CN108663641B - 用于磁共振设备的射频线圈 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于磁共振设备的射频线圈，包括天线单元和连接上述天线单元的导体端环单元及电容。其中，单个天线单元在平行于静磁场B₀方向(z轴正方向)的平面内是弯曲的，且所有天线单元在xy平面内的截面彼此按一角度间隔呈放射状阵列对称分布，相邻的天线单元在其两端由端环单元和电容连接，线圈整体呈开放穹顶形表面结构且与被扫描对象表面充分共形，不仅可使用一个馈电端口构成线性线圈，也可使用两个馈电端口实现正交线圈。本发明所涉及线圈在应用于具有穹顶形表面的被扫描对象时，能充分贴近被扫描对象激发较均匀的射频磁场，正交模式下还具有很高的灵敏度，用其所得的磁共振图像信噪比比传统鸟笼的高。

Description

用于磁共振设备的射频线圈

技术领域

本发明涉及一种用于磁共振成像(MRI)设备的射频线圈，特别涉及应用于人、猴和大小鼠脑部的射频线圈。

背景技术

磁共振是如下一种物理现象，一些原子核具有核磁矩μ，若外加静磁场B₀，核磁矩μ会绕B₀方向按与B₀大小相关的拉莫频率f_λ做进动，且有能级分裂。若再外加垂直于B₀方向且频率同为f_λ的射频磁场B₁，原子核可吸收射频电磁能，从低能级被激发到高能级。高能级会自发再次跃迁回稳定的低能级，对外辐射相同频率f_λ的电磁波。磁共振射频线圈(以下简称线圈)是在磁共振现象中发射、接收这些电磁波的天线。

磁共振成像是利用磁共振现象来获取物体内部断层图像的技术。当B₀附加一个梯度场，导致拉莫频率在空间有所区别，于是可通过选择频率来选择相应的层面。线圈发射包含激发所选层面所需共振频率的电磁波，随后线圈接收由相应层面辐射出的信号，这种信号再经过计算机进行空间傅立叶变换，就能构造所选层面的图像。

磁共振成像中图像信噪比和线圈所激发射频场的均匀性是两个非常重要的质量指标，都与线圈有直接关系。线圈可分为体线圈和表面线圈(也称局部线圈)。体线圈包含空间区域较大，多用于发射线圈，能激发相对均匀的射频磁场，但作为接收线圈时，噪声信号相对也多。表面线圈，直接放在被扫描对象局部表面，激发的射频磁场均匀性不如体线圈，但因为贴近关注的扫描区域，接收信号较强，线圈较小，噪声相对小，所以信噪比相对于体线圈高。

传统的用于脑部磁共振成像的射频线圈是鸟笼线圈，为一种体线圈，其相对封闭的空间不便对被扫描对象进行其它操作，如麻醉或手术等；在高场磁磁共振成像中，拉莫频率f_λ相对低场的高，对应波长短，大尺寸的鸟笼线圈由于驻波效应会影响射频场的均匀性，线圈两端信号相对中心弱；而且在鸟笼线圈两端，线圈不能充分贴近一些有弯曲表面的非圆柱体被扫描对象，例如人、猴子、大小鼠的头部等，此外，除了脑之外的其他组织结构如口腔、下颚等也占据了线圈空间，导致线圈填充率不高引入噪声多，导致图像信噪比相对表面线圈低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是,设计一种应用于磁共振中的射频表面线圈,使其可以充分贴近被扫描的人、非人灵长类动物或大小鼠的脑部或者类似具有弯曲表面的被扫描对象，并获得较高的射频场均匀性和磁共振图像信噪比。

该技术问题可以通过本发明的以下技术方案解决。

1、一种用于磁共振设备的射频线圈，所述射频线圈包括：

i.2n条弯曲的天线单元，n为1以上的整数；

ii.连接于上述天线单元两端的导体端环单元；

iii.连接相邻端环单元的电容，

其中，上述2n条天线单元中的单条天线单元在与静磁场B₀方向平行的平面内呈相同或相似的弯曲弧形，当沿着静磁场B₀方向观看时，2n条天线单元呈放射状分布，相邻天线单元彼此成一角度间隔，且所有天线单元整体形成对称阵列，

所述射频线圈的整体轮廓由弯曲的天线单元限定，呈一穹顶形曲面，其底部一侧是开放的，该开放的一侧由位于天线单元两端的端环单元和电容交替串联连接而成。

2、根据上述1的射频线圈，其中所述天线单元弯曲的形状为圆弧形或椭圆弧形。

3、根据上述1或2的射频线圈，其中所述天线单元弯曲的形状是与被扫描对象的外表面轮廓共形的。

4、根据上述1至3中任一项的射频线圈，其中n＝1时，相邻天线单元之间的角度间隔小于180度。

5、根据上述1至4中任一项的射频线圈，其中在与静磁场B₀方向垂直的同一平面内，所有天线单元的截面的宽度是相同的，上述宽度与相邻天线单元间距保持恒定的比例；沿着静磁场B₀方向在与静磁场B₀方向垂直的不同平面内，上述宽度是渐变的，但宽度与相邻天线单元间距仍保持恒定的比例。

6、根据上述1至5中任一项的射频线圈，其中当n大于等于2时，所有端环单元和最外侧的两条天线单元设置在同一平面内，构成一个平面环，使得线圈开口侧的环路是平的。

7、根据上述1至6中任一项的射频线圈，其中由2个相同的射频线圈作为子线圈，用电容并联，两个子线圈的夹角是90度或者接近90度，整个线圈是对称的，线圈是正交馈电的，两个馈电端口分别位于各子线圈端环中心的电容两端。

8、根据上述7的射频线圈，其中位于中间连接两个子线圈的电容设为可调电容，用于平衡解耦。

9、根据上述7或8的射频线圈，还包括一个平衡解耦电路，所述平衡解耦电路是在线圈的一端用导线连接一个可调电容和线圈最外侧的两条天线单元，构成一个环形回路。

10、根据上述1至9中任一项的射频线圈，其用于高场磁共振设备。

本发明的射频线圈是一种开放的表面线圈，这种线圈的天线单元(腿)与鸟笼线圈的不同，不是直的而是弯曲的，且按一定角度呈放射状对称分布，线圈整体呈穹顶形，与被扫描对象表面共形，在线圈两端也能充分贴近被扫描对象体。本发明可以在上述结构上实施正交的激励模式，从而产生较均匀的圆形极化射频磁场。当应用于同样的被扫描对象体，本发明的线圈尺寸比鸟笼小(尤其正交模式下单个子线圈更小)，线圈灵敏度更高、所得图像信噪比也更高且均匀性也好。

附图说明

图1是本发明的最简共形线圈示意图。

图2为一个适合大、小鼠脑部的正交共形线圈的B₀方向视图。

图3为图2所示线圈的左视图。

图4为图2所示线圈应用于0.4％NaCl溶液模型的磁共振图像。

图5为图2所示线圈应用于小鼠脑部的磁共振图像。

图6为一个适用于人或者猴子脑部的线性共形线圈示意图。

图7为一个适用于人或者猴子脑部的正交共形线圈示意图。

图8为一个包含12条非等宽天线单元的共形线圈结构示意图。

图9为图8所示线圈应用于猴子脑部的横断面磁共振图像。

图10为图8所示线圈应用于猴子脑部的矢状面磁共振图像。

具体实施方式

本发明提出了一种可正交激励的共形线圈，其电路演变自鸟笼线圈电路的一部分，但天线单元是弯曲的，线圈一端开放。线圈整体形状根据被扫描对象体的外轮廓拓扑变形为穹顶形，其中线圈的天线单元呈弯曲状，使得线圈充分贴近被扫描对象，该线圈不仅可实施线性激励获得均匀模式的线性极化的射频场，也可实施正交激励模式并进行平衡解耦，从而获得更均匀、更强的圆形极化射频场，从而提高射频场的均匀性和图像的信噪比。

图1所示为本发明的最简共形线圈。该最简共形线圈由两条弯曲的天线单元1、连接的天线单元的导体端环单元2、电容C和可调电容C_T构成。电容C的电容大小由磁共振的共振频率和线圈的电磁特征模确定，可调电容C_T的作用是在应用时方便调节线圈的共振频率到磁共振频率，其电容大小约等于电容C。天线单元1可以为导线、微带等天线单元，具有同样的圆弧形，其形状可按照被扫描对象外表面轮廓预先进行设计的。两弧形天线单元各自所在的平面都平行于B₀方向(图中z轴正方向，即从电容C到C_T方向)，且所述两平面张开一定角度(除180度)，当沿着静磁场B₀方向观看时，两天线单元彼此间有一定角度间隔且呈辐射状对称分布。最简共形磁共振线圈的馈电端口可设置在可调电容C_T或者电容C两端，该线圈是线性激励模式，其射频磁场B₁为线性极化的。在最简共形线圈的两侧，可以按一定角度继续拓展更多的弯曲天线单元，并由端环单元和电容连接起来，构成对称的多环线圈。天线单元的数量为2的倍数，天线单元数量越大，覆盖的区域越大或天线单元分布越密集，但是过多的天线单元会导致制造工艺复杂和成本上升，因此，一般将天线单元的数量控制在100以下，优选50以下，更优选20以下。射频线圈的整体形状是由天线单元的弯曲形状决定的，根据被扫描对象的外轮廓形状共形地设计为穹顶形。其电路类似鸟笼线圈电路的一部分，但线圈不构成封闭的体线圈，而是开放的表面线圈。这样的结构灵敏度比单环的高，也比鸟笼紧凑，相对噪声小，并且仍存在类似鸟笼的均匀电磁场特征模，可以为磁共振利用，有利于磁共振成像。

本发明的线圈可在线圈一端中心的电容两端馈电施加线性激励，激发线性极化的射频场；然而线性极化的射频场不能被磁共振充分利用，线性极化的场可分解为两个旋向的圆形极化射频场，只有一个旋向的圆形极化场能有效参与磁共振作用，另一个旋向的相当于增加了损耗，达到同样强度的信号，线性极化场需要更大的激发功率，且线性极化场的均匀性比正交极化的差。本发明的线圈不仅能产生线性极化场，还能通过正交馈电的方式获得更强的有效旋向圆形极化射频场，进一步提高线圈的效率。若线圈天线单元大于等于四条，线圈可等效视为左右两个相同的独立的子线圈组合而成，从平行于z轴的方向看，两等效子线圈按接近90度优选的角度用电容并联，即可构成一正交的表面线圈。其电容是由等效子线圈的可利用电磁特征模对应的频率为磁共振频率确定的。实际应用中，两等效子线圈间用可调电容连接最中间或最外侧的两天线单元，构成平衡解耦电路，可以调节因负载不同和各种误差造成的不平衡和两通道间的偶合。正交馈电端口可设置在各等效子线圈同一端中心的电容两端。两等效子线圈之间是解耦的，因此等效电尺寸比整体线圈小，更比鸟笼小。综上因素本发明的线圈所成图像的信噪比和射频均匀性都可以得到提高。

图2所示是一个可以应用于大鼠或小鼠脑的正交共形线圈的具体实施例，示意图为B₀方向(图中z轴正方向)视图。图3是图2所示线圈的左视图。该具体实施例的线圈有8条天线单元1，10个电容C，可调电容C_T1、C_T2用于调谐，可调电容C_D1、C_D2、C_D3用于平衡解耦。天线单元与C、C_D1、C_D2、C_T1、C_T2间由导体端环单元2连接。C_D3和最外侧的两条天线单元由导线3连接。从结构的角度看，所有天线单元弯曲的弧度(图3所示)是依据大鼠或者小鼠的头部外轮廓面共形制定的，具有一样的形状，并按一定角度间隔(图2所示)呈放射状对称阵列分布。其中由端环单元2及电容C、C_D1、C_D2、C_T1、C_T2连接成的两个端环为半径不相等的半圆弧形，半径较小的端环朝大鼠或小鼠嘴的方向，半径较大的端环朝身体躯干方向。这样的共形结构使得线圈与大、小鼠头部外轮廓充分贴合。连接C_D3的导线3也做成弯曲的，以免遮挡被扫描的对象。从电路的角度看，若不计解耦环路的导线3和平衡解偶电容C_D3，图2的线圈可由图1所示线圈拓展而成。线圈电路与16条腿鸟笼的一半相似，存在可利用的均匀电磁场特征模。该线圈是正交线圈，在C_T1、C_T2上施加馈电，能够形成正交激励，线圈等效为左右两个4条天线单元的共形线圈按90度夹角连接而成。调整导线3长短与走向或者调整电容C_D1、C_D2、C_D3的大小都能使两个正交通道充分平衡解耦，使得圆形极化最大化。图4是该线圈应用于0.4％NaCl溶液模型磁共振成像，层厚1毫米，层内分辨率为80微米，可见均匀性能够满足磁共振成像的需求。图5是该线圈应用于小鼠脑的9.4T磁共振成像，层厚只有0.5毫米，层内分辨率为80微米，已经能分辨出部分血管，图像信噪比比传统鸟笼的高。

图6是一个适用于人或者猴子脑部的线性共形线圈示意图。该线圈由8条弯曲的天线单元1，和连接天线单元两端的12个端环单元2和13个电容C、1个可调电容C_T1构成。最外侧的两条天线单元、所有端环单元2和电容C及调谐电容C_T1在同一平面内构成一个环，所有天线单元按辐射状间隔对称地阵列分布，所张的曲面与人或者猴子的脑部共形。激励端口与图1所示的最简共形线圈相似，设于线圈中间的调谐电容C_T两端，该线圈是一种线性线圈。由于相对图1中的最简共形线圈有更多的天线单元1和电容C，射频磁场在线圈所包含的空间内均匀性更好，灵敏度也更高。

图7是一个适用于人或者猴子脑部的正交共形线圈示意图。天线单元与端环单元与图6所示线圈一样，共8条弧形天线单元1，12个端环单元2。主要区别在于电路，电路与图2的正交线圈类似，有10个电容C、2个可调电容C_T1和C_T2、3个平衡解耦电容C_D1、C_D2和C_D3，及连接C_D3和天线单元的导线3。C、C_T1和C_T2的大小是由线圈可利用的电磁特征模和磁共振频率决定的。C_D1、C_D2和C_D3均可在实际使用时根据测试的平衡解耦程度进行微调。线圈可等效视为左右两个有4条天线单元相同子线圈连接而成，各自在其中心位置的可调电容C_T两端馈电。优选的天线单元1之间的角度可使线圈激发尽可能强和均匀的圆形极化射频磁场B₁。与脑部共形的结构和正交激励的实施提高了线圈的灵敏度。

图8是一个包含12条非等宽天线单元的共形线圈结构图，适用于猴脑或者人脑，图中头部模型为猴的头部。天线单元之间由端环单元2和电容C、C_T1、C_T2、C_D1连接两端。其中，C_T1、C_T2分别位于左右两个子线圈各自的中间，C_D1位于整个线圈的中间。天线单元1由金属铜箔制成，彼此间隔一定角度分布。每条天线单元为弯曲的弧形金属箔，其弧度是与待扫描的脑部外轮廓共形的。两条最外侧的天线单元和两端的半端环设于同一平面内构成一个平面环。每条天线单元的宽度在两端最窄，往中间逐渐加宽，在中间达到最宽，但其宽度与相邻的天线单元的间距之比保持一致。天线单元的宽度是与线圈的灵敏度相关的，一般宽的灵敏度高，但寄生电容也会随之升高，不能太宽。宽度还会影响线圈等效电感，宽的天线单元电感小利于减少线圈的损耗。宽的天线单元在线圈边缘的射频磁场也相对均匀。所以一般尽可能的保持较宽的天线单元是有益与成像的。保持天线单元宽度与相邻的天线单元间距的固定比例能保持线圈在各xy平面成像具有一致的均匀性。因此在该线圈两端天线单元较窄，间距也窄，在线圈中间天线单元较宽，间距也宽。该具体实施例为正交线圈，端口分别设于图中电容C_T1、C_T2的两端，左右两个等效的子线圈相对于待扫描的脑形成90度的夹角。C_D1为可调解耦电容，其余电容为C。该具体实施例比可用于同一活体脑扫描的鸟笼线圈要小，其开放的一侧也便于进行其它操作。其均匀射频场区域完全能够覆盖期待扫描的脑区，填充率高，没有过多冗余，图像信噪比要比鸟笼高。将该具体实施例应用于高场9.4T猴脑成像如图9、10所示，分别为横断面及矢状面图像，层厚为1mm，可获得0.15毫米以下的层内分辨率。

Claims (10)

1.一种用于磁共振设备的射频线圈，所述射频线圈包括：

i.2n条弯曲的天线单元，n为1以上的整数；

ii.连接于上述天线单元两端的导体端环单元；

iii.连接相邻端环单元的电容，

其中，上述2n条天线单元中的单条天线单元在与静磁场B₀方向平行的平面内呈相同或相似的弯曲弧形，当沿着静磁场B₀方向观看时，2n条天线单元呈放射状分布，彼此不相交且相邻天线单元彼此成一角度间隔，所有天线单元整体形成对称阵列，

所述射频线圈的整体轮廓由弯曲的天线单元限定，呈一穹顶形曲面，其底部一侧是开放的，该开放的一侧由位于天线单元两端的端环单元和电容交替串联连接而成，其中位于天线单元两端的交替串联连接的端环单元和电容与最外侧的两条天线单元形成一个电路回路。

2.根据权利要求1所述的射频线圈，其中所述天线单元弯曲的形状为圆弧形或椭圆弧形。

3.根据权利要求1所述的射频线圈，其中所述天线单元弯曲的形状是与被扫描对象的外表面轮廓共形的。

4.根据权利要求1所述的射频线圈，其中n＝1时，相邻天线单元之间的角度间隔小于180度。

5.根据权利要求1所述的射频线圈，其中在与静磁场B₀方向垂直的同一平面内，所有天线单元的截面的宽度是相同的，上述宽度与相邻天线单元间距保持恒定的比例；沿着静磁场B₀方向在与静磁场B₀方向垂直的不同平面内，上述宽度是渐变的，但宽度与相邻天线单元间距仍保持恒定的比例。

6.根据权利要求1所述的射频线圈，其中当n大于等于2时，所有端环单元和最外侧的两条天线单元设置在同一平面内，构成一个平面环，使得线圈开口侧的环路是平的。

7.根据权利要求1所述的射频线圈，其中由2个相同的射频线圈作为子线圈，用电容并联，两个子线圈的夹角是90度或者接近90度，整个线圈是对称的，线圈是正交馈电的，两个馈电端口分别位于各子线圈端环中心的电容两端。

8.根据权利要求7所述的射频线圈，其中位于中间连接两个子线圈的电容设为可调电容，用于平衡解耦。

9.根据权利要求7所述的射频线圈，还包括一个平衡解耦电路，所述平衡解耦电路是在线圈的一端用导线连接一个可调电容和线圈最外侧的两条天线单元，构成一个环形回路。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的射频线圈，其用于高场磁共振设备。

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