本發(fā)明涉及一種自發(fā)自收的鳥籠陣列線圈及其控制電路。

背景技術：

目前一般鳥籠線圈(又稱作birdcagecoil，簡稱為bc)在設計上要求其直徑(d)和長度基本相同或者長度(l)略小于直徑，否則會降低線圈的發(fā)射效率，所以目前的鳥籠線圈基本上都會采用d≈l這一原則。為了進一步提高鳥籠線圈作為接收線圈的信噪比，uligotshal等人提出來在縱向方向上用兩個鳥籠線圈或者多個鳥籠線圈級聯(lián)起來，對于單個鳥籠線圈而言，d≈2l，形成鳥籠陣列線圈，相對于同樣直徑和長度的單個鳥籠線圈，信噪比會提升15～20％。

由于鳥籠線圈用作接收線圈時可以產(chǎn)生非常均勻的圖像質(zhì)量，近年來，也有一些小尺寸的鳥籠線圈用于人體成像所用，比如用作頭線圈或者膝蓋線圈進行成像，也有一些小尺寸鳥籠線圈用于動物的掃描，包括貓狗、兔子、老鼠等。和專用的表面接收相比，鳥籠線圈雖然在并行成像方面沒有優(yōu)勢，但可以取得比較均勻的圖像質(zhì)量，適用于對成像速度不太高的掃描情況。

目前關于發(fā)射線圈和接收線圈的使用方案是，使用大的鳥籠線圈來激勵被掃描體，而用信噪比較高的表面陣列線圈來接收圖像，從而實現(xiàn)大的激勵范圍以及較高的接收圖像質(zhì)量。但是如果用大的鳥籠線圈(激勵電壓超過600v)去激勵較小的被掃描體，比如人體頭部，四肢(包括手腕，胳膊，膝蓋，腳踝等)，或者動物(比如貓狗、老鼠、兔子等)，由于法規(guī)對射頻吸收率sar(specificabsorptionrate)安全指標的限制，會造成發(fā)射能量無法有效傳遞給被掃描體，從而會造成發(fā)射效率的降低，會進一步影像掃描參數(shù)的優(yōu)化，犧牲圖像信噪比和分辨率。為此有人提出了采用局部的收發(fā)一體的射頻線圈裝置，即采用一個大小合適(根據(jù)掃描對象的尺寸而定)的鳥籠線圈作為發(fā)射層，內(nèi)層采用相控陣表面射頻線圈作為接收層，這樣確實能夠提高發(fā)射效率以及圖像的接收信噪比，但同時會帶來線圈設計的復雜化，發(fā)射層和接收層存在的耦合難以根本消除等問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術之缺陷，提供了一種自發(fā)自收的鳥籠陣列線圈及其控制電路，其具有自發(fā)自收、區(qū)域選擇可自由控制、結(jié)構(gòu)簡單的特性。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：一種自發(fā)自收的鳥籠陣列線圈，其包括：

一第一端環(huán)，其上設置有多個第一端環(huán)電容；

一第二端環(huán)，其上設置有多個第二端環(huán)電容，第二端環(huán)電容與第一端環(huán)電容數(shù)量相同，第二端環(huán)位于第一端環(huán)上部；

多個腿，每一條腿的下端與第一端環(huán)連接，形成第一連接點，任意相鄰的兩個第一連接點之間具有一個第一端環(huán)電容，每一條腿的上端與第二端環(huán)連接，并形成第二連接點，任意相鄰的兩個第二連接點之間具有一個第二端環(huán)電容；

一環(huán)體，設置于所述第一端環(huán)和第二端環(huán)之間，所述環(huán)體與多個腿均相連，并形成第三連接點，所述第三連接點將腿分為第一連接段和第二連接段，第一連接段位于第二連接段下方，每一條腿的第一連接段上依序設置有第一電容、第一二極管，每一條腿的第二連接段上依序設置有第二電容、第二二極管，每一條腿上的第一二極管、第二二極管的方向相同，任意相鄰的兩個第一連接段上的第一二極管方向相反，任意相鄰的兩個第二連接段上的第二二極管方向相反，所述環(huán)體上設置有多個第三電容，所述環(huán)體上的任意相鄰的兩個第三連接點之間具有一個第三電容。

進一步地，所述第一端環(huán)的直徑d1等于第二端環(huán)的直徑d2，第一連接段的長度l1等于第二連接段的長度l2。

進一步地，所述第一端環(huán)的直徑d1等于第二端環(huán)的直徑d2，第一連接段的長度l1等于第二連接段的長度l2，所述第一端環(huán)的直徑d1是第一連接段的長度l1數(shù)值的兩倍。

進一步地，所述第一連接段上的第一二極管上連接有直流控制信號td_1，所述第二連接段上的第二二極管上連接有直流控制信號td_2，直流控制信號td_1和直流控制信號td_2為同一信號源。

進一步地，所述第一連接段上的第一二極管上連接有直流控制信號td_1，所述第二連接段上的第二二極管上連接有直流控制信號td_2，直流控制信號td_1和直流控制信號td_2為相互獨立的兩個信號源。

進一步地，第一端環(huán)電容的數(shù)量為八，這八個第一端環(huán)電容等分第一端環(huán)，第二端環(huán)電容的數(shù)量為八，這八個第二端環(huán)電容等分第二端環(huán)，第三電容的數(shù)量為八，這八個第三電容等分環(huán)體，腿的數(shù)量為八，以逆時針定義，0度、45度、90度、135度、180度、225度、270度、315度角上分別設置一個腿，其中角度相差90度上的兩個腿的相位相差90度。

一種自發(fā)自收的鳥籠陣列線圈的控制電路，其包括一來自譜儀的射頻信號源，射頻信號源的輸出端連接至一射頻功放的輸入端，射頻功放的輸出端連接至一正交功率分配器(1)的輸入端，正交功率分配器(1)的兩個輸出端分別連接至正交功率分配器(2)的輸入端、正交功率分配器(3)的輸入端，正交功率分配器(2)具有兩個輸出端，正交功率分配器(2)的每一所述輸出端均依序連接i1路發(fā)射控制電路、90度移相器、i1路隔離控制電路、90度移相器、i1路接收控制電路、前置放大器，前置放大器輸出信號，i1路接收控制電路連接i1路收發(fā)控制信號；正交功率分配器(3)具有兩個輸出端，正交功率分配器(3)的每一所述輸出端均依序連接q1路發(fā)射控制電路、90度移相器、q1路隔離控制電路、90度移相器、q1路接收控制電路、前置放大器，前置放大器輸出信號，q1路接收控制電路連接q1路收發(fā)控制信號。

本發(fā)明多個鳥籠線圈組成的線圈陣列既用于發(fā)射，又用于接收，來實現(xiàn)鳥籠陣列線圈激勵被掃描體時同時發(fā)射，但接收信號的時按照感興趣區(qū)域來切換選擇線圈，既解決了單個鳥籠射頻線圈信噪比不高的問題，又解決了發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合干擾問題。采用這種鳥籠線圈陣列，可以解決目前在人體四肢掃描或者動物掃描的情況下射頻功率過高，或者目前局部收發(fā)雙層線圈存在的收發(fā)兩層線圈所造成的設計復雜以及收發(fā)層耦合的問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的第一實施例的示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的第二實施例的示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的控制電路部分的框圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的控制電路部分的原理圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的正交功率分配器的特征圖；

圖6為本發(fā)明實施例提供的兩個鳥籠線圈的諧振控制電路的平面展開圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖1至圖6，本發(fā)明實施例提供一種自發(fā)自收的鳥籠陣列線圈及其控制電路，具體請參見以下詳細敘述。

以實施例二進行簡單說明，一種自發(fā)自收的鳥籠陣列線圈，其包括：一第一端環(huán)11，即圖2中下面一個端環(huán)，其上設置有多個第一端環(huán)電容111；一第二端環(huán)21，即圖2中上面一個端環(huán)，其上設置有多個第二端環(huán)電容211，第二端環(huán)電容211與第一端環(huán)電容111數(shù)量相同，第二端環(huán)21位于第一端環(huán)11上部；多個腿4(圖2中上下方向設置，位于第一端環(huán)11和第二端環(huán)21之間)，每一條腿4的下端與第一端環(huán)11連接，形成第一連接點112，任意相鄰的兩個第一連接點112之間具有一個第一端環(huán)電容111，每一條腿4的上端與第二端環(huán)21連接，并形成第二連接點212，任意相鄰的兩個第二連接點212之間具有一個第二端環(huán)電容211。

至少一環(huán)體31，即中間一個環(huán)，設置于所述第一端環(huán)11和第二端環(huán)21之間，所述環(huán)體31與多個腿4均相連，并形成第三連接點312，所述第三連接點312將腿4分為第一連接段41和第二連接段42，第一連接段41位于第二連接段42下方，每一條腿4的第一連接段41上依序設置有第一電容(c1_1、c1_2、c1_3、c1_4、c1_5、c1_6、c1_7、c1_8)、第一二極管(d1_1、d1_2、d1_3、d1_4、d1_5、d1_6、d1_7、d1_8)，每一條腿4的第二連接段42上依序設置有第二電容(c2_1、c2_2、c2_3、c2_4、c2_5、c2_6、c2_7、c2_8)、第二二極管(d2_1、d2_2、d2_3、d2_4、d2_5、d2_6、d2_7、d2_8)，每一條腿4上的第一二極管、第二二極管的方向相同(例如，d1_1對應的d2_1，只要是同一條腿上的兩個二極管，它們的方向相同)，任意相鄰的兩個第一連接段41上的第一二極管方向相反(例如，d1_1和d1_2的方向反向，其它就不累贅敘述)，任意相鄰的兩個第二連接段42上的第二二極管方向相反(例如，d2_1和d2_2的方向反向，其它就不累贅敘述)，所述環(huán)體31上設置有多個第三電容311，所述環(huán)體31上的任意相鄰的兩個第三連接點312之間具有一個第三電容311。

進一步地，所述第一端環(huán)11的直徑d1等于第二端環(huán)21的直徑d2，第一連接段41的長度l1等于第二連接段42的長度l2。另一設計也可以是所述第一端環(huán)11的直徑d1等于第二端環(huán)21的直徑d2，第一連接段41的長度l1等于第二連接段42的長度l2，所述第一端環(huán)11的直徑d1是第一連接段41的長度l1數(shù)值的兩倍。所述第一連接段上的第一二極管上連接有直流控制信號td_1，所述第二連接段上的第二二極管上連接有直流控制信號td_2，直流控制信號td_1和直流控制信號td_2為同一信號源。另一設計也可以是所述第一連接段上的第一二極管上連接有直流控制信號td_1，所述第二連接段上的第二二極管上連接有直流控制信號td_2，直流控制信號td_1和直流控制信號td_2為相互獨立的兩個信號源。

在本設計中，第一端環(huán)電容111的數(shù)量為八，這八個第一端環(huán)電容111等分第一端環(huán)11，第二端環(huán)電容211的數(shù)量為八，這八個第二端環(huán)電容211等分第二端環(huán)21，第三電容311的數(shù)量為八，這八個第三電容311等分環(huán)體31，腿4的數(shù)量為八，以逆時針定義，0度、45度、90度、135度、180度、225度、270度、315度、315度角上分別設置一個腿4，其中角度相差90度上的兩個腿4的相位相差90度，在圖2中。最左側(cè)為0度位置，0度位置上有一個腿4，逆時針觀察，45度、90度、135度、180度、225度、270度、315度、315度角上分別設置一個腿4，一共有8個腿4，其中第一電容(c1_1、c1_3)的兩端分別設置有一個巴倫饋電，第二電容(c2_1、c2_3)的兩端分別設置有一個巴倫饋電。

圖一描述了2個8條腿的鳥籠陣列線圈采用互相重疊(overlapping)的方式來去除磁場耦合的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)以前常用于表面線圈的去耦方式中，現(xiàn)在開始用于鳥籠陣列線圈的去耦設計。

圖二描述了兩個8條腿4(本文中把垂直于第一端環(huán)11、第二端環(huán)21的8個平行的銅皮或者銅棍稱之為鳥籠線圈的腿)的鳥籠天線陣列，為了方便，兩個鳥籠線圈都以8條腿為例進行說明，實際上腿的數(shù)量可以擴展成為12、16等，在實際設計中，可根據(jù)磁場均勻性要求來設計腿的數(shù)目，兩個鳥籠線圈采用了環(huán)體31上面的電容來去除相鄰線圈磁場耦合的設計，通過環(huán)體31(也成為公用端環(huán))組成了一個1乘2的天線陣列。

為了實現(xiàn)整個鳥籠線圈陣列接收場和發(fā)射場的均勻性，本發(fā)明要求圖一和圖二中的兩個鳥籠線圈單元的尺寸相等，也就是說d1＝d2，l1＝l2；d1，d2分別為兩個鳥籠線圈單元各自的直徑尺寸，l1，l2分別為兩個鳥籠線圈單元的長度尺寸。

無論圖一的采用互相重疊面積去耦合的兩個鳥籠線圈陣列結(jié)構(gòu)，還是圖二的采用公共端環(huán)電容來去耦合的兩個鳥籠線圈陣列，都可以達到兩個鳥籠線圈去耦合的目的，下面的線圈饋電方案和功率分配以及控制電路都適用于圖一和圖二的結(jié)構(gòu)。

以圖二為例，選擇兩個鳥籠線圈的正交腿位置上面進行信號的饋電，比如從線圈1(下面一個線圈)上0度角位置腿上面的電容即c1_1兩端和90度位置腿上面的電容即c1_3兩端兩個位置各自經(jīng)過一個巴倫饋電；線圈1每條腿上都有一個二極管來控制線圈的諧振和斷開，為d1_1，d1_2,……d1_8，同時一起由一個直流控制信號td_1來控制。對于線圈2，同樣的，從0度腿角位置腿上面的c2_1和90度位置腿上面的電容c2_3兩個電容兩端兩個位置經(jīng)過各自一個巴倫來饋電。每個饋電口加了巴倫是為了抑制信號的共模干擾以及消除線圈發(fā)射能量時同軸線屏蔽層上的電流的熱效應。線圈2每條腿上面控制線圈諧振和斷開的二極管為d2_1，d2_2,……d2_8，同時一起由直流控制信號td_2來控制。td_1和td_2可以分別單獨控制線圈1和2的諧振或者斷開。相對于傳統(tǒng)的單個鳥籠線圈而言，采用兩個或多個鳥籠線圈可以在圖像信噪比不下降的前提下，有效地擴展成像視野fov(fieldofview)，可以得到較大范圍內(nèi)的非常均勻的圖像質(zhì)量。

圖三描述了雙路功率分配電路以及雙路收發(fā)切換電路的方案。這個方案包含了譜儀的射頻信號源、對于射頻功放的控制信號、射頻功放、一個一分二，二分四的發(fā)射電路，其中一分二的發(fā)射電路由一個小功率的射頻功率放大器和功率分配器1完成，經(jīng)過功率分配器1，即可產(chǎn)生兩路信號強度相等，但相位差90度的兩路正交信號i1和q1。二分四的電路設計如下，以i1路為例，i1路的發(fā)射電路由功率分配器2以及i1路發(fā)射控制電路組成，其中經(jīng)過功率分配器2后，i1路信號被同樣分成兩個信號強度相等，但相位相差90度的i1_i和i1_q信號；i1路的收發(fā)隔離電路由兩對級聯(lián)的90度移相器和二者之間的i1路隔離控制電路組成；i1路的接收信號放大電路由i1路接收控制電路和兩個支路i1_i、i1_q的前置放大器電路組成。經(jīng)過放大以后，形成兩個正交信號rf1_0和rf_90,進入到射頻通道選擇器，最后經(jīng)過通道選擇以后，進入譜儀進行數(shù)字化處理。

i1_i和i1_q信號既連接后面的90度移相器，同時連接鳥籠線圈1的兩個正交饋電端口即c1_1和c1_3兩個端口。

其中，對于i1路發(fā)射控制電路，i1路隔離控制電路，i1路接收控制電路三個電路都由i1路的直流信號tr_i1同時控制，直流信號tr_i1分別有正和負兩種電壓兩個狀態(tài)，分別實現(xiàn)i1路發(fā)射和接收兩種不同狀態(tài)的控制。

圖四闡述了兩個鳥籠線圈的功率分配和控制電路的具體實施方案。圖五闡述了圖四中的正交功率分配器的特征說明，具體實施電路，不少文獻中已經(jīng)有說明，此處不做贅述。

在圖四中以i1路為例，其中發(fā)射控制開關有兩個大功率開關二極管d3，d4構(gòu)成，能夠在高頻情況下承受高電壓和高電流，并且能夠足夠快的實現(xiàn)開關切換。

90°移相器由兩個相等容值的電容c1和一個電感l(wèi)1構(gòu)成，這是一個典型的π型移相器結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)當發(fā)射信號時，一端短路，另一端就會呈現(xiàn)近似于開路的高阻抗特征，可以用作收發(fā)隔離。

采用兩個90°的移相器既可以保證接收信號，在接收回路上與沒有移相器情況下的阻抗相同，即不影響接收回路的阻抗特征，同時當發(fā)射時一端通過二極管短路實現(xiàn)阻抗接地，在另一端可以實現(xiàn)開路特征，即實現(xiàn)與發(fā)射電路的隔離，兩個級聯(lián)的90°移相器可以實現(xiàn)兩級的隔離效果，保證了大功率信號與接收電路之間足夠的隔離度。

圖四中的l_f電感為大電感值電感，通常為微亨級以上，即對于射頻工作頻率上呈現(xiàn)出高阻抗，實現(xiàn)高頻信號的阻隔，同時對于直流或者低頻信號基本沒有影響；c_f為大容值電容，通常為納法級以上，即可實現(xiàn)對于高頻的射頻工作頻率短路，高頻信號通過基本沒有影響，同時對于直流或者低頻信號呈現(xiàn)斷開或者高阻狀態(tài)，l_f和c_f組合在一起使用，可以構(gòu)成一個近似于低通濾波器的效果，即通直流，斷開高頻信號。

當收發(fā)控制信號tr_i1為負電壓時，電流可以串聯(lián)通過d1～d6等6只二極管，實現(xiàn)對于正交兩路信號的發(fā)射電路的開通和與接收電路的隔離。

當收發(fā)控制信號tr_i1為正電壓時，d1～d6等二極管斷開，d7導通，此時正電壓會施加在i1路上的兩路接收信號的放大器上，使得放大器正常放大信號，實現(xiàn)正常接收。

類似的，q1路的電路設計和i1的電路相對應，這里不做贅述。

i1路和q1路的直流信號tr_i1和tr_q1是獨立的兩個信號但可以同步控制。也就是可以控制i1路和q1路同步處于發(fā)射或者接收狀態(tài)中。對于本例中的兩個線圈陣列的情況下，可以實現(xiàn)鳥籠線圈bc1和bc2同時發(fā)射激勵被掃描體，發(fā)射后bc1和bc2可以同時開始接收(當被掃描體較大，兩個線圈都覆蓋到了)。

bc1和bc2的直流控制信號td_1和td_2是獨立的，既可以同步也可以異步，當系統(tǒng)處于接收狀態(tài)時，可以實現(xiàn)bc1接收(當被掃描體位于bc1的覆蓋范圍內(nèi))，bc2斷開；或者bc1斷開，bc2接收(當被掃描體位于bc2的覆蓋范圍內(nèi))，當然也可以bc1和bc2同時接收，這個要取決于被掃描體的大小，具體是由哪一個覆蓋或者兩個線圈都覆蓋到了，這樣可以避免非感興趣區(qū)域的噪聲耦合進入到感興趣區(qū)域而引起信噪比的下降。

圖六將鳥籠線圈進行展開的平面視圖，闡述了兩個鳥籠線圈的諧振控制方案。在圖六中，所有的開關二極管為大功率二極管，并且能夠快速的進行開關切換。

以鳥籠2號線圈為例，所有的二極管均采用相鄰方向相反的方式放置，目的是使得整個直流回路在鳥籠的圓周上呈現(xiàn)去的電流和回來的電流一正一反分布，這樣可以互相抵消由于直流電路存在而帶來的磁場影響。從而使直流回路對發(fā)射線圈的工作磁場的影響最小。

同樣的，在直流電路td_2的入口處，采用l_f和c_f構(gòu)成的濾波電路，可以保證直流電路的純凈度以及上面沒有其他高頻干擾信號的存在。

在每兩條腿之間的直流回路上，都放置了l_f,用作對高頻信號的扼流，避免整個圓周上面存在高頻干擾信號，從而對正常的發(fā)射線圈電磁場造成干擾。

td_2采用正的電壓控制，當td_2上面施加正電壓時，所有的二極管串聯(lián)導通，從而使得鳥籠線圈的每條腿電氣連通，從而產(chǎn)生工作頻率上的諧振，從而產(chǎn)生能夠所需的均勻的射頻場。

二極管在縱向上需要盡量靠近中間的電容位置放置，從而能夠當其他的接收線圈工作是，鳥籠線圈能夠充分失諧，由于鳥籠線圈陣列的采用已經(jīng)使得腿的長度減半(相比于同樣直徑的單個常規(guī)鳥籠線圈)，所以每條腿上即使放置一個二極管，也可以實現(xiàn)充分的斷開和線圈失諧效果。

td_2可以設計有多個電壓狀態(tài)，高電壓，低電壓，負電壓。作用為當鳥籠線圈進行發(fā)射時，采用高電壓可以保證二極管在強射頻電磁場環(huán)境下的穩(wěn)定導通，使得線圈穩(wěn)定工作。當鳥籠線圈用作接收線圈時，此時無強射頻電磁場環(huán)境，采用一個相對的低電壓，即能夠?qū)ㄋ卸O管，從而線圈也可以穩(wěn)定工作。如果有另外一個小型的本地收發(fā)線圈存在時，當這個小的線圈在發(fā)射時，會導致鳥籠陣列線圈上面存在耦合電流，此時采用一個負電壓，能夠使鳥籠線圈上面的二極管穩(wěn)定不導通，從而保持線圈的絕對失諧狀態(tài)，避免了與本地發(fā)射線圈的相互耦合。

td_1,td_2以及tr_i1,tr_q1都來自于射頻通道選擇和控制器，通過譜儀來控制。

圖一和圖二的線圈設計以及對應的圖三功率分配和收發(fā)控制電路也可以由2個線圈/2路擴展到4個線圈/4路或者更多2n(n＝1,2,3…)，原理同上，不再贅述。

圖一和圖二的線圈設計適用于單個鳥籠線圈直徑和長度相當?shù)那闆r(即d≈l)，也適用于單個鳥籠線圈直徑是長度尺寸兩倍的情況，即d≈2l，這種情況下，會比前一種情況線圈中心信噪比高15％～20％，屬于優(yōu)先采用的設計。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。