多核射频接收线圈结构、接收装置及磁共振成像设备的制作方法

1.本技术属于核磁共振成像(英语：nuclear magnetic resonance imaging，简称nmri)像技术领域，尤其涉及一种多核射频接收线圈结构、多核射频接收装置及磁共振成像设备。


背景技术：

2.目前，同时获取多种核素信号对于核磁共振定量成像具有重要意义，非h (氢)核素成像固有的低信噪比(signal-noise ratio，snr)对多核成像技术和硬件的发展提出更高的要求。在多核射频线圈的设计方案中，主要包括有单一结构以及组合结构两大类方案实现线圈的多谐振。单一结构主要是独立线圈单元实现两个或多个共振频率，通过保持不同核之间的隔离度，这种结构可以很容易地扩展到多通道阵列设计，通过在线圈的每个回路上增加频率陷波电路，使频率分裂，产生双谐振或三谐振。通过利用二极管的开关功能实现频率接近的双共振射频线圈。但由于插入陷波元件造成的损耗，导致线圈的质量和信噪比下降。
3.在基于两个或两个以上独立的物理线圈结构实现多核素谐振的方案主要包括几何解耦结构以及嵌套式组合，几何解耦可实现在两个不同空间的两个单独的线圈调整分配到每个所需的频率，其允许自由扩展原子核的选择到多个原子核，而不会损失任何所选原子核的信噪比，因为每个线圈是一个单调谐线圈。将这种多结构、单通道线圈结构扩展到多通道阵列设计是相当困难的，并且需要在测量时交换线圈。在使用嵌套线圈的设计中，处理两个线圈系统的耦合是一个主要任务，对信号的质量有重大影响。可以通过修改两个线圈之间以及一个线圈内每个通道之间的距离或安排来控制这种耦合，从而避免性能下降。然而，通过调整内外线圈之间的距离来控制耦合的能力可能会受到主体的大小和磁铁孔内可用的有限空间的限制。大多数同时进行的方案仅限于双核素采集，或者利用单独的线圈进行核素的独立成像。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种多核射频接收线圈结构、多核射频接收装置及磁共振成像设备，旨在解决已有的组合型谐振结构存在的信号质量差，体积大的问题。
5.本技术实施例的第一方面提供了一种多核射频接收线圈结构，包括：
6.第一接收线圈，用于接收第一种类的核的mr弛豫信号，所述第一接收线圈包括一电流方向交错的、位于所述第一接收线圈中部的交错中心；
7.第二接收线圈，用于接收第二种类或第三种类的核的mr弛豫信号，所述第二接收线圈和所述第一接收线圈层叠设置；
8.其中，所述交错中心位于所述第二接收线圈在所述第一接收线圈方向上的垂直投影内，以实现所述第二接收线圈产生的磁场和所述第一接收线圈产生的磁场为正交分布，使得所述第一接收线圈和所述第二接收线圈之间去耦。
9.在其中一个实施例中，所述第一接收线圈为蝶形结构，所述第二接收线圈为环形结构。
10.在其中一个实施例中，所述第一接收线圈包括呈“c”型的输入侧线段、呈“x”型的中间线段以及输出侧线段，所述输入侧线段与所述输出侧线段对称设置，所述中间线段包括交错而不连接的形成所述交错中心的第一线段和第二线段，且所述第一线段的两端分别与所述输入侧线段的第一端和所述输出侧线段的第二端连接，所述第二线段的两端分别与所述输入侧线段的第二端和所述输出侧线段的第一端连接。
11.在其中一个实施例中，所述第一接收线圈上连接有至少一个用于调谐匹配所述第一种类的核的mr弛豫信号的第一电容。
12.在其中一个实施例中，所述第二接收线圈上连接有至少一个用于调谐匹配所述第二种类的核的mr弛豫信号的第二电容，以及至少一个用于调谐匹配所述第三种类的核的mr弛豫信号的第三电容；
13.其中，通过接入或短路所述第三电容来实现第二接收线圈谐振在第二种类的核的mr弛豫信号或第三种类的核的mr弛豫信号。
14.本技术实施例的第二方面提供了一种多核射频接收装置，包括上述的多核射频接收线圈结构，所述多核射频接收装置还包括：
15.第一驱动电路，与所述第一接收线圈，用于给所述第一接收线圈提供第一驱动信号，以使所述第一接收线圈接收第一种类的核的mr弛豫信号并输出；
16.第一保护电路，与所述第一接收线圈，用于控制所述第一接收线圈在其发射线圈工作时禁止操作；
17.第二驱动电路，与所述第二接收线圈，用于给所述第二接收线圈提供第二驱动信号，以使所述第二接收线圈接收第二种类或第三种类的核的mr弛豫信号并输出；
18.第二保护电路，与所述第二接收线圈，用于控制所述第二接收线圈在其发射线圈工作时禁止操作；
19.调谐电路，与所述第二接收线圈，用于控制所述第二接收线圈在接收第二种类核的mr弛豫信号和第三种类的核的mr弛豫信号之间切换。
20.在其中一个实施例中，所述第一驱动电路包括用于接入所述第一驱动信号的第一驱动接口、第一电感器、第一二极管和第一调谐电容，所述第一二极管的正极与所述第一驱动接口的正极连接，所述第一二极管的负极与所述第一驱动接口的负极连接，所述第一调谐电容与所述第一二极管并联，且串联在所述第一接收线圈上，所述第一驱动接口的正极和/或负极串接有所述第一电感器；
21.所述第二驱动电路包括用于接入所述第二驱动信号的第二驱动接口、第二电感器、第二二极管和第二调谐电容，所述第二二极管的正极与所述第二驱动接口的正极连接，所述第二二极管的负极与所述第二驱动接口的负极连接，所述第二调谐电容与所述第二二极管并联，且串联在所述第二接收线圈上，所述第二驱动接口的正极和/或负极串接有所述第二电感器。
22.在其中一个实施例中，还包括第一输出接口、串接在所述第一接收线圈上的第三调谐电容、第二输出接口、串接在所述第二接收线圈上的第四调谐电容，所述第一输出接口的正极和负极分别连接到所述第三调谐电容的两端，所述第一输出接口用于输出所述第一
种类的核的mr弛豫信号；所述第二输出接口的正极和负极分别连接到所述第四调谐电容的两端，所述第二输出接口用于输出所述第二种类或所述第三种类的核的mr弛豫信号。
23.在其中一个实施例中，所述第一保护电路包括第三二极管、第三电感器和第一保护接口，所述第三二极管的正极与所述第一输出接口的正极连接，所述第三二极管的负极与所述第一输出接口的负极连接，所述第一保护接口的正极和/或负极串接有所述第三电感器，所述第一保护接口用于控制所述第一接收线圈在其发射线圈工作时，接入保护信号驱动所述第三二极管导通，以短路所述第一输出接口；
24.所述第二保护电路包括第四二极管、第四电感器和第二保护接口，所述第四二极管的正极与所述第二输出接口的正极连接，所述第四二极管的负极与所述第二输出接口的负极连接，所述第二保护接口的正极和/或负极串接有所述第四电感器，所述第二保护接口用于控制所述第二接收线圈在其发射线圈工作时，接入保护信号驱动所述第四二极管导通，以短路所述第二输出接口。
25.在其中一个实施例中，所述调谐电路包括调谐接口和第五调谐电容，所述第五调谐电容串接在所述第二接收线圈上，所述调谐接口的正极和负极分别连接到所述第五调谐电容的两端，所述调谐接口接入或不接入调谐信号使得短路或不短路所述第五调谐电容，以实现控制所述第二接收线圈在接收第二种类核的mr弛豫信号和第三种类的核的mr弛豫信号之间切换。
26.本技术实施例的第三方面提供了一种共振成像设备，包括上述的多核射频接收装置。
27.上述的多核射频接收线圈结构、多核射频接收装置及磁共振成像设备相对于已有的双调谐射频阵列线圈结构以及三圈独立三谐振结构相比,本技术提出支持三核素成像的射频接收线圈结构，两个独立线圈结构组合的基础上，实现三核素工作频率的自由切换，实现三核磁共振成像，体积小，利于产品小型化；另外，在具备磁场正交的结构，实现不同线圈之间的解耦，信号质量好，这种方法可以扩展到任何感兴趣的核素。
附图说明
28.图1为本技术实施例提供的多核射频接收线圈结构的结构示意图；
29.图2为本技术实施例提供的多核射频接收装置中第一接收线圈的示例电路原理图；
30.图3为本技术实施例提供的多核射频接收装置中第二接收线圈的示例电路原理图；
31.图4为本技术实施例提供的多核射频接收装置驱动电压时序表；
32.图5(a)为本技术实施例提供的多核射频接收装置中
19
f、
23
na通道工作的s11参数波形；
33.图5(b)为本技术实施例提供的多核射频接收装置中
31
p通道工作的s11 参数波形。
具体实施方式
34.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅
用以解释本技术，并不用于限定本技术。
35.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
36.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
37.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，“若干个”的含义是一个或多个，除非另有明确具体的限定。
38.图1示出了本技术实施例提供的多核射频接收线圈结构的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
39.一种多核射频接收线圈结构，包括第一接收线圈100和第二接收线圈200。第一接收线圈100用于接收第一种类的核的磁共振(magnetic resonance，mr) 弛豫信号，第一接收线圈100包括一电流方向交错的、位于第一接收线圈100 中部的交错中心101；第二接收线圈200，用于接收第二种类或第三种类的核的 mr弛豫信号，第二接收线圈200和第一接收线圈100层叠设置；其中，交错中心101位于第二接收线圈200在第一接收线圈100方向上的垂直投影内，以实现第二接收线圈200产生的磁场和第一接收线圈100产生的磁场为正交分布，使得第一接收线圈100和第二接收线圈200之间去耦。
40.两个独立的接收线圈100、200接入驱动信号td1/td2的方向不同，具体大约成正交关系，以使得两个线圈上大部分导电路径通过的电流成正交关系，因此，第一接收线圈100和第二接收线圈200所产生的磁场也就成正交分布，实现电磁解耦，提高了信噪比，以提升磁共振成像的质量。第一接收线圈100 和第二接收线圈200是层叠设置的，并且能够实现三核素成像的射频接收，相比于三圈独立三谐振结构的体积小得多，更利于产品的小型化。第一种类的核可以是
23
na，第二种类的核可以是
19
f，第三种类的核可以是
31
p，当然也可以是1h、
14
n、
13
c、
39
k、
17
o或者
129
x，用户可以根据不同核素所匹配的谐振频率对两个线圈的长度或者加入其它调谐器件调整。
41.在其中一个实施例中，第一接收线圈100为蝶形结构，第二接收线圈200 为环形结构。如图1所示，第一接收线圈100从左侧接入驱动信号td2，第二接收线圈200从上侧输入驱动信号td1，以使得同一时刻下，两个线圈的电流方向大概成正交关系。一般地，两个线圈上可以设置电容器来调谐和匹配对应的核素的mr弛豫信号的谐振频率。可选地，第二接收线圈200为矩形结构或圆形结构。
42.在其中一个实施例中，第一接收线圈100包括呈“c”型的输入侧线段102、呈“x”型的中间线段103以及输出侧线段104，输入侧线段102与输出侧线段 104对称设置，中间线段103包括交错而不连接的形成交错中心101的第一线段103a和第二线段103b，且第一线段103a的两端分别与输入侧线段102的第一端和输出侧线段104的第二端连接，第二线段103b的两端分别与输入侧线段 102的第二端和输出侧线段104的第一端连接。其中，呈“c”型的
输入侧线段 102以及与输入侧线段102对称设置的输出侧线段104的拐角可以为直角或圆角，具体不做限定。
43.可选地，第一接收线圈100上连接有至少一个用于调谐匹配第一种类的核的mr弛豫信号的第一电容。本例中，第一接收线圈100上串接有四个第一电容，分别为c1、c2、c3、c4，其中电容c1、c3串接在输入侧线段102，且位于输入侧线段102的输入口的相对两侧，电容c2、c4分别设置在输入侧线段 102的输入口和输出口，位于输入口和输出口的正负极之间。可选地，电容c1、 c2、c3、c4中至少一个是可调电容，用以调节第一接收线圈100的谐振频率。
44.在其中一个实施例中，第二接收线圈200上连接有至少一个用于调谐匹配第二种类的核的mr弛豫信号的第二电容，以及至少一个用于调谐匹配第三种类的核的mr弛豫信号的第三电容。本例中，第二接收线圈200上串接有四个第二电容，分别为c5、c6、c7、c9，其中电容c6、c9串接在第二接收线圈 200的输入口的相对两侧，电容c5、c7分别设置在第二接收线圈200的输入口和输出口，位于输入口和输出口的正负极之间。用于调谐匹配第三种类的核的mr弛豫信号的第三电容c8，具体地，通过接入或短路第三电容c8以实现第二接收线圈200谐振在第二种类的核的mr弛豫信号或第三种类的核的mr 弛豫信号。可选地，电容c5、c6、c7、c9中至少一个是可调电容，用以调节第二接收线圈200的谐振频率。
45.本技术实施例的第二方面提供了一种多核射频接收装置包括上述的多核射频接收线圈结构，多核射频接收装置还包括第一驱动电路11、第一保护电路12、第二驱动电路13、第二保护电路14和调谐电路15。
46.第一驱动电路11与第一接收线圈100，用于给第一接收线圈100提供第一驱动信号td2，以使第一接收线圈100接收第一种类的核的mr弛豫信号并输出；第一保护电路12与第一接收线圈100，用于控制第一接收线圈100在其发射线圈工作时禁止操作；第二驱动电路13与第二接收线圈200，用于给第二接收线圈200提供第二驱动信号td1，以使第二接收线圈200接收第二种类或第三种类的核的mr弛豫信号并输出；第二保护电路14与第二接收线圈200，用于控制第二接收线圈200在其发射线圈工作时禁止操作；调谐电路15与第二接收线圈200，用于控制第二接收线圈200在接收第二种类核的mr弛豫信号和第三种类的核的mr弛豫信号之间切换。
47.可以理解的是在发射线圈停止工作时才接入驱动信号td1/td2，以避免接收线圈与发射线圈同时工作，发生损害；并且，在发射线圈工作时，关闭接收线圈的输出，具体可以是直接将输出口的正负极短接。
48.在其中一个实施例中，第一驱动电路11包括用于接入第一驱动信号td2 的第一驱动接口112、第一电感器l1、第一二极管d1和第一调谐电容c2，第一二极管d1的正极与第一驱动接口112的正极连接，第一二极管d1的负极与第一驱动接口112的负极连接，第一调谐电容c2与第一二极管d1并联，且串联在第一接收线圈100上，第一驱动接口112的正极和/或负极串接有第一电感器l1；
49.第二驱动电路13包括用于接入第二驱动信号td1的第二驱动接口131、第二电感器l2、第二二极管d3和第二调谐电容c5，第二二极管d3的正极与第二驱动接口131的正极连接，第二二极管d3的负极与第二驱动接口131的负极连接，第二调谐电容c5与第二二极管d3并联，且串联在第二接收线圈 200上，第二驱动接口131的正极和/或负极串接有第二电感
器l2。可选地，第一电感器l1和第二电感器l2都可以为一个或者两个，如果为一个时，可以串接在驱动接口的正极或负极上，如果为两个时，驱动接口的正极和负极可以同时串接有电感器，起到抗干扰的输入的作用。可选地，第一驱动接口112和第二驱动接口131为同轴线接口，同轴线的内导体和外导体分别为驱动接口的正极和负极，利用同轴线传输驱动信号，有利于提高抗干扰能力，提升信号质量。
50.在其中一个实施例中，还包括第一输出接口na_rx、串接在第一接收线圈 100上的第三调谐电容c4、第二输出接口f_rx、串接在第二接收线圈200上的第四调谐电容c7，第一输出接口na_rx的正极和负极分别连接到第三调谐电容c4的两端，第一输出接口na_rx用于输出第一种类的核的mr弛豫信号；第二输出接口f_rx的正极和负极分别连接到第四调谐电容c7的两端，第二输出接口f_rx用于输出第二种类或第三种类的核的mr弛豫信号。第一输出接口na_rx和第二输出接口f_rx为同轴线接口，同轴线的内导体和外导体分别为输出接口的正极和负极，利用同轴线传输驱动信号，有利于提高抗干扰能力，提升信号质量。
51.在其中一个实施例中，第一保护电路12包括第三二极管d2、第三电感器 l3和第一保护接口121，第三二极管d2的正极与第一输出接口na_rx的正极连接，第三二极管d2的负极与第一输出接口na_rx的负极连接，第一保护接口121的正极和/或负极串接有第三电感器l3，第一保护接口121用于控制第一接收线圈100在其发射线圈工作时，接入第一保护信号tr2驱动第三二极管 d2导通，以短路第一输出接口na_rx，让第一接收线圈100关闭，以保护本身以及后级电路；
52.第二保护电路14包括第四二极管d4、第四电感器l4和第二保护接口141，第四二极管d4的正极与第二输出接口f_rx的正极连接，第四二极管d4的负极与第二输出接口f_rx的负极连接，第二保护接口141的正极和/或负极串接有第四电感器l4，第二保护接口141用于控制第二接收线圈200在其发射线圈工作时，接入第二保护信号tr1驱动第四二极管d4导通，以短路第二输出接口f_rx，让第二接收线圈200关闭输出，以保护本身以及后级电路。
53.可选地，第三电感器l3和第四电感器l4都可以为一个或者两个，如果为一个时，可以串接在输出接口的正极或负极上，如果为两个时，输出接口的正极和负极可以同时串接有电感器，起到抗干扰的输入的作用。可选地，第一保护接口121和第二保护接口141为同轴线接口，同轴线的内导体和外导体分别为保护接口的正极和负极，利用同轴线传输驱动信号，有利于提高抗干扰能力，提升信号质量。
54.在其中一个实施例中，调谐电路15包括调谐接口151和第五调谐电容c8，第五调谐电容c8串接在第二接收线圈200上，调谐接口151的正极和负极分别连接到第五调谐电容c8的两端，调谐接口151接入或不接入调谐信号使得短路或不短路第五调谐电容c8，以实现控制第二接收线圈200在接收第二种类的核的mr弛豫信号和第三种类的核的mr弛豫信号之间切换。可选地，调谐接口151为同轴线接口，调谐信号p_rx为一电压信号，在同轴线接口接入和不接入电压时相当于将短路或不短路第五调谐电容c8；在另一个实施例中，调谐接口151可以为一个开关元件，比如继电器等。
55.如图2和图3所示，并结合图4，图4中，tx表示发射状态时，各控制电路供电情况；rx表示线圈处于接收状态时，各电路输入电压情况。
56.第一驱动信号td2、第二驱动信号td1工作时序相同，当第一种类的核mr发射线圈工作时，为保护第一接收线圈100，需使第一保护信号tr2＝5v，第三二极管d2导通，使得第
一输出接口na_rx被短路。为保证第一接收线圈 100谐振在第一种类的核的mr弛豫信号的频率，在接收状态下，使第一驱动信号td2＝-30v、第一保护信号tr2＝-30v。此时，第一二极管d1、第三二极管d2不导通，其调谐和匹配通过电容c1、c2、c3、c4实现。
57.同第一接收线圈100工作原理相似，当第二种类的核mr发射线圈工作时，为保护第二接收线圈200，需要使第二保护信号tr1＝5v，第四二极管d4导通，第二输出接口f_rx被短路，起到保护作用。当第二接收线圈200工作时，第二保护信号tr1＝-30v，第四二极管d4不导通，第二驱动信号td1＝-30v，第二二极管d3不导通，电容c5、c6、c7、c8、c9参与第二种类的核的mr弛豫信号谐振。而当第二驱动信号td1、第一驱动信号td2＝5v时，电容c2短路，第一接收线圈100中仅剩电容c1、c3、c4参与谐振；因此，此时第一接收线圈100的谐振频率已偏移。当第二驱动信号td1＝5v，调谐信号p_rx＝-30v 时，此时在第二接收线圈200中电容c8被短路，电容c5、c6、c7、c9参与第三种类的核的mr弛豫信号的谐振，不在第一、二种类的核的mr弛豫信号谐振点，此时第三种类的核的mr弛豫信号谐振。
58.本技术实施例的第三方面提供了一种共振成像设备，包括上述的多核射频接收装置。
59.本技术提供的实施例的阵列线圈结构进行了实验测试，测试结果表明
19
f、
23
na、
31
p的各通道均实现了较好的调谐和匹配，当
19
f、
23
na同时工作时，各通道匹配均小于-15db，如图5(a)中曲线s11、s44所示；当
31
p通道工作时，如图5(b)中曲线s33所示，匹配近-20db，通过实验结果证明，本技术所提出的三核射频接收线圈方案可行，实现了
19
f、
23
na、
31
p谐振。
60.上述的多核射频接收线圈结构、多核射频接收装置及磁共振成像设备相对于已有的双调谐射频阵列线圈结构以及三圈独立三谐振结构相比,本技术提出支持三核素成像的射频接收线圈结构，两个独立线圈结构组合的基础上，实现三核素工作频率的自由切换，实现三核磁共振成像，体积小，利于产品小型化；另外，在具备磁场正交的结构，实现不同线圈之间的解耦，信号质量好，这种方法可以扩展到任何感兴趣的核素。
61.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。