CN114910852A - 一种用于磁共振射频线圈的自适应匹配电路及其匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于磁共振射频线圈的自适应匹配电路及其匹配方法，属于磁共振成像技术领域。该电路包括接收线圈、可调匹配电路、射频开关、回波损耗检测电路和单片机控制电路；该电路的采用二分法调整可调匹配电路中变容二极管两端电压值，通过回波损耗检测电路自动检测匹配电路的适配情况，实现即时自适应电路匹配，并通过可调匹配电路、射频开关、单片机控制电路的共同作用使接收线圈中心频率点上的回波损耗达到最大值，实现最佳匹配。本发明可有效地避免匹配电路无法匹配的情况，提高高频信号能量的传输效率。

Description

一种用于磁共振射频线圈的自适应匹配电路及其匹配方法

技术领域

本发明属于磁共振成像技术领域，涉及一种用于磁共振射频线圈的自适应匹配电路及其匹配方法。

背景技术

磁共振成像作为重要的医学成像技术之一，以其高空间分辨率及良好的空间定位等其他影像学技术无法比拟的优势，广泛的应用于科学研究、临床医学等诸多领域。射频线圈是磁共振成像系统中实施射频脉冲激励、接收和处理射频信号的功能单元，射频线圈的性能指标直接影响到磁共振成像设备的性能，关系到MRI信号(图像)的质量。在磁共振成像系统中，若射频线圈的阻抗与射频传输线的阻抗匹配，即射频线圈与射频传输线的接口处对射频线圈发射出的射频信号的功率的反射最小，则可保证射频线圈的射频信号输出功率最大，从而可保证磁共振图像的质量。

一般情况下，磁共振射频线圈与射频放大器之间的射频传输线的阻抗设置为50欧姆，故射频线圈的阻抗也设置为50欧姆，以实现射频线圈与射频传输线的阻抗匹配，在信号源和负载阻抗保持不变的情况下，用固定匹配电路可以满足要求，但是在很多时候负载的阻抗会随着环境的变化而变化，如当被检体进入磁共振成像系统腔体时，被检体感应出射频涡流，消耗射频能量，同时被检体与射频线圈之间构成互感，改变射频线圈的等效电感和电阻，从而改变射频线圈的阻抗，并可导致射频线圈与传输线之间的阻抗不匹配，如果电路中的匹配电路中的电容、电阻等电子元件采用了恒定值，原本输入输出之间的阻抗匹配的单元将不再匹配，从而降低了能量传输效率。另外磁体的磁感应强度随着温度的变化也发生变化，进而导致磁共振频率随着温度变化而变化，同样有可能导致不匹配情况。

目前自适应匹配电路主要用于通信领域，如天线的接收匹配电路，而用于磁共振领域目前较少。因此，在磁共振领域领域，亟需一种自适应匹配电路来解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于磁共振射频线圈自适应匹配电路及其匹配方法，解决现有技术中射频线圈的中心频率与阻抗发生失配的问题。本发明匹配电路可自动检测电路适配情况并实时调整匹配电路值，提高高频信号能量的传输效率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

方案一：一种用于磁共振射频线圈的自适应匹配电路，包括接收线圈、可调匹配电路、射频开关、回波损耗检测电路和单片机控制电路；

所述接收线圈，用于接收射频信号；

所述可调匹配电路与接收线圈连接，用于匹配接收线圈输出阻抗匹配到50欧姆；与射频开关连接；

所述射频开关一端与可调匹配电路连接，另一端根据单片机控制电路反馈的信号选择连接输出端子或检测电路，从而切换信号流向；

所述回波损耗检测电路与射频开关电连接时，用于检测可调匹配电路的回波损耗，并将回波损耗传给单片机控制电路；

所述单片机控制电路与射频开关、回波损耗检测电路和可调匹配电路电连接，接收并分析回波损耗检测电路检测到的回波损耗，判断在接收线圈中心频率点上的回波损耗值是否为最大值，若是，则已达到最佳匹配，控制射频开关切换到输出端子，输出信号；若不是，则通过单片机控制电路改变可调匹配电路中的变容二极管电容值，再次检测回波损耗值，如此重复，直到接收线圈中心频率点上的回波损耗值达到最大值，即实现最佳匹配；

所述输出端子用于将输出信号输送到下一级(前置放大器)。

可选的，所述回波损耗检测电路主要包括定向耦合器、数字频率合成器和峰值检波器；

所述定向耦合器包含输入端、输出端、耦合端和隔离端4个端口，输入端与数字频率合成器电连接，输出端与射频开关电连接，耦合端和隔离端分别与峰值检波器电连接；所述定向耦合器通过隔离、分流，将信号按一定的比例进行功率分配，并输出给峰值检波器；

所述数字频率合成器与单片机控制电路电连接，受单片机控制电路控制，输出正弦波信号给到定向耦合器输入端；

所述峰值检波器用于检测反射电压和入射电压的比值，计算回波损耗的大小，并反馈给单片机控制电路。

可选的，所述可调匹配电路为电容与变容二极管的组合，电容、电感的组合或电容、电感、微带线的连接组合。

可选的，所述可调匹配电路设有变容二极管或电容阵列作为阻抗变换器件之一，单片机控制电路可通过加在变容二极管上的电压值的变化来实现阻抗匹配。

可选的，所述单片机控制电路包括DAC电路和微处理器；所述微处理器根据程序算法通过DAC电路控制变容二极管两端电压。

方案二：一种用于磁共振射频线圈的自适应匹配方法，具体包括：接收线圈接收到的射频信号经过可调匹配电路后，由射频开关控制信号流向，射频开关有两个切换方向，一是直接输出至下一级(前置放大器)，二是输入至回波损耗检测电路；射频开关的切换方向受微处理器的控制，当回波损耗检测电路检测到的回波损耗反馈到微处理器，微处理器得到回波损耗值后，判断在接收线圈中心频率点上的回波损耗值是否为最大值，若是，则已达到最佳匹配，控制射频开关切换到输出端子，输出信号；若不是，则通过微处理器调整DAC电路输出电压，改变变容二极管电压值，再次检测回波损耗值，如此重复，直到接收线圈中心频率点上的回波损耗值达到最大值，即实现最佳匹配。

进一步，调整变容二极管电压值，具体包括：若当前检测到回波损耗最大值的频率小于或者大于接收线圈的中心频率，则调节变容二极管(D1、D2、D3)两端电压，先增大其中一个变容二极管的电压值，判断回波损耗曲线的最大值点移动方向是否正确，若最大值点移动方向正确，则采用二分法调整各变容二极管电压值，若最大值点移动方向不正确，则减小该变容二极管的电压值，再采用二分法调整各变容二极管电压值，使接收线圈中心频率点上的回波损耗值达到最大值，实现最佳匹配。

本发明的有益效果在于：本发明的自适应匹配电路通过回波损耗检测电路自动检测电路适配情况，实现即时自适应电路匹配，并通过可调匹配电路、射频开关、单片机控制电路的共同作用来调整匹配电路值，可有效地避免匹配电路无法匹配的情况，提高高频信号能量的传输效率。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明自适应匹配电路的原理框架图；

图2为本发明实施例中自适应匹配电路的电路图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图2，为一种用于磁共振射频线圈的自适应匹配电路，一般情况下，磁共振射频线圈与射频放大器之间的射频传输线的阻抗设置为50欧姆，故射频线圈的阻抗也设置为50欧姆，以实现射频线圈与射频传输线的阻抗匹配，当被检体进入磁共振成像系统腔体时，射频信号的中心频率会发生偏移(减小或者增大)，从而接收线圈与负载单元之间的阻抗不匹配。

如图2所示，本实施例提供了一种用于磁共振射频线圈自适应匹配电路，包括：接收线圈L1、可调匹配电路、射频开关、回波损耗检测电路和单片机控制电路(包括微处理器和DAC电路)。其中，接收线圈L1用于实现射频信号的接收，与可调匹配电路连接。可调匹配电路，用于匹配接收线圈输出阻抗匹配到50欧姆，与射频开关连接。射频开关，用于切换信号流向，可以在传输路径内发送信号，设于输出端子和检测电路之间。回波损耗检测电路用于检测匹配电路的回波损耗，与单片机控制电路连接。单片机控制电路接收并分析检测电路检测到的回波损耗，判断在接收线圈中心频率点上的回波损耗值是否为最大值，控制射频开关选择方向，以实现最佳匹配，与射频开关和回波损耗检测电路电连接。输出端子用于输出信号给到下一级(前置放大器)。

检测电路主要由定向耦合器、数字频率合成器和峰值检波器组成，用于检测匹配电路的回波损耗，并将回波损耗传给单片机控制电路。

作为一种优选的实施例，可调匹配电路由电容C1、C2、C3及变容二极管D1、D2、D3构成电容阵列，电容C1与变容二极管D1并联，电容C2与变容二极管D2并联，电容C3与变容二极管D3并联，各并联单元串联连接。接收线圈L1并联在变容二极管D2两端。单片机控制电路可通过加在变容二极管上的电压值的变化来实现阻抗匹配。其他实施方式中，可调匹配电路也可为电容、电感的组合或电容、电感、微带线的连接组合。

定向耦合器与射频开关电连接，定向耦合器由传输线构成，包含输入端、输出端、耦合端、隔离端4个端口。定向耦合器通过隔离、分流，将信号按一定的比例进行功率分配，并输出给峰值检波器。

峰值检波器用于检测反射电压和入射电压的差值，通过差值计算回波损耗的大小，反馈给单片机控制电路。数字频率合成器，与单片机控制电路电连接，受单片机控制电路控制，输出正弦波信号给到定向耦合器输入端。

接收线圈接收到的射频信号经过可调匹配电路后，由射频开关控制信号流向，射频开关有两个切换方向，一是直接输出至下一级(前置放大器)，二是输入至检测电路，射频开关的切换方向受微处理器的控制，回波损耗检测电路检测到的回波损耗反馈到微处理器，微处理器得到回波损耗值后，判断在接收线圈中心频率点上的回波损耗值是否为最大值，若是，则已达到最佳匹配，控制射频开关切换到输出端子，输出信号；若不是，则调整DAC电路输出电压，改变变容二极管电容值，再次检测回波损耗值，如此重复，直到接收线圈中心频率点上的回波损耗值达到最大值，即实现最佳匹配。

如图2所示，接收线圈接收到的射频信号经过可调匹配电路后，由射频开关控制信号流向，射频开关有两个切换方向，一是直接输出至下一级(前置放大器)，二是输入至回波损耗检测电路，射频开关的切换方向受微处理器的控制，当回波损耗检测电路的检测到的回波损耗满足要求时，微处理器控制射频开关直接输入至下一级，否则射频开关切换至检测电路。微处理器控制检测电路中的数字频率合成器，输出正弦波给到定向耦合器，定向耦合器由传输线构成，包括输入端、输出端、耦合端、隔离端4个端口，定向耦合器通过隔离、分流，将信号按一定的比例进行功率分配，并输出给峰值检波，峰值检波检测反射电压和入射电压的比值，计算回波损耗的大小，反馈给微处理器，微处理器得到回波损耗值后，判断在接收线圈中心频率点上的回波损耗值是否为最大值，若是，则已达到最佳匹配，控制射频开关切换到输出端子，输出信号；若不是，则调整DAC电路输出电压，改变变容二极管电容值，若当前检测到回波损耗最大值的频率小于或者大于接收线圈的中心频率，则增大或者减小变容二极管D1、D2、D3两端电压，先增大或者减小其中一个变容二极管的电压值，根据回波损耗曲线判断回波损耗最大值移动方向是否正确，若方向正确即确定是增大变容二极管电压值还是减小电压值，若不正确，则反调节电压值(原来是增大现在就减小，原来是减小，现在就增大)，确定好增大变容二极管电压值还是减小电压值后再采用二分法调整DAC电路输出电压，改变变容二极管电容值，再次检测回波损耗值，如此重复，直到接收线圈中心频率点上的回波损耗值达到最大值，即实现最佳匹配。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于磁共振射频线圈的自适应匹配电路，其特征在于，该匹配电路包括接收线圈、可调匹配电路、射频开关、回波损耗检测电路和单片机控制电路；

所述接收线圈，用于接收射频信号；

所述可调匹配电路与接收线圈连接，用于匹配接收线圈输出阻抗匹配到50欧姆；与射频开关连接；

所述射频开关一端与可调匹配电路连接，另一端根据单片机控制电路反馈的信号选择连接输出端子或检测电路，从而切换信号流向；

所述回波损耗检测电路与射频开关电连接时，用于检测可调匹配电路的回波损耗，并将回波损耗传给单片机控制电路；

所述单片机控制电路与射频开关、回波损耗检测电路和可调匹配电路电连接，接收并分析回波损耗检测电路检测到的回波损耗，判断在接收线圈中心频率点上的回波损耗值是否为最大值，若是，则已达到最佳匹配，控制射频开关切换到输出端子，输出信号；若不是，则通过单片机控制电路改变可调匹配电路中的变容二极管电容值，再次检测回波损耗值，如此重复，直到接收线圈中心频率点上的回波损耗值达到最大值，即实现最佳匹配；

所述输出端子用于将输出信号输送到下一级。

2.根据权利要求1所述的自适应匹配电路，其特征在于，所述回波损耗检测电路包括定向耦合器、数字频率合成器和峰值检波器；

所述定向耦合器包含输入端、输出端、耦合端和隔离端4个端口，输入端与数字频率合成器电连接，输出端与射频开关电连接，耦合端和隔离端分别与峰值检波器电连接；所述定向耦合器通过隔离、分流，将信号按一定的比例进行功率分配，并输出给峰值检波器；

所述数字频率合成器与单片机控制电路电连接，受单片机控制电路控制，输出正弦波信号给到定向耦合器输入端；

所述峰值检波器用于检测反射电压和入射电压的比值，计算回波损耗的大小，并反馈给单片机控制电路。

3.根据权利要求1所述的自适应匹配电路，其特征在于，所述可调匹配电路为电容与变容二极管的组合，电容、电感的组合或电容、电感、微带线的连接组合。

4.根据权利要求1所述的自适应匹配电路，其特征在于，所述可调匹配电路设有变容二极管或电容阵列作为阻抗变换器件之一，单片机控制电路通过加在变容二极管上的电压值的变化来实现阻抗匹配。

5.根据权利要求1所述的自适应匹配电路，其特征在于，所述单片机控制电路包括DAC电路和微处理器；所述微处理器根据程序算法通过DAC电路控制变容二极管两端电压。

6.一种用于磁共振射频线圈的自适应匹配方法，其特征在于，该匹配方法是：接收线圈接收到的射频信号经过可调匹配电路后，由射频开关控制信号流向，射频开关有两个切换方向，一是直接输出至下一级，二是输入至回波损耗检测电路；射频开关的切换方向受微处理器的控制，当回波损耗检测电路检测到的回波损耗反馈到微处理器，微处理器得到回波损耗值后，判断在接收线圈中心频率点上的回波损耗值是否为最大值，若是，则已达到最佳匹配，控制射频开关切换到输出端子，输出信号；若不是，则通过微处理器调整DAC电路输出电压，改变变容二极管电压值，再次检测回波损耗值，如此重复，直到接收线圈中心频率点上的回波损耗值达到最大值，即实现最佳匹配。

7.根据权利要求5所述的自适应匹配方法，其特征在于，调整变容二极管电压值，具体包括：若当前检测到回波损耗最大值的频率小于或者大于接收线圈的中心频率，则调节变容二极管两端电压，先增大其中一个变容二极管的电压值，判断回波损耗曲线的最大值点移动方向是否正确，若最大值点移动方向正确，则采用二分法调整各变容二极管电压值，若最大值点移动方向不正确，则减小该变容二极管的电压值，再采用二分法调整各变容二极管电压值，使接收线圈中心频率点上的回波损耗值达到最大值，实现最佳匹配。

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