CN1135400C - 用于核磁共振(nmr)和磁共振图象(mri)设备的天线系统 - Google Patents

Abstract

在包括有射频(RF)信号发射机(20)和射频(RF)信号接收机(21)的核磁共振(NMR)设备或磁共振图象(MRI)设备中使用的天线系统。天线系统包括至少第一和第二电磁耦合的谐振电路，第一谐振电路包括产生第一电磁场通量矢量的第一电感线圈(16)，以及第二谐振电路包括产生第二电磁场通量矢量的第二电感线圈(17)第一电磁场通量矢量具有平行于第二电磁场通量矢量的分量。开关系统(18、19)被耦合到第一谐振电路和第二谐振电路。开关系统具有第一开关位置，用于把第一谐振电路耦合到RF信号发射机的输出端，和用于阻止来自第二谐振电路的信号馈送到RF信号接收机的输入端，以及第二开关位置，用于允许来自第二谐振电路的信号馈送到RF信号接收机的输入端，和用于使第一谐振电路由RF信号发射机的输出端断开。

Description

用于核磁共振(NMR)和 磁共振图象(MRI)设备的天线系统

相关专利申请的相互参考

本文是我的先前的专利申请序列号No.08/656,766的延续部分，其整个内容在此引用以供参考。

发明背景

1.发明领域

本发明是针对在核磁共振(NMR)设备和在磁共振图象(MRI)设备中使用的发射和接收天线，这些设备用于计算频谱或产生探查物体的图象。

2.现有技术描述

核磁共振(NMR)是对以与静磁场成直角加上的磁场进行共振旋转或交替变化的效应，以便扰动核磁矩的取向。

磁共振图象(MRI)是核磁共振(NMR)技术的发展，用于得出物体(人体或动物身体)的诊断扫描。

病人或检查物体被放置在强磁场中。该磁场对物体中的核感应出纯磁化。短的射频脉冲(RF脉冲)以进动的核的Larmor频率上被加上，核又发射相同频率的RF信号。这个信号被检测，并给出被研究的核的环境的“指印”。这个信息是一维的，但可通过加上一个斜坡到所加的磁场以导致发射的RF信号的调频，而被变换成二维的解剖图象。一系列的这样的测量被计算机分析，而产生图象。

在NMR设备以及MRI设备中，强磁场沿场的方向对准被研究的物体的核。通过发射机天线(也被称为发射机线圈)传送的射频场把核带到较高的能量状态。

接收机天线(也被称为接收机线圈)截取由物体(病人)当它的核进动或从较高能量状态松驰时所发射的信号。

有效的能量吸收的条件要求发射机天线和接收机天线的RF场应当正交于静态磁场。同时的条件是在接收机天线和发射机天线之间的可忽略的低的相互作用，以便它们的RF场最小的交互失真以及防止高发射机功率加到接收机，部分地也意味着发射机和接收机天线的RF场必须是正交的。即使发射与接收在时间上并不同时发生。在两者之间的可经受的开关时间是约10微秒量级。

如图1所表示的，图上显示了现有的技术，射频(RF)发射机4发送一个信号到发射机天线2。被检查物体(或病人)5吸收随后被再-发射的信号然后被接收机天线拾取，并被馈送到射频(RF)接收机3。被扫描的检查人体或物体5处在发射机和接收机天线2，1的RF场中。发射机天线2和接收机天线1对于它们各自的任务被最佳化，并被可变电容6和7调谐。通常，单个的，位置固定的发射机天线2足够大能包容要被扫描的物体5的最大部分。小得多的接收天线1，是为不同的物体部分特制的，被分开地连接和使用。图1还显示了分别位于病人(物体5)的上面和下面的磁极8和9。

因为发射机天线2和接收机天线1的正交排列和空间分开，在之间的结果的低的电磁耦合确保了低的场失真，并允许利用对于接收机天线1的快速和有效的电子调谐。需要的发射功率是高的，并且采用了由可变电容6对发射机天线2的相互调谐，因为没有已知的电子控制的半导体器件可承受入射的功率。

现有技术设备的另一个限制是，在磁极8和9之间的磁隙应当足够大，以便接受在其间的两个分开的天线，这不是总是可能的，或是花费上经济的。

例如，在美国专利Nos.4,926,126；4,975,644；5,144,244；和5,256,972中描述了这些现有技术的器件类型，这些专利的整个内容在此引用以供参考。

图2表示了使用单个天线10的另一个现有技术的设备，该天线10被在RF信号发射机12与RF信号接收机13之间的开关14交替地接通。天线10被可变电容11调谐。

在图2的情况下，发射机功率要求比起图1的实施例来低得多。天线10并不被限于单个取向，而可以是能多取向的。天线10也不对磁隙尺寸加以很大的限制。例如，在美国专利Nos.4,901,022；和5,166,617中描述了这些现有技术的器件类型，这些专利的整个内容在此引用以供参考。然而，即使在图2的实施例中，发射机功率是降低的，但发射机功率要求仍旧是高的，以致于阻止电子天线调谐的简单实现。

发明概要

本发明的一个目的是提供在NMR和MRI设备中使用的独特的天线电路，其中利用多个相互作用的电感线圈的单个天线被放置成包围要在其发射和接收的RF场中被扫描的物体。

另一个目的是提供一个能通过变容管(电子控制的可变电容器)被电子调谐的天线，它只需要低的发射功率，并且是小的和能多取向的，以及它在接收时具有高的灵敏度。

按照本发明，天线系统至少包括两个电磁耦合的谐振电路。每个谐振电路中的电感线圈由产生完全地或局部地包围检查物体的射频(RF)场的线圈组成。组合的RF场，是在谐振电路之间相互作用的结果，激励感兴趣全部体积的核，其后截取由那些核在从它们的较高能量状态松驰时发射的信号。

因为位置贴近的线圈通常具有仅仅百分之几的电磁耦合水平，这个低的相互作用的水平导致了组合的谐振电路的频率响应曲线近似于每个谐振电路的分开的频率响应曲线的相乘。这又提供了天线在接收时比起单个谐振电路来说更高的选择性和灵敏度。

谐振电路之一通过第一开关器件被连接到发射机，该开关器件在其闭合位置，在发送RF脉冲期间把发射机功率转发到天线。另一个谐振电路被连接到接收机。这个第二谐振电路包含调谐变容管和第二开关器件。第二开关器件在发射期间短路该谐振电路的部件，包括变容管和接收机输入端，这样在发射期间保护它们不受过大的功率。在发射期间天线的组合的谐振频率被第一谐振电路中的可变电容控制。

在接收期间，所有开关器件都断开，使得发射机不连接到天线，而同时接收机输入端被松开，可拾取信号，以及变容管用来控制组合的谐振频率。

由于天线位于非常靠近检查物体的位置，所以对发射的功率要求是最小的。通过使用第一开关器件的发射机端的欧姆电阻，在发射时天线带宽可被人为地加宽，使得天线几乎对负载变化没有什么差别，仅仅以多少高一点的发射机功率需要为代价。因而，接收机带宽不受影响，保持其原先的高选择性特性。

第一和第二开关器件对于每个连接性链路通过使用一对相反地互联的二极管很容易实现。发射机功率的加上使得二极管导通，有效地把它们短路(即有效地闭合开关)，并允许功率前进或通过。发射机功率的去除使二极管回到高阻抗非导电状态(即，开关断开)。

在NMR或MRI设备中，天线可被放置成多个指向，只要其电轴保持垂直于静磁场。这个特性使得它特别适用于运动学整形检查。

本发明的天线系统是失效保险(fail-safe)的。非允许的和不想要的RF功率高电平是通过低的所需功率的固有特性以及在单个或多个元件失效的情况下通过天线的自动失谐而得以避免的。

本领域的技术人员将明白，这里提出的原理允许天线以多种方式实施，这些方式取决于具体应用的特定要求：例如，Larmor频率、检查物体、磁场取向等。也将看到，多个元件可被使用来代替所述的那些元件，例如，任何类型的可变电容可被用来代替变容管，一组电容可被用来代替任何的单个电容，(与变容管一样)，以及电子控制开关可被用来代替一对反向互联的二极管。因为发射功率电平很低以及可很容易提供使用，所以在发射时的天线带宽可被人工加宽，这意味着宽的频率范围，并且系统很少需要发射频率调谐。

附图简述

图1是传统的核磁共振(NMR)或磁共振图象(MRI)设备的示意性表示，包括分开的发射和接收天线系统。

图2是具有一个天线系统的传统NMR或MRI设备的示意性表示。

图3是本发明的天线系统电路图。

图3A是显示对图3的实施例的修正的部分示意图。

图3B和3C是显示代替图3中概略地显示的开关的二极管的部分示意图。

图4是图3的天线系统的示意表示。

图5A-5D显示本发明的天线系统的修正的接收机端的配置。

附图详述

图3和4中所表示的本发明的设备包括天线15，它可以是电子调谐的、需要低的发射机功率、是小尺寸和能多取向的，在接收时具有高灵敏度以及是固有地失效保险的。用于产生静磁场的磁铁(图1和2所示)，为了显示简明起见，在图3中未显示出。

天线15至少包括两个电磁耦合的谐振电路27，28。在每个谐振电路27、28中的电感线圈16、17产生包围检查物体(未示出。但可参看图1)，有时多少是有点不充分的射频(RF)场。在谐振电路27、28之间的电磁相互作用24造成合成的RF场，它激励感兴趣的全部体积的核，并且也截取由那些核在从它们的较高能量状态松驰时发射的信号。

第一谐振电路27具有第一可变电容23，其电容量的改变造成第一谐振电路27的谐振频率上的偏移，也造成组合的谐振电路27、28的谐振频率上的偏移。第一电容23被并联到第一电感线圈16。谐振电路27包括第一电感线圈16，及第一电容23通过开关18被连接到RF发射功率源20。开关18，为了显示简明起见，被示意地显示为图3和4中的机械开关，但是它优选地以电子开关实现。如在后面所描述的。开关18在发射机功率被传送到天线15时，是处在闭合位置，允许功率激励检查物体的核。在其它时间，开关18是断开的，如图3和4所示。

第二谐振电路28包括与变容管22串联的第二电感线圈17、辅助电容26和固定的第二电容25，变容管起到可变电容的作用。第二电容25如果想要的话可被做成可变的。改变变容管电容22造成组合的谐振电路(包括谐振电路27和28)的谐振频率上的偏移。接收机21通过连接到与变容管22并联的第二谐振电路28，而拾取由检查物体(病人)发射的信号。开关19被耦合来短路掉电感线圈26、变容管22、和接收机21，并和开关18同步运行。也就是，开关18和19在传送发射功率时都被闭合；开关18和19在其它时间都断开(如图3所示)。开关19在图3和4中，为了显示简明起见，被示意地显示为机械开关，但是它优选地以电子开关实现。如在后面所描述的。

当开关19闭合时，第二谐振电路28被变换，以便有效地包括两个元件：第二电感线圈17和第二电容25，以及被变换的第二谐振电路28的谐振频率被做成为使得天线15的组合谐振频率与RF发射源20的频率相匹配，它是检查物体的Larmor频率。所必须的调谐是通过改变第一可变电容23，或如果想要的话，通过改变第而可变电容的电容量而提供的。来自发射机20的RF功率因而被正确地传送到检查物体。同时，在RF功率发射期间，短路开关19(它被闭合)阻止功率到达变容管22和接收机21，所以保护它们不会由于发射时的高功率电平而损坏。

在接收时，当两个开关18、19都断开时，RF功率源(发射机)20从天线15断开连接，变容管电容22是第二谐振电路28的一部分，并被设置来限定组合谐振电路27、28的谐振频率，以便与松驰的核的Larmor频率相匹配。来自第二谐振电路28的信号被馈送到RF信号接收机21。辅助电感线圈26的电感量被这样选择，以使得把谐振频率范围保持到第二谐振电路28的开关变换。第二谐振电路28在发射期间也可被使用于失谐模式，如果第二电感线圈17的空间放置位置以及它与第一谐振电路27的相互作用是这样的，以使得RF发射场通量保持其正确的形状和覆盖的话。如后面所解释的(参见图5A-D)，只省略辅助电感26或连同电容25一起省略是可能的，以及对第二谐振电路28的不同修改也是可能的。

包括天线15的第一和第二电感线圈16、17互相放置成很靠近的位置，因此，它们通常具有在它们之间的大约百分之几的电磁耦合水平。这个低的相互作用的水平导致了组合的谐振电路27、28的频率响应曲线近似于每个成员电路27、28的频率响应曲线的相乘。这个结果比起只具有单个谐振电路的天线15来说具有更高的选择性和灵敏度。变容管22提供天线15在接收时精确和快速的调谐，这对于在变化负载条件下从背景噪声中最佳提取信号是重要的。

在发射时，天线15通过在第一开关18的发射机端使用欧姆电阻R(优选地小于1欧姆)(参见图3A)可被做成几乎对负载变化没有什么差别，这有效地拓宽组合谐振电路的带宽。图3A的系统的未显示部分是和图3所示的一样的。图3A的方法，拓宽了带宽，避免了替换检查物体(病人)时的天线调谐的必要性，是以稍微更高的发射机RF功率为代价的。RF功率的增加对于大多数应用是可忽略的，因为天线15靠近检查物体，起始的RF功率要求是低的。在接收时，天线15保持其高的选择性特性。图3A的串接电阻R可以与RF发射机20的输出端并行放置，以达到类似的结果。在这种情况下，并行电阻的阻值必须很大。

天线15可以以多种取向放置在MRI或NMR设备中，只要其电轴保持垂直于静磁场取向。所以，这特别适用于运动学整形外科检查。

本发明的天线15是失效保险的：通过在天线元件失效的情况下天线的自动失谐避免了不想要的或过量的RF功率传送。由于两个谐振电路27、28相互作用来产生组合调谐效果，如果一个元件失效。则整个系统被失谐，传送功率下降，因而阻止了对于在检查的物体或病人的损害。系统也具有低的起始功率要求，因为天线是对想要的用途被配置的，这样在许多情况下使用低的功率，借此使得天线系统甚至更加失效保险的。

图3B显示开关18的简单的实施方案为各个反向互联的二极管对。例如，在美国专利No.4,975,644(图8)显示了这样的二极管开关。其它的电子开关装置也可被使用；例如，见美国专利No.5,144,244。在运行时，图3B和3C的二极管开关装置是自动的。也就是，当发射机被调谐来发射RF信号时，发射机的高功率输出，在AC RF信号的正半周期间，使得以前向连接的二极管导电，而以反向连接的二极管不导通。在AC RF信号的负半周期间，以反向连接的二极管导电，而以前向连接的二极管不导通。每对二极管以同样方式工作。当发射机20关断时，系统中的寄生信号不足以使得二极管导通，即使在它们各自的正方向，由此，在发射机关断期间，把发射机20有效地和谐振电路隔离开。同样地，在接收机端，当发射机接通时，通过图3的二极管的RF信号足够大，以使得二极管在它们各自的的正方向上导通，(分另在正和负半周期间)有效地把接收机的输入端短路。当发射机20关断时，流过电路的信号足够小，这样二极管不导通，即使在它们各自的正方向，由此，呈现为开路，并允许接收信号转送到RF信号接收机21。

如果需要较高的门限开关电压，则两个或更多的串联二极管可被用来代替图3B和3C所示的每个二极管，例如美国专利No.4,975,644的图8所示。

本领域技术人员将看到，本发明的天线的潜在实施方案是无数的，以及由应用驱动。Larmor频率、检查目标特性与磁场取向将规定具体天线的形状、尺寸、和元件。也将明白，多个元件可被用来代替具体描述的那些元件。例如，如上所述，一对并行地和相反地互联的二极管(或其它电子开关装置)可被用来代替每个开关极点18、19，包括寄生电容的一组电容可被用来代替任何单个电容，以及任何类型和数目的可变电容可被用来代替变容管22。另外，对于寄生电容和对于发射机20和接收机21的阻抗匹配，应当给出标准的考虑。

阻抗匹配电路被认为分别是RF信号发射机20、和RF信号接收机21的整体部件。

系统可以被配置成，(I)当发射期间，谐振电路28被调谐到发射机频率，或(II)当发射期间，谐振电路28相对于发射机频率是失谐的。图5A-5D显示了条件I和II。在每种情况下，开关19在发射期间都是闭合的。在图5A和5D中，条件I和II由电路的元件数值确定。在图5A中，与电感26’串联的开关19’在发射期间由于高的发射功率电平，而是闭合的(在各自的正和负半周期间)。图5A-D只显示了接收机端的电路。发射端是如图3和/或4所示(和/或如图3A或3B所修正的)。

将会看到，直接的技术规范是通过举例说明来描述的，而不是限制，以及各种不同的修正和改变可被作出，而不背离本发明的精神与范围。

Claims (20)

1.在包括有射频(RF)信号发射机和射频(RF)信号接收机的核磁共振设备或磁共振图象设备中使用的天线系统，该天线系统包括：

至少第一和第二电磁耦合的电路；

所述第一电路包括产生第一电磁场通量矢量的第一电感线圈，所述第一电路包括至少一个与所述第一电感线圈连接的第一电容，它与所述第一电感线圈一起组成第一谐振电路；

所述第二电路包括产生第二电磁场通量矢量的第二电感线圈和一个可变电容元件，用于天线电路的频率调谐，并且进一步与所述射频信号接收机输入端相连；

所述第一和第二电感线圈被电磁耦合，以使得第一电磁场通量矢量具有一个与第二电磁场通量矢量的分量相互作用的分量；以及

耦合到所述第一电路和所述第二电路的开关系统，所述开关系统包括：

至少一个第一开关元件，在第一开关位置，把所述第一电路耦合到所述RF信号发射机输出端，以及在第二开关位置，使所述第一电路从所述RF信号发射机输出端去耦合；所述开关系统还包括第二开关元件，在所述第一开关位置时，被耦合来选择地短路掉至少所述可变电容元件和所述RF接收机输入端，以及所述第二开关元件，在所述第二开关位置时，是电开路的，并且几乎没有电的影响。

2.权利要求1的天线系统，其特征在于，其中所述第一电容包括可变电容器元件。

3.权利要求1的天线系统，其特征在于，其中：

所述第二电路包括：

第二电容；以及

辅助电感，用于粗略地匹配所述第二电容的阻抗；

在第二电路中，所述第二电容、所述可变电容元件以及所述辅助电感被耦合到一起，并被进一步耦合到所述第二电感线圈；

4.权利要求1的天线电路，其特征在于，其中所述可变电容元件包括至少一个变容管。

5.权利要求1的天线系统，其特征在于，其中所述第一电容包括可变电容器元件。

6.权利要求1的天线系统，其特征在于，其中所述第二电容、所述可变电容元件、和所述辅助电感以串联方式相连接。

7.权利要求6的天线系统，其特征在于，其中所述串行连接是和所述第二电感线圈相串联。

8.权利要求3的天线系统，其特征在于，其中所述辅助电感与开关元件相串联，该串行连接与所述第二电容并联。

9.权利要求1的天线系统，其特征在于，其中所述开关系统包括：

至少第一对相反极性并联的二极管，被耦合到所述RF信号发射机的输出端；以及

至少第二对相反极性并联的二极管，被耦合穿过所述RF信号接收机的输入端。

10.权利要求1的天线系统，其特征在于，还包括被耦合到所述RF信号发射机输出端的一个电阻。

11.权利要求1的天线系统，其特征在于，其中：

所述第二电路包括：

可变电容元件，被耦合来用于天线电路的频率调谐；

第二电容；以及

所述第二电容和所述可变电容元件被耦合到所述第二电感线圈；以及

所述开关系统包括第二开关元件，在所述第一开关位置时，被耦合来选择地短路掉至少所述可变电容元件和所述RF接收机输入端，以及用于在电气上从所述第二电路中去除至少所述可变电容元件和所述RF接收机输入端，以及所述第二开关元件，在所述第二开关位置时，是电开路的，并且几乎没有电的影响。

12.权利要求11的天线电路，其特征在于，其中所述可变电容元件包括一个变容管。

13.权利要求11的天线系统，其特征在于，其中所述第一电路包括被连接到所述第一电感线圈的电容元件。

14.在包括有射频(RF)信号发射机和射频(RF)信号接收机的核磁共振设备或磁共振图象设备中操作天线系统的方法，该方法包括：

提供至少第一和第二电磁耦合的电路；

所述第一电路包括产生第一电磁场通量矢量的第一电感线圈；

所述第二电路包括产生第二电磁场通量矢量的第二电感线圈；

使得所述第一和第二电感线圈被电磁耦合，这样第一电磁场通量矢量具有一个与第二电磁场通量矢量的分量相互作用的分量；以及

把所述第一电路和所述第二电路与开关系统切换，这样：

当所述开关系统处在第一开关位置时，所述第一电路被耦合到所述RF信号发射机的输出端，和来自所述第二电路的损害的信号电平被阻止馈送到所述RF信号接收机的输入端，以及

当所述开关系统处在第二开关位置时，来自所述第二电路的信号被馈送到所述RF信号接收机的输入端，以及所述第一电路从所述RF信号发射机的输出端被去耦合；

以及其中：

当所述开关系统处在第一开关位置时，所述天线系统产生电磁场通量包围在其中的检查目标，该电磁场通量被用来照射检查目标；以及

当所述开关系统处在第二开关位置时，由检查目标的松驰的合发射的信号所产生的电磁场通量被所述电磁耦合的电感线圈拾取，并通过所述第二电路被馈送到所述RF接收机。

15.权利要求14的方法，其特征在于，其中：

所述天线系统的频率响应和电磁场通量在第一和第二开关位置时被独立地和分开地设定。

16.权利要求14的方法，其特征在于，其中天线系统以正交于设备的静磁场的任何角度被放置。

17.权利要求14的方法，其特征在于，包括：当所述开关系统处在所述第一开关位置时，保持所述天线系统调谐到物体的拉摩(Larmor)频率上。

18.权利要求14的方法，其特征在于，包括：当所述开关系统处在所述第一开关位置时，使所述第二电路从物体的拉摩(Larmor)频率上失谐。

19.权利要求14的方法，其特征在于，其中当所述开关系统处在所述第二开关位置时，所述天线系统被调谐到物体的拉摩(Larmor)频率上。

20.在包括有射频(RF)信号发射机和射频(RF)信号接收机的核磁共振设备或磁共振图象设备中使用的天线系统，该天线系统包括：第一电路和第二电路的至少一个电路，

第一电路，包括电感线圈，用于产生电磁场通量矢量；至少一个与所述电感线圈连接的第一电容，以及其中至少所述第一电容至少在发射期间被用于天线系统的频率调谐；

第二电路，包括第二电容，所述第二电容包括可变电容元件，被耦合到所述电感线圈，用于至少在接收期间进行频率调谐；

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