射频线圈、射频磁场产生设备、和磁共振成像方法和设备

摘要

为了高效地产生一个RF磁场,使用了一种RF线圈,它包括携带电流的电通道612,用于在包含一个研究对象的空间内产生RF磁场;和一个环形电通道614,它距所说的空间的位置比所说的电通道612距所说的空间的位置更远,用于连接所说的电通道612的相应的端部。

说明书

本发明涉及RF(射频)线圈、RF磁场产生设备、和磁共振成像方法和设备，具体来说涉及一种具有多个携带用于产生RF磁场的电流的电通道和连接多个电通道的对应端部的环形电通道的RF线圈、一种使用这种RF线圈的RF磁场产生设备、和一种使用这种RF磁场产生设备的磁共振成像方法和设备。

静磁场方向垂直于研究对象的主体轴方向的磁共振成像设备通常称之为垂直磁场型磁共振成像设备，它产生一个开放的静磁场空间，并且使用其回路表面平行于静磁场产生单元的极靴表面的RF线圈作为产生RF磁场的RF线圈。这种类型的RF线圈产生的RF磁场的方向平行于线圈回路的表面，从而可形成垂直于静磁场方向的RF磁场。在本申请人的美国专利第5760583中公开了这种RF线圈。

另一方面，还有另一种类型的RF线圈，称之为正交RF线圈，它由两个RF线圈的一种组合构成，并且通过由两个RF线圈产生的对应的RF磁场的矢量合成使所提供的RF磁场的强度提高了，或者可以减小每个线圈的驱动能量就可产生期望强度的RF磁场。

然而，在常规的RF线圈中，从流过用于连接主通道的约束通道的电流可产生不期望出现的RF磁场。由于不期望出现的RF磁场抵消了由主通道产生的RF激励磁场，减小了产生RF磁场的效率，要获得期望的磁场强度就需要较大的激励电功率。

况且，流过主通道和约束通道的电流有较大的对应关系，因此产生了附加的问题：加大了研究对象的高频电能吸收，即加大了研究对象的总SAR(比吸收速率)。

进而，由约束通道产生的不期望出现的RF磁场不仅抵消了RF磁场，而且还增加了研究对象的局部高频电能吸收，即局部SAL。

因此，本发明的一个目的是提供一种RF线圈、一种可有效产生RF磁场的RF磁场产生设备、和一种使用这种RF磁场产生设备的磁共振成像方法和设备。

本发明的另一个目的是提供一种RF线圈、一种可提供研究对象的小SAL的RF磁场产生设备、和一种使用这种RF磁场产生设备的磁共振成像方法和设备。

按本发明的一个方面，提供一种RF线圈，包括：携带用于在包含研究对象的空间内产生一个RF磁场的电流的径向延伸的电通道；和，距所说空间比径向延伸的电通道距所说空间更远的一个环形电通道，用于连接径向延伸的电通道的相应的端部。

按本发明的第二方面，提供一种RF线圈，包括：携带用于在包含研究对象的空间内产生一个RF磁场的电流的多个相互平行的电通道；和，设置在多个电通道的两端的、距所说空间比多个电通道距所说空间更远的环形电通道，用于连接多个电通道的相应的端部。

按本发明的第三方面，提供一种RF磁场产生设备，包括：携带用于在包含研究对象的空间内产生一个RF磁场的电流的径向延伸的电通道；距所说空间比径向延伸的电通道距所说空间更远的一个环形电通道，用于连接径向延伸的电通道的相应的端部；和，一个RF信号提供装置，用于分别向距环形电通道的中心的方向相互相差90°的环形电通道上的两个位置提供相互间的相位差为90°的RF信号。

按本发明的第四方面，提供一种RF磁场产生设备，包括：携带用于在包含研究对象的空间内产生一个RF磁场的电流的多个相互平行的电通道；设置在多个电通道的两端距所说空间比多个电通道距所说空间更远的环形电通道，用于连接多个电通道的相应的端部；和，一个RF信号提供装置，用于分别向距环形电通道的中心的方向相互相差90°的两个环形电通道之一的两个位置提供相互间的相位差为90°的RF信号。

按照本发明，增加了在环形电通道和研究对象之间的距离，从而减小了环形电通道对RF激励磁场的抵消作用，并且还减小了研究对象的SAR。

因此，本发明可提供一种RF线圈、一种有效产生RF磁场的RF磁场产生设备、和一种使用这种RF磁场产生设备的磁共振成像方法和设备。

而且，本发明可提供一种RF线圈、一种提供研究对象的小SAL的RF磁场产生设备、和一种使用这种RF磁场产生设备的磁共振成像方法和设备。

从附图中表示的本发明的优选实施例的下面的描述中，本发明的其它一些目的和优点都将变得显而易见。

图1是按本发明的一个实施例的一个设备的方块图。

图2是表示图1设备中的一个发射线圈部分的结构的示意图。

图3是表示图1设备中的发射线圈部分的结构的示意图。

图4表示图1设备中发射线圈部分的一个电路。

图5表示在图1设备的发射线圈部分中的电的分配。

图6表示由图1的设备中的发射线圈部分产生的一个RF磁场。

图7表示在图1设备的发射线圈部分中的电的分配。

图8表示由图1的设备中的发射线圈部分产生的一个RF磁场。

图9表示由图1的设备中的发射线圈部分产生的一个RF磁场的一个强度分布

图10表示在图1设备的发射线圈部分中的一个典型的电通道图形。

图11是沿图10所示的电通道图形的A-A线取的一个剖面图。

图12是沿图10所示的电通道图形的A-A线取的一个剖面图，并且与一个RF屏蔽的剖面图组合在一起。

图13是按照本发明的另一个实施例的设备的一个方块图。

图14是表示图13的设备中一个主体线圈部分的结构的示意图。

图15是表示图13的设备中一个主体线圈部分和一个RF屏蔽的结构的示意图。

图16是表示用于磁共振成像的一个典型的脉冲序列的示意图。

现在参照附图详细描述本发明的实施例。图1表示一个磁共振成像设备的方块图，它是本发明的一个实施例。该设备的结构代表按照本发明的设备的一个实施例，该设备的操作代表按照本发明的方法的一个实施例。

如图1所示，该设备包括一个静磁场产生部分2，用于在设备的内部空间产生一个均匀的静磁场。静磁场产生部分2包括一对磁性产生装置(未示出)，如永久磁铁，它们在附图的垂直方向相互面对并维持一定距离，用于在插入的空间内产生静磁场(垂直磁场)。容易看出，磁性产生装置不限于永久磁铁，可以是超导电磁铁、普通导体电磁铁、或类似物。

在静磁场产生部分2的内部空间内分别设置以相似的方式沿垂直方向相互面对的并且相隔一定距离的梯度线圈部分4、4′和发射线圈部分6、6′。在梯度线圈部分4、4′和发射线圈部分6、6′之间提供一个RF屏蔽(在图1中未示出)。RF线圈是由诸如铜箔之类的导电材料构成的。发射线圈部分6、6′一起代表本发明的RF线圈的一个实施例。后面再对发射线圈部分6、6′进行详细描述。

将一个研究对象8放在一个成像台10上，并且通过携带装置(未示出)将这个研究对象带入或带出在相对的发射线圈部分6、6′之间插入的空间。研究对象8的主体轴垂直于静磁场方向。成像台10固定有一个接收线圈部分106，接收线圈部分106包围要成像的研究对象8的一个部位。接收线圈部分106例如是用于腰脊椎成像的部分，并且固定到研究对象8的髋关节的周围。应该说明的是，接收线圈部分106不仅可以放在腰脊椎的周围，而且可以放在和要成像的期望部位对应的任何一个位置。

梯度线圈部分4、4′与梯度驱动部分16连接。梯度驱动部分16向梯度线圈部分4、4′提供驱动信号以产生梯度磁场。要产生的梯度磁场有以下3个：限幅梯度磁场、读出梯度磁场、和相位编码梯度磁场。

发射线圈部分6、6′与一个发射器部分18连接。发射器部分18向发射线圈部分6、6′提供一个驱动信号以产生RF磁场，借此在研究对象8的内部激发一个自旋。

接收线圈部分106接收由在研究对象8内的激发的自旋产生的一个磁共振信号。接收线圈部分106连接到接收器部分20的输入端，向接收器部分20输入接收的信号。接收器部分20的输出连接到一个模拟-数字(A-D)转换器部分22的输入端。A-D转换器部分22把接收器部分20的输出信号转换成数字信号。A-D转换器部分22的输出连接到一个计算机24。

计算机24接收来自于A-D转换器部分22的数字信号，并将这个信号存储在一个存储器(未示出)内。

于是，在存储器中形成一个数据空间，这个数据空间构成了一个傅里叶空间。计算机24在这个傅里叶空间中对这些数据进行傅里叶逆变换，以重构研究对象8的图像。

计算机24连接到一个控制部分30。控制部分30又连接到梯度驱动部分16、发射器部分18、接收器部分20、和A-D转换器部分22。控制部分30根据从计算机24提供的对应指令控制梯度驱动部分16、发射器部分18、接收器部分20、和A-D转换器部分22，以实现磁共振成像。

计算机24与一个显示部分32和一个操作部分34相连。显示部分32显示从计算机24输出的一个重构的图象和几个信息。操作部分34是由操作人员向计算机24输入的几个命令和信息操作的。

图2示意地表示发射线圈部分6、6′的结构。图2表示的是一个RF线圈的三维结构，它构成了发射线圈部分6、6′的主要部分。在三维空间中的3个相互垂直的方向由x、y、z表示。z方向对应于静磁场方向。如图所示，一个发射线圈部分6的电通道设在x-y平面上，另一个发射线圈部分6′的电通道设在和前一个x-y平面在z方向分开一定距离的另一个x-y平面上。

发射线圈部分6有一个环形电通道602，环形电通道602代表本发明的环形电通道的一个实施例。在环形电通道602的内部提供多个从中心部分开始径向延伸的电通道604。电通道604代表本发明的径向延伸的电通道的一个实施例。径向延伸的电通道604的数目例如是8个。然而，电通道604的数目不限于8个，而可以是4的任何一个整数倍。应该说明的是，电通道604的标号在附图中是由在一个位置的参考数字表示的。每个电通道604的一端连接到电通道602，它的另一端连接到一个中央环形电通道606上。

在电通道602上的距内部中心相差90度的相应方向的两个位置提供有来自于发射器部分18的相应RF信号。提供给这两个位置的RF信号的对应相位相差90度。

发射线圈部分6′有一个环形电通道602′，环形电通道602′代表本发明的环形电通道的一个实施例。在环形电通道602′的内部提供多个从中心部分开始径向延伸的电通道604′。电通道604′代表本发明的径向延伸的电通道的一个实施例。径向延伸的电通道604′的数目例如是8个。然而，电通道604′的数目也是不限于8个，而可以是4的任何一个整数倍。应该说明的是，电通道604′的标号在附图中是由在一个位置的参考数字表示的。每个电通道604′的一端连接到电通道602′，它的另一端连接到一个中央环形电通道606′上。

在电通道602′上的距内部中心相差90度的相应方向的两个位置提供有来自于发射器部分18的相应RF信号。提供给这两个位置的RF信号的对应相位相差90度。

这样的发射线圈部分6和6′按镜像关系相互面对，构成了本发明装置的RF线圈。通过发送从发射器部分18输出的彼此相应相位相差90度的两个RF信号，并且用相应的功率分束器182、184均分RF信号的功率，就可向发射线圈部分6和6′提供RF信号，如图3举例所示。在完全等同的条件下对发射线圈部分6和6′进行RF驱动的方案中，这样地提供RF信号是优选的方案。应该说明的是，相应的RF功率放大器可以根据需要设置在分束器182,184和发射线图部分6,6′之间。

由于具有相同功率和相同相位的RF信号从一个公共信号源同时提供给两个相反的线圈回路，因此在线圈之间的电磁耦合就变得不重要了。此外，因为线圈之间有足够大的距离，所以线圈之间的静电耦合也是不重要的。因此可以获得频率特性极好的RF线圈。

向线圈提供RF信号的信号线可以由诸如同心电缆之类的适宜信号线制成，信号线可无限延长。因此，线号线的处理很容易，不会妨碍进入磁场空间的研究对象8，并且不会阻挡磁场空间的开口。

在图4中表示的是发射线圈部分6的电路。如图所示，由径向延伸的电通道604分成多个分段的环形电通道602中，串联连接相应的电容器608。应该说明，电容器608的标号在附图中由在一个位置的参考数字表示。某些电容器并联连接相应的可变电容器，用于调节电容。可变电容器用来精密调节在0°相位和90°相位之间的垂直性。

从发射器部分18向设置在两个分段中的相应电容器608的两端施加相位为0°和90°的RF信号，这两个分段相对于中心的相应方向相互相差90°。

现在考虑相位为0°的RF信号。在图5中表示出流过电通道的电流的比例。具体来说，在外部环形电通道602中，提供有RF信号的分段和与其相对的分段的电流比例是0，离开上述两个分段90°方向的两个分段的电流比例是1，其余的分段的电流比例是0.7。在内部环形电通道606中的分段的电流比例类似于相应的外部电通道602中的分段的电流比例。

在径向延伸的电通道604中，对于位于环形电通道602中的电流比例为0的两个分段的两侧的4个电通道其电流比例是0.7，对于位于环形电通道602中的电流比例为1的两个分段的两侧的4个电通道其电流比例是0.3。

在RF信号为一个极性时，电通道中的电流方向是图5中的箭头所指的方向。具体来说，在外部环形电通道602中，电流在附图的右侧和左侧分别是相对于电流比例为0的分段进行逆时针方向和顺时针方向流动；但在内部环形电通道606中，电流流动方向和外部环形电通道602的电流流动方向相反。在径向延伸的电通道604中，对于每一对相对于中心对称排齐的电通道604，从上述电流分路的电流沿相反的方向流动。

这样的电流在垂直于电流比例为1的电通道的直径方向产生一个磁场，如图6中由虚线箭头所指的方向，这个磁场作用在附图中内部环形电通道606的相反侧，即在面对发射线圈部分6′的那一侧。

在RF信号为另一极性时，电流的方向和上述方向完全相反，从而使磁场方向相反。因此，发射线圈部分6产生对应于这个RF信号的RF磁场。

现在考虑具有90°相位的电流，在RF信号的一个极性时，图7表示出这时的电通道的电流比例。因为RF信号提供位置在空间上偏离相位为0°时的RF信号提供位置90°，所以图7等同于逆时针方向转动了90°的图5。因此，RF磁场方向从图6所示的情况逆时针方向转动了90°，如图8中的虚线箭头所示的。

发射线圈部分6产生了一个RF磁场，它是上述两个RF磁场的合成磁场。由于两个RF磁场有一个90°的相位差，所以合成的RF磁场变成一个以RF信号的频率旋转的旋转磁场。所以，发射线圈部分6的作用是一个正交RF线圈。

发射线圈部分6′具有相同的电路结构，并且产生相似的旋转磁场。然而，在发射线圈部分6′的电通道中的电流方向相对于和发射线圈部分6′呈镜像关系的发射线圈部分6中的这个电流方向完全相反。电流方向的这种反向是很容易实现的，例如通过反向和电容器608两端的信号连线的连接。在这种情况下，在内部环形电通道606′上同时产生的RF磁场的方向，即在面对发射线圈部分6的一侧产生的RF磁场的方向，和上述的由发射线圈部分6产生的磁场的方向相同，由此形成叠加这两个磁场的一个RF磁场。

因此，在发射线圈部分6和6′之间的一个空间内，产生了一个在垂直于z方向的一个平面内旋转的RF磁场。如图9示例性所示，通过相加由两个线圈产生的RF磁场，可以使得在z方向的RF磁场的强度的特性曲线在其中包括静磁场中心的一个宽的范围内(Z/2)是均匀的。

发射线圈部分6和6′的电通道例如可由导电箔构成。在图10中表示出由导电箔构成的发射线圈部分6的一个典型的电路图形。如图所示，所有的电通道602、604、606都是由一种导电材料如铜箔构成的。铜箔的厚度例如是在约10-100微米的范围内。电通道602和604的宽度例如约为几个厘米或者10厘米或更大。应该说明，电路图形是在一个支撑部件(未示出)上构成的。

环形电通道602在分段位置有相应的缝隙610，电容器608就设在缝隙610内，用于串联连接电通道602。应该注意的是，在图10中省去了电容器608。此外，缝隙610的标号在附图中的一个位置由参考数字代表。

通过将径向延伸的电通道604作成具有大的宽度的电通道，和由一根线构成的电通道604相比，可明显减小相邻电通道604之间不携带电流的这部分所占的比例。这可缓解在相邻电通道604之间的中间部分发生的磁场强度的减小，因而减轻了磁场强度分布的不均匀性。

电通道606不像以上所述的那样构成环形的，而是构成为一个圆盘形的，它的中央部分是封闭的。因为电流在整个圆盘上分布，和环形不同，由于在中央部分没有电流，所以可以避免在中央部分出现磁场的减小，产生满意的磁场。

在环形电通道602和径向延伸的电通道604之间提供肩部。具体来说，如沿线A-A取的图11的剖面图所示的，提供的肩部应使环形电通道602距静磁场的中心比径向延伸的电通道604距静磁场的中心更远些。因而，增加了在静磁场内放置的研究对象8和环形电通道602之间的距离，从而减小了环形电通道602对RF激励磁场的抵消效应。

因此，可减小获得一个预定的RF磁场强度所需的电功率，产生有效的RF激励。况且，由于可以相应地减小流过电通道的RF电流，所以可以减小研究对象8的总SAR。进而，通过增加研究对象8和环形电通道602之间的距离，可随着电流的减小而减小研究对象8的局部SAR。

发射线圈部分6′的电路图形构造得和发射线圈部分6的电路图形成镜像关系。因此，在研究对象8和环形电通道602′之间的距离也加大了，从而减小了环形电通道602′对于RF激励磁场的抵消效应。因而，和以上所述的方式类似，可以实现有效的RF激励，同时又减小了总SAR和局部SAR。

通过提供肩部，减小了一个RF屏蔽700和电通道602之间的距离，所说的RF屏蔽700设置在梯度线圈部分4和发射线圈部分6之间，如图12示例性所示。因此，流过电通道602的RF电流有较大的镜像效应。镜像效应引起的状态等效于产生一个电流(镜像电流)，镜像电流的极性和流过电通道602的RF电流的极性相反，镜像电流的位置相对于RF屏蔽700来说和电通道602是对称的。因此，镜像效应的增加加强了镜像电流的抵消作用，并且抵消了由流过电通道602的电流引起的RF磁场。因此，更加改善了RF激励的效率，并且更加减小了研究对象8的总SAR和局部SAR。

图13表示另一个典型的磁共振成像设备，它是本发明的另一个实施例。该设备的结构代表本发明的设备的实施例，该设备的操作代表本发明的方法的实施例。

在图13中，由相同的标号代表类似于图1所示的部件，并且省去了对它们的说明。如图13所示，该设备具有一个大体上圆柱形的静磁场产生部分21，它代表本发明的静磁场产生部分的一个实施例。静磁场产生部分21例如由一个超导电磁铁构成。静磁场产生部分21在它的内部空间产生一个静磁场。静磁场方向大体上平行于研究对象8的主体轴线，因此该静磁场形成一个所谓的水平磁场。

在静磁场产生部分21的内部空间中设置一个大体上圆柱形的梯度线圈部分41，在梯度线圈部分41的内部设置一个人体线圈部分61。在梯度线圈部分41和人体线圈部分61之间设置一个RF屏蔽(未示出)。研究对象8就放在人体线圈部分61的内部空间中。

人体线圈部分61由发射器部分18驱动，以产生一个RF磁场。人体线圈部分61还检测由研究对象8产生的磁共振信号，并且将这个信号提供给接收器部分20。这就是说，人体线圈部分61是用来传送和接收RF信号的。

图14示意地表示人体线圈部分61的结构。如图所示，人体线圈部分61具有多个相互平行的电通道612。应该注意的是，电通道612的标号由在一个位置的参考数字表示。电通道612代表本发明的多个相互平行的电通道的一个实施例。多个电通道612的两端由环形电通道614和614′连接。环形电通道614和614′代表本发明的环形电通道的一个实施例。

每个环形电通道614和614′在由多个电通道612的连接点形成的分段的位置都设有电容器(未示出)。在环形电通道614或614′中的任何一个电通道上的两个位置都设有RF信号电源部分(未示出)，这两个位置相对于环的中心的对应方向相差90°。电源部分还用于拾取RF信号。这种类型的RF线圈有时称之为鸟笼线圈。

在这样一种鸟笼线圈中，正是多个电通道612，对RF激励磁场的产生作出贡献。而在其两端的环形电通道614和614′这两者对于激励磁场的产生都没有贡献，而是用作RF电流的返回通道。

环形电通道614和614′的直径大于由多个电通道612的阵列形成的圆柱形空间的直径，并且电通道612的两端向圆柱形空间的外部弯曲，以便连接到环形电通道614和614′。因此，环形电通道614和614′距放在圆柱形空间内的研究对象8的距离比电通道612距研究对象8的距离更远些。因此，减小了环形电通道614和614′对激励磁场的抵消作用，改善了激励效率。此外，减小了研究对象8的总SAR和局部SAR。这些效果通过来自于环形电通道614和614′的镜像效应的增加得到进一步地加强，所说的电通道614和614′靠近RF屏蔽700′，而RF屏蔽700′设在人体线圈部分61和梯度线圈部分41之间，如图15所示的。

现在描述本发明的设备的操作过程。虽然描述是参照图1所示的设备进行的，但这一描述也适用于图13的设备。设备的操作是在控制部分30的控制下进行的。作为一种典型的磁共振成像方法，下面描述利用梯度回波技术的成像过程。应该注意的是，磁共振成像不限于利用梯度回波技术实现，而是可以利用任何其它的适宜的技术去实现，如自旋回波技术或EPI(回波-平面成像)技术。

在利用梯度回波技术的成像过程中，使用例如在图16中示例性所示的一个脉冲序列。这个脉冲序列沿时间轴“t”从左前进到右。脉冲序列的执行过程是由控制部分30控制的。

如在图16(1)所示的，RF激励是由一个α°脉冲实现的。由于这个RF线圈的结构以及上述的镜像效应允许进行有效的RF激励，同时还维持研究对象8的低的总SAR和局部SAR，所以可减小研究对象8的总的温升和局部温升。

在一个宽的范围内以好的均匀性实现了RF激励。在RF激励过程中，如(2)中所示，施加一个限幅梯度磁场Gs。因此，有选择性地激励了研究对象8中的一个预定部位的自旋。在有选择性的激励后，通过梯度磁场Gs重新确定自旋的相位。

下面，通过如(4)所示的相位编码梯度磁场Gp实现相位编码。然后，通过读出梯度磁场Gr使自旋重新确定相位，随后反向这个梯度磁场的极性，以读出磁共振信号(梯度回波)。

通过在一个预定的重复时间TR重复这一脉冲序列，就可获得每个相应的梯度回波。对于每个TR，改变相位编码梯度磁场Gp的幅度，并且在一个存储器内收集用于多个视图的磁共振信号。计算机24对于收集在存储器中的数据进行两维傅里叶逆变换，并且产生成像部位的层析X射线摄影图像。在显示部分32显示这个层析X射线摄影图像。

在不偏离本发明的构思和范围的条件下可以设计出本发明的许多差别很大的实施例。应该理解，本发明不限于在说明书中描述过的特定实施例，只受所附的权利要求书定义的范围限制。