CN85106676A - 核磁共振的射频线圈 - Google Patents

Abstract

在被称为“高通”型的装置中，射频线圈由两个带有串联电容器的导电回路构成。用具有固有电感的轴向传输段将这两个回路元件电连接起来，从电学上讲，可以把线圈看作是缠在圆柱体上面，并自身连接的低波延迟线结构。把射频功率源接到回路中的一个电容器上，就可以激励线圈。在被称为“带通”型的另一种装置中，轴向传输段和导电回路元件都具有若干电容器。

Description

本专利申请与由塞西尔E·海斯于1983年11月4日递交的，申请号为548745，题为“核磁共振的射频线圈”的专利申请相关，该专利申请在本文中作为参考。

本发明与核磁共振（NMR）装置有关，更具体地说，本发明涉及到一个射频（RF）线圈，在用NMR装置来发射和（或）接收射频信号时，该线圈十分有用。

很久以前，结构化学家就已经在玻璃试管内利用核磁共振现象研究了有机分子的分子结构。一般来说，为此目的所使用的核磁共振波谱仪设计得只适用于被研究物体的小试样。然而，最近，例如，核磁共振已发展出一种成象方式，用它来获取活人机体上一些部分的组织特性图象。这种图象描绘出与核自旋有关的参数（一般是细胞中水的氢质子），在确定被检查区域中细胞组织的健康状况时，这种图象很有医学诊断价值。核磁共振已经推扩到诸如对磷、碳等元素的体内波谱学研究中，它为研究人员首次在活的有机体中研究化学过程提供手段，利用核磁共振产生图象及对人体进行波谱学的研究就必须使用专门设计的系统元件，如磁铁、梯度线圈和射频线圈等。

核磁共振现象发生在具有奇数的质子或中子的原子核中，这就是背景。由于质子和中子的自旋，每种原子核都显示出一种磁矩，例如，当把一个具有这种原子核的试样放在静态的、均匀的磁场Bo中时，大多数核磁矩的取向与磁场一致，在磁场方向上产生很大的磁化强度M。在磁场Bo的影响下，被调整的磁矩以一定的频率绕磁场轴进动，该频率的大小取决于所加磁场的强度和原子核的特性。被看作是拉摩频率的角进动频率w，由拉摩方程w＝rB给出，式中r为旋磁比（对于每个核磁共振同位素来说，r是常数），而B为作用在核自旋上的磁场（Bo加上其它磁场）。因此不难看出，共振频率与放置样品的磁场的强度有关。

磁化强度M的方向通常指向磁场Bo的方向，但加入了以拉摩频率或接近拉摩频率振荡的磁场就会干扰M的方向。一般，用射频脉冲通过一个与射频发射装置相连的线圈可以把磁场B₁加到磁场Bo的垂直方向上。在射频激励的影响下，磁化强度M围绕磁场B₁的方向旋转。在核磁共振的研究中，通常希望用大小和周期足够的射频脉冲将磁化强度M旋转到与磁场Bo方向垂直的平面上。该平面通常称作横向平面。在射频激励停止时，核矩旋转到横向平面，并绕静磁场方向进动。自旋的矢量和便形成了由射频线圈可以测量的整体的进动磁化强度。用射频线圈所测量的信号称作核磁共振信号，它是磁场和放有原子核的特殊化学环境的表征。在核磁共振成象应用中，当出现磁场梯度时，可以观测到核磁共振信号，用磁场梯度把空间信息编码成信号。然后再以技术人员所熟悉的方式，用这种信息重新建立所研究物体的图象。

在进行整体核磁共振研究时，发现增加均匀磁场Bo的强度是其优点。在质子成象中，为了提高核磁共振信号的信噪比，这正是所期望的。然而在波谱学中，这一点又是必须的，因为被研究的某些化学物质（如磷和炭）在人体中非常稀少，因此为了检测有用的信号，必须用高磁场。从拉摩公式不难看出，随着磁场B的增加，发射线圈和接收线圈所需的共振频率都要相应地增加。这便使得射频线圈的设计复杂化，此种线圈必须大到能适应人体，一个主要的困难是由该线圈所产生的射频磁场在所研究的人体范围内必须是均匀的，以便得到更为一致的测量结果和成象。由于在射频线圈各个部分之间，以及射频线圈和周围物体或核磁共振样品本身之间存在的不希望有的杂散电容的影响，限制了线圈共振的最高频率，致使高频时在大范围产生均匀的射频磁场变得相当困难。

常用的射频线圈或是使用一匝，或是并列使用两匝，以把电感减至最小，并提高共振频率，所谓“鞍形线圈”便是常用的两匝线圈的一个实例，下面还要对此进行更为详细的论述。在寥寥的几匝线圈中，谐振电流的密度降低了磁场B₁的均匀度和样品区域不同部分所产生的信号的灵敏度的均匀性。而且，调谐电容器的位置和单匝线圈杂散电容之间的不对称，导致线圈中电流分布不均匀，导致磁场B₁的均匀性和信号灵敏度都相应地减小。

为此本发明的目的是，提供了一种能产生相当均匀B₁磁场的射频线圈，这种线圈在所关心的范围内具有相当一致的信号灵敏度。

本发明的另一个目的是，提供一种能产生循环极化磁场的核磁共振射频线圈，它具有改进的信噪比。

本发明的第三个目的是，提供一种在许多匝内具有电流和谐调电容的核磁共振射频线圈。

根据本发明，核磁共振射频线圈有一对导电回路元件，沿一共同的纵轴彼此间隔开来。每个回路元件又有许多串联的电容元件，沿回路四周彼此间隔开来。许多轴向导电元件在串联电容元件相邻的点之间与导电回路元件相互连接。在射频线圈的“高通”设备中，轴向导电部分可能是导线、导电管或平坦的导电带，线圈的正常工作需要它们有内在的电感。在每个轴向导电部分中加入电容元件，这样就得到线圈的“带通”装置。

被确信是本发明的特点及其细目列于附加的专利权利要求范围中，参照一下带有附图的说明，可能会对发明本身，无论是结构还是操作方法，亦或其它的对象，以及由此而带来的优越性有更进一步的了解：

图1A以草图形式示出了用于整体研究的双匝并联、常用的核磁共振射频线圈;

图1B描绘了图1A所示的线圈装在一圆柱形的骨架上;

图1C绘出了在核磁共振研究头部时所使用的另一种双匝、串联的常用核磁共振射频线圈;

图2A画出了八段低通射频线圈的草图;

图2B绘出了图2A线圈中使用的集总元件、低通、慢波滞后线结构;

图2C示出了在低通射频线圈中，计算的电流与周围的电感线圈的频率响应曲线;

图3A为发明的八段高通射频线圈草图;

图3B描绘了图3A线圈中使用的集总元件、高通、慢波滞后线的结构;

图3C与图2C类似，示出了计算电流与周围电容器频率响应的特性曲线;

图4A和图4B分别给出了由通常的鞍形线圈和本发明的线圈所产生的射频磁场扩展球形谐和系数;

图5A-5D示出了在通常的鞍形线圈中产生的稳定射频磁场强度的等场强图;

图6A-6D示出了在发明的16段线圈中产生的稳定射频磁场强度的等场强图;

本发明的另一个射频线圈草图如图7所示，这里称之为“带通”射频线圈。

许多核磁共振系统都具有进入样品空间的入口，其方向与静磁场平行，磁场的方向通常被选为笛卡儿坐标系的Z轴，这一点对使用超导磁铁的核磁共振系统是适合的，由于效率问题，对于几乎所有的人为标度的核磁共振成象系统都是如此。这样，沿静磁场的方向上插入了样品或人的某一部位，射频发射和接收线圈经常绕在圆柱形的线圈骨架上，架子的轴与静磁场平行。射频磁场必须垂直于静态射频磁场，因此也就垂直于圆柱形线圈骨架。

图1A和图1B示出了传统设计的鞍形射频线圈的草图。该线圈是由单匝1和3并联而成，并在调谐电容器8的7和9两点上驱动。这种线圈一般由铜管5制成，铜管5安装在非导电（高介电）的圆柱形骨架11上，见图1B。每一个线匝的尺寸都复盖圆柱形四周的120°。在7和9处，线圈连接区域大约复盖周围的60°。为了使射频场的均匀度最高，与圆柱体纵轴平行的线圈的侧边的长度应当等于圆柱体直径（D）的两倍。然而，由于射频能量正用于对病人不感兴趣的区域，因此，线圈的侧边长度等于两倍直径是不现实的。所以，实际上，线圈的侧边长度减少到大约为直径的一倍。

图1C示出了另一个常用射频线圈装置，它与图1A中所描绘的线圈相似，但其中线圈的第15匝和17匝是串联，并在19和20两点由电容器18驱动。图1C中所示的线圈一般在对头部进行核磁共振研究时使用。

采用图1A和1C的线圈时，所产生的射频磁场相当不均匀，因此，对于核磁共振成象应用来说是不理想的。

显然，在众多的线圈绕阻中必须控制电流的分布，以产生均匀的磁场B₁。此外，如上所述，线圈的几何形状是在沿其纵轴方向上有自由入口，以便放置病人或其它的核磁共振试样。磁场B₁也必须垂直于与磁场Bo方向平行的圆柱形对称轴。

图2A和2B示出了一种改进的射频线圈草图，其详情见前面已确定的专利申请。首先参见图2A，这里示出了典型的八段射频线圈装置，该装置有两个彼此间隔开的导电回路23和25，用八根轴向传输线27-34，将它们相互连接起来。每个传输段至少有一个电容元件，如标明为35-42的元件，分别对应于27-34中的电容器。在相邻的两个轴向导体之间的各个回路段中，导电回路23和25具有八个串联的感应元件（在一个八段线圈中）。在回路23中，感应元件通常用参考号43标明，在回路25中用45标明，它们代表形成回路的导体所固有的分布电感。这些电感需要正确地使用线圈，以获得理想的相移。射频线圈的激励是通过把射频能量加到输入电容器的两端（20和22）来实现。输入电容位于某一传输段中（如电容器35）。图2A中所示的射频线圈主要基于一个集总元件低波滞后线结构，该结构示于图2B，其中相同的部分使用了相同的参考号。

现在再来参看图2B，作为笔直的导体而示出的导电回路23和25分别有一组串联的电感元件43和45。当然，27-34的传输部分也会产生类似的电感;然而，这些在图2B中并未示出。一般说来，传输段27-34的电感的影响比每一段的分离电容35-42所具有的影响小。图2A描绘出的射频线圈是通过分别电连接导体23和25的端点P-P′和Q-Q′而形成的。图2A示出的射频线圈与图2B中示出的集总元件网络均被称为“低通”，这是因为低频信号将沿电感元件通过，高频信号往往被电感阻止，而由电容器通过。线圈可能具有许多轴向导体，无论数目大于或小于8，也无论为奇数或偶数。

图2C描绘了通过导电回路（如图2A中的23或25）中一个感应元件的电流（沿纵轴，单位：安培）与16段低通射频线圈装置（类似于图2A示出的八段线圈）中所得到的频率（沿水平轴，单位：兆赫）的计算曲线图。为了计算电流，假设由图2A的23或25回路里的某一电感器的两端，对该线圈进行射频源驱动。图2C中示出了八个电流峰值52-59，它们每一个都表示射频线圈的两个共振型。电流峰值52相当于在似近64兆赫（质子在1.5特斯拉磁场Bo时的拉摩频率）时出现的两个正交共振型，这两个正交共振型在核磁共振成象应用中非常有意义。在这个频率时，用一适当的射频能量源（未示出）激励线圈，在回路23和25中产生的电流分布正比于

COS（（k-1） (2π)/16 ） （1）

式中k＝1-16，表示从输入电感起始的传输段数目。通过轴向传输段的电流将按下式作正弦变化，即

Sin（（k-1） (2π)/16 ） （2）

式中k＝1～16，k的意义如上所述。第二个共振型的激励是通过在与第一个输入感应器成直角的第二个感应器上给射频线圈供电而实现的。

图3A示出了与本发明一致的八段射频线圈。总而言之，本发明的线圈总结构图与图2A所示的低通线圈类似。同样，具有许多段数大于或小于8的线圈也在本发明考虑之中。本发明的线圈由一对导电回路元件61和63组成，而61和63又分别具有标号为65-72和75-82的串联电容器。八个平行的轴向传输段85-92将导电回路元61和63电连接起来。传输段与导电回路的四周彼此分开，方法是用每个导电回路中的电容元件将邻近的传输段分开。每个传输段（85-92）都与线圈正确操作需要的内部电感有关。在图3A和图3B中，这种电感用参考数95标出。如前所述，线圈是通过连接传输段的端点R-R′和传输段63的端点S-S′而成，从而产生导电回路。

图3B为慢波“高通”阶梯状态结构，因此图3A的线圈可看成是高通射频线圈。“高通”一词是指在导电回路中，高频信号能通过电容元件，这是因为在高频时，与具有较高阻抗的感应器相比较，电容器的阻抗较低。相反，低频信号将由具有较高阻抗的电容元件锁住，被阻抗较低的感应元件短路。

图3A示出，当射频线圈被连到输入电容器72两端上的导线101和103上的射频电源（未示出）激励时，它就具有许多的共振型。但只有两个共振型有意义。准确地说，在有意义的模型中，导电回路的电流分布近似COSφ或Sinφ形式，其中φ为沿线圈外围测得的方位角，如图3A所示。这种正弦电流产生高度均匀的横向射频磁场，在核磁共振测量和成象应用中，这种磁场是十分理想的。

图3C与图2C相似，示出了通过导电回路中一个电容元件的电流（单位：安培，沿纵轴绘出）与沿水平轴绘出的频率（兆赫）的计算曲线图。这种用来计算的特殊线圈结构是一个16段高通射频线圈。选择其中一个电容元件作为输入点，并在上面施加一安培的输入电流。八个峰值电流（105-111）中的每一个都代表高通阶梯线圈的两个共振型。显然，由于图的分辩力差，峰值105和106并到一起。在大约64兆赫时出现的，被标为112的峰值对于质子在1.5特斯拉的Bo磁场中测量核磁共振和成象应用中十分有用。用上述方法在此频率时激励线圈，在导电回路中产生的电流分布正比于

COS（（k-1） (2π)/16 （3）

其中k＝1～16为传输段数目，输入电容器作为k＝1，开始计数，因此在图3A中，电容器72被选为输入电容器，所以k＝1相当于传输段86。通过传输段86-93的电流将按下式改变：

Sin（（k-1） (2π)/16 ） （4）

其中k的规定方法同上。在同一频率上存在着另一个正交共振型，它相当于在第二个电容器的两端激励射频线圈。相对于第一个输入电容器而言，第二个电容器位于导电回路90°的地方。在这种情况下，流经导电回路元和传输段的电流与上述相同，k＝1相当于第二个输入电容器。

参照图3A，用上述方法在一个激励点来激励射频线圈，结果形成了线性极化射频磁场B₁。这种线性极化磁场可以分为两个反向旋转的矢量分量。一个分量在旋进方向上旋转，并能有效地干扰自旋，称为正旋分量。另一个分量在与自旋方向相反的方向上旋转，不能干扰自旋，被称为反转分量。通过试样中感应涡流，两种分量贮存了射频线圈和核磁共振试样中的功率。因此，不难看出，如果使射频线圈只产生正弦分量，则在产生同样的核磁化的条件下，与线性极化射频磁场所消耗的功率相比，功率消耗可节省2倍。在这种情况下，据说射频场是周期性的极化。正交激励用于激励线圈技术，以便产生环形极化。

参照图3A，利用所发明的线圈便可直接对核磁共振信号进行正交激励和探测。对位于其中一个导电回路外面的圆周上、两个互为直角的输入电容器进行激励，便可完成这项工作。参照图3A，如上所述，先在电容器72的两端的导线101和103上激励线圈，然后在电容器66两端的第二对导线113和115上再次激励线圈，此外，为了获取理想的循环极化，用来在两点上激励线圈的射频源相互之间的相位必须相差90°，即，一个射频源的相位与COS    ωt成正比，而另一个射频源的相位则正比于Sinωt。如此，这两种具有近似均匀横向磁场的模式便受到了激励。

使用多个射频放大器（未示出）来供给线圈能量可以得到线圈的另一个特点。每一个放大器都连到一个不同的输入电容器上，正确地调整经过每个放大器的信号的相位就可以产生理想的射频激励（即线性或环形偏振）。这样，与用一个或两个放大器驱动线圈所用的功率相比较，则每个放大器所要求的功率较小。这个优点在用高频固态晶体管产生射频功率输出时更为突出，因为它使用简单的方法组合几种电路的输出，而不需要在初始放大器中使用功率组合器。

使用多个射频源得到环形极化激励的一个实例便是使用四个射频放大器。其中两个放大器连到电容器66和72上，如图3A所示。另外两个放大器连到电容器68和70上，角度分别为φ＝180°和270°。从电学角度讲，相邻放大器之间的相位为90°。例如，四个射频放大器的相位为0°、90°、180°和270°，放大器连接的角度分别为：φ＝0°、90°、180°和270°。

使用多个射频源获取线性激励的一个实例是，使用两个射频放大器，两个放大器连在电容器72和68上，见图3A，（角度分别为φ＝0°、180°），相互间的相位激励为180°。使用四个放大器的改进形式是在导电回路63中，经过电容器78和82的两端与另外两个放大器相连，如果放大器的相位分别为0°和180°，则连到电容器68和72上的放大器的相位即分别为180°和0°了。

应当承认，上述多个放大器的结构仅仅是典范而已，许多其它的利用四个或更多的放大器的结构也是可能的。

由于磁化强度M进动的缘故，也可以使用两个正交型获取核磁共振信号。用这种方式获取的核磁共振信号，信噪比提高了 $\sqrt{2}$ 倍。在图3中，把从电容器72和66上得到的信号组合起来，便可对核磁共振信号进行正交检测，由此产生的组合信号，对于在线圈内一个方向旋转的射频磁场来说，是最大的，而对在相反方向上旋转的射频磁场则为零。

采用任何适当的结构方法都可以制做出这种新发明的射频线圈。具有16个轴向传输段的头部和人体线圈可在64兆赫使用。头部线圈装在外直径为0.28米，长为0.4米的胶质玻璃线圈支架上。头部线圈中，轴向传输段最好用薄的导电铜管制成，也可以用包铜的印刷电路板或导线制成。适用的铜管外径为3毫米（1/8英寸）。使用铜管的一个优点是，由于电流分布较好，因此损耗最小。在头部线圈结构中使用铜管的另一个优点是，由于铜管薄，在相邻传输段之间的线圈支架上有大的缝隙，故通风好，病人和操作员的视觉障碍最小。导电回路元件也可以用包铜的、用聚四氟乙烯树脂作为基片材料的双面印刷电路板材料制成，聚四氟乙烯树脂可作为电容器的绝缘材料。电容器板由基片两面的、重叠的导体铜组成。最好在一个电容器板上形成许多离散的垫片，这些垫片必要时也可以接通，增加或减小电容板之间的重叠面积，由此增加或减小电容。将许多的电容器在回路中电连接起来，形成导电回路元。用在62.5兆赫时共振的头部线圈的电容器值约为95_PF。

人体线圈的构成与头部线圈的构成方法相类似。已经用38毫米宽的铜带生产出了轴向传输段，位于长0.56米、外直径为0.51米的圆柱形纤维玻璃线圈支架上。线圈本身长约为0.5米。选择的电容元件近似105_PF。已经制作出其它的人体线圈，其中外径为6毫米的铜管曾用于轴向传输段中。

关于生产射频线圈方法的详情可以通过参阅以前确定的有关专利说明查清，这些专利说明已合并到参考文献之中。

经比较可以看出，本发明的线圈（阶梯网状线圈）产生的射频磁场比鞍形线圈产生的磁场更为均匀。这是因为当用理想的模式激励本发明的线圈时，它的电流分布更接近于理想的表面电流分布，这种分布形成均匀横向射频磁场。这就是说，用线圈可以产生十分均匀的磁场Bx（射频磁场在x轴方向上），该线圈的表面电流密度由下式给出：

λ_φ＝0 （5）

及 λ_Z＝ (2B×Sin（φ）)/(μo) （6）

式中λ为表面电流密度，φ为方位角，μo为自由空间的导磁率。

在实际的线圈中，提供反流并把线圈限定在一定的长度内是必要的。在有限长度的N个截面（如8个或16个）的阶梯式网状线圈中，有许多的共振型，这些共振型产生的电流分布或正比于COS (2πM（k-1）)/(N) ，或正比于Sin (2πM（k-1）)/(N) ，式中M为共振型数，k为段的数目，它从线圈某一参考点开始计数（如k＝1～8或16）。M＝1的共振型的电流分布非常近似于理想的Sinφ，剩余的不均匀性的主要原因在于线圈的有限长度。

通过计算每个线圈产生的磁场球谐函数的展开式，可以比较阶梯网状线圈和鞍形线圈产生的磁场均匀性。线圈中心的磁场可以用球谐函数的展开式来表示，例如：

Bx＝ (μo)/(4π) $\underset{\mathrm{n\; ,\; m}}{\overset{}{\mathrm{\Σ}}}$ A^xc _n，mrⁿp^m _n（COS（θ））COS（mφ） （7）

式中，r，θ和φ为研究点的环形极坐标，下标X表示在X轴方向上的展开式，而p则为有关的勒让得函数。尤其是，线圈中心的磁场B₁为

Bx＝ (μo)/(4π) A^xc _oo（8）

系数A^xc _oo表示B₁的均匀分量，可以通过在线圈表面上对电流进行积分计算出来。这样，A^xc _oo可以表示为：

$A^{\mathrm{X\; C}}{}_{\mathrm{O\; O}}=\frac{\mathrm{4\; I}\sqrt{3}}{\alpha }\frac{{\mathrm{k\; (\; k}}^2\mathrm{+\; 2\; )}}{{\mathrm{(\; 1\; +\; k}}^2\mathrm{)\; 3/2}}\mathrm{(\; 鞍形线圈\; ）\; （\; 9\; ）}$

A^xc _oo＝ (2IN)/(α) Sin（ (π)/(N) ）k（k²+2）（本发明的线圈）（10）其中M＝1。

在方程9和10中，k为线圈的纵横比（长度与直径之比），N为线圈中传输段的数目，α为线圈支架的半径。对于本发明的网状线圈来说，I代表第一个回路（即具有最大电流的电容器）中的电流。

显而易见，阶梯网状线圈中的电流可以表示如下：

I^z _k＝2I Sin (（πM）)/(N) Sin (πM（2k-1）)/(N) （11）

及

I^φ _k＝-I COS (2πM（k-1）)/(N) （12）

式中，I^z为轴向电流，I^φ为方位电流，M为共振型数。对于作为核磁共振发射器或接收器的线圈来讲，用M＝1的共振型给出的均匀横向磁场是很理想的。

图4A和图4B示出了用球谐函数展开式表示任意磁场所必要的系数。既然在射频线圈内的横向磁场是均匀的、不变的，所以只有A^c _oo才应当出现。然而，由于鞍形线圈和所发明的、有限阶梯网状线圈内的电流分布都不完全近似于理想的正弦电流分布，故产生的磁场是不纯的，其不纯度电磁场展开式中出现其它系数来表征。在图4A和4B中，出现了其它的不理想的系数（非零的、较高阶磁场分量表示场污染）。因此，图4A示出了鞍形线圈产生的磁场的展开式中出现的其它系数，而图4B示出了16段阶梯网状线圈产生的磁场的其它系数。应当注意到，后者产生的不希望有的系数极少。

更具体地说，图4A显示了污染鞍形线圈磁场的、较高阶的分量。出现不均匀性的原因有两个：线圈的长度有限，和电流分布并非完全正弦的。随着k（纵横比）的增加，可以看出，当k→∞时，（A^xc _n，m除外，其中m＝n），磁场Bx的污染减至为零。因此，对于鞍形线圈来说，即使纵横比任意大，A^xc ₂₂，A^xc ₄₄，A^xc ₆₆……的污染将不等于零。顺便提请注意，对于鞍形线圈的标准弧度120°来说，A^xc ₂₂将随着k的增加而趋向于零。

就均匀度而论，阶梯线圈的设计有两个优点：其一，如图4B所示，对于k的任何值来说，系数A^xc _nm将为零，除非m取指定的值，m＝0，2，14，16，18，30，32，34……（已假设N＝16）。这是因为电流正弦分布所致。此外，由于纵横比无限增加，故只有A^xc ₀₀，A^xc _16，16，A^xc _32，32等项不为零。

图5A-D和图6A-D分别描绘出了在鞍形线圈和具有16个轴向传输段的，本发明的线圈内产生的稳定的、标准化的射频场强的等场强场。在两种情况中，“A”图示出了线圈横向中平面的等值射频场强。标有“B”的图则表示位于线圈二分之一半径处的横向平面的磁场为中平面，而标有“C”的图表明，穿过线圈圆柱体对称轴，并带有射频场的平面里的磁场。最后，标有“D”的图绘出了在垂直于射频场，并包含圆柱形对称轴的平面内的射频场强的等场强线。从上述的球谐函数分析和图5、图6中不难看出，新发明的线圈具有高均匀度的磁场B₁，B₁的均匀度大大超过了鞍形线圈产生的均匀度。随着纵横比的增加，均匀度及本发明的线圈优于鞍形线圈之处也在不断增加。因此，如果1.0代表线圈中心所需要的磁场参考值，则鞍形线圈磁场，无论是纵向还是轴向上都比本发明的线圈偏离该值更远些。

图7为本发明的另一个射频线圈装置，它具有上述的低通和高通射频线圈的某些特点，分别参见图2A和图3A。这种线圈装置也可以看作是“带通”射频线圈，它由两个导电回路元131和133组成。在高通线圈情况下，由为数不少的串联电容器135-142和145-152来提供导电回路元131和133。在低通线圈的情形，导电回路元件之间的连接是通过拥有大量电容元件165-172的轴向传输段155-162来实现的。尽管描述的这种特殊装置有八个这样的轴向导电元件，然而，如前所述，在实践本发明时，可以优先使用大于八或小于八的数。另外，应当承认，既可以通过连接导体回路中一个电容元件上的射频功率源（未示出）来激励线圈，也可以通过连接轴向段的一个电容元件上的射频功率源来激励线圈。这里讲述的其它激励方法也可以用到带通线圈上。当然，无论是导电回路元件还是轴向传输段的每个导电部分都有固有电感，这里虽然未示出，但为了取得正确的相移度，以便产生理想的共振条件，固有电感还是需要的。

在带通射频线圈中，共振型比在高通或低通线圈中受到更多的压缩。在低频极限和高频极限之间调整共振型，低频极限时，轴向和回路阻抗主要表现为电容式，高频极限时，轴向和回路阻抗主要表现为电感式。在共振型残留的频带里，电容器的值是这样的：如果轴向传输段为电容式的，则回路导体为电感式的，反之亦然。第一组情况横拟低通线圈，其中就是频率最低的共振型产生近似均匀的、横向射频磁场。如果电容是这样情况，即轴向段为电感式的，而四周的段为电容式的时候，那么频率最高的横向共振型产生均匀的横向磁场，这种结构是模拟高通射频线圈。

在把低波延滞线网状线圈扩大到较高频率时，或者要减少与成象材料或周围环境相偶合的杂散电容的影响时，带通线圈结构也是十分有用的。例如，使用高通线圈作为基本结构，就可以把电容加入轴向段中。轴向电容就可以抵消一些轴向段的电感，这样一来，便减小了轴向段的总阻抗。如果电流是给定的，则沿轴向段的电压将小于没有电容器时的电压，通过杂散电容的电流也会减小，从而减小了损耗及与杂散电容有关的失调影响。

综上所述，使我们了解到，本发明提供了射频线圈的几种装置，在这些装置中，电流和调谐电容分布在许多匝中。本发明的核磁共振线圈在磁场B₁的均匀度和信号灵敏度方面也有很大的改进。同时线圈的几何形状有助于提高信噪比和环形极化激励。

本发明是参照特殊装置和实例介绍的，由于上述的讲授，某些行家可能会进行其它的调整和改进。因此，应当清楚，在附加权利要求的范围内，本发明可以实践，其它的问题在此不作更多的讲解。

Claims (11)

1、核磁共振射频(RF)线圈包括：

一对导电回路，沿共同的纵轴彼此分开，其中每个导电回路都有许多沿四周排列而又彼此分开的串联电容；

在上述的串联电容间的诸点上，用电的方法，把许多轴向传输段和所说的导电回路相互连接起来。

2、在专利权利要求范围1所述的核磁共振射频线圈中，每个轴向传输段都有一个串联的电容。

3、在专利权利要求范围1中的核磁共振射频线圈还包括第一种激励法，即用第一射频功率源在一个导电回路中的第一个输入电容上进行激励，第一个射频功率源的振荡频率就是理想的共振型频率，这样在导电回路中就产生正比于COS（（K-1） (2π)/(N) ）的电流分布，而流径轴向传输段的，则产生Sin（（k-1） (2π)/(N) ）的电流分布，其中k为1到线圈总段数N之间的任意一个整数，起始于有输入电容器的段，其时k＝1。

4、专利权利要求范围3中的核磁共振线圈还有第二种激励方法，即在第二个输入电容的两端激励射频线圈，第二个输入电容位于所述的其中一个导电回路四周上，与第一个输入电容相距90°，第二个射频功率源的振荡频率就是理想的共振型频率，功率源彼此之间的相位差为90°。

5、专利权利要求范围1所述的核磁共振线圈安置在一个圆柱形的线圈支架上，支架的结构适于安放核磁共振对象，所说的轴向传输段由一些细导体组成，因此在相邻的段之间出现了大的空隙，线圈支架至少在所说的一个空隙区域内形成了狭缝，从而提高了核磁共振对象的通风和可见度。

6、在专利权利要求范围1所提及的核磁共振射频线圈内，一些电容元件组成各个输入元件，其数目等于射频功率放大器的个数，放大器的输出彼此之间被定相，因此，总起来说，轴向和导电回路元件中的感应电流便产生了线性极化射频磁场。

7、在专利权利要求范围1所涉及的核磁共振射频线圈内，一些电容元件组成的输入元件，其数目等于射频功率放大器的个数，放大器的输出之间彼此被定相，因此，总的来讲，轴向和导电回路元件中的感应电流产生了环形极化射频磁场。

8、核磁共振射频线圈的高通、慢波、延迟线结构可作为梯形网络，所述的延迟线结构大体上成为圆柱形的几何形状，在其端点与自己相连。梯形网络的侧面元件与圆柱体周长重合，而梯形阶梯元件则沿平行于圆柱体纵轴的圆柱表面纵向排列。

9、在专利权利要求范围8所说的核磁共振射频线圈中，梯形网络的侧面元件有一对沿纵轴彼此分开的导电回路，每个导电回路又有许多沿四周彼此分开的串联电容元件，其中梯形阶梯元件有许多轴向传输段，在相邻的串联电容元件之间的点上，与导电回路元件实行电连接。

10、核磁共振射频线圈的常通低波延迟线结构可以被看成是梯形网络，所说的延迟线结构基本上就是圆柱形的几何形状，在其端点与自己相连，梯形网络的侧面元件与圆柱体的四周重合，而梯形的阶梯元件则沿着平行于圆柱体纵轴的圆柱体表面纵向排列。

11、在专利权利要求范围10所述的核磁共振射频线圈中，梯形网络的侧面元件有一对沿共同的纵轴彼此分开的导电回路元件，所说的每个导电回路元件又有许多沿四周彼此分开的串联电容元件，而梯形阶梯元件则有许多轴向传输段，这些传输段在相邻的串联电容元件之间的若干点上与所说的导电回路元件实行电连接，每个轴向传输段至少有一个串联的电容元件。

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