射频发射线圈的去耦合方法[发明专利]

[12]发明专利申请公布说明书

[21]申请号200510107798.0

[51]Int.CI.

H01Q 1/52 (2006.01)G01R 33/32 (2006.01)

[43]公开日2007年4月4日[22]申请日2005.09.30[21]申请号200510107798.0

[71]申请人西门子（中国）有限公司

地址100102北京市朝阳区望京中环南路7号[72]发明人杜健军 汪坚敏

[11]公开号CN 1941500A

权利要求书 1 页 说明书 9 页 附图 7 页

[54]发明名称

射频发射线圈的去耦合方法

[57]摘要

本发明提出一种用于磁共振成像系统的射频发射线圈的去耦合方法，该射频发射线圈包括多于一个的天线单元，激励信号通过连接电缆输入至所述的天线单元，在每一电缆前串联一电容，该串联电容的大小正好将连接电缆导致的信号的相位移补偿为零，去耦合电路连接在所述的天线单元之间且在该串联电容前，以对所述的天线单元进行去耦合。所述的去耦合电路只需采用去耦电容便可同时对天线单元之间的感性耦合以及容性耦合进行去耦合。采用本发明便可实现在磁体外部使用去耦电容对射频发射线圈进行去耦合。

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权 利 要 求 书

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1.一种射频发射线圈的去耦合方法，该射频发射线圈包括多于一个的天线单元，激励信号通过连接电缆输入至所述的天线单元，其特征在于：在每一电缆前串联一电容(Cs)，该串联电容的大小正好将连接电缆导致的信号的相位移补偿为零，去耦合电路连接在所述的天线单元之间且在该串联电容前，以对所述的天线单元进行去耦合。

2.根据权利要求1的射频发射线圈的去耦合方法，其特征在于：所述的激励信号为正交激励信号。

3.根据权利要求2的射频发射线圈的去耦合方法，其特征在于：从一功分器分出正交信号，每一正交信号分别直接与所述的串联电容相连接和经过一反相器(I1、I2)后再与所述的串联电容相连接，以分别向所述的天线单元输入所述的正交激励信号。

4.根据权利要求2或3的射频发射线圈的去耦合方法，其特征在于：所述的去耦合电路使用去耦电容(C23、C14、Cd1、Cd2)作为去耦元件，所述的去耦电容两端连接在输入有正交激励信号的天线单元之间，其连接端在所述的连接电缆的串联电容前；在串联电容前连接有反向器的情况下，所述的去耦电容的连接端在所述的串联电容和反相器(I1、I2)之间。 5.根据权利要求4的射频发射线圈的去耦合方法，其特征在于：将两端均连接在所述的串联电容和反相器(I1、I2)之间的去耦电容(C14)的两端同时移到所述的反相器(I1、I2)前端，并且与同样两端连接在所述的反向器(I1、I2)前端的去耦电容(C23)合并，合并后的去耦电容(Cd)两端连接在所述的反向器(I1、I2)前端。

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说 明 书

射频发射线圈的去耦合方法

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[技术领域]

本发明涉及一种射频发射线圈的天线阵列的去耦合方法，特别是涉及一种在磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging；MRI)系统的射频发射线圈的外部对其天线阵列进行去耦合的射频发射线圈的去耦合方法。 [背景技术]

射频发射线圈是磁共振成像系统的重要组成部分，其被用来产生不同的脉冲序列以激发人体内氢原子核产生磁共振信号。

射频发射线圈包括天线阵列，天线阵列包括若干个天线单元(TransmitterAntenna)，这些天线单元被安装在MRI系统的磁体内。

在现有技术中，实现对射频发射线圈失谐(Detune)的方法主要有两种：一种是在天线单元内部增加失谐电路，但这种方法会降低天线单元的品质系数(Quality Factor；又称品质系数Q值)和发射效率，同时也增加了天线单元的复杂性，因此这种方法应用的范围比较小；另一种是通过电缆与射频发射线圈外部的失谐电路相连来实现失谐，但是在这种情况下，要求该电缆的长度为半波长(λ/2)的整数倍，这样才能将失谐电路的短路状态输入到天线单元。采用半波长电缆的这种要求给射频发射线圈的结构和性能带来很严重的缺陷：由半波长电缆加上天线单元内部和外部的电路结合在一起的谐振电路产生的电流通过电缆的过程中会产生一定量的损耗，这种损耗会降低天线单元的发射效率；特别是当射频发射线圈的工作波长较长的时候，或者应用于低场系统的情况下，半波长的电缆长度比较长，使得所述的损耗将变得更加明显。

因此，如何提供一种采用射频发射线圈外部的失谐电路实现失谐，并且能够使得连接电缆的长度尽可能短的射频发射线圈结构已经成为业界亟待

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解决的问题。

请参阅图1，一个现有的射频发射线圈的天线阵列中，包括四个天线单元，即天线单元1、天线单元2、天线单元3和天线单元4。当然，类似的天线阵列同样也可以包括少于四个或者多于四个的天线单元，在这里仅以包含四个天线单元的结构为例说明现有的射频发射线圈的结构和去耦合方法中存在的缺点和需要解决的问题。MRI系统中相应的四个功率输入通道按照0°、90°、180°和270°相位差输入正交激励信号至上述的天线单元1到4。 为了得到上述的按照0°、90°、180°和270°相位差输入的正交激励信号，可以将功分器分出的0°和90°的信号的输入馈电点分别移至相位差180°的位置(相位差等效于增加一段半波长的电缆)，如图1所示，从功分器分出的0°信号分别经过了全波长和半波长的电缆，从而得到相位差分别为0°和180°的信号以输入天线单元；同理，从功分器分出的90°信号分别经过了全波长和半波长的电缆，从而得到相位差分别为90°和270°的信号以输入天线单元，使用上述方法便实现了所需要的正交激励。另外一种方法如图2所示，从功分器分出的0°信号分别经过一个反相器I1后再经过半波长电缆和直接经过半波长电缆，从而得到相位差分别为0°和180°的信号以输入天线单元；同理，从功分器分出的90°信号分别经过一个反相器I2后再经过半波长电缆和直接经过半波长电缆，从而得到相位差分别为90°和270°的信号以输入天线单元，使用上述方法也可以实现所需要的正交激励。

由于各个天线单元之间在工作的时候容易产生耦合，这些耦合会严重影响天线单元以及射频发射线圈的正常工作，降低射频发射线圈的工作效率，特别是在射频发射线圈工作在大功率、高电压的情况下，耦合的情况会更加严重。现有技术中，对天线单元之间的去耦合方法是通过在线圈单元之间加载去耦合电容或者去耦合电感，但是去耦合所需的元件的种类、个数和取值会随着射频发射线圈的工作频率的改变而改变。因此，如何实现宽频段范围内对射频发射线圈的去耦合对其能否正常工作具有重要的意义。 现有的实现宽频段范围内的去耦合方法主要是将射频发射线圈的天线单元在中心频率下调节好，并且在一定的频宽内可以满足射频发射线圈对天线单元的技术要求；但是当天线单元工作在上述频宽的边缘的时候，耦合的情况会明显恶化，在这种情况下天线单元有时候甚至无法正常工作。

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现阶段对上述问题的解决方法有两种：一种方法是采用工作在不同频段的不同的天线单元，对上述不同的天线单元分别调节其中心频率，但是采用这种方法意味着需要针对不同频段采用不同的天线单元，而这些天线单元之间不能相互替换，这不仅增加了射频发射线圈的制造和维护的复杂性，而且还大大增加了其成本；另外一种方法是使用可调电容或者使用电感连接在相应的天线单元之间直接去耦合，以此满足对整个工作频段内的去耦合。由于射频发射线圈的天线单元是工作在大功率、高电压的环境下，因此要求上述的去耦电容耐高压，但是可调电容的容值很难做得很大，而且其价格昂贵；如果使用电感去耦则需要使用体积庞大的电感才能满足要求；在实际的应用中常需要使用多个可调电容或者电感才能满足去耦合要求，这大大增加了成本。另外，MRI系统磁体内的空间非常有限和宝贵，而上述的去耦电容或者电感是安装在天线单元间，其庞大的体积占用了大量的磁体空间；而在磁体内部有限的空间内和强磁场中对上述的去耦电容或者电感进行调节或者更换非常不便，并且调节或者更换的操作非常复杂，需要专业的人员借助专业的仪器设备才能进行。

去耦合的原理从电路角度来理解就是用电抗元件补偿天线单元之间的耦合感应，即用电容来补偿感性耦合、用电感来补偿容性耦合。图1和图2都显示了现有技术的射频发射线圈的去耦合方法的原理。以图2为例，图中的虚线左边部分是射频发射线圈外部的激励信号输入和失谐电路部分，这一部分可以借助半波长电缆设置在磁体外部；沿图中虚线右边部分是射频发射线圈的天线单元和去耦合部分，这一部分是设置在磁体内部。图2以所示的天线单元1至4之间发生感性耦合M12、M23、M34、M13、M24和M14，并且在相应的天线单元之间连接去耦电容C13、C23、C24、C14为例说明现有技术的射频发射线圈的去耦合方法的不足之处。其中，由于M12和M34工作在同一直线，它们的场强是可以相加抵消的，所以不必考虑对M12和M34进行去耦补偿。在上述的天线单元1至4之间发生容性耦合的情况下，则需要在相应的天线单元之间连接去耦电感来进行补偿。现有技术的这种射频发射线圈的去耦合方法存在以下缺点：由于去耦电容或者电感是直接连接在相应的天线单元之间，即是在磁体内部进行去耦合，因此天线单元无法做成标准件，其需要根据不同的工作频率采用不同数值大小的去耦电容或者去耦电感，并且在安装时需要在磁体内部有限的空间内对上述去耦电容或者去耦电感进

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行调节；另外，当上述天线单元1至4之间发生容性耦合的情况下，现有技术是在相应的天线单元之间连接去耦电感来进行补偿，但是与去耦电容相比较，去耦电感的品质系数不如去耦电容的高，而且容易发生损耗，而且去耦电感的体积较大，其需要占用较大的宝贵的磁体内部空间。 [发明内容]

本发明的一个目的在于提出一种在磁体外部进行去耦合的射频发射线圈的去耦合方法。

本发明的一个进一步目的在于提出一种采用去耦电容同时对射频发射线圈的感性耦合和容性耦合进行去耦合的射频发射线圈的去耦合方法。 本发明的另外一个目的在于提出一种射频发射线圈的去耦合方法，以缩短连接射频发射线圈和去耦合电路的电缆，从而减少在电缆中的能量损耗。 本发明的另外一个目的在于提出一种射频发射线圈的去耦合方法，以提供一种独立于去耦合电路的、可以通用的天线单元。

为达到上述目的，本发明提出一种射频发射线圈的去耦合方法，该射频发射线圈包括多于一个的天线单元，激励信号通过连接电缆输入至所述的天线单元，其特征在于：在每一电缆前串联一电容，该串联电容的大小正好将连接电缆导致的信号的相位移补偿为零，去耦合电路连接在所述的天线单元之间且在该串联电容前，以对所述的天线单元进行去耦合。

所述的激励信号在本发明当中以正交激励信号为例进行说明。从一功分器分出正交信号，每一正交信号分别直接与所述的串联电容相连接和经过一反相器后再与所述的串联电容相连接，以分别向所述的天线单元输入所述的正交激励信号。

所述的去耦合电路使用去耦电容作为去耦元件同时对所述的天线单元发生的感性耦合以及容性耦合进行去耦，所述的去耦电容两端连接在输入有正交激励信号的天线单元之间，其连接端在所述的连接电缆的串联电容前，在串联电容前连接有反向器的情况下，所述的去耦电容的连接端在所述的串联电容和反相器之间。

进一步地，本发明将两端均连接在所述的串联电容和反相器之间的去耦

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电容的两端同时移到所述的反相器前端，并且与同样两端连接在所述的反向器前端的去耦电容合并，合并后的去耦电容两端连接在所述的反向器前端。 通过在所述的电缆前增加该串联电容，从而可以将原本在所述的天线单元之间，即在MRI磁体内部进行的去耦合移到该串联电容前进行，实现在磁体外部去耦合。由于本发明只需采用去耦电容便可同时对射频发射线圈的感性耦合和容性耦合进行去耦合，因此保证了射频发射线圈工作的高品质系数和发射效率。同样由于该串联电容将连接电缆导致的信号的相位移补偿为零，因此该连接电缆不必限定于使用半波长电缆，而是可以依据实际情况被尽量缩短，从而减少在电缆中的能量损耗。由于射频发射线圈的去耦合电路被移到磁体外部，所述的天线单元之间不再需要安装依据实际情况取值不同且需要专业人员进行调节的去耦合元件，因此天线单元可以被设计成可以相互替换的通用标准件，以降低射频发射线圈的制造和维护的成本。 [附图说明]

图1是现有技术的射频发射线圈的去耦合方法的一个实施例的原理图。 图2是现有技术的射频发射线圈的去耦合方法的另一个实施例的原理图。

图3是本发明射频发射线圈的去耦合方法实现缩短连接射频发射线圈和其外部电路的电缆的原理图。

图4是本发明射频发射线圈的去耦合方法的去耦原理的一个等效电路示意图。

图5至图10是在感性耦合情况下实现本发明射频发射线圈的去耦合方法的原理图。

图11至图14是在容性耦合情况下实现本发明射频发射线圈的去耦合方法的原理图。 [具体实施方式]

请参阅图2，图中虚线左边是现有技术的射频发射线圈外部的激励信号

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输入和失谐电路部分，虚线右边是现有技术的射频发射线圈及其去耦合电路部分。本实施例以射频发射线圈包括4个天线单元，即如图中所示的天线单元1至4为例进行说明。失谐电路和正交激励信号分别通过半波长电缆与天线单元1至4相连接。其中，功分器分出来0°信号和90°信号，该0°信号分别直接和半波长电缆相连以及通过反相器I1后与半波长电缆相连来向天线单元输入0°和180°信号；该90°信号分别直接和半波长电缆相连以及通过反相器I2后与半波长电缆相连来向天线单元输入90°和270°信号。在本实施例中，以上述的天线单元1至4之间发生感性耦合M12、M23、M34、M13、M24和M14，并且在相应的输入正交激励信号的天线单元之间连接去耦电容C13、C23、C24、C14为例来进行说明。

请参阅图3，本发明为达到缩短上述的半波长电缆的目的，使用一个电容Cs串联在该电缆前，该电容Cs的大小正好将电缆导致的信号的相位移补偿为零，此时该电缆的长度便可以取任意值，而不仅限于现有技术中的半波长。因此，连接上述天线单元1至4与射频发射线圈外部电路的电缆便可以被尽可能缩短以较少信号能量的损耗。

同时，由于与电缆串连的电容Cs将由于电缆引起的相位移补偿为零，因此便可以将图中虚线右边的，连接在天线单元之间的去耦电容移到所述电缆的串联电容Cs前。

请参阅图4，图中示出了本发明应用到的去耦合的原理。如图左边部分所示，设天线单元1和2之间发生感性耦合M12，因此在该天线单元1和2之间连接去耦电容Cd来进行去耦合，其等效电路如图右边部分所示：设射频发射线圈的工作的角频率为ω，、去耦电容Cd、电感为M12，则上述去耦应当满足的条件为：

图5至图10将分步说明在发生感性耦合的情况下本发明的方法如何将在天线单元1至4之间进行的去耦合移到与所述电缆的串联电容Cs前进行。 请参阅图5，为对天线单元2和3之间发生的感性耦合M23以及天线单元1和4之间发生的感性耦合M14进行去耦，现有技术是直接在天线单元2和3之间和天线单元1和4之间连接去耦电容C23和C14。但是如前所述，由于电容Cs将由该电缆引起的相位移补偿为零，因此C23和C14可以如图6所示分别被等效地移至该串联电容Cs之前；其中，C23连接在与天线单元2和

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3连接的串联电容Cs前，C14连接在与天线单元1和4连接的反相器I1、I2和其串联电容Cs之间。

请同时参考图6，由于天线单元1和天线单元4的激励信号都是先通过反相器I1、I2再到达C14的两端，因此，该去耦电容C14的两端可以如图7所示被同时移到所述的反相器I1、I2的前端，并且与该同样可以认为是两端连接在上述反向器前端的去耦电容C23合并成两端连接在所述的反相器I1、I2前端的去耦电容Cd。

请参阅图8，为对天线单元2和4之间发生的感性耦合M24以及天线单元1和3之间发生的感性耦合M13进行去耦，现有技术是直接在天线单元2和4之间和天线单元1和3之间连接去耦电容Cd1和Cd2。但是如前所述，由于电容Cs将由于电缆引起的相位移补偿为零，因此Cd1和Cd2可以如图9所示分别被等效地移至该电容Cs之前；其中，Cd1的一端连接在与天线单元2相连的电容Cs之前，另一端连接在与天线单元4相连的反相器I2和电容Cs之间，Cd2的一端连接在与天线单元1相连的反相器I1和电容Cs之间，另一端连接在与天线单元3相连的电容Cs之前。

请参阅图10，通过上文的叙述，输入正交激励信号的天线单元之间发生的感性耦合，如天线单元1分别和天线单元3、天线单元4之间的耦合M13、M14，天线单元2分别和天线单元3、天线单元4之间的耦合M23、M24，利用连接在相应的天线单元的电缆的串联电容Cs以及反相器I1、I2前的去耦电容Cd、Cd1和Cd2便可对所述的感性耦合进行去耦合；其中，Cd是由图6中的C23和C14合并而成。由于天线单元1和2以及天线单元3和4之间产生的感性耦合M12和M34在同一方向，它们的场强是可以相加的，所以不必考虑对M12和M34进行去耦补偿。

以上的叙述是说明当天线单元1至4之间发生的是感性耦合的情况下，本发明是如何使用去耦电容将在天线单元之间的去耦合移到串联在电缆前的电容Cs前进行的，当上述天线单元1至4之间发生的是容性耦合的情况下，图11至图14说明了本发明如何同样通过去耦电容来将在天线单元之间的去耦合移到串联在电缆前的电容Cs前进行。

请参阅图11，为对天线单元1和天线单元4之间发生的容性耦合C14以及天线单元2和天线单元3之间发生的容性耦合C23进行去耦合，现有技术

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是直接在天线单元1和4之间以及天线单元2和3之间连接去耦电感L14和L23。但是如前所述，由于电容Cs将由于电缆引起的相位移补偿为零，因此，L14和L23可以分别被等效地移至该电容Cs之前；其中，L23连接在与天线单元2和3连接的电容Cs前；L14连接在与天线单元1和4连接的反相器I1、I2和电容Cs之间，如图12所示。本发明的特征在于，将上述去耦电感对天线单元间的容性耦合的补偿转化为去耦电容对天线单元间的容性耦合的补偿：根据图4所示的去耦合原理，设工作的角频率为ω、容性耦合为Cd、电感为Ld，根据前述的去耦合应满足的条件：

可以得到：

因此，连接在与天线单元1和4相连接的反相器I1、I2和电

容Cs之间的去耦电感L14对容性耦合C14的补偿等效于如图9所示的去耦电容Cd1对容性耦合C14的补偿，该Cd1的一端连接在与天线单元2相连接的电容Cs前，另一端连接在与天线单元4相连接的反相器I2和电容Cs之间。同理，连接在与天线单元2和3连接的电容Cs前端的去耦电感L23对容性耦合C23的补偿等效于如图9所示的去耦电容Cd2对容性耦合C23的补偿，该Cd1的一端连接在与天线单元3相连接的电容Cs前，另一端连接在与天线单元1相连接的反相器I1和电容Cs之间。

请参阅图13，为对天线单元1和天线单元3之间发生的容性耦合C13以及天线单元2和天线单元4之间发生的容性耦合C24进行去耦合，现有技术是直接在天线单元2和4之间和天线单元1和3之间连接去耦电感Ld1和Ld2。但是如前所述，由于电容Cs将由于电缆引起的相位移补偿为零，因此，Ld1和Ld2可以分别被等效地移至该电容Cs之前；其中，Ld1的一端连接在与天线单元2相连接的电容Cs前，另一端连接在与天线单元4相连接的反相器I2和电容Cs之间；Ld2的一端连接在与天线单元3相连接的电容Cs前，另一端连接在与天线单元1相连接的反相器I1和电容Cs之间，如图14所示。同上理，上述的Ld1对容性耦合C24的补偿等效于图6所示的去耦电容C14对容性耦合C13的补偿；上述的Ld2对容性耦合C13的补偿等效于图6所示的去耦电容C23对容性耦合C13的补偿。进一步地，如上文所述，图6所示的去耦电容C14和C23可以如前述合并为图7所示的去耦电容Cd。

综上所述，无论天线单元1至4之间发生感性耦合还是容性耦合，都可以采用如图10所示的去耦电容Cd、Cd1和Cd2进行相应的去耦；同时，通过

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电缆和串联在电缆前的电容Cs，上述对天线单元1至4之间的耦合的去耦可以从上述天线单元之间，即MRI磁体的内部转移到MRI磁体的外部进行；同样通过增加该电容Cs，使得该电缆不需要限定为半波长，因此可以根据实际情况尽可能缩短该电缆以减少能量损耗；另外，由于上述天线单元之间不再连接有数值大小需要根据不同的MRI系统确定和安装时需要进行调节的去耦电容和去耦电感，因此这些天线单元可以被设计为可方便替换的标准件，在制造时只需要将所述的天线单元在其中心频率下调节好即可。

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说 明 书 附 图

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200510107798.0说 明 书 附 图 第3/7页

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200510107798.0说 明 书 附 图 第4/7页

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200510107798.0说 明 书 附 图 第5/7页

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200510107798.0说 明 书 附 图 第6/7页

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