CN110018430B - 用于磁共振系统的颈动脉线圈 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于磁共振系统的颈动脉线圈，包括与底座相连的左侧信号收集装置和右侧信号收集装置，并且进一步包括围绕颈部顺序排列的接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3，以及一个叠加于其上、位于颈部和下颚之间的接收单元CH4；所述磁共振系统输入控制序列信号BIAS给所述各接收单元；所述各接收单元根据所述控制序列信号BIAS输出磁共振信号到所述磁共振系统。本发明的左右信号收集装置从左右两侧包裹在患者颈部，避免了成像过程中线圈压迫喉部造成窒息感，以颈动脉分叉为成像中心，信号采集能力强，成像质量好。在Bias回路中采用2个二极管，避免了电容充放电瞬态效应的影响，开关时间短。

Description

用于磁共振系统的颈动脉线圈

技术领域

本发明涉及一种用于磁共振系统的颈动脉线圈。

背景技术

磁共振系统是一种大型医疗诊断设备，在现代医院中得到广泛应用。磁共振血管成像(MR angiography，MRA)是一种无创伤性，不需要用插管及对比造影剂的血管成像方法。MRA血管成像数据采集的技术目前主要有两种：①时间飞越技术(time of flight，TOF)其成像原理是利用MR特殊的“流动效应”。MRA成像的GE序列(梯度回波序列，也常用GRE作为缩写)中，通过间歇提供的RF脉冲的作用，射频发射线圈使作用层面中的静止组织质子处于饱和状态，纵向磁化消失。而流入血液出现时，其质子处于非饱和状态，纵向磁化程度高。这样，已饱和的静止组织与未饱和的流入血液之间形成明显的差别，这种现象称为流动相关增强现象，TOF就是基于这种现象进行MRA成像。②相位对比技术(phase contrast，PC)其原理是在外加梯度磁场的作用下，静态质子不产生相位变化.而流动质子则产生相位变化，流动质子与静态质子间存在相位差别，利用这种相位差别成像，称为相位对比技术。

在中国每年新发脑卒患者大约250万人，并且每年约150万人因脑卒致死。在各大致死疾病中排名第一。在脑卒疾病中，颈动脉粥样硬化又是占比最高的。近年来颈动脉磁共振血管成像越来越多的应用在临床诊断中。因为颈部血管血流量大，无呼吸等移动伪影的干扰，图像质量好，并可获得颈动脉起始部至虹吸段的造影图。立体旋转图像多角度观察可消除血管相互重叠的影响，使病灶显示更加清楚。MRA还可用特殊的预饱和方法除去颈动脉的影响而仅显示颈静脉，从而可以了解肿瘤侵犯、压迫静脉的情况。

由于血流动力学的原因，颈动脉斑块主要发生在分叉上下10mm范围内。而颈动脉分叉位置正好位于人体下颚的下方，这就给颈动脉磁共振血管成像过程中的定位带来不便。早期的颈动脉磁共振血管成像采用颈部线圈成像，由于颈部线圈并非专用颈动脉磁共振血管成像线圈，因此在颈动脉部位无法获得足够的分辨率，影响诊断的准确性。

现在市场上使用的大部分颈动脉磁共振血管成像线圈采用带状的线圈缠绕在颈部，虽然成像效果得到了较大的提升，但是这种方式的线圈成像中心是颈总动脉区域，难以通过成像对靠近皮肤表面的颈动脉分叉点附近的血管进行诊断。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于磁共振系统的颈动脉线圈，并且线圈成像的中心区域能够与临床关心的颈动脉分叉点完美重合，具有较好的均匀性以及较高分辨率；并且既可以工作于TOF时间飞越技术血管成像模式，又可以工作于PC相位对比技术血管成像模式。

本发明的技术方案如下：

一种用于磁共振系统的颈动脉线圈，包括与底座相连的左侧信号收集装置和右侧信号收集装置，所述左侧信号收集装置和右侧信号收集装置中分别包括围绕颈部顺序排列的接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3，以及一个叠加在所述接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3之上、位于颈部和下颚之间的接收单元CH4；所述磁共振系统输入控制序列信号BIAS给所述接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3、接收单元CH4；所述接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3、接收单元CH4根据所述控制序列信号BIAS输出磁共振信号到所述磁共振系统。

在本发明的实施例中，所述接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3、接收单元CH4都分别包括：单元导体COIL；前置放大器AMP1；包括并联连接的电容器C2和电感器L1的调频子回路，所述调频子回路串接在所述单元导体COIL之中；与所述调频子回路和单元导体COIL相并联的电容器C1；所述电容器C1的两端输出射频信号到前置放大器AMP1的输入端，所述前置放大器AMP1的输出端输出磁共振信号。

在所述接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3、接收单元CH4中都可以进一步还包括：同向串联的二极管D2和二极管D3；所述二极管D2的正极连接所述前置放大器AMP1的正输入端，所述二极管D3的负极连接所述前置放大器AMP1的负输入端；

还包括二极管D1，所述二极管D1与所述二极管D2反向并联，连接在所述调频子回路中：所述电感器L1的一端连接所述二极管D1的正极和二极管D2负极；所述电容器C2的同一端连接所述二极管D1的负极和二极管D2的正极。

当所述控制序列信号BIAS为正时，所述二极管D2和二极管D3导通；当所述控制序列信号BIAS为负时，所述二极管D3截止；当所述二极管D3截止时，所述接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3、接收单元CH4输出磁共振信号到所述磁共振系统。

所述二极管D2和二极管D3由截止转换为导通所需要的时间不大于5微秒。

在本发明的一个实施例中，所述接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3、接收单元CH4的电路分布在曲面上，并且所述单元导体COIL采用柔性电路板或者铜带制作。

进一步的，所述接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3、接收单元CH4中的任一个连接所述控制序列信号BIAS的导线，平行分布于该接收单元的所述单元导体COIL的导体一侧，并且与该所述单元导体COIL的导体交叉后又继续分布在另一侧。

在本发明的一个实施例中，所述接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3、接收单元CH4的任一个中连接所述控制序列信号BIAS的导线，与该接收单元的所述单元导体COIL的导体的距离小于1毫米。

在本发明的一个实施例中，所述二极管D2和二极管D3串联于其所在接收单元的所述单元导体COIL的导体中。

本发明的左右信号收集装置从左右两侧包裹在患者颈部，避免了成像过程中线圈压迫喉部造成窒息感，以颈动脉分叉为成像中心，信号采集能力强，成像质量好。本发明在BIAS回路中采用2个二极管元件，避免了电容充放电瞬态效应的影响，开关时间短。本发明在为直流回路采用平行交叉走线，并且距离尽量靠近接收单元的导体，最大限度的降低了直流信号回路的面积，从而避免了直流信号产生的电磁场对磁共振成像的干扰，能很好第适应PC血管成像序列的要求。

附图说明

图1是颈动脉及颈动脉分叉点位置示意图。

图2是本发明的颈动脉线圈装置的结构示意图。

图3是本发明的颈动脉线圈装置的导体的形状结构示意图。

图4是本发明的颈动脉线圈装置在工作状态贴合于人体的位置示意图。

图5是磁共振系统的工作序列示意图。

图6是磁共振中TOF血管成像法的原理图。

图7是本发明的一个接收单元的电路原理图。

图8是本发明的一侧信号接收装置的电路布线示意图。

图9是本发明的一侧子线圈信号引出部分的布线示意图。

图10是本发明的一侧子线圈的引出部分的布线电磁感应示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式和实施例加以详细说明，所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并非用于限定本发明的具体实施方式。

本发明的一种用于磁共振系统的颈动脉线圈，包括与底座相连的左侧信号收集装置和右侧信号收集装置，所述左侧信号收集装置和右侧信号收集装置中分别包括围绕颈部顺序排列的接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3，以及一个叠加在所述接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3之上、位于颈部和下颚之间的接收单元CH4；所述磁共振系统输入控制序列信号BIAS给所述接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3、接收单元CH4；所述接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3、接收单元CH4根据所述控制序列信号BIAS输出磁共振信号到所述磁共振系统。

如图1所示是人体颈动脉及颈动脉分叉点位置示意图。本发明的颈动脉线圈就是要以颈动脉分叉点位置为中心扫描成像。

如图2所示是本发明的用于核磁共振成像系统的颈动脉线圈装置的结构立体图，线圈部分分为左右对称且相互独立的信号收集装置，还包括底座，左右两侧的信号收集装置连接在底座上。在工作状态下，底座固定在病床上，患者躺在病床上，头部枕于底座上，可以有效地对患者定位并提高患者舒适度。

如图3所示是本发明的颈动脉线圈装置的左侧信号收集装置和右侧信号收集装置中导体的形状结构示意图。每侧信号收集装置包含4个接收单元的单元导体，两侧信号收集装置组成一个8接收单元的线圈；其中3个环形接收单元顺序排列围绕颈部，即分别对应于接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3；还包括另外一个环形接收单元导体叠加在前述3个环形接收单元的导体上面，这个就是覆盖在下颚和颈部结合部的接收单元CH4的单元导体。

各环形接收单元的导体采用柔性电路板制作。每两个相邻的接收单元之间都有部分重叠，在工作状态下重叠区域内的总磁通量为零，能够去除接收单元之间的互藕。如图3所示的第一接收单元21、第二接收单元22和第三接收单元23用于采集颈总动脉区域及分叉区域的磁共振信号，第四接收单元24用于采集分叉区域及颈内动脉和颈外动脉区域的磁共振信号。所有接收单元都能对分叉点进行有效采集，并且合成后的采集图像，分叉点处于图像中心。

本发明的左侧和右侧信号接收装置在接收单元中还包括各种电子元件，电子元件串接在接收单元的回路中。

如图4所示是本发明的颈动脉线圈装置在工作状态贴合于人体的位置示意图。本发明的颈动脉线圈与人体的接触部位具有曲面式设计，能够完美覆盖在下颚和颈部结合部，线圈中心与颈动脉分叉点重合。在磁共振扫描的过程中，如果患者身体不能保持静止就会在最终成像上有运动伪影，影响图像质量。在实践中我们发现如果患者的姿势不舒服，就很难保持不动，本发明的颈动脉线圈因为采用了和人体共形的曲面设计，因此病人在检查过程中需要保持的姿势比较舒适，其头部不必过多的后仰，使得患者有可能保持长时间不动，更好地配合医生的要求。

本发明的线圈装置从左右两侧包裹在用户颈部，避开了喉部位置，避免了成像过程中线圈压迫喉部造成窒息感。

本发明的线圈装置单侧4个接收单元完整的覆盖整个颈动脉分叉上下区域，具有较好的均匀性以及较高的信号采集能力，成像质量较佳。

人体磁共振成像系统在医学领域的应用能够探测到人体内水的分布信息，绘制出一幅较完整的人体内部组织的结构图像，这是因为水分子是磁共振极性分子。磁共振的频率满足拉莫尔关系：

ω0＝γB0，

即进动角频率ω0是磁场强度B0与磁旋比γ的积。γ是一个与元素有关的基本物理常数。磁共振成像技术通过在成像空间提供渐变的梯度磁场，使得在人体内磁场的分布就会随着空间位置的变化而变化，每一个位置都会有一个强度不同的磁场，这样，位于人体不同部位的氢原子就会对不同的射频场信号产生反应，通过记录这一反应，并加以计算处理，可以获得人体内部结构的图像。

如图5所示是磁共振系统的工作序列示意图，图中的横轴是时间，在有梯度信号的时候，射频脉冲激励射频发射线圈工作，激发处于静态磁场和梯度磁场下的样品进入磁共振状态，在射频脉冲之后，没有梯度信号的状态下，射频接收线圈接收样品的磁共振信号。

TOF血管成像法(时间飞越技术)需要使用非常短TR的梯度回波序列，即如图5中的射频脉冲时间非常短。由于TR短，静态组织没有充分弛豫就接受下一个脉冲激励，在脉冲的反复作用下，其纵向磁化矢量越来越小而达到饱和，信号被衰减。对于动脉中的血流，因为血流不断的在流动，只有血流进入成像区域内时才被激励而产生较强的信号。

这里TR就是指射频脉冲时间，一个常规的MR序列，为了获取最大的磁共振信号，需要让被扫描的组织充分被射频脉冲激发，因此每次TR时间相对都比较久，但是TOF序列并不是一次性将待扫描组织激发到最充分，而且通过每次激发一点，多次激发，最终获得充分激发。因此，每次的TOF需要的TR时间比常规序列短得多。但是整个序列需要的时间又要比常规序列长一些。梯度回波序列是TR时间相对比较短的序列，因此TOF方法使用GRE序列可以更快的完成整个扫描过程，其他序列也可以做TOF成像，但是时间就会很长。

由于TOF线圈的TR时间很短，因此需要磁共振系统中射频接收线圈和发射线圈在成像过程中快速切换工作状态。同样的，虽然TR时间短，但是由多个脉冲连续激励，因此，平均功率很高。所以我们失谐回路上选用的器件都要选用功率比常规线圈大一些的器件。大功率的器件体积也更大，线圈通道数比较多，线圈尺寸又比较小，需要优化设计线圈布线来容纳。

图6所示是磁共振中TOF血管成像法的原理示意图，在进行磁共振扫描的过程中，发射线圈和接收线圈交替工作，在进行TOF序列扫描的过程中，如图6所示脉冲1，即第一个脉冲，静态组织和血管内的血液都被射频信号激发了，等第二个脉冲过来，静态组织继续激发至2，血管内已经被激发的血液已经流出，进来的新的血液被激发至1，以此类推，经过多个脉冲后，静态组织和血液组织的信号就有非常大的差异，计算机可以通过这个差异显示出血管图像。通常是发射线圈工作几毫秒，接收线圈接收几毫秒，然后发射线圈再工作几毫秒，如此反复……。

如图7所示是本发明的一个接收单元的电路原理图。图中COIL为对应于该接收单元导体的电感，接收单元电感COIL与电容器C1和电容器C2串联构成回路。电感L1的一端与电容器C2的一端连接，电感L1的另一端与电容器C2的另一端之间并联两个正负极相连的二极管D1和D2，即二极管D1的正极和二极管D2的负极连接电感L1，并且二极管D1的负极和二极管D2的正极连接电容器C2。并且电感L1的这一端还与二极管D3的正极连接，二极管D3的负极接地。该接收单元产生的共振信号通过电容器C1引出到前置放大器AMP1输出。BIAS控制信号是来自于磁共振系统的控制信号，与发射线圈和接收线圈的工作序列有关。

C1的电容值能够匹配该接收单元与前置放大器AMP1的阻抗；其大小根据核磁共振的静态场强的不同而变化，如果是3.0T的MR系统，电容值大约在40～50PF，其充放电时间大概是几纳秒，和毫秒、微秒不是一个量级，对该接收单元的通断影响可以忽略。

当射频发射线圈工作时，Bias控制信号为正电压，如图7所示的接收线圈，当Bias是正电压的控制信号时，线圈中的D2,D3二极管被bias信号导通，等效为短路，这时候电容C2和电感L1并联谐振，线圈等效为在此处断开，避免了接收线圈对发射线圈工作的干扰，所以电容器C2和电感器L1的值也与磁共振系统的工作频率相关。如图7所示，当发射线圈工作时，该接收单元的电路在整个Bias回路中，只有2个二极管D2和D3，二极管D2和D3的开关时间为5微秒，当BIAS信号进来，二极管D2和D3接通，接收线圈单元断开，所以整个接收单元的电路开关时间足够快，不会影响TOF序列工作。

我们通过优化电容器C2的值，选择快速通断的二极管，使得颈动脉线圈的通断转换特别快，只有5毫秒。

如图8所示是本发明的一侧信号接收装置中的四个接收单元的部分布线示意图。对应于图3所述的接收单元21、22、23和24中对应的单元导体和器件的布线位置为621,622、623和624所示。图8中621所示D2、D1、C4、L2是对应于如图3所示的接收单元21中的如图7的二极管D1和D2、电容器C2和电感器L1。图8中622所示D4、D3、C11、L4是对应于如图3所示的接收单元22中的如图7的二极管D1和D2、电容器C2和电感器L1。图8中623所示D5、D6、C14、L5是对应于如图3所示的接收单元23中如图7的二极管D1和D2、电容器C2和电感器L1。图8中624所示D8、D7、C18、L8是对应于如图3所示的接收单元24中如图7的二极管D1和D2、电容器C2和电感器L1。

PC血管成像法(相位对比技术)用双极梯度对流编码，此时的梯度信号由两部分组成，这两部分梯度脉冲的幅度和间期相同，而方向相反。通过第一部分梯度信号，样品中的组织都获得正向相位。再通过第二部分梯度信号，样品中的组织又获得一个负向的相位，最终静止的组织中正相期获得的相位与负相期的相位抵消，静止的组织的磁共振信号为零；而流动组织(血液)由于一直在流动，因此正向相位和负向相位不能抵消为零，通过后期的计算将相位差转变成像素强度显示在影像上就获得我们需要的血管图像。

由于PC血管成像法对梯度信号的精准要求高，如果接收线圈中产生的信号对磁场的梯度值有干扰，就会导致应该抵消的区域没有抵消，不需要抵消的区域错误抵消。本发明的线圈对所有的直流信号通道进行特别设计，将直流信号回路的面积降到最小，从而避免直流信号产生的电磁场干扰梯度场。

如图9是本发明的本发明的一侧信号收集装置中信号引出部分的布线示意图。图9中直流信号去回两条线采用平行和交叉走线，并且距离尽量靠近，这样可以最大限度的降低直流信号形成的回路面积。

来自于系统的BIAS信号是直流信号，如图9所示，在一个接收单元的Bias走线，从图中区域1导入该接收单元；其中空心线是正向驱动信号，反向回来的信号通过该接收单元导体的铜条，如此简化设计，减少了大量的布线。从图中我们可以看到，空心线和铜条的距离很近，两条线之间的距离不到1mm，而且空心线一直和铜条保持相对平行，这样驱动回路的面积可以做到最小。

另外，从图9中我们可以看到，空心线和铜条是交替走线，这样两条线形成的电磁场方向也是交替的，这样的目的是可以进一步降低驱动回路产生的电磁场。因为直流通道的走线相互交替，构成的感应磁场为，在区域1磁场方向向外，区域2磁场方向向内，区域3磁场方向向外。

如图10所示是直流信号布线的电磁感应原理的示意图。图中的直线代表两条具有相反方向直流电的导线，圆点代表直流电流产生的方向向内的感应磁场，X号代表直流电流产生的方向向外的电磁场，每个接收单元中的直流信号线相互交叉后，第二区域，电磁场变成了向内，我们再次交叉去回信号线，在第三区域，电磁场又变成了向外。这样交替的变化，从宏观看，电磁场可以被大部分抵消掉，从微观看，相邻处电磁场会由于正反变化变得很小，只有局部很小的区域有一些电磁场。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于磁共振系统的颈动脉线圈，包括与底座相连的左侧信号收集装置和右侧信号收集装置，其特征在于，所述左侧信号收集装置和右侧信号收集装置都包括围绕颈部顺序排列的接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3，以及一个叠加在所述接收单元CH1、接收单元CH2和接收单元CH3之上、且位于颈部和下颚之间的接收单元CH4；所述磁共振系统输入控制序列信号BIAS给所述接收单元CH1、接收单元CH2、接收单元CH3和接收单元CH4；所述接收单元CH1、接收单元CH2、接收单元CH3和接收单元CH4根据所述控制序列信号BIAS输出磁共振信号到所述磁共振系统；

所述接收单元CH1、接收单元CH2、接收单元CH3和接收单元CH4每一个都包括：单元导体COIL、前置放大器AMP1、以及包括并联连接的电容器C2和电感器L1的调频子回路，所述调频子回路串接在所述单元导体COIL之中；还包括与所述调频子回路和单元导体COIL相并联的电容器C1；所述电容器C1的两端输出射频信号到前置放大器AMP1的输入端，所述前置放大器AMP1的输出端输出磁共振信号；

所述接收单元CH1、接收单元CH2、接收单元CH3和接收单元CH4每一个都包括传输所述控制序列信号BIAS的导线，该导线平行分布于该接收单元的所述单元导体COIL的导体一侧，并且与该所述单元导体COIL的导体交叉后又继续分布在另一侧；所述接收单元CH1、接收单元CH2、接收单元CH3和接收单元CH4每一个中所述传输所述控制序列信号BIAS的导线，与该接收单元的所述单元导体COIL的导体的距离小于1毫米。

2.如权利要求1所述的颈动脉线圈，其特征在于，所述接收单元CH1、接收单元CH2、接收单元CH3和接收单元CH4每一个都还包括：同向串联的二极管D2和二极管D3；所述二极管D2的正极连接所述前置放大器AMP1的正输入端，所述二极管D3的负极连接所述前置放大器AMP1的负输入端；以及，

还包括二极管D1，所述二极管D1与所述二极管D2反向并联，连接在所述调频子回路中：所述电感器L1的一端连接所述二极管D1的正极和二极管D2负极；所述电容器C2的同一端连接所述二极管D1的负极和二极管D2的正极；当所述控制序列信号BIAS为正时，所述二极管D2和二极管D3导通；当所述控制序列信号BIAS为负时，所述二极管D3截止；当所述二极管D3截止时，所述接收单元CH1、接收单元CH2、接收单元CH3和接收单元CH4输出磁共振信号到所述磁共振系统。

3.如权利要求1所述的颈动脉线圈，其特征在于，所述接收单元CH1、接收单元CH2、接收单元CH3和接收单元CH4每一个的电路分布在曲面上，并且所述单元导体COIL采用柔性电路板或者铜带制作。

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