正交直肠内线圈及用于该正交直肠内线圈的接口设备

摘要

一种用于与MR系统一起使用的腔内探头允许获得内部解剖结构的图像和光谱。该腔内探头在它的球形罩内收纳对MR信号的竖直和水平分量均敏感的单元件正交线圈。正交线圈借助于它的输出线被设计成插入于用来将正交线圈与MR系统进行接口的专用接口设备中。线圈内的驱动电容器与输出线的电长度和在接口设备内的移相网络结合使得正交线圈从由MR系统生成的发送场完全去耦合。接口设备内的预放大器、功率分配和组合网络处理代表MR信号的水平和竖直分量的电压信号并且使它们能够传向MR系统的输入端口。

说明书

技术领域

本发明总体涉及使用磁共振(MR)系统来获得腔内结构的图像和光谱的系统和方法。更具体而言，本发明涉及一种能够根据从在MR手术期间激励的核子获得的MR信号来提供图像和光谱结果的正交直肠内线圈和关联接口设备。

背景技术

提供以下背景信息以帮助读者理解下文公开的本发明和它的通常使用环境。在本文中除非另有明示则并不明确或者隐含地使这里所用术语限于任何特定狭义解释。

磁共振成像(MRI)是一种产生人体内部的高质量图像的无创方法。它允许医疗人员看见人体内部而无需外科手术或者使用电离辐射如X光。图像的分辨率高到使得癌症和其它病理形式经常可以在视觉上区别于健康组织。也已经开发磁共振技术和系统用于进行可以用来查明身体组织或者其它材料的化学含量的光谱分析。

MRI使用一种大功率磁体、无线电波和计算机技术以创建身体内的软组织、肌肉、神经和骨骼的具体图像。它通过利用氢原子(在活体生物组织内的所有细胞中大量发现的原子)的基本性质来这样做。在无磁场时，氢原子的核子如陀螺般自旋或者在每个方向上随机产生进动。然而在受到强磁场时，氢核子的自旋轴在场的方向上对准它们本身。这是因为氢原子的核子具有称为大磁力矩(一种与场的方向对齐的强大固有趋势)的性质。待成像的区域的氢核子共同创建与磁场平行指向的平均磁化矢量。

典型MRI系统或者扫描仪包括主磁体、三个梯度线圈、射频(RF)天线(常称为整体线圈)和计算机站，操作者可以从该计算机站控制系统。然而MRI系统的主要部件为主磁体。它通常在性质上为超导而在形状上为圆柱形。主磁体在它的孔洞(在MRI手术期间患者放置于其中的开口)内生成既均匀又静态(不可变)的常称为B₀场的强磁场。这一B₀磁场沿着孔洞的称为z方向的纵轴取向，这迫使身体中的氢原子的磁化矢量与该轴平行对准它们本身。在这一对准中预备核子以从整体线圈接收适当频率的RF能量。这一频率称为拉莫尔频率并且取决于方程ω＝ΥB₀，其中ω为拉莫尔频率(氢原子在该频率产生进动)，Υ为回转磁常数，而B₀为静态磁场的强度。

RF天线或者整体线圈一般用来既发送RF能量脉冲又接收由此在氢核子中感应的所得磁共振(MR)信号。具体而言，体线圈在它的发送循环期间向圆柱孔中广播RF能量。这一RF能量创建也称为RF B₁场的射频磁场，该磁场的磁场线在与氢核子的磁化矢量垂直的线中定向。RF脉冲使氢核子的自旋轴参照主(B₀)磁场倾斜、因此使净磁化矢量从z方向偏离已知角度。然而RF脉冲将仅影响在RF脉冲的频率下关于其轴产生进动的那些氢核子。换而言之，将仅影响在该频率下“共振”的核子，并且与三个梯度线圈的操作结合实现这样的共振。

梯度线圈为电磁线圈。各梯度线圈用来在孔洞内沿着三个空间方向(x，y，z)之一生成线性可变而静态的磁场。定位于主磁体以内的梯度线圈能够在以具体方式很快接通和关断它们时在很局部的水平上变更主磁场。因此与主磁体结合可以根据各种成像技术操作梯度线圈，从而氢核子——在任何给定点或者在任何给定条带、分片或者单位体积中——将能够在施加适当频率的RF脉冲时实现共振。响应于RF脉冲，在所选区域中的产生进动的氢原子吸收从体线圈发送的RF能量、因此迫使其磁化矢量从主(B₀)磁场的方向倾斜开。如下文进一步说明的那样，在关断体线圈时，氢核子开始以MR信号的形式释放RF能量。

一种可以用来获得图像的公知技术称为自旋回波成像技术。根据这一技术操作的MRI系统首先激活一个梯度线圈以沿着z轴建立磁场梯度。这称为“分片选择梯度”，并且在施加RF脉冲时建立它而在关断RF脉冲时关闭它。它允许共振仅出现在位于成像区域的分片内的那些氢核子内。在位于感兴趣的平面的任一侧上的任何组织中不会出现共振。紧接在RF脉冲停止之后，在激活的分片内的所有核子“同相”、即它们的磁化矢量都在相同方向上指向。分片中的所有氢核子的净磁化矢量将在它们自己的设备左边松驰、因此与z方向重新对准。然而代之以短暂激活第二梯度线圈以沿着y轴创建磁场梯度。这称为“相位编码梯度”。它使分片内的核子的磁化矢量随着某人在梯度的最弱与最强端之间移动而在越来越不同的方向上指向。接着在已经关断RF脉冲、分片选择梯度和相位编码梯度之后短暂激活第三梯度线圈以沿着x轴创建梯度。这称为“频率编码梯度”或者“读出梯度”，因为仅在最终测量MR信号时施加它。它使松弛的磁化矢量被有差别地重新激励，从而在梯度的下端附近的核子开始以更快速率产生进动而在高端的核子甚至速度更快地加速。在这些核子再次松弛时，最快的核子(在梯度高端的核子)将发射最高频率的无线电波。

梯度线圈共同允许对MR信号进行空间编码，从而成像区域的各部分由它的共振信号的频率和相位唯一限定。具体而言，随着氢核子松弛，各自变成小型无线电发送器，该发送器根据它驻留于其中的局部微环境发出随时间改变的特征脉冲。例如，脂肪中的氢核子具有与水中的氢核子不同的微环境、因此发送不同脉冲。由于这些不同，不同组织与相异组织的不同的水与脂肪之比结合而发送不同频率的无线电信号。体线圈在它的接收循环期间检测常统称为MR信号的这些小型无线电传输。这些独特的共振信号从体线圈传向MR系统的接收器，它们在这些接收器转换成与之对应的数学数据。必需重复整个过程多次以形成信噪比(SNR)良好的图像。MR系统可以使用多维傅里叶变换将数学数据转换成二维或者甚至三维图像。

在需要身体具体部分的更具体图像时，经常使用局部线圈而不是整体线圈。局部线圈可以采用体积线圈或者表面线圈的形式。体积线圈用来包围或者围绕待成像的体积(例如头部、臂部、腕部、腿部或者膝盖)。然而表面线圈仅放置于患者的表面上，从而可以对感兴趣的下层区域进行成像(例如腹部、胸部和/或骨盆区域)。此外，局部线圈可以被设计成作为仅进行接收的线圈或者发送/接收(T/R)线圈来操作。如上文所言，前者仅能检测身体响应于MRI手术而产生的MR信号。然而T/R线圈能够接收MR信号以及发送产生RF B₁磁场(这是用于在身体组织中感应共振的前提)的RF脉冲。

至于仅进行接收的线圈，在MRI领域中公知使用单个无论表面还是体积的局部线圈以检测MR信号。早期的接收线圈仅为线性线圈，这意味着它们可以检测感兴趣的区域所产生的MR信号的两个正交(即竖直M_X和水平M_Y)分量中的仅一个分量。线性线圈的一个例子为图1中所示的单个回路线圈。这一回路仅能检测与回路的平面垂直/竖直取向的磁场(即MR信号)。线性线圈的另一例子为图2中所示蝴蝶线圈。不同于单个回路，蝴蝶线圈仅对与线圈的平面平行取向的磁场敏感。这是因为通过在中间扭转回路以关于中点形成两个相同子回路来构造蝴蝶线圈。由于在子回路中流动的电流相同、但是在逆向旋转方向上流动，所以流过对称结构的一个子回路的电流所生成的磁通与由于在另一子回路中的电流所致的磁通相等、但是相反。因此，由于逆向旋转电流所致的竖直场关于结构的中点相反并且相互抵消。然而那些电流生成的水平场组合从而产生与线圈的平面平行取向的磁场。

虽然它们在单独使用时作为线性线圈来工作，但是单个回路和蝴蝶线圈元件——在接连堆叠时——共同作为正交线圈来工作。在堆叠和电组合两个这样的局部线圈以形成一种两个线圈元件的结构时使所得正交线圈能够检测从患者发出的MR信号的竖直和水平分量。如在美国专利4,816,765中教导的那样，在MRI领域中公知在物理上堆叠两个线性线圈元件以形成这样的正交线圈。

与线性接收线圈比较，正交接收线圈使MRI系统能够提供SNR明显更高(通常比线性线圈高多达41％)的图像。然而即使有正交模式的检测所带来的改进，单个线圈的方式仍然在图像质量上有待改进。单个线圈的方式固有的弊端可归因于仅一个线圈结构用来在整个感兴趣的区域内采集MR信号。

开发相控阵列线圈系统以克服单个线圈的方式的短处。相控阵列方式使用多个更小局部线圈而不是一个大局部线圈，其中各这样的线圈元件覆盖或者围绕感兴趣的区域的仅一部分。例如在具有两个这样的线圈元件的系统中，各自将覆盖或者围绕感兴趣的区域的近似一半，其中两个线圈元件通常出于磁隔离的目的而部分重叠。两个线圈元件将从它们的相应部分同时采集MR信号，并且它们不会由于重叠而不利地相互作用。由于各元件覆盖感兴趣的区域的仅一半，所以各这样的元件能够接收SNR比区域在它的覆盖区内的那一部分更高的MR信号。相控阵列的更小局部线圈元件因此共同向MRI系统提供为了生成分辨率比可以独自从单个大局部线圈获得的分辨率更高的整个感兴趣的区域的图像而必需的信号数据。

相控阵列线圈系统的一个例子为宾夕法尼亚州印第安诺拉的MEDRAD公司提供的Torso阵列。Torso阵列包含四个表面线圈，其中两个设置于前明轮中而另两个设置于后明轮中。两个明轮被设计成与前表面和后表面相抵放置。Torso阵列被设计用于与如下MR系统一起使用，该MR系统的数据采集系统具有多个接收器。Torso阵列的四个引线(各个引线来自两个前表面线圈和两个后表面线圈)可以连接到单独接收器，其中各接收器放大和数字化它接收的信号。MR系统然后结合来自单独接收器的数字化信号以形成总体SNR比可以独自从覆盖整个感兴趣的区域的单个局部线圈或者甚至两个更大的前和后局部线圈获得的SNR更好的图像。

也公知使用多个腔内探头以获得内部身体结构的图像。在全部转让给本发明的受让人并且通过引用结合于此的美国专利5,476,095和5,355,087以及第10/483,945和11/719,253号美国申请(分别公开为公开号为2004/0236209A1和2009/0076378A1的美国专利申请)中公开了若干现有技术的腔内探头。在这些参考文献中公开的现有技术探头被设计成插入于身体开口如直肠、阴道和口腔中。那些参考文献也公开了如下接口设备，这些设备被设计成将它们的相应腔内探头与MR成像和光谱系统进行接口。在也转让给本发明的受让人并且通过引用结合于此的美国专利5,348,010中公开了一种使用腔内探头的方法。

与其关联接口单元结合操作的各现有技术探头允许MR系统生成各种内部器官如前列腺、结肠或者子宫颈的图像和光谱结果。这样的腔内探头通常包括轴杆和在其远端上的气球型罩，局部线圈收纳于该罩中。轴杆具有允许气球在探头的远端插入于身体开口中和从身体开口取出期间放气的充气内腔。气球可以在恰当定位于开口中时充气以使其中的局部线圈与待成像的内部器官靠近。经过轴杆中的另一内腔布线的输出线缆将局部线圈连接到用来将腔内探头连接到它的关联接口设备的外部插头。

这样的腔内探头的例子包括全部由MEDRAD公司生产的BPX-15前列腺/直肠内线圈、PCC-15结肠直肠线圈、BCR-15子宫颈线圈和BPX-30前列腺/直肠内线圈。与这些腔内探头一起使用的所有接口设备的例子包括也由MEDRAD公司生产的的单通道ATD-II、4通道ATD-Torso、4通道1.5T MR64ERA、8通道1.5TM64ERA8-HD、8通道3.0T M128ERA8-HD单元和1.5T & 3.0T接口设备(用于为西门子和飞利浦制造的各种扫描仪)。

ATD-II接口设备用来将BPX-15探头与MR系统的一个接收器进行接口以提供前列腺的图像或者光谱。多通道接口设备用来不仅将一个或者多个现有技术探头而且将MEDRAD Torso阵列与MR系统的多个接收器进行接口。例如在4通道1.5T MR64ERA接口设备连接到BPX-15探头和Torso阵列时，MR64ERA接口设备允许MR系统提供不仅前列腺而且周围解剖体(即腹部、胸部和骨盆区域)的图像或者光谱。

迄今为止已经设计具有仅单个回路线圈的腔内探头，尽管各自具有如下电路，该电路被唯一地构造成使得调谐和电平衡回路线圈以与特定场强度的MR系统一起操作。这些现有技术探头因此表现与其它线性线圈相同的弊端、即仅能检测MR信号的两个正交分量之一。

因此将希望引入如下腔内探头，该探头的内部线圈结构对MR信号的竖直和水平分量均敏感。然而为腔内探头用途设计的正交线圈必需尽可能小而灵活。它必须能够配合于可膨胀(可充气)和可收缩(可放气)的气球或者其它适当罩内并且因此使探头的罩能够可插入于和穿过前述身体开口，从而其中的正交线圈可以定位成与待成像的内部器官靠近而给患者的不适感全程最少。比如在上述美国专利4,816,765中公开的正交线圈结构这样的正交线圈结构将是不够的。它的堆叠两个元件的结构使得难以实现最优SNR，因为必须精确对准分离的元件以避免在它们自己之间的交叉耦合。即使有最优对准，仍然固有地有损于堆叠的结构对MR信号的竖直和水平分量进行检测的能力。

因此将希望发明一种适合在腔内探头中使用和提供其它表面线圈的单元件正交线圈及其关联接口设备。为了提供腔内探头，将理想的是正交线圈尽可能小、从而它可以容易并入于其适当罩内并且容易可插入于和可操控于前述身体开口内。在所有的显示中，尽可能灵活以使其符合患者的表面或其内部器官由此尽可能邻近于感兴趣的下层区域的正交线圈是理想的。在这样做时，这样的正交线圈将提供如与现有技术的正交线圈比较有更大的覆盖范围和提高的SNR性能。

发明内容

在本发明的当前优选的实施例中，正交线圈能够与用于获得感兴趣的区域的图像或者光谱的MR系统一起使用。该正交线圈包括：电介质材料的柔性衬底；第一导线图案，粘合到柔性衬底的一侧；以及第二导线图案，粘合到柔性衬底的另一侧。第一导线图案包括外导电回路，外导电回路具有大体上对称形状并且在其一端限定驱动间隙和在其另一端限定第一调谐间隙。第二导线图案包括驱动导电段和调谐导电段。驱动导电段与驱动间隙对称地重叠并且和与之相对的外导电回路和柔性衬底一起在其间形成近似相等值的第一驱动电容器和第二驱动电容器，其间有结节点。调谐导电段与第一调谐间隙重叠并且和与之相对的外导电回路和柔性衬底一起在其间形成近似相等值的第一调谐电容器和第二调谐电容器，这些电容器的共同结节点处于与结节点径向对置处。外导电回路以及驱动和调谐导电段形成简易回路型线圈，在简易回路型线圈中，第一和第二驱动电容器在其结节点形成用于电平衡并且阻抗匹配简易回路型线圈的虚拟接地。第一和第二调谐电容器也使简易回路型线圈能够在MR系统的工作频率下共振并且因此检测与正交线圈的平面正交取向的MR信号。第一导线图案也包括内导电段，内导电段部署于驱动与第一调谐间隙之间、但是未连接到外导电回路以及其中的驱动和第一调谐间隙。第二导线图案也包括在驱动与调谐导电段之间延伸的中心导电段并且在其中限定第二调谐间隙。内导电段与第二调谐间隙重叠并且和与之相对的中心导电段和柔性衬底一起在其间形成电抗在工作频率下与内和中心导电段的导电电抗相等的第三调谐电容器。这使内和中心导电段能够与简易回路型线圈一起调谐以与之形成用于检测与正交线圈的平面平行取向的MR信号的蝴蝶型线圈。使所得单个结构的正交线圈能够检测从患者的感兴趣的区域发出的MR信号的竖直和水平分量。

在一个更广泛的方面中，本发明提供一种与用于获得感兴趣的区域的图像或者光谱的MR系统一起使用的正交线圈。该正交线圈包括外回路和平分外回路的中心导体。外回路被设计成检测与正交线圈的平面正交取向的MR信号。外回路包括多个电容器，这些电容器包括：近似相等值的第一驱动电容器和第二驱动电容器，串联部署于外回路内并且在其结节点形成用于电平衡并且阻抗匹配外回路的虚拟接地。外回路也包括：第一调谐电容器和第二调谐电容器，串联部署于外回路内而其共同节点处于与结节点径向对置处。第一和第二调谐电容器具有选择成在MR系统的工作频率下共振外回路的近似相等值。中心导体在外回路的共同节点与结节点之间延伸，中心导体在工作频率下具有相等电容和电感电抗并且与外回路一起调谐以与之形成用于检测与正交线圈的平面平行取向的MR信号的蝴蝶型线圈。使所得单个结构的正交线圈能够检测从患者的感兴趣的区域发出的MR信号的竖直和水平分量。

在本发明的一个有关方面和当前优选实施例中，一种接口设备能够将正交线圈与MR系统进行接口。正交线圈具有第一和第二端口，各端口能够在接收循环期间输出电压信号，这些电压信号代表从患者的感兴趣的区域发出的水平和竖直取向的MR信号，从而第一和第二端口输出的代表水平取向的MR信号的电压信号隔开0度而第一和第二端口输出的代表竖直取向的MR信号的电压信号隔开180度。接口设备包括第一和第二移相网络、第一和第二功率分配器、零度组合器和180度组合器。可连接于正交线圈的第一端口两端的第一移相网络使从第一端口接收的电压信号的相位能够移位90度。可连接于正交线圈的第二端口两端的第二移相网络使从第二端口接收的电压信号的相位能够移位90度。第一分配器划分由第一移相网络移相的电压信号，而第二分配器划分第二移相网络移相的电压信号。零度组合器构造性地组合从第一分配器接收的代表水平取向的MR信号的电压信号与从第二分配器接收的代表水平取向的MR信号的电压信号。它也利用从第二分配器接收的代表竖直取向的MR信号的电压信号解构性地抵消从第一分配器接收的代表竖直取向的MR信号的电压信号。180度组合器构造性地组合从第一分配器接收的代表竖直取向的MR信号的电压信号与从第二分配器接收的代表竖直取向的MR信号的电压信号。它也利用从第二分配器接收的代表水平取向的MR信号的电压信号解构性地抵消从第一分配器接收的代表水平取向的MR信号的电压信号。优选地，接口设备也包括两个预放大器网络，其中第一个设置于第一移相网络与第一分配器之间而第二个设置于第二移相网络与第二分配器之间。可选地，接口设备还可以包括：90度混合耦合器，用于组合从零度组合器接收的代表水平取向的MR信号的电压信号与从180度组合器接收的代表竖直取向的MR信号的电压信号。

附图说明

通过参照下文具体公开内容和以下附图将更好地理解本发明及其当前优选和替代实施例：

图1示出了单个回路线圈和它能够感测的竖直取向磁场的示意图。

图2示出了蝴蝶线圈和它能够感测的水平取向磁场的示意图。

图3是根据本发明的正交直肠内线圈及其接口设备的简化示意图。

图4是设计成与1.5T MR系统一起操作的本发明的正交直肠内线圈的具体示意图。

图5示出了MR信号流的竖直分量所感应的电流如何在图4中所示正交线圈的外回路内流动。

图6示出了MR信号的水平分量所感应的电流如何在图4中所示正交线圈内形成的蝴蝶型结构内流动。

图7是用于本发明的正交直肠内线圈的接口设备的具体电路图。

图8以流程图形式图示了接口设备的另一实施例。

图9是设计成与3.0T MR系统一起操作的本发明的正交直肠内线圈的具体示意图。

图10在单独层中图示了由如下薄的柔性电介质衬底材料制成的本发明的正交线圈，已经在任一侧上向该衬底材料粘合互补的和不同的导线图案以形成导电通路以及调谐和去耦合所需要的电容器。

图11图示了微带形式的输出线的简化示意图，该输出线连接到用于与1.5T MR系统一起操作的柔性衬底设计的正交线圈。

具体实施方式

下文公开的本发明在所有它的实施例和有关方面中理想地与设计成在1.0至3.0特斯拉或者其间任何值的场强度操作的磁共振(MR)系统一起使用，尽管它也可以被设计用于与在更低或者更高场强度可操作的MR系统一起使用。该技术适用于如下扫描仪，这些扫描仪的磁体配置有水平或者竖直孔洞取向或者混合变化并且配置有开放或者闭合的孔洞。

虽然这里在具体实施方式中描述本发明(即描述为正交直肠内线圈——该线圈能够并入于适当壳内以形成可插入于直肠内的腔内探头以获得前列腺的图像和/或光谱)，但是应当理解本发明同样能够适于从感兴趣的其它区域(比如经过口腔、阴道或者腔内探头可穿透的其它孔可到达的区域)获得图像和/或光谱。也应当清楚这里呈现的原理也可以应用于广泛多种表面线圈阵列、比如用于颈部、躯干和身体其它结构成像的表面线圈阵列。

图3-11图示了本发明、即单元件正交直肠内线圈及其接口设备，该接口设备用于将线圈与MR系统的适当输入端口进行接口。在所有实施例中，本发明的正交直肠内线圈体现为对MR信号的竖直和水平分量均敏感的单元件结构。

图4是设计成与1.5T MR系统一起使用的本发明的正交直肠内线圈的示意图。大体上表示为100的正交线圈包括外回路110、平分外回路110的中心导体150和输出线180。外回路110包括多个电容器(包括第一和第二驱动电容器111和112以及第一和第二调谐电容器121和122)。近似相等值的驱动电容器111和112串联部署于外回路110内并且在它们的结节点2形成用于电平衡并且阻抗匹配回路的虚拟接地。调谐电容器121和122也串联部署于外回路110内而它们的共同节点3处于与结节点2径向对置处。近似相等值的调谐电容器121和122被选择成在MR系统的工作频率共振外回路110。就这一点而言，外回路110在图4中表示为具有四个电感器。那些电感器的值仅代表回路的导电(例如铜)段中固有的电感。已经选择外回路110中的电容器的值使得回路的电容电抗在工作频率下在量值上等于回路的电感电抗。出于该目的，分立电感器也可以并入于外回路110中。

以这一方式，已经调谐图4的外回路110以检测在1.5T MR系统的工作频率下从患者发出的MR信号。外回路110的形状规定环路仅能检测其场线与回路的平面竖直取向的那些MR信号。然而前述调谐方案也对外回路110输出的如下所得电压信号施加180度移相，这些电压信号代表它检测的竖直取向的MR信号。具体而言，相对于在结节点2的虚拟接地，在第一驱动电容器111两端(即在第一端口)可检测的电压信号的相位与在第二驱动电容器112两端(即在第二端口)可检测的电压信号的相位相差180度。这一相位差的意义结合下文讨论的接口设备的操作变得清楚。

中心导体150在外回路110的结节点2与共同节点3之间延伸并且均匀平分外回路110、因此维持正交线圈100的物理和电对称性。图4将中心导体150表示为具有沿着它的长度对称部署的两个导体和调谐电容器151。类似于外回路110。那些电感器的值仅代表电感器中固有的电感。已经选择调谐电容器151的值使得它在工作频率下的电抗等于中心导体150的电感电抗。这允许两个操作模式同时出现。首先，相等的电感和电容电抗使中心导体150能够相对于外环路110充当开路。具体而言，如图5中所示，在接收循环期间，I_S可以代表竖直取向的MR信号在外回路110内感应的电流，因为它是表示为流入和流出回路的信号电流。由于正交线圈100的物理和电对称性，I_S在进入回路时拆分成两个相等电流、具体为：

I_S＝I_A+I_A

随着两个I_A电流到达中心导体150的相反端，各自拆分成两个其它电流，其中一个为保持于外回路110中的主回路电流I_M而另一个为可以向中心导体150中泄漏的泄漏电流I_L。

I_A＝I_M+I_L

由于正交线圈的对称性，主回路电流的两个支流与泄漏电流的两个支流一样相等。

I_M＝I_M且I_L＝I_L

由于两个泄漏电流从外回路110的相反端流入中心导体150，所以它们在符号上相反并且因此相互抵消。同时，两个主回路电流(一个从回路的远侧流向第一端口而另一个在第二和第一电容器112和111两端流动)在第一端口组合以重新形成信号电流I_S。

I_S＝I_A+I_A＝(I_M+I_L)+(I_M-I_L)＝2I_M

实质上无净电流在接收循环期间在中心导体150中流动、因此使中心导体150能够相对于在外回路110中流动的电流充当开路。

除了针对外环路110充当开路以实现检测MR信号的竖直分量之外，中心导体150也与外回路110一起操作以模仿用于检测与正交线圈100的平面平行取向的MR信号的蝴蝶型线圈。本发明的调谐方案不仅为外回路110创建简易回路电流路径而且为组合的外回路110和中心导体150创建替代电流路径——涉及到逆向旋转电流。这在图6中最佳地示出。具体而言，在接收循环期间并且在结节点2附近开始，水平取向的MR信号所感应的电流流过第二驱动电容器112两端直至外回路110的远端并且流入中心导体150而且沿着中心导体150流动。它然后与蝴蝶结构的重点交叉并且流过第一驱动电容器111两端直至外回路110的远端并且流入中心导体150中而且沿着中心导体150流动以重新开始循环，只要正交线圈100就位以在接收操作循环期间检测MR信号。

图4的中心导体150和外回路110因此已经被调谐成检测如下MR信号，这些MR信号的场线与正交线圈100的平面水平取向。这是因为它们已经被调谐成模仿如下蝴蝶型线圈，在该线圈的相同成形的子回路中，感应电流为相同量值、但是在逆向旋转方向上流动。虽然未与现有技术的蝴蝶线圈的情况一样通过在中间扭转导电回路以关于中点形成两个子回路来物理地形成，但是本发明的线圈结构除了如上文结合外回路110描述的简易回路之外还电模仿蝴蝶线圈的操作。

与对于表示竖直取向的MR信号的电压信号不同，调谐方案未向如下所得电压信号施加移相，这些电压信号可归因于由蝴蝶型结构检测的水平取向的MR信号。具体而言，相对于在结节点2的虚拟接地，在第一端口处在第一驱动电容器111两端可检测的“水平”电压信号的相位与在第二端口处在第二驱动电容器112两端可检测的“水平”电压信号的相位相同(即相对于后者为0)。这一零度相位差的意义结合下文讨论的接口设备的操作变得清楚。

可以使用各种机制如同轴线缆、带线、微带或者其它传输线技术来实施用于正交线圈100的输出线180。图4示出了两个同轴线缆181和182而各自的屏蔽导体连接到线圈的结节点2。线缆181的中心导体连接到第一驱动电容器111的另一侧，而线缆182的中心导体连接到第二驱动电容器112的另一侧。取而代之，可以使用具有双重内导体的单个同轴线缆。在这一情况下，仅有的屏蔽导体将连接到结节点2，而一个内导体在第一端口连接于第一驱动电容器111两端并且另一内导体在第二端口连接于第二驱动电容器112两端。以任一方式，驱动电容111和112提供一种平分正交线圈100所输出的电压信号并且使它们以屏蔽导体为参照的手段。

然而实施的输出线180出于在转让给本发明的受让人并且通过引用结合于此的第11/719,253号美国申请(公开为公开号为2009/0076378A1的美国专利申请)中公开的原因而应当具有电长度S_L+n(λ/4)。如在`253申请中公开的那样，λ为MR系统的工作频率的波长，而n为将通常(并且下文视为)等于1的奇数整数，因为正交线圈100将在实践中总是合理地接近它将连接到的接口设备。S_L代表如下附加长度，该长度的电感电抗的量值与输出线180的端子连接于其两端的各第一和第二驱动电容器111/112相同。

以两个同轴线缆(各自的中心和屏蔽导体的电长度为S_L+λ/4)的选项为例，各同轴线缆181和182被设计成可连接到90度移相网络。出于该原因，下文讨论的接口设备以两个这样的移相网络(各移相网络用于正交线圈100的相应同轴线缆)为特征。利用附着至各线缆的末端的标准插头(或者利用容纳两个线缆的导体的单个插头)，各线缆181和182的中心和屏蔽导体连接到用于接口设备的适当插座或者其它类型的连接器，以便在接口设备中将各线缆连接到它的对应移相网络。

图3和图7图示了用于将正交线圈100与1.5T MR系统的适当输入端口进行接口的大体上表示为500的接口设备的优选实施例。图3在流程图中图示了接口设备500，而图7描绘了接口设备500的具体电路图。

接口设备500包括移相网络511和512、预放大器网络521和522、功率分配网络531和532、180度组合网络541以及零度组合网络542。可以用标准威尔金森式设计实施功率分配和组合网络，并且可以用28dB标称增益理想地实现预放大器网络。可以使用商用小型低噪声28dB增益屏蔽单元(调谐的输入电路被设计成在拉莫尔频率呈现低阻抗(＜5Ω(实值))实施预放大器网络521和522。预放大器网络521/522鉴于它们的低阻抗而与它们的相应PIN二极管511a/512a靠近，允许在接收循环期间与结合正交线圈使用的其它表面线圈(或者表面线圈阵列)隔离的一些措施。在接口设备500中包括图7中所示无源保护二极管网络，以如果接口设备500在发送循环期间在MR系统的孔洞内之时断开则防止过量RF电压在RF发送脉冲期间损坏预放大器网络521和522。这些二极管网络在相同情况下还为正交线圈提供一定的去耦合功能。

功率分配网络531和532在预放大器网络521和522的输出用作50欧姆/0度分配器。两个组合网络541和542也配置为50欧姆设备。因而这四个网络可以如图所示借助四个相等相位长度的50欧姆同轴线缆、PCB带线、微带或者其它传输线介质来互连。可选地，如下文详述的那样，可能需要90度混合组合网络550以组合180度组合网络541所输出的“竖直”电压信号与零度组合网络542所输出的“水平”电压信号。然后可以向接口设备链接到的MR系统的单个输入提供所得组合或者正交电压信号。

接口设备500也包括两个PIN二极管511a和512a，其中二极管511a连接于移相网络511的输出两端而二极管512a连接于移相网络512的输出两端。移相网络各自出于下文具体说明的原因而实施对经由输出线180从正交线圈100向其输入的电压信号的90度(或者λ/4弧度)移位。

已经阐述本发明的部件，现在可以说明接口设备500的操作。它执行基本上两组功能。至于第一组，移相网络511/512与它们的对应PIN二极管511a/512a一起与正交线圈100的第一和第二驱动电容器111/112以及输出线180的它们对应导体结合操作，以使正交线圈100能够在发送循环期间从MR系统的发送场去耦合而在接收循环期间耦合到其适当输入端口。仅就这一点而言，这些元件共同以与美国申请11/719,253的教导类似的方式与其中公开的单个回路直肠内线圈、输出线缆组件和关联移相网络的优选实施例关联地工作。在高电平，在接收循环期间，各移相网络511/512使正交线圈100能够经过它的对应驱动电容器111/112经过输出线180的它的对应导体181/182(经过接口设备的其余部分)耦合到MR系统的输入端口并且其中允许从它的对应导体接收的MR信号传向输入端口。在发送循环期间，各移相网络511/512使线圈能够(经过分别与网络511/512对应的驱动电容器111/112)经过输出线180的导体(分别与电容器111/112对应的181/182)从MR系统的发送场去耦合。

具体而言，在发送循环期间，MR系统将经由偏压线560正向偏压PIN二极管511a和512a。通过接通二极管511a和512a，MR系统使得在与输出线180的末端相距电长度λ/4处在各移相网络511/512的输出处出现短路。参照第一端口，在第一驱动电容器111与在移相网络511的输出处的短路之间的电长度为S_L+λ/2，其中S_L+λ/4归因于输出线缆181而λ/4归因于移相网络511。补充长度S_L如在上述美国申请11/719,253中所言固有地充当电感器，并且理想地具有其量值与第一驱动电容器111的电容电抗的量值相等的电感电抗。然而λ/2分节有效表现为零电长度，因为它为工作波长的一半。因此，在第一端口处的第一驱动电容器111与PIN二极管511a之间的有效电长度在MR系统的发送循环期间为S_L。因此，二极管511a的正向偏压使输出线缆181的固有电感和第一驱动电容器111形成并联共振电路。这一电路的高阻抗近似于在如下点周围使正交线圈100有效关断的开路，第一驱动电容器111在该点周围连接于正交线圈100内。参照第二端口，在第二驱动电容器112与在移相网络512的输出处的短路之间的电长度也为S_L+λ/2，其中S_L+λ/4归因于输出线缆182而λ/4归因于移相网络512。因此，PIN二极管512a的正向偏压使输出线缆182的固有电感和第二驱动电容器112形成另一并联共振电路。该并联共振电路的高阻抗在如下点周围使正交线圈100有效关断，第二驱动电容器112在该点周围连接于正交线圈100内。以前述方式，正交线圈100在发送循环期间从MR系统的发送场去耦合。

也应当注意正交线圈100将甚至在它的输出线180从接口设备500断开之时从发送场去耦合。如上文所言，各输出线缆181和182具有电长度S_L+λ/4。在各输出线缆中，补充长度S_L与它连接到的对应驱动电容器一起充当源阻抗并且可以视为连接到如下传输线，该传输线的长度为输出线缆的其余λ/4分节。众所周知，在开路传输线的共振频率点处的驻波产生异常效果。在这一情况下，在传输线的长度已经选择为MR系统的工作波长的精确四分之一(或者其某一整数倍)时，源将看见在传输线末端的阻抗的精确相反值。这一技术有时称为四分之一波阻抗变换。

在接收循环期间，MR系统将经由偏压线560反向偏压PIN二极管511a和512a从而有效关断它们。通过使二极管511a开路，MR系统使从第一端口(在第一驱动电容器111两端)输出的MR信号有可能经由输出线缆181传向移相网络511的输入。类似地，通过使二极管512a开路，MR系统使从第二端口(在第二驱动电容器112两端)输出的MR信号有可能经由输出线缆182传向移相网络512的输入。

已经完成对接口设备500的第一组功能的讨论，现在提供对新颖的第二组功能的描述，所有描述涉及本发明在MR系统的接收循环期间的操作。如上文教导的那样，参照由外回路210检测的竖直取向的MR信号，在第一端口处在第一驱动电容器211两端可检测的电压信号的相位将与在第二端口处在第二驱动电容器212两端可检测的电压信号的相位相差180度。参照由蝴蝶型结构检测的水平取向的MR信号，在第一端口处在第一驱动电容器211两端可检测的电压信号的相位与在第二端口处在第二驱动电容器212两端可检测的电压信号的相位相同。

因此，正交线圈100从它的各第一和第二端口111和112输出如下电压信号，这些电压信号代表水平和竖直取向的MR信号。为了易于描述，代表水平取向的MR信号的电压信号这里称为“0度水平电压信号”，因为它们在各端口具有相同相位。代表竖直取向的MR信号的电压信号针对从第一端口111输出的那些电压信号而言称为“0度竖直电压信号”而针对从第二端口112输出的那些电压信号而言称为“180度竖直电压信号”。

现在参照图3描述接口设备500处理从输出线180接收的电压信号的方式。移相网络511将经由输出线缆181从第一驱动电容器/第一端口111接收的0度水平电压信号和0度竖直电压信号分别移位成90度水平电压信号和90度竖直电压信号。类似地，移相网络512将经由输出线缆182从第二驱动电容器/第二端口112接收的0度水平电压信号和180度竖直电压信号分别移位成90度水平电压信号和-90度竖直电压信号。预放大器网络521和522各自放大它们接收的电压信号并且分别向功率分配网络531和532传递所得放大版本。

功率分配网络531向180度组合网络541和零度组合网络542传递90度水平电压信号和90竖直电压信号的放大版本。类似地，功率分配网络532向180度组合网络541和零度组合网络542传递90度水平电压信号和-90竖直电压信号的放大版本。由于从功率分配网络531和532接收的水平电压信号同相，所以零度组合网络541能够构造性地组合它们。同时，零度组合网络541也用从功率分配网络532接收的-90竖直电压信号抵消从功率分配网络531接收的90竖直电压信号。类似地，由于从功率分配网络531和532接收的竖直电压信号在相位上相差180度，所以180度组合网络542能够构造性地组合它们。组合网络542用从功率分配网络532接收的水平电压信号抵消从功率分配网络531接收的水平电压信号，因为同相接收它们。因而，零度组合网络531实质上重构已经被正交线圈100的设计平分的水平电压信号，而180度组合网络532重构竖直电压信号。

可以向MR系统的单独输入端口供应所得水平和竖直电压信号。可选地，90度混合组合网络550可以用来组合水平和竖直电压信号并且向单个输入端口提供表明正交的组合电压信号。图3和图7均图示了90度混合组合网络。图8以流程图形式图示了接口设备的又一实施例。

图9是设计成与3.0T MR系统一起操作的本发明的正交直肠内线圈的示意图。以与用于上述1.5T版本的方式很类似的方式构造大体上表示为200的这一正交线圈。如同正交线圈100，它用于与无论为其选择的特定实施方式(例如同轴线缆、带线、微带或者其它传输线技术)如何的这里描述的输出线180一起使用。也如同正交线圈100，它应当在外环路210和中心导体250的物理布局以及第一和第二驱动电容器211/212以及第一和第二调谐电容器221/222在外回路210中以及一个或者多个调谐电容器251和252在中心导体250中的物理部署上表现对称性。

将外环路210表示为具有两个电感器和两个电阻器。电感器的值代表回路中固有的电感，而电阻器的值代表固有电阻。已经选择外回路210中的电容器的值使得回路的电容电抗在量值上等于回路在工作频率下的电感电抗。与正交线圈100的外回路110一样，分立电感器也可以出于该目的而并入于外回路210中。这针对中心导体250中所示电感器和电阻器同样成立。与中心电感器150一样，中心电感器250应当均匀平分外回路210的结节点2和共同节点3以保证正交线圈200的物理和电对称性。

应当清楚已经选择外回路210和中心导体250中的电路元件的值以使正交线圈200能够以与上文针对正交线圈100与1.5T MR系统一起的操作描述的方式相同的方式与3.0T MR系统一起操作。参照由外回路210检测的竖直取向的MR信号，在第一端口处在第一驱动电容器211两端可检测的电压信号的相位将与在第二端口处在第二驱动电容器212两端可检测的电压信号的相位相差180度。参照由蝴蝶型结构检测的水平取向的MR信号，在第一端口处在第一驱动电容器211两端可检测的电压信号的相位与在第二端口处在第二驱动电容器212两端可检测的电压信号的相位相同。如上文所言本发明的接口设备可以有用地运用分别针对由正交线圈200输出的“竖直”和“水平”电压信号的这些180和零度相位差。

应当清楚本发明的正交线圈可以由分立部件构造。然而这样做可能产生一种具有多达五个或者六个分立电容器的结构。这无法与在背景中引用的现有技术中公开的腔内探头以内包含的简易回路线圈内发现的一个或者三个分立电容器有利地比较。

由于希望小型、灵活、防损坏的腔内探头(该探头的设计使任何内部部件经过它收纳于其中的气球型罩突出的可能性最小)，所以本发明的正交线圈优选地由如下薄的柔性电介质材料(铜图案)构造，在两侧上向该材料涂敷铜图案以不仅形成导电通路而且形成调谐和去耦合所需要的所有电容器。另外，由于优选地打算提供正交线圈作为一次性使用的腔内探头的整体部分，所以这样的制造技术将有助于在制造探头期间实现大量节省的目的。这是因为用于“预印刷”的正交线圈的制造工艺与由分立部件制成的线圈比较将涉及到明显更少的人力和更少的时间来检查成品。预想将由于大规模生产这样的预印刷的正交线圈而实现额外的成本减少。

图10图示了如何可以利用涉及到如下的柔性电介质衬底材料的预印刷工艺生产本发明的正交线圈，已经在任一侧上向该衬底材料粘合互补的和不同的导线图案以形成导电通路以及调谐和去耦合所需要的电容器。

使用这样的工艺，正交线圈可以视为包括柔性电介质衬底材料600、粘合至衬底的一侧的第一导线图案700和粘合至衬底的另一侧的第二导线图案800。为了易于理解，图10分别示出了这三层，其中在中间的柔性衬底600分别在左侧和右侧上与第一导线图案700和第二导线图案800相接。

第一导线图案700包括具有大体上对称形状的外导电回路710。回路710在一端限定驱动间隙711并在另一端限定第一调谐间隙712。第二导线图案800包括驱动导电段810和调谐导电段830。驱动导电段810与驱动间隙711对称地重叠并且和与之相对的外导电回路710和柔性衬底600一起在其间形成第一驱动电容器111/211和第二驱动电容器112/212，其间有结节点2。调谐导电段830与第一调谐间隙712重叠并且和与之相对的外导电回路710和柔性衬底600一起在其间形成第一调谐电容器121/221和第二调谐电容器122/222，其中这些电容器的共同节点3处于与结节点2相对处。外导电回路710以及驱动和调谐导电段810和830因此形成如下简易回路型线圈，在该线圈中，第一和第二驱动电容器在结节点2形成用于电平衡并且阻抗匹配简易回路型线圈的虚拟接地，并且在该线圈中，第一和第二调谐电容器使简易回路型线圈能够在工作频率下共振。以这一方式使简易回路型线圈能够检测与正交线圈的平面正交取向的MR信号。

第一导线图案700也包括内导电段750，该导电段部署于驱动与第一调谐间隙711与712之间、但是未连接到外导电回路710以及其中的驱动和第一调谐间隙711和712。第二导线图案800也包括在驱动导电段810与调谐导电段830之间延伸的中心导电段850并且在其中限定第二调谐间隙851。内导电段750与第二调谐间隙851重叠并且和与之相对的中心导电段850和柔性衬底600一起在其间形成电抗在工作频率下与内和中心导电段750和850的导电电抗相等的第三调谐电容器151/251。这使内和中心导电段750和850能够与简易回路型线圈一起调谐以与之形成用于检测与正交线圈的平面平行取向的MR信号的蝴蝶型线圈。使所得单个结构的正交线圈100/200能够检测从患者的感兴趣的区域发出的MR信号的竖直和水平分量。

应当清楚上述输出线180的两个同轴线缆实施例可以用来将柔性正交线圈连接到接口设备500。在这一情况下，线缆的接地和内导体将需要焊接或者用别的方式机械地附着到结节点2以及正交线圈的第一和第二端口。上文列举的其它传输线技术也将足够了。一种优选技术将用相同的预印刷工艺(具体通过延伸衬底材料和其上的导线图案以创建为了实现恰当耦合和去耦合而必需的电长度)构建输出线和正交线圈。在这一例子中，输出线180将包括粘合至柔性电介质衬底600的一侧的接地导体以及粘合至另一侧的第一和第二信号导体。接地导体将连接到正交线圈的结节点2，而第一和第二信号导体将分别在正交线圈的第一和第二端口处连接于第一和第二驱动电容器111/211和112/212两端。与前文一致，第一信号、第二信号和接地导体将各自具有电长度S_L+n(λ/4)，所有导体终结于用于将正交线圈连接到其接口设备的插头中。

图11示出了微带线形式的输出线180，该输出线连接到设计用于与1.5T MR系统一起操作的柔性正交线圈100。

应当强调重要的是实现第一和第二导线图案及其关联的导电回路和段(包括由此形成的驱动和调谐电容器)的布局对称性。就这一点而言，鉴于前文教导，相关领域技术人员现在应当清楚为用于柔性正交线圈的导电通路(包括输出线180)的厚度、宽度和长度选择适当尺度。

本发明因此解决现有技术的腔内探头表现的若干弊端(包括因未将圆形极化的MR信号最有利地与对MR信号的水平和竖直分量均敏感的线圈一起使用而引起它们的有限覆盖和次优SNR性能)。本发明也将通过消除迄今为止在制作现有技术直肠内线圈中使用的分立部件及其对应输出线缆来减少在组装期间面临的困难和成本。

已经根据专利法具体阐述用于实现本发明的当前优选和替代实施例。然而与本发明相关领域的普通技术人员可以认识到实施本发明的替代方式而不脱离以下权利要求的精神实质。因而，落入权利要求的字面含义和等效范围内的所有改变和变化将涵盖于它们的范围内。本领域技术人员也将认识到本发明的范围由以下权利要求而不是由在前文描述中讨论或者示出的任何特定例子或者实施例表明。

因而，为了促进科学和有用技术的进步，我们凭借专利特许证确保对以下权利要求涵盖的所有主题内容在专利法规定的时限内的独占权。