CN114137460B - 一种射频阵列线圈*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频阵列线圈***。一种射频阵列线圈***，包括：功率分配器、射频收发组件、阵列线圈、前置放大器；功率分配器连接射频收发组件，用于将输入的高功率射频进行多路分配，分配相同的功率至对应的射频收发组件；射频收发组件与阵列线圈匹配连接，用于驱动阵列线圈发射和接收信号；阵列线圈由多个环形线圈组成，多个环形线圈围绕设置于圆柱形支架，多个环形线圈相互之间既无几何重叠也无物理结构连接，用于产生圆极化的发射场；前置放大器放置在距离每个环形线圈的预设距离处，用于接收阵列线圈产生的信号。实现多通道功率分配，产生均匀的发射场，提高阵列线圈的性能，提高信号采集的灵敏度的效果。

Description

一种射频阵列线圈***

技术领域

本发明实施例涉及核磁共振技术，尤其涉及一种射频阵列线圈***。

背景技术

超高场动物磁共振成像(MRI)是生物医学研究中一项有价值的技术，已被证明可提供卓越的分辨率和解剖细节。通过探索超高场动物图像提供的形态特征和相关的生理或病理功能，可以研究和推断人类疾病。射频(RF)线圈实现超高场提供的高灵敏度和MR成像质量的关键部件，射频线圈的发展对生物医学研究具有重要意义。

现有的9.4T标准线圈存在一定的局限性，无法充分利用更高场强带来的优势。标准体积鸟笼线圈是正交收发线圈，正交传输通道的相位设置会在样品***产生典型的破坏性干扰，造成表面的信噪比降低，比如在脑成像中，会降低以神经科学为重点的皮层区域的信噪比。随着拉莫尔频率的增加，相关RF的波长接近待成像物体的尺寸，导致RF线圈产生不均匀的发射场，并且在超高场的大样本成像应用中，增强的不同通道之间的相互作用、通道间的相互耦合以及在高强度电磁场中复杂的电磁波行为、电介质和导电生物样品等会严重降低线圈的传输效率以及接收灵敏度。

发明内容

本发明提供一种射频阵列线圈***，以实现多通道功率分配，产生均匀的发射场，提高阵列线圈的性能，提高信号采集的灵敏度的效果。

本发明实施例提供了一种射频阵列线圈***，包括：功率分配器、射频收发组件、阵列线圈、前置放大器；

所述功率分配器连接所述射频收发组件，用于将输入的高功率射频进行多路分配，分配相同的功率至对应的所述射频收发组件；

所述射频收发组件与所述阵列线圈匹配连接，用于驱动所述阵列线圈发射和接收信号；

所述阵列线圈由多个环形线圈组成，所述多个环形线圈围绕设置于圆柱形支架，所述多个环形线圈相互之间既无几何重叠也无物理结构连接，用于产生圆极化的发射场；

所述前置放大器放置在距离每个环形线圈的预设距离处，用于接收所述阵列线圈产生的信号。

可选的，所述功率分配器包括正交耦合器和功分器，所述正交耦合器包括第一正交耦合器和第二正交耦合器；

所述第一正交耦合器与两个所述第二正交耦合器连接，用于将射频功率放大器输入的高功率射频分配至两路所述第二正交耦合器；

每个所述第二正交耦合器与两个所述功分器连接，用于将所述第一正交耦合器发送的射频分配给两路所述功分器。

可选的，所述射频阵列线圈***还包括：移相器；

所述移相器连接于所述正交耦合器与所述功分器之间，以及所述功分器和所述环形线圈之间，用于对传输的射频的相位进行调整。

可选的，所述正交耦合器与所述功分器之间配合不同长度的同轴线缆，用于改变不同通道激励源幅值和调制相位。

可选的，所述同轴线缆上设置电缆陷阱，用于抑制所述同轴线缆上的不平衡电流，保护所述前置放大器。

可选的，每个所述环形线圈使用铜带作为导体，所述铜带均匀分布，用于使得每个所述环形线圈回路中产生均匀的电流。

可选的，所述射频阵列线圈***还包括：电磁屏蔽装置；

所述电磁屏蔽装置与所述阵列线圈连接，用于避免所述阵列线圈受到电磁干扰。

可选的，所述电磁屏蔽装置由开槽铜箔制成，等距分布形成圆柱面，位于所述阵列线圈上方。

可选的，所述射频收发组件与所述前置放大器集成于一块电路板上，用于减少走线和电路之间的干扰。

本发明通过功率分配器将输入的高功率射频进行多路分配，分配相同的功率至对应的射频收发组件，设置个相互之间既无几何重叠也无物理结构连接的多环形线圈，围绕设置于圆柱形支架形成阵列线圈，解决线圈的传输效率低和接收灵敏度低的问题，以及射频磁场不均匀的问题，实现多通道功率分配，产生均匀的发射场，提高阵列线圈的性能，提高信号采集的灵敏度的效果。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种射频阵列线圈***的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种阵列线圈的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的另一种射频阵列线圈***的结构示意图；

图4为本发明实施例一提供的一种射频阵列线圈***的8通道输出端的幅值和相位偏移的示意图；

图5为本发明实施例一提供的一种射频阵列线圈***的电磁屏蔽装置的结构示意图；

图6为本发明实施例二提供的一种环形线圈及其射频前端的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种射频阵列线圈***的结构示意图，本实施例可适用于超高磁场磁共振成像的情况，该方法可以由一种射频阵列线圈***来执行，如图1所示，一种射频阵列线圈***，包括：功率分配器100、射频收发组件200、阵列线圈300、前置放大器400；

所述功率分配器100连接所述射频收发组件200，用于将输入的高功率射频进行多路分配，分配相同的功率至对应的所述射频收发组件200；

所述射频收发组件200与所述阵列线圈300匹配连接，用于驱动所述阵列线圈300发射和接收信号；

所述阵列线圈300由多个环形线圈组成，所述多个环形线圈围绕设置于圆柱形支架，所述多个环形线圈相互之间既无几何重叠也无物理结构连接，用于产生圆极化的发射场；

所述前置放大器400放置在距离每个环形线圈的预设距离处，用于接收所述阵列线圈300产生的信号。

功率分配器100将射频功率放大器输入的高功率射频分配成多路不同的功率通过射频收发组件200输出，同时在功率分配器100中配合不同长度的同轴线缆实现各个通道激励源幅值和相位的调控以及多路功率的分配从而使得阵列线圈300能产生圆极化的发射场。由于输入电缆在外界电磁场的感应下生成共模电流会对其他器件造成干扰，进一步的，在每个传输路径的输入电缆上添加了平衡-不平衡转换器，以最大限度地减少同轴电缆外屏蔽层上的共模电流。

射频收发组件200输出相同功率、不同相位的射频信号至对应的阵列线圈300，射频收发组件实现阵列线圈300的发射信号和接收信号一体的功能，以减小超高场下集总元件带来的损耗。

如图2所示，阵列线圈300由多个环形线圈310组成，示例性的，优选为8个，8个环形线圈310围绕在圆柱形支架上(图未示)，形成圆极化激励模式，同时形成的阵列线圈300可以在全方位多角度对整个成像物体进行成像。8个环形线圈310间的几何间距经过调整，保证8个环形线圈310相互之间既无几何重叠也无物理结构连接，最大限度地减少相邻和次相邻元件之间的耦合，无需额外的电抗去耦策略，解决了不同线圈之间的耦合问题。如图2所示，组成每个环形线圈310回路中元件器311均匀分布，可选的，每个环形线圈310使用铜带作为元件器311的导体，铜带均匀分布，用于使得每个环形线圈310回路中产生均匀的电流。示例性的，铜带宽度为4mm，厚度为0.15mm。进一步的，使用非磁性可变并联和串联电容器进行调谐，并与其各自的收发器通道匹配，以确保构建的环形线圈310的最佳性能。相应的，8个前置放大器放置在距离每个环形线圈的四分之一波长的距离处，接收阵列线圈产生的信号，前置放大器为低噪声前置放大器。可选的，所述射频收发组件与所述前置放大器放集成于一块电路板上，还可以减少射频阵列线圈***中走线和电路之间的干扰。本实施例中的环形线圈为¹H核素线圈，用于¹H核素的成像，在替代实施例中，环形线圈可以扩展到任何感兴趣的核素，同时，射频阵列线圈***不局限于超高场动物***，可以扩展任何可支持的磁共振***。

如图3所示，可选的，所述功率分配器100包括正交耦合器110和功分器120，所述正交耦合器110包括第一正交耦合器111和第二正交耦合器112；

所述第一正交耦合器111与两个所述第二正交耦合器112连接，用于将射频功率放大器输入的高功率射频分配至两路所述第二正交耦合器112；

每个所述第二正交耦合器112与两个所述功分器120连接，用于将所述第一正交耦合器111发送的射频分配给两路所述功分器120。

功率分配器100采用级联的第一正交耦合器111和第二正交耦合器112，第二正交耦合器112再级联1:2功分器120，第一正交耦合器111与两个第二正交耦合器112连接，一个第二正交耦合器112与两个功分器120连接，功分器120分两路进行输出。第一正交耦合器111输入端用于连接外部射频功率放大器，使得将射频功率放大器输入的高功率射频信号分配为8路信号，并通过功分器120输出至对应的8个环形线圈。

如图3所示可选的，所述射频阵列线圈***还包括：移相器130；

所述移相器130连接于所述正交耦合器110与所述功分器120之间，以及所述功分器120和所述环形线圈之间，用于对传输的射频的相位进行调整。

可选的，所述正交耦合器110与所述功分器120之间配合不同长度的同轴线缆，用于改变不同通道激励源幅值和调制相位。

第一正交耦合器111仅与一个第二正交耦合器112之间连接一个移相器130，第二正交耦合器112与对应的两个1:2功分器120之间均连接移相器130，每个1:2功分器120分两路输出，每一路输出均连接移相器130。在级联的功率分配器中同时配合不同长度的同轴线缆，可以实现各通道激励源的幅值和相位调控，分离出8路信号最终实现各通道激励源幅值改变和相位调制，用以产生圆极化的发射场。各通道激励源的幅值和相位调控如图4所示，图中表示射频收发组件的8个输出端的幅值和相位偏移，具体为根据线圈方位角的位置，以顺时针方向在射频收发组件的每个输出端提供逐渐减小的45°相位偏移，直到线圈在最右端被圆极化。其中，采用不同长度的同轴线实现相移可减小级联后的插损。

可选的，所述同轴线缆上设置电缆陷阱，用于抑制所述同轴线缆上的不平衡电流，保护所述前置放大器。

放大器输入不平衡电流会带来失调电压，为了保护前置放大器，在每一个通道上设置一个电缆陷阱，采用电缆陷阱抑制同轴线缆上的不平衡电流，电缆陷阱设置于每个连接的环形线圈和前置放大器中间。

如图5所示可选的，所述射频阵列线圈***还包括：电磁屏蔽装置500；

所述电磁屏蔽装置500与所述阵列线圈300连接，用于避免所述阵列线圈300受到电磁干扰。

设置电磁屏蔽装置500连接阵列线圈300以减少辐射损耗，以最大限度地减少涡流，避免阵列线圈300受到扫描仪的其他硬件组件的电磁干扰，以保持磁体内部线圈的调谐条件，完成8通道阵列线圈300的射频激发和采集链。

可选的，所述电磁屏蔽装置500由开槽铜箔制成，等距分布形成圆柱面，位于所述阵列线圈300上方。

示例性的，电磁屏蔽装置500由开槽铜箔制成，电磁屏蔽装置500的侧面由19个铜段组成，等距分布在一个PVC圆柱体的内表面形成圆柱面，每个铜段间隔3mm，圆柱面中分布连接了54个容值相等的屏蔽电容，进一步的，圆柱体底部还分布5个铜段，5个屏蔽电容分布并连接在铜段的间隙处，选择容值合适的屏蔽电容可以更好地减小磁铁对阵列线圈作用引起的谐振频移的影响。射频屏蔽装置500放置在阵列线圈300上方4cm的距离处，可减少阵列线圈300的辐射损失，而不会增加阵列线圈300外壳几何的总高度，超出磁体孔径的几何约束，并且不会损害回路元件的场分布。

本实施例的技术方案，通过功率分配器将输入的高功率射频进行8路分配，分配相同的功率至对应的射频收发组件，设置8个相互之间既无几何重叠也无物理结构连接的环形线圈，围绕设置于圆柱形支架形成阵列线圈，不但形成了圆极化激励模式条件，还可全方位多角度对整个成像物体进行成像，由于环形线圈之间既无几何重叠也无物理结构连接，通过调整环形线圈之间的几何间距理想地解决了不同线圈单元之间的耦合问题；8路功率分配器配合不同长度的同轴线缆，实现了各个通道激励源幅值和相位调控以产生圆极化的发射场，还可以实现相移减小级联后的插损；采用两级四分之一波长线圈提高发射和接收的隔离度，解决线圈的传输效率低和接收灵敏度低的问题，提高阵列线圈的性能，提高信号采集的灵敏度的效果。

实施例二

图6为本发明实施例二提供的一种环形线圈及其射频前端的电路示意图，在本实施例中，以功率分配器的1路输出为例进行说明，如图6所示，一个环形线圈L1由四个间隔的元器件通过电容C连接而成，功率分配器100与8路射频收发组件200连接，射频收发组件200包括发射(T/R)开关，功率分配器100通过发射开关连接至阵列线圈300。环形线圈L1中元器件均匀分布使线圈回路中产生均匀的电流，进一步的，使用非磁性可变并联和串联电容器进行调谐，并与其各自的收发器通道匹配，以确保构建的环形线圈L1的最佳性能。环形线圈L1通过匹配电路30匹配至50Ω并调谐到400.3MHz，匹配电路30串联连接在馈电点F，本实施例中的匹配电路30为可调电容Cm；匹配电路30的一端经过同轴电缆A3和平衡-不平衡转换器20连接至馈电点F，匹配电路30的另一端连接环形线圈L1和调谐电容器Ct的第一端，调谐电容器Ct的第二端连接至环形线圈L1。其中，用于减少同轴电缆外屏蔽层的共模电流的平衡-不平衡转换器20由非磁性半钢同轴电缆缠绕2匝巴伦和C系列电容串联构成，调谐到400.3MHz，发射系数达到了-33dB；为了抑制同轴电缆上的不平衡电流的电缆陷阱为并联谐振陷波电路40，由1/2柔性线圈去耦电感框架绕2匝巴伦组成，示例性的，谐振电容为4.7pF和3pF B系列串联电容，调谐到400.3MHz，射频测试信号的反射系数值为-30dB；前置放大器放置于距离每个环形线圈的四分之一波长的距离处，用于减少走线和电路之间的干扰。射频前端电路中还设置直流偏置端口接入直流偏置电流。

射频前端电路中直流偏置电路10的直流偏置端口接入直流偏置电流，扫描仪发出的射频测试信号从的功率分配器100的通道Ch1的发射端发出，经过第一电容C1、第一二极管D1和第一四分之一波长线A1，到达馈电点F，从馈电点F经过平衡-不平衡转换器20、匹配电路30和调谐电容器Ct输入环形线圈L1，与其他通路连接的环形线圈正交激发，产生圆极化的发射场；前置放大器P的输入端连接第二四分之一波长线A2和第二电容C2，前置放大器P放置于距离环形线圈L1的四分之一波长的距离处，用于接收环形线圈L1采集到的核磁共振信号，核磁共振信号从馈电点F经过第二四分之一波长线A2和第二电容C2到达前置放大器P进行放大，再经过并联谐振陷波电路40到达功率分配器的接收端输入，再传输至谱仪，完成图像重建，显示核磁共振成像结果；其中前置放大器P为低噪声前置放大器。

示例性的，8路环线线圈在400.3MHz的频率下充分匹配到50欧姆，所有环线线圈的发射系数的小于-20dB，任意两个环线线圈回路之间的隔离度小于-11dB，解决了线圈单元间的耦合问题；射频收发组件在发射状态下，插损和隔离度分别小于0.7dB和-46dB，在接收状态下，反射系数、隔离度分别小于-12dB和-25dB，实现了快速切换激励和采集状态，从而避免发射和接收射频路径之间相互干扰的效果；在400.3MHz的工作频率下生成的八路射频测试信号的绝对幅度和相位偏移标准偏差分别小于0.3dB和1°，实现了8通道功率分配，并且在射频功率输出驱动经过线圈阵列后，产生均匀的圆极化的发射场。

射频收发组件的收发一体式设计实现成像所需频率的信号激发与采集链，通过激发和采集状态的快速切换，从而避免发射和接收射频路径之间相互干扰的能力，解决了大线圈的发射场均匀性在高频下恶化的问题。采用两级四分之一波长线提高发射和接收的隔离度，减小了超高场***的射频发射频率下分立器件的寄生参数以及焊接工艺的差异性会恶化电路的射频性能，并且增大电路的损耗的问题。射频收发组件与前置放大器集成于一块电路板上，减少了走线和电路之间的干扰。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种射频阵列线圈***，其特征在于，包括：功率分配器、射频收发组件、阵列线圈、前置放大器、移相器；

所述功率分配器连接所述射频收发组件，用于将输入的高功率射频进行多路分配，分配相同的功率至对应的所述射频收发组件；

所述射频收发组件与所述阵列线圈匹配连接，用于驱动所述阵列线圈发射和接收信号；

所述阵列线圈由多个环形线圈组成，所述多个环形线圈围绕设置于圆柱形支架，所述多个环形线圈相互之间既无几何重叠也无物理结构连接，用于产生圆极化的发射场；

所述前置放大器放置在距离每个环形线圈的预设距离处，用于接收所述阵列线圈产生的信号；

所述功率分配器包括正交耦合器和功分器，所述正交耦合器包括第一正交耦合器和第二正交耦合器；

所述第一正交耦合器与两个所述第二正交耦合器连接，用于将射频功率放大器输入的高功率射频分配至两路所述第二正交耦合器；

每个所述第二正交耦合器与两个所述功分器连接，用于将所述第一正交耦合器发送的射频分配给两路所述功分器；

所述移相器连接于所述正交耦合器与所述功分器之间，以及所述功分器和所述环形线圈之间，用于对传输的射频的相位进行调整。

2.根据权利要求1所述的一种射频阵列线圈***，其特征在于，所述正交耦合器与所述功分器之间配合不同长度的同轴线缆，用于改变不同通道激励源幅值和调制相位。

3.根据权利要求2所述的一种射频阵列线圈***，其特征在于，所述同轴线缆上设置电缆陷阱，用于抑制所述同轴线缆上的不平衡电流，保护所述前置放大器。

4.根据权利要求1所述的一种射频阵列线圈***，其特征在于，每个所述环形线圈使用铜带作为导体，所述铜带均匀分布，用于使得每个所述环形线圈回路中产生均匀的电流。

5.根据权利要求1所述的一种射频阵列线圈***，其特征在于，所述射频阵列线圈***还包括：电磁屏蔽装置；

所述电磁屏蔽装置与所述阵列线圈连接，用于避免所述阵列线圈受到电磁干扰。

6.根据权利要求5所述的一种射频阵列线圈***，其特征在于，所述电磁屏蔽装置由开槽铜箔制成，等距分布形成圆柱面，位于所述阵列线圈上方。

7.根据权利要求1所述的一种射频阵列线圈***，其特征在于，所述射频收发组件与所述前置放大器集成于一块电路板上，用于减少走线和电路之间的干扰。

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