专利名称：用于消除谐振线圈组中的互感效应的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于消除磁线圈中的且特别是适用于NMR或MRI系统的磁线圈中的互感耦合的方法和装置。
在磁共振(NMR)和磁共振成像(MIR)方面的很多应用场合中，都使用两个或多个线圈以便接收和/或发射RF信号或脉冲。在这种场合中，需要具有两个去磁耦合的线圈，以便在一个线圈上的发射或接收不影响第二个线圈上的发射和接收。处理该线圈设计问题的传统方式是使两个线圈几何上要正交。最近的一种进展是使两个同轴的线圈的磁场方向正交，通过使该同轴的成对线圈中的内部有源地(actively)进行磁屏蔽，在(J Magn Reson66，573-576(1986)上，P Mansfield和B Chapman的“在NMR成像用的梯度线圈的有源磁屏蔽”)；在(J Phys E19，540-545(1986)上，P Mansfield和B Chapman的“用于在NMR成像中产生稳态和与时间相关的磁场的线圈的有源磁屏蔽”)；以及在(J.Magn Reson72，211-233(1987)上，P Mansfield和BChapman的”在NMR中的线圈结构的多重屏蔽方式的有效磁屏蔽”)。然而，无论利用磁正交性还是几何正交性，实际上，由一个线圈到另一个线圈的剩余漏磁还是会产生互感，虽然很小，但还是可能产生不良影响。例如，如果将两个线圈调谐到一共同的谐振频率，两个线圈间的剩余磁道的相互耦合将使该对线圈的谐振频率分开。当需要两个线圈从相同的信号源同时接收信号时，这种影响就特别有害(在MAGMA2，391-392(1994)上，P Mansfield，AFreeman和R BowteU的“RF线圈设计的有源屏蔽”)。理论上在具有零互感的两个或更多个线圈上由同一信号源的信号接收，是指可以独立地接收、放大和求和，以便提高信噪比(S/R)。对于一精心设计的系统，通过将在线圈级将各信号求和以形成具有改善的S/R的单一信号，然后在单一通道的放大器中进行放大，从而可以省去对来自每个线圈的单个信号的放大。只有当两个或更多个RF信号的相对相位是2πn(其中n＝0，1，2，…)时，这种配置才是可能的。
本发明的目的是提供一种能消除在包含两个或更多个分立的可调谐线圈的线圈组件中的互感效应的方法。该方法利用无源的电子元件来实现所需的去耦合，且当一个或更多个线圈调谐到一个共同的频率时工作良好。
本发明提供一种用于消除谐振线圈组件中的互感影响的方法，在该组件中多个线圈充分接近，在各线圈之间产生很小的互感，该方法包含利用电路的各相关部分的T形、星形或其它的变换电路来评估互感，从而彼此按照这样一种方式来隔离互感，即可将串联电容引入使在共同频率下的互感解除(tune out)，因此将线圈排列阵列简化为一同步调谐的回路。
本发明还提供一种能消除在各线圈组件中的互感效应的方法，该组件包含三或更多个线圈，其中对于一非对称的线圈配置，将至少两个不等电容的元件连接到相应的线圈上。对于两个或更多个线圈，该方法还包含步骤对由线圈接收的各信号独立地和可供选择地放大、对该各信号进行相位补偿以及将各信号求和。
本发明还提供一种包含两个或更多个线圈的线圈系统，每个线圈的输出都被调谐到相同的工作频率，各线圈位置充分接近，在各线圈之间产生小的互感耦合，并且还包括针对互感的相串联的电容元件，并按适当方式引入以便将在工作频率下的各线圈之间的相互耦合解除。
最好在两线圈排列阵列中，使互感解除的电容元件连接在每个线圈的一端和处于地电位的返回电流/电压线之间。
最好在一种对称谐振的三线圈阵列中，使互感解除的单一电容元件连接在每个线圈的一端和返回电流/电压线之间。
最好在三个或更多个非对称的线圈系统中，至少两个不等值的电容元件连接到相应的线圈上。
对于两个或更多个线圈的线圈系统最好还包含一用于独立地和可供选择地对由线圈接收的信号放大的电子装置；用于对该信号相位补偿的装置以及用于对各信号求和的装置。
在一优选实施例中，该线圈系统设有一用于减少各线圈间相互耦合的装置以及一保证基本上消除各线圈间剩余磁耦合的电容元件。
在第一系统中，用于降低相互耦合的装置包含有源的磁屏蔽，以使各线圈磁场方向正交。
在第二系统中，用于降低相互耦合的装置包含一种配置，其中的各线圈几何上是正交的。
本发明还提供一种线圈系统，其包含花瓣式配置的各线圈，其中的一种配置方式是包含三组线圈簇的花瓣式配置，每簇包含3个线圈。在另一种花瓣式配置中，7个线圈形成为一平面六角形阵列，第7个线圈处在阵列的中心。
下面参照附图以举例的方式介绍本发明的各实施例，其中
图1是一示意图，表示电感分别为L1和L2载有电流i1和i2的两个线圈之间的相互耦合(互感)M，每个线圈分别以驱动电压V1和V2(按共同的频率)驱动；图2表示对于图1中的线圈配置的T形等效电路；图3表示在图2中所示的电路的互感支臂中具有一附加电容C，该附加电容C使M能解除，由此，使点P有效地处于地电位，应指出，对于如在图2所示的相同驱动电压，回路电流变为i1′、i2′和i′，图4表示图3的等效电路图，表示电感为L′1和L′2的线圈的配置以及在该配置接线中电容C的位置；图5表示具有3个线圈的电路，线圈的电感为L1、L2和L3，互耦(感)为M12、M23和M31，以及其中以驱动电压V1、V2和V3使三线圈通过电流i1、i2和i3。对于具有公共互感M的对称配置，可以接入一有效地消除互感M的电容C；图6是图5的等效分支电路，其对称配置中示有该调谐电容；图7是表示非对称配置的3线圈的示意图；图8表示一等效于图7的等效分支电路，不过有一附加电容C1和C2，以使剩余互感ΔM和M2解除。应注意，带蔽号的符号表示与图7中的对应量稍微不同的电流值；图9是以断面图表示的线圈配置的示意图，它包含一被有源屏蔽的一次线圈、一法拉弟屏蔽器以及与一次线圈同轴但磁场方向上与一次线圈正交的二次线圈。这一电路对应于图10中的部分AE-BE。还表示了输出信号点V′1和V′2以及探寻线圈输入端Vs；图10是关于图9中的磁场方向正交的一对线圈的测试电路配置的示意图。在这一图中，表示关于具有线圈品质因数分别为Q2和Q1的经磁屏蔽的一次和二次RF线圈的调谐和适配结构，环绕一次线圈的虚线表示是经磁屏蔽的，因此使经屏蔽的一次和二线圈之间的互感ΔM≈O，在图12中表示点AE和BE之间的线圈组件的等效电路图；图11是表示当一次和二次线圈之间的互耦呈现数值K＝0.05时，对图10中的电路的模拟响应的曲线。在这种配置中，可以观察到在分别标以A和B的一次输出和二次输出侧出现0.35MHz的谐振频率分离。在该实施例中指定的中心频率为8.0MHz；图12表示在图10中标以AE和BE部分的经屏蔽的一次和二次部分的等效电路图。由L′1＝L1-ΔM以及L′2＝L2-ΔM给出新的电感。附加另一些元件，例如C是与ΔM谐振的串联调谐电容器。虽然有一法拉弟屏蔽器为有效地克服在一次屏蔽器件和二次线圈之间杂散电容Cs的影响，但再附加一个电感Ls构成另一种配置，以解除在桥式T形配置中Cs的影响；图13表示当如在图12中所示解除了剩余互感的影响时，在图10中的电路的一次和二次端口测量的输出电压。在这些测量中桥式T形电感Ls不是必需的。在这种配置中，通过向探寻线圈施加1.0V的信号来模拟NMR信号。利用以8.0MHz为中心的网络分析器得到电路的响应特性；图14是一示意图，示有每组包含3个表面式线圈的三组线圈，电感为L1、L2、L3，组内互耦为M，组间互耦为M′；图15表示一组三个表面式线圈，构成为相等的120°扇形的形式，它们的磁作用所等效的单一线圈具有论证安培电路理论所相等的总面积；图16是对于图14中的9个线圈的等效电路，这些线圈按对称方式设置在一起，需要调谐电容C、C′以便解除剩余互感M、M′；图17是花瓣式表面线圈阵列，包含7个线圈以形成六角形线圈配置并具有一个中心线圈。图上还示有所有的互感耦合。M代表邻近互感，M′代表次邻近互感，M″代表更次邻近的互感。在图上这些互感分别用虚直线、细直线以及虚曲线来表示；以及图18是关于图17中的7线圈配置的等效电路图。倘若M、M-M′以及M-M″分别由电容C、C′和C″而解除，则所有7个线圈成为完全去耦的，故使得通过使所有输出调谐到一共同的频率或同步模式，可以将4个独立的输出求和，以提供单一的同步输出响应。此外，附加一相位均衡器，以确保所有的输出能正确地求和。
下面参照附图，分析在图1中所表示的电感为L1、L2互耦感为M的两个线圈。在图1和其它图上的调谐电容CTN或CTN，M是接入所有信号输出端口的RF调谐电容，以使各种不同的(线圈)阵列进入同步调谐模式。根据公知的原理—例如参阅图10，需要在线圈输出端口的RF信号与所连接的电缆特性进行阻抗匹配。
我们考虑将角频率为ω的交流电压V1、V2施加到每个电路上在每个电感中产生电流i1和i2的情况。方程(1)和(2)表示了两个电感元件之间的耦合关系。
V1＝jωi1L1+jωi2M(1)V2＝jωi1M+jωi2L2(2)按照一公共电流i＝i1+i2，可以对上式改写，得到V1＝jωi1(L-M)+jωiM (3)V2＝jωiM+jωi2(L2-M) (4)在图2中表示与方程(3)-(4)相对应的T形等效电路。通过利用电容C进行解除即令ω2＝1/MC，可以有效地在中央支路中消除互耦M。这种配置表示在图3。当互感被解除时，点P就有效地处于地电位E。图3可以重画作为如图4中所示的实际电路，不过现在为完全去耦合的有效电感L′1＝L1-M以及L′2＝L2＝M。
如果M＜＜L1、L2，则每个电感元件的电感基本上是不变的。在几何上正交的线圈中可以使形成的互感M很小。也可以在磁场方向正交的线圈中使互感形成得很小。
下面我们考虑3个电感为L1、L2和L3，互感为M12、M23和M31的3个线圈的情况。图5中表示线圈配置。通过使M12＝M21等互易，使3个线圈互耦的方程组如下V1＝jωi1L1+jωi2M12+jωi3M31(5)V2＝jωi1M12+jωi2L2+jωi3M23(6)V3＝jωi1M31+jωi2M23+jωi3L3(7)其中V1、i1等是每一电感中的电压和电流。设线圈配置是对称的，从而使M12＝M23＝M31＝M且L1＝L2＝L3。通过引入公共电流i＝i1+i2+i3，可以将方程(5)、(6)和(7)重写，在这种情况下我们可列出V1＝jωi1(L1-M)+jωiM(8)V2＝jωi2(L2-M)+jωiM(9)
V3＝jωi3(L3-M)+jωiM(10)在图6表示对于方程(8)-(10)的等效电路，其具有一使互感解除的附加电容C。当ω2＝1/MC时，像与两线圈的情况一样，点P实际上接地，在这种情况下，所有三个线圈被去磁耦合。如果M＜＜L1、L2、L3，则该阵列的三个线圈可以彼此独立地接收信号。因此，这种配置在表面式线圈设计中会很有用，其中可以独立地接收3个独立的信号V1、V2、V3，倘若对于每个线圈的噪声是不相关的，则适当地调节相位，然后求和，可提高信噪比(S/N)。当互感被有效地消除时就会出现这种情况。
假如三个线圈是不对称的，如图7所示，仍可得到去耦合的等效电路。在这种情况下，我们将线圈电感L1、L2和L3取为不相等。起初，我们还假设M12、M23和M31是全部不相同的。这意味着，没有单一的同时与所有3个线圈电感调谐的调谐电容器。为了简化问题，我们分析当一对互感相等时的情况。在这种情况下，电路可以简化。令M12＝M23＝M1，以及M31＝M2。我们还取当M2小于M1，并令M2-M1＝ΔM。在这些条件下联立方程如下V1＝jωi1L1+jωi2M1+jωi3M2(11)V2＝jωi1M1+jωi2L2+jωi3M1(12)V3＝jωi1M2+jωi2M1+jωi3M3(13)通过引入上述限定条件，可以将方程(11)-(13)简化为V1＝jωi1L1+jωi2(M2-ΔM)+jωi3M2(14)V2＝jωi1(M2-ΔM)+jωi2L2+jωi3(M2-ΔM)(15)V3＝jωi1M2+jωi2(M2-ΔM)+jωi3L3(16)通过重新组合方程(14)-(16)，我们得到V1＝jωi1(L1-M2)-jωi2ΔM+jωiM2(17)V2＝-jωi1ΔM+jωi2(L2-M2)+jωiM2-jωi3ΔM (18)V3＝Jωi2ΔM+jωiM2+jωi3(L3-M2) (19)其中我们引入一公用电流i＝i1+i2+i3。方程(17)-(19)的形式表明没有单一的能够同时调谐所有互感的电容。因此，方程(17)-(19)的等效电路表示在图8中。在图8中的示意表示的配置中需要接入两个调谐电容，以便同时除去所有的互感影响。对于本领域的技术人员来说，很明显，上述概念可以扩展到更多的回路或其它几何形状。
有几种可能的应用场合，其中可有利地除去一对线圈之间的相互耦合。在所有配置中，需要具有与固有的线圈电感相比较小的互感，以便更充分地获益。一种情况是两个线圈磁场方向是正交的。这样一种配置自然消除了两个线圈之间的相互耦合，并且众所公知地存在残余的相互耦合并可能损害一对线圈的综合的电响应。例如，如果残余的互耦(感)ΔM不为零，则会形成两个线圈的频率响应的谐振频率分开。这种分开由下式限定Δω=Kω0/((1-K2)(20)其中耦合系数K由下式确定ΔM=KL1L2----(21)]]>以及L1，L2是两个线圈各自的电感。通过按照前述的方式解除ΔM，可以将互感的影响降低到零。那么这会有效地使两个线圈同步地调谐，从而提供单一的不分开的频率响应。相同的概念适用于磁场方向正交的一对线圈的情况。通过利用一有源的屏蔽线圈ASC以及在第一经磁屏蔽的线圈范围上卷绕第二线圈S1，从而即使利用一对几何同轴的线圈，也能实现上述这样一种配置。这种配置表示在图9中。一次Pl和二次Sl线圈之间的残余的互感ΔM可以形成得很小，但严格地讲绝不会为零，从而在利用前述解除互感的原理时会获益。
对于设计用于磁共振成像的表面式线圈存在包含3个或更多个线圈的各种应用(在JPhysD21，1643-1644(1988)上，PMansfield的“花瓣式谐振器对用于NMR成像和频谱学的表面式线圈设计的新方案”)；(在Proc SMRM 7thAn Meeting，Works in progreess，p156(1988)上，P Mailsfield和R Coxon的“花瓣式谐振器对于表面式线圈设计的新方案-实验结果”)。在表面式线圈设计中，其目的是利用一组较小的线圈来替换一个在一目标表面上的大的接收器线圈。这样一种配置的原理是，当表面式线圈半径减小时，通过表面线圈与病人的磁耦合而产生的有效的噪声电阻降低。这意味着，在利用提供的一组较小的环路替代单一的大的环路可以是有益的，即来自各较小的环路的信号可以彼此独立地接收。这意味着，必须使各较小的环路之间的相互耦合实际上为零。即使替换用的各较小的环路的总面积小于该单一环路的总面积，也在别处已表明可能存在S/R方面的优点(在J Phys D 21,1643-1644(1988)上，P Mansfield的“花瓣式谐振器对用于NMR成像和频谱的表面式线圈的一种新方案)。该等效的表面式线圈阵列称为花瓣式阵列，并且在该所述著作中，未介绍对于按花瓣排列的电路的去耦合的适当方法。各花瓣之间的残余的相互耦合限制了这样一种配置的效能。通过利用上述消除方法，下面可以设计表面式线圈排列阵列，其中各分立的线圈是完全去耦合的。
图10表示对于同步调谐到8.0MHz的两个线圈磁场方向正交配置的测试电路示意图。探寻线圈SC对L1和L2引入小的磁耦合，L1和L2之间的互耦(感)为ΔM。经过它们各自的50Ω的匹配单元M1和M2测量在输出端口V1和V2上的信号。图11表示对于残余耦合系数K＝0.05(对应于谐振频率分开0.35MHz，在图11(a)和(b)的两个端口可观察到该频率分开)的模拟的输出响应特性曲线。当电路的中央部分AE-BE由图12所示的引入电容C以便解除ΔM的等效电路所替代时，就得到如图13中表示的实验的响应特性曲线。现在，残余的频率分开被完全消除了，在两个端口产生同步调谐的输出。另外的元件附加到图12中的桥式T形配置中的AB之间，在两个线圈之间的杂散电容Cs本身可由电感Ls来解除。另一种配置方式，是引入一法拉第屏蔽器。按该同步模式，现在可以将信号V1和V2求和，以便产生一具有改善的S/N比的输出，因为这两个输出信号具有50Ω的源阻抗。
我们已经详情讨论了3个相互作用的表面式线圈的原理。下面我们分析这一原理对于每组包含3个表面式线圈的三组线圈的实例的应用情况。在图14中示意地表示了这种配置。设每组中的电感为L1、L2和L3。令所有三个线圈之间的共同的互感为M。前面我们已经分析了每个包含3个环形线圈的线圈组的情况，但作为一种替换配置方式，可以如在图15中所示将三个一组的线圈按3个120°的扇形方式构成。在这种情况下，3个线圈的总面积等于所示的一单个线圈的面积，各电感全部等于L。如果根据这些条件研究线圈配置以及如图所示通过公共电流i，则利用安培电路原理，则三个一组的配置方式在磁特性上等效于一个具有相同总面积的大线圈。这种情况使我们可以返回到图14中所示的三组方案并且援引一共同的组间(inter-group)的互感M′。
对于单独的一组，迄今我们已经阐明，由图16中的一个支路来代表该等效电路。根据前述，组内(intra-group)互感M可以通过引入电容C来解除。对于各组的输出电压，一组为V11、V12、V13，其它两组可以按相似的方式表示。通过再次援引3个电感元件耦合的原理，来自所有三组的电容可以综合到一个等效电路中，其中其间的互感M′可以利用另一电容C′来解除。
9个线圈形成的组合将产生9个单独的输出，可以将这些输出依次结合必要的相位调节，以便得到具有改善S/N比的单一输出。通过对每个线圈输出接入单独的相位移位器，可以实现相位调节。在RF应用场合，所有的输出可以单独地调谐到一共同的RF频率。通过消除所有的相互耦合，该RF响应形成一种同步模式。
通过将所有的信号提供到一适当的求和网络，可以进行所有信号的求和。可以在缓冲放大器之前或之后实现这一点。
在上述部分的关于花瓣式排列中，我们主要涉及各由3个线圈组成的簇，或者各由3簇组成的组。这种方案使我们能够根据简单的3个线圈原理来分析。
下面我们转向以六角形线圈配置并具有一中心线圈的形式所构成的更复杂的花瓣式排列。如在图17中所示，总共有7个扁平的圆环形线圈。当然，该配置方式可以扩展，其线圈形状可以不同于圆环形。在图17中，我们还标明所有的相互耦合。包括中心线圈的所有线圈的邻近相互耦合用虚直线表示且具有的互感为M。具有相等互感M′的耦合线圈1、3和5或者2、4和6用细直线来表示次邻近的相互作用。更次邻近的耦合在对角线连接的线圈1与4、2与5以及3与6之间。这些耦合利用弯虚线来表示，具有共同的互感为M″。
对于这些线圈，用7个方程来表示全部的耦合配置情况，这些方程代表如在图18中所示的等效电路。我们还分别附加电容C、C′和C″以便解除该互耦(感)M、M′-M、和M″-M。我们还附加相位移位器φ1、φ2、…φ7，以便补偿在花瓣式排列线圈之间产生的RF信号的相位变化。对于低RF频率，如果相位变化，我们预期不太大。
除了V7之外，由这一电路的各输出以成对方式V1.4、V2.5以及V3.6产生耦合。现在，所有输出可以调谐到一共同的频率或按同步模式，且不会有模式分离。可以将各输出进一步求和，以提供一种具有改进的S/N的信号。然而，与这样一种求和过程相匹配的配置，由于输出7，而是不同的。这是因为3对输出具有比单一线圈配置方式更低的输出阻抗。通常对于相等的电感和对于相对较小的互感，希望成对的线圈的输出阻抗接近单一线圈7的输出阻抗的二分之一。
权利要求
1.一种消除谐振线圈组件中的互感影响的方法，在该组件中多个线圈位置充分接近，以在各线圈之间产生小的互感，该方法包含利用电路的各相关部分的T形、星形或其它变换电路来评估各互感，以这样一种方式，即可以引入串联的电容以解除在共同频率下的互感从而来隔离各互感，由此将线圈排列阵列简化成一同步调谐的电路。
2.一种谐振线圈系统，包含两个或更多个线圈，每个线圈的输出调谐到相同的工作频率上，各线圈位置充分接近，以在各线圈之间产生小的互感耦合，并且还包含与各互感串联的电容元件，并适当接入各电容元件以解除处在工作频率下的各线圈之间的相互耦合。
3.如权利要求2所述的谐振线圈系统，包含两个线圈排列阵列，解除互感的电容元件连接在每个线圈的一端和处于地电位下的返回电流/电压线之间。
4.如权利要求2所述的谐振线圈系统，包含对称排列的3个谐振线圈阵列，其中单一的解除互感的电容元件连接在每个线圈的一端和返回电流/电压线之间。
5.如权利要求2所述的谐振线圈系统，其中在3或更多个非对称线圈排列阵列中，至少两个不等值的电容元件连接在各自相应的线圈上以便解除互感。
6.如权利要求2所述的谐振线圈系统，其中该线圈系统装有固有地降低各线圈之间相互耦合的装置，以便形成小的互感耦合，该耦合包含一残余的耦合，该电容元件保证完全消除各线圈之间的残余的耦合。
7.如权利要求6所述的谐振线圈系统，其中用于固有地降低相互耦合的装置包含一有源磁屏蔽，使得各线圈磁场方向是正交的。
8.如权利要求6所述的谐振线圈系统，其中用于固有地降低相互耦合的装置包含各线圈在几何上正交的配置。
9.如权利要求2所述的谐振线圈系统，包含花瓣式配置的各线圈，该花瓣式线圈配置包括3个由线圈簇组成的组，每簇包含3个线圈。
10.如权利要求2所述的谐振线圈系统，包含形成具有一中心线圈的六角形排列的线圈阵列的花瓣式线圈配置。
11.一种电子装置，用于独立地和可供选择地放大在各个输出端口处的由权利要求2-9中任一个权利要求所述的线圈接收的各个信号，该装置包括用于对各个信号进行相位补偿的装置，以及用于对在放大之前或之后的信号求和的装置，和用于使在线圈各端口的RF信号与所述连接的电缆特性进行阻抗匹配的装置。
全文摘要
一种用于消除谐振线圈组件中的互感效应的方法和装置,在组件中多个线圈位置充分接近,以便在各线圈之间形成小的互感,该方法包含利用电路的各相关部分的T形、星形和其它变换电路来评估各互感,由此以这样一种方式,即可引入串联电容来解除处于共同频率下的互感,从而来隔离互感,由此将线圈排列阵列简化为同步调谐的电路。
文档编号H01Q1/52GK1183143SQ9619353
公开日1998年5月27日 申请日期1996年4月26日 优先权日1995年4月28日
发明者彼得·曼斯菲尔德 申请人:彼得·曼斯菲尔德