专利名称：用于生成rf场的方法和多通道rf发射器布置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多通道RF发射器布置，其形式为，或者包括多个诸如 RF天线、天线元件、线圈或者线圈元件或者其它谐振器元件之类的RF发 射器，以生成RF场，特别是多个RF场分量，使得该RF场为复合RF场， 尤其在磁共振成像(MRI)系统中使用以激发核磁共振(NMR)，以及涉及 一种用于生成这样的RF场的方法。
此外，本发明涉及多通道RF发射系统，其包括多个RF波形发生器和 RF放大器，用于生成RF发射信号以馈送给这样的多通道RF发射器布覃， 尤其在MRI系统中作为RF励磁系统使用。
本发明也涉及MRI系统，其包括这样的多通道RF发射或者励磁系统 以及这样的多通道RF发射器布置。
背景技术：
WO 2004/061469公开了一种用于具有多个发射通道的MR设备的高 频系统和包括多个谐振器元件的RF线圈布置，其中将每一个发射通道分配 给每个谐振器元件。每个发射通道可以单独地控制，使得RF场可以在检查 体积中生成并且具有可以被灵活的和多变的预选择的场分布。
发明内容
已经揭示以上包括多个谐振器元件的RF发射器或线圈布置的缺点在 于，在需要对整个视场，也即至少基本整个检査体积进行激发的情况下， 馈送给每一个谐振器元件的所有不同发射通道的相位和振幅必须精确地和 分别地校准以生成均匀的RF激发场。
另一个缺点在于具有均匀场(无负荷情况下的均匀场，因为负荷扭曲 该场)并经常需要在很多扫描中作为参考的单通道体线圈在以上 WO2004/061469所公开的RF发射器或线圈布置中并未提供。本发明的一个目的是提供一种多通道RF发射器布置，其形式为，或者
包括多个RF天线、天线元件、线圈或者线圈元件(谐振器)以及相关方法， 通过该方法整个视场，也即全局的或者广阔的RF场的激发可以更加简单地 实施并具有更加少复杂性的校准过程。
本发明的另一个目的是提供一种多通道RF发射系统以馈送给以上的 RF发射器布置，与以上已知的多通道RF发射系统相比该RF发射系统可 以在显著降低成本下实现。
该目的通过根据权利要求1的多通道RF发射器布置，根据权利要求7 的多通道RF发射系统以及根据权利要求9的用于生成RF场的方法而解决。
根据本发明的这个解决方案在那些具有更高磁场强度MRI系统中是尤 其有益的，在该系统中所需的RF发射或激发信号的波长达到检査对象的尺 度，使得检査对象和不均匀RF激发场之内的波传播或者介电共振效应可以 发生。这些不希望的效应，以及尤其是在MRI检查期间的信号强度变化的 影响可以通过借助于根据本发明的多通道RF发射系统和多通道RF发射器 布置来发射空间上选择性的RF脉冲而以简单和划算的方式进行有效补偿。
此夕卜，可以应用RF脉冲的并行发射以及如发射感应(Transmit SENSE) (见Katscher等，"Transmit SENSE" in Magnetic Resonances in Medicine (2003)49: 144-150)和RF匀场(RF shimming)(见Ibrahim等，"Effect of RF coil excitation on field inhomogeneity at ultra high fields: a field optimized TEM resonator" in Magnetic Resonance Imaging (2001) Dec; 19(10): 1339-47) 之类的方法以便于任意形状的或者空间复杂的RF场样式的激发，并且可以 减少产生这样的RF激发场所需的时间。
从属权利要求公开了发明的有利实施例。
在MRI系统中使用相关的多通道RF发射器布置以激发核磁共振的情 况下，根据权利要求2和3的第一 RF发射器以及根据权利要求4到6的第 二RF发射器是尤其有利的。
将意识到本发明的特征易于以任何组合方式组合而不脱离由附加权利 要求所限定的本发明的范围。
从以下参考附图而给出的对本发明的优选和示例性实施例的描述，本 发明的其它细节、特征和优点将变得显而易见。
图1示出了根据本发明优选实施例的多通道RF发射器布置和多通道 RF发射系统的示意性框图2示出了具有和不具有相位需求的激发样式的期望的和获得的幅值 之间的相关性。
具体实施例方式
通常，根据本发明的多通道RF发射器布置包括至少一个第一RF发射 器，其用于在MRI系统的至少基本整个检查体积之内生成RF激发场(例 如，"全局的"或者广阔的RF场)，以在检查对象中激发核磁共振。这样的 第一RF发射器已知的形式是圆柱形线圈并尤其是体线圈(BC)，其圆柱形 地环绕或者包围该全局的或者广阔的RF场，也即检査体积。在水平MRI 系统(其在图1中示例性的示出)的情况下，这样的体线圈通常是所谓的 笼式线圈。其它体线圈是基于TEM谐振器的。在垂直MRI系统或者开放 式MRI系统的情况下，该体线圈通常以两个平面天线结构的形式提供，其 中该两个平面天线结构至少基本彼此平行地置于优选的圆柱形检查体积的 轴向末端，使得全局的或者广阔的RF场在该两个平面天线结构之间延伸。
此外，根据本发明的多通道RF发射器布置包括至少一个但优选多个的 第二 RF发射器，其置于全局的或者广阔的RF场之内以在检查体积之内(也 即，全局的或者广阔的RF场之内)生成各个局部RF激发场。局部RF激 发场可理解为在被相关的第二 RF发射器所包围的检查体积的空间或者区 域之内的RF激发场，以及在该相关第二 RF发射器外部的空间或者区域之 内的RF激发场，其中在该相关第二RF发射器外部的空间或者区域中，该 相关第二 RF发射器的RF激发场对于在检查对象中局部激发核磁共振是基 本上集中和有效的。
第二RF发射器可以以RF天线元件、线圈、线圈元件、环、TEM元件 线圈和/或分段天线元件，或者其它谐振器元件的形式提供，其优选置于第 一RF发射器(尤其是体线圈)的平面或者表面之内，或者更接近于检查对 象，也即在检査体积的更里面。此外，RF发射表面线圈，其形式例如为放置于靠近预期视场或者成像
区域的可移动线圈或者垫片或者头线圈，也可以作为第二RF发射器使用。 根据本发明的多通道RF发射系统通常包括多个RF发射通道，其数量 对应于第一和第二 RF发射器的总计数量。每个RF发射通道通常至少包括 波形发生器和功率放大器以给所连接的RF发射器馈送RP信号以激发检査 对象之内的核磁共振。
由于与上述现有技术相反的事实，即只有该至少一个第一RF发射器必 须生成至少在基本整个检查体积之内(也即，全局的或者广阔的RF场)激 发磁共振的RF场，以及提供第二RF发射器以只生成局部RF激发场，因
此只有那些与第一 RF发射器中的一个连接的RF发射通道必须是高功率RF 发射通道(例如，大约10kW)，而其它与第二 RF发射器中的一个连接的 RF发射通道可以设计为生成相应减少的或者较低的或者中档的功率(例如， 大约lkW)。由于RF放大器的价格随增长的功率非线性增加，可实现整个 RF发射系统以及相应的整体MRI系统的可观的成本降低。
借助于以上的多通道RF发射器布置与以上的多通道RF发射系统的结 合，可以通过利用各个RF发射器来并行地发射一些RF场分量以生成空间 分布以及甚至复杂的RF激发场样式(或者复合RF场)。
在并行发射中，RF激发场由一些通过各自的天线(线圈)元件发射的 (局部)RF场分量构造。复合激发场作为重叠形成，特别是这些基于天线 的空间发射轮廓的局部RF场分量的线性组合。
根据本发明的另一方面，设置局部RF场分量从而根据RF场分量构造 的RF激发场的幅值精确符合所期望的激发样式。在根据期望幅值样式迭代 解出RF场分量中，加入额外的相位，或者该迭代由正在构造的场的幅值所 驱动。
通过解决逆问题来获得额外的自由度，该自由度改善了幅值样式的精 确性和/或该逆问题的稳定。
并行发射的标准方程是 <formula>formula see original document page 7</formula>其中户des是期望的复数激发样式，&是线圈11的复数灵敏度分布，以及A是线圈n的复数激发样式。方程(1)可以通过例如在离散激发k-空间(由粗体，非斜体的字母指示)中的(规则的)伪-逆法(由+指示)被解出<formula>formula see original document page 8</formula>2)在此，P一包含了 iV个不同线圈的空间选择RF脉冲，s^,是灵敏度矩阵， 以及P^,是k-空间中的期望激发样式。对于这个发明，只对方程(1)的左 手侧的幅值感兴趣<formula>formula see original document page 8</formula>然而，方程(3)不能通过如之前的线性代数来解决，而必须应用迭代 解法。以下描述这样的迭代解法的两个不同例子。将一对不同的任意测试相位分布加于Pdes。该测试相位分布可随机计 算，或者系统地使用不同的多项式组。对于每一个测试相位，相应的A由如之前的方程(2)计算。针对相应的所计算的尸n通过经由方程(1)进行 的模拟实验而对每个测试相位进行基准。例如，Pdes的所计算的和所期望的 幅值之间的相关性可以用于这个基准。在实际试验中，使用生成最佳基准 的A。对于标准复数的情况，方程(1)可以迭代的解出，例如，经由(非线 性)共轭梯度法。在此，在每个迭代步骤中，在计算出新的一组A之前， 将所计算的尸des和期望的Pdes进行比较。这个比较通常以复数方式进行。对 于这个发明，仅比较尸^的幅值。这个方法提供了比在(i)中描述的方法 更系统的方法来优化Pdes的相位。在这些迭代的两个版本中，优选将发生的空间相位变化限制得足够小 以避免显著的体素内失相。这是容易实现的，因为相位变化的预先确定限 制被作为迭代中的约束条件。,本发明的叠加局部RF场以形成预定空间幅值样式的这一方面可以应用来縮短2D以及3DRF脉冲。本发明的这个方面也可以不用来改善激发结果，而是减小RF脉冲的平 均B,振幅，也即，发生的SAR。本发明的这个方面可以用于为了空间选择性的RF脉冲而使用并行发 射的所有应用。最突出的应用例子是B1不均匀性的补偿。RF发射器布置包括两个由已知的体线圈ll形成的第一RF发射器，以 及以小RF线圈或环12到16为形式的多个第二 RJF发射器，其中该小RP 线圈或环12到16沿着体线圈11的纵向和/或体线圈11的圆周方向分布或 分段。对于多通道发射应用，通常可以以常规正交模式使用的体线圈11优选 分别地使用它的两个模式。因此它包括第一正交端口 QP1和第二正交端口 QP2，以生成两个独立提供和激发的正交模式，从而提供两个第一RF发射 器。依照这个体线圈(笼式线圈)11的变化，为了在整个检查体积之内增 加相对于生成RP激发场样式而言的更多的自由度，可以将体线圈11本身 在它的纵向或z方向上分段。根据图1，示例性地示出五个第二 RF发射器12到16，其中三个第二 RF发射器12、 14、 15的每一个在笼式线圈11的纵向或者轴向(z方向) 上分布或者分段，并且三个第二RF发射器13、 14、 16在笼式线圈11的圆 周方向上分布或者分段。根据图1的多通道RF发射系统根据第一和第二 RF发射器的数量n包 括数量n个RF发射通道，其中每个RF发射通道至少包括RF功率放大器 21， 22， 23，…2n和波形发生器31， 32， 33，…3n。第一RF发射通道21、 31与笼式线圈11的第一正交端口 QP1连接， 并且第二 RF发射通道22、 32与笼式线圈11的第二正交端口 QP2连接， 其中其它的RF发射通道23， 33;…2n， 3n与第二 RF发射器12到16中 的每一个连接。因此，第一和第二RF发射通道21， 31; 22， 32必须是高功率通道， 同时如以上说明，其它RF发射通道23, 33;…2n， 3n是较低的(或者中 档的)功率通道。将笼式线圈11 (正交线圈)以它的两个独立模式(正交模式)使用具 有的优点是，这些模式是固有去耦的。可以通过一些已知的方法来获得第 二RF发射器12到16彼此去耦以及与第一RF发射器(笼式线圈)11的去去耦)并实现期望的所 有RF发射器的独立灵敏度。可以通过例如以下参考中公开的一种方法或者 几种方法的组合来实现第一和第二 RF发射器的去耦，以及第二 RF发射器 彼此的去耦Vemickel P， Findeklee C, Eichmann E， Gr&sslin I.: Active digital decoupling for multi-channel transmit MRI Systems. In: Proceedings of the 15th Annual Meeting of ISM腹，Berlin, Germany, 2007， p 170.Leussler Ch， Stimma J, R5schmann P.: The Bandpass Birdcage Resonator Modified as a Coil Array for Simultaneous MR Acquisition. In: Proceedings of the 5th Annual Meeting of ISMRM， Vancouver, Canada, 1997， p 176.Lee RF, Giaquinto RO， and Hardy CJ.: Coupling and Decoupling Theory and Its Application to the MRI Phased Array. In: Magn Reson Med 2002; 48:203-213.Kurpad KN， Boskamp EB， Wright SM.: A Parallel Transmit Volume Coil With Independent Control of Currents on the Array Elements. In: Proceedings of the 13th Annual Meeting of ISMRM, Miami, USA， 2005， pl3.Junge S, Seifert F， Wuebbeler Q Rinneberg H.: Current Sheet Antenna Array-a transmit/receive surface coil array for MRI at high fields. In: Proceedings of the 12th Annual Meeting of ISMRM, Kyoto, Japan, 2004, p 41.Jevtic J.: Ladder Networks for Capacitive Decoupling in Phased-Array Coils. In: Proceedings of the 9th Annual Meeting of ISMRM, Glasgow, Scotland, 2001, pl7.通过本发明，不仅可以提供简单而便宜的多通道RF发射功能，还可以 实现已安装的一通道MRI系统的简易升级，以合并该多通道RF发射功能。如上所述，所描述的多通道RF发射器布置也解决了独立发射灵敏度的 问题，其是高减少系数所必须的。RF发射通道数量的增加，例如通过将在 体线圈ll的圆周方向上的第二RF发射器13、 14、 16加倍，不会因而导致 更高的可能减少系数，因为灵敏度的相似性随着邻近RF发射器之间减小的 距离而增加。由于全局的和局部的RF激发，体线圈11和第二 RF发射器 12到16的灵敏度原则上是不同的。最后，正交体线圈ll以及它对于RF发射和接收的灵敏度可以在一些方法和过程中使用，例如在发射或者接收并行成像方法中作为参考，类似于例如上述的SENSE方法。在已知的多通道RF发射系统中，这个参考必 须人工生成，其需要额外的工作和测量时间或者可导致误差。根据本发明， 正交体线圈参考对于所有的方法和步骤都仍然是可获得的。图2示出了对于具有零相位的(粗体圆点，标准方法)和最优化的任 意相位的(三角形，本发明)激发样式的期望的和获得的幅值之间的相关 性。使用模拟了 8-通道全身系统、圆形激发样式以及螺旋形k-空间轨迹的 8个发射灵敏度。检测了直到三阶的不同多项式相位分布。对于R>2，任 意(多项式)相位分布比零相位得到显著地更好的结果。对于R=8，这两 种情况之间的相关性差别差不多是15%。虽然在图和之前的描述中已经详细地阐明和描述本发明，但是应将这 样的阐明和描述认为是说明性或示例性的而不是限制性的，并且本发明不 限于公开的实施例。对前述中描述的本发明实施例的变型是可能的，并不 脱离由所附权利要求所限定的本发明范围。本领域技术人员在实施所主张的发明时通过对图、公开内容以及附加 权利要求的研究可以理解并实现对公开实施例的变型。在权利要求中，术 语"包括"并不排除其它部件或步骤，并且不定冠词"一"或"一个"不 排除多个。单独的处理器或其它单元可实现权利要求中所列举的多个项目 的功能。在相互不同的从属权利要求中列举某些措施这一仅有事实并不表 示这些措施的结合不能被用于作为有利条件。可以将计算机程序储存/分布 于适当的介质中，例如与其它硬件一起提供或者作为其它硬件一部分的光 存储介质或固态介质，但是也可以其它形式分布，例如经由因特网或者其 它有线或者无线通讯系统。权利要求中的任何附图标
权利要求
1、一种多通道RF发射器布置，其形式为，或者包括多个RF发射器，包括至少一个第一RF发射器(11)，其用于生成全局的或者广阔的RF场；以及置于所述全局的或者广阔的RF场之内的至少一个第二RF发射器(12到16)，其用于在所述全局的或者广阔的RF场之内每个均生成局部RF场。
2、 根据权利要求1所述的多通道RF发射器布置，其中，以圆柱形线 圈或者体线圈(11)，或者两个平面天线结构的形式提供所述第一RF发射 器，其中所述两个平面天线结构彼此至少基本平行地置于圆柱形体积的轴 向末端，其中，所述全局的或者广阔的RF场分别在由所述圆柱形线圈或者 体线圈(11)包围的体积之内延伸或者在所述两个平面天线结构之间的体 积之内延伸。
3、 根据权利要求1所述的多通道RF发射器布置，其中，以正交体线 圈(11)的两个正交模式的形式提供两个第一RF发射器。
4、 根据权利要求1所述的多通道RF发射器布置，其中，以RF天线 元件、线圈、线圈元件、环、TEM元件线圈和/或分段天线元件，或者RF 谐振器元件的形式提供至少一个第二 RF发射器(12到16)。
5、 根据权利要求1所述的多通道RF发射器布置，其中，提供多个第 二RF发射器(12到16)，其被置于所述第一 RF发射器(11)的平面或者 表面之内。
6、根据权利要求1所述的多通道RF发射器布置，其中，以RF发射 表面线圈的形式或者以可移动线圈或者垫片或者头线圈的形式提供至少一 个第二RF发射器。
7、 一种多通道RF发射系统，其包括多个RF波形发生器(31， 32，… 3n)和至少一个高功率RF放大器(21， 22)和多个较低的或者中档的功率 RF放大器(23…2n)，用于生成RF发射信号以馈送给根据权利要求1所述 的多通道RF发射器布置，其中，提供所述至少一个高功率RF放大器(21， 22)以对所述至少一个第一 RF发射器(11)进行馈送，提供所述较低的或 者中档的功率RF放大器以对所述第二RF发射器(12到16)的每个进行 馈送。
8、 根据权利要求1所述的多通道RF发射器布置，将其布置为激活各 个RF发射器以产生各自的局部RF场，所述局部RF场叠加形成符合预定 空间幅值样式的复合RF场。
9、 如权利要求8所述的多通道RP发射器布置，其中，在所述预定空 间幅值样式的空间相位变化的预先确定最大梯度约束下建立所述局部RF 场以叠加出所述复合RF场。
10、 一种磁共振成像系统，包括根据权利要求1所述的多通道RF发射 器布置以及根据权利要求7或8所述的多通道RF发射系统。
11、 一种用于借助于根据权利要求1所述的多通道RF发射器布置来生 成RF场的方法，其中，并行地或者至少基本同时地执行所述全局的和局部 RF场的生成。
12、 一种计算机程序，包括计算机程序代码，当所述程序在可编程微 型计算机中运行时，所述计算机程序代码适于执行根据权利要求9所述的 方法或者适于在根据权利要求9所述的方法中使用。
全文摘要
公开了一种多通道RF发射器布置，其形式为，或者包括多个RF天线、天线元件、线圈或者线圈元件(11到16)，以生成RF场，尤其在磁共振成像(MRI)系统中使用以激发核磁共振(NMR)，并公开了一种用于生成这样的RF场的方法。此外，公开了一种多通道RF发射系统，其包括多个RF波形发生器(31，32，…3n)和RF放大器(21，22，…2n)，用于生成RF发射信号以馈送给这样的多通道RF发射器布置，尤其在MRI系统中作为RF励磁系统使用。
文档编号G01R33/32GK101675351SQ200880014574
公开日2010年3月17日 申请日期2008年4月25日 优先权日2007年5月4日
发明者P·韦尔尼科尔, U·卡切尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司