具有去谐电路和能量收获电路的MR接收线圈的制作方法

文档序号:11160476阅读:456来源:国知局
具有去谐电路和能量收获电路的MR接收线圈的制造方法与工艺

本发明涉及磁共振设备,具体涉及具有无线RF线圈的磁共振设备。



背景技术:

利用磁场与核自旋之间的相互作用以便形成二维或三维图像的磁共振方法现今被广泛地使用,尤其是在医学诊断的领域中。

通常,磁性设备包括用于在检查区中生成静B0场的超导主磁体、用于在成像序列期间生成切变的磁场梯度的梯度线圈以及射频(RF)线圈组件。已知磁共振设备的RF线圈组件包括:生成用于激发核自旋的B1场的发射线圈,以及结合发射线圈使用以探测和接收磁共振信号的一个或多个接收天线。通常,RF线圈组件的接收天线经由具有平衡不平衡变换器(bazooka balun)的同轴线缆和接线被连接到远程接收器系统。另外,RF线圈组件的接收天线经由一系列DC线缆供电。

据信,在磁共振接收天线与远程接收器系统之间的线缆能够由所接收的磁共振信号的无线传输来替换。此外,能再充电电池或电容器能够代替DC线缆而被包含在磁共振设备中。为了保持电池/电容器充电,由发射线圈所生成的RF能量能够由在与磁共振信号相同共振频率处操作的拾取线圈拾取。RF能量还被整流以提供针对电池/电容器充电的必要的功率。这样的无线功率方案将导致归因于拾取线圈干扰的B1场不均匀性。作为B1场不均匀性的结果,图像质量将劣化。

在M.J.Riffe等人在proceedings of the international society for magnetic resonance in medicine,ISMRM,2007年5月5日,第3273页上的期刊文章“Power scavenging circuit for wireless DC power”中找到了另一无线功率方案。在该无线功率方案中,通过将功率清除电路感应地耦合到接收器线圈的去谐电路来捕获通常将耗散在去谐网络中的RF功率。然而,接收器线圈将面临不适当的去谐的风险。由Biber Stephan等人的US 2012/313645 A1提供了一种用于感应地接收来自随时间变化的磁场的能量的能量接收天线。由Okamoto Kazuya的US 2014/218035 A1公开了一种通过磁耦合的共振类型无线功率传送将电功率无线地发射给RF线圈设备的功率发射单元。然而,这些无线功率传输单元将增加系统复杂度和成本。



技术实现要素:

本发明的目标是提供一种用于磁共振设备的、在不损失图像质量的情况下的简单并且低成本的无线功率方案。

该目标通过根据权利要求1的磁共振设备实现。

该目标还通过根据权利要求9的方法实现。

该目标还通过根据权利要求14的磁共振设备实现。

本发明的实施例提供了在独立权利要求中的磁共振设备及其方法。在从属权利要求中给出了本发明的实施例。本发明的实施例在磁共振设备的发射相位期间从RF接收器收获能量,并且贯穿磁共振检查利用所收获的能量对所述RF接收器供电,使得常规的笨重且昂贵的DC线缆能够从磁共振设备消除。通过仔细地选择在能量收获期间流动通过RF接收器的收获电流,能够在系统安全、图像质量与能量收获之间实现平衡。亦即,所述收获电流被设定为足够高以收获足够的能量来对RF接收器供电,并且同时被设定为足够低以将RF接收器保持在非共振模式中,从而避免对电路部件的任何损害并且对图像质量带来微不足道的影响。因此,所述能量收获电路提供了一种用于无线磁共振设备的、在不使图像质量劣化的情况下的简单且低成本的功率方案。

本发明的实施例提供了一种磁共振设备。所述磁共振设备包括接收天线、去谐电路和能量收获电路。所述去谐电路被耦合到接收天线,用于在共振模式与非共振模式之间切换所述接收天线。所述共振模式中的所述接收天线接收磁共振检查的磁共振信号。所述能量收获电路被耦合到所述去谐电路,用于感生流动通过非共振模式中的接收天线的收获电流,以从所述接收天线收获电能。有利地,利用这种简单且低成本的功率方案,能够从所述磁共振设备消除常规的笨重且昂贵的DC线缆。

根据本发明的实施例,通过能量收获电路的输入阻抗Zin来确定收获电路的水平。有利地,能够根据能量收获电路的输入阻抗Zin仔细地选择收获电流的水平,以实现系统安全、图像质量与能量收获之间的平衡。

根据本发明的实施例,所述能量收获电路还包括具有阻抗Zrec的整流器以及用于将整流器阻抗Zrec传送给输入阻抗Zin的阻抗匹配电路。有利地,利用所述阻抗匹配电路,任意整流器阻抗Zrec能够被转变为根据期望的收获电流预定的输入阻抗Zin,使得确保能够实现系统安全、图像质量与能量收获之间的平衡。因此,改进了系统灵活性。

根据本发明的一个实施例,所述阻抗匹配电路包括变压器。有利地,通过调节变压器的初级绕组与次级绕组之间的调谐比率n,能够调节所感生的收获电流以实现所述平衡。

根据本发明的一个实施例,所述阻抗匹配电路包括K级传输线。有利地,通过调节所述级K,能够调节所感生的收获电流以实现所述平衡。

根据本发明的一个实施例,所述阻抗匹配电路包括分立部件变压器网络,其包括电感器和电容器。

根据本发明的一个实施例,所述能量收获电路还包括能再充电电源,所述能再充电电源被耦合到所述能量收获电路以用于由所收获的电能充电。有利地,所收获的能量能够被存储在所述能再充电电源中,以将稳定的DC功率提供给RF接收器。

根据本发明的一个实施例,所述接收天线包括第一电容器,并且所述去谐电路与所述第一电容器并联耦合,并且所述能量收获电路与所述去谐电路并联耦合。

本发明的实施例提供了一种能量收获方法。所述方法包括如下步骤:在共振模式与非共振模式之间切换接收天线;在所述共振模式中通过所述接收天线接收磁共振检查的磁共振信号;通过能量收获电路感生流动通过所述非共振模式中的所述接收天线的收获电流;从所述收获电流流动通过的所述接收天线收获电能。

根据本发明的一个实施例,所述方法还包括选择所述收获电流的水平以实现能接受的最大水平,其确保收获足够的电能并且同时将所述接收天线保持在所述非共振模式中。

根据本发明的一个实施例,所述方法还包括通过具有整流器阻抗Zrec的整流器对所收获的电能进行整流,并且将所述整流器阻抗Zrec传送给所述输入阻抗Zin。

根据本发明的一个实施例,所述方法还包括利用所收获的电能对能再充电电源进行充电。

本发明的实施例提供了一种磁共振设备。所述磁共振设备包括:主磁体,其用于生成所述检查区内的主磁场;射频发射器单元,其用于在所述磁共振设备的发射阶段中在所述检查区中发射射频脉冲;射频接收器单元,其包括接收天线和无线收发器;能量收获电路,其被耦合到所述射频接收器单元;以及能再充电电源,其被耦合到所述能量收获电路以用于由所收获的电能充电,从而对所述射频接收器单元供电。所述接收天线在所述磁共振设备的接收器阶段中接收所述磁共振检查的磁共振信号,所述无线收发器从所述接收天线接收所述磁共振信号并且将所接收的磁共振信号无线地发射给远离所述检查区的收发器单元,并且所述能量收获电路感生流动通过所述接收天线的收获电流,以在所述磁共振设备的发射阶段中从所述接收天线收获电能。

根据本发明的一个实施例,所述能量收获电路还包括:整流器,其具有整流器阻抗Zrec;以及阻抗匹配电路,其用于将所述整流器阻抗Zrec传送给所述能量收获电路的输入阻抗Zin。所述输入阻抗Zin确定所感生的收获电流的水平。

根据本发明的一个实施例,所述阻抗匹配电路包括变压器。

本发明的这些和其他方面将从在下文中所描述的实施例而显而易见并且参考在下文中所描述的实施例得以阐述。

附图说明

本发明的以上和其他目标和特征将从结合附图考虑的如下详细描述变得更清楚,在附图中:

图1图示了根据本发明的一个实施例的磁共振扫描器100的框图。

图2图示了根据本发明的一个实施例的用于磁共振扫描器100的能量收获装置200的框图。

图3图示了根据本发明的一个实施例的用于接收信道的能量收获装置300的示意图。

图4图示了根据本发明的另一实施例的用于接收信道的能量收获装置400的示意图。

图5图示了根据本发明的又一实施例的用于接收信道的能量收获装置500的示意图。

图6图示了根据本发明的一个实施例的用于收获能量的方法的流程图600。

贯穿所述附图,相同的附图标记被用于表示相同的部分。

具体实施方式

下文结合附图给出了对本发明的详细描述。

图1图示了根据本发明的一个实施例的磁共振扫描器100的框图。磁共振扫描器100包括:主磁体102,其用于生成通过检查区104的主磁场;以及梯度线圈106、108和110的三个集合,其用于通常沿着三个正交方向跨检查区104叠加磁场梯度或梯度脉冲。梯度线圈106、108和110的三个集合由梯度放大器112驱动。在一个实施例中,主磁场102包括超导磁体。备选地,主磁场102包括主磁体线圈的集合。磁共振扫描器110还包括用于生成RF脉冲的射频(RF)发射器114以及增加RF脉冲的功率的RF放大器116。由所述RF放大器116放大的RF脉冲被发射到放置在检查区104中的身体118。还提供了RF接收器120,其包括接收线圈单元122和无线收发器124。接收线圈单元122从检查区104接收磁共振信号。所接收的磁共振信号被转变为数字信号并且通过无线收发器124无线地发射给远离检查区的收发器单元126。为了针对RF接收器120提供电功率,磁共振扫描100还包括能量收获电路128以及能再充电电源130。能量收获电路128被耦合到接收线圈单元122以从接收线圈单元122收获电功率。诸如能再充电电池或电容器的能再充电电源130由所收获的电功率充电,以对RF接收器120中的接收线圈单元122和无线收发器124供电。

为了实施磁共振检查的所选择的磁共振序列,磁共振扫描器100还包括用于提供适当的控制信号的系统控制器132。更具体地,控制信号控制由RF发射器114生成的RF脉冲的序列、由梯度放大器112驱动的梯度脉冲的强度以及磁共振扫描器100的操作阶段。在磁共振扫描器100的发射阶段中,RF发射器114被指令为将RF脉冲发射到检查区104中,并且RF接收器120被去谐。能量收获电路128感生流动通过接收线圈单元122的收获电流以在磁共振扫描器100的发射阶段中从RF接收器120收获电功率。所收获的电功率被存储在能再充电电源130中以用于对RF接收器120连续地供电。在磁共振扫描器100的接收器阶段中,RF发射器114被指令为停止到检查区104中的RF脉冲传输,并且RF接收器120被调谐以接收磁共振检查的磁共振信号。

参考图1的实施例,为了确定磁共振扫描器100的操作阶段,控制系统132将调谐-去谐控制信号提示给收发器单元126,其还将调谐-去谐控制信号无线地传递给RF接收器120中的无线收发器124。一旦接收到调谐-去谐控制信号,则接收线圈单元122相应地被调谐到用于磁共振信号探测的共振模式或者被去谐到用于能量收获的非共振模式。备选地,通过接线(未示出)发射由系统控制器132提示的控制信号。例如,系统控制器132通过接线被耦合到RF接收器120中的接收线圈单元122,以传递调谐-去谐控制信号。

有利地,通过在磁共振扫描器100的发射阶段期间从RF接收器120收获能量并且贯穿磁共振检查对RF接收器120供电,能够从磁共振扫描器100消除常规笨重且昂贵的DC线缆。

图2图示了根据本发明的一个实施例的用于磁共振扫描器100的能量收获装置200的框图。在图2的实施例中,接收线圈组件122还包括一个或多个接收天线202-1到202-N、一个或多个去谐电路204-1到204-N以及一个或多个前置放大器206-1到206-N,以制定N个接收信道,其中,N是等于或大于1的整数。还提供了能量收获电路128,其包括M个能量收获单元208-1到208-M,其中,M是等于或小于N的整数。每个能量收获单元被耦合到对应的接收信道以收获电功率。

以包括接收天线202-1、去谐电路204-1和前置放大器206-1的N个接收信道之一为例,在磁共振扫描器100的接收器阶段中,接收天线202-1由去谐电路204-1调谐以接收磁共振检查的磁共振信号,并且所接收的磁共振信号在被发送给无线收发器124之前还由前置放大器206-1放大。在磁共振扫描器100的发射阶段中,接收天线202-1由去谐电路204-1去谐。在该情况下,对应的能量收获单元208-1将感生流动通过接收天线202-1的能量收获电流,以收获期望的电功率。以类似的方式,其他接收信道被调谐为在磁共振扫描器100的接收器阶段中接收磁共振检查的磁共振信号,并且被去谐以在对应的能量收获单元耦合到其的情况下提供电功率。应当注意到,能量收获单元的数量M由最小电功率需求确定,以用于贯穿磁共振检查对RF接收器120连续地供电。利用更多的能量收获单元,能够从在磁共振扫描器100的发射阶段中操作的RF接收器单元120收获更多的电功率,以满足电功率需求。能量收获单元208-1到208-M还被串联耦合以对能再充电电源130充电。如此,能再充电电源130能够提供稳定的DC功率以激励RF接收器120中的一个或多个部件,诸如无线收发器124、前置放大器206-1到206-N以及去谐电路204-1到204-N。

在图2的实施例中,每个接收信道包括个体的前置放大器。备选地,多个接收信道能够共享共同的前置放大器以降低系统成本。类似地,收发器单元124能够被多个接收信道共享,如在图2中所图示的。备选地,能够采用多个收发器单元,所述多个收发器单元中的每个收发器单元被耦合到对应的接收信道。本领域的技术人员应当认识到,用于磁共振扫描器100的能量收获装置200能够具有适于各种系统设计考虑(诸如较低的成本、简化的复杂度等)的各种配置。应当预期到,本发明被解释为包括所有这样的修改和替换,只要其落在随附的权利要求或其等同物的范围内。

图3图示了根据本发明的一个实施例的接收信道的能量收获装置300的示意图。参考图2和图3,能量收获装置300包括前置放大器206-1、接收天线202-1、去谐电路204-1以及能量收获单元208-1。在图3的实施例中,接收天线202-1包括四个电容器302、304、306和308,去谐电路204-1包括串联耦合的电感器310和二极管312,并且能量收获电路208-1包括阻抗匹配电路314和整流器316。去谐电路204-1与接收天线回路中的电容器(例如,电容器308,如在图3中所示)并联耦合。阻抗匹配电路314与去谐电路204-1并联耦合。

如参考图2所提到的,在磁共振扫描器100的发射阶段中,接收天线202-1由去谐电路204-1去谐。最后,二极管312被接通,使得电感器310将以并联共振的方式与电容器308一起共振以形成开路,其因此通过阻止电流通过其而对接收天线202-1进行去谐。利用能量收获单元208-1的引入,所感生的电流被允许流动通过接收天线202-1,并且通过阻抗匹配电路314输出来自接收天线202-1的电功率。所感生的收获电流的水平被仔细地选择为实现能接受的最大水平,其确保足够的电功率被收获以激励RF接收器120并且同时将接收天线202-1保持在非共振状态中,以避免对电路部件的任何损害并且对图像质量带来微不足道的影响。通过可与开路相比较的能量收获单元208-1的输入阻抗Zin来确定所感生的收获电流的水平。在图3的实施例中,阻抗匹配电路314由变压器318实现,因此,在图3中的能量收获单元208-1的输入阻抗由等式(1)给出,

Zin=n2*Zrec (1),

其中,n表示变压器318的初级绕组320与次级绕组322之间的调谐比率,并且Zrec表示整流器316的动态输入阻抗。从等式(1)看到,变压器318将输入阻抗Zrec转变到适当的输入阻抗Zin,以实现磁共振检查的图像质量与所收获的电功率之间的平衡。换言之,所感生的收获电流的水平能够通过增加能量收获电路的输入阻抗Zin来减小,以改进磁共振检查的图像质量,并且所感生的收获电流的水平能够通过减小能量收获电路的输入阻抗Zin来增加,以增加所收获的电功率。在图3的实施例中,通过仔细地选择变压器318的调谐比率n来实现适当的输入阻抗Zin。

在图3的实施例中,去谐电路204-1示范性地被设计为包括串联耦合的电感器310和二极管312。本领域的技术人员应当认识到,去谐电路208-1能够具有各种配置,只要能够实现将接收天线202-1去谐或调谐以在非共振模式与共振模式之间对其进行切换的基本功能。出于清晰和简明的目的,在本文中将不描述去谐电路208-1的各种其他布置。

图4图示了根据本发明的另一实施例的用于接收信道的能量收获装置400的示意图。如在图4中所图示的,通过多级四分之一波长传输线402-1到402-K来实现阻抗匹配电路,其中,K是等于或大于1的整数。当K是奇整数时,在图4中的能量收获单元208-1的输入阻抗由等式(2)给出,Zin=(Zck2*Zck-22*……*Zc32*Zc12)/(Zck-12*Zck-32*……*Zc22*Zrec) (2),其中,Zc1到Zck表示对应的传输线402-1到402-K的特性阻抗。当K是偶整数时,在图4中的能量收获单元208-1的输入阻抗由等式(3)给出,Zin=(Zck2*Zck-22*……*Zc42*Zc22*Zrec)/(Zck-12*Zck-32*……*Zc32*Zc12)(3)。

图5图示了根据本发明的又一实施例的用于接收信道的能量收获装置500的示意图。如在图5中所图示的,通过包括电感器504以及电容器506和508的分立部件变压器网络502来实现阻抗匹配电路314。分立部件变压器网络502是具有长度θ和特性阻抗Z的四分之一波长传输线的等效电路,只要满足如下等式(4)和(5)。

其中,L是电感器504的电感,C是电容器506和508的电容,ω是工作频率的角频率。对于磁体共振应用而言,ω接近患者104的拉莫尔(Larmor)频率。

图6图示了根据本发明的一个实施例的用于收获能量的方法的流程图600。组合图1到图3描述了图6。在步骤602处,在共振模式与非共振模式之间切换接收天线。如参考图2所图示的,接收天线202-1在磁共振扫描器100的发射阶段中被切换到非共振模式,并且在磁共振扫描器100的接收器阶段中被切换到共振模式。在步骤604处,共振模式中的接收天线202-1接收磁共振检查的磁共振信号。在步骤606处,能量收获电路208-1感生流动通过非共振模式中的接收天线202-1的收获电流。在步骤608处,从收获电流流动通过的接收天线202-1收获电功率。

已参考优选的实施例描述了本发明。他人在阅读并且理解前述详细说明之后可以进行修改和变型。本发明旨在被理解为包括所有这样的修改和变型,只要其落入权利要求或其等价方案的范围之内。在权利要求中,放置在圆括号之间的任何参考标记不应解释为对权利要求的限制。词语“包括”不排除权利要求中所列出的那些之外的元件或步骤的存在。这元件前面的词语“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。可以借助于包括若干不同元件的硬件和借助于适合地编程的计算机实现所公开的方法。在枚举若干装置的系统权利要求中,可以通过计算机可读软件或硬件的同一个项目实现这些装置中的若干装置。互不相同的从属权利要求中记载了特定措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些这些措施的组合。

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