CN113504494B - 支持三核素成像的四端环鸟笼射频线圈系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种支持三核素成像的四端环鸟笼射频线圈系统，包括：第一端环、第二端环、第三端环和第四端环，第一端环、第二端环、第三端环和第四端环共中心轴设置，第二端环位于第一端环与第三端环之间，第三端环位于第二端环与第四端环之间；第一端环、第二端环、第三端环和第四端环中的至少一个开设激励端口；多条第一导线、多条第二导线和多条第三导线，均平行于中心轴；第一导线连接于第一端环与第二端环之间，第二导线连接于第二端环与第三端环之间，第三导线连接于第三端环与第四端环之间；双谐调电路，与激励端口电连接，用于实现两种核素的谐振频率。本发明同时实现三种不同核素的谐振频率，相互频率间显示良好电磁隔离性能。

Description

支持三核素成像的四端环鸟笼射频线圈系统

技术领域

本发明涉及核磁共振技术，尤其涉及支持三核素成像的四端环鸟笼射频线圈系统。

背景技术

实现生物内源性微弱信号的高质量成像面临多项重大技术挑战。与传统氢质子MRI相比，由于弱核素在体含量较低，受其物理性质的影像，弱核素通常具有较低的旋磁比以及较低的空间分辨率，针对特定频率点生物信号的磁场精准激发，以及磁共振信号的高灵敏探测方法与多核接收线圈成为研究重点。在多调谐线圈系统中，¹H和非质子元素的物理接近会导致元素间的强耦合，严重降低线圈灵敏度，为了提高信噪比(SNR)及分辨率，这就导致了较长的采集时间,增加了射频(RF)场的不均匀性。而有效的多核射频线圈将有助于克服RF场不均匀以及SNR较低的缺陷。

发明内容

本发明实施例提供一种支持三核素成像的四端环鸟笼射频线圈系统，以同时实现三种不同核素的谐振频率，且相互频率间显示良好电磁隔离性能。

本发明实施例提供一种支持三核素成像的四端环鸟笼射频线圈系统，包括：

第一端环、第二端环、第三端环和第四端环，所述第一端环、所述第二端环、所述第三端环和所述第四端环共中心轴设置，所述第二端环位于所述第一端环与所述第三端环之间，所述第三端环位于所述第二端环与所述第四端环之间；所述第一端环、所述第二端环、所述第三端环和所述第四端环中的至少一个开设激励端口；

多条第一导线、多条第二导线和多条第三导线，均平行于所述中心轴；所述第一导线连接于所述第一端环与第二端环之间，所述第二导线连接于所述第二端环与所述第三端环之间，所述第三导线连接于所述第三端环与所述第四端环之间；

双谐调电路，与所述激励端口电连接，用于实现两种核素的谐振频率。

可选地，还包括多个第一电容、多个第二电容、多个第三电容和多个第四电容；

所述第一电容串接于所述第一端环中，所述第二电容串接于所述第二端环中，所述第三电容串接于所述第三端环中，所述第四电容串接于所述第四端环中。

可选地，还包括多个第五电容、多个第六电容和多个第七电容；

所述第五电容串接于所述第一导线中，所述第六电容串接于所述第二导线中，所述第七电容串接于所述第三导线中。

可选地，沿着所述中心轴的延伸方向，所述第一导线的长度小于所述第二导线的长度，所述第三导线的长度小于所述第二导线的长度。

可选地，沿着所述中心轴的延伸方向，所述第一导线的长度等于所述第三导线的长度。

可选地，所述第一导线的宽度、所述第二导线的宽度与所述第三导线的宽度相等。

可选地，所述第一端环开设两个所述激励端口，所述第一端环中的两个所述激励端口之间相位相差90°；

所述双谐调电路与所述第一端环中的激励端口电连接。

可选地，所述第一端环中的激励端口产生第一核素的谐振频率和第二核素的谐振频率；

所述第二端环开设两个所述激励端口，所述第二端环中的两个所述激励端口之间相位相差90°；

所述第二端环中的激励端口产生第三核素的谐振频率；所述第三核素的谐振频率小于所述第一核素的谐振频率，所述第三核素的谐振频率小于所述第二核素的谐振频率。

可选地，所述双谐调电路包括第一可变电容、第二可变电容、第三可变电容、第四可变电容、第五可变电容和电感线圈；

所述第一可变电容的第一极板与激励源的第一端电连接，所述第一可变电容的第二极板与所述第二可变电容的第一极板电连接；

所述第二可变电容的第二极板与所述激励端口的一端电连接；

所述第三可变电容的第一极板与所述激励源的第二端电连接，所述第三可变电容的第二极板与所述第四可变电容的第一极板电连接；

所述第四可变电容的第二极板与所述激励端口的第二端电连接；

所述第五可变电容的第一极板与所述第一可变电容的第二极板电连接，所述第五可变电容的第二极板与所述第三可变电容的第二极板电连接；

所述电感线圈的第一端与所述第一可变电容的第二极板电连接，所述电感线圈的第二端与所述第三可变电容的第二极板电连接。

可选地，还可以包括屏蔽层，所述第一端环、所述第二端环、所述第三端环、所述第四端环、所述第一导线、所述第二导线和所述第三导线均位于所述屏蔽层内。

本发明实施例提供一种支持三核素成像的四端环鸟笼射频线圈系统，可以将第一端环、第二端环以及第一导线形成的结构看做是第一个鸟笼结构。可以将第二端环、第三端环以及第二导线形成的结构看做是第二鸟笼结构。可以将第三端环、第四端环以及第三导线形成的结构看做是第三鸟笼结构。故而，本发明实施例提供的鸟笼射频线圈系统在传统鸟笼线圈上增加两个额外的端环，可以看作是三个鸟笼结构合并。并在激励端口处搭建双谐调电路，搭建双谐调电路的鸟笼结构同时实现两种核素的谐振频率，其余鸟笼结构实现另外一种核素的谐振频率，从而能够同时实现三种不同核素的谐振频率，且相互频率间显示良好电磁隔离性能，不包含额外的二极管开关等损耗元件。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种支持三核素成像的四端环鸟笼射频线圈系统的示意图；

图2为图1中第一端环在XY平面内的示意图；

图3为图1中第二端环在XY平面内的示意图；

图4为图1中鸟笼射频线圈系统在XZ平面内的展开示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种鸟笼射频线圈系统在XZ平面内的展开示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种鸟笼射频线圈系统在XZ平面内的展开示意图；

图7为本发明实施例提供的双谐调电路的电路图；

图8为本发明实施例提供的另一种支持三核素成像的四端环鸟笼射频线圈系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

近年来，非质子(x核)MRI的研究引起了极大的兴趣，部分原因是超高场MRI的日益普及。其中磁共振²³Na，³¹P等多核素成像是无创获取生物体组织生理及代谢等生命信息的重要磁共振分子影像独特成像技术，与质子相比，²³Na，³¹P和其他x核如¹⁹F成像具有挑战性，通常使用双谐振或多谐振射频线圈来满足这一要求。

目前，双调谐线圈已经可以以多种方式设计，例如在单线圈结构中利用pin二极管控制搭建双谐调电路或陷波电路实现双频，或在传统鸟笼结构中对一个所需频率的鸟笼线圈的每隔一条腿或支柱进行调谐实现双频，但该方法依赖于网格之间的强相互耦合，并且较难保持线圈的对称性。或者组合几何结构上互相隔离，独立的双调谐表面线圈，或交替嵌套的鸟笼结构。通过构建完全不同的导体几何结构以在两个频率下产生谐振模式。对于该组合结构的双鸟笼线圈而言，是将一个直径较小的鸟笼集中放置在一个直径较大的鸟笼中，大的鸟笼调到较高的谐振频率，而小的鸟笼调到较低的频率，从而形成双调谐鸟笼线圈。鸟笼单元之间最强烈的感应耦合来源之一是末端环的接近。线圈的调谐由于两端环相对于另一个环的方向的任何“摆动”而变得复杂，而且两端环的不对齐会导致两个频率上的线性模态的分裂。

图1为本发明实施例提供的一种支持三核素成像的四端环鸟笼射频线圈系统的示意图，图2为图1中第一端环在XY平面内的示意图，图3为图1中第二端环在XY平面内的示意图，图4为图1中鸟笼射频线圈系统在XZ平面内的展开示意图，参考图1-图4，支持三核素成像的四端环鸟笼射频线圈系统指的是，可以支撑三个核素成像的鸟笼射频线圈系统，该鸟笼射频线圈系统包括四个端环，分别为括第一端环11、第二端环12、第三端环13和第四端环14。第一端环11、第二端环12、第三端环13和第四端环14共中心轴K设置。第二端环12位于第一端环11与第三端环13之间，第三端环13位于第二端环12与第四端环14之间。沿着中心轴K的延伸方向，第一端环11、第二端环12、第三端环13和第四端环14依次排列。第一端环11、第二端环12、第三端环13和第四端环14中的至少一个开设激励端口15。鸟笼射频线圈系统还包括多条第一导线21、多条第二导线22和多条第三导线23。第一导线21、第二导线22和第三导线23均平行于中心轴K。第一导线21连接于第一端环11与第二端环12之间，第二导线22连接于第二端环12与第三端环13之间，第三导线23连接于第三端环13与第四端环14之间。鸟笼射频线圈系统还包括双谐调电路30，双谐调电路30与激励端口15电连接，用于实现两种核素的谐振频率。

本发明实施例提供一种支持三核素成像的四端环鸟笼射频线圈系统，可以将第一端环11、第二端环12以及第一导线21形成的结构看做是第一个鸟笼结构。可以将第二端环12、第三端环13以及第二导线22形成的结构看做是第二鸟笼结构。可以将第三端环13、第四端环14以及第三导线23形成的结构看做是第三鸟笼结构。故而，本发明实施例提供的鸟笼射频线圈系统在传统鸟笼线圈上增加两个额外的端环，可以看作是三个鸟笼结构合并。并在激励端口15处搭建双谐调电路30，搭建双谐调电路30的鸟笼结构同时实现两种核素的谐振频率，其余鸟笼结构实现另外一种核素的谐振频率，从而能够同时实现三种不同核素的谐振频率，且相互频率间显示良好电磁隔离性能，不包含额外的二极管开关等损耗元件。

可选地，参考图1-图4，鸟笼射频线圈系统还包括多个第一电容51、多个第二电容52、多个第三电容53和多个第四电容54。第一电容51串接于第一端环11中，第二电容52串接于第二端环12中，第三电容53串接于第三端环13中，第四电容54串接于第四端环14中。本发明实施例中，第一电容51、第二电容52、第三电容53、第四电容54分别串接于第一端环11、第二端环12、第三端环13和第四端环14中，鸟笼射频线圈系统为高通配置的调谐，可以通过调节第一电容51、第二电容52、第三电容53和第四电容54的电容值改变核素的谐振频率。

示例性地，参考图1-图4，端环(例如第一端环11、第二端环12、第三端环13和第四端环14)包括多个圆弧形导体10，存在相邻两个圆弧形导体10之间的间隙作为激励端口15，激励源40的一端可以与一个圆弧形导体10电连接，激励源40的另一端可以与另一个相邻的圆弧形导体10电连接，激励源40通过激励端口15向端环施加激励信号。

示例性地，参考图2，第一端环11中，第一电容51连接于相邻两个圆弧形导体10之间。参考图3，第二端环12中，第二电容52连接于相邻两个圆弧形导体10之间。类似的，第三端环13中，第三电容53连接于相邻两个圆弧形导体10之间。第四端环14中，第四电容54连接于相邻两个圆弧形导体10之间。

可选地，参考图1-图2，第一端环11开设两个激励端口15(分别记为激励端口A和激励端口B)。第一端环11中的两个激励端口15之间相位相差90°。双谐调电路30与第一端环11中的激励端口15电连接。本发明实施例中，第一端环11开设两个相位相差90°的激励端口15，采用正交激励的方式对第一端环11进行激励。双谐调电路30实现两种核素的谐振频率。

可选地，参考图1和图3，第一端环11中的激励端口15产生第一核素的谐振频率和第二核素的谐振频率。第二端环12开设两个激励端口15(分别记为激励端口C和激励端口D)，第二端环12中的两个激励端口15之间相位相差90°。第二端环12中的激励端口15产生第三核素的谐振频率。第三核素的谐振频率小于第一核素的谐振频率，第三核素的谐振频率小于第二核素的谐振频率。本发明实施例中，第二端环12开设两个相位相差90°的激励端口15，采用正交激励的方式对第二端环12进行激励。在双谐调电路30实现两种核素的谐振频率基础上，第二端环12中的激励端口15产生第三核素的谐振频率。由于将产生较低频率的第二端环12放在了产生频率较高的第一端环11的内侧，提高了传输效率。

示例性地，第一核素为¹H，第二核素为¹⁹F，第三核素为²³Na。外端环高通鸟笼激励端口处搭建双谐调电路30，同时实现相互解耦的¹H、¹⁹F谐振频率。内端环同样为高通结构，谐振在²³Na工作频率点。通过调节内外端环的距离，使得¹H、¹⁹F核素与²³Na核素间具备良好的解耦效果。以应用在3T系统为例，能够同时支持¹H/¹⁹F/²³Na/信号的精准激发与接收。其中，3T系统为磁场强度3T(T为磁场强度单位，特斯拉)的系统。

图5为本发明实施例提供的另一种鸟笼射频线圈系统在XZ平面内的展开示意图，参考图5，鸟笼射频线圈系统还包括多个第五电容55、多个第六电容56和多个第七电容57。第五电容55串接于第一导线21中，第六电容56串接于第二导线22中，第七电容57串接于第三导线23中。本发明实施例中，第五电容55、第六电容56和第七电容57分别串接于第一导线21、第二导线22和第三导线23中，鸟笼射频线圈系统为低通配置的调谐，可以通过调节第五电容55、第六电容56和第七电容57的电容值改变核素的谐振频率。

示例性地，参考图5，导线(例如第一导线21、第二导线22和第三导线23)包括两个直线形导体20，第五电容55连接于相邻两个直线形导体20之间，第六电容56连接于相邻两个直线形导体20之间，第七电容57连接于相邻两个直线形导体20之间。

图6为本发明实施例提供的另一种鸟笼射频线圈系统在XZ平面内的展开示意图，参考图6，鸟笼射频线圈系统还包括多个第一电容51、多个第二电容52、多个第三电容53、多个第四电容54、多个第五电容55、多个第六电容56和多个第七电容57。本发明实施例中，鸟笼射频线圈系统为混通配置的调谐，可以通过调节第一电容51、第二电容52、第三电容53、第四电容54、第五电容55、第六电容56和第七电容57的电容值改变核素的谐振频率。

结合参考图1和图4，沿着中心轴K的延伸方向，第一导线21的长度小于第二导线22的长度，第三导线23的长度小于第二导线22的长度。本发明实施例中，第一导线23以及第三导线23的长度均小于第二导线22的长度，位于两端的导线长度小于位于中间的导线长度，从而减小各核素之间的耦合作用。

可选地，结合参考图1和图4，沿着中心轴K的延伸方向，第一导线21的长度等于第三导线23的长度。

可选地，结合参考图1-图4，第一导线21的宽度、第二导线22的宽度与第三导线23的宽度相等。即，第一导线21的宽度等于第二导线22的宽度，第二导线22的宽度等于第三导线23的宽度。从而提高磁场场强的均匀性。需要说明的是，在其他实施方式中，第一导线21、第二导线22与第三导线23中还可以存在至少两者的宽度不相等，从而形成不均匀的磁场场强，以适用于如腹部等部位的核磁共振成像。

图7为本发明实施例提供的双谐调电路的电路图，参考图7，双谐调电路30包括第一可变电容C1、第二可变电容C2、第三可变电容C3、第四可变电容C4、第五可变电容C5和电感线圈L1。第一可变电容C1的第一极板与激励源40的第一端电连接，第一可变电容C1的第二极板与第二可变电容C2的第一极板电连接。第二可变电容C2的第二极板与激励端口15的一端(即一个圆弧形导体10)电连接。第三可变电容C3的第一极板与激励源40的第二端电连接，第三可变电容C3的第二极板与第四可变电容C4的第一极板电连接。第四可变电容C4的第二极板与激励端口15的第二端(即另一个圆弧形导体10)电连接。第五可变电容C5的第一极板与第一可变电容C1的第二极板电连接，第五可变电容C5的第二极板与第三可变电容C3的第二极板电连接。电感线圈L1的第一端与第一可变电容C1的第二极板电连接，电感线圈L1的第二端与第三可变电容C3的第二极板电连接。第五可变电容C5与电感线圈L1并联。

图8为本发明实施例提供的另一种支持三核素成像的四端环鸟笼射频线圈系统的示意图，参考图1-图8，鸟笼射频线圈系统包括鸟笼射频线圈100，鸟笼射频线圈100包括上述实施例中的第一端环11、第二端环12、第三端环13、第四端环14、第一导线21、第二导线22和第三导线23。鸟笼射频线圈系统还可以包括屏蔽层60，屏蔽层60位于鸟笼射频线圈100的外围，第一端环11、第二端环12、第三端环13、第四端环14、第一导线21、第二导线22和第三导线23均位于屏蔽层60内，屏蔽层60可以降低干扰信号的幅度，保护射频信号对外的辐射。

需要说明的是，上述各实施例中，第一导线21、第二导线22和第三导线23中任意两者的数量相等。本发明对于第一导线21、第二导线22和第三导线23的数量不作限定。以上各实施例均以第一导线21、第二导线22和第三导线23均为8个作为示例，在其他实施例中，其还可以为4个、16个或者32个等。

示例性地，屏蔽层60围绕中心轴K形成圆柱面，圆柱面的直径为20cm，长度为23cm,厚度为0.15mm。材料可以选择纯铜。第一端环11、第二端环12、第三端环13和第四端环14的直径可以为18cm。第二导线22的长度为13cm。通过调节第一电容51、第二电容52、第三电容53、第四电容54的电容值，使谐振至3T系统下²³Na工作频率(33.9MHz)。此环节导线宽度及长度均可优化以保证获得目标频率下最优发射场均匀性及高发射率。第一导线21和第三导线23的长度均为2.5cm。双谐调电路30实现¹H/¹⁹F频率(128.2MHz/120.6MHz)的准确激发与接收，激励端口A和激励端口B处保持电路相同，电路参数值可以存在较小差异。

可选地，鸟笼射频线圈系统还可以包括射频收发开关，射频收发开关与激励端口电连接，用于实现磁共振核素信号的激发与采集，即实现收发一体功能。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种支持三核素成像的四端环鸟笼射频线圈系统，其特征在于，包括：

第一端环、第二端环、第三端环和第四端环，所述第一端环、所述第二端环、所述第三端环和所述第四端环共中心轴设置，所述第二端环位于所述第一端环与所述第三端环之间，所述第三端环位于所述第二端环与所述第四端环之间；所述第一端环、所述第二端环、所述第三端环和所述第四端环中的至少一个开设激励端口；

多条第一导线、多条第二导线和多条第三导线，均平行于所述中心轴；所述第一导线连接于所述第一端环与第二端环之间，所述第二导线连接于所述第二端环与所述第三端环之间，所述第三导线连接于所述第三端环与所述第四端环之间；

双谐调电路，与所述激励端口电连接，用于实现两种核素的谐振频率；

所述双谐调电路包括第一可变电容、第二可变电容、第三可变电容、第四可变电容、第五可变电容和电感线圈；

所述第一可变电容的第一极板与激励源的第一端电连接，所述第一可变电容的第二极板与所述第二可变电容的第一极板电连接；

所述第二可变电容的第二极板与所述激励端口的一端电连接；

所述第三可变电容的第一极板与所述激励源的第二端电连接，所述第三可变电容的第二极板与所述第四可变电容的第一极板电连接；

所述第四可变电容的第二极板与所述激励端口的第二端电连接；

所述第五可变电容的第一极板与所述第一可变电容的第二极板电连接，所述第五可变电容的第二极板与所述第三可变电容的第二极板电连接；

所述电感线圈的第一端与所述第一可变电容的第二极板电连接，所述电感线圈的第二端与所述第三可变电容的第二极板电连接。

2.根据权利要求1所述的鸟笼射频线圈系统，其特征在于，还包括多个第一电容、多个第二电容、多个第三电容和多个第四电容；

所述第一电容串接于所述第一端环中，所述第二电容串接于所述第二端环中，所述第三电容串接于所述第三端环中，所述第四电容串接于所述第四端环中。

3.根据权利要求1所述的鸟笼射频线圈系统，其特征在于，还包括多个第五电容、多个第六电容和多个第七电容；

所述第五电容串接于所述第一导线中，所述第六电容串接于所述第二导线中，所述第七电容串接于所述第三导线中。

4.根据权利要求1所述的鸟笼射频线圈系统，其特征在于，沿着所述中心轴的延伸方向，所述第一导线的长度小于所述第二导线的长度，所述第三导线的长度小于所述第二导线的长度。

5.根据权利要求4所述的鸟笼射频线圈系统，其特征在于，沿着所述中心轴的延伸方向，所述第一导线的长度等于所述第三导线的长度。

6.根据权利要求1所述的鸟笼射频线圈系统，其特征在于，所述第一导线的宽度、所述第二导线的宽度与所述第三导线的宽度相等。

7.根据权利要求1所述的鸟笼射频线圈系统，其特征在于，所述第一端环开设两个所述激励端口，所述第一端环中的两个所述激励端口之间相位相差90°；

所述双谐调电路与所述第一端环中的激励端口电连接。

8.根据权利要求7所述的鸟笼射频线圈系统，其特征在于，所述第一端环中的激励端口产生第一核素的谐振频率和第二核素的谐振频率；

所述第二端环开设两个所述激励端口，所述第二端环中的两个所述激励端口之间相位相差90°；

所述第二端环中的激励端口产生第三核素的谐振频率；所述第三核素的谐振频率小于所述第一核素的谐振频率，所述第三核素的谐振频率小于所述第二核素的谐振频率。

9.根据权利要求1所述的鸟笼射频线圈系统，其特征在于，还可以包括屏蔽层，所述第一端环、所述第二端环、所述第三端环、所述第四端环、所述第一导线、所述第二导线和所述第三导线均位于所述屏蔽层内。

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