CN102483446A - 用于磁共振成像的薄膜射频检测器线圈 - Google Patents

Abstract

一种共振射频(RF)检测器组件，包括基板、在基板的前表面上形成的线圈以及两个电容器，每个电容器具有在基板的前表面上形成的前板和在基板的后表面上形成的后板，两个前板的每一个电连接到线圈的不同端，并且两个后板彼此电连接。

Description

用于磁共振成像的薄膜射频检测器线圈

技术领域

本发明涉及射频(RF)检测器线圈。它具有例如在磁共振(MR)成像和监测***中的应用。

背景技术

小型共振RF检测器对于活的有机体内的内部磁共振成像(MRI)具有很多应用。尽管小型线圈通常具有低Q因数，但是这个缺点通过与源的紧密耦合而获得的信号噪声比上的总增长而减轻。适当的线圈配置包括单匝或多匝回路、平行的导体传输线、相对的螺管(solenoid)和绕线(meander)。对于血管内成像的更加紧凑的选择方案包括所谓的“无环导管天线”，其测量电场而不是磁场。线圈的类似范围已经用于导管跟踪的选择性应用。

在每种情况下，对于匹配和调谐的需要限制了广泛的临床应用。这个问题可说明如下。通常，线圈(具有电感L和电阻R)必须在线圈谐振的角频率ω₀下与负载R_L匹配。图1a示出采用了用于匹配的第一电容器C_M和用于调谐的第二电容器C_T的一种方法。标准分析显示，C_M和R_L的并联配置可用C_M和等效负载R_L′的串联配置取代，等效负载R_L′取决于R_L、C_M和ω₀，如图1b所示。匹配要求R_L′＝R，进而要求适当选择C_M。C_M和C_T的串联之和显然等同于单个电容器C，如图1c所示。因此，一旦C_M是固定的，则C_T应选择为使得C是谐振所需的总电容。

尽管允许用于3D线圈、集肤效应(skin effect)和材料损耗的模拟方法取得提高，但是不幸的是难于准确地预知电阻R或电感L。线圈电阻固有地取决于频率，接合点提供进一步的电阻损耗，自身的电容对谐振频率产生巨大影响，并且手绕(hand winding)引入可变性。因此，C_M和C_T二者通常都必须采用为了提高匹配程度和谐振频率而不断更新的值而试验性地确定。可容易获得的电容值的集合是有限的，这通常迫使采用多个部件用于C_M和C_T二者。结果，最终的组件常常体积很大，并且可能已经焊接以及重焊接多次。对于大型线圈，最终产品可能是可接受的，但是通常的方法不能实现低成本、小形状因数(form factor)以及再现性，这是导管基的探头的批量开发所需要的，尤其是可抛弃型探头所需要的。一种方案是采用λ/2长度的电缆远程地定位匹配和调谐部件。这种方法可以实现适当的形状因数。匹配和调谐也可采用自动变容二极管基的***执行。然而，对于低成本、批量生产的线圈，两个方案通常都太复杂。

微制造可改善上述情形，这是因为其允许获得可重复的R和L值。在诸如GaAs、Si和玻璃的刚性基板上已形成电镀螺旋线圈。微制造的亥姆霍兹线圈(Helmholtz coil)和梯度线圈已被构造，在毛细管上已制成螺管，平面线圈已与微流体集成，并且合并了预放大器。最近，注意力转移到柔性塑料上，例如聚酰亚胺和聚醚醚酮[Coutrot A.-L.，Dufour-Gergam E.，QuemperJ.-M.，Martincic E.，Gilles J.-P.，Grandchamp J.P.，Matlosz M.，Sanchez A.，Darasse L.，Ginefri J.-C.“Copper micromolding process for NMRmicroinductors realisation”Sensors and Actuators A99，49-54(2002)]以及聚四氟乙烯[Eroglu S.，Gimi B.，Roman B.，Friedman G.，Magin R.L.“NMR spiralsurface microcoils：design，fabrication and imaging”Conc.Mag.Res.B17，1-10(2003)]，它更加适合于活的有机体内使用，并且已经构造了柔性3D线圈[Woytasik M.，Grandchamp J.-P.，Dufour-Gergam E.，Martincic E.，Gilles J.-P.，Megherbi S.，Lavally V.，Mathet V.“Fabrication of planar and three-dimensionalmicrocoils on flexible substrates”Microsyst.Tech.12，973-978(2006)]。然而，匹配和调谐在很大程度上被忽视。已经进行了一些尝试以采用共面导体[Ellersiek D.，Harms S.，Casanova F.，Blümich B.，Mokwa W.，Schnakenberg U.“Flexible RF microcoils with integrated capacitor for NMR applications”Proc.MME′05，

Sweden，Sept.4-6，pp 256-259(2005)]、双层绕组[Woytaskik M.，Ginefri J.-C.，Raynaud J.-S.，Poirier-Wuinot M.，Dufour-GergamE.，Grandchamp J.-P.，Girard O.，Robert P.，Gilles J.-P.，Martincic E.，Darasse L.“Characterisation of flexible RF microcoils dedicated to local MRI”Microsyst.Tech.13，1575-1580(2007)]或光学可变的MOS结构[Uelzen Th.，Fandrey S.，Müller J.“Mechanical and electrical properties of electroplated copper forMR-imaging coils”Microsyst.Tech.12，343-351(2006)]集成电容器。先前，[Ahmad M.M.，Syms R.R.A.，Young LR.，Mathew B.，Casperz W.，Taylor-Robinson S.D.，Wadsworth CA.，Gedroyc W.M.W.“Catheter-basedflexible microcoil RF detector for internal magnetic resonance imaging”J.Micromech.Microeng.，submitted]，已经证明，基于多匝矩形螺旋电感器，可生产高解析度的MRI，其采用导管，安装有具有分离电容器的微制造线圈。然而，对于优化部件值而不需平面处理的高费用重复的问题，尚未发现令人信服的方案。

发明内容

本发明提供一种共振射频(RF)检测器，其包括：基板、形成在基板的前表面上的电感器线圈以及两个电容器，每个电容器具有形成在基板的前表面上的前板和形成在基板的后表面上的后板。两个前表面电容器板的每一个电连接到线圈的不同端，并且两个后电容器板彼此电连接，从而总电路表示包含一个电感器和两个电容器的谐振电气回路。

谐振电路于是可提供检测RF信号的功能。从而，一个电容器C_M可提供将目标谐振频率下在其板上观察到的电阻抗匹配到目标值的功能，而另一个电容器C_T可提供将电路的谐振频率调谐到目标值的功能。

线圈可包括一个或更多整圈，或者可包括一个或更多半圈或部分圈，或者可为任何其它合适的形状以检测RF信号。电容器之一的前板可形成在线圈内。电容器之一的前板可形成在线圈之外。两个后电容器板可由导电材料的共用层形成。两个电容器之间的连接也可形成在相同的材料共用层中。类似的方法可用于以串联形式增加附加的线圈和电容器。

线圈可具有两个部分，并且每个前板可连接到这些部分中的相应部分的端部。在某些情况下，这些部分的每一个具有各自的感测绕组，这些感测绕组彼此相对。例如，绕组可设置为8字形的构造。这些部分的每一个可具有相同的匝数，或者可通过其它方式设置为具有相同的或实质上相同的电感。线圈的每一个部分可形成各自的回路，并且前板的每一个可设置在这些回路中的相应回路内。

基板可很薄，以允许采用很小的表面面积形成给定尺寸的电容器。通过采用薄基板，电感器和电容器可为柔性的。因此，整个组件可为柔性的，从而其能够缠绕在导管周围。

本发明还提供制造RF检测器组件的方法，包括：

提供基板；

在基板的前表面上形成线圈；

在基板的前表面上形成两个前电容器板；

在基板的后表面上形成两个后电容器板，这些后电容器板的每一个与前电容器板之一至少部分地对准以形成电容器；

在前电容器板的每一个和线圈的不同端之间提供电连接，

并且在两个后电容器板之间提供电连接。

线圈和前电容器板可同时形成，或者它们可在分开的步骤中分开形成。线圈和前电容器板可形成为导电材料的共用层。两个后电容器板可同时形成，并且也可形成为导电材料的共用层。两个后电容器板之间的连接也可在这一层中形成。在某些实施例中，这可允许整个组件采用图案化基板上的表面导电层的恰好两个步骤制造，一层提供在基板的前表面上，另一层提供在后表面上。

本发明还提供制造共振RF检测器的方法，包括：

提供试验基板；

在试验基板的前表面上形成试验线圈；

在试验基板的相对表面上形成均具有两个板的两个试验电容器；

在电容器和线圈之间以及这些电容器彼此之间提供电连接；

调整这些电容器板的至少之一的尺寸，直到试验线圈和试验电容器满足性能标准；

在调整后确定试验电容器的尺寸；

并且随后制造线圈组件，使该线圈组件具有在尺寸和形状上对应于试验基板和试验线圈的基板和线圈以及具有所确定的尺寸的两个电容器。

在一个实施例中，目标应用是导管基的探头，用于胆管的磁共振成像，但是类似的方法适用于脉管成像，或者用于其它形式的内部磁共振成像，例如，要求小柔性探头的口腔、直肠或***成像。

本发明的某些实施例的总体目标是柔性片形式的共振检测器，柔性片可缠绕在导管周围，并且通过例如微型同轴电缆连接到接收电子装置。

在某些实施例中，采用三阶段的方法。在第一阶段中，RF共振器由微制造的线圈和分离的电容器形成。这种结构的传统匹配和调谐允许确定C_M和C_T的值。在第二阶段中，构造全集成装置。相同设计的线圈与微制造的电容器一起使用，微制造的电容器的面积从先前的试验值C_M和C_T估算。然后，按照***程序的电容器的机械修整允许准确匹配和调谐。在第三阶段中，全集成装置采用相同的微制造工艺构造，但是具有现在已知的电容器面积。结果是柔性的整体，其仅需要连接到同轴输出端，并且该方法易于应用于其它的线圈配置。

现在，参考附图仅以举例的方式描述本发明的优选实施例。

附图说明

图1a是检测器线圈的电路示意图；

图1b是图1a的电路的等效电路的示意图；

图1c是图1b的电路的进一步等效电路的示意图；

图2是图1a的电路中归一化阻抗作为归一化线圈电阻的函数的曲线图；

图3是示出图1a的电路中在不同的场强下电容与线圈电阻之间关系的曲线图；

图4a是已知的检测器线圈组件的示意图；

图4b是根据本发明实施例的检测器线圈组件的示意图；

图5是安装在导管上的图2的线圈组件的侧视图和放大截面图；

图6a是根据本发明的一套检测器线圈组件的前视图；

图6b示出了图6a的检测器线圈组件在修整前和修整后的示意图；

图6c是图6b的检测器线圈组件的部分放大图；

图7是示出RF检测器的S₁₁变化的曲线图，该RF检测器具有保持平坦的不同线圈长度且安装在导管上；

图8是示出在不同的匹配和调谐阶段安装在导管上的根据本发明的检测器线圈组件的S₁₁关于频率的变化以及在最后阶段S₂₁的变化的曲线图；

图9是示出安装在导管上的根据本发明的检测器组件的S₁₁关于频率的变化的曲线图；

图10是导管的图片，根据本发明实施例的检测器线圈组件安装在该导管上；

图11是试验模型的图片；

图12是采用具有40mm长线圈的完全集成RF检测器在1.5T下获得的图11的试验模型的径向¹H MR图像；

图13是根据本发明进一步实施例的检测器线圈组件的示意图；

图14是图13的组件的等效电路的电路图；以及

图15示出了图13的线圈组件的相对感测绕组(winding sense)。

具体实施方式

参考图1a，根据匹配的标准理论，具有电感L和电阻R的有损耗电感器在角频率ω下的阻抗为R+jωL，可采用两个电容器C_M和C_T而与负载R_L匹配并且可调谐到角谐振频率ω₀。

R_L和C_M的结合的导纳为Y＝1/R_L+jωC_M。因此，对应的阻抗Z＝1/Y可表述为：

Z＝(1/jωC_M){1/(1+l/jωC_MR_L)}    (1)

如果ωC_MR_L＞＞1，则等式1可近似为：

Z ≈1/jωC_M+1/(ω²C_M ²R_L)         (2)

上述近似假设R_L＞＞l/ωC_M，即负载远大于C_M的阻抗的模。等式2意味着Z等同于电容器C_M与取决于频率的负载R_L′＝l/(ω²C_M ²R_L)串联，如图1b所示。因此，匹配电容器C_M将换算形式(scaled version)的负载R_L′有效地***到谐振电路中。如果C_M太小，则R_L′太大，并且将降低谐振器的总质量因数。如果C_M太大，则R_L′太小，并且几乎没有信号可被检测到。匹配涉及到选择C_M以使在谐振时R_L′＝R，这要求：

$C_M=1/\left\{{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{\left({\mathrm{RR}}_L\right)}\right\}---\left(3\right)$

这个结果意味着

即C_M的阻抗的模，应该等于要求匹配的两个电阻器的几何平均值。C_M必须随着频率的升高或随着电阻损耗的增加而明显减小。于是，我们可将先前近似的条件改写成R_L＞＞R。因为R_L典型地为50Ω并且R为几欧姆，所以等式3几乎为普遍有效的，不取决于L的值和工作频率。

于是，图1b的电路等同于图1c中的简单谐振器。这里，C_M和C_T已经结合为单个等效电容器C，其值C＝l/(ω₀ ²L)是实现谐振所需的总电容。一旦C_M已经固定，则调谐电容器C_T应选择为使1/C_T+1/C_M＝1/C，或者：

C_T＝CC_M/(C_M-C)    (4)

明显可知，C_T必须是正数且是有限的，以获得有意义的解。这个条件要求C_M＞C，或者从而电感器的阻抗的模必须超过两个电阻器的几何平均值。假如线圈电阻R足够低，这个条件通常可满足。阻抗匹配问题可通过曲线图示出，如图2所示。这里，我们为C_M和C_T以及任意假定的电感L标绘归一化阻抗的模Z/R_L，作为归一化线圈电阻R/R_L的函数。假如R/R_L足够小并且ω₀L足够大，则存在解，并且相应的近似值是有效的。

¹H磁共振(MR)的工作频率f₀以42.57MHz/T而与磁通量成线性比例。在1.5T***(例如)中，f₀＝63.5MHz。图3示出在不同的场强下由等式3和4获得的C_M和C_T与线圈电阻R的关系示例，这里假设用于与后面的试验结果比较的0.35μH的电感和50Ω负载。在低场强下，要求高电容以达到所要求的相对低的谐振频率，并且C_T和C_M二者显著变化。随着场强和谐振频率的升高，C_T减小很多，并且变得越来越稳定。C_M也减小，但是它的值仍然显著变化，随着线圈电阻的减小而迅速升高。在此范围中，C_M可在很大程度上超过C_T。

在根据本发明实施例的检测器线圈的制造方法的第一阶段上，首先制造混合集成的RF检测器。参见图4a，混合集成的检测器由基板层10组成，在基板层10的表面上形成有两匝矩形螺旋绕组或线圈12。绕组12的外端14连接到用于表面安装电容器C_M和C_T的四个连接器焊盘16、18、20、22的第一个。第二和第三连接器焊盘18、20连接在一起，并且第四连接器焊盘22连接到另外的接触件24，接触件24位于绕组12的外侧，用于连接到空气桥(air bridge)26的一端。绕组12的内端28连接到另外的接触件30，接触件30用于连接空气桥26的另一端，并且空气桥26在连接两个空气桥接触焊盘24、30的绕组12上延伸。两个电容器，匹配电容器C_M和调谐电容器C_T，可串联连接在第一和第二连接器焊盘16、18之间以及第三和第四连接器焊盘20、22之间，以与绕组12和空气桥26形成串联的闭合电路。两个输出端，例如同轴电缆32的内部和外部，连接到第一和第二连接器焊盘16、18，从而使输出端连接到匹配电容器C_M上。

参见图5，本实施例的线圈设计为装配到导管40上。导管40具有圆形横截面的管状体42，两个内腔43延伸通过它。线圈组件设置为使矩形线圈12的长边12a平行于导管40的纵向轴，并且柔性基板10缠绕在导管40周围，收缩包装的套筒44设置在线圈组件之上以使其保持在导管40上的适当位置。在从线圈一侧上的内圈和外圈之间的点到该线圈的相对侧的内圈和外圈之间的点测量的情况下，线圈12的宽度设置为等于导管40的圆周的一半。因此，线圈12的两侧12a沿着导管40的相对侧延伸。

图4a的装置采用三个光刻步骤制造。第一步骤限定大多数导体，包括线圈12、连接器焊盘16、18、20、22以及接触焊盘24、30，它们通过在光致抗蚀剂模具内电镀而作为单层同时形成在基板10的表面上。第二步骤在电镀层之上形成的绝缘塑料层中限定一套孔，其实现到达连接焊盘(landingpad)和一些导体端部的通道。第三步骤限定空气桥26，空气桥26允许绕组12的外侧的部件连接到螺旋绕组的内侧。具有这种几何形状的线圈是针对1.5T下的¹H MRI而设计，并且具有如下参数：导体宽度200μm，导体间隔100μm，线圈长度60mm以及线圈宽度4.2mm。最终值选择为在检测器缠绕在导管周围且使其长轴平行于导管时将长的导体放置在8Fr导管的直径(2.7mm直径)上。

线圈制作在25μm厚的聚酰亚胺膜(

HN，DuPont，Circleville，OH)上。这种材料是机械和热稳定的、柔性的、无针孔、耐电介质击穿以及在厚度范围内商业可购买的[Data Sheet HK-15345：DuPont Kapton(RTM)HN polyimide film″DuPont High Perrormance Films，Circleville，OH，http: //www.dupont.com]。为了提供用于处理的刚性表面，首先，这种膜在100mm直径的硅晶片上拉伸，并且采用Kapton(RTM)带锚定。然后，通过RF溅射沉积Ti(30nm)和Cu(200nm)金属的种子层。接下来，AZ 9260厚正光致抗蚀剂层(Microchemicals GmbH，Ulm，Germany)通过旋涂而沉积，并且采用UV接触光刻而图案化以形成掩模。然后，20μm厚的Cu导体迹线通过采用Technic FB Bright Acid铜电镀溶液(Lektrachem Ltd.，Nuneaton，UK)在此掩模内电镀而形成。掩模被剥离，并且通过蚀刻去除暴露的种子层。然后，沉积2.5μm厚的SU-82000负环氧光致抗蚀剂层(Microchem Corp.，Newton，MA)，并且将其图案化以用作隔层。最后，通过重复种子层沉积、掩模形成、电镀、掩模去除和种子层蚀刻的步骤而形成空气桥。将

片从其载体上分离，并且采用解剖刀将独立的装置分开。该装置为高柔性的，并且可任意扭曲而不会有导体分离。

采用Agilent E5061A网络分析仪测量电气性能。采用分离的0805系列非磁性电容器(SRT Micro Céramique，France)，在线圈用热缩管松动地装配到8Fr双内腔导管的情况下，执行与R_L＝50Ω的匹配和调谐。其它部件定位为恰好在导管的端部之外，并且一段0.8mm直径的非磁性50Ω蓝牙(Bluetooth)同轴电缆(Axon Cable，Dunfermline，UK)连接到C_M上且向下通过导管内腔之一。然后，使热缩管收紧以保护线圈、电容器和电缆连接点。采用C_M＝139pF、C_T＝19.5pF的部件值，通过最小化63.8MHz上的散射参数值S₁₁实现匹配和调谐。忽略自身的电容，这些值意味着总电容C＝17.1pF，线圈的电感L＝l/(ω₀ ²C)＝0.36μH，并且电阻R＝l/(ω₀ ²C_M ²R_L)＝6.4Ω(因此，质量因数Q＝ω₀L/R＝23)。Q因数的确认是通过测量完成后的谐振器的灵敏度的频率变化而提供。

参见图4b，然后，采用集成的平行板电容器构造全集成谐振器。这些组件包括与图4a的基板10相同材料和相同厚度的基板50以及与图4a的绕组12相同尺寸和材料的前表面侧上的绕组或线圈52。线圈52在其内端和外端之间断开。绕组的内端56连接到矩形电容器板58，电容器板58位于线圈绕组52内并且形成调谐电容器C_T的一部分，而绕组的外端60连接到矩形电容器板62，电容器板62位于线圈的外部并且形成匹配电容器C_M的一部分。电容器C_T、C_M的每一个还包括在基板50的后面上形成的第二后板，两个后板64、66彼此连接。因此，基板50自身用作每个电容器的板之间的隔层，并且由于它由薄(12.7μm)Kapton形成，因此这允许板尺寸保持很小。匹配电容器C_M的两个板62、66连接到输出端。

图4b的线圈组件的制造采用了由螺线(spiral)组成的前侧图案，其形成线圈52且连接到两个前电容器焊盘58、62，而后侧图案由一对类似的后焊盘64、66组成，后焊盘64、66由导电材料的连接区域直接连接在一起。这种配置在线圈绕组的外面设置较大的电容器C_M，允许该电容器的两个板62、66连接到输出端，这又可为同轴输出，并且在线圈内设置较小的电容器C_T。因为不需要空气桥来提供螺线的内端的连接，所以整个布局的制造可采用恰好两个光刻步骤，以限定基板的任何一侧上的导体。需要双侧光刻和电镀，但是前侧与后侧的对准不是关键的，这是因为电容器板只需要至少部分地重叠，并且不需要彼此精确地对准。

原型装置采用类似于上述的导体尺寸制造，但是在一定线圈长度范围内的大量线圈组件形成在单一的基板上，如图6a所示。为了允许仅通过去除材料来调整电容，电容器采用试验确定值的大约两倍的估计值制造。18mm ×5.5mm(99mm²)和4mm ×3.5mm(14mm²)的尺寸被用于C_M和C_T；假设

[“Data Sheet HK-15345：DuPont

HN polyimide film”DuPontHigh Performance Films，Circleville，OH，http://www.dupont.com]的相对介电常数为3.5，这分别生产了240pF和34pF的初始电容。采用针对100mm硅晶片设计的工艺，每个基板可制造14个不同长度的装置，如图6a所示。

类似的图案化和电镀工艺被用于形成每一侧上的导体。后侧导体首先采用较小的Cu厚度(5μm)形成，然后用光致抗蚀剂层保护，而前侧导体以标准的Cu厚度(20μm)形成。因此，总厚度约为40μm。图6a示出如上所述完成的基板，图6b示出修整前和修整后的一对完成元件，而图6c是电容器区域中的放大图，示出基板10的前表面上的线圈12和电容器板58、62的部分。所形成的装置在被放置在感应探头附近时立即共振。

然后，通过采用***的工艺机械地修整匹配电容器C_M和调谐电容器C_T的每一个而执行全部集成的装置的匹配和调谐。

完成的装置采用微型同轴电缆而电连接，该电缆被焊接在C_M上。然后，通过在保持装置平坦的情况下测量散射参数S₁₁的频率变化，评估每个装置的初始条件。图7示出从具有不同线圈长度的装置获得的测量结果。在每种情况下，在特定频率附近S₁₁的最小值意味着谐振的存在，并且最小值的尖锐度和深度表明良好的Q因数以及适当的阻抗匹配。谐振频率随着线圈长度而减小，并且在每种情况下都在63.8MHz以下。然而，阻抗匹配随着谐振频率的上升而下降。

然后，将装置安装在8Fr导管的短部分上，并且重新测量S₁₁的频率变化。这个工艺可预期减小L而不改变R，因此简单地增加谐振频率。在每种情况下，匹配都下降。因为有效负载为R_L′＝l/(ω₀ ²C_M ²R_L)，并且C_M和R_L都是固定的，所以唯一可能的结论是C_M太大，符合先前的估计。最短(40mm)的装置立即重新调谐到63.8MHz的频率。然而，因为最长(60mm)的装置仅重新调谐到52MHz，所以这个装置需要调整。

执行60mm装置的匹配和调谐，如图8所示，图8示出在不同阶段上S₁₁的频率变化。从初始条件(状态1)开始，C_M首先用解剖刀修整。在几次调整后，达到状态2。这里，S₁₁的最小值的深度表明极好的匹配，但是具有错误的谐振频率(仅略微升高，至53MHz)。然而，因为阻抗匹配发生在ω₀C_M的特定值，所以在一个角频率(ω₀)上匹配所需的电容C_M可用于估算另一个角频率(ω₀′)所需的值C_M′，因为C_M′/C_M＝ω₀/ω₀′。因此，估算63.8MHz上需要的匹配电容器的优选区域是简单的，并且将C_M适当地修整到状态3。这里，谐振频率再一次略微升高(至54MHz)，并且阻抗匹配显示已经下降。调谐电容器C_T现在通过状态4和5修整，逐渐增加谐振频率且改善匹配，至最终状态6。在这一点上，调谐和匹配的准确度都非常好。调谐和匹配的装置的Q因数通过采用感应探头测量S₂₁的频率变化而再一次估算为22，如图8所示。

C_M和C_T的最终面积分别为52mm²和9.3mm²，对应于估算的电容127pF和23pF(接近于目标值)。这些结果显示，存在用于识别未知装置的初始状态的方法，并且(假设两个电容都太大)，对于通过减小重叠面积而匹配和调谐存在收敛性的算法。然而，如有必要，在电容器太小时，仍然能够通过简单地用含银的环氧树脂(silver-loaded epoxy)延伸重叠面积来执行调整。

存在的问题是，由于紧密分隔的导体之间金属迹线的小碎片，因此机械修整可能使电容器之一短路。这个问题可通过以一个或两个导体的激光修整取代整个结构的机械修整而消除，从而使绝缘电介质层始终保持在适当位置。另外，电缆装配期间过多的焊料流可损坏金属层的柔性。这个问题可采用附加的图案化表面层以限定可焊接的面积而解决。

一旦知道最终的面积，就可执行掩模的重新设计，以制造进一步的装置，其初始状态甚至更加接近于所希望的最终状态。图9示出以上述电容器修整和试验确定的电容器面积而制造的装置的S₁₁的频率变化。这个装置是固有调谐且匹配的，并且仅要求焊接连接到输出来操作。图10是完成的导管基的RF微型线圈检测器的图片。

采用上面参照图6a至6c所述的谐振器，对模型执行¹H磁共振成像试验，以证明这些集成谐振器的成像能力。

采用1.5T GE HD Signa Excite扫描仪进行成像。***的主体线圈被用于发射，并且如图5所示的安装微型线圈的40mm长导管连接到用于信号接收的辅助线圈输入端。没有采取措施(例如，二极管转换去谐)来避免被传输的脉冲损坏，因为先前的经验表明这是不必要的。微型线圈最初设置在大球形模型上，其包含NiCl₂和CuSO₄的稀释溶液。微型线圈位于等中心(isocentre)，而长导体设置在冠状平面上，并且采用快速恢复快速旋转回波(FRFSE)序列自动调谐。

然后，采用由M4尼龙螺母和凸圆头螺栓(齿距0.7mm)构成的模型证明高解析度的成像，该模型放置在小玻璃容器的溶液中，如图11所示。小玻璃容器放置在线圈之上，而线圈保持在球形模型之上。采用33ms的松弛恢复时间(TR)、15ms的回波时间(TE)以及10度的反转角执行成像。采用T₂-加权的FRFSE序列以1.2mm厚的28个片获取图像，并且在80mm ×40mm的视场内每片具有256×224像素。采用6次激振以改善SNR，总获取时间为11分53秒。

图12是典型的径向片，在图的上部示出包含螺母和螺栓的容器并且在图的底部示出球形模型。螺栓的开槽头清楚可见，并且在原始图像中还可看到齿。这些结果可与如图4a所示的以局部集成线圈组件[Ahmad M.M.，Syms R.R.A.，Young I.R.，Mathew B.，Casperz W.，Taylor-Robinson S.D.，Wadsworth C.A.，Gedroyc W.M.W.″Catheter-based flexible microcoil RFdetectors for internal magnetic resonance imaging″J.Micromech.Microeng.，submitted]先前获得的结果相比，并且证明了全集成线圈的成像性能可与具有表面安装电容器的线圈的成像性能一样好。

除了提供具有集成的调谐和匹配电容器的螺旋线圈的实现方法，如上面的实施例中所述，本发明的其它实施例利用其能力以允许更加复杂的线圈配置，其可在特定应用中具有优点。

参照图13，在进一步的实施例中，提供具有调谐和匹配电容器的两匝8字形线圈。电路也由薄基板层101构造，在薄基板层101的前表面上由第一迹线102a和第二迹线102b形成线圈绕组102。第一迹线102a从匹配电容器前板103延伸，并且向内盘旋一圈半，以形成绕组的第一回路102a，以第一回路内的第一互连电容器板105终止。因此，除了一个半圈之外，形成第一回路的全部。第二迹线102b从调谐电容器前板104沿着基板相邻于第一迹线延伸，以形成第一回路102a的半圈，然后向内盘旋两整圈，以形成8字形的第二回路102b的全部，以第二回路内的第二互连电容器板106终止。互连桥108形成在基板101的后表面上，并且包括两个板108a、108b，其每一个与互连电容器板105、106之一相对，由短迹线108c连接在一起。基板101的后表面上的另一个板107形成匹配和调谐电容器的后板。调谐电容器和匹配电容器二者都具有在线圈102外面的前板103、104。

在基板的前表面上形成的绕组具有两个回路，每一个具有两整圈，该绕组在第一回路的一端上在外圈中断开，以允许连接到两个板103和104，并且还在其中心处断开，在该中心处在前表面上形成线圈端部的两个电容器板105和106之间形成间隙，该间隙由互连桥108桥接。

图13的配置具有图14所示的等效电路。线圈102提供电感L，其分成两个部分L₁和L₂。板103和107与基板10一起提供匹配电容器C_M，而板104和107与基板101一起提供第一调谐电容器C_T1。板105和108a与基板101一起提供第二调谐电容器C_T2，而板106和108b与基板一起提供第三电容器C_T3。于是，电路的角谐振频率为：

ω₀＝1/(LC)^1/2                    (5)

其中L是总电感，并且C是总电容，而L和C由下式给出：

L＝L₁+L₂                          (6)

1/C＝I/C_M+1/C_T1+1/C_T2+1/C_T3       (7)

应当理解的是，该电路可作为用于RF信号的共振检测器操作，并且匹配和调谐可如图4b的实施例所述执行。还应理解的是，电容器C_T2和C_T3的功能为允许8字形的线圈配置，以由绝缘基板的任一侧上形成的两个图案化导体层实现，而不需要空气桥或通路连接。还应理解的是，线圈的绕组分成两半，每一半具有一个相对感测绕组，如图1c所示。每一半或某一个回路具有相同的匝数。

应当理解的是，如果电感器L1和L2是相同的，则垂直作用于线圈的均匀时变外部磁通量B1在每半个绕组中感应出相等或相反的电动势，该电动势从而将抵消而产生零净电动势以及零电流。因此，线圈对空间均匀的RF磁场具有很低的灵敏度，该磁场例如为在激发期间MRI扫描仪的主体线圈产生的场。结果，可最小化直接感应的电压和激发图案的局部修改。然而，线圈仍可对信号接收期间引起的局部产生的RF场具有灵敏度。

这个特征提供MRI***的发射器和接收器之间的固有被动去耦，这可避免对其它去耦方法的需求，例如，二极管转换去谐。因此，该配置可提供薄膜形式的去耦线圈，其可完全通过图案化导体层而制造，而不需要额外的半导体部件。

最后，还应理解，将成对的电容器用于实现8字形线圈绕组(不利用空气桥)可扩展为提供进一步细分成附加部分的绕组，以提供多个部分的线圈，使其绕组在相邻的部分或回路之间交替感测。如果具有更多的部分，则各部分中感应的电动势可通过使所有的回路具有相同的尺寸和相同的匝数而平衡。在其它情况下，各部分可具有不同的尺寸，并且可具有与两个感测绕组不同数量的部分，但是通过正确选择线圈的尺寸和形状，仍可平衡电动势。

Claims (16)

1.一种共振射频(RF)检测器组件，包括：基板、形成在所述基板的前表面上的线圈以及两个电容器，每个电容器具有在所述基板的所述前表面上形成的前板和在所述基板的后表面上形成的后板，所述两个前板的每一个电连接到所述线圈的不同端，并且所述两个后板彼此电连接。

2.根据权利要求1所述的组件，其中所述电容器之一的所述前板形成在所述线圈内。

3.根据权利要求1或2所述的组件，其中所述电容器之一的所述前板形成在所述线圈之外。

4.根据任一项前述权利要求所述的组件，其中两个前电容器板和电感器由导电材料的共用层形成。

5.根据任一项前述权利要求所述的组件，其中两个后电容器板由导电材料的共用层形成。

6.根据任一项前述权利要求所述的组件，其中所述基板、所述线圈和所述电容器是柔性的。

7.根据任一项前述权利要求所述的组件，其中所述线圈具有两个部分，并且所述前板的每一个连接到所述部分中的相应部分。

8.根据权利要求7所述的组件，其中所述部分的每一个具有各自的感测绕组，所述感测绕组彼此相对。

9.根据权利要求8所述的组件，其中所述部分的每一个具有相同的匝数。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的组件，其中所述线圈的每个部分形成各自的回路，并且所述前板的每一个位于所述回路中的相应回路内。

11.一种制造共振RF检测器的方法，包括：提供基板；在所述基板的前表面上形成线圈；在所述基板的所述前表面上形成两个前电容器板；在所述基板的后表面上形成两个后电容器板，所述后电容器板的每一个与所述前电容器板之一至少部分地对准以形成电容器，并且在所述前电容器板和所述线圈之间以及所述两个后电容器板之间提供电连接。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述线圈和所述前电容器板作为导电材料的共用层同时形成在所述基板的所述前表面上。

13.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述后电容器板作为导电材料的共用层同时形成在所述基板的所述后表面上。

14.一种制造共振RF检测器的方法，包括：提供试验基板；在所述试验基板的前表面上形成试验线圈；在所述试验基板的相对表面上形成均具有两个板的两个试验电容器；以及在所述电容器和所述线圈之间以及在所述电容器彼此之间提供电连接；调整所述电容器板的至少之一的尺寸，直到所述试验线圈和所述试验电容器满足性能标准；在调整后确定所述试验电容器的尺寸；以及随后制造所述线圈组件，使得所述线圈组件具有在尺寸和形状上对应于所述试验基板和所述试验线圈的基板和线圈以及具有所确定的尺寸的两个电容器。

15.根据权利要求14所述的方法，其中调整所述电容器每一个的至少一个板的尺寸。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述性能标准包括下述的至少一个：以预定频率在一个电容器上观察到的阻抗与预定电负载匹配的程度以及将电路的谐振频率调谐到预定值的程度。

Images