Многорезонансная передающая/приемная антенна для генерирования mr-томограммы - RU2616649C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к двойной или многорезонансной радиочастотной (RF)/магнитно-резонансной (MR) передающей и/или приемной антенне особенно в виде плоской антенны или объемной антенной решетки (также называемой антенной решеткой) для генерирования магнитно-резонансной томограммы (MR-томограммы) по меньшей мере двух разных ядер, например,¹H,¹⁹F,³He,¹³C,²³Na или других ядер, имеющих разные ларморовские частоты. Кроме того, изобретение относится к устройству магнитно-резонансной томографии (MR-томографии), содержащему такую двойную или многорезонансную RF/MR передающую и/или приемную антенну.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В устройстве MR-томографии (MRI-устройстве) (или магнитно-резонансном сканере (MR-сканере)) объект исследования, обычно больной, экспонируется в пространстве исследования MRT-устройства равномерному главному магнитному полю (B₀-полю), так что магнитные моменты ядер в объекте исследования стремятся повернуться вокруг оси приложенного B₀-поля (ларморова прецессия) с некоторой результирующей намагниченностью всех ядер параллельно B₀-полю. Скорость прецессии называется ларморовской частотой, которая зависит от конкретных физических характеристик участвующих ядер и напряженности приложенного B₀-поля.

Посредством передачи возбуждающего RF-импульса (B₁-поля), который является ортогональным B₀-полю, генерируемого посредством передающей RF-антенны или катушки, и согласования ларморовской частоты представляющих интерес ядер, спины ядер возбуждаются и приводятся в фазу, и получается отклонение их результирующей намагниченности от направления B₀-поля, так что генерируется поперечная составляющая относительно продольной составляющей результирующей намагниченности.

После завершения возбуждающего RF-импульса начинаются процессы MR-релаксации продольной и поперечной составляющих результирующей намагниченности до тех пор, пока результирующая намагниченность не возвратится в свое равновесное состояние. Сигналы MR-релаксации, которые излучаются процессами релаксации, обнаруживаются посредством приемной RF/MR-антенны или катушки. Над принятыми MR-сигналами, которые представляют собой основанные на времени амплитудные сигналы, выполняется преобразование Фурье в основанные на частоте сигналы MR-спектра и обрабатываются для генерирования MR-томограммы представляющих интерес ядер в объекте исследования. Чтобы получить пространственный выбор представляющего интерес среза или объема в объекте исследования и пространственное кодирование принятых сигналов MR-релаксации, происходящих из представляющего интерес среза или объема, градиентные магнитные поля накладываются на B₀-поле, имеющие тоже направление, что и B₀-поле, но имеющие градиенты в ортогональных x-, y- и z-направлениях. Вследствие того факта, что ларморовская частота зависит от напряженности магнитного поля, которое накладывается на ядра, ларморовская частота ядер соответствующим образом уменьшается вдоль и с уменьшающимся градиентом (и наоборот) общего наложенного B₀-поля, так что посредством надлежащей настройки частоты передаваемого возбуждающего RF-импульса (и посредством надлежащей настройки резонансной частоты приемной RF/MR-антенны) и посредством надлежащего управления градиентными магнитными полями, может быть получен выбор ядер в срезе в некотором расположении вдоль каждого градиента по x-, y- и z-направлению и посредством этого, в итоге, в некотором вокселе объекта.

Вышеупомянутые (передающие и/или приемные) RF/MR-антенны могут обеспечиваться как в виде так называемых катушек для тела (также называемых катушками для всего тела), которые неподвижно установлены в пространстве исследования MRI-системы для томографии всего объекта исследования, так и так называемых поверхностных или локальных катушек, которые располагаются непосредственно на или вокруг локальной зоны или области, подлежащей исследованию, и которые выполнены, например, в виде эластичных подушечек, или рукавов, или клеток, подобных катушкам для головы. Оба вышеупомянутых типа могут быть реализованы в виде объемного резонатора (подобно катушке «птичья клетка» или резонатора поперечной электромагнитной волны (TEM)) или в виде (плоской или объемной) антенной решетки (или катушки с решеткой), которая содержит набор элементов катушки, которые развязаны друг с другом и каждый из которых передает/принимает свое собственное локализованное магнитное поле.

Для MR-томографии объекта исследования, например пациента, представляющие интерес ядра в человеческой ткани представляют собой обычно протоны¹H, так что вышеупомянутые передающие/приемные RF-антенны соответствующим образом настраиваются на ларморовскую частоту протонов¹H. Однако для томографии некоторых органов посредством контрастных веществ, для обнаружения и количественного определения меченых радиоактивных индикаторов и лекарственных средств в области молекулярной диагностики, для исследования метаболизма или для MR-спектроскопии, другие ядра представляют интерес для томографии, подобно, особенно,¹⁹F,³He,¹³C,²³Na и другие, причем все эти ядра имеют существенно разные ларморовские частоты. Следовательно, для генерирования MR-томограммы вышеупомянутые передающие/приемные RF/MR-антенны должны быть настроены на две или более разных ларморовских частот, чтобы выполнять томографию как структуры объекта исследования, так и требуемых других ядер в общем наложении одного на другого.

US 7508212 описывает RF-резонатор, имеющий цилиндрический экран, образованный вокруг центральной оси, и множество пар противоположных проводящих ножек катушки, расположенных симметрично вокруг центральной оси, причем пары противоположных проводящих ножек разделены на первый набор и второй набор, причем первый набор настраивается на первую ларморовскую частоту, и второй набор настраивается на вторую ларморовскую частоту. Кроме того, первая схема возбуждения подсоединена к каждой паре противоположных ножек в первом наборе, и вторая схема возбуждения подсоединена к каждой паре противоположных ножек во втором наборе, причем каждая схема возбуждения содержит токовые симметрирующие устройства для электрического изолирования схемы возбуждения от ножек катушки и схемы настройки и согласования для проведения многоядерных измерений одновременно на разных ларморовских частотах.

US 5168230 описывает пару катушек двухчастотного ядерного магнитного резонанса (NMR), которая состоит из двух индивидуальных катушек, настроенных на отдельные резонансные частоты. Каждая катушка образована приблизительно одной и той же формы посредством проводящей петли, которая повторяет змеевидную траекторию, определяя внутреннюю область и множество внешних ответвлений. Две индивидуальные катушки располагаются в непосредственной близости с перекрытием друг друга, но повернуты относительно друг друга, так что внешние лепестки двух соответствующих катушек чередуются. Посредством этого, по существу, устраняется взаимная нагрузка между двумя индивидуальными катушками, позволяя выполнять двухчастотную работу с минимальным ухудшением отношения сигнал/шум в любой катушке, в то время как обе катушки имеют, по существу, одинаковую зону обзора.

US 2009/0160442 описывает передающую/приемную MR-катушку, которая может резонировать на по меньшей мере двух разных (ларморовских) частотах. Она содержит резонансную схему настройки, которая последовательно подсоединена к катушке и которая содержит компоненты настройки, значения которых выбираются так, что профиль чувствительности катушки, резонирующей на первой резонансной частоте, по существу, согласуется с профилем чувствительности катушки, резонирующей на второй резонансной частоте.

В WO 2010/018535 упоминается, что RF TEM-катушка, выполненная из полосковых линий, может быть сделана многорезонансной. Кроме того, TEM полосковые линии подсоединены через импедансные цепи к передатчику или приемнику.

US 5243289 A описывает многочастотный настроенный зонд, имеющий первую, по существу, плоскую катушку L1 индуктивности, расположенную в первой плоскости, и первое средство для настройки первой катушки L1 индуктивности на первую резонансную частоту и вторую, по существу, плоскую катушку L2 индуктивности, расположенную во второй плоскости, параллельной первой плоскости, и второе средство для настройки L2 на вторую резонансную частоту.

US 2001/033165A1 D3 описывает двойную настраиваемую поверхностную катушку с двойными кольцами. После того как каждое кольцо будет настроено на соответствующую частоту, кольца сводятся вместе, образуя многокольцевую катушку. Два кольца связываются для создания четырех резонансных режимов, причем второй и четвертый создают требуемые B₁ профили на ларморовских частотах. Катушки питаются посредством взаимной индуктивности с петлей возбуждения. Пленочный проводник располагается между петлей возбуждения и плоскостью зонда для точной настройки.

Matson et al.: «A practical double-tuned1H/31P quadrature birdcage headcoil optimized for 31P operation» MRM, vol 42(1), 1999, pages 173-182 описывает квадратурную катушку для головы «птичья клетка» с двойной настройкой.

Tropp et al.: «At dual-tuned probe and multiband receiver front end for x-nucleous spectroscopy with proton scout imaging in vivo» MRM vol 11(3), 1989 pages 405-412 описывает двойной настраиваемый зонд, который содержит ортогональные резонаторы для³¹P и¹H, причем каждый резонатор содержит пару колебательных контуров с сильной емкостной связью в геометрии Гельмгольца.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одной проблемой вышеупомянутых и других двойных или многорезонансных RF-антенн является то, что настройка и согласование антенн с передающими и/или приемными блоками или каналами, которые обеспечиваются для питания антенн передающими (возбуждающими) RF-сигналами на разных частотах и/или для обработки принятых сигналов MR-релаксации на разных частотах, представляет собой сложную процедуру.

Это верно, так как такие двойные или многорезонансные антенны требуют много степеней свободы для управления для оптимальной настройки и согласования, особенно на непротонных каналах из-за обычно более низкой чувствительности и меньшей концентрации непротонных ядер (например,¹⁹F) по сравнению с протонными ядрами (¹H) в объекте исследования.

Кроме того, особенно в случае поверхностных катушек, которые располагаются близко к объекту исследования, большая возможная изменчивость в расположении катушки приводит к большим изменениям диапазона нагрузки катушки, с которой обращаются при упомянутой настройке и согласовании.

Обычно сложность настройки непротонных катушек с решеткой может существенно компрометировать применимость таких катушек с решеткой.

Задачей, лежащей в основе изобретения, является исключение проблем настройки и согласования и обеспечение двойной или многорезонансной передающей и/или приемной RF/MR-антенны или катушки для генерирования MR-томограммы по меньшей мере двух разных ядер (т.е. ядер, имеющих разные ларморовские частоты), которые не требуют сложной процедуры настройки и согласования, особенно для (клинического) конечного пользователя.

Данная задача решается посредством двойной или многорезонансной передающей и/или приемной RF/MR-антенны и устройством индуктивной связи по п. 1 или п. 4 формулы изобретения.

Это решение имеет преимущество, состоящее в том, что настройка и согласование двойной или многорезонансной антенны с относящимися передающими и/или приемными блоками (т.е. передающим/приемным каналом) являются значительно более легкими и могут проводиться независимо друг от друга. Это применимо для обоих (всех) резонансных частот, так как индуктивная связь является широкополосной. Согласно изобретению магнитный поток может изменяться и, следовательно, регулируется индуктивная связь антенны с передающим и/или приемным RF/MR-каналом.

Зависимые пункты формулы изобретения описывают полезные варианты осуществления такой двойной или многорезонансной передающей и/или приемной RF/MR-антенны.

Понятно, что признаки изобретения допускают объединение в любой комбинации без отступления от объема изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.

Дополнительные подробности, признаки и преимущества изобретения станут очевидными из последующего описания предпочтительных и примерных вариантов осуществления изобретения, которые приводятся с ссылкой на чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 схематично изображает первую базовую конфигурацию устройства индуктивной связи первого варианта осуществления антенны;

фиг. 2 схематично изображает вторую базовую конфигурацию устройства индуктивной связи первого варианта осуществления антенны;

фиг. 3 изображает первый вариант осуществления устройства индуктивной связи;

фиг. 4 изображает второй вариант осуществления устройства индуктивной связи;

фиг. 5 изображает третий вариант осуществления устройства индуктивной связи;

фиг. 6 изображает четвертый вариант осуществления устройства индуктивной связи;

фиг. 7 изображает второй вариант осуществления антенны вместе с устройством индуктивной связи;

фиг. 8 изображает третий вариант осуществления антенны вместе с устройством индуктивной связи;

фиг. 9 изображает пятый вариант осуществления устройства индуктивной связи;

фиг. 10 изображает шестой вариант осуществления устройства индуктивной связи;

фиг. 11 изображает седьмой вариант осуществления устройства индуктивной связи;

фиг. 12 изображает восьмой вариант осуществления устройства индуктивной связи;

фиг. 13 изображает девятый вариант осуществления устройства индуктивной связи;

фиг. 14 изображает десятый вариант осуществления устройства индуктивной связи;

фиг. 15 изображает одиннадцатый вариант осуществления устройства индуктивной связи;

фиг. 16 изображает схематичный вид сбоку двенадцатого варианта осуществления устройства индуктивной связи;

фиг. 17 изображает блок-схему двойной резонансной антенны, устройства индуктивной связи и передающего и приемного канала согласно изобретению;

фиг. 18 изображает более подробно компоненты согласования фиг. 17;

фиг. 19 изображает передаточные функции для согласования на разных частотах;

фиг. 20 изображает блок-схему первого варианта осуществления устройства автоматической настройки и согласования согласно изобретению;

фиг. 21 изображает блок-схему второго варианта осуществления устройства автоматической настройки и согласования согласно изобретению;

фиг. 22 изображает блок-схему третьего варианта осуществления устройства автоматической настройки и согласования согласно изобретению;

фиг. 23 изображает первое устройство антенны и устройства индуктивной связи;

фиг. 24 изображает второе устройство антенны и устройства индуктивной связи;

фиг. 25 изображает третье устройство антенны и устройства индуктивной связи; и

фиг. 26 изображает принципиальную блок-схему последовательности операций для вычисления геометрий устройств индуктивной связи согласно изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На всех фигурах одни и те же или соответствующие компоненты и элементы обозначаются одними и теми же или соответствующими ссылочными позициями. Следовательно, по существу только различия и изменения вариантов осуществления объясняются в сравнении с первым вариантом осуществления, показанным на фиг. 1.

Фиг. 1 изображает принципиальную схему первой базовой конфигурации устройства L1 индуктивной связи, посредством которой передающая и/или приемная RF/MR-антенна 1, 2 согласно первому варианту осуществления изобретения индуктивно связана с клеммами T/R. К клеммам T/R подсоединяются известные передающие и/или приемные блоки или другие рабочие блоки или каналы для работы передающей и/или приемной RF/MR-антенны 1, 2 для передачи возбуждающих RF-сигналов и/или для обработки сигналов MR-релаксации, которые принимаются антенной 1, 2.

Передающая и/или приемная RF/MR-антенна 1, 2 представляет собой известную двойную резонансную антенну, описанную, например, в US 2009/0160442, и содержит катушку 1 и резонансную схему (или схему генератора) 2, которая последовательно подсоединена в катушку 1 и которая, главным образом, состоит из параллельного соединения первого конденсатора C1 и импедансной схемы L/C, причем последняя состоит, например, из катушки индуктивности или последовательного соединения катушки индуктивности и конденсатора. Катушка 1 содержит дополнительные конденсаторы C, которые примерно показаны и подсоединены последовательно в катушку 1 и которые выбираются и имеют размеры, как описано в US 2009/0160442, так что антенна 1, 2 является резонансной на двух требуемых частотах. Это же, соответственно, применимо для всех других антенн 1, 2, показанных на фиг. 2-15, 17 и 20-22.

Антенна 1, 2 обеспечивается, например, в виде локальной катушки, подобной поверхностной катушке, которая реализуется обычным образом, например посредством петли проводника, например, полосковой линии на жестком несущем материале, подобном печатной плате, или на гибком несущем материале в виде, например изогнутой или седлообразной или другой локальной катушки.

Антенна 1, 2 имеет первую и вторую резонансные частоты, которые выбираются так, чтобы соответствовать двум разным ларморовским частотам двух разных ядер, подлежащих томографии. Посредством этого одна и та же антенна 1, 2 может использоваться на обоих ларморовских частотах одновременно (т.е. для передачи возбуждающих RF-сигналов и/или для приема сигналов MR-релаксации). Пространственные профили чувствительности/передачи практически являются одинаковыми на этих двух ларморовских частотах из-за, по существу, одинаковых форм электрического тока в катушке на обеих этих частотах.

В случае многорезонансной RF/MR-антенны 1, 2, которая должна работать при более чем двух ларморовских частотах, например более одной резонансной схемы 2 последовательно подсоединено в катушку 1.

Согласно изобретению вышеупомянутая двойная или многорезонансная передающая и/или приемная RF/MR-антенна индуктивно связана согласно изобретению посредством устройства индуктивной связи, особенно в виде по меньшей мере одной петли индуктивной связи или катушки L1, вместо гальванического соединения, с относящимися передающими/приемными блоками, как упомянуто выше.

Посредством этого настройка антенны 1, 2 на по меньшей мере две резонансные частоты и согласование антенны 1, 2 с передающими/приемными блоками на этих частотах одновременно могут быть реализованы более легким образом, чем в случае гальванического соединения. Это особенно уместно для поверхностных катушек, которые из-за их непосредственной близости к объекту исследования и большой возможной изменчивости в расположении катушки подвергаются большим изменениям диапазона нагрузки катушки, с которой обращаются при настройке и согласовании.

В сравнении с фиг. 1, которая схематично показывает петлю L1 индуктивной связи для получения фиксированной индуктивной настройки и согласования, фиг. 2 схематично изображает вторую базовую конфигурацию устройства индуктивной связи антенны посредством петли L1 индуктивной связи для получения переменной и посредством этого регулируемой индуктивной настройки и согласования.

Чтобы получить такую переменную настройку и согласование, петля L1 индуктивной связи выполнена так, что она может механически перемещаться в плоскости катушки 1, как показано стрелкой A, так что перекрывающая область между антенной 1, 2 и петлей L1 связи, и посредством этого магнитный поток и, следовательно, связь между обоими соответствующим образом увеличивается или уменьшается, и посредством этого может регулироваться соответствующим образом настройка и согласование.

Наконец, как показано на фиг. 1 и 2, предпочтительно второй конденсатор C2 последовательно подсоединен в петлю L1 индуктивной связи. В зависимости от емкости этого второго конденсатора C2, индуктивность петли L1 индуктивной связи может эффективно, по меньшей мере частично, компенсироваться, чтобы соответствующим образом регулировать ток, протекающий в петле L1 индуктивной связи.

Обычно петля L1 индуктивной связи по фиг. 1 и 2 может быть реализована посредством одной или множества витков из проводника. Количество витков выбирается особенно в зависимости от эффективной области, которая доступна для петли связи, и/или требуемого коэффициента связи. Обычно, особенно для более низких частот, необходимо больше витков, чем для более высоких частот.

Если не может быть получен требуемый коэффициент связи одной такой петлей L1 связи для обеих частот, могут обеспечиваться также две петли связи, каждая для одной из двух частот. Снова, индивидуальные петли связи могут иметь одну или множество витков, причем количество витков обоих петель может быть одинаковым или разным. Индивидуальные петли могут располагаться рядом, или частично, или полностью друг над другом, как будет объяснено ниже.

Посредством вышеупомянутого определения размеров по меньшей мере одной петли L1 индуктивной связи, согласование импеданса антенны 1, 2 с импедансом относящегося передающего/приемного канала и настройка антенны 1, 2 могут быть реализованы для обеих резонансных частот антенны и для передачи и приема независимо друг от друга. Кроме того, за счет индуктивной связи это, по существу, не оказывает влияния на симметрию антенны 1, 2, и распределение тока и однородность остаются по меньшей мере существенно неизменными. Наконец, такая индуктивная связь является значительно более широкополосной по частоте, чем гальваническое подключение антенны. Принципы и определение размеров индуктивных связей и индуктивного согласования для измерительных головок по сути может быть найдено в Minspelter et al. «NMR probeheads for biophysical and biomedical experiments» (глава 3.3, стр. 56-73).

Фиг. 3 изображает двойную резонансную антенну 1, 2 согласно первому варианту осуществления, показанному на фиг. 1 и 2, которая индуктивно связана посредством первого варианта осуществления устройства L1, L2 индуктивной связи с клеммами T/R, с которыми передающий и/или приемный канал соединен для питания антенны возбуждающими RF-сигналами, подлежащими передаче, и/или для обработки сигналов MR-релаксации, которые принимаются антенной, как упомянуто выше.

Первый вариант осуществления устройства индуктивной связи реализуется в виде первой катушки L1, которая соединена с клеммами T/R и которая содержит первое количество витков, и второй катушки L2, которая соединена с антенной 1, 2 и которая имеет второе количество витков. Обе катушки L1, L2 выполнены так, что они могут механически перемещаться или сдвигаться относительно друг друга вдоль общей продольной оси катушек, как указано стрелкой A, чтобы регулировать магнитный поток и, следовательно, индуктивную связь между обоими и посредством этого настройку и согласование антенны 1, 2, как объяснено выше.

Фиг. 4 изображает двойную резонансную антенну 1, 2 снова согласно первому варианту осуществления, которая индуктивно связана посредством второго варианта осуществления устройства L1, L2 индуктивной связи с клеммами T/R для подсоединения передающего и/или приемного канала, как упомянуто выше.

Второй вариант осуществления устройства индуктивной связи содержит первую катушку L1, которая соединена с клеммами T/R и которая содержит первое количество витков, и вторую катушку L2 в виде тороидальной катушки, которая соединена с антенной 1, 2. Первая катушка L1 намотана вокруг секции тороидальной катушки L2 и располагается так, что она может поворачиваться вдоль по меньшей мере части тороидальной катушки L2, как указано стрелкой A. Посредством этого магнитный поток и, следовательно, индуктивная связь между обеими катушками L1, L2, а посредством этого настройка и согласование антенны 1, 2 могут регулироваться, как объяснено выше.

Фиг. 5 изображает двойную резонансную антенну 1, 2 снова согласно первому варианту осуществления, которая индуктивно связана посредством третьего варианта осуществления устройства L1, L2 индуктивной связи с клеммами T/R для подсоединения передающего и/или приемного канала, как упомянуто выше.

Третий вариант осуществления устройства индуктивной связи в значительной степени соответствует второму варианту осуществления устройства индуктивной связи, как объяснено выше и показано на фиг. 4, за исключением того, что первая катушка L1, которая намотана вокруг секции тороидального сердечника второй катушки L2, представляет собой катушку с отводами, которая является переключаемой в отношении количества витков, которые практически соединяются с клеммами T/R. Чтобы это реализовать, обеспечивается один или множество отводов в первой катушке L1, каждый из которых соединяется посредством каждого pin-диода D1, D2 с одной из клемм T/R. Требуемое количество фактических витков первой катушки L1 выбирается посредством выбора и смещения в состояние проводимости одного из pin-диодов D1, D2, который соединяется с соответствующим отводом первой катушки L1. Посредством этого магнитный поток и, следовательно, индуктивная связь между обеими катушками L1, L2, а посредством этого настройка и согласование антенны 1, 2 могут регулироваться, как объяснено выше.

Фиг. 6 изображает двойную резонансную антенну 1, 2 снова согласно первому варианту осуществления, которая индуктивно связана посредством четвертого варианта осуществления устройства L1, L2 индуктивной связи с клеммами T/R для подсоединения передающего и/или приемного канала, как упомянуто выше.

Четвертый вариант осуществления устройства индуктивной связи реализуется в виде первой катушки L1, имеющей первое количество витков, которые намотаны вокруг продольной оси a1 первой катушки L1, и второй катушки L2, имеющей второе количество витков, которые намотаны вокруг продольной оси a2 второй катушки L2. Снова, первая катушка L1 соединена с клеммами T/R, и вторая катушка L2 соединена с антенной 1, 2. Обе катушки L1, L2 могут поворачиваться относительно друг друга, так что угол между их продольной осью a1, a2, как указано стрелкой A, может регулироваться между около 0° и около 180° или между около 0° и около 90°. Посредством этого вновь может регулироваться магнитный поток и, следовательно, индуктивная связь между обеими катушками L1, L2 и за счет этого настройка и согласование антенны 1, 2, как объяснено выше.

Фиг. 7 изображает двойную резонансную антенну согласно второму варианту осуществления. Она содержит двойную резонансную передающую антенну 12, которая индуктивно связана посредством одного из вариантов осуществления устройств L1, L2 индуктивной связи, как описано выше и в нижеследующем, с клеммами T для подсоединения передающего канала для питания передающей антенны 12 возбуждающими RF-сигналами, подлежащими передаче. Кроме того, второй вариант осуществления антенны содержит три двойные резонансные приемные антенны 11 в виде антенной решетки, которые расположены рядом, предпочтительно с перекрытием, как показано на фиг. 7, и в параллельных плоскостях друг над другом, или без перекрытия друг друга (и предпочтительно в общей плоскости). Снова, каждая приемная антенна 11 индуктивно связана посредством одного из вариантов осуществления устройств L1, L2 индуктивной связи, как описано выше и в нижеследующем, с клеммами R для подсоединения каждого приемного канала для обработки возбуждающих RF-сигналов, которые принимаются приемными антеннами 11. В качестве примера, фиг. 7 изображает, что каждая из приемных антенн 11 соединяется посредством цепи M согласования импедансов и предусилителя P с относящейся клеммой R. Наконец, три приемные антенны 11 предпочтительно охватываются передающей антенной 12, как показано на фиг. 7. Как передающая, так и приемная антенны 12, 11 имеют размеры такие, которые объяснены выше в отношении фиг. 1 и 2.

Фиг. 8 изображает третий вариант осуществления двойной резонансной антенны в виде антенной решетки. Она содержит три двойные резонансные передающие и/или приемные антенны 1, 2, которые расположены рядом предпочтительно в общей плоскости, и каждая из которых индуктивно связана посредством одного из вариантов осуществления устройств индуктивной связи, как описано выше и в нижеследующем, с клеммами T/R для подсоединения каждого передающего и/или приемного канала, как объяснено выше. Согласно фиг. 8, устройство индуктивной связи реализуется для каждой из трех антенн 1, 2, каждая в виде петли L11, L12, L13 индуктивной связи, как объяснено выше в отношении фиг.1 и 2.

Фиг. 9 изображает двойную резонансную антенну 1, 2 снова согласно первому варианту осуществления, показанному на фиг. 1 и 2, которая индуктивно связана посредством пятого варианта осуществления устройства L1 индуктивной связи с клеммами T/R для подсоединения передающего и/или приемного канала, как упомянуто выше.

Пятый вариант осуществления устройства индуктивной связи реализуется в виде петли L1 связи, которая имеет эффективную область связи, которая посредством переключения может увеличиваться или уменьшаться, так что, таким образом, магнитный поток и, следовательно, индуктивная связь между петлей L1 и антенной 1, 2 могут регулироваться для настройки и согласования антенны, как объяснено выше. Это достигается посредством деления области, которая охватывается петлей L1, на несколько меньших областей посредством одного из множества электрических проводников, в которую последовательно подсоединен каждый pin-диод D1, D2, так что посредством переключения одного или нескольких pin-диодов D1, D2 в проводящее или непроводящее состояние может выбираться эффективная область петли L1 в отношении ее протяженности и также в отношении ее положения в петле L1.

Фиг. 10 изображает двойную резонансную антенну 1, 2 снова согласно первому варианту осуществления, показанного на фиг. 1 и 2, которая индуктивно связана посредством шестого варианта осуществления устройства L11, L12, L13 индуктивной связи с клеммами T/R для подсоединения передающего и/или приемного канала, как упомянуто выше.

Шестой вариант осуществления устройства индуктивной связи реализуется в виде, например, трех петель L11, L12, L13, которые располагаются рядом предпочтительно с малым перекрытием друг друга и в параллельных плоскостях друг над другом, причем в соединение между каждой петлей и клеммами T/R последовательно подсоединен каждый диод D1, D2, D3. Диоды могут переключаться независимо друг от друга соответствующим напряжением, смещающим в проводящее или непроводящее состояние. Посредством этого, подобно пятому варианту осуществления по фиг. 9, эффективная область связи может увеличиваться или уменьшаться, так что, следовательно, может регулироваться магнитный поток и, следовательно, индуктивная связь между антенной 1, 2 с клеммами T/R для настройки и согласование, как объяснено выше.

Фиг. 11 изображает двойную резонансную антенну 1, 2 снова согласно первому варианту осуществления, показанному на фиг. 1 и 2, которая индуктивно связана посредством седьмого варианта осуществления устройства L11, L12 индуктивной связи с первой и второй клеммами T/R1, T/R2 для подсоединения каждого передающего и/или приемного канала, как упомянуто выше.

В противоположность вышеупомянутым вариантам осуществления данный седьмой вариант осуществления содержит первую петлю L11 связи и вторую петлю L12 связи, которые обеспечиваются для связи с двойной резонансной антенной 1, 2 отдельно на ее первой и второй резонансной частоте f1, f2 соответственно. Следовательно, первые и вторые клеммы T/R1, T/R2 обеспечиваются для связи передающего и/или приемного сигналов на первой и второй частоте соответственно. Снова, петли L11, L12 связи предпочтительно располагаются рядом с малым перекрытием друг друга и в параллельных плоскостях друг над другом, чтобы, по меньшей мере частично, компенсировать взаимные связи петель L11, L12 связи, как в шестом варианте осуществления, показанном на фиг. 10.

Что касается количества витков, протяженности, расположения и эффективных областей петель L11, L12, ссылка делается на относящиеся объяснения выше.

Фиг. 12 изображает двойную резонансную антенну 1, 2 снова согласно первому варианту осуществления, показанному на фиг. 1 и 2, которая индуктивно связана посредством восьмого варианта осуществления устройства L11, L12 индуктивной связи с первой и второй клеммами T/R1, T/R2 для подсоединения каждого передающего и/или приемного канала, как упомянуто выше.

Снова, устройство индуктивной связи содержит первую петлю L11 связи и вторую петлю L12 связи для связи с двойной резонансной антенной отдельно на ее первой и второй резонансных частотах f1, f2 соответственно. В противоположность вышеупомянутому седьмому варианту осуществления взаимные связи петель связи исключаются или по меньшей мере уменьшаются посредством трансформатора Tr, имеющего первую обмотку, которая подсоединена последовательно в первую петлю L11 связи, и вторую обмотку, которая подсоединена последовательно во вторую петлю L12 связи. Посредством этого индуктивная развязка может быть получена между обеими петлями связи. Конденсаторы C11, C12, которые последовательно подсоединены в петли L11, L12 связи, обеспечиваются для управления током в петле связи, как объяснено выше со ссылкой на фиг. 1 и 2.

В качестве альтернативы восьмому варианту осуществления, показанному на фиг. 12, фиг. 13 изображает девятый вариант осуществления устройства индуктивной связи, в котором первая и вторая петли L11, L12 связи, которые снова обеспечиваются для связи с антенной на первой и второй резонансной частоте соответственно, емкостным образом развязаны между собой посредством конденсатора C3, который последовательно подсоединен в обе петли L11, L12 связи. Кроме этого, ссылка делается на вышеупомянутые варианты осуществления, объясненные в связи с фиг. 11 и 12.

Фиг. 14 изображает двойную резонансную антенну 1, 2 снова согласно первому варианту осуществления, показанному на фиг. 1 и 2, которая индуктивно связана посредством десятого варианта осуществления устройства L11, L12 индуктивной связи с первой и второй клеммами T/R1, T/R2 для подсоединения каждого передающего и/или приемного канала для первой и второй резонансной частоты соответственно антенны, как объяснено выше.

Устройство индуктивной связи содержит первую петлю L11 связи и вторую петлю L12 для связи с двойной резонансной антенной 1, 2 отдельно на ее первой и второй резонансной частоте соответственно. Петли связи располагаются рядом друг с другом без перекрытия друг друга. Согласно данному варианту осуществления первая петля L11 связи обеспечивается для более низкой из двух резонансных частот и имеет больше витков, чем вторая петля L12 связи, которая обеспечивается для более высокой из двух резонансных частот. Посредством этого увеличивается индуктивная связь первой петли связи.

Вместо обеспечения первой и второй клемм T/R1, T/R2 для первой и второй резонансной частоты, согласно одиннадцатому варианту осуществления устройства индуктивной связи, как показано на фиг. 15, обе петли L11, L12 связи также могут быть подсоединены при помощи дуплексера 14 только с одним кабельным соединением, которое обычно используется для обеих резонансных частот, и для подсоединения обоих передающих и/или приемных каналов в удаленной MR-системе. Кроме того, ссылка делается на вышеупомянутые варианты осуществления, как объяснено в связи с фиг. 11-14.

Фиг. 16 схематически изображает вид сбоку двенадцатого варианта осуществления устройства индуктивной связи, согласно которому, в противоположность вариантам осуществления, показанным на фиг. 12-15, первая и вторая петли L11, L12 связи располагаются не в общей плоскости, а друг над другом в параллельных плоскостях (т.е. смещены в направлении их перпендикулярных проекций) над плоскостью антенны 1, 2. В таком случае, петли L11, L12 связи могут располагаться рядом, или частично, или полностью перекрывать друг друга, если смотреть в направлении, перпендикулярном плоскостям. Кроме того, фиг. 16 снова изображает необязательный дуплексер 14, как объяснено выше.

Фиг. 17 изображает блок-схему двойной резонансной антенны 1, 2, устройства L1 индуктивной связи и передающий и приемный канал. Антенна 1, 2 и устройство L1 индуктивной связи могут обеспечиваться так, как объяснено выше со ссылкой на различные варианты осуществления.

Согласно этой блок-схеме передающий и приемный канал, который соединен с клеммами T/R петли L1 связи, делится посредством известного переключателя S/R передачи/приема на тракт T передачи и тракт R приема. Тракт R приема содержит цепь M согласования импеданса, при помощи которой принимаемые сигналы подаются на вход предусилителя P высокого импеданса. Посредством такой цепи M согласования импеданса может быть получено оптимальное отношение сигнал/шум для обеих резонансных частот, так что нет необходимости выполнять дополнительную настройку и согласование в тракте приема. Тракт T передачи имеет фиксированную настройку и согласование.

Фиг. 18 изображает примерный вариант осуществления такой цепи M согласования импеданса. Она содержит несколько параллельных конденсаторов C, которые подсоединены посредством последовательных индуктивностей L. Конденсаторы C и индуктивности L выбраны так, что достигается оптимальное согласование импеданса для обеих резонансных частот на входе предусилителя P.

Фиг. 19(A) схематично изображает передаточную функцию S21 цепи согласования для обычного согласования единственной частоты по сравнению с фиг. 19(B), которая изображает передаточную функцию S21 для согласования двойной резонансной частоты в качестве примера для ядер 19^F и 1^H.

Фиг. 20 изображает блок-схему первого варианта осуществления устройства автоматической настройки и согласования согласно изобретению вместе с двойной резонансной антенной 1, 2 и устройством L1 индуктивной связи. Антенна 1, 2 и устройство L1 индуктивной связи могут обеспечиваться так, как объяснено выше со ссылкой на различные варианты осуществления.

Устройство автоматической настройки и согласования содержит приводной двигатель 11, особенно в виде пьезоэлектрического приводного двигателя, схему 12 привода для привода приводного двигателя 11 и воспринимающую катушку или петлю PU, которая нагружается антенной 1, 2 и которая соединена со схемой 12 привода. Приводной двигатель 11 механически соединен с устройством индуктивной связи (которое показано на этой фигуре в виде петли L1 индуктивной связи) для перемещения петли L1 связи по пути поступательного движения, как показано стрелкой A, а именно в направлении к антенне 1, 2 или от антенны 1, 2 и посредством этого для увеличения или уменьшения магнитного потока между антенной 1, 2 и петлей L1 индуктивной связи.

Альтернативно, двигатель 11 также может обеспечиваться для настройки первой катушки L1, как показано и объяснено со ссылкой на фиг. 4 или фиг. 6.

Кроме того, схема 12 привода соединена с MR-спектрометром Sp. Предпочтительно, что соединение S с внешним источником питания обеспечивается для питания электрической энергией двигателя 11 и схемы 12 привода.

Схема 12 привода приводит во вращение приводной двигатель 11 в зависимости от сигналов, принимаемых воспринимающей катушкой PU от антенны 1, 2, так что автоматически достигаются требуемая настройка и согласование на относящихся резонансных частотах, как объяснено выше со ссылкой на фиг. 3.

Фиг. 21 изображает блок-схему второго варианта осуществления устройства автоматической настройки и согласования согласно изобретению вместе с двойной резонансной антенной 1, 2 и устройством L1 индуктивной связи. Антенна 1, 2 и устройство L1 индуктивной связи могут обеспечиваться так, как объяснено выше со ссылкой на различные варианты осуществления.

Это устройство автоматической настройки и согласования содержит схему 12 привода и воспринимающую катушку или направленный ответвитель PU, который нагружается антенной 1, 2и который соединен со схемой 12 привода. Вместо механического перемещения петли индуктивной связи в соответствии с первым вариантом осуществления, показанным на фиг. 20, магнитный поток между антенной 1, 2 и петлей L1 индуктивной связи изменяется в соответствии со вторым вариантом осуществления посредством выбора эффективного количества витков петли L1 индуктивной связи посредством короткого замыкания одной или нескольких из этих витков посредством схемы 11 привода.

Чтобы это получить, схема 12 привода имеет по меньшей мере один, но предпочтительно множество выходов, каждый из которых соединен через индуктивность I1, I2, …, с одним из множества pin-диодов D1, D2, …, каждый из которых соединяет один из нескольких отводов петли L1 индуктивной связи с одной из ее клемм, как объяснено выше со ссылкой на фиг. 5.

Посредством напряжения, смещающего по меньшей мере один из диодов D1, D2, …, в проводящее состояние, соответствующее количество витков петли L1 индуктивной связи замыкается накоротко, так что уменьшается соответствующим образом количество фактических витков и посредством этого магнитный поток между антенной 1, 2 и петлей L1 индуктивной связи.

Альтернативно, вместо петли L1 связи, показанной на фиг. 21, также первая катушка L1 по фиг. 5 может переключаться посредством схемы 12 привода.

Количество диодов D1, D2, …, которые смещаются напряжением в проводящее состояние и непроводящее состояние, выбирается схемой 12 привода в зависимости от выходных сигналов воспринимающей катушки или направленного ответвителя PU автоматически, так что достигаются требуемая настройка и согласование на относящихся резонансных частотах, как объяснено выше.

Фиг. 22 изображает блок-схему третьего варианта осуществления устройства автоматической настройки и согласования согласно изобретению вместе с двойной резонансной антенной 1, 2 и устройством L1 индуктивной связи. Антенна 1, 2 и устройство L1 индуктивной связи могут обеспечиваться так, как объяснено выше со ссылкой на различные варианты осуществления.

Это устройство автоматической настройки и согласования содержит приводной двигатель 11, особенно в виде пьезоэлектрического приводного двигателя, схему 12 привода для привода приводного двигателя 11 и направленный ответвитель 13, который соединен со схемой 12 привода. Вместо воспринимающей катушки PU, которая обеспечивается в соответствии с первым и вторым вариантом осуществления, как показано на фиг. 20 и 21 для нагрузки антенной 1, 2, направленный ответвитель 13 обеспечивается для связи доли сигнала, который индуцируется в устройстве L1 индуктивной связи антенной 1, 2. В зависимости от этого сигнала, схема 12 привода снова приводит в действие приводной двигатель 11 для перемещения устройства L1 индуктивной связи относительно антенны 1, 2 и посредством этого увеличения или уменьшения магнитного потока между антенной 1, 2 и устройством L1 индуктивной связи, чтобы получить требуемую настройку и согласование на относящихся резонансных частотах автоматически, как объяснено выше со ссылкой на фиг. 20.

Альтернативно, схема 12 привода (и устройство L1 индуктивной связи) также могут обеспечиваться согласно второму варианту осуществления, как показано на фиг. 21, для генерирования напряжения смещения для pin-диодов, чтобы выбирать соответствующее количество эффективных витков петли индуктивной связи для получения требуемой настройки и согласования на относящихся резонансных частотах автоматически, как объяснено выше.

Фиг. 23 изображает первое общее устройство двойной или многорезонансной антенны 1, 2 и устройства L1 индуктивной связи. Антенна 1, 2, например, является полностью герметизированной и водонепроницаемой. Сравнительно плоское устройство L1 индуктивной связи, например, может быть скрыто вместе с относящимся соединительным RF-кабелем в кровати больного или в отдельном держателе и располагается, по существу, параллельно антенне.

Фиг. 24 изображает второе общее устройство первой и второй двойной или многорезонансной антенны 1a, 2a; 1b, 2b вместе с каждым одним устройством L1a, L1b индуктивной связи на противоположных сторонах головы больного. Согласно данному устройству, каждое устройство L1a, L1b индуктивной связи проходит, по существу, параллельно, но только по небольшой части длины первой и второй антенны соответственно.

Фиг. 25 изображает третье общее устройство снова первой и второй двойной или многорезонансной антенны 1a, 2a; 1b, 2b вместе с каждым одним устройством L1a, L1b индуктивной связи на противоположных сторонах головы больного. Согласно данному устройству, каждое из устройств L1a, L1b индуктивной связи располагается на одном из концов антенн.

Необходимо упомянуть, что, как правило, любой из вышеупомянутых и других вариантов осуществления двойных резонансных передающих и/или приемных RF/MR-антенн может быть объединен с любым из вышеупомянутых и других вариантов осуществления устройств индуктивной связи. Выбор и объединение определяются, по существу, предполагаемым применением и окружающими условиями относящейся антенны.

Кроме того, термин «петля» или «петля связи», который используется выше в связи с устройством индуктивной связи, не ограничивается петлей, имеющей только один виток. Петля в вышеупомянутом смысле также может иметь более одного витка, как показано, например, на фиг. 14. Наконец, термины «петля» и «катушка», которые используются выше в связи с устройством индуктивной связи, являются взаимозаменяемыми друг с другом.

Фиг. 26 изображает принципиальную блок-схему последовательности операций процесса вычисления для геометрий вышеупомянутых устройств индуктивной связи для согласования импеданса вышеупомянутых и других двойных резонансных передающих и/или приемных RF/MR-антенн. Этот процесс вычисления предпочтительно выполняется посредством компьютерной программы.

На первом этапе S1 определяются требуемая геометрия и требуемая зона обзора относящейся двойной резонансной антенны. На втором этапе S2 определяются требуемые резонансные частоты антенны. На третьем этапе S3 устройство индуктивной связи параметризуется, особенно в отношении длины, ширины, количества витков, ширины проводников и т.д. соответствующей петли индуктивной связи или катушки.

На четвертом этапе S4 повторяющиеся вычисления параметров S11 устройства индуктивной связи запускаются для определенной двойной резонансной антенны как в загруженном, так и в незагруженном состоянии.

На пятом этапе S5 выполняется опрос, получают ли вычисленные параметры S11 устройства индуктивной связи требуемые значения для нагруженной и ненагруженной двойной резонансной антенны на обеих резонансных частотах.

Если это не является достоверным, геометрия, в особенности размер, количество витков и величины конденсаторов устройства индуктивной связи, изменяются на шестом этапе S6, и процесс повторяется, начиная с четвертого этапа S4.

Если параметры S11 устройства индуктивной связи получают требуемые значения для нагруженной и ненагруженной двойной резонансной антенны на обеих резонансных частотах, процесс завершается на седьмом этапе S7, так что согласование импеданса достигается на требуемых частотах и состояний нагрузки с вычисленными параметрами S11.

Итеративная программа для параметризации использует известные программы и алгоритмы моделирования электромагнитного поля, такие как MoM, REM и FDTD.

Хотя изобретение было проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и в предшествующем описании, такая иллюстрация и описание должны рассматриваться как иллюстративные или примерные и не ограничительные, и изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления. Изменения вариантов осуществления изобретения, описанные в предшествующем описании, возможны без отступления от объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.

Изменения в описанных вариантах осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при осуществлении на практике заявленного изобретения, из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а указание единственного числа не исключает множественности. Простой факт, что некоторые измерения изложены во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что объединение этих измерений не может быть использовано для получения преимущества. Любая ссылочная позиция в формуле изобретения не должна рассматриваться как ограничивающая объем.

Реферат

Изобретение относится к двойной или многорезонансной радиочастотной (RF)/магнитно-резонансной (MR) передающей и/или приемной антенне. Двойная или многорезонансная передающая и/или приемная RF/MR-антенна содержит катушку и по меньшей мере одну резонансную схему, которая последовательно подсоединена в катушку, при этом антенна индуктивно связана с передающим и/или приемным RF/MR-каналом посредством устройства индуктивной связи в виде по меньшей мере одной петли или катушки (L1, L2), которая имеет размеры и/или располагается относительно антенны так, что посредством результирующего магнитного потока между ними резонансные частоты антенны настраиваются на ларморовские частоты двух или более представляющих интерес ядер и согласуются по импедансу с подсоединенным передающим и/или приемным RF/MR-каналом, причем по меньшей мере одна петля или катушка (L1, L2) располагается так, что она может механически перемещаться относительно антенны для регулировки магнитного потока между антенной и устройством индуктивной связи, причем индуктивная связь является широкополосной, при этом настройка и согласование применимы к обеим или всем резонансным частотам. Технический результат – упрощение настройки и согласования двойной или многорезонансной передающей и/или приемной RF/MR-антенны. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 26 ил.

Формула