CN102369452B - 耦合天线阵列中的噪声匹配 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于优化***中的信噪比的方法，所述***包括用于接收RF信号的两个或更多个接收天线(11、12、13)的阵列，每个接收天线(11、12、13)经由匹配网络(19、20、21)连接到具有输入阻抗的低噪声放大器(22、23、24)，包含接收天线(11、12、13)、匹配网络(19、20、21)和低噪声放大器(22、23、24)的每个链路构成所述***的接收通道的一部分。本发明的目的是实现噪声匹配，从而特别在存在噪声耦合的情况下获得最大的SNR。本发明提出了包括以下步骤的方法：a)将给每个接收通道中的匹配网络提供的输入阻抗设置为与在***的常规操作期间的输入阻抗值不同的值；b)经由所述接收天线(11、12、13)接收RF信号；c)根据所接收的RF信号形成叠加的信号；d)修改所有接收通道的匹配网络(19、20、21)，以便基于所述叠加的信号找到最佳匹配条件；e)重新设置每个接收通道中的输入阻抗。

Description

耦合天线阵列中的噪声匹配

技术领域

本发明涉及一种用于优化包括用于接收RF信号的两个或更多个接收天线的阵列的***中的信噪比的方法，其中每个接收天线经由匹配网络连接到具有输入阻抗的低噪声放大器，包含接收天线、匹配网络和低噪声放大器的每个链路形成***的接收通道。此外，本发明涉及适于执行本发明的方法的***。

背景技术

下文在MR(磁共振)成像的情境下公开了本发明。然而，必须认识到，本发明可以按照相同的方式应用于其中天线阵列被用于灵敏地接收RF信号的其他领域中，例如，无线电通信技术、移动通信、雷达或射电天文学领域。

目前MR图像形成方法被广泛使用，其利用磁场与核自旋之间的相互作用以便形成二维或三维图像，其尤其被用于医学诊断领域中，因为对于软组织的成像而言，它们在许多方面优于其他成像方法，不需要电离辐射并且通常是非侵入的。

根据MR方法，一般而言，待检查的患者身体被布置在强的、均匀的磁场中，与此同时，磁场的方向限定测量所基于的坐标系的轴(一般为z轴)。磁场根据磁场强度针对个体核自旋产生不同的能量水平，所述磁场强度通过施加具有限定频率(所谓的拉莫尔(Larmor)频率，或者MR频率)的电磁交变场(RF场)而被激励(自旋共振)。

从宏观角度看，个体核自旋的分布产生整体磁化，能够通过施加具有适当频率的电磁脉冲(RF脉冲)使该整体磁化偏离平衡状态而磁场垂直于z轴延伸，使得磁化关于z轴执行进动运动。

在RF脉冲终止之后，磁化弛豫返回至初始平衡状态，其中z方向上的磁化以第一时间常数T₁(自旋点阵或纵向弛豫时间)再次构建，而在垂直于z方向的方向上的磁化以第二时间常数T₂(自旋-自旋或横向弛豫时间)弛豫。磁化的变化能够借助接收RF天线(线圈)来检测，所述接收RF天线(线圈)被布置和定向在MR装置的检查体积内，从而使得在垂直于z轴的方向上测量磁化的变化。

为了实现体内的空间分辨率，沿三个主轴延伸的线性磁场梯度叠加在均匀磁场上，得到自旋共振频率的线性空间相关性。在接收天线中拾取的信号包含不同频率的分量，其可能与体内的不同位置相关联。例如借助傅里叶变换将经由接收线圈获得的信号数据转换为MR图像。

在本领域中众所周知的是(例如参见US4947121)，通过使用用于接收MR信号的两个或更多个接收天线的阵列，能够同时采集多个数据集并且能够组合这些数据集以显著改善灵敏度，即信噪比(SNR)，和/或视场(FOV)。这样的阵列包括靠近定位的接收天线(例如表面线圈)，其接收来自相应MR设备检查体积内的公共感兴趣区域的MR信号。每个接收天线经由匹配网络连接到低噪声放大器。包含接收天线、匹配网络和低噪声放大器的每个链路构成MR设备的接收通道的一部分。每个接收通道可以包括其他部件，例如模数转换器、开关等等。在图像重建过程期间组合各通道的输出，每个均包括信号和噪声。组合的SNR信号受每个个体天线的性能、天线之间的噪声相关性以及低噪声放大器的噪声参数的影响。

在当前的MR***中，在相邻定位的个体接收线圈之间的噪声耦合已知具有限定阵列内天线的最大数量的限制效应，以获得适中的SNR。然而，现代的MR扫描器有时包括具有远远超过这一最大数量的多个接收天线的阵列。这是因为最近已经开发出并行采集技术。在这一范畴内的方法是SENSE(Pruessmann等人在MagneticResonanceinMedicine1999，42(5)，1952-1962页上的“SENSE：SensitivityEncodingforFastMRI”)和SMASH(Sodickson等人在MagneticResonanceinMedicine1997，38，591-603页上的“Simultaneousacquisitionofspatialharmonics(SMASH)：Fastimagingwithradiofrequencycoilarrays”)。SENSE和SMASH使用从并行的多个RF接收天线获得的欠采样的k空间数据采集。在这些方法中，利用复合加权对来自多个线圈的(复合)信号数据进行组合，从而抑制最终重建的MR图像中的欠采样伪影(混叠现象)。在SENSE或SMASH中，图像采集的加速随着所使用的接收天线的数量而增长。因此最大的接收天线数量一般是很可观的，以便尽可能提高成像速度。

通常，在当今的MR***中，通过重叠而使个体接收天线去耦合。由于更远距离的天线阵列不能够以这种方式进行去耦合，因此使用所谓的前置放大器去耦合作为额外的措施。这一方法利用这样的事实，即每个低噪声放大器的输入阻抗不同于提供相应通道的最佳噪声性能(即最大SNR)的最佳阻抗。在天线和低噪声放大器之间切换的每个通道的匹配网络变换相应低噪声放大器的最佳阻抗。这种类型的匹配仍具有用于使给天线提供的阻抗最大化的自由度。通过这种方式，降低了每个天线内的电流。然而，天线之间的残余耦合仍存留在已知***中，这导致从一个低噪声放大器到其他放大器的噪声耦合，从而降低总SNR。

根据上述内容，很容易意识到，存在对用于优化包含耦合的RF接收天线的阵列的***中的信噪比的经改进的方法的需求。

发明内容

因此，本发明的目的是实现噪声匹配，从而能够获得最大的SNR。

根据本发明，公开了一种用于优化***中的信噪比的方法，所述***包括用于接收RF信号的两个或更多个接收天线的阵列，其中，每个接收天线经由匹配网络连接至给匹配网络提供输入阻抗的低噪声放大器，包含接收天线、匹配网络和低噪声放大器的每个链路构成***的接收通道的一部分。本发明的方法包括以下步骤：

a)将每个输入通道的输入阻抗设置为与***的常规操作期间的输入阻抗值不同的值；

b)经由接收天线接收RF信号；

c)根据所接收的RF信号形成叠加的信号；

d)修改所有接收通道的匹配网络，以便基于所述叠加的信号找到最佳匹配条件；

e)重新设置每个接收通道的输入阻抗。

本发明的主旨是特定调谐匹配网络，该调谐不同于在已知***中的调谐。本发明的优化程序能够容易地在相应(MR)***的生产过程中实现。仅需要小量的硬件变化以使得能够在优化程序的持续期内将每个低噪声放大器的输入阻抗设置为特定值，并在完成优化之后将其重新设置回常规值。

不需要错综复杂的模拟，因为假设向匹配网络提供的输入阻抗被适当地设置，通过根据RF信号形成叠加的信号而可获得简单目标函数，所述RF信号是根据本发明在优化程序期间测量到的，其中，修改匹配网络以基于这一目标函数找到最佳匹配条件。

根据本发明的实用实施例，在步骤a)和e)中借助于连接到每个低噪声放大器的输入的可切换阻抗来设置和重新设置输入阻抗。诸如MEM或PIN开关的电子切换装置可以用于这一目的。简单的跳线器也是可行的，因为在相应***的生产期间通常仅执行一次切换。专用的阻抗可以经由开关连接至低噪声放大器的输入，以便在优化期间获得预期的阻抗值。作为备选，可以在完全不使用低噪声放大器的情况下执行优化，简单地通过在匹配网络的输出处、即在常规操作期间匹配网络连接到低噪声放大器的位置处，直接拾取信号。在以这种方式执行优化的情况下、即无低噪声放大器的情况下，对输入阻抗、即在匹配网络的输出处给匹配网络提供的阻抗的校正设置仍然至关重要。

在本发明的优选实施例中，在步骤b)中测量每个RF信号的功率，由此获得每个接收通道的功率信号。然后在步骤c)中叠加功率信号，从而获得作为叠加的信号的功率总和，即目标函数。然后在步骤d)中通过简单地使功率总和最大化来找到最佳匹配条件。本发明的要点是通过这种方式形成的目标函数恰好在最佳匹配条件下，即在常规操作期间***的总体SNR取其最大值时，具有最大值。通过对功率信号的加权叠加形成功率总和，每个加权因子取决于噪声系数和相应低噪声放大器的增益。所述加权将每个功率信号除以相应低噪声放大器的增益和噪声系数(用于加权的增益是经调整的增益，即从经修改的输入阻抗得到的增益)。其证明在以下的条件下以这种方式找到目标函数的正确最大值：将给每个匹配网络提供的输入阻抗的值在步骤a)，即在优化程序的开始处，设置为最佳阻抗的复共轭，其提供相应(单个)低噪声放大器的最佳噪声性能。

此外，根据本发明公开了一种包括用于接收RF信号的两个或更多个接收天线阵列的***，每个接收天线经由匹配网络连接到具有输入阻抗的低噪声放大器，包含接收天线、匹配网络和低噪声放大器的每个链路构成所述***的接收通道的一部分，其中，所述匹配网络变换低噪声放大器的最佳阻抗，所述最佳阻抗提供所述低噪声放大器的最佳噪声性能，其中，每个接收通道包括在每个低噪声放大器的输入处的可切换阻抗，用于将给每个匹配网络提供的输入阻抗切换为相应低噪声放大器的最佳阻抗的复共轭的值。

根据本发明的优选实施例，所述***可以是MRI(磁共振成像)***，其包括用于在检查体积内生成均匀、稳定的磁场至少一个主磁体线圈、用于在检查体积内的不同空间方向上生成切换磁场梯度的若干梯度线圈，其中，所述阵列的接收天线被布置成用于从定位在检查体积中的患者身体接收MR信号。

附图说明

附图公开了本发明的优选实施例。然而，应当理解，附图仅设计为用于进行图示说明，而不应作为对本发明的限制的定义。在附图中：

图1示出了有噪声的单(隔离的)接收通道的电路图；

图2示出了两个耦合的接收通道的电路图；

图3以方框图示出了用于执行本发明的方法的MR装置；

图4更详细地示出了图3所示的MR装置的两个接收通道。

具体实施方式

参考图1，示出了有噪声的单通道接收链路的等效电路。接收线圈(天线)由阻抗Z_c、噪声电压U _c和信号电压U _s表示。

低噪声放大器的噪声系数F能够被定义为不存在低噪声放大器的噪声的输入信号的SNR和包含放大器噪声的输出信号的SNR的比率——其中热线圈噪声Z^H表示Z的复共轭，并且表达式上方的线表示噪声源的协方差。对于在低噪声放大器输入处的给定噪声源，噪声系数是线圈阻抗Z_c的函数，但不是前置放大器输入阻抗Z_p的函数。针对可能的最低噪声系数F_最佳，最佳线圈阻抗Z_c，最佳导出为：

如果线圈阻抗Z_c＝：R_c+jX_c偏离这一最佳值，所述噪声系数增加为：

其中，表示热噪声传导率，其生成与I _p相同的噪声。在低噪声放大器的输出处的SNR被表达为

参考图2，示出了被附接到Z_p＝∞(w.l.o.g)的两个低噪声放大器的两个单元的天线阵列。噪声电流源I _P，1在其他通道中贡献-Z_c；2，1·I _p，1，并且反之亦然(噪声耦合)。

能够看出，对于耦合的阵列线圈的情况，以上导出的SNR表达式能够解释为矩阵方程式：

在这一方程式中，方括号必须是评估的通道方向(channel-wise)形成对角矩阵，并且参数Z_c，最佳和必须被解释为单个低噪声放大器的参数，包括附接到相同位置的匹配电路。(Z^H现在表示Z的转置复共轭。)

使用网络理论，能够针对功率的加权组合导出相似的表达。在这一新的函数中，在每个独立低噪声放大器阻抗Z_p＝R_p+jX_p中接收到的信号功率除以对应的实数标量φ：

$\tilde{P}~{{\underset{\‾}{\overset{\→}{U}}}_s}^H{\left(Z_c\right[\mathrm{\φ}]+[\mathrm{\φ}]{Z_c}^H+(Z_c-[{Z_p}^H\left]\right)[\frac{\mathrm{\φ}}{{2R}_p}\left]{(Z_c-[{Z_p}^H\left]\right)}^H\right)}^{-1}{\underset{\‾}{\overset{\→}{U}}}_s$

能够进一步看出，对于上述函数两者具有相同的最佳阻抗如果Z_c[F_最佳]+[F_最佳]Z_c ^H是半正定的。这意味着，能够通过以下找到最佳匹配条件：修改低噪声放大器的输入使得它们呈现出它们自身的单通道最佳阻抗的复共轭，并且提供使得在低噪声放大器的输出处的加权的功率总和被最大化的匹配，所述加权的功率总和即每个通道功率除以个体(经调整的)增益和噪声系数。在完成优化之后，去除对低噪声放大器的输入修改。

参考图3，示出了MR装置1，其构成本发明意义内的***。所述装置包括超导或阻抗主磁体线圈2，使得沿着通过检查体积的z轴生成基本上均匀、时间恒定的主磁场。

磁共振生成和操控***施加一系列RF脉冲和切换的磁场梯度以倒置或激励核磁自旋，包括磁共振、重聚焦磁共振、操控磁共振、空间和以其他方式编码磁共振、饱和自旋等，以执行MR成像。

更具体而言，梯度脉冲放大器3将电流脉冲施加至沿检查体积的x、y和z轴的全身梯度线圈4、5和6中所选择的线圈。数字RF频率发射器7经由发送/接收开关8将RF脉冲或脉冲包发射到全身体积RF线圈9，以将RF脉冲到发射到检查体积内。典型的MR成像序列包含短持续时间的RF脉冲段的包，其彼此并且与任何所施加的磁场梯度一起实现对核磁共振的选定的操作。RF脉冲用于饱和、激励共振、倒置磁化、重新聚焦共振或操控共振并选择检查体积中定位的身体10的一部分。MR信号还通过全身体积RF线圈9拾取。

为了借助并行成像生成身体10的有限区域的MR图像，接收天线(即局部RF线圈)11、12、13的阵列被放置成毗邻为成像选定的区域。个体线圈单元11、12、13能够用于接收由身体线圈RF发射诱发的MR信号。

通过全身体积RF线圈9和/或通过阵列RF线圈11、12、13拾取MR信号并通过接收器14对其进行解调。接收器14经由发送/接收开关8连接到RF线圈9、11、12和13。

主计算机15控制梯度脉冲放大器3和发射器7，以生成多个MR成像序列中的任一个，例如回波平面成像(EPI)、回波体积成像、梯度和自旋回波成像、快速自旋回波成像等。对于选定的序列而言，接收器14在每个RF激励脉冲之后快速连续接收单个或多个MR数据线。数据采集***16执行对所接收的信号的模数转换，并且将每个MR数据线转换为适于进一步处理的数字格式。在现代的MR装置中，数据采集***16是分立的计算机，其专用于采集原始图像数据。

最后，数字原始图像数据被重建处理器17重建为图像表示，重建处理器17应用傅里叶变换或其他适当的重建算法，例如SENSE或SMASH。MR图像可以表示贯通患者的平面切片、平行平面切片的阵列、三维体积等。然后将图像存储在图像存储器中，可以访问图像存储器，以将切片、投影或图像表示的其他部分转换为适当的格式，以例如经由视频监测器18进行可视化，该视频监测器18提供对所得MR图像的人类可读的显示。

参考图4，更为详细地示出了MR装置的接收通道。RF线圈(接收天线)11、12和13经由匹配网络19、20、21连接到低噪声放大器22、23、24。匹配网络19、20、21变换低噪声放大器22、23、24的最佳阻抗，所述最佳阻抗提供所述低噪声放大器的最佳噪声性能。连接到低噪声放大器22、23、24的输入的串联阻抗28、29、30能够借助开关31、32、33激活或失活，用于将低噪声放大器22、23、24的输入阻抗设置为在本发明的优化程序期间所需的(单通道)最佳阻抗的复共轭。每个串联阻抗28、29、30的阻抗值是Z^* _最佳-Z_输入，其中，Z^* _最佳是相应通道的最佳阻抗的复共轭，并且其中，Z_输入是低噪声放大器的常规输入阻抗。在打开开关31、32、33之后，经由阵列接收RF信号(例如在优化程序期间借助合适的发射天线生成的测试信号)，并在低噪声放大器22、23、24的输出处测量输出RF信号。功率计25、26、27连接到低噪声放大器22、23、24的输出。图4中左侧虚线框34中的部分被实现为硬件部件，而右侧框35中的部分可以实现为软件。通过将每个功率信号除以个体增益(如在优化期间修改的)和噪声系数(即低噪声放大器的未经修改的特征噪声系数)来施加加权36、37、38。如果所有低噪声放大器22、23、24具有相同的增益和噪声系数，可以省去加权。叠加(即加和)经加权的功率信号，从而获得总和信号，其经由显示器39输出。所有接收通道的匹配网络19、20、21的参数被调谐，直到找到所显示的总和信号的最大值。最终，通过关闭开关31、32、33将低噪声放大器25、26、27的输入阻抗重新设置为它们的初始值。现在***准备好进行常规操作，其中，与常规的***相比，***的总SNR显著增加。

Claims (6)

1.一种用于优化***中的信噪比的方法，所述***包括用于接收RF信号的两个或更多个接收天线(11、12、13)的阵列，每个接收天线(11、12、13)经由相应的匹配网络(19、20、21)连接到给所述匹配网络(19、20、21)提供输入阻抗的相应的低噪声放大器(22、23、24)，其中每一个接收天线(11、12、13)、相应的匹配网络(19、20、21)和相应的低噪声放大器(22、23、24)构成所述***的接收通道，所述方法包括以下步骤：

a)将每个接收通道中的所述输入阻抗设置为用于优化过程的特定值；

b)经由所述接收天线(11、12、13)接收RF信号；

c)测量每个RF信号的功率，从而获得每个接收通道的功率信号；

d)根据所接收的RF信号形成叠加的信号，其中通过对所述功率信号的加权叠加形成所述叠加的信号；

e)修改所有接收通道的所述匹配网络(19、20、21)，以便基于所述叠加的信号找到最佳匹配条件，其中所述匹配网络(19、20、21)变换所述低噪声放大器(22、23、24)的最佳阻抗，所述最佳阻抗提供所述低噪声放大器(22、23、24)的最佳噪声性能；以及

f)将每个接收通道中的所述输入阻抗重新设置为初始值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a)和f)中借助于连接到每个低噪声放大器(22、23、24)的输入的可切换阻抗(28、29、30)设置和重新设置所述输入阻抗。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a)中将所述输入阻抗的值设置为相应低噪声放大器(22、23、24)的所述最佳阻抗的复共轭的值的情况下，在步骤e)中通过使所述叠加的信号最大化来找到所述最佳匹配条件。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，每个加权因子取决于相应低噪声放大器(22、23、24)的噪声系数和增益。

5.一种具有用于接收RF信号的两个或更多个接收天线(11、12、13)的阵列的***，所述***包括：

与所述接收天线(11、12、13)中的每一个相对应的匹配网络(19、20、21)；

与所述接收天线(11、12、13)中的每一个相对应的低噪声放大器(22、23、24)，每个接收天线经由相应的匹配网络(19、20、21)连接到给所述匹配网络(19、20、21)提供输入阻抗的相应的低噪声放大器(22、23、24)；

其中每一个接收天线(11、12、13)、相应的匹配网络(19、20、21)和相应的低噪声放大器(22、23、24)构成所述***的接收通道，

在每个低噪声放大器(22、23、24)的输入处的至少一个可切换阻抗(28、29、30)，用于将给每个匹配网络(19、20、21)提供的所述输入阻抗切换为相应的低噪声放大器(22、23、24)的最佳阻抗的复共轭的值；

与每个接收通道相对应的功率计，用于测量在每个接收通道中接收的每个RF信号的功率以获得每个接收通道的功率信号；

其中通过对所述功率信号的加权叠加形成叠加的信号，其中修改所有接收通道的所述匹配网络，以便基于所述叠加的信号找到最佳匹配条件，其中所述匹配网络变换所述低噪声放大器的最佳阻抗，所述最佳阻抗提供所述低噪声放大器的最佳噪声性能。

6.根据权利要求5所述的***，其中，所述***是MRI***，包括用于在检查体积内生成均匀、稳定的磁场的至少一个主磁体线圈(2)、用于在所述检查体积内的不同空间方向上生成切换的磁场梯度的若干梯度线圈(4、5、6)，其中，所述阵列的所述接收天线(11、12、13)被布置为用于从定位在所述检查体积中的患者的身体(10)接收MR信号。