CN1954230B - 用于超高磁场mr的短元件tem线圈 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种横向电磁(TEM)线圈。该TEM线圈包括导电外壳和设置在该外壳的第一端部处的端板。该TEM线圈还包括设置在外壳内的多个TEM元件，该多个TEM元件比该外壳短。

Description

用于超高磁场MR的短元件TEM线圈

技术领域

下面涉及磁共振技术。它特别应用于3特斯拉以及更高的超高磁场下的磁共振成像中，并将特别对其进行描述。然而，它还可以应用于通常的磁共振成像中，以及磁共振频谱学以及相关的磁共振技术中。

背景技术

在大多数MR***中，为了获得优良的图像信噪比(SNR)，经常希望发射体积线圈和局部接收线圈能够结合。目前有用于7T***的横向电磁线圈(TEM)和圆拱结构的发射/接收头部线圈。为了具有高接收敏感性和有限的SAR，这些头部线圈具有相对小的尺寸。它们用来既充当发射线圈还充当接收线圈，具有可以与其它局部接收线圈、fMRI或噪音保护装置一起使用的有限内部空间。当作射频线圈的横向电磁(TEM)共振器的设计作为超高磁场4.7-9.4T MRI应用中标准圆拱结构线圈的替代者已受到了高度的关注。已表明，在200和400MHz的相应工作频率下，TEM共振器能够获得比等效的圆拱结构线圈更好的磁场均匀性和更高的质量因数，结果提高了图像质量。

而且对于圆拱结构线圈，射频护罩显著降低了圆拱结构线圈沿它的轴向的B₁磁场均匀性。对于TEM线圈，射频“护罩”是线圈自身的一部分而不是真正的射频护罩。从而使它的B₁磁场如同未被屏蔽的圆拱结构线圈，比被屏蔽的圆拱结构线圈均匀。然而，TEM线圈倾向于具有比圆拱结构线圈大的SAR。仔细选择TEM线圈的长度可以在更均匀的B₁磁场这个优势与更大的SAR这个劣势之间取得平衡。

在文献中描述的TEM线圈包括发射元件，发射元件的长度与射频“屏蔽”返回路径相当。通常它们与物体紧密适合以保持优良的填充因数(对于S/N)，并且尺寸适合与***梯度线圈一起使用。

对于一些成像技术，例如敏感性编码(SENSE)应用，希望相对大的发射头部线圈与局部接收线圈一起使用。然而，使目前的头部线圈足够大以容纳局部接收线圈会引起SAR的问题。

本发明提供克服了上面的限制等的改进装置和方法。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种横向电磁(TEM)线圈。该TEM线圈包括导电外壳、设置在圆柱形外壳的第一端部处的端板和设置在圆柱形外壳内的多个TEM元件，该多个TEM元件比外壳短。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种磁共振装置。该磁共振装置包括用来在检查区内产生主磁场的主磁体；与主磁场协同来产生磁梯度场的多个梯度线圈；和用来向检查区内发射射频脉冲的射频发射线圈，该发射线圈包括端部封闭的TEM线圈和长度显著比TEM线圈的总长度短的多个TEM共振器元件。

本发明实施例的一个优势是便于增加线圈内部的空间。

本发明实施例的另一个优势是便于降低SAR。

本发明实施例的另一个优势是便于延长轴向覆盖区域。

本发明实施例的另一个优势是便于产生B₁磁场的均匀性。

本发明实施例的另一个优势是减少了辐射损失。

本发明实施例的另一个优势是便于使病人舒适。

本发明实施例的另一个优势是便于降低载荷。

对本领域普通技术人员来说，一读到下面对于优选实施例的详细描述，许多其它优势和益处就会变得显而易见。

附图说明

本发明可以采用不同的元件和元件设置，以及不同的工艺操作和工艺操作设置。附图只是用来解释优选的实施例，并不解释为限制本发明。

图1示意性地示出了包括TEM射频线圈的磁共振成像***。

图2A示意性地示出了TEM线圈的横截面。

图2B示出了TEM线圈的透视图。

图3示出了共振器元件的透视图。

图4A示意性地示出了TEM线圈的另一个实施例的横截面。

图4B示出了TEM线圈的另一个实施例的透视图。

图5示出了对于两个TEM线圈B1磁场的曲线图。

图6A示意性地示出了TEM共振器设置在线圈中心区域内的TEM线圈的实施例。

图6B示出了TEM共振器设置在线圈开口端部处的TEM线圈的实施例。

图7示出了对于三个TEM线圈每片的平均B1值和B1值的标准偏差的曲线图。

图8示出了TEM共振器设置在线圈开口端部处的TEM线圈的实施例。

图9示出了对于两个TEM线圈的B1磁场的曲线图。

图10A示出了具有不同长度的共振器元件的TEM线圈实施例的透视图。

图10B示出了具有不同长度的共振器元件的TEM线圈实施例的轴向视图。

图10C示出了具有设置在不同径向位置处的共振器元件的TEM线圈实施例的轴向视图。

图11示出了具有设置在不同径向位置处的共振器元件的TEM线圈的实施例。

具体实施方式

参照图1，磁共振成像扫描仪10包括限定通常是圆柱形的扫描仪内腔14的外壳12，将相关的成像物体16设置在扫描仪内腔14的内部。主磁场线圈20设置在外壳12内，产生基本上空间并且时间恒定的B₀磁场，在含在扫描仪内腔14中的成像区域内该磁场的方向通常是沿z方向。使用3T到7T数量级的B₀磁场，但是还可以使用高于7T以及低到几分之一特斯拉的磁场。典型地，主磁场线圈是设置在低温包箍24内的超导线圈。然而，也可以采用电阻性主磁场线圈。

外壳12还容纳或支撑产生磁场梯度的结构，例如磁场梯度线圈26，用来平行于z方向、垂直于z方向或沿其它选择的方向选择性地产生磁场梯度。外壳12还容纳或支撑用来选择性地激发磁共振的第一射频线圈30。特定地，射频线圈30产生垂直于主B₀磁场的射频B₁磁场。射频B₁磁场是在用来激发核磁共振的拉莫尔频率下产生的。对于7T下的质子成像，约298MHz的B₁频率是合适的，而在3T下，约128MHz的B₁频率是合适的。在图示的实施例中，线圈30是横向电磁(TEM)线圈。在图1中还示出了设置在TEM线圈内部的第二射频线圈36。在这个实施例中，第二射频线圈被示为单表面的线圈。然而，也可以使用其它类型的线圈，例如体积线圈、正交线圈、线圈阵列等。

在成像过程中，主磁场线圈20在成像区域内，平行于内腔14中的z方向产生空间和时间恒定的B₀磁场。磁共振成像控制器40操作磁场梯度控制器42以选择性地给磁场梯度线圈26提供能量，并操作与射频线圈30相连的射频发射器44以选择性地给射频线圈30提供能量。通过选择性地操作磁场梯度线圈26和射频线圈30，在成像物体16感兴趣的区域的至少一部分内产生了磁共振并且对磁共振在空间中编码。通过由梯度线圈26施加选择的磁场梯度，在获取磁共振信号的过程中遍历所选择的k空间轨迹线，例如笛卡尔轨迹线、多个径向轨迹线或螺旋形轨迹线。与第二射频线圈36相连的射频接收器46在遍历k空间轨迹线的过程中接收磁共振采样。该采样存储在磁共振数据存储器50中。

重构处理器52将磁共振数据重构成一个或更多个重构图像。在k空间采样数据的情况下，可以采用以基于傅里叶变换的重构算法。根据获取的磁共振成像数据的形式，也可以使用其它的重构算法，例如以基于滤波反投影的重构。重构图像或重构处理器52产生的图像存储在图像存储器56中，并且可以显示在用户界面60的显示器58上、存储在非易失性存储器中、通过区域网或因特网发送、查看、存储、操作等等。用户界面60还能使放射线学者、技术员或磁共振成像扫描仪10的其它操作者与磁共振成像控制器40进行通话，以选择、修改和执行磁共振成像程序。

所描述的磁共振程序***是一个例子。在这里描述的射频线圈可以应用于基本上任何类型的磁共振成像扫描仪，例如开放磁体扫描仪、垂直磁体扫描仪等等。而且，在这里描述的射频线圈可以应用在除了成像的磁共振程序中，例如磁共振频谱学中。

转到图2A-2B，更详细地示出了TEM共振器30的实施例。在这个实施例中，示出了基于半封闭超短TEM的发射头部线圈。这种TEM线圈的特征是实际的线圈元件比线圈本身短得多。在实际应用中，使用偶数个元件(例如16个)，但是在图中只示出两个元件以简化说明。

如图2A-2B中所示，TEM线圈包括导电圆柱形外壳210和设置在线圈的第一端部处的导电端板220。圆柱形外壳具有长度L_o和直径D_o。在图示的实施例中，端板可以是在第一端部处封闭线圈的带槽板。端板中的槽可以与电容器桥接。圆筒和端板一起形成了TEM护罩并且限定了空腔230，空腔230在与第一端部相对的线圈的第二端部处具有开口。

设置在TEM线圈的空腔内的是第一和第二内板240、250和多个TEM元件260。在图示的实施例中，在圆柱形外壳的中心区域R内第一和第二内板设置成相互隔开距离L_t。可以看到，也代表TEM元件的有效长度的距离L_t比圆柱形外壳的长度L₀小。而且，第一和第二内板的每个都包括开口。该开口连同TEM元件限定了TEM线圈的内腔270。因此，内板中的开口使物体16感兴趣的区域可以设置在TEM线圈的内腔内。

如图2A-2B和图3中所示，每个TEM元件260包括外管262以及设置在外管内并且由介电套筒266、267(在图3中未示出)保持在管内适当的径向位置的第一和第二内杆264、265。TEM元件绕着内腔设置，形成具有直径D_t的通常是环形的图形，直径D_t是由TEM元件的中心所限定。而且，外管与内板沿轴向隔开短的间隙。这提供了管和内板之间的基本电绝缘。对于内杆，这些中心导体与它们各自的内板电接触，并不延伸管的全部长度。而是内板导体的***深度可以沿z方向调整。同样，它们包括可变长度的开路发射线，可以根据需要对开路发射线进行调整以将元件调准。

在图4A和4B中示出的另一个实施例中，TEM共振器30包括按照圆柱形的图形设置并且由圆柱形护罩所包围的多个纵向导体。在图示的实施例中，不是上面所描述的管和杆的结构，而是纵向导体为导电条或微波传输带导体462。而且，导电条或微波传输带的内导体通过电容器与护罩连接。可以用由介电材料制成的中空圆柱形线圈架来形成微波传输带结构。在这个实施例中，内部微波传输带导体通过电容器470与TEM护罩连接并且通过电容器470对线圈进行细调。TEM元件还是比TEM线圈的圆柱形外壳短。

对TEM线圈30的尺寸进行特别关注，在一个实施例中，提供了一种具有相对短的TEM共振元件的头部线圈。该线圈比常规的头部线圈大得多，同时保持了非常优良的B₁磁场均匀性和有限的SAR。当提及头部线圈时，可以理解的是，TEM线圈的端板使线圈的使用限制在物体不需要通过线圈的中心延伸到两个端板之外的应用中。相应地，该线圈不限制于与物体的头部相关的使用。例如，还可以用该线圈对其它的四肢，例如手和足进行成像。

在本实施例中，TEM线圈包括了与相关的TEM护罩的长度相比是相对短的TEM元件。此外，这个实施例包括了有助于包含E和B磁场的端板。它降低了向线圈那侧的辐射损失，同时减少了与相关的电连接器的耦合。因此，在这个实施例中，射频线圈是具有相对短的TEM元件的端部封闭的TEM线圈。

更加特定地，在一个实施例中，TEM线圈包括16个发射元件。每个元件长10厘米(L_t＝10厘米)，内孔直径60.6厘米(D_t＝60.6厘米)。相关的TEM护罩长40厘米(L_o＝40厘米)，直径68厘米(D_o＝68厘米)。

为了示范，使用上面的参考尺寸，用FDTD方法在7特斯拉下对这个线圈进行建模。相应地，模型线圈以设置在直径68厘米的射频护罩内的16个元件的集总电容器TEM共振器结构为基础。如上所述，TEM线圈的一个侧面由端板封闭。在这个TEM线圈的实施例与标准TEM头部线圈之间进行比较，标准TEM头部线圈具有相同的护罩，TEM元件长18厘米，TEM元件所形成的直径是30厘米。

图5示出了在TEM线圈的本实施例(标为“新的头部线圈”的曲线)与标准尺寸的TEM头部线圈(标为“头部TEM 7T”的曲线)之间的标准化的|B₁ ⁺|磁场的比较。如图5中所示，沿z轴的B₁ ⁺磁场在大区域上基本均匀。如图5中所示，与本实施例相关的头部中的B₁磁场与7T下的标准TEM头部线圈是非常类似的。但是在此，本实施例的优势是该线圈比标准线圈更开放。这是由于这样的事实，即它是标准TEM头部线圈的约两倍长、直径是标准TEM头部线圈的约两倍大。

与本TEM线圈实施例相关的另一个设计考虑是SAR。依据上面的模型参数，在本实施例与标准头部TEM线圈之间进行SAR的比较。在两种情况下，头部的相同横向片中的平均B₁ ⁺磁场相等。在表1中示出了计算的SAR，表1包括基于新的TEM共振元件的大尺寸发射头部线圈与标准7T TEM头部线圈之间的100％占空比的SAR比较。将SAR标定为使平均|B₁ ⁺|磁场在头部模型的相同中心横向片中等于10μT。可以看到，对于新的头部线圈，头部SAR和局部SAR比标准TEM头部线圈低。输入的射频功率对于两个线圈近似相同。

100％占空比	头部的SAR(W/kg)	最大的10g局部SAR(W/kg)	输入功率(KW)
				新的头部线圈	88	346	1.1
标准TEM 7T头部线圈	114	415	1.2
				变化％	-23％	-17％	-8％

表1

在另一个实施例中，TEM线圈的所有尺寸可以与标准头部TEM线圈的所有尺寸相似。可以使这个实施例与标准线圈相比具有提高的覆盖范围，或者可以使它具有相似的覆盖范围时更短。

在一个实施例中，TEM线圈的全长(Lo)是18厘米。与TEM元件相关的直径(D_t)是30厘米，TEM元件的长度(L_t)是6厘米。如图6A和6B中所示，具有6厘米长的TEM元件的两个头部线圈具有与标准TEM头部线圈相同的尺寸。如图6A的实施例中所示，TEM元件可以设置在圆柱形外壳的中心区域。如图6B的实施例中所示，TEM元件可以设置在圆柱形外壳的开口端部处。

图7示出了对于目前的TEM头部线圈和以图6A和6B中示出的实施例为基础的两个短TEM元件，横向片中的B₁磁场。特别地，图7示出了对于两个头部线圈和标准7T TEM头部线圈，每个头部的横向片的平均|B₁ ⁺|磁场和它的标准偏差的比较。图7中的每个横向片的平均|B₁ ⁺|磁场和它的标准偏差的曲线图示出了短元件头部线圈实施例的优势。

当TEM元件设置在圆柱形外壳的中心区域内时，每片的加载|B₁ ⁺|磁场以及标准偏差几乎与具有全长元件的标准TEM头部线圈相同。这表示这两个线圈具有基本上相同的B₁ ⁺磁场均匀性的特性。

参照图6B和图7，当TEM元件设置在圆柱形外壳的第二(前或开口)端部附近时，与具有全长元件的标准TEM头部线圈相比，加载的|B₁ ⁺|磁场轴向均匀性显著提高了。这使得改进了的线圈与标准TEM线圈相比便于使用更大的视场。

图8示出了L_o＝12厘米，并且TEM元件设置在圆柱形外壳的开口端部处的实施例。实际上，这种实施例类似于上面所述的L_o＝18厘米并且TEM元件设置在圆柱形外壳的中心区域内的实施例。两个实施例之间的区别是圆柱形外壳从TEM元件向18厘米线圈的开口端部延伸的部分被去除了。从图9中可以看出，去除护罩的这个前部不会影响基于更短的TEM元件的头部线圈的|B₁ ⁺|磁场。从而可以有效地使头部线圈甚至更短，而不会降低沿z轴的|B₁ ⁺|磁场均匀性。更短的头部线圈看起来对病人更加开放并且提高了他的舒适度。

另一方面，如果线圈的长度保持相同，TEM元件设置在线圈的开口端部(或前部)，如图6B所示，那么可以获得沿轴向的更大视场。

对于图6A和6B中的更短TEM元件的头部线圈来说，由于降低了线圈敏感性和邻近效应，因此SAR比具有全长TEM元件的头部线圈大，如表2中所示。将图6A中的新线圈与标准TEM 7T头部线圈相比，头部SAR只增加了8％，局部SAR增加了5％。然而，在将头部线圈远离肩膀放置的情况下，它具有更低的头部和局部SAR，同时保持了头部区域内的优良的B₁ ⁺磁场均匀性。

100％占空比	头部的SAR(W/kg)	最大的10g局部SAR(W/kg)	输入功率(KW)
				标准TEM 7T头部线圈	114	415	1.2
新的TEM元件在中间	123	434	1.4
				新的TEM元件在中间，射频护罩的前部被去除	128	470	1.6
新的TEM元件在开口前端并且设置在颈部附近	201	885	2.8
				新的TEM元件在开口前端并且设置在头部附近	115	479	1.5

表2

在另一个实施例中，TEM线圈包括相互之间长度不同的多个TEM元件。在图10A和10B中示出的实施例中，TEM线圈30包括具有长度L₅₀₁的第一TEM元件501和具有长度L₅₀₂的第二TEM元件502。在这个实施例中，可以根据需要选择元件的长度，只要长度中的至少一个小于TEM外壳的长度。在图10A中示出的实施例中，示出了具有长度L₅₀₁的两个元件彼此相对，同时示出了具有长度L₅₀₂的两个元件彼此相对。应该理解的是，如图10B中所示，可以在TEM线圈内设置不同数量的元件。可以从图10B中看出，在线圈内将元件对称隔开。而且，可以根据需要，例如用PIN二极管开关来实现发射或接收模式下第一与第二TEM元件之间的转换。

如图10B中所示，第一和第二TEM元件的每个都设置在相同的径向位置处。然而，在图10C中示出的实施例中，第一TEM元件501设置在与线圈外壳的中心距离第一径向距离R₅₀₁处，而第二TEM元件502设置在与外壳的中心距离第二径向距离R₅₀₂处。

在另一个实施例中，共振器元件可以设置在TEM线圈的外壳内是第一和第二轴向位置处。特别参照图11，示出了TEM元件设置在与端板220相对的线圈的端部附近以及TEM线圈的中心区域内。在这个实施例中的两套TEM元件可以在发射和/或接收模式下一起使用。可替换地，根据TEM元件的轴向位置，它们可以在发射和/或接收模式下单独使用。在这种实施例中，TEM元件之间的转换可以通过PIN二极管开关来实现。

在操作中，可以理解的是，上面描述的TEM元件可以根据需要成组使用或者单独使用。在多发射或多接收的实施例中，对于每一个多信道元件，MR扫描仪包括多个、独立的射频链路。为了射频信号的发射或接收，可以单独地构造这些路径。结果是，可以用一个或更多个信道用于射频发射以及一个或更多个信道用于射频接收。

例如，在一个实施例中，N个独立的射频波形被放大器放大，然后通过发射/接收开关发送到TEM线圈。这些开关中的每一个被单独地控制使得可以对同时发射和接收进行任意的组合。在常规的接收模式下，数据被发送到接收信道用于进行数字化和进一步的处理。

已经参考优选实施例对本发明进行了描述。很显然，在阅读和理解了前面的细节描述之后，可以进行修改和变化。本发明应理解为旨在包括所有这些修改和变化，只要它们在附加的权利要求或其等效物的范围内。

Claims (6)

1.一种横向电磁TEM线圈，包括：

导电外壳；

设置在该导电外壳的第一端部处的导电端板；和

设置在该导电外壳内的多个TEM元件，该多个TEM元件比该导电外壳短；

设置在该导电外壳内的第一内板和第二内板，该第一内板和第二内板设置成相互隔开代表TEM元件有效长度的距离，所述第一内板和第二内板具有开口；

其中每个TEM元件包括：

外管，与所述第一和第二内板间隔开，以将所述外管与所述第一和第二内板电隔离；以及

设置在外管内并且由介电套筒保持在管内适当的径向位置的第一和第二内杆，所述第一和第二内杆使得与它们相应的内板电接触，且不延伸所述外管的全部长度，从而形成由内杆在外管内的***长度调节的开路发射线。

2.．权利要求1所述的TEM线圈，其中该多个TEM元件限定了具有大于30厘米的直径的内腔。

3.权利要求2所述的TEM线圈，其中该端板基本上封闭该导电外壳的第一端部。

4.权利要求1所述的TEM线圈，其中该多个TEM元件限定了具有约60厘米的直径的内腔。

5.权利要求1所述的TEM线圈，其中该TEM线圈具有基本上由该导电外壳所限定的总长度，并且该TEM元件具有TEM线圈的总长度的约百分之二十五的长度。

6.权利要求1所述的TEM线圈，其中该TEM元件设置在第一轴向位置处，其中该第一轴向位置是与第一端部相对的外壳的第二端部。

7．权利要求6所述的TEM线圈，还包括设置在导电外壳内的第二轴向位置处的第二多个TEM元件，该第二轴向位置与第一轴向位置不同。

8．权利要求1所述的TEM线圈，其中该TEM元件设置在导电外壳的中心区域内。

9．一种磁共振装置，包括：

用来在检查区内产生主磁场的主磁体；

与主磁场协同来产生磁梯度场的多个梯度线圈；和

用来向检查区内发射射频脉冲的射频发射线圈，该发射线圈包括根据权利要求1-8的任意一项所述的TEM线圈，所述TEM线圈端部封闭并包括限定了TEM线圈全部长度的导电外壳，所述发射线圈还包括设置在所述导电外壳内部而且长度比TEM线圈的总长度短的多个TEM元件；

其中所述TEM元件设置在TEM线圈的开口端部附近。

10．权利要求9所述的磁共振装置，其中该TEM元件设置在该TEM线圈内并且限定了在其中布置的内腔，该内腔具有大于30厘米的直径。

11．权利要求10所述的磁共振装置，其中该TEM元件的长度是该TEM线圈的总长度的约百分之二十五。

12．权利要求10所述的磁共振装置，其中该TEM线圈是头部线圈。

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