專利名稱：一種c型開放式磁共振成像平板式射頻線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁共振成像(MRI)系統(tǒng)，尤其涉及一種C型開放式磁共振成像平板式射頻線圈。
背景技術(shù)：
磁共振成像系統(tǒng)工作時，將人體放在一個強的靜磁場中，通過向人體發(fā)射射頻脈沖使人體部分區(qū)域的原子核受到激發(fā)。射頻場撤除后，這些被激發(fā)的原子核輻射出射頻信號，由天線接收。由于在這一過程中，加入了梯度磁場，因此通過射頻信號可以獲得人體的空間分布信息，從而重建出人體的二維或三維圖像。
用來建立射頻場并接收射頻信號的是射頻線圈，單個的射頻線圈既可以用來發(fā)射，又可以用來接收，比如常用的頭線圈。同樣，一個射頻線圈也可用來只發(fā)射，或只接收，比如廣泛使用的表面線圈就是用來接收信號。
現(xiàn)有的采用C型結(jié)構(gòu)磁體的開放式磁共振成像系統(tǒng)，由上下兩磁極面形成靜磁場，兩磁極面通過一側(cè)的垂直的軛鐵(立軛)連接，形成磁路。這種磁體的射頻線圈要做成開放式的，以方便病人的進出，通常的方法是，在靠近磁極面的位置放置多個導(dǎo)體組，以產(chǎn)生垂直于主磁場的射頻場。同時，這種線圈的電流回路布置很重要，因為線圈導(dǎo)體本身并不自然形成回路，通常的方法是用屏蔽層作為回路。美國專利5467017公開的一種設(shè)計，如圖10所示，上下兩個平面線圈導(dǎo)體101分別由兩根同軸電纜102將功率輸入，在每個線圈接口處分別設(shè)有電容103和104對兩個線圈分別進行調(diào)節(jié)。兩根電纜102的另一端同一個射頻功率分配器105連接，屏蔽層106、107分別作為兩個線圈的電流回路。這種電路中，需要在射頻輸入接口處對兩個線圈平板的電流進行分配，并且還要對兩個線圈分別進行調(diào)諧，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上下兩個線圈有一定的獨立工作性，并且在調(diào)整時相互影響，使得調(diào)整變得不容易。
用屏蔽層作為電流的通路，解決了電流回路問題，但是，屏蔽層的電流對射頻場有一定的抵消作用，降低了線圈的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種用于C型開放式MRI系統(tǒng)的平板式射頻發(fā)射線圈，用來在磁體兩磁極面間建立射頻場。線圈包括兩個分別固定在上下兩個磁極面上的平板式線圈，每個線圈配置有多個線圈導(dǎo)體元件組成的導(dǎo)體組，導(dǎo)體組的兩端設(shè)置有公共連接導(dǎo)體，線圈導(dǎo)體元件沿著平板線圈一側(cè)的公共連接導(dǎo)體延伸到另一側(cè)的公共連接導(dǎo)體，線圈導(dǎo)體元件和公共連接導(dǎo)體構(gòu)成平板線圈內(nèi)的線圈平面。為使兩個線圈連成一個整體，兩個平板線圈內(nèi)的公用導(dǎo)體間用置于平板線圈外的另外兩個與平板線圈垂直的公共連接導(dǎo)體連接，該垂直的公共連接導(dǎo)體靠近磁體立軛；任意一側(cè)與平板線圈垂直的公共連接導(dǎo)體同射頻接口連接。理想情況下，射頻線圈應(yīng)該產(chǎn)生在成像區(qū)內(nèi)均勻的垂直于靜磁場的射頻場。在笛卡兒坐標系中，設(shè)靜磁場方向為Z方向，射頻場方向為X方向，另外一個方向為Y方向。設(shè)在靜磁場中心Z0上下等距離的地方有均勻的無限大Y方向的電流層，方向相反，電流密度為λ。在兩電流層之間的場為
Bx＝μ0λ 對于Z＞Z0Bx＝-μ0λ對于Z＜Z0Bx＝2μ0λ對于-Z0＜Z＜Z0實際上，因為線圈的大小有限制，因此，線圈設(shè)計都是在一定的成像范圍內(nèi)使射頻場盡可能均勻。
一般地，為獲得所要的均勻場，通常是在靠近極面的地方鋪設(shè)上下各一組導(dǎo)體，每組導(dǎo)體由若干個沿Y方向延伸的等間距線圈導(dǎo)體元件組成。上下兩個導(dǎo)體組的電流方向相反，每組導(dǎo)體的電流相同，通過增加或減少導(dǎo)體數(shù)量，可以獲得在所要空間中的較均勻的射頻場。
上面討論的平行的導(dǎo)體組還不構(gòu)成閉合的電路，所以需要提供額外的導(dǎo)體元件，去連接這兩個導(dǎo)體組各自的導(dǎo)體元件。許多供選擇的可能性可適用于完成電路的通路，并且這么做最理想的手段將有賴于特定的成象用途和系統(tǒng)的設(shè)計。如果使通路閉合的電流元件設(shè)置在遠離成象區(qū)，則在成象區(qū)中的場基本上將是線圈導(dǎo)體元件的場。這個場將在下面被描述。
設(shè)導(dǎo)體長度為L，把比奧一薩伐爾(Biot-Savart)定律應(yīng)用于沿y方向從y＝-L/2到y(tǒng)＝L/2延伸并被設(shè)置在x＝x。和z＝z。處的條狀電流元件，Bx=μ04πz-z0(x-x0)2+(z-z0)2[L/2-y(L/2-y)2+(x-x0)2+(z-z0)2+]]>L/2+y(L/2+y)2+(x-x0)2+(z-z0)2]]>可導(dǎo)出對在場點(x，y，z)處磁場分量的以下表達式完整的線圈對將含有N個在x＝x0(n)和z＝z0處的條狀導(dǎo)體和N個在x＝x0(n)和z＝-z0處的額外的導(dǎo)體，其中n＝1延伸到n＝N，由兩列條狀導(dǎo)體所產(chǎn)生的總的射頻場為
Bz=μ04πx-x0(x-x0)2+(z-z0)2[L/2-y(L/2-y)2+(x-x0)2+(z-z0)2+]]>L/2+y(L/2+y)2+(x-x0)2+(z-z0)2]]>By＝0Bx=Σn=1NBx(x0(n),z0)+Σn=1NBx(x0(n),-z0)]]>By＝0Bz=Σn=1NBz(x0(n),z0)+Σn=1NBz(x0(n),-z0)]]>對于單個導(dǎo)體，如果導(dǎo)體的長度L與數(shù)量(x-x0)和(z-z0)相比變得非常長，則Bz→μ02πx-x0(x-x0)2+(z-z0)2]]>By＝0Bx→μ02πz-z0(x-x0)2+(z-z0)2]]>
在成像體積中心處(x，y，z)＝(0，0，0)，單個導(dǎo)體的中心場為Bx=-μ04πLz0(x02+z02)(L24+x02+z02)1/2]]>By＝0Bz=-μ04πLx0(x02+z02)(L24+x02+z02)1/2]]>如果N是偶數(shù)，中心場為Bx=-μ0πLz0(x02+z02)(L24+x02+z02)1/2]]>By＝0Bz＝0如果N是奇數(shù)，中心場為Bx=-μ02πLz0z02(L24+z02)1/2]]>By＝0Bz＝0
因此，這種線圈在成像區(qū)域產(chǎn)生的場主要沿著X方向。
本發(fā)明的目的在于將這樣的兩個平板線圈連接成一個整體，從而使得線圈結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)容易，節(jié)省功率。
進一步講，本發(fā)明將通常的兩個平板線圈通過側(cè)面的兩個與其垂直的公共連接導(dǎo)體連在一起，使兩個平板線圈構(gòu)成一個獨立的線圈。每個平板線圈都有一系列的沿Y方向伸展的線圈導(dǎo)體組，因此在線圈導(dǎo)體組的兩端分別有公共連接導(dǎo)體將這些線圈導(dǎo)體連在一起，平面內(nèi)的公共連接導(dǎo)體對射頻場沒有貢獻。
每個公共連接導(dǎo)體沿X方向向磁體立軛方向伸出線圈平面，以使垂直連接導(dǎo)體同磁體的外殼相匹配。上下兩平板線圈相同一側(cè)的公共連接導(dǎo)體通過一個與平板線圈垂直的公共連接導(dǎo)體連接在一起，另外一側(cè)的公共連接導(dǎo)體由另一條垂直的公共連接導(dǎo)體連接在一起，這樣，上下兩個獨立的平板線圈就連接在一起，構(gòu)成一個獨立的線圈。
在任意一側(cè)的公共導(dǎo)體上開設(shè)一個射頻輸入接口，并設(shè)有相應(yīng)的電容器，以對整個線圈進行調(diào)節(jié)。由于垂直公共連接導(dǎo)體離成像空間不是很遠，電流密度大，因此，它對成像區(qū)射頻場有一定的貢獻，同時會影響射頻場的分布。
本發(fā)明的第二個目的是在導(dǎo)體組中各個導(dǎo)體元件上安裝不同大小的電容器，這樣每個導(dǎo)體的電流密度就可以通過調(diào)節(jié)電容的大小來改變，由于射頻場是由所有的導(dǎo)體共同作用形成的，每個導(dǎo)體電流密度的改變就會改變射頻場的分布，調(diào)節(jié)射頻場的形狀，從而使成像區(qū)的射頻場能夠保持所需的均勻性。
本發(fā)明的第三個目的是通過改變線圈導(dǎo)體的間距、線圈導(dǎo)體在線圈平面上的位置、線圈導(dǎo)體在線圈平面上的分布形狀來調(diào)整射頻場的形狀。為補償垂直公共連接導(dǎo)體對射頻場的影響，每個平板上的導(dǎo)體組的中心位置可以不在平板的幾何中心，同時，每組導(dǎo)體組中的每個導(dǎo)體元件的距離可以不相等，比如通過將導(dǎo)體組整體向磁體開口方向移動，或?qū)⒖拷朋w開口處的導(dǎo)體向磁體開口方向移動，都可以改變射頻場的分布，將射頻場的均勻區(qū)的幾何中心拉回到成像區(qū)的幾何中心。
顯然，不同寬度的導(dǎo)體其電流密度不同，而且導(dǎo)體寬度的變化實質(zhì)上改變了導(dǎo)體形成的電流元在線圈平板上的分布，因而影響射頻場的分布，本發(fā)明通過改變線圈導(dǎo)體的寬度調(diào)整射頻場分布，以實現(xiàn)所要求的射頻場的均勻度和幾何位置。
進一步講，位于平板內(nèi)的公共連接導(dǎo)體與線圈導(dǎo)體的連接方式可以改變射頻場的分布。線圈導(dǎo)體組中的每一個導(dǎo)體元件可以單獨同公共連接導(dǎo)體相連，這樣每個線圈導(dǎo)體同公共連接導(dǎo)體就有一個連接點；也可以先將一組導(dǎo)體單元用一個過渡公共導(dǎo)體連接，這個過渡公共導(dǎo)體再通過一點或多點同公共連接導(dǎo)體相連。由于電流經(jīng)過公共連接導(dǎo)體的路徑不同，其阻抗也不同，因此流過每個線圈導(dǎo)體的電流也不同，這樣，通過上述的方式，可以改變線圈導(dǎo)體組中每個導(dǎo)體元件的電流密度，從而改變射頻場的分布。
由于本發(fā)明中垂直公共連接導(dǎo)體對成像區(qū)的射頻場有貢獻，因此，改變兩個垂直公共連接導(dǎo)體的位置顯然會影響射頻場的分布。一般地，垂直公共連接導(dǎo)體距磁體立軛的距離是由磁體及其外形設(shè)計決定的，僅可以通過改變垂直公共連接導(dǎo)體之間的距離來改變射頻場的分布。另外，由于垂直公共連接導(dǎo)體一般會離磁體立軛很近，因此，在垂直公共連接導(dǎo)體和磁體立軛之間加入一個射頻屏蔽層，而這個屏蔽層也同上下平板線圈外側(cè)的屏蔽層連接，使得射頻線圈處在一個封閉的電磁環(huán)境中，有效地避開了外界對它的影響。


圖1為本發(fā)明的C型平板式射頻線圈的原理圖；圖2是本發(fā)明改變線圈導(dǎo)體間距來調(diào)整射頻場的一個實施例；圖3是本發(fā)明改變線圈導(dǎo)體寬度來調(diào)整射頻場的一個實施例；圖4是本發(fā)明改變線圈導(dǎo)體形狀來調(diào)整射頻場的一個實施例；圖5是本發(fā)明改變線圈導(dǎo)體間距來調(diào)整射頻場的又一個實施例；圖6是本發(fā)明改變垂直公共連接導(dǎo)體間距來調(diào)整射頻場的一個實施例；圖7是線圈導(dǎo)體直接同公共連接導(dǎo)體相連的結(jié)構(gòu)，圖中有三個連接點；圖8是線圈導(dǎo)體同過渡公共連接導(dǎo)體相連的結(jié)構(gòu)的一個實施例，圖中過渡公共連接導(dǎo)體與公共連接導(dǎo)體之間有兩個短的導(dǎo)體連接；圖9是本發(fā)明線圈導(dǎo)體間設(shè)有電容器來調(diào)整射頻場的一個實施例；圖10是已有技術(shù)的平板式線圈的結(jié)構(gòu)原理圖；圖11是本發(fā)明屏蔽層的一個實施例。
具體實施例方式
如圖1所示，上下平板線圈13各有一組線圈導(dǎo)體組110，線圈導(dǎo)體組110的兩端同平板線圈內(nèi)的兩個公共連接導(dǎo)體11相連，其中，公共連接導(dǎo)體11向磁體立軛方向伸出平板線圈13，并同兩個位于與線圈垂直方向的公共連接導(dǎo)體12連接，從而構(gòu)成一個閉合的回路。顯然，線圈導(dǎo)體在成像區(qū)產(chǎn)生的場的方向是X方向，而且上下兩個線圈導(dǎo)體110在成像區(qū)產(chǎn)生的場的方向相同。在一個垂直公共連接導(dǎo)體中上設(shè)有電容器14，用來調(diào)節(jié)線圈的諧振頻率，并由此同射頻輸入接口相連?？梢钥吹剑藭r的上下兩個平板射頻線圈線圈一構(gòu)成了一個統(tǒng)一的整體線圈，因此線圈調(diào)節(jié)方便，結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定。導(dǎo)體組110兩端的公共連接導(dǎo)體11在成像區(qū)產(chǎn)生的場方向相反，對射頻場沒有貢獻。由于兩個垂直公共連接導(dǎo)體12在成像區(qū)產(chǎn)生的場在X方向有相同的分量，因此對射頻場有貢獻，本線圈的效率較高。
由于垂直公共連接導(dǎo)體12對成像區(qū)射頻場有貢獻，因此，當線圈導(dǎo)體110位于平板中心位置時，成像區(qū)射頻場的分布將偏離成像中心，均勻性也發(fā)生變化，為校正這一變化，圖二給出了一個解決辦法，將線圈導(dǎo)體組210中的每個導(dǎo)體的位置移動，使導(dǎo)體之間的距離不在相等，由于成像區(qū)射頻場是由所有線圈導(dǎo)體210和垂直公共連接導(dǎo)體12共同作用的結(jié)果，而且線圈導(dǎo)體210的貢獻最大，因此，改變線圈導(dǎo)體中每個導(dǎo)體的位置，將對成像區(qū)射頻場的分布產(chǎn)生影響，通過適當?shù)木€圈導(dǎo)體的位置安排，可以使成像區(qū)射頻場的分布回到均勻狀態(tài)。我們在一項實驗中發(fā)現(xiàn)，將一個三根導(dǎo)體構(gòu)成的導(dǎo)體組置于平板中間，勻場區(qū)中心將偏離磁體成像中心約5cm，采用此實施例辦法后，可將射頻勻場區(qū)中心拉回到成像區(qū)中心，均勻度也由約15％提高到11％。
圖3展示了本發(fā)明的另一個實施例，將線圈導(dǎo)體組310中的每個導(dǎo)體的寬度設(shè)置為不同，這樣，每個導(dǎo)體的電流密度不同，而且，導(dǎo)體寬度的變化將使得它所承載的電流元在平板線圈13中的位置分布產(chǎn)生變化，最終改變射頻場的分布，正確的設(shè)計可以使成像區(qū)的射頻場分布均勻。
圖4和圖5展示本發(fā)明的另外一個實施例，可以改變線圈導(dǎo)體410中各個導(dǎo)體的形狀來改變射頻場的分布，最終使射頻場趨于均勻分布。圖6是另外一個方法，改變垂直公共連接導(dǎo)體12的間距，也可以達到同樣的目的。
圖7和圖8展示不同的連接方式對線圈導(dǎo)體110電流分布的影響。圖7中線圈導(dǎo)體110直接同公共連接導(dǎo)體11相連，形成三個連接點70a、70b、70c，由于不同路徑的阻抗不同，各個導(dǎo)體中的電流密度將不相同，外側(cè)的電流密度將小于內(nèi)側(cè)的。圖8為另外一種連接方式，線圈導(dǎo)體110先由一個過渡公共連接導(dǎo)體810連接，過渡公共連接導(dǎo)體810與公共連接導(dǎo)體11之間通過兩個短的跨接導(dǎo)體811a和811b連接，這樣，由于電流的路徑發(fā)生了變化，最終流過各個線圈導(dǎo)體110的電流密度也與圖7相比發(fā)生改變，從而影響射頻場的分布，適當?shù)碾娏鞣峙淇梢允股漕l場的分布均勻。
圖9是本發(fā)明的又一個實施例。在線圈導(dǎo)體組610中的各個導(dǎo)體上設(shè)置有電容器90a、90b、90c，調(diào)節(jié)每個電容器電容的大小可以改變每個線圈導(dǎo)體中的電流密度，因此可以調(diào)整射頻場的分布而使之均勻。
圖11是本發(fā)明屏蔽層的一個實施例。由于射頻線圈靠近磁體，它會受到磁體結(jié)構(gòu)材料的影響。為消除這種影響，在上下兩個平板射頻線圈13的外側(cè)靠近磁體極處設(shè)置有由良導(dǎo)體制成的屏蔽層115。由于本發(fā)明在側(cè)面靠近立軛處有垂直公共連接導(dǎo)體，因此在此垂直連接公共導(dǎo)體的外側(cè)靠近立軛處也設(shè)置一個由良導(dǎo)體制成的屏蔽層116，而且這個屏蔽層116同115有電氣連接，因此構(gòu)成了一個一體化的屏蔽層，減小或消除了磁體結(jié)構(gòu)材料對射頻線圈的影響。
在一個上下線圈間距為40cm的射頻線圈上的實驗表明，從圖3到圖9所示的幾種方法可將射頻場的均勻度提高約5-8％，改善了射頻場的均勻度。
權(quán)利要求
1.一種用于C型開放式磁共振系統(tǒng)在磁體兩磁極面間建立射頻場的射頻線圈，主要由兩個分別固定在上下兩個磁極面上的平板式線圈組成，每個線圈配置有多個線圈導(dǎo)體元件組成的導(dǎo)體組，其特征在于線圈導(dǎo)體元件組成的導(dǎo)體組的兩端設(shè)置有公共連接導(dǎo)體，線圈導(dǎo)體元件沿著平板一側(cè)的公共連接導(dǎo)體延伸至另一側(cè)的公共連接導(dǎo)體，上下兩個平板線圈內(nèi)的線圈導(dǎo)體組兩端的公共連接導(dǎo)體間分別用置于平板線圈外的位于磁體立軛附近的另外兩個與平板線圈垂直的公共連接導(dǎo)體連接，構(gòu)成一個整體，任意一根與平板線圈垂直的公共連接導(dǎo)體同射頻接口連接，線圈導(dǎo)體元件及與線圈垂直的公共連接導(dǎo)體上放置有電容器。
2.如權(quán)利要求1所述的射頻線圈，其特征在于通過改變線圈導(dǎo)體元件的寬度、間距，線圈導(dǎo)體在線圈平面的位置、在線圈平面上分布的形狀以及垂直的公共連接導(dǎo)體間距等方法可調(diào)整射頻場的分布。
3.如權(quán)利要求1或2所述的射頻線圈，其特征在于線圈導(dǎo)體可以單獨同公共連接導(dǎo)體連接，亦可先將一組導(dǎo)體元件組與一個過渡公共連接導(dǎo)體相連，這個過渡公共連接導(dǎo)體再和公共連接導(dǎo)體連接；通過改變線圈導(dǎo)體同公共連接導(dǎo)體的連接方式來調(diào)整導(dǎo)體元件的電流分布，使射頻場分布均勻。
4.如權(quán)利要求1或2所述的射頻線圈，其特征在于在與其垂直的公共連接導(dǎo)體的外側(cè)與磁體立軛之間設(shè)置有屏蔽層，并同線圈外的屏蔽層連為一體。
5.如權(quán)利要求3所述的射頻線圈，其特征在于在與其垂直的公共連接導(dǎo)體的外側(cè)與磁體立軛之間設(shè)置有屏蔽層，并同線圈外的屏蔽層連為一體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁共振成像平板式射頻線圈。用于C型開放式磁共振系統(tǒng)中的磁體兩磁極面間建立射頻場。線圈包含兩個分別固定在上下兩個磁極面上的平板式線圈，每個線圈配置有由平行布置的多個線圈導(dǎo)體元件組成的導(dǎo)體組，導(dǎo)體組的兩端設(shè)置有公共連接導(dǎo)體，線圈導(dǎo)體元件從平板線圈一側(cè)的公共連接導(dǎo)體延伸到另一側(cè)的公共連接導(dǎo)體，線圈導(dǎo)體元件和公共連接導(dǎo)體構(gòu)成線圈平面。上下兩個平板線圈上的公共連接導(dǎo)體間用置于平板線圈外兩側(cè)的另外兩個與平板線圈垂直公共連接導(dǎo)體連接為一整體；任意一側(cè)的垂直公共連接導(dǎo)體同射頻接口連接，如此上下兩個平板線圈構(gòu)成一個獨立的射頻線圈。
文檔編號G01R33/341GK1508560SQ02156429
公開日2004年6月30日 申請日期2002年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月16日
發(fā)明者楊文暉, 宋濤, 王慧賢 申請人:中國科學院電工研究所