【技术实现步骤摘要】
本专利申请与由塞西尔E·海斯于1983年11月4日递交的，申请号为548745，题为“核磁共振的射频线圈”的专利申请相关，该专利申请在本文中作为参考。本专利技术与核磁共振(NMR)装置有关，更具体地说，本专利技术涉及到一个射频(RF)线圈，在用NMR装置来发射和(或)接收射频信号时，该线圈十分有用。很久以前，结构化学家就已经在玻璃试管内利用核磁共振现象研究了有机分子的分子结构。一般来说，为此目的所使用的核磁共振波谱仪设计得只适用于被研究物体的小试样。然而，最近，例如，核磁共振已发展出一种成象方式，用它来获取活人机体上一些部分的组织特性图象。这种图象描绘出与核自旋有关的参数(一般是细胞中水的氢质子)，在确定被检查区域中细胞组织的健康状况时，这种图象很有医学诊断价值。核磁共振已经推扩到诸如对磷、碳等元素的体内波谱学研究中，它为研究人员首次在活的有机体中研究化学过程提供手段，利用核磁共振产生图象及对人体进行波谱学的研究就必须使用专门设计的系统元件，如磁铁、梯度线圈和射频线圈等。核磁共振现象发生在具有奇数的质子或中子的原子核中，这就是背景。由于质子和中子的自旋，每种原子核都...
【技术保护点】
核磁共振射频（ＲＦ）线圈包括：一对导电回路，沿共同的纵轴彼此分开，其中每个导电回路都有许多沿四周排列而又彼此分开的串联电容；在上述的串联电容间的诸点上，用电的方法，把许多轴向传输段和所说的导电回路相互连接起来。
【技术特征摘要】
US 1984-10-9 659,043范围中，参照一下带有附图的说明，可能会对发明本身，无论是结构还是操作方法，亦或其它的对象，以及由此而带来的优越性有更进一步的了解图1A以草图形式示出了用于整体研究的双匝并联、常用的核磁共振射频线圈;图1B描绘了图1A所示的线圈装在一圆柱形的骨架上;图1C绘出了在核磁共振研究头部时所使用的另一种双匝、串联的常用核磁共振射频线圈;图2A画出了八段低通射频线圈的草图;图2B绘出了图2A线圈中使用的集总元件、低通、慢波滞后线结构;图2C示出了在低通射频线圈中，计算的电流与周围的电感线圈的频率响应曲线;图3A为发明的八段高通射频线圈草图;图3B描绘了图3A线圈中使用的集总元件、高通、慢波滞后线的结构;图3C与图2C类似，示出了计算电流与周围电容器频率响应的特性曲线;图4A和图4B分别给出了由通常的鞍形线圈和本发明的线圈所产生的射频磁场扩展球形谐和系数;图5A-5D示出了在通常的鞍形线圈中产生的稳定射频磁场强度的等场强图;图6A-6D示出了在发明的16段线圈中产生的稳定射频磁场强度的等场强图;本发明的另一个射频线圈草图如图7所示，这里称之为“带通”射频线圈。许多核磁共振系统都具有进入样品空间的入口，其方向与静磁场平行，磁场的方向通常被选为笛卡儿坐标系的Z轴，这一点对使用超导磁铁的核磁共振系统是适合的，由于效率问题，对于几乎所有的人为标度的核磁共振成象系统都是如此。这样，沿静磁场的方向上插入了样品或人的某一部位，射频发射和接收线圈经常绕在圆柱形的线圈骨架上，架子的轴与静磁场平行。射频磁场必须垂直于静态射频磁场，因此也就垂直于圆柱形线圈骨架。图1A和图1B示出了传统设计的鞍形射频线圈的草图。该线圈是由单匝1和3并联而成，并在调谐电容器8的7和9两点上驱动。这种线圈一般由铜管5制成，铜管5安装在非导电(高介电)的圆柱形骨架11上，见图1B。每一个线匝的尺寸都复盖圆柱形四周的120°。在7和9处，线圈连接区域大约复盖周围的60°。为了使射频场的均匀度最高，与圆柱体纵轴平行的线圈的侧边的长度应当等于圆柱体直径(D)的两倍。然而，由于射频能量正用于对病人不感兴趣的区域，因此，线圈的侧边长度等于两倍直径是不现实的。所以，实际上，线圈的侧边长度减少到大约为直径的一倍。图1C示出了另一个常用射频线圈装置，它与图1A中所描绘的线圈相似，但其中线圈的第15匝和17匝是串联，并在19和20两点由电容器18驱动。图1C中所示的线圈一般在对头部进行核磁共振研究时使用。采用图1A和1C的线圈时，所产生的射频磁场相当不均匀，因此，对于核磁共振成象应用来说是不理想的。显然，在众多的线圈绕阻中必须控制电流的分布，以产生均匀的磁场B1。此外，如上所述，线圈的几何形状是在沿其纵轴方向上有自由入口，以便放置病人或其它的核磁共振试样。磁场B1也必须垂直于与磁场Bo方向平行的圆柱形对称轴。图2A和2B示出了一种改进的射频线圈草图，其详情见前面已确定的专利申请。首先参见图2A，这里示出了典型的八段射频线圈装置，该装置有两个彼此间隔开的导电回路23和25，用八根轴向传输线27-34，将它们相互连接起来。每个传输段至少有一个电容元件，如标明为35-42的元件，分别对应于27-34中的电容器。在相邻的两个轴向导体之间的各个回路段中，导电回路23和25具有八个串联的感应元件(在一个八段线圈中)。在回路23中，感应元件通常用参考号43标明，在回路25中用45标明，它们代表形成回路的导体所固有的分布电感。这些电感需要正确地使用线圈，以获得理想的相移。射频线圈的激励是通过把射频能量加到输入电容器的两端(20和22)来实现。输入电容位于某一传输段中(如电容器35)。图2A中所示的射频线圈主要基于一个集总元件低波滞后线结构，该结构示于图2B，其中相同的部分使用了相同的参考号。现在再来参看图2B，作为笔直的导体而示出的导电回路23和25分别有一组串联的电感元件43和45。当然，27-34的传输部分也会产生类似的电感;然而，这些在图2B中并未示出。一般说来，传输段27-34的电感的影响比每一段的分离电容35-42所具有的影响小。图2A描绘出的射频线圈是通过分别电连接导体23和25的端点P-P′和Q-Q′而形成的。图2A示出的射频线圈与图2B中示出的集总元件网络均被称为“低通”，这是因为低频信号将沿电感元件通过，高频信号往往被电感阻止，而由电容器通过。线圈可能具有许多轴向导体，无论数目大于或小于8，也无论为奇数或偶数。图2C描绘了通过导电回路(如图2A中的23或25)中一个感应元件的电流(沿纵轴，单位安培)与16段低通射频线圈装置(类似于图2A示出的八段线圈)中所得到的频率(沿水平轴，单位兆赫)的计算曲线图。为了计算电流，假设由图2A的23或25回路里的某一电感器的两端，对该线圈进行射频源驱动。图2C中示出了八个电流峰值52-59，它们每一个都表示射频线圈的两个共振型。电流峰值52相当于在似近64兆赫(质子在1.5特斯拉磁场Bo时的拉摩频率)时出现的两个正交共振型，这两个正交共振型在核磁共振成象应用中非常有意义。在这个频率时，用一适当的射频能量源(未示出)激励线圈，在回路23和25中产生的电流分布正比于COS((k-1) (2π)/16 ) (1)式中k＝1-16，表示从输入电感起始的传输段数目。通过轴向传输段的电流将按下式作正弦变化，即Sin((k-1) (2π)/16 ) (2)式中k＝1～16，k的意义如上所述。第二个共振型的激励是通过在与第一个输入感应器成直角的第二个感应器上给射频线圈供电而实现的。图3A示出了与本发明一致的八段射频线圈。总而言之，本发明的线圈总结构图与图2A所示的低通线圈类似。同样，具有许多段数大于或小于8的线圈也在本发明考虑之中。本发明的线圈由一对导电回路元件61和63组成，而61和63又分别具有标号为65-72和75-82的串联电容器。八个平行的轴向传输段85-92将导电回路元61和63电连接起来。传输段与导电回路的四周彼此分开，方法是用每个导电回路中的电容元件将邻近的传输段分开。每个传输段(85-92)都与线圈正确操作需要的内部电感有关。在图3A和图3B中，这种电感用参考数95标出。如前所述，线圈是通过连接传输段的端点R-R′和传输段63的端点S-S′而成，从而产生导电回路。图3B为慢波“高通”阶梯状态结构，因此图3A的线圈可看成是高通射频线圈。“高通”一词是指在导电回路中，高频信号能通过电容元件，这是因为在高频时，与具有较高阻抗的感应器相比较，电容器的阻抗较低。相反，低频信号将由具有较高阻抗的电容元件锁住，被阻抗较低的感应元件短路。图3A示出，当射频线圈被连到输入电容器72两端上的导线101和103上的射频电源(未示出)激励时，它就具有许多的共振型。但只有两个共振型有意义。准确地说，在有意义的模型中，导电回路的电流分布近似COSφ或Sinφ形式，其中φ为沿线圈外围测得的方位角，如图3A所示。这种正弦电流产生高度均匀的横向射频磁场，在核磁共振测量和成象应用中，这种磁场是十分理想的。图3C与图2C相似，示出了通过导电回路中一个电容元件的电流(单位安培，沿纵轴绘出)与沿水平轴绘出的频率(兆赫)的计算曲线图。这种用来计算的特殊线圈结构是一个16段高通射频线圈。选择其中一个电容元件作为输入点，并在上面施加一安培的输入电流。八个峰值电流(105-111)中的每一个都代表高通阶梯线圈的两个共振型。显然，由于图的分辩力差，峰值105和106并到一起。在大约64兆赫时出现的，被标为112的峰值对于质子在1.5特斯拉的Bo磁场中测量核磁共振和成象应用中十分有用。用上述方法在此频率时激励线圈，在导电回路中产生的电流分布正比于COS((k-1) (2π)/16 (3)其中k＝1～16为传输段数目，输入电容器作为k＝1，开始计数，因此在图3A中，电容器72被选为输入电容器，所以k＝1相当于传输段86。通过传输段86-93的电流将按下式改变Sin((k-1) (2π)/16 ) (4)其中k的规定方法同上。在同一频率上存在着另一个正交共振型，它相当于在第二个电容器的两端激励射频线圈。相对于第一个输入电容器而言，第二个电容器位于导电回路90°的地方。在这种情况下，流经导电回路元和传输段的电流与上述相同，k＝1相当于第二个输入电容器。参照图3A，用上述方法在一个激励点来激励射频线圈，结果形成了线性极化射频磁场B1。这种线性极化磁场可以分为两个反向旋转的矢量分量。一个分量在旋进方向上旋转，并能有效地干扰自旋，称为正旋分量。另一个分量在与自旋方向相反的方向上旋转，不能干扰自旋，被称为反转分量。通过试样中感应涡流，两种分量贮存了射频线圈和核磁共振试样中的功率。因此，不难看出，如果使射频线圈只产生正弦分量，则在产生同样的核磁化的条件下，与线性极化射频磁场所消耗的功率相比，功率消耗可节省2倍。在这种情况下，据说射频场是周期性的极化。正交激励用于激励线圈技术，以便产生环形极化。参照图3A，利用所发明的线圈便可直接对核磁共振信号进行正交激励和探测。对位于其中一个导电回路外面的圆周上、两个互为直角的输入电容器进行激励，便可完成这项工作。参照图3A，如上所述，先在电容器72的两端的导线101和103上激励线圈，然后在电容器66两端的第二对导线113和115上再次激励线圈，此外，为了获取理想的循环极化，用来在两点上激励线圈的射频源相互之间的相位必须相差90°，即，一个射频源的相位与COS ωt成正比，而另一个射频源的相位则正比于Sinωt。如此，这两种具有近似均匀横向磁场的模式便受到了激励。使用多个射频放大器(未示出)来供给线圈能量可以得到线圈的另一个特点。每一个放大器都连到一个不同的输入电容器上，正确地调整经过每个放大器的信号的相位就可以产生理想的射频激励(即线性或环形偏振)。这样，与用一个或两个放大器驱动线圈所用的功率相比较，则每个放大器所要求的功率较小。这个优点在用高频固态晶体管产生射频功率输出时更为突出，因为它使用简单的方法组合几种电路的输出，而不需要在初始放大器中使用功率组合器。使用多个射频源得到环形极化激励的一个实例便是使用四个射频放大器。其中两个放大器连到电容器66和72上，如图3A所示。另外两个放大器连到电容器68和70上，角度分别为φ＝180°和270°。从电学角度讲，相邻放大器之间的相位为90°。例如，四个射频放大器的相位为0°、90°、180°和270°，放大器连接的角度分别为φ＝0°、90°、180°和270°。使用多个射频源获取线性激励的一个实例是，使用两个射频放大器，两个放大器连在电容器72和68上，见图3A，(角度分别为φ＝0°、180°)，相互间的相位激励为180°。使用四个放大器的改进形式是在导电回路63中，经过电容器78和82的两端与另外两个放大器相连，如果放大器的相位分别为0°和180°，则连到电容器68和72上的放大器的相位即分别为180°和0°了。应当承认，上述多个放大器的结构仅仅是典范而已，许多其它的利用四个或更多的放大器的结构也是可能的。由于磁化强度M进动的缘故，也可以使用两个正交型获取核磁共振信号。用这种方式获取的核磁共振信号，信噪比提高了2]]>倍。在图3中，把从电容器72和66上得到的信号组合起来，便可对核磁共振信号进行正交检测，由此产生的组合信号，对于在线圈内一个方向旋转的射频磁场来说，是最大的，而对在相反方向上旋转的射频磁场则为零。采用任何适当的结构方法都可以制做出这种新发明的射频线圈。具有16个轴向传输段的头部和人体线圈可在64兆赫使用。头部线圈装在外直径为0.28米，长为0.4米的胶质玻璃线圈支架上。头部线圈中，轴向传输段最好用薄的导电铜管制成，也可以用包铜的印刷电路板或导线制成。适用的...
【专利技术属性】
技术研发人员：威廉艾伦埃德尔斯坦，约翰费德里克申克，奥特沃德玛丽亚米勒，塞西尔爱德华海斯，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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