CN1508560A - 一种c型开放式磁共振成像平板式射频线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁共振成像平板式射频线圈。用于C型开放式磁共振系统中的磁体两磁极面间建立射频场。线圈包含两个分别固定在上下两个磁极面上的平板式线圈，每个线圈配置有由平行布置的多个线圈导体元件组成的导体组，导体组的两端设置有公共连接导体，线圈导体元件从平板线圈一侧的公共连接导体延伸到另一侧的公共连接导体，线圈导体元件和公共连接导体构成线圈平面。上下两个平板线圈上的公共连接导体间用置于平板线圈外两侧的另外两个与平板线圈垂直公共连接导体连接为一整体；任意一侧的垂直公共连接导体同射频接口连接，如此上下两个平板线圈构成一个独立的射频线圈。

Description

一种C型开放式磁共振成像平板式射频线圈

技术领域

本发明涉及磁共振成像(MRI)系统，尤其涉及一种C型开放式磁共振成像平板式射频线圈。

背景技术

磁共振成像系统工作时，将人体放在一个强的静磁场中，通过向人体发射射频脉冲使人体部分区域的原子核受到激发。射频场撤除后，这些被激发的原子核辐射出射频信号，由天线接收。由于在这一过程中，加入了梯度磁场，因此通过射频信号可以获得人体的空间分布信息，从而重建出人体的二维或三维图像。

用来建立射频场并接收射频信号的是射频线圈，单个的射频线圈既可以用来发射，又可以用来接收，比如常用的头线圈。同样，一个射频线圈也可用来只发射，或只接收，比如广泛使用的表面线圈就是用来接收信号。

现有的采用C型结构磁体的开放式磁共振成像系统，由上下两磁极面形成静磁场，两磁极面通过一侧的垂直的轭铁(立轭)连接，形成磁路。这种磁体的射频线圈要做成开放式的，以方便病人的进出，通常的方法是，在靠近磁极面的位置放置多个导体组，以产生垂直于主磁场的射频场。同时，这种线圈的电流回路布置很重要，因为线圈导体本身并不自然形成回路，通常的方法是用屏蔽层作为回路。美国专利5467017公开的一种设计，如图10所示，上下两个平面线圈导体101分别由两根同轴电缆102将功率输入，在每个线圈接口处分别设有电容103和104对两个线圈分别进行调节。两根电缆102的另一端同一个射频功率分配器105连接，屏蔽层106、107分别作为两个线圈的电流回路。这种电路中，需要在射频输入接口处对两个线圈平板的电流进行分配，并且还要对两个线圈分别进行调谐，结构复杂，上下两个线圈有一定的独立工作性，并且在调整时相互影响，使得调整变得不容易。

用屏蔽层作为电流的通路，解决了电流回路问题，但是，屏蔽层的电流对射频场有一定的抵消作用，降低了线圈的效率。

发明内容

本发明公开了一种用于C型开放式MRI系统的平板式射频发射线圈，用来在磁体两磁极面间建立射频场。线圈包括：两个分别固定在上下两个磁极面上的平板式线圈，每个线圈配置有多个线圈导体元件组成的导体组，导体组的两端设置有公共连接导体，线圈导体元件沿着平板线圈一侧的公共连接导体延伸到另一侧的公共连接导体，线圈导体元件和公共连接导体构成平板线圈内的线圈平面。为使两个线圈连成一个整体，两个平板线圈内的公用导体间用置于平板线圈外的另外两个与平板线圈垂直的公共连接导体连接，该垂直的公共连接导体靠近磁体立轭；任意一侧与平板线圈垂直的公共连接导体同射频接口连接。理想情况下，射频线圈应该产生在成像区内均匀的垂直于静磁场的射频场。在笛卡儿坐标系中，设静磁场方向为Z方向，射频场方向为X方向，另外一个方向为Y方向。设在静磁场中心Z₀上下等距离的地方有均匀的无限大Y方向的电流层，方向相反，电流密度为λ。在两电流层之间的场为：

                 B_x＝μ₀λ     对于Z＞Z₀

                 B_x＝-μ₀λ    对于Z＜Z₀

                 B_x＝2μ₀λ    对于-Z₀＜Z＜Z₀

实际上，因为线圈的大小有限制，因此，线圈设计都是在一定的成像范围内使射频场尽可能均匀。

一般地，为获得所要的均匀场，通常是在靠近极面的地方铺设上下各一组导体，每组导体由若干个沿Y方向延伸的等间距线圈导体元件组成。上下两个导体组的电流方向相反，每组导体的电流相同，通过增加或减少导体数量，可以获得在所要空间中的较均匀的射频场。

上面讨论的平行的导体组还不构成闭合的电路，所以需要提供额外的导体元件，去连接这两个导体组各自的导体元件。许多供选择的可能性可适用于完成电路的通路，并且这么做最理想的手段将有赖于特定的成象用途和系统的设计。如果使通路闭合的电流元件设置在远离成象区，则在成象区中的场基本上将是线圈导体元件的场。这个场将在下面被描述。

设导体长度为L，把比奥一萨伐尔(Biot-Savart)定律应用于沿y方向从y＝-L/2到y＝L/2延伸并被设置在x＝x。和z＝z。处的条状电流元件，

$B_x=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\frac{z-z_0}{{(x-x_0)}^2+{(z-z_0)}^2}[\frac{L/2-y}{\sqrt{{(L/2-y)}^2+{(x-x_0)}^2+{(z-z_0)}^2}}+$

$\frac{L/2+y}{\sqrt{{(L/2+y)}^2+{(x-x_0)}^2+{(z-z_0)}^2}}$

可导出对在场点(x，y，z)处磁场分量的以下表达式：

完整的线圈对将含有N个在x＝x₀(n)和z＝z₀处的条状导体和N个在x＝x₀(n)和z＝-z₀处的额外的导体，其中n＝1延伸到n＝N，由两列条状导体所产生的总的射频场为：

$B_z=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\frac{x-x_0}{{(x-x_0)}^2+{(z-z_0)}^2}[\frac{L/2-y}{\sqrt{{(L/2-y)}^2+{(x-x_0)}^2+{(z-z_0)}^2}}+$

$\frac{L/2+y}{\sqrt{{(L/2+y)}^2+{(x-x_0)}^2+{(z-z_0)}^2}}$

B_y＝0

$B_x=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_x(x_0\left(n\right),z_0)+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_x(x_0\left(n\right),-z_0)$

B_y＝0

$B_z=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_z(x_0\left(n\right),z_0)+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_z(x_0\left(n\right),-z_0)$

对于单个导体，如果导体的长度L与数量(x-x₀)和(z-z₀)相比变得非常长，则：

$B_z\→\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}\frac{x-x_0}{{(x-x_0)}^2+{(z-z_0)}^2}$

B_y＝0

$B_x\→\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}\frac{z-z_0}{{(x-x_0)}^2+{(z-z_0)}^2}$

在成像体积中心处(x，y，z)＝(0，0，0)，单个导体的中心场为：

$B_x=-\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{Lz}}_0}{(x_0^2+z_0^2){(\frac{L^2}{4}+x_0^2+z_0^2)}^{1/2}}$

B_y＝0

$B_z=-\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{Lx}}_0}{(x_0^2+z_0^2){(\frac{L^2}{4}+x_0^2+z_0^2)}^{1/2}}$

如果N是偶数，中心场为：

$B_x=-\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{Lz}}_0}{(x_0^2+z_0^2){(\frac{L^2}{4}+x_0^2+z_0^2)}^{1/2}}$

B_y＝0

B_z＝0

如果N是奇数，中心场为：

$B_x=-\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{Lz}}_0}{z_0^2{(\frac{L^2}{4}+z_0^2)}^{1/2}}$

B_y＝0

B_z＝0

因此，这种线圈在成像区域产生的场主要沿着X方向。

本发明的目的在于将这样的两个平板线圈连接成一个整体，从而使得线圈结构简单，调节容易，节省功率。

进一步讲，本发明将通常的两个平板线圈通过侧面的两个与其垂直的公共连接导体连在一起，使两个平板线圈构成一个独立的线圈。每个平板线圈都有一系列的沿Y方向伸展的线圈导体组，因此在线圈导体组的两端分别有公共连接导体将这些线圈导体连在一起，平面内的公共连接导体对射频场没有贡献。

每个公共连接导体沿X方向向磁体立轭方向伸出线圈平面，以使垂直连接导体同磁体的外壳相匹配。上下两平板线圈相同一侧的公共连接导体通过一个与平板线圈垂直的公共连接导体连接在一起，另外一侧的公共连接导体由另一条垂直的公共连接导体连接在一起，这样，上下两个独立的平板线圈就连接在一起，构成一个独立的线圈。

在任意一侧的公共导体上开设一个射频输入接口，并设有相应的电容器，以对整个线圈进行调节。由于垂直公共连接导体离成像空间不是很远，电流密度大，因此，它对成像区射频场有一定的贡献，同时会影响射频场的分布。

本发明的第二个目的是在导体组中各个导体元件上安装不同大小的电容器，这样每个导体的电流密度就可以通过调节电容的大小来改变，由于射频场是由所有的导体共同作用形成的，每个导体电流密度的改变就会改变射频场的分布，调节射频场的形状，从而使成像区的射频场能够保持所需的均匀性。

本发明的第三个目的是通过改变线圈导体的间距、线圈导体在线圈平面上的位置、线圈导体在线圈平面上的分布形状来调整射频场的形状。为补偿垂直公共连接导体对射频场的影响，每个平板上的导体组的中心位置可以不在平板的几何中心，同时，每组导体组中的每个导体元件的距离可以不相等，比如通过将导体组整体向磁体开口方向移动，或将靠近磁体开口处的导体向磁体开口方向移动，都可以改变射频场的分布，将射频场的均匀区的几何中心拉回到成像区的几何中心。

显然，不同宽度的导体其电流密度不同，而且导体宽度的变化实质上改变了导体形成的电流元在线圈平板上的分布，因而影响射频场的分布，本发明通过改变线圈导体的宽度调整射频场分布，以实现所要求的射频场的均匀度和几何位置。

进一步讲，位于平板内的公共连接导体与线圈导体的连接方式可以改变射频场的分布。线圈导体组中的每一个导体元件可以单独同公共连接导体相连，这样每个线圈导体同公共连接导体就有一个连接点；也可以先将一组导体单元用一个过渡公共导体连接，这个过渡公共导体再通过一点或多点同公共连接导体相连。由于电流经过公共连接导体的路径不同，其阻抗也不同，因此流过每个线圈导体的电流也不同，这样，通过上述的方式，可以改变线圈导体组中每个导体元件的电流密度，从而改变射频场的分布。

由于本发明中垂直公共连接导体对成像区的射频场有贡献，因此，改变两个垂直公共连接导体的位置显然会影响射频场的分布。一般地，垂直公共连接导体距磁体立轭的距离是由磁体及其外形设计决定的，仅可以通过改变垂直公共连接导体之间的距离来改变射频场的分布。另外，由于垂直公共连接导体一般会离磁体立轭很近，因此，在垂直公共连接导体和磁体立轭之间加入一个射频屏蔽层，而这个屏蔽层也同上下平板线圈外侧的屏蔽层连接，使得射频线圈处在一个封闭的电磁环境中，有效地避开了外界对它的影响。

附图说明

图1为本发明的C型平板式射频线圈的原理图；

图2是本发明改变线圈导体间距来调整射频场的一个实施例；

图3是本发明改变线圈导体宽度来调整射频场的一个实施例；

图4是本发明改变线圈导体形状来调整射频场的一个实施例；

图5是本发明改变线圈导体间距来调整射频场的又一个实施例；

图6是本发明改变垂直公共连接导体间距来调整射频场的一个实施例；

图7是线圈导体直接同公共连接导体相连的结构，图中有三个连接点；

图8是线圈导体同过渡公共连接导体相连的结构的一个实施例，图中过渡公共连接导体与公共连接导体之间有两个短的导体连接；

图9是本发明线圈导体间设有电容器来调整射频场的一个实施例；

图10是已有技术的平板式线圈的结构原理图；

图11是本发明屏蔽层的一个实施例。

具体实施方式

如图1所示，上下平板线圈13各有一组线圈导体组110，线圈导体组110的两端同平板线圈内的两个公共连接导体11相连，其中，公共连接导体11向磁体立轭方向伸出平板线圈13，并同两个位于与线圈垂直方向的公共连接导体12连接，从而构成一个闭合的回路。显然，线圈导体在成像区产生的场的方向是X方向，而且上下两个线圈导体110在成像区产生的场的方向相同。在一个垂直公共连接导体中上设有电容器14，用来调节线圈的谐振频率，并由此同射频输入接口相连。可以看到，此时的上下两个平板射频线圈线圈一构成了一个统一的整体线圈，因此线圈调节方便，结构简单，工作稳定。导体组110两端的公共连接导体11在成像区产生的场方向相反，对射频场没有贡献。由于两个垂直公共连接导体12在成像区产生的场在X方向有相同的分量，因此对射频场有贡献，本线圈的效率较高。

由于垂直公共连接导体12对成像区射频场有贡献，因此，当线圈导体110位于平板中心位置时，成像区射频场的分布将偏离成像中心，均匀性也发生变化，为校正这一变化，图二给出了一个解决办法，将线圈导体组210中的每个导体的位置移动，使导体之间的距离不在相等，由于成像区射频场是由所有线圈导体210和垂直公共连接导体12共同作用的结果，而且线圈导体210的贡献最大，因此，改变线圈导体中每个导体的位置，将对成像区射频场的分布产生影响，通过适当的线圈导体的位置安排，可以使成像区射频场的分布回到均匀状态。我们在一项实验中发现，将一个三根导体构成的导体组置于平板中间，匀场区中心将偏离磁体成像中心约5cm，采用此实施例办法后，可将射频匀场区中心拉回到成像区中心，均匀度也由约15％提高到11％。

图3展示了本发明的另一个实施例，将线圈导体组310中的每个导体的宽度设置为不同，这样，每个导体的电流密度不同，而且，导体宽度的变化将使得它所承载的电流元在平板线圈13中的位置分布产生变化，最终改变射频场的分布，正确的设计可以使成像区的射频场分布均匀。

图4和图5展示本发明的另外一个实施例，可以改变线圈导体410中各个导体的形状来改变射频场的分布，最终使射频场趋于均匀分布。图6是另外一个方法，改变垂直公共连接导体12的间距，也可以达到同样的目的。

图7和图8展示不同的连接方式对线圈导体110电流分布的影响。图7中线圈导体110直接同公共连接导体11相连，形成三个连接点70a、70b、70c，由于不同路径的阻抗不同，各个导体中的电流密度将不相同，外侧的电流密度将小于内侧的。图8为另外一种连接方式，线圈导体110先由一个过渡公共连接导体810连接，过渡公共连接导体810与公共连接导体11之间通过两个短的跨接导体811a和811b连接，这样，由于电流的路径发生了变化，最终流过各个线圈导体110的电流密度也与图7相比发生改变，从而影响射频场的分布，适当的电流分配可以使射频场的分布均匀。

图9是本发明的又一个实施例。在线圈导体组610中的各个导体上设置有电容器90a、90b、90c，调节每个电容器电容的大小可以改变每个线圈导体中的电流密度，因此可以调整射频场的分布而使之均匀。

图11是本发明屏蔽层的一个实施例。由于射频线圈靠近磁体，它会受到磁体结构材料的影响。为消除这种影响，在上下两个平板射频线圈13的外侧靠近磁体极处设置有由良导体制成的屏蔽层115。由于本发明在侧面靠近立轭处有垂直公共连接导体，因此在此垂直连接公共导体的外侧靠近立轭处也设置一个由良导体制成的屏蔽层116，而且这个屏蔽层116同115有电气连接，因此构成了一个一体化的屏蔽层，减小或消除了磁体结构材料对射频线圈的影响。

在一个上下线圈间距为40cm的射频线圈上的实验表明，从图3到图9所示的几种方法可将射频场的均匀度提高约5-8％，改善了射频场的均匀度。

Claims (5)

1、一种用于C型开放式磁共振系统在磁体两磁极面间建立射频场的射频线圈，主要由两个分别固定在上下两个磁极面上的平板式线圈组成，每个线圈配置有多个线圈导体元件组成的导体组，其特征在于线圈导体元件组成的导体组的两端设置有公共连接导体，线圈导体元件沿着平板一侧的公共连接导体延伸至另一侧的公共连接导体，上下两个平板线圈内的线圈导体组两端的公共连接导体间分别用置于平板线圈外的位于磁体立轭附近的另外两个与平板线圈垂直的公共连接导体连接，构成一个整体，任意一根与平板线圈垂直的公共连接导体同射频接口连接，线圈导体元件及与线圈垂直的公共连接导体上放置有电容器。

2、如权利要求1所述的射频线圈，其特征在于通过改变线圈导体元件的宽度、间距，线圈导体在线圈平面的位置、在线圈平面上分布的形状以及垂直的公共连接导体间距等方法可调整射频场的分布。

3、如权利要求1或2所述的射频线圈，其特征在于线圈导体可以单独同公共连接导体连接，亦可先将一组导体元件组与一个过渡公共连接导体相连，这个过渡公共连接导体再和公共连接导体连接；通过改变线圈导体同公共连接导体的连接方式来调整导体元件的电流分布，使射频场分布均匀。

4、如权利要求1或2所述的射频线圈，其特征在于在与其垂直的公共连接导体的外侧与磁体立轭之间设置有屏蔽层，并同线圈外的屏蔽层连为一体。

5、如权利要求3所述的射频线圈，其特征在于在与其垂直的公共连接导体的外侧与磁体立轭之间设置有屏蔽层，并同线圈外的屏蔽层连为一体。

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