CN103399284B - 磁共振复合线圈和磁共振成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁共振复合线圈，包括根据磁体的中心水平面镜像对称的上复合线圈和下复合线圈；所述上复合线圈中包括上梯度线圈和上射频线圈，所述下复合线圈中包括下梯度线圈和下射频线圈；所述上射频线圈中的导体穿过所述上梯度线圈，并经过所述上梯度线圈的上表面和下表面构成回路；所述下射频线圈中的导体穿过所述下梯度线圈，并经过所述下梯度线圈的上表面和下表面构成回路。本发明还公开了一种磁共振成像系统。本发明把梯度磁场和发射射频信号的功能复合在复合线圈中，提高了射频线圈的效率，节省了磁体内的空间，降低了磁共振系统的成本，取得了意想不到的技术效果。
Description
技术领域本发明涉及磁共振成像系统，尤其涉及一种使用复合线圈的磁共振系统,具体地说,本发明涉及磁共振复合线圈和磁共振成像系统。
背景技术磁共振成像系统是根据磁共振成像原理生成样品的二维或者三维图像的设备，在医疗诊断领域有着越来越广泛的应用。由于磁共振成像系统的成像空间是相对封闭的，为了避免用户由于幽闭产生不安，磁共振成像系统向着更大、更开放的空间发展。通常情况下，磁体成像空间每增大1cm，成本需要增加几万甚至十几万元。常见的磁共振系统的结构一般包括：产生静态均匀磁场B0的磁体，该静态均匀磁场B0的范围足够大，能够容纳病人的身体的成像部位；射频系统，包括用于激发样品发生共振的射频发射线圈，和用于接收样品发出的共振信号的射频接收线圈；梯度线圈，用于在样品空间产生梯度磁场、便于成像编码；以及计算机成像系统，用于处理射频接收线圈收集的信号，处理成便于医生观察的视觉图像。
如图1所示，是磁共振系统的电磁结构示意图，在磁体提供的静态磁场B0中，有梯度线圈提供的梯度磁场Bg，在静态磁场B0和梯度磁场Bg提供的磁场环境中，射频线圈激发和接收样品发射的共振信号。电源系统为磁共振成像系统供电，计算机系统控制磁共振成像的获得，通过匹配电缆接收射频线圈收集的射频信号。
在使用永磁磁体的磁共振系统中，目前常用的射频发射线圈通常需要4-6cm的空间，梯度线圈通常需要4-6cm的空间，梯度线圈和发射线圈分别安装紧邻设置，射频发射线圈和梯度线圈一共需要8-12cm的空间，占用空间尺寸较大。由于安装位置在磁体内的磁场中，安装操作难度大，安装的偏差以及配合紧密程度对性能也有一定的影响。
发明内容本发明的主要目的在于提供一种磁共振复合线圈，具有一体化的射频发射和梯度磁场发生功能，从而节省磁体内的空间，获得更加开放的磁共振成像系统。
本发明的另一个目的是提供一种磁共振成像系统。
本发明公开了一种磁共振复合线圈，包括根据磁体的中心水平面镜像对称的上复合线圈和下复合线圈；
所述上复合线圈中进一步包括上梯度线圈和上射频线圈，所述下复合线圈中进一步包括下梯度线圈和下射频线圈；所述上梯度线圈和下梯度线圈的电气结构根据磁体的中心水平面镜像对称；所述上射频线圈和下射频线圈的电气结构根据磁体的中心水平面镜像对称；
所述上梯度线圈中进一步包括上X梯度线圈、上Y梯度线圈、以及上Z梯度线圈；所述下梯度线圈中进一步包括下X梯度线圈、下Y梯度线圈、以及下Z梯度线圈；
所述上X梯度线圈和下X梯度线圈用于在所述磁体的成像空间内产生X方向的梯度磁场，所述上Y梯度线圈和下Y梯度线圈用于在所述磁体的成像空间内产生Y方向的梯度磁场，和所述上Z梯度线圈和下Z梯度线圈用于在所述磁体的成像空间内产生Z方向的梯度磁场；
所述上射频线圈和下射频线圈用于在所述磁体的成像空间内产生磁共振频率下的射频磁场；
所述上射频线圈中的导体穿过所述上梯度线圈，并经过所述上梯度线圈的上表面和下表面构成回路；所述下射频线圈中的导体穿过所述下梯度线圈，并经过所述下梯度线圈的上表面和下表面构成回路。
在本发明公开的磁共振复合线圈中，所述上射频线圈中的导体也可以仅穿过所述上梯度线圈中的上X梯度线圈、上Y梯度线圈、和上Z梯度线圈中的一种或者两种梯度线圈，并经过其上表面和下表面构成回路；对应地，所述下射频线圈中的导体仅穿过所述下梯度线圈中的下X梯度线圈、下Y梯度线圈、和下Z梯度线圈中的一种或者两种梯度线圈，并经过其上表面和下表面构成回路。
在本发明的一个实施例中，如上所述的磁共振复合线圈，所述上射频线圈中的导体还可以在所述上梯度线圈的上表面和下表面上有等量的、平行排列的长导体；对应地，所述下射频线圈的导体在所述下梯度线圈的上表面和下表面上有等量的、平行排列的长导体。
在本发明的一个实施例中，所述平行排列的长导体有3条以上。
在本发明的一个实施例中，所述的磁共振复合线圈中，所述上射频线圈和下射频线圈中还包括调谐串联电容，所述调谐串联电容位于所述上梯度线圈的上表面和下梯度线圈的下表面。
本发明还公开了一种磁共振成像系统，包括用于产生静态磁场B0的磁体，为所述磁共振成像系统供电的电源系统，用于处理收集的磁共振信号的计算机成像系统；还包括前述的任意一种磁共振复合线圈。
在本发明的一个实施例中，所述的磁共振成像系统，还包括射频接收线圈，用于收集样品发射的射频信号，并通过匹配电缆传送给所述计算机成像系统。
本发明公开的磁共振复合线圈和磁共振成像系统，把发生用于空间相位编码的梯度磁场和发射用于激发样品共振的射频信号的功能复合起来，提高了射频线圈的效率，节省了磁体内的空间，降低了磁共振系统的成本。
附图说明
图1是现有技术中磁共振成像系统的电磁结构示意图。
图2是本发明的复合线圈结构示意图。
图3是磁共振成像系统中梯度信号和射频信号的时序图。
图4是本发明一实施例使用的梯度线圈布线结构示意图。
图5是本发明一实施例使用的射频线圈布线结构示意图。
图6是图5所示射频线圈中的单元线圈的结构示意图。
图7是上复合线圈一实施例的顶视图。
图8为上复合线圈一实施例的层叠结构示意图。
图9为图8所示实施例的外形结构示意图。
图10为在成像空间中的射频磁场的分布与现有技术的对比图。
具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，现有技术中，梯度线圈和射频线圈分别对称于磁体中心水平面平行设置，不仅占用磁体内空间大，而且制造成本高，安装难度大。
如图2所示为本发明复合线圈结构示意图，能产生梯度磁场Bg和射频磁场BRF的复合线圈1包括上复合线圈201和下复合线圈202，上复合线圈201和下复合线圈202相互平行并平行对称于磁体的中心水平面500安装。上复合线圈201的结构与下复合线圈202的结构镜像对称一致。其中上复合线圈201包括上射频线圈301和上梯度线圈401；下复合线圈202包括下射频线圈302和下梯度线圈402。
在磁共振成像(MR)系统中，射频线圈是在静态磁场B0和梯度磁场Bg提供的磁场环境中，激发和接收样品发射的共振信号。如图3所示是磁共振成像系统中梯度信号和射频信号的时序图，梯度磁场的激励源是直流脉冲信号，直流信号的频率是零赫兹；而射频磁场的激励源是调制的射频信号，射频信号的频率和MR系统频率相同，通常是十几兆赫兹。可见复合线圈需要同时发生梯度磁场和射频磁场。实验证明梯度线圈在直流脉冲信号激励下的瞬态响应并没有影响射频磁场的工作。
在磁共振系统中建立笛卡尔坐标系，以磁体的中心点位坐标原点，磁体的中心水平面为XY平面，则静态磁场B0的方向就是Z轴方向。梯度磁场一般包括分别独立的X梯度磁场、Y梯度磁场和Z梯度磁场，可以由X梯度线圈、Y梯度线圈和Z梯度线圈三组不同结构的线圈分别产生。
如图4所示，是本发明的一实施例使用的X梯度线圈、Y梯度线圈和Z梯度线圈的布线结构示意图。三个方向的梯度线圈的电气结构都是分别在XY平面上分布的导体，其中X线圈是根据Y轴镜像对称地分布的环形线圈，能够产生在X轴上呈现梯度分布的磁场，例如沿着X轴，磁场强度线性增加，在X小于0的一端，Bg的方向为-Z方向，在X大于0的一端，Bg的方向为+Z方向。同样，Y线圈是根据X轴镜像对称地分布的环形线圈，能够产生在Y轴上呈现梯度分布的磁场，例如沿着Y轴，磁场强度线性增加，在Y小于0的一端，Bg的方向为-Z方向，在X大于0的一端，Bg的方向为+Z方向。Z梯度线圈是以X、Y都等于0的点为圆心分布的一组同心圆，能够产生在Z轴上呈现梯度分布的磁场，例如沿着Z轴，磁场强度线性增加，在Z小于0的一端，Bg的方向为-Z方向，在Z大于0的一端，Bg的方向为+Z方向。如图中所示，X、Y和Z线圈中的金属导体的分布在以X、Y都等于0的中心位置比较稀疏。
在上复合线圈201和下复合线圈202中，分别都包括一组X梯度线圈、Y梯度线圈和Z梯度线圈，分别构成上梯度线圈和下梯度线圈。该上梯度线圈是上复合线圈201中的一部分，该下梯度线圈是下复合线圈202中的一部分。X梯度线圈、Y梯度线圈和Z梯度线圈电气绝缘地叠加在一起，绝缘层厚度为3-5个毫米。假设三组梯度线圈叠加后的总厚度为d。
如图5所示是本发明的一实施例使用的射频发射线圈的电气结构示意图。该射频线圈3包括根据静态磁场B0的Z等于0的中心水平面对称分布的上射频线圈301和下射频线圈302，该上射频线圈301是上复合线圈201中的一部分，和该下射频线圈302是下复合线圈202中的一部分；该上射频线圈301和下射频线圈302中又分别包括5个间隔设置的单元线圈333，并且5个单元线圈333之间通过串联电容C0相互连接。每个单元线圈333中还包括串联电容C1。
本发明使用的射频线圈3作为一个整体，谐振于磁共振成像系统的共振频率f0。，单元线圈333之间还可以用电感耦合连接。一般地说，射频线圈3中可以包括3个以上的单元线圈333。例如包括多于5个的单元线圈333。
单元线圈333一般由铜箔或者其他导体构成，如图6所示是单元线圈的结构示意图，其形状包括2条距离为D且平行设置在一个平面内的、分别位于不同水平面上的长导体331和332，例如一条长导体331分布在Z＝L的XY平面上，则另一条长导体332分布在(Z＝L+D)的XY平面上，2条导体之间通过串联电容C1相连，或者用导线直接相连。不同的单元线圈333之间通过串联电容C0相互连接相应的点，从而把上射频线圈301或者下射频线圈302的一组单元线圈333全部串联在一起。相邻的单元线圈333之间也可以通过电感来相互耦合，即上射频线圈301或者下射频线圈302的一组单元线圈333之间相互并联。上射频线圈301和下射频线圈302分别连接射频激励电源。
本发明的上射频线圈301是上复合线圈201的一部分，下射频线圈302是下复合线圈202的一部分。射频线圈的每一个单元线圈333的2条长导体分别位于梯度线圈的上下两侧，即单元线圈333的2条导体之间的距离D大于等于一组梯度线圈的厚度d。分别位于一组梯度线圈的上下表面的2条长导体用导线穿过X、Y和Z梯度线圈的空白处连接，或者通过串联电容后再穿过以X、Y和Z梯度线圈的空白处连接。
如图7所示是上复合线圈一实施例的顶视图，可见在长方形的复合线圈上表面上，左右两侧边缘处有用于连接上射频线圈301和下射频线圈302的穿孔305，有容纳串联电容C0和C1的凹槽306，还有匹配射频激励电源的射频线圈调谐电路307。
图7中，用于连接每一个单元线圈333的上导电长条331和下导电长条332的导线的穿孔选择在X,Y,Z三个方向的梯度线圈都没有导线的位置上，在一个实施例中用直径2mm的漆包线将射频发射线圈上下面的电路连接起来。这样就得到一个完整的梯度射频一体化复合线圈。这种穿孔位置的灵活设计，表面上看已经影响了射频线圈的结构，但是经试验结果证明并没有影响射频磁场BRF的分布，也没有影响梯度磁场Bg的分布，这个结果超出了实验进行前的直观想象，取得了意想不到的技术效果。
图8为上复合线圈一实施例的层叠结构示意图。上复合线圈201包括由上而下依次层叠的上射频线圈301的单元线圈的上导电长条331，Z梯度线圈、Y梯度线圈和X梯度线圈，以及上射频线圈301的下导电长条332。
如图8中所示，上射频线圈301的全部下导电长条332紧密地粘贴在梯度线圈底面(临近X梯度线圈)，而全部上导电长条331紧密地粘贴在梯度线圈上面(临近Z梯度线圈)，其中上射频线圈301的全部上导电长条331距离Z梯度线圈的上表面距离较大(大于上射频线圈301的全部下导电长条332距离X梯度线圈的距离)，在这个空间内将上射频线圈301的调谐电路，包括单元线圈333内的串联电容，以及单元线圈333之间的串联电容，都安装在这个空间内。
图9是图8所示实施例的外形结构示意图，为上复合线圈201，全部上导电长条331置于梯度线圈401的上部，全部下导电长条332位于梯度线圈底部，梯度线圈401外形近似扁圆柱状，射频线圈301的外形为矩形柱，并且小于梯度线圈401。
在本发明的一个实施例中，上射频线圈301的下导电长条332部分距离X梯度线圈具有1mm的厚度，上导电长条331部分距离Z梯度线圈具有9mm的厚度，射频线圈的上下两部分分别装配在厚度d为20mm的梯度线圈的上下表面，因此一体化后的复合线圈总空间厚度为
(1+20+9)*2＝60mm。
假设现有技术中分别制作的射频线圈厚度22mm，梯度线圈厚度也是20mm，假设两个线圈在磁体中的安装间隙很小可以忽略不计(通常在工程中是难以实现的)，其厚度为
(20+22)*2＝84mm
因此，本发明的复合线圈一体化的产品总的空间占用上节约了24mm的空间。
进一步的，由于本发明的复合线圈的射频发射效率更高。这是因为射频线圈的上导电长条331和下导电长条332之间的距离不是20mm，而是28mm，多了8mm，由于射频发射线圈的上下导电长条中的电流方向是相反的，因此，上下表面的距离越远，射频发射线圈的效率越高。
我们使用网络分析仪测试，通过网络分析的激励源端口提供一个0dBm的信号，在高度等于磁体中心位置处用标准探头测试接收到的信号幅值。如图10所示，为在成像空间中的射频磁场的分布与现有技术的对比图。
在一个实施例中通过测试，独立与梯度线圈的射频线圈在磁体中心位置处场强为2.86mV。根据本发明制作的复合线圈测试得到的场强为3.35mV。也就是说，采用相同的激励源，两种产品可以获得的的电磁场相差17％。
通过测试得出，使用本发明复合线圈的结构，占用的总空间节省了24mm，发射效率提高了17％。我们又对梯度场进行测试，梯度场完全相同，没有任何影响。因此，该一体化设计方案的射频发射线圈的B1场(发射场)比分层叠放的设计的发射场高17％，梯度场完全相同。也就是说，客户可以用更小功率的激励源(射频功率放大器)即可达到原来的效果。或者我们还可以将一体化设计的复合线圈的产品高度进一步减低，从而适用于更小的磁体空间，节省系统成本。
射频线圈分别分布在梯度上下表面是最大化利用空间，获得最好的性能。但是并不限于必须放置在梯度上下表面，在本发明的一个实施例中，将射频线圈的下表面放置在梯度线圈中间位置，比如，在X,Y层之间。或者Y,Z层之间，这样能够利用一部分梯度空间。
本发明将射频发射线圈和梯度线圈一体化设计，充分利用彼此空间。在具体实施中，不限于发射必须安装在梯度线圈的上下表面，安装在上下表面只是可以最大化的利用空间。射频发射线圈和梯度线圈的XYZ层面的叠放顺序可以任意组合，均可以有效地节约空间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种磁共振复合线圈，其特征在于：包括根据磁体的中心水平面镜像对称的上复合线圈和下复合线圈；
所述上复合线圈中进一步包括上梯度线圈和上射频线圈，所述下复合线圈中进一步包括下梯度线圈和下射频线圈；所述上梯度线圈和下梯度线圈的电气结构根据磁体的中心水平面镜像对称；所述上射频线圈和下射频线圈的电气结构根据磁体的中心水平面镜像对称；
所述上梯度线圈中进一步包括上X梯度线圈、上Y梯度线圈、以及上Z梯度线圈；所述下梯度线圈中进一步包括下X梯度线圈、下Y梯度线圈、以及下Z梯度线圈；
所述上X梯度线圈和下X梯度线圈用于在所述磁体的成像空间内产生X方向的梯度磁场，所述上Y梯度线圈和下Y梯度线圈用于在所述磁体的成像空间内产生Y方向的梯度磁场，和所述上Z梯度线圈和下Z梯度线圈用于在所述磁体的成像空间内产生Z方向的梯度磁场；
所述上射频线圈和下射频线圈用于在所述磁体的成像空间内产生磁共振频率下的射频磁场；
所述上射频线圈中的导体穿过所述上梯度线圈，并经过所述上梯度线圈的上表面和下表面构成回路；所述下射频线圈中的导体穿过所述下梯度线圈，并经过所述下梯度线圈的上表面和下表面构成回路；
所述上射频线圈中的导体在所述上梯度线圈的上表面和下表面上有等量的、平行排列的长导体；对应地，所述下射频线圈的导体在所述下梯度线圈的上表面和下表面上有等量的、平行排列的长导体；
所述上射频线圈和下射频线圈中还包括调谐串联电容，所述调谐串联电容位于所述上梯度线圈的上表面和下梯度线圈的下表面。
2.如权利要求1所述的磁共振复合线圈，其特征在于，所述上射频线圈中的导体仅穿过所述上梯度线圈中的上X梯度线圈、上Y梯度线圈、和上Z梯度线圈中的一种或者两种梯度线圈，并经过其上表面和下表面构成回路；对应地，所述下射频线圈中的导体仅穿过所述下梯度线圈中的下X梯度线圈、下Y梯度线圈、和下Z梯度线圈中的一种或者两种梯度线圈，并经过其上表面和下表面构成回路。
3.如权利要求2所述的磁共振复合线圈，其特征在于，所述平行排列的长导体有3条以上。
4.一种磁共振成像系统，包括用于产生静态磁场B0的磁体，为所述磁共振成像系统供电的电源系统，用于处理收集的磁共振信号的计算机成像系统；其特征在于，还包括如权利要求1至3中所述的任意一个磁共振复合线圈。
5.如权利要求4所述的磁共振成像系统，其特征在于，还包括射频接收线圈，用于收集样品发射的射频信号，并通过匹配电缆传送给所述计算机成像系统。
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