具有多个独立的发送接收通道的磁共振体积线圈的制作方法

1.本发明涉及用于磁共振(mr)成像(mri)和光谱(mrs)系统的射频(rf)体积线圈领域，尤其涉及一种具有增强的横向rf磁场(b
1
)均匀性和b
1
匀场能力的超高场rf体积线圈。


背景技术：

2.目前，超高场mri系统已经可以商业化地用于在受限的解剖结构中的研究目的和临床应用。遗憾的是，在比如7t及以上的超高场下，由于患者的组织的电介质(波长)效应的增加，由常规的mri系统的rf发送线圈产生的b
1
场逐渐不均匀。虽然，为了改善b
1
场的均匀性(例如b
1
均匀性)，可以使用被布置成覆盖关注体积并具有多个t/r通道的多元件发送/接收(t/r)表面线圈，但这种方法在技术上是复杂的，并具有受限的b
1
均匀性。因此，本系统的实施例可以克服常规的超高场mri和mrs系统的这些和其他缺点。
3.从us 2018/0246179 a1中已知一种磁共振(mr)系统，其包括：体积型射频(rf)线圈组件，该线圈组件具有带有多个端口的体积线圈和带有多个端口的环形线圈，并且环形线圈位于体积型线圈周围；以及至少一个控制器，该控制器被配置为选择性地控制第一发送/接收(t/r)射频(rf)通道以产生包括用于驱动体积型线圈的rf正交信号的输出，并且选择性地控制第二t/r rf通道以产生包括用于驱动环形线圈的rf正交信号的输出。
4.从us 6,522,143 b1中已知一种磁共振装置，其包括用于提供沿主场轴线的磁场(b0)的主磁场源。发送器和发送线圈激发物体的核子以产生共振。共振的核子产生磁共振信号，该磁共振信号由包括一对沿线圈轴线分隔开的端环的体积线圈检测到。该端环通过围绕该环设置的多个横档电互连。一个导电环圈被同心地设置在端环之间，并与端环电感耦合。该环圈包括优选地围绕横档并被定为成与端环平行的电导体。与导体电连通的电容元件被选择或调整，以将该环圈调谐至选定频率的信号。此外，该环圈可沿线圈轴线滑动地定位，并具有可调节的电容器，以将该环圈匹配或调谐至选定频率的信号。
5.此外，从本领域现有技术中已知偶极子天线阵列，其通常用于构建用于超高场mri的体积发送/接收线圈。
6.从us 2015/0130465 a1已知一种装置，其包括多个电偶极子天线装置，以及被配置为从电偶极子天线装置中接收信号并基于该信号生成磁共振图像的处理装置。电偶极子天线装置中的每一个可以具有在彼此相反的方向上延伸的至少两个极子。其中一个极子可以具有弯曲的形状，其可以分叉并遵循两个镜像对称的s形状。
7.具有固定数量的独立的发送/接收通道的偶极子天线阵列在改善b
1
场均匀性和接收线圈灵敏度方面具有局限性。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种用于磁共振(mr)系统的(rf)线圈装置，其对于具有有限数量的t/r通道的mri系统，具有改进的发送b1 匀场和优化的接收信噪比(snr)。
9.根据本发明，这一目的由独立权利要求的主题来解决。本发明的优选实施例在从
属权利要求中进行了描述。
10.因此，根据本发明，提供了一种用于磁共振(mr)系统的超高场射频(rf)发送/接收装置，该rf线圈装置包括：基于偶极子阵列的体积线圈，该基于偶极子阵列的体积线圈包括多个直偶极子天线，其中直偶极子天线基本上彼此平行并位于圆柱形的rf屏蔽件内，该rf线圈装置还包括：至少三个圆形导电环，其径向围绕着基于偶极子阵列的体积线圈，其中第一圆形导电环位于基于偶极子阵列的体积线圈的相反的轴向端部中的一个处，第二圆形导电环位于基于偶极子阵列的体积线圈的相反端部处，第三圆形导电环位于第一圆形导电环和第二圆形导电环之间，围绕着基于偶极子阵列的体积线圈的中心，第一导电环、第二导电环和第三导电环基本上彼此平行，其中至少第三圆形导电环具有用于接收一组正交驱动信号的多个端口，该装置还包括用于驱动基于偶极子阵列的体积线圈和至少三个圆形导电环的至少两个独立的发送/接收(t/r)rf通道。
11.本发明的主要思想是将三个导电环与基于偶极子阵列的体积线圈相结合。这三个环产生额外的横向b1场分量，以用于改善的b
1
匀场和信噪比(snr)。利用所提出的(rf)线圈装置，可以进行发送b
1
匀场和接收信噪比(snr)优化，以改善在比如7t及以上的超高场下的mr成像质量。
12.本发明的rf发送/接收装置包括基于偶极子阵列的体积线圈，其具有沿轴向方向彼此平行地布置成圆柱形构造的直偶极子天线。轴向方向是沿着圆柱形构造的纵向轴线。第一圆形导电环和第二圆形导电环被放置在圆柱形构造的相反的轴向端部处。第三圆形导电环在轴向上被放置在第一圆形导电环和第二圆形导电环之间。导电环被布置成围绕基于偶极子阵列的体积线圈。例如，导电环被放置在基于偶极子阵列的体积线圈的直偶极子天线的径向外侧。具体地，圆形导电环可以被布置成横向于纵向轴线。例如，两个圆形导电环可以分别被放置在轴向相反的端部处的径向平面内，且第三圆形导电环在轴向上被放置在轴向的相反端部之间的径向平面内。
13.提供至少两个独立的发送/接收通道，以用于驱动基于偶极子阵列的体积线圈和圆形导电环。具体地，第三(中间)圆形导电环上装有用于接收正交驱动信号的端口。为此，相应的独立的发送/接收通道被耦合到第三(中间)圆形导电环的相应的端口，以便以正交模式驱动第三(中间)圆形导电环。
14.在另一公开的方面，至少一个发送/接收(t/r)rf通道被分配给每个直偶极子天线，一个通道被分配给第一圆形导电环和第二圆形导电环，一个通道被分配给第三圆形导电环的第一端口和第三圆形导电环的第二端口。
15.另外设想到该装置包括功率分路器和180
°
移相器，其中被分配给第一圆形导电环和第二圆形导电环的通道通过功率分路器和180
°
移相器被分配给第一圆形导电环和第二圆形导电环。
16.根据本装置的实施例，该装置包括正交混合耦合器，其中被分配给第三圆形导电环的第一端口和第三圆形导电环的第二端口的通道通过正交混合耦合器被分配给第三圆形导电环的第一端口和第三圆形导电环的第二端口，其中第一端口和第二端口沿第三圆形导电环在方位角上分隔90
°
。
17.另外设想到至少一个发送/接收(t/r)rf通道被分配给每个直偶极子，一个通道被分配给第一圆形导电环，一个通道被分配给第二圆形导电环，一个通道被分配给第三圆形
导电环的第一端口，一个通道被分配给第三圆形导电环的第二端口。
18.另外设想到直偶极子天线和圆形导电环被调谐到同一mri谐振频率。
19.根据本装置的实施例，电容器和/或电感器被放置在每个直偶极子天线中，以调谐直偶极子天线，使得在每个直偶极子天线的中间具有最大电流。
20.另外设想到电容器和/或电感器被沿第一圆形导电环和沿第二圆形导电环均匀地分布，以用于将第一圆形导电环和第二圆形导电环调谐到具有沿第一圆形导电环和第二圆形导电环的均匀电流分布的谐振模式。
21.根据本装置的实施例，电容器和/或电感器被沿第三圆形导电环均匀地分布，以用于将第三圆形导电环调谐到具有沿第三圆形导电环的正弦电流分布的谐振模式。
22.另外设想到超高场射频(rf)发送/接收装置包括rf屏蔽件，其中该rf屏蔽件位于基于偶极子阵列的体积线圈和至少三个圆形导电环的周围。
23.本发明还提供了一种磁共振(mr)系统，其包括根据如上所述的装置的超高场射频(rf)发送/接收装置。
附图说明
24.本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例中变得明显并得到阐释。然而，此类实施例并不一定代表本发明的全部范围，因此，参考权利要求和本文，以解释本发明的范围。
25.在附图中：
26.图1示出了根据本发明的实施例的超高场射频(rf)发送/接收装置的局部切除的正面透视图；
27.图2示出了根据本发明的实施例的用于驱动双端口类型的超高场射频(rf)发送/接收装置的功率分路器和正交混合耦合器的示意图；
28.图3示出了根据本发明的实施例的具有四个电偶极子天线和三个圆形导电环的超高场射频(rf)发送/接收装置的正面透视侧视图；
29.图4示出了根据本发明的实施例的超高场射频(rf)发送/接收装置的有限差分时域(fdtd)数值模型的局部切除的正面透视图，其中具有模型头部；
30.图5示出了根据本发明的实施例的沿图2的模型的第三导电环截取的模型头部和超高场射频(rf)发送/接收装置的中心横向切片(s)的图；
31.图6示出了利用根据本发明的实施例的带有六个电偶极子天线和三个圆形导电环的超高场射频(rf)发送/接收装置获取的用于人类头部模型的中心横向、矢状和冠状切片的归一化的|b
1
|场(即，|b
1
|/|b
1
|
avg
)的图，其中|b
1
|
avg
是中心横向、矢状和冠状切片上的平均b
1
|；
32.图7示出了利用根据本发明的实施例的带有四个电偶极子天线和三个圆形导电环的超高场射频(rf)发送/接收装置获取的用于人类头部模型的中心横向、矢状和冠状切片的归一化的|b
1
|场(即|b
1
|/|b
1
|
avg
)的图，其中|b
1
|
avg
是中心横向、矢状和冠状切片上的平均|b
1
|。
具体实施方式
33.虽然本发明已在附图和前述描述中进行了详细说明和描述，但这种说明和描述应被视为说明性或示范性的，而不是限制性的；本发明不限于公开的实施例。通过对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域的技术人员在实施本发明时可以理解并实现对所公开的实施例的其他变化。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，而不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。仅仅是在相互不同的从属权利要求中叙述了某些措施的这一事实并不表明这些措施的组合不能被用来获益。权利要求中的任何附图标记都不应被理解为限制范围。此外，为了清楚起见，并非附图中的所有元件都有附图标记。
34.图1示出了根据本发明的实施例的超高场射频(rf)发送/接收装置1的局部切除的正面透视图。rf线圈装置1可被配置成作为发送/接收体积线圈来操作，其可与各种频率和/或场强兼容，如超高场mri和mrs。rf线圈1可以包括一个或多个基于偶极子阵列的体积线圈2、径向围绕基于偶极子阵列的体积线圈2的至少三个圆形导电环4、5、6，以及rf屏蔽件，该rf屏蔽件可以围绕基于偶极子阵列的体积线圈2和至少三个圆形导电环4、5、6中的至少一个的至少一部分。在基于偶极子阵列的体积线圈2和至少三个圆形导电环4、5、6之间，没有物理接触或电子连接。基于偶极子阵列的体积线圈2包括数个直偶极子天线3。基于偶极子阵列的体积线圈具有长度l
vc
(例如，直偶极子天线的测量长度)和直径d
vc
。第一圆形导电环4位于基于偶极子阵列的体积线圈2的相反的轴向端部中的一个处，第二圆形导电环5位于基于偶极子阵列的体积线圈2的相反端部处。第三圆形导电环6位于第一圆形导电环4和第二圆形导电环5之间，围绕着基于偶极子阵列的体积线圈2的中心。至少三个圆形导电环4、5、6基本上彼此平行。三个圆形导电环4、5、6可包括直径，该直径可以大于基于偶极阵列的体积线圈2的直径，使得圆形导电环4、5、6可以包围基于偶极阵列的体积线圈2。
35.圆形导电环中的至少一个可以包括n(其中n是大于2的整数)个端口。例如，如果n＝4，那么圆形导电环中的一个可以包括四个端口，如端口-1、端口-2、端口-3和端口-4(通常为端口-n)。这些端口中的每一个可以在空间上被设置成与相邻的端口相隔大约90
°
。这些端口(端口-n)可被设置成使得它们可以在对应的圆形导电环的对应电容处耦合。端口(端口-n)可以通过关于相对的环的角度位置来识别。因此，对于n＝4，端口-1至端口-4可以分别被称为0
°
、90
°
、180
°
和270
°
端口(p)。例如，如果圆形导电环中的一个包括2或4个端口，那么这些端口可以在空间上与相邻的一个或多个端口在方位角上相隔90
°
。每个端口(端口-n)可以通过对应的信号导线连接到rf控制器。因此，信号导线可以向对应的端口(端口-x)提供驱动/激励信号，该信号引起磁共振激励效应，随后的磁共振信号由圆形导电环接收并提供给rf控制器或进一步处理，如用于重建等。
36.三个圆形导电环4、5、6可以使用任何合适的方法被调谐到所需的谐振频率。例如，设想到圆形导电环4、5、6可以通过电抗元件，如电容性间隙和/或分立的和/或分布式电容器(为清晰起见，在下文中两者可被称为电容器)，通过调整圆形导电环4、5、6的宽度，通过用电介质材料填充圆形导电环4、5、6和rf屏蔽件7之间的空间来调整圆形导电环4、5、6的直径，通过在电容性间隙中增加电感，和/或其适当的组合来调谐。例如，圆形导电环4、5、6可以包括多个导电段，其通过位于导电段之间的电容器(例如由电容性间隙形成)电容性地耦合在一起。
37.根据本系统的实施例，电容器可以沿着圆形导电环4、5、6的圆周以彼此均匀的间
隔放置，以便均匀地间隔开。例如，根据一些实施例，如果电容器的总数m＝16，那么这些电容器可以以360度/(m)＝360度/16＝22.5度的间隔放置。圆形导电环4、5、6中的每一个的电容器总数和/或电容可以基本上彼此相等。
38.rf屏蔽件7可以放置在基于偶极子阵列的体积线圈2和至少三个圆形导电环4、5、6的外侧，并分别围绕它们。该屏蔽件可以包括任何合适的rf屏蔽件7，且可以具有任何合适的形状，如圆柱形状，且可以由任何合适的材料形成，如薄铜或同等类型的屏蔽材料或与mri应用兼容的材料。例如，根据一些实施例，rf屏蔽件7可以由导电网形成，如铜网、非磁性不锈钢网、印刷电路板类型的结构中的分段的铜等。如果需要，rf屏蔽件7可以接地。根据本系统的实施例，rf屏蔽件7可以分别均匀地围绕基于偶极子阵列的体积线圈2和/或至少三个圆形导电环4、5、6装配。rf屏蔽件7的主要目的是减轻基于偶极子阵列的体积线圈2和/或至少三个圆形导电环4、5、6的辐射损失，并将这些部件与孔的外部部件(如梯度线圈等)隔离。
39.图1中提出的超高场射频(rf)发送/接收装置1是用于多通道超高场mri的发送/接收(t/r)体积线圈。在该示例中，超高场射频(rf)发送/接收装置包括总共八个独立的t/r通道。实际上，基于偶极子阵列的体积线圈2的所有直偶极子天线3和至少三个圆形导电环4、5、6可以独立地发送和接收rf信号，以便与预先定义的独立的rf t/r通道一起使用。
40.图2示出了根据本发明的实施例的用于驱动双端口类型的超高场射频(rf)发送/接收装置1的功率分路器15和正交混合耦合器17的示意图。
41.在如图2所示的一个实施例中，图1中的八通道超高场射频(rf)线圈装置1包括六个偶极子3和三个圆形导电环4、5、6，其中六个偶极子6分别被分配给前六个发送通道ch1至ch6。发送通道七13通过功率分路器15和180
°
移相器被分配给第一圆形导电环4和第二圆形导电环5两者，如图2a所示。通道八14通过正交混合耦合器被分配给第三圆形导电环6的第一端口和第二端口，如图2b所示。第一端口和第二端口沿第三圆形导电环在方位角上分隔90
°
。
42.图3示出了根据本发明的实施例的具有四个电偶极天线3和三个圆形导电环4、5、6的超高场射频(rf)发送/接收装置1的正面透视侧视图。
43.在本装置的一实施例中，图1中的八通道超高场射频(rf)发送/接收装置包括四个直偶极子天线3和三个圆形导电环4、5、6。四个发送通道分别被分配给四个直偶极子天线3。通道五19和通道六20被分配给第一圆形导电环和第二圆形导电环。通道七被分配给第三圆形导电环的第一端口，通道八被分配给第三圆形导电环的第二端口。
44.现在将参考图4至图7c来描述测试(模拟)结果，其中：
45.图4示出了根据本发明的实施例的超高场射频(rf)发送/接收装置1的有限差分时域(fdtd)数值模型的局部切除的正面透视图，其中具有模型头部8；图5示出了根据本发明的实施例的沿图4的模型的第三导电环截取的模型头部8和超高场射频(rf)发送/接收装置1的中心横向切片(s)的图；图6示出了利用根据本发明的实施例的带有六个电偶极子天线3和三个圆形导电环4、5、6的超高场射频(rf)发送/接收装置1获取的用于人类头部模型8的中心横向、矢状和冠状切片的归一化的|b
1
|场(即，|b
1
|/|b
1
|
avg
)的图，其中|b
1
|
avg
是中心横向、矢状和冠状切片上的平均b
1
|；图7示出了利用根据本发明的实施例的带有四个电偶极子天线3和三个圆形导电环4、5、6的超高场射频(rf)发送/接收装置1获取的人类头部模
型8的中心横向、矢状和冠状切片的归一化的|b
1
|场(即|b
1
|/|b
1
|
avg
)的图，其中|b
1
|
avg
是中心横向、矢状和冠状切片上的平均|b
1
|。
46.参考图4，rf线圈包括由六个偶极子3组成的基于偶极子阵列的体积线圈2，和径向围绕基于偶极子阵列的体积线圈2的三个圆形导电环4、5、6，以及圆柱形的rf屏蔽件(图4中未示出)。rf线圈可由模型头部8承载。六个偶极子3被布置成圆形形式，以形成基于偶极子阵列的体积线圈2。基于偶极子阵列的体积线圈2可以具有大约30cm的直径d
vc
，以及大约21.5cm的长度l
vc
。每个偶极子天线3可以具有21.5cm的长度和2cm的宽度。rf屏蔽件(图4中未示出)可以具有35cm的直径和27.5cm的长度。三个圆形导电环4、5、6可以具有相同的31cm的直径和1.5cm的宽度。在两个电感器对称地放置在偶极子天线3的任一侧且彼此分隔开5.5cm的情况下，每个偶极子天线3被调谐为在每个偶极子天线3的中间具有最大电流。在具有均匀分布的电容器的情况下，第一导电环4和导电环5被调谐到沿环4、5的均匀电流分布的谐振模式。在具有均匀分布的电容器的情况下，第三导电环6被调谐到正弦波电流分布的谐振模式。针对7特斯拉(7t)的质子mri，基于偶极子阵列的体积线圈2和三个圆形环4、5、6可以被调谐到298mhz。然而，也设想到其他的调谐值，并可基于mri系统的主磁场值。在图4中，总的独立的rf发送通道被限制为8个。
47.参考图5，示出了根据本发明的实施例的沿图4的模型的第三导电环6截取的模型头部和超高场射频(rf)发送/接收装置1的中心横向切片(s)。切片(s)可基本上位于基于偶极子阵列的体积线圈2的中间平面处。现在将参考图6a至图7c讨论中心横向切片(s)的|b
1
|匀场与图4所示的切片位置。最佳的|b
1
|匀场可以通过独立地改变基于偶极子阵列的体积线圈2的八个发送通道和三个圆形导电环4、5、6之间的振幅和/或相位差，使所选择的切片(例如当前实施例中的切片(s))中的|b
1
|场标准偏差最小化而实现。
48.参考图6，示出了利用根据本发明的实施例的带有六个电偶极天线3和三个圆形导电环4、5、6的超高场射频(rf)发送/接收装置1获取的人类头部模型的中心横向、矢状和冠状切片的归一化的|b
1
|场(即，|b
1
|/|b
1
|
avg
)，其中|b
1
|
avg
是中心横向、矢状和冠状切片上的平均|b
1
|。对于中心横向切片，|b
1
|(偏差)为0.07，|b
1
|
max
/|b
1
|
min
为1.6；对于中心矢状切片，|b
1
|(偏差)为0.13，|b
1
|
max
/|b
1
|
min
为2.3；对于中心冠状切片，|b
1
|(偏差)为0.12，|b
1
|
max
/|b
1
|
min
为2.4。由此可见，对于在超高场下的改善的mr成像质量，在|b
1
|匀场后的|b
1
|均匀性是足够均匀的。
49.参考图7，示出了利用根据本发明的实施例的带有四个电偶极子天线3和三个圆形导电环4、5、6的超高场射频(rf)发送/接收装置1获取的人类头部模型的中心横向、矢状和冠状切片的归一化|b
1
|场(即，|b
1
|/|b
1
|
avg
)，其中|b
1
|
avg
是中心横向、矢状和冠状切片上的平均|b
1
|。对于中心横向切片，|b
1
|(偏差)为0.07，|b
1
|
max
/|b
1
|
min
为1.7；对于中心矢状切片，|b
1
|(偏差)为0.13，|b
1
|
max
/|b
1
|
min
为2.1，且对于中心冠状切片，|b
1
|(偏差)为0.12，|b
1
|
max
/|b
1
|
min
为2.5。另外，对于具有四个电偶极子天线3的超高场射频(rf)发送/接收装置1来说，对于在超高场下的改善的mr成像质量，在|b
1
|匀场后的|b
1
|均匀性是足够均匀的。
50.附图标记列表
51.射频(rf)发送/接收装置
ꢀꢀꢀꢀ152.基于偶极子阵列的体积线圈 2
53.直偶极子天线
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ354.第一导电环
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ455.第二导电环
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ556.第三导电环
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ657.rf屏蔽件
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ758.检查物体
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ859.第一端口
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ960.第二端口
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10
61.通道5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
11
62.通道6
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12
63.通道7
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
13
64.通道8
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
14
65.功率分路器
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
15
66.移相器
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
16
67.正交混合耦合器
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
17
68.负载
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
18
69.通道5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
19
70.通道6
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20
71.通道7
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21
72.通道8
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22