CN1310345A

CN1310345A - 射频线圈、磁共振成象装置和核磁共振信号的接收方法

Info

Publication number: CN1310345A
Application number: CN00102284.9A
Authority: CN
Inventors: 奈部谷章; 佐藤健志; 石黑孝至
Original assignee: GE Yokogawa Medical System Ltd
Current assignee: GE Healthcare Japan Corp
Priority date: 2000-01-18
Filing date: 2000-02-19
Publication date: 2001-08-29
Anticipated expiration: 2020-02-19
Also published as: US6348794B1; EP1122551B1; EP1122551A1; CN100380133C

Abstract

一种射频线圈,为采用三个或多个线圈的线圈阵列,包括:三个或多个线圈1、2和3,彼此接近地设置;线圈中间连接电容器4、5和6,分别设置在各线圈之间;并联连接线10－13,用于并联连接各线圈中间连接电容器4、5和6;以及平衡电容器14－17,设置在各并联连接线10－13之间。这种射频线圈的目的在于免除各线圈之间的相互干扰而无需将各毗邻线圈重叠起来。此外还说明采用这种射频线圈的磁共振成象装置和核磁共振信号的接收方法。

Description

射频线圈、磁共振成象装置和核磁共振信号的接收方法

本发明涉及一种射频(RF)线圈、一种磁共振成象(MRI)装置和一种核磁共振(NMR)信号的接收方法，更具体地，涉及一种即使各线圈毗邻但没有重叠而彼此靠近地排列也能消除各线圈之间相互作用的射频线圈、一种具有这种射频线圈的磁共振成象装置和一种采用这种射频线圈的核磁共振信号的接收方法。

传统的磁共振成象装置采用一个射频线圈，它由三个或多个小线圈结合在一起。为避免各线圈之间相互作用，传统的这种射频线圈通常是把各线圈配置得使毗邻的各线圈的线圈面彼此重叠10％左右。

然而，要限制各毗邻线圈的线圈面彼此重叠10％左右是很不方便的。

因此，本发明的目的是提供一种即使各线圈彼此毗邻但不彼此重叠地配置也能避免各线圈之间彼此相互干扰的射频线圈、一种具有这种射频线圈的磁共振成象装置和一种采用这种射频线圈的核磁共振信号的接收方法。

按照本发明的第一方面，提供一种射频线圈，它包括：三个或多个线圈，彼此靠近地设置；线圈中间连接电容器，分别连接在各线圈之间；并联连接线，用于并联连接各线圈的线圈中间连接电容器；和平衡电容器，设置在各并联连接线之间，其中，从其中一个线圈的线圈中间连接电容器的两端经并联连接线和平衡电容器传送到其它线圈的线圈中间连接电容器两端的电压可以消除所述其中一个线圈通过互感作用在其它线圈的线圈中间连接电容器两端产生的感应电压。

按照本发明的第一方面的射频线圈，一个线圈产生的用于消除其它线圈通过互感感应出的电压的电压是通过并联连接线和平衡电容器从一个线圈传送到其它线圈的，从而消除了各线圈之间彼此的干扰。此外，线圈可配置得使各毗邻线圈彼此靠近但不重叠。

按照本发明的第二方面，提供一种磁共振成象装置，其特征在于，采用了按照本发明的第一方面的射频线圈。

按照本发明的第二方面，使用三个或多个线圈时不限制于毗邻各线圈的线圈面必须重叠10％左右。

这样，本发明的射频线圈、磁共振成象装置和核磁共振信号的接收方法可以避免采用三个或多个线圈的线圈阵列中各线圈之间的相互干扰，从而可以提高信/噪(S/N)比。此外，线圈可配置得使各毗邻线圈彼此靠近但不重叠，从而提高了自由度。

从下面就附图所示的最佳实施例所作的说明可以清楚了解本发明的其它目的和优点。

图1是本发明的第一实施例的射频线圈的透视图；

图2是本发明的第一实施例的射频线圈的等效电路图；

图3是侧重于第一线圈所产生的影响的主要部分的等效电路图；

图4是本发明的第二实施例的射频线圈的等效电路图；

图5是本发明的第五实施例的磁共振成象装置的主要部分的透视图。

下面参看附图进一步详细说明本发明的实施例。

图1是本发明的第一实施例的射频线圈的透视图。

射频线圈100配备有下列各部分第一线圈1；第二线圈2；第三线圈3；线圈中间连接电容器4、5、6和谐振电容器7、8、9分别配置在各线圈1、2、3之间，并联连接线10至13用于并联连接各线圈1、2、3的线圈中间连接电容器4、5、6和设置在并联连接钱10至13之间的平衡电容器14至17。此外，谐振电容器7、8、9的两端分别经平衡/不平衡变换器21、22、23与同轴电缆24、25、26连接。

第一线圈1、第二线圈2和第三线圈3分别呈田径跑道形(例如，直线部分：约330毫米，半圆部分的半径：约110毫米；导线宽度；约50毫米；导线厚度：约1毫米)，且彼此毗邻设置(例如，间距：约150毫米)，其各自的线圈面彼此面对。

图2是射频线圈100的等效电路图。

标号L1,L2,L3分别表示第一线圈1、第二线圈2和第三线圈3的电感。

标号R1,R2,R3分别表示第一线圈1、第二线图2和第三线圈3的电阻。

标号V1,V2,V3分别表示第一线圈1、第二线圈2和第三线圈3的电动势(例如由NMR信号引起的)。

标号I1,I2,I3分别表示流经第一线圈1、第二线圈2和第三线圈3的回路电流。

标号M1表示第一线圈1与第二线圈2之间的互感。

标号M2表示第二线圈2与第三线圈3之间的互感。

标号M3表示第一线圈1与第三线圈3之间的互感。

标号C1,C2和C3分别表示谐振电容器7,8和9的电容。

标号C1′,C2′,C3′分别表示线圈中间连接电容器4,5和6的电容。

标号Cm1,Cm1,Cm2和Cm2分别表示平衡电容器14,15,16和17的电容。

标号Im1表示线圈中间连接电容器4、平衡电容器14、圈间电容5和平衡电容器15形成的回路中流动的回路电流。

标号Im2表示线圈中间连接电容器5、平衡电容器16、线圈中间连接电容器6和平衡电容器17形成的回路中流动的回路电流。

在图2的等效电路中，当目标角频率用标号表示法表示时可得出下列电路方程式：

V_{1} = {R_{1} + j (ω L_{1} - \frac{1}{ω C_{1}} - \frac{1}{ω {C'}_{1}})} I_{1} + jω M_{1} L_{2} - jω M_{3} I_{3} + \frac{1}{ω {C'}_{1}} I_{m 1 - - - - (1)}

V_{2} = jω M_{1} I_{1} + {R_{2} + j (ω L_{2} - \frac{1}{ω C_{1}} - \frac{1}{ω {C'}_{2}})} I_{2} + jω M_{2} I_{3} - j \frac{1}{ω {C'}_{2}} (I_{m 1} - I_{m 2}) (2)

V_{3} = jω M_{3} I_{1} + jω M_{2} I_{2} + {R_{3} + j (ω L_{3} - \frac{1}{ω C_{3}} - \frac{1}{ω {C'}_{3}})} I_{3} - j \frac{1}{ω {C'}_{3}} I_{m 2 - - - - (3)}

0 = (- \frac{1}{{C'}_{1}} I_{1} + \frac{1}{C'_{2}} I_{2}) + (\frac{1}{{C'}_{1}} + \frac{1}{{C'}_{2}} + \frac{2}{C_{m 1}}) I_{m 1} - \frac{1}{{C'}_{2}} I_{m 2} - - - - (4)

0 = (- \frac{1}{{C'}_{2}} I_{2} + \frac{1}{{C'}_{3}} I_{3}) - \frac{1}{{C'}_{2}} I_{m 1} + (\frac{1}{{C'}_{2}} + \frac{1}{{C'}_{3}} + \frac{2}{C_{m 2}}) I_{m 2} - - - (5)

从(4)式和(5)式求出Im1和Im2，得出：

I_{m 1} = - \frac{1}{α} (\frac{d}{{C'}_{1}} I_{1} + \frac{d - b}{{C'}_{2}} I_{2} + \frac{b}{{C'}_{3}} I_{3}) - - - - (6)

I_{m 2} = - \frac{1}{α} (\frac{b}{C'_{1}} I_{1} + \frac{b - a}{{C'}_{2}} I_{2} + \frac{a}{{C'}_{3}} I_{3}) - - - - (7)

{\overset{a = \frac{1}{C_{1}^{'}} + \frac{1}{C_{2}^{'}} + \frac{2}{C_{m 1}} b = \frac{1}{C_{2}^{'}} d = \frac{1}{C_{2}^{'}} + \frac{1}{C_{3}^{'}} + \frac{2}{C_{m 2}}}{α = ad - b^{2} = (\frac{1}{C_{1}^{'}} + \frac{1}{C_{2}^{'}} + \frac{2}{C_{m 1}})} (\frac{1}{C_{1}^{'}} + \frac{1}{C_{3}^{'}} + \frac{2}{C_{m 2}}) - {(\frac{1}{C_{2}^{'}})}^{2}

用(6)式和(7)式重新整理(1)、(2)、(3)式得出：

V_{1} = {R_{1} + j (ω L_{1} - \frac{1}{ω C_{1}} - \frac{1}{ω {C'}_{1}} + \frac{d}{αω C_{1}^{2}})} I + j (ω M_{1} - \frac{d - b}{αω {C'}_{1} {C'}_{2}}) I_{2}

+ j (ω M_{3} - \frac{b}{αω {C'}_{3} {C'}_{1}}) I^{3 - - - - - (1)}'

V_{2} = j (ω M_{1} - \frac{d - b}{αω {C'}_{1} {C'}_{2}}) I_{1} + {R_{2} + (ω L_{2} - \frac{1}{ω C_{2}} - \frac{1}{ω {C'}_{2}} + \frac{a + d - 2 b}{αω {C'}_{2}^{2}})} I_{2}

+ j (ω M_{2} - \frac{a - b}{αω {C'}_{2} {C'}_{3}}) I_{3} - - - - - (2)'

V_{3} = j (ω M_{3} - \frac{b}{αω {C'}_{3} {C'}_{1}}) I_{1} + j (ω M_{2} - \frac{a - b}{αω {C'}_{2} {C'}_{3}}) I_{2}

+ {R_{3} + j (ω L_{3} - \frac{1}{ω C_{3}} - \frac{1}{ω {C'}_{3}} + \frac{a}{αω {C'}_{3}^{2}}) I_{3} - - - - - - - (3)'

为消除各线圈之间的相互干扰，其条件是(1)′、(2)′和(3)′式中的串扰项为“0”，于是，

ω M_{1} - \frac{d - b}{αω {C'}_{1}} = 0 - - - - - - - (8)

ω M_{2} - \frac{a - b}{αω {C'}_{2} {C'}_{3}} = 0 - - - - - - (9)

ω M_{3} - \frac{b}{αω {C'}_{3} {C'}_{1}} = 0 - - - - - (10)

从(8)式和(9)式消掉ω，得出：

C_{m 2} = \frac{2 {C'}_{1} M_{3}}{M_{1} - M_{3}} - - - - - - - (18)

从(8)式和(10)式消掉ω，得出：

C_{m 1} = \frac{2 {C'}_{1} M_{3}}{M_{2} - M_{3}} - - - - - - - (19)

另一方面，各线圈1至3必须使其在目标角频率ω时谐振，因而需要使(1)′,(2)′和(3)′式中的各划底线项为“0”。

因此，结果可按下述步骤确定各电容器的电容值。

步骤1绕制线圈1至3，并测定电感L1至L3。

步骤2按要求设置线圈1至3，并测定互感M1至M3。

步骤3适当确定C1′，再从(19)式求出Cm1。

步骤4适当确定C3′，再从(18)式求出Cm2。

步骤5确定C2′，从而以目标角频率ω建立(8)、(9)和(10)式。

通过上述步骤1至5可以消除三个线圈1至3中的互感。

步骤6确定C1，使(1)′式中的划底线项变为“0”。

步骤7确定C2，使(2)′式中的划底线项变为“0”。

步骤8确定C3，使(3)′式中的划底线项变为“0”。

通过上述步骤6至步骤8可以使三个线圈1至3的共振频率与ω相适应。

这里，为简化起见，令C1′=C3′。

解方程，将(18)和(19)式代入(10)式中求出C2′，得出：

{C'}_{2} = \frac{M_{3} {1 - ω^{2} {C'}_{1} (M_{1} + M_{2})}}{ω^{2} M_{1} M_{2}} - - - - - - - (20)

C2′必须为正值，于是，

1 - ω^{2} {C'}_{1} (M_{1} + M_{2}) > 0 &DoubleLeftRightArrow; {C'}_{1} < \frac{1}{ω^{2} (M_{1} + M_{2})} - - - - - (21)

另一方面，当(18)、(19)和(20)式代入(1)′、(2)′和(3)′式中的划底线项并计算出使这些项为“0”的条件(求解条件)时，得出

因此，可按下述步骤确定各电容器的电容值。

步骤a绕制线圈1至3，并测定电感L1至L3。

步骤b按要求设置线圈1至3，并测定互感M1至M3。在此，设置线圈1至3，使其满足(23)式的要求。

步骤c确定C1′，使其满足(21)、(22)和(24)式的要求。接着，从(19)式求出Cm1。

步骤d取C3′和Cm2，使C3′=C1′，Cm2=Cm1。

步骤e从(20)式求出C2′。

步骤f确定C1，使(1)′式中的划底线项变为“0”。

步骤g确定C2，使(2)′式中的划底线项变为“0”。

步骤h取C3，使C3=C1。

通过上述程序，可以消除三个线圈1至3之间的相互干扰，而且可以在频率ω下达到共振。

接下去，以数值实例说明一下步骤a至步骤h。

步骤a第一线圈1、第二线圈2和第三线圈3分别呈田径跑道的形状，由铜制成，跑道的尺寸如下：直线部分约330毫米，半圆部分的半径约110毫米，导线的宽度约50毫米，导线的厚度约1毫米，这时L=830纳亨。

步骤b第一线圈1、第二线圈2和第三线圈3彼此靠近地设置，各线圈面彼此面对，第一线圈1与第二线圈2之间的间距和第二线圈2与第三线圈3之间的间距分别为150毫米，这时，M1=M2=186.5纳亨，M3=69.5纳亨。

步骤c从(21)、(22)和(23)式知300皮法＜C1′＜620皮法，因而取C1′使C1′=600皮法。如此取值使ω/2π=8.54兆赫时，从(19)式计算Cm1，使Cm1=712.8皮法。

步骤d取C2′和Cm2，使C2′=C1′=600皮法，且Cm2=Cm1=712.8皮法。

步骤e从(20)式计算出C2′=246.8皮法。

步骤f在(1)′式中的分母项变为“0”的情况下计算C1=874皮法。

步骤g在(2)′式中划底线项变为“0”的情况下计算C2=1054皮法。

步骤h取C3，使C3=C1=874皮法。

通过上述程序，可以使射频线圈100在线圈1至3彼此靠近地设置的情况下达到没有彼此干扰的程度。

图3是假设只有第一线圈1的回路电流I1流动的情况下各主要部分的等效电路图。

由于第一线圈1的回路电流I1和线圈之间的相互作用M1和M2，在第二线圈2的线圈中间连接电容器5(C2′)两端产生感应电压-jωM1I1，在第三线圈3的线圈中间连接电容器6(C3′)两端产生感应电压-jωM3I1。

另一方面，第一线圈1的线圈中间连接电容器4(C1′)两端的电压经平衡电容器14(Cm1)和15(Cm1)传送到二线圈2的线圈中间连接电容器(C2′)两端，并经平衡电容器16(Cm2)和17(Cm1)传送到第三线圈3的线圈中间连接电容器6(C3′)两端。

当第二线圈2的线圈中间连接电容器3(C2′)两端产生的感应电压-jωM3I1为经平衡电容器14(Cm1)和15(Cm1)传送到线圈中间连接电容器5(C2′)两端的电压所抵消时，第一线圈1不影响第二线圈2。就是说，当下面的(11)式成立时，第一线圈1不影响第二线圈。

- j \frac{1}{ω {C'}_{2}} (I_{m 1} - I_{m 2}) = - j ω M_{1} I_{1} - - - - - - (11)

此外，当第三线圈3的线圈中间连接电容器6(C3′)两端产生的感应电压-jωM3I1为经平衡电容器14(Cm1),15(Cm1),16(Cm2)和17(Cm2)传送到第三线圈3的线圈中间连接电容器6(C3′)两端的电压所抵消时，第一线圈1不影响第三线圈3。

- j \frac{1}{ω {C'}_{3}} I_{m 2} = - jω M_{3} I_{1} - - - - (12)

接着，从回路电流为Im1的回路中得出下面的(13)式：

- j \frac{1}{ω {C'}_{1}} I_{1} + j (\frac{1}{ω {C'}_{1}} + \frac{1}{ω {C'}_{2}} + \frac{2}{ω {C'}_{m 1}}) I_{m 1} - j \frac{1}{ω {C'}_{2}} I_{m 2} = 0 - - - - (13)

接下去，从回路电流为Im2的回路中得出下面的(14)式：

- j \frac{1}{ω {C'}_{2}} I_{m 1} + j (\frac{1}{ω {C'}_{2}} + \frac{1}{ω {C'}_{3}} + \frac{2}{ω {C'}_{m 2}}) I_{m 2} = 0 - - - - (14)

上述(8)式和(10)式是从(11)式和(14)式得出的。

上述(9)式，和上面所述的一样，是假设只有第二线圈2的回路电流2流动的情况下(或只有线圈3的回路电流I3流动的情况下)得出的。

因此，可以理解，上述(8),(9)和(10)式表明，从一个线圈的线圈中间连接电容器两端经并联连接线和平衡电容器往另一线圈的线圈中间连接电容器两端传送电压可以消除另一线圈的线圈中间连接电容器两端产生的感应电压。

按照上述的射频线圈100，由于线圈之间元相互作用，因而其它线圈噪声分量的影响不起作用，且三个线圈1、2、3可彼此独立地接收各规定部位中的核磁共振信号。因此，和线圈之间相互作用的情况相比，S/N比得到改善。

此外，上述射频线圈即可用作接收线圈，也可用作发射线圈。

图4是本发明的第二实施例的射频线圈的等效电路。

射频线圈200是给第一实施例的射频线圈100加上无源去耦合电路31和32构成的。

如此加上无源去耦合电路31和32之后，从其它发射线圈进行高频发射时，可以避免电流在射频线圈200中流动。

因此，射频线圈200专门用作接收线圈是有用的。

虽然第一实施例和第二实施例都在并联连接线10和11中设置各电容值都等于Cm1的平衡电容器14和15，但这些电容器的电容值也可以是不同的。此外，虽然设在并联连接线12和13中的平衡电容器16和17各自的电容值都等于Cm2，但这些电容器的电容值也可以是不同的。

此外，可以只在并联连接线10或11中放一个平衡电容器，可以只在并联连接线12或13中放一个平衡电容器，也可以在并联连接线10,11,12和13中分别放多个平衡电容器。

总之，传送到线圈中间连接电容器两端的电压可以消除线圈之间因平衡电容器引起的相互作用而感应出的电动势。

此外，目标角频率高时，为消除浮动电容的影响，最好在并联连接线10,11、12和13中分别加多个平衡电容器。

虽然第一和第二实施例说明的是采用3个线圈1、2和3的射频线圈100和200，但在射频线圈采用4个或多个线圈的情况下也同样可以得出条件方程，线圈中间连接电容器、平衡电容器和谐振电容器的各电容值也可按上述方式确定下来。

图5是本发明第五实施例磁共振成象装置各主要部分的透视图。

磁共振成象装置300是垂直磁场型的磁共振成象装置，供在垂直方向产生主磁场，配备有一个下磁铁140和一个上磁铁150，两磁铁在上下方向对置着，此外还配备有一个托板120，配置在磁铁140与150之间的空间，托板120上方装有一个射频线圈100。

射频线圈100为本发明上述实施例中所述的射频线圈，安装得使其线圈面面向托板120的纵向。

托板120上方安装有一个检测元件(虚线)，安装得使其主要部分穿过射频线圈100各线圈的线圈面。

磁共振成象装置300的射频线圈100，其各组成部分[即三个线圈(1、2和3)]之间不存在线圈之间的相互作用，因而三个线圈1、2和3能彼此独立地接收各指定部位的核磁共振信号而不受其它线圈噪声分量的影响，因而其S/N比比起存在线圈之间相互作用的情况提高了。

在不脱离本发明精神实质和范围的前提下还可以例举本发明的许多各色各样的实施例。不言而喻，本发明并不局限于本说明书中说明的一些具体实施例，但所附权利要求书中所述的例外。

Claims

1．一种射频线圈，包括

三个或多个线圈，彼此接近地设置；

多个线圈中间连接电容器，分别设置在所述各线圈之间；

多条并联连接线，用于并联连接各线圈的各线圈中间连接电容器；和

多个平衡电容器，设置在各并联连接线之间，

其中，从其中一个线圈的线圈中间连接电容器的两端经并联连接线和平衡电容器向其它线圈的线圈中间连接电容器的两端传送电压，使得可以消除所述其中一个线圈通过互感在其它线圈的线圈中间连接电容器两端产生的感应电压。

2．根据权利要求1所述的射频线圈，其特征在于，所述彼此接近地没置的线圈共三个，所述三个线圈中的两个外侧的线圈的线圈中间连接电容器的电容值彼此相等。

3．根据权利要求1所述的射频线圈，其特征在于，它还包括：

多个去耦合电路，用于防止其它线圈传送的电流流入并联连线中。

4．根据权利要求3所述的射频线圈，其特征在于，所述去耦合电路由一个彼此反向地并联连接的两个二极管和一个与平衡电容器并联连接的电感元件的串联电路所构成。

5．根据权利要求1所述的射频线圈，其特征在于，所述多个平衡电容器设置在各并联连接线之间。

6．一种包括权利要求1所述的射频线圈的磁共振成象装置。

7．一种包括权利要求2所述的射频线圈的磁共振成象装置。

8．一种包括权利要求3所述的射频线圈的磁共振成象装置。

9．一种包括权利要求4所述的射频线圈的磁共振成象装置。

10．一种包括权利要求5所述的射频线圈的磁共振成象装置。

11．根据权利要求6至10的其中任一权利要求所述的磁共振成象装置，其特征在于，所述磁共振成象装置还包括一个垂直磁场型的磁铁。

12．一种核磁共振信号的接收方法，其特征在于，所述核磁共振信号由权利要求1所述的射频线圈接收。

13．一种核磁共振信号的接收方洗其特征在于，所述核磁共振信号由权利要求2所述的射频线圈接收。

14．一种核磁共振信号的接收方法，其特征在于，所述核磁共振信号由权利要求3所述的射频线圈接收。

15．一种核磁共振信号的接收方法，其特征在于，所述核磁共振信号由权利要求4所述的射频线圈接收。

16．一种核磁共振信号的接收方法，其特征在于，所述核磁共振信号由权利要求5所述的射频线圈接收。