个能够被组合，只要所组合的实施例不互相排斥。
如本领域的技术人员将认识到的，本发明的各个方面可以实现为装置、方法或计算机程序产品。相应地，本发明的各个方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或组合软件和硬件方面的实施例(在本文中总体上全部可以被称为“电路”、“模块”或“系统”)的形式。此外，本发明的各个方面可以采取实现在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，所述一个或多个计算机可读介质具有实现在其上的计算机可执行代码。
可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。所述计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。本文使用的“计算机可读存储介质”涵盖任何可以存储可由计算设备的处理器执行的指令的有形存储介质。可以将计算机可读存储介质称为计算机可读非暂态存储介质。也可以将计算机可读存储介质称为有形计算机可读介质。在一些实施例中，计算机可读存储介质还可以能够存储可以由计算设备的处理器访问的数据。计算机可读存储介质的范例包括但不限于：软盘、磁硬盘驱动器、固态硬盘、闪速存储器、USB拇指驱动器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光盘、磁光盘以及处理器的寄存器文件。光盘的范例包括压缩盘(CD)和数字通用盘(DVD)，例如，CD-ROM、CD-RW、CD-R、DVD-ROM、DVD-RW或DVD-R盘。术语计算机可读存储介质还指能够经由网络或通信链路由计算机设备访问的各种类型的记录介质。例如，可以在调制调解器、因特网或局域网上检索数据。可以使用任何适当介质发送实现在计算机可读介质上的计算机可执行代码，所述任何适当介质包括但不限于无线的、有线的、光纤线缆的、RF等或者前面的任何合适的组合。
计算机可读信号介质可以包括具有实现在其中的计算机可执行代码的传播的数据信号，例如，在基带中或作为载波的部分。这样的传播的信号可以采取任何各种形式，包括但不限于电磁的、光学的或它们的任何合适的组合。计算机可读信号介质可以是这样的任何计算机可读介质：不是计算机可读存储介质，并且能够传达、传播或传输由指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合使用的程序。
“计算机存储器”或“存储器”是计算机可读存储介质的范例。计算机存储器是可由处理器直接访问的任何存储器。“计算机存储设备”或“存储设备”是计算机可读存储介质的另外的范例。计算机存储设备是任何非易失性计算机可读存储介质。在一些实施例中，计算机存储设备也可以是计算机存储器，或者反之亦然。
如本文中所使用的“处理器”涵盖能够执行程序或机器可执行指令或计算机可执行代码的电子部件。对包括“处理器”的计算设备的引用应当被解读为能够包含多于一个的处理器或处理核。所述处理器可以例如是多核处理器。处理器也可以指在单个计算机系统之内的或分布在多个计算机系统之间的处理器的集合。术语计算设备也应当被解读为能够指每个包括一个或多个处理器的计算设备的集合或网络。计算机可执行代码可以由可以在相同的计算设备之内或甚至可以分布在多个计算设备之间的多个处理器来执行。
计算机可执行代码可以包括令处理器执行本发明的方面的机器可执行指令或程序。用于执行针对本发明的方面的操作的计算机可执行代码可以以一个或多个编程语言的任何组合来编写并且被编译为机器可执行指令，所述一个或多个编程语言包括诸如Java、Smalltalk、C++等的面向对象的编程语言以及诸如“C”编程语言或相似编程语言的常规过程性编程语言。在一些实例中，所述计算机可执行代码可以采取高级语言的形式或者采取预编译的形式并且结合在工作时生成机器可执行指令的解读器一起被使用。
所述计算机可执行代码可以完全在用户的计算机上、部分在用户的计算机上(作为独立的软件包)、部分在用户的计算机上并且部分在远程计算机上、或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情形下，所述远程计算机可以通过包括局域网(LAN)或广域网(WAN)的任何类型的网络连接到用户的计算机，或者可以(例如，通过使用因特网服务提供商的因特网)对外部计算机进行连接。
参考根据本发明的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图、图示和/或方框图来描述本发明的方面。应理解，当可应用时，能够通过采取计算机可执行代码的形式的计算机程序指令来实施流程图、图示和/或方框图的方框的每个方框或部分。还应理解，当互不排斥时，可以组合不同流程图、图示和/或方框图中的方框的组合。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或产生机器的其他可编程数据处理装置的处理器，使得经由计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实施在流程图和/或一个或多个方框图框中指定的功能/动作的单元。
这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读介质中，所述计算机可读介质能够指引计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备以特定的方式来工作，使得在计算机可读介质中存储的指令产生包括实施在流程图和/或一个或多个方框图框中指定的功能/动作的指令的制品。
所述计算机程序指令还可以加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以令在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行一系列操作步骤，从而产生计算机实施的过程，使得在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供用于在流程图和/或一个或多个方框图框中指定的功能/动作的过程。
如本文所使用的“用户接口”是允许用户或操作人员与计算机或计算机系统交互的接口。“用户接口”还可以被称为“人机接口设备”。用户接口可以向操作人员提供信息或数据和/或从操作人员接收信息或数据。用户接口可以使得来自操作人员的输入能够被计算机接收并且可以从计算机向用户提供输出。换言之，所述用户接口可以允许操作人员控制或操控计算机，并且所述接口可以允许计算机指示操作人员的控制或操控的效果。显示器或图形用户接口上的数据或信息的显示是向操作人员提供信息的范例。通过键盘、鼠标、跟踪球、触摸板、指点杆、图形输入板、操纵杆、游戏手柄、网络摄像头、耳机、踏板、有线手套、遥控器和加速度计对数据的接收全都是实现对来自操作人员的信息或数据的接收的用户接口部件的范例。
如本文所使用的“硬件接口”涵盖使得计算机系统的处理器能够与外部计算设备和/或装置交互和/或控制外部计算设备和/或装置的接口。硬件接口可以允许处理器将控制信号或指令发送到外部计算设备和/或装置。硬件接口也可以使得处理器能够与外部计算设备和/或装置交换数据。硬件接口的范例包括但不限于：通用串行总线、IEEE 1394端口、并行端口、IEEE 1284端口、串行端口、RS-232端口、IEEE-488端口、蓝牙连接、无线局域网连接、TCP/IP连接、以太网连接、控制电压接口、MIDI接口、模拟输入接口以及数字输入接口。
如本文所使用的“显示器”或“显示设备”涵盖适于显示图像或数据的输出设备或用户接口。显示器可以输出视觉、音频和/或触觉数据。显示器的范例包括但不限于：计算机监视器、电视屏幕、触摸屏、触觉电子显示器、盲文屏幕、阴极射线管(CRT)、存储管、双稳态显示器、电子纸、矢量显示器、平板显示器、真空荧光显示器(VF)、发光二极管(LED)显示器、电致发光显示器(ELD)、等离子体显示板(PDP)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管显示器(OLED)、投影仪和头戴式显示器。
磁共振(MR)数据在本文中被定义为在磁共振成像扫描期间使用磁共振装置的天线所记录的由原子自旋发射的射频信号的测量结果。MRF磁共振数据时磁共振数据。磁共振数据是医学图像数据的范例。磁共振成像(MRI)图像或MR图像在本文中被定义为磁共振成像数据内包含的解剖数据的经重建的二维或三维可视化。能够使用计算机来执行这一可视化。
附图说明
在下文中，将仅通过示例并且参考附图来描述本发明的优选实施例，其中：
图1图示了磁共振成像系统的示例；
图2图示了磁共振成像天线的示例；
图3示出了图示操作图1的磁共振成像系统的方法的流程图；
图4图示了发电机的示例；
图5图示了发电机的另外的示例；
图6图示了发电机的另外的示例；
图7图示了发电机的另外的示例；
图8图示了发电机的另外的示例；
图9图示了发电机的另外的示例；
图10图示了发电机的另外的示例；并且
图11图示了发电机的另外的示例。
附图标记列表
100 磁共振成像系统
104 磁体
106 磁体的膛
108 成像区
109 感兴趣区域
110 磁场梯度线圈
112 磁场梯度线圈电源
114 磁共振成像天线
115 线圈元件
116 射频系统
117 发电机
118 对象
120 对象支撑体
122 加压气体系统
124 气体管线
125 光纤通信系统
126 计算机系统
128 硬件接口
130 处理器
132 用户接口
134 计算机存储器
140 机器可执行指令
142 脉冲序列命令
144 磁共振成像数据
146 磁共振图像
200 气体入口
202 气体出口
204 任选的消声器
206 通信系统
300 通过利用脉冲序列命令控制磁共振成像系统来采集磁共振成像数据
302 通过在磁共振成像数据的采集期间控制加压气体系统以供应加压气体来向磁共振成像线圈供电
400 涡轮
401 转子
402 桨状物
404 旋转轴
406 导电环路
500 开关电路
502 固定式拾取线圈
600 导电板
700 共振腔
702 机械构件
702’ 机械构件
900 导电路径
902 整流电路
1000 导电部分
1002 弹性元件
1100 单个附接点
具体实施方式
在这些附图中，相似编号的元件是等效元件或执行相同功能。如果功能等效，则将不一定在后面的附图中讨论先前已经讨论的元件。
图1示出了具有磁体104的磁共振成像系统100的示例。磁体104是具有穿过其的膛106的超导圆柱型磁体。使用不同类型的磁体也是可能的；例如也可能使用分裂式圆柱形磁体和所谓的开放磁体两者。分裂圆柱形磁体类似于标准圆柱形磁体，除了低温恒温器已经分裂成两部分，以允许进入所述磁体的等平面，这样的磁体可以例如与带电粒子束治疗相结合地使用。开放磁体有两个磁体部分，一个在另一个之上，中间的空间足够大以容纳对象：两个部分区的布置类似于亥姆霍兹线圈的布置。开放式磁体是流行的，因为对象较少地受限。在圆柱形磁体的低温恒温器内部有超导线圈的集合。在圆柱形磁体104的膛106内，存在成像区108，在成像区108中，磁场足够强和均匀以执行磁共振成像。示出了成像区108内的感兴趣区域109。磁共振数据通常针对感兴趣区域来进行采集。对象118被示出为由对象支撑件120支撑，使得对象118的至少部分在成像区108和感兴趣区域109内。
磁体的膛106内还有一组磁场梯度线圈110，其用于采集初步磁共振数据，以在磁体104的成像区108内对磁自旋进行空间编码。磁场梯度线圈110连接到磁场梯度线圈电源112。磁场梯度线圈110旨在是代表性的。通常磁场梯度线圈110包含用于在三个正交空间方向上空间地编码的三个独立的线圈组。磁场梯度电源将电流供应到所述磁场梯度线圈。供应给磁场梯度线圈110的电流根据时间来进行控制并且可以是斜变的或脉冲的。
在成像区108内，磁共振成像天线114是可见的。磁共振成像天线114包括一个或多个线圈元件115、射频系统116和发电机117。射频系统116耦合到线圈元件115并且在不同的示例中可以充当接收器和/或发射器。磁共振成像天线114经由光纤连接125或通信系统连接到计算机126。光纤连接125可被用于在计算机126与磁共振成像天线114之间交换数字信息。光纤连接125可以例如以无线连接替换，诸如Wi-Fi网络或蓝牙连接。
该磁共振成像天线可以是发射线圈和/或接收线圈。
在磁体104外部存在加压气体系统122。在加压气体系统122与发电机117之间存在气体线124。加压气体向发电机117提供气体压力，发电机117将该气体压力转换成用于向射频系统116供电的电能。磁共振成像天线114还可以具有能够在单独的信道上发送和/或接收的多个接收/发射元件。用于这些信道中的每个信道的子天线在本文中被称为线圈元件。
磁共振成像天线114、磁场梯度线圈电源和加压气体系统122被示出为连接到计算机系统126的硬件接口128。该计算机系统还包括与硬件系统128、存储器134和用户接口132通信的处理器130。存储器134可以是处理器130可访问的存储器的任何组合。这可以包括诸如主存储器、高速缓冲存储器的事物，而且包括非易失性存储器，诸如闪速RAM、硬盘驱动器或其他存储设备。在一些示例中，存储器134可以被认为是非瞬态计算机可读介质。
存储器134被示出为包含机器可执行指令140。机器可执行指令140使得处理器130能够执行磁共振成像系统100的各种控制任务并且执行各种数值和图像处理任务。存储器134还被示出为包含脉冲序列命令142。该脉冲序列命令可以是命令或被转换成这样的命令的数据，其使得处理器130能够控制磁共振成像系统100以采集磁共振成像数据。存储器134还被示出为包含已通过用脉冲序列命令142控制磁共振成像系统100所采集的磁共振成像数据144。存储器134还被示出为包含已从磁共振成像数据144重建的磁共振图像146。
图2示出了存在于图1中的磁共振成像天线114的更详细视图。磁共振成像天线114被示出为包括多个线圈元件115。这些线圈元件115耦合到射频系统116。取决于特定的示例，射频系统116可以是发射器和/或接收器。射频系统116被示出为具有任选的通信系统206。通信系统206可以例如是用于光纤或用于诸如Wi-Fi的无线通信系统的连接。这可以使得磁共振成像天线114能够被控制而不使用有线连接。
发电机117在射频系统116的顶部上。发电机117具有气体入口200和气体出口202。加压气体进入气体入口200并通过气体出口202离开。由此执行的机械功由发电机117转换成电能。在该示例中存在任选的消声器204，该消声器被附接到气体出口202。这例如在减少从发电机117可听见的声学噪声量中可能是有用的。
图3示出了图示操作图1的磁共振成像系统100的方法的流程图。首先在步骤300中通过用脉冲序列命令142控制磁共振成像系统100来采集磁共振成像数据144。接下来在步骤302中通过在采集磁共振成像数据144期间控制加压气体系统122以供应加压气体来向磁共振成像线圈114供电。
图4图示了发电机117的示例。在该示例中，发电机117包括带有转子401的涡轮400。在入口处进入且在气体出口202处离开的加压气体引起涡轮400旋转。它围绕旋转轴404旋转。涡轮400包括多个桨状物402。在两个相对的桨状物402内存在导电环路406。随着桨状物402的旋转，存在生成到导电环路406中的电流。在图4所示的示例中，例如可以使用电刷来完成与导电环路406的电连接并向射频系统提供电能。
图5示出了备选发电机117。图5中的示例与图4中的示例类似，除了图4中的版本不需要电刷。在该示例中，导电环路406连接到开关电路500，开关电路500被配置用于电连接和断开环路406。这引起可以使用固定式拾取线圈502拾取的振荡电磁场。固定式拾取线圈502被示出为嵌入在发电机117的壳体中。
导电环路406向开关电路500供电。这例如可以是有益的，因为其不仅实现无刷通信，而且可以通过将开关电路500设置为以预定频率切换来任意选择由发电机117生成的电磁能。可以选择诸如1MHz或10MHz的频率，使得其有效地传输电功率并且避免用于磁共振成像的频带中的噪声。
图6示出发电机117的另外的备选。图6中的视图没有示出涡轮，然而所示的结构被连接到涡轮。在该示例中，涡轮引起导电板600围绕旋转轴404旋转。在存在磁场的情况下，这引起涡电流，然后该涡电流产生电磁场，然后该电磁场可以由固定式拾取线圈502拾取。图6所示的示例具有一缺点，即电磁辐射的频率由涡轮的旋转速度设置。然而，图6所示的示例具有其机械简单性的巨大优势。该设计非常鲁棒，并且不需要转子中的任何额外电学部件。
任选的或补充的MRI线圈(诸如表面线圈、头部线圈或其他专用线圈)几乎总是用于磁共振成像中。尽管线圈的处理很简单，但连接线缆很笨重。这样做的原因是需要高频势阱来使线缆对患者安全。
为了避免笨重的线缆，已经提出了纯无线技术。用电池供电是可行的，但使线圈重和/或危险。拉莫尔频率或更高频率下的无线功率传输似乎不可行，而在较低频率下，其使线圈重和僵硬。还存在使用高频信号通过细线缆供电的概念。这些概念遭受低效率和因此非期望的线圈加热的影响。
实施例可以提供使用压缩空气或其他加压气体将功率传输到磁共振成像线圈(即MRI接收线圈)的手段。可以使用一些种类的涡轮使空气在线圈处膨胀。利用主磁场作为定子场的发电机可以附接(或集成)到涡轮。因此，可能不需要铁磁材料，并且针对16元件线圈，预期涡轮/发电机单元具有低于2克的质量和1cm3的体积。在大气压下，空气流预期约为0.5l/s。这意味着10个大气压下的压缩空气流仅为50ml/s。该质量流能够非常接近人类的呼吸动作，因此将噪声发射抑制到非常低的水平是可行的。该气体流可以提供一种有效的冷却方式，以使线圈始终准确地保持在环境温度处。
由双原子气体的绝热膨胀生成的能量为：
Figure BDA0003328037770000151
(n：分子的摩尔量；R：通用气体常数；T：绝对温度；P：压力)。
在10的压力比的情况下，为了在室温下生成50W的功率，需要大约0.02mol/s的通量，即大约0.5l/s的排气流(类似于人类呼吸动作)。甚至考虑到效率，50W能够足够为16元件线圈供电。在膨胀期间，气体流显著冷却。从大约300K开始到大致150K结束温度。但是当考虑到所有损失时，应该存在足够的可用功率使气体返回到300K。对患者来说可能没有风险，并且线圈加热的问题也被解决。然而，仅使用充分干燥的空气以避免涡轮阻塞可能是有益的。
常用工程材料的典型材料强度允许100m/s的涡轮叶片尖端速度，同时仍具有足够的安全裕度。在1cm的涡轮直径的情况下，这转化为3.1kHz的频率。安装在涡轮上的面积为1cm2的单个环路线圈可以在1.5T的外场中生成2.9V的峰值电压。假设1mm2的铜面积，则线圈电阻可以为约5mΩ，并且因此短路功率为约800W。这可以比来自涡轮的可用功率更多。因此，通过降低电流，以非常高的效率和使用非常低的铜质量(<400mg)来提取能量可以是可能的。铜可以分布在更多的绕组和/或线圈上，以调节电压并使波形平滑。
可以使用高效的快速旋转涡轮设计。一个廉价的示例是简单的特斯拉涡轮，其相对于多级轴向涡轮具有相当低的效率。带叶片的轴向设计可以在效率和简单性之间提供良好的折衷。在这样的设计中，(一个或多个)线圈(导电环路)可以很容易地缠绕在转子上或转子的叶片上。
预期这种类型的电源不会负面地影响MR成像。转子和涡轮壳体可以由非磁性材料(如高强度塑料和陶瓷)制成。线圈中的电流能够不高于经典电源中的通常馈送电流。因此，图像可能不比在当前设计中失真更多。
发电机可以被构造为使得该设计中生成的声学噪声具有非常高的频率。可以使用纤维/布或使用消声器相当好地吸收高频声学噪声。涡轮可以被包装在纤维材料中，并且所有的排出空气可以穿过致密纤维材料。通过材料有一些压降并且仍然生成足够的功率是可行的。
可能有很多可用的快速锁定加压空气连接器(例如，来自Festo)。软管的外径可以在3mm和6mm之间某处。信号可以通过玻璃纤维来传输，并且纤维在软管的端部处穿透软管并进入单独的标准连接器。如果尝试拔掉插头以避免生成声响，则可以使用传感器系统为软管减压。
排气可以通过使器从覆盖分布在磁共振成像线圈的表面上的孔的多块布逸出来处理。
有一种朝向更灵活和更高信道数的MRI线圈的趋势。然而，如上所述，具有RF阱的连接缆线仍然笨重且坚硬，并且需要针对RF安全的仔细布线。涡轮能够在音频频段中操作，从而直接在患者处产生不期望的噪声。此处，利用加压空气以超声频率操作的汽笛和类似的振荡器(声学共振器)被提议作为备选发电机。电压可以在声学腔中振荡的导电膜中由B0场感应出，该振荡由空气流激励，例如类似于在草叶上吹口哨。除了听不见之外，这样的设备可以避免任何宏观移动的部分、轴承和涡轮概念的严格公差。这使它们更便宜且更鲁棒。提供与由所有负载在局部耗散电能量完全一样多的局部冷却功率的有利冷却概念被维持，从而解决了MR线圈中的冷却问题。
磁共振成像天线的供电和冷却的问题随着信道数量(线圈元件的数量)而增加，因为每个预放大/数字化/失谐单元增加了耗散的能量。上面的空气涡轮提议很好地解决了该问题，因为能量守恒要求由热力学发动机在绝热膨胀期间生成的所有能量降低了空气的内能。因此，忽略小的焦耳-汤姆逊效应，空气提供的冷却“能量”与在能量转换期间由所有连接的电学负载(涡轮轴承、发电机)耗散的热完全一样多。
涡轮解决方案的主要问题是，除非其非常小(转子直径小于2mm)，否则其被限制到音频频段，从而产生不期望的高声调单调噪声。常用工程材料中的典型材料强度允许100m/s的涡轮叶片尖端速度。在1cm的涡轮直径处，这转化为3.1kHz的频率。涡轮直径仍然可以减少三分之二，导致接近10kHz，但很难达到25kHz并仍然实现高效的能量转换。然而，这样的频率是有益的，因为其能够是听不见的并且对于人类听觉系统也是安全的。
在磁共振成像天线中，来自每个线圈元件(或信道)的MR信号被预放大，数字化，并在许多电流MR线圈中转换为光学信号，但这和线圈失谐能够使用电学地提供的相当大的功率。相应的电学线圈连接造成RF安全问题，并且因此能够小心地布线(不太靠近患者或体线圈导线，最好平行于B0场)并装备有厚绝缘层和RF阱，从而使其笨重且不灵活。
通常，一个示例发电机包括由空气流激励的声学共振器，以及在该共振器内振荡的导电元件，具有借助于外部磁场而感应出电压的效应。
特别地，用加压空气以超声频率操作的汽笛被建议为此类发电机。超声操作使它们听不见，并且这种概念避免了任何旋转或宏观移动部分、相应的轴承以及涡轮概念的严格公差。这使它们更便宜且更鲁棒。提供与由所有负载在局部耗散电能量完全一样多的局部冷却功率的有利冷却概念被维持。
如上所述，上面给出了由双原子气体(如具有79％的N2、20％的O2的空气)的绝热膨胀所生成的能量。在10的压力比的情况下，为了在室温下生成50W的热力学功率，需要大约0.02mol/s的通量，即大约0.5l/s的排气流(类似于人类呼吸动作)。具有RXE的16信道线圈阵列的总功耗能够为约16W，使得50W能够足以为此类线圈供电，也考虑典型的转换损耗。
可以构造使用共振腔的若干不同类型的发电机。它们也可以具有响应于共振腔中的共振而机械地移动的不同类型的机械构件。
1、第一类型的发电机是“草叶型(blade of grass)”或簧片型共振器。
在第一示例中，提出了一种类似于由草叶表示的哨子的发电机，如下面的图7所示。此处，叶片(机械构件702)由高抗拉强度、高屈服强度、导电、非铁磁性的材料(例如，如用于导电弹簧的铜-铍或铜-钴-铍)制成。其长轴被取向为垂直于由MR系统提供的静磁场。空气流被取向为平行于该磁场并激励叶片的横向振动。这沿着叶片的长轴引起电压，该电压被用于驱动AC电流。该叶片被设计为在大约f0＝25kHz处具有其基本共振。为了限制声学损失，其可以位于具有匹配声学共振的腔中。该腔的宽度l可以是：
Figure BDA0003328037770000171
其中，c＝声速，这得到约7mm的宽度，这对于用在MR线圈中是相当小的。
叶片本身的共振频率可以通过类似于吉他弦适当选择其长度、厚度和材料性质来控制。基本共振频率由下式给出：
Figure BDA0003328037770000181
在叶片长度和横截面d＝1cm并且A＝1cm*50μm、叶片中的拉力F、铜-铍的密度和弹性模量ρ＝8250kg/m3且E＝130GPa的情况下，25kHz下的共振将使用以下应变
Figure BDA0003328037770000182
为仅1.6％，而CuBe和CuCoBe中的弹性范围根据所使用的合金在范围上高达20％。最有利的似乎是选择CuCo0.5Be，因为其高屈服应力和高导电性的组合。
叶片的横截面可以类似于飞行器机翼轮廓进行成形以使湍流最小化。叶片也可以被设计为使得一端(迎风端或背风端)比另一端更厚，或者由具有甚至更高弹性模量的钢加强，使相应的一侧如此坚硬以使其不明显振荡。这能够导致叶片的额外扭转和更高的共振频率。
图7示出了发电机117的另外的示例。在该示例中再次存在用于加压气体的入口200和出口202。在该示例中存在共振腔700。加压气体的通过导致引起机械构件702振荡的共振。机械构件702的这种机械振动被用于生成电能。机械构件702类似于草叶或簧片。振荡叶片702在腔的顶部和底部处被固定并被设计为具有与腔室的共振相匹配的共振。空气流激励该共振并且借助于主场B0引起电压Uind。
备选地，发电机可以被设计为如下面的图8中的管或汽笛或其变体。图8示出了针对共振腔700的备选结构。在该结构中，发电机117类似于风琴管进行构造。在该设计中，加压引起管中的空气柱的共振振荡，这可以被转移到位于最大空气运动幅度的位置处的膜的移动。外场导致引起电压Uind。该发电机还可以被设计为使得膜被定位于其内的其他位置，例如更朝向其上端或在其上端处。
功率生成：
对于草叶型，叶片当以其基本模式振荡时的振幅为：
Figure BDA0003328037770000191
这得到引起的电压：
Figure BDA0003328037770000192
从而得到最大电压为
Figure BDA0003328037770000193
对于d＝1cm的叶片长度、频率f0＝25kHz、场B0＝1.5T和a0＝1mm的预期横向振荡幅度，这总计为1.5V的峰值电压。
叶片的电阻可以用下式估计：
Figure BDA0003328037770000194
并且在d＝1cm、A＝1cm*50μm、对于CuBe2的ρ＝8.5E-8Ωm的情况下，为R＝1.7mΩ，从而得到超过660W的理论短路功率。这远大于合理的空气流的可用热力学功率并且远小于在电学上所需的功率。为了得到16W的电功率，需要通过叶片的约I＝16W/1.5V*sqrt2＝16A的AC电流，从而得到0.45W的热耗散，这容易通过冷空气流来冷却。
在绝热膨胀期间，空气显著冷却。如果在大约300K下提供有10的压力比，则其冷却到大致150K。但是当考虑到所有损耗时，完全有足够的可用功率将空气带回到300K。因此，在MR线圈的情况下，因为空气是在环境温度下释放的，因此对患者没有风险。
通常，建议将发电机定位在需要最多冷却的那些部件处(在MR线圈的情况下为CPU、GPU或RXE)，并提供与电导线共同突起的空气管来对局部相邻部件供电和冷却。
这种类型的功率可以是MR成像兼容的。假定是1cm大小的正方形环路，通过叶片环路的大约I＝16A的所需要的AC电流能够产生在其中心具有以下强度的交变双极磁场：
Figure BDA0003328037770000195
可以用约2mm(＝5倍的皮肤深度)的厚度的铜壳体将其屏蔽到其原始值的0.7％。此外，在MR成像期间的相邻自旋的残留积累相位可以被重新定相到1/f0＝40μs内，即通常在几个采样点内。该残留正弦相位调制跨个体k空间线不被锁相，从而导致局部虚拟增加的噪声水平。
可以移除馈送空气中的痕量水和CO2，以避免由水冰或干冰对发电机中的部件的任何结冰。本领域已知的方法，例如，工业液态空气生产中使用的技术可用于此目的。
备选地或额外地，可以用低压空气定期冲洗发电机短时段以移除任何冰。
图9示出了图7中描绘的样式的发电机117的另外的示例。在该示例中，存在在共振腔700的侧的部分上并且也沿着机械构件702的导电路径900。随着声学共振在共振腔700中积聚，机械构件702可以来回振荡，并且由导电路径900包围的区能够改变。这可以导致导电路径900中的电流。在该示例中，存在用于向射频系统供应电功率的整流电路902。整流电路902未在所有示例中示出，但应理解，如果由在发电机内或射频电路内的发电机117供应交流电流，则可能存在整流电路902。
图10示出发电机117的另外的示例。图10中的示例与图9中描绘的示例相似，只是将导电路径900连接到开关电路500。该示例中的机械构件包括具有导电路径900的导电部分1000，导电路径900完全位于机械构件702上。导电部分1000通过弹性元件1002附接到共振腔700。这种设计例如可以通过将机械构件702形成为可由具有高耐久性的弹性材料(弹性元件1002)悬挂的金属的或大部分金属的叶片(导电部分1000)来实现。共振腔700中的声学共振可以导致机械构件702振动。对于一些设计，弹性元件1002可以使得导电部分1000能够利用旋转和/或扭转部件来振动。这可以促进电能的生成。
导电路径为开关电路500供应功率，并且然后开关电路打开和关闭该电路。这可以以预定频率完成，并且这可能导致相同频率的电磁辐射。固定式拾取线圈502被用于耦合到该射频能量，并且然后被用于向射频系统提供电能。该示例可能是有益的，其中，在一些情况下，机械构件702可能磨损。通过具有开关电路500，固定式拾取线圈502可以位于与机械构件702不同的机械部件上。这意味着机械构件702可以例如被替换而无需对射频系统的电子器件进行任何修改。图11示出发电机117的另外的示例。在该示例中，机械构件702’至少部分由导电材料制成。机械构件702’可以例如由导电材料或部分导电材料制成。随着声学共振在共振腔700中积聚，机械构件702’来回振动导致机械构件702’的导电部分内的涡电流。这导致可以由固定式拾取线圈502拾取的电磁场。在这种情况下固定式拾取线圈是导电路径900。图11的示例在机械构件702’具有旋转或扭转移动时起作用。为了获得这种扭转移动，机械构件702’在顶部处连接并且在底部1100处仅连接在一点处。这使得机械构件702’的部分能够以旋转或准旋转或扭转移动的方式来回摆动。
尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但这样的说明和描述被认为是说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于公开的实施例。
本领域技术人员通过研究附图、说明书和权利要求书，在实践要求保护的本发明时能够理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以满足权利要求中记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定元件，但是这并不指示不能有利地使用这些元件的组合。计算机程序可以存储和/或分布在适当的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分提供的光学存储介质或固态介质，但计算机程序也可以以其他形式分布，例如经由因特网或其他有线或无线的远程通信系统分布。权利要求书中的任何附图标记都不得被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种磁共振成像天线(114)，包括：
一个或多个线圈元件(115)；
射频系统(116)，其被耦合到所述一个或多个线圈元件；
气体入口(200)，其被配置用于接收加压气体；
气体出口(202)，其被配置用于排放所述加压气体；
发电机(117)，其被配置用于在存在外部磁场的情况下将由所述加压气体从所述气体入口传送到所述气体出口所产生的机械能转换成电能，其中，所述发电机被配置为使用所述电能向所述磁共振成像天线供电。
2.根据权利要求1所述的磁共振成像天线，其中，所述发电机包括涡轮(400)，所述涡轮被配置用于由从所述气体入口传送到所述气体出口的所述加压气体进行旋转，其中，所述涡轮被配置用于旋转导电元件(406、600)，其中，所述导电元件被配置用于当在所述外部磁场中旋转时生成电能。
3.根据权利要求2所述的磁共振成像天线，其中，所述导电元件是导电环路(406)。
4.根据权利要求3所述的磁共振成像天线，其中，所述涡轮包括桨状物(402)，并且其中，所述导电环路被附接到所述桨状物中的至少两个。
5.根据权利要求3或4所述的磁共振成像天线，其中，所述发电机包括与所述导电环路串联的开关电路(500)，其中，所述开关电路被配置用于由所述开关电路供电，其中，所述开关电路被配置用于以预定频率电子地断开和电子地闭合所述导电环路，其中，所述发电机还包括被配置用于接收以所述预定频率切换的电能量的一个或多个固定式拾取线圈(502)，其中，所述至少一个固定式拾取线圈被配置用于向所述射频系统供应所述电能。
6.根据权利要求2所述的磁共振成像天线，其中，所述涡轮具有旋转轴(404)，其中，所述导电元件(600)关于所述旋转轴是不对称的，其中，所述发电机还包括被配置用于接收由所述导电元件的旋转引起的电能量的一个或多个固定式拾取线圈(502)，其中，所述至少一个固定式拾取线圈被配置用于向所述射频系统供应所述电能。
7.根据权利要求2至6中的任一项所述的磁共振成像天线，其中，存在以下各项中的任一项：
所述涡轮包括转子(401)，其中，所述转子具有小于2mm或小于1mm的直径；
所述涡轮被配置为具有每分钟至少1200万转的旋转速率；以及
以上各项的组合。
8.根据权利要求1所述的磁共振成像天线，其中，所述发电机包括：
共振腔(700)，其被配置用于响应于加压气体从所述气体入口到所述气体出口的传送而生成声学共振；
机械构件(702、702’)，其被配置用于响应于所述声学共振而振动，其中，所述机械构件被悬挂在所述共振腔内；
至少一个导电路径(900、502)，其被配置为使得所述机械构件的移动引起所述外部磁场中的所述电能的所述生成。
9.根据权利要求8所述的磁共振成像天线，其中，所述共振腔是被调谐到超声频率的汽笛。
10.根据权利要求8或9所述的磁共振成像天线，其中，所述机械构件(702’)包括导电元件，其中，所述导电元件被配置为扭转地振动，其中，所述至少一个导电路径是被配置用于接收由所述导电元件的所述振动生成的电能量的一个或多个固定式拾取线圈，其中，所述至少一个固定式拾取线圈被配置用于向所述射频系统供应所述电能。
11.根据权利要求8或9所述的磁共振成像天线，其中，所述至少一个导电路径(900)中的每个导电路径至少部分地在所述机械构件上。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的磁共振成像天线，其中，所述发电机被布置为使得从所述气体入口传送到所述气体出口的所述加压气体冷却所述射频系统。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的磁共振成像天线，其中，存在以下各项中的任一项：
所述射频系统包括被耦合到所述一个或多个线圈元件的至少部分的接收器；以及
所述射频系统包括被耦合到所述一个或多个线圈元件的至少部分的发射器；
所述磁共振成像系统包括被配置用于控制所述射频系统的光纤通信系统(125)；
磁共振成像系统包括被配置用于控制所述射频系统的无线通信系统；以及
以上各项的组合。
14.一种磁共振成像系统(100)，包括根据前述权利要求中的任一项所述的磁共振成像天线(114)，其中，所述磁共振成像系统包括主磁体(104)，其中，所述主磁体被配置用于生成所述外部磁场，并且其中，所述磁共振成像系统还包括用于向所述磁共振成像线圈的所述气体入口(200)提供加压气体的加压气体系统(122)。
15.根据权利要求14所述的磁共振成像系统，其中，所述磁共振成像系统还包括：
存储器(134)，其存储机器可执行指令(140)和脉冲序列命令(142)，所述脉冲序列命令被配置用于控制所述磁共振成像系统使用所述磁共振成像天线来采集磁共振成像数据；以及
处理器(130)，其用于控制所述磁共振成像系统，其中，所述机器可执行指令的运行使所述处理器：
通过利用所述脉冲序列命令控制所述磁共振成像系统来采集(300)所述磁共振成像数据；并且
通过在对所述磁共振成像数据的所述采集期间控制所述加压气体系统以供应所述加压气体来向所述磁共振成像线圈供电(302)。
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