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磁谐振的带宽扩展
摘要
一个磁共振成像系统包括一个主要的磁铁和一个可操作的二次磁铁，可以在一个样品中产生磁-内磁场。核磁共振成像系统进一步包括至少一个射频线圈，它可以从样本中接收电磁频率。RF线圈是由管道形成的，它是一个冷却管道，通过它流动一个冷却源提供的冷却液。冷却液冷却射频线圈，以改善样品的成像。
图1
图2
图3
图4A
图4B
图5
图6
磁带宽扩展共振
[1] 本申请优先申请美国临时专利申请。编号60 / 630223，题为系统和方法扩大带宽的磁共振成像系统美国临时专利申请SER。60号/ 630220，为低温冷却线圈在磁共振成像系统的装置和方法，及美国临时专利申请服务。编号60 / 630547，题为系统和方法去耦线圈的磁共振成像系统，所有这些都提交于2004年11月23日。
背景
[2] 本发明涉及无线电频率（RF）用于磁共振（MR）线圈和前置放大器的应用。它发现特定的应用程序的MR成像应用中，RF接收线圈具有相对高的质量因子（QS）的使用。
[3] 磁共振成像已被证明是一个有价值的技术，提供信息的内部结构和功能的对象正在审查。例如，在医学成像中，磁共振成像技术被广泛用于为人类病人的生理提供信息。
[4] 然而，MR扫描仪产生的图像和其他信息的效用之一是噪声的影响。事实上，信噪比（SNR）是一个关键参数，用于评估的MR系统所产生的信息的质量。
[5] 各种技术已被用于改善MR系统的信噪比。一种提高信噪比的技术已经使用低噪声射频接收线圈和前置放大器。信噪比增强，如果由接收线圈和前置放大器引入的噪声是相对于被检查的对象引入的噪声小（例如，在病人的情况下，组织噪声）。
[6] 低噪声接收线圈已实施，例如将高温超导体（HTS）材料或冷铜（即，传统的铜线圈冷却到液氮温度），以减少线圈电阻。虽然这些线圈提供了改进的噪声性能，它们的特点是线圈QS是相对较高的比传统的线圈。然而，较高的QS，导致线圈带宽减少。带宽通常表示为线圈的谐振频率的比率除以线圈Q，因此，例如，在8.6兆赫频率的谐振线圈（MHz）和Q 3300会有一个带宽2.6千赫（kHz）。
[7] 此外，更高的Q线圈是比较敏感的线圈负载的影响，这可能是显着的病人间或对象间的变化，也可以受物体运动。这些影响往往改变线圈的相位响应和阻抗。电容负载、热效应等的变化也会引起线圈谐振频率的变化。随着线圈带宽减小，这些变化变得相对更显著。
[8] 其他趋势，如更快的脉冲序列的发展，更强大的梯度系统，磁共振成像和MR引导介入程序，另一方面，放置在线圈和接收系统带宽的要求越来越高。在某些情况下，由MR系统所需的带宽可以大大超过线圈的带宽。在任何情况下，可以提高系统的性能，通过减少噪声的贡献的线圈，同时保持合理的线圈带宽。
[9] 各种技术已被用于扩大线圈带宽，例如在美国。5051号，700至Fox题为反馈电路的Q的MRI接收器线圈天线，美国Pat。5488382号题为Low Noise Preamplifier和常，FENZI，et al.，稳定性与感应源^ IEEE电路与系统、恒阻放大器的噪声性能，36卷，2号，第264-271（二月1989）。
[10] 另一种技术涉及使用双调谐接收线圈。然而，双调谐有限的适用性。宽的带宽要求的前置放大器噪声保持较低的检测器的噪声的宽的带宽，并且该带宽的功率增益是高的。单或多调谐线圈最大化的低噪声带宽，通过确保线圈阻抗交替两个极端：一个高阻抗的限制，不超过前置放大器的电流噪声，和低电阻限制仍然高于前置放大器的电压噪声。双耦合是这种技术的一个例子，通常称为过耦合。不幸的是，然而，过耦合也导致信号幅度相对大的波动，在有效带宽。
总结
[11] 本发明的方面解决这些问题，以及其他。
[12] 根据本发明的第一个方面，一种方法包括一个对象能够与MR成像装置和射频接收连接中使用的磁共振成像装置线圈成像定位步骤，调整前置放大器电连接的接收线圈，从而降低接收线圈的有效Q的一个特征，并利用磁共振成像仪和射频线圈进行对象的磁共振成像检查。为多个对象重复定位、调整和获取步骤。
[13] 根据本发明的另一个方面，磁共振成像设备包括主磁体、梯度线圈、发射线圈、接收线圈和放大器，该放大器放大由接收线圈产生的电输出信号。该装置还包括输入阻抗调整电路和计算机。输入阻抗调节电路可操作地连接到放大器并适于调整放大器的输入阻抗。计算机可操作地连接到输入阻抗调节电路，以便有选择地调整放大器的输入阻抗。
[14] 根据本发明的另一个方面，用于放大由MR系统的RF线圈接收的射频信号的电路包括放大器和可操作地连接到放大器的电路。该电路适于响应于由MR系统产生的控制信号来调整RF线圈的有效Q值。
[15] 那些精通艺术的人在阅读理解附图和描述后，仍会欣赏本发明的其他方面。
人物
[16] 本发明通过附图和附图中附图中的数字来说明本发明，其中类似引用表示相似的元素，其中：
[17] 图1描述了MR系统的功能框图。
[18] 图2描述了射频线圈的等效电路。
[19] 图3是前置放大器和可调反馈电路的原理图。
图20是前置放大器和反馈电路的原理图。
图21是一个超前滞后网络示意图。
[22] 图5是前置放大器和反馈电路的原理图。
[23] 图6描述了获得MR检查的一系列步骤。
描述
[24] 参考图1，典型的MR扫描仪10包括主磁体12产生基本均匀，时间恒定的主磁场B0在检查区域14。根据所需的主磁场强度和特定的应用程序的要求，各种磁技术（例如，超导，电阻，或永磁技术）和配置（例如，物理磁螺线管或开放式磁体配置）已实施。
[25] 病人表11支持检查区域内的病人或其他被检查对象13。梯度线圈16产生随时间变化的梯度磁场沿X，Y，和Z轴的检查区域14。RP发射线圈18产生激发或以其他方式操纵对象中的氢或其它磁共振活性核的射频信号。为了提高激励的均匀性，一个比较大或全身发射线圈通常实施。
[26] 射频接收线圈50位于物体的感兴趣区域附近，接收受激核产生的磁共振信号。与接收线圈50相关的是可变调谐电路51，用于调节接收线圈的谐振频率或阻抗特性50。
[27] 虽然发射18和接收50个线圈被描述为单独的线圈，也可以实现组合发射接收线圈，如本地发射线圈。
[28]磁铁12、患者支持11、梯度线圈16和线圈18通常位于一个磁和射频屏蔽罩21。
[29] RF源20产生具有所需频率的RF信号（例如，在调查的MR活性核拉莫尔频率），一个脉冲程序员22形状的RF信号和RF放大器24放大形信号由发射线圈18在对象13激动人心的核要求的水平。梯度脉冲编程器26建立了所需的随时间变化的磁场的形状和振幅，和梯度放大器28放大这些信号到所需的各级由x，y，和z梯度线圈16。
[30] 前置放大器29接收并放大接收线圈产生的信号50。与前置放大器29是可调反馈电路31是用来修改前置放大器的输入阻抗29。RF检测器30进一步接收和处理由前置放大器29产生的信号。信号通过数字转换器依次转换为数字形式32。
[31] 与扫描仪相关联的一个或多个计算机10协调梯度和RF系统的操作，例如产生期望的脉冲序列并处理由数字化仪32生成的信号以生成指示对象的体积数据。所述计算机（34）还提供用于控制可调调谐电路51和可调节反馈电路（31）的操作的信号。
[32] 操作员控制台36包括可感知的输入和输出设备，如键盘、鼠标和显示器或监视器。控制台36允许操作者与扫描仪交互，例如通过选择所需的脉冲序列和其他所需的检查协议，启动和终止扫描，并查看和以其他方式操作的体积数据。相片或其他硬拷贝设备38可以作为容积数据图像。
[33] 图2描述了接收线圈50和可变调谐电路的等效电路51。接收线圈50可以被建模为包括一个并联连接电感202，电容器204和电阻206。作为传统的艺术，线圈50是这样设计的，电感和电容元件谐振在MR活性核拉莫尔频率在主磁体12产生的磁场强度的调查。线圈导体电阻和电磁耦合的病人损失引入一个净串联线圈电阻。串联电阻与线圈50可以被建模为等效并联电阻206。减小线圈50系列电阻增大并联电阻206的值，提高线圈的Q值。
[34] 变容二极管208通过阻断电容器与电容器204并联电连接。可变偏置电路210在MR系统计算机34的控制下工作，向变容二极管208施加偏置电压以改变其电容。变容二极管的电容变化208的线圈的谐振频率50。
[35] 将被赞赏，源阻抗由接收线圈50呈现随信号频率偏离共振。这种变化增加线圈Q增加。提供更好的信噪比性能，最好使用一个前置放大器具有输入阶段，可以容忍这些阻抗波动在很宽的频率范围内。使病人能负载线圈噪声控制噪声的前置放大器引入的噪声功率，线圈电阻4ktrs最好超过电压噪声功率二和电流噪声贡献我bdquo;2iz ^ I2的前置放大器的输入级。这反过来又意味着线圈阻抗的下限主要由前置放大器的电压噪声，而上限主要取决于前置放大器的电流噪声。另一种方式，前置放大器的实现，其特征在于由较低的电压和电流噪声是相对宽容的阻抗波动所提出的接收线圈在更宽的带宽。
[36] 虽然上述策略是有用的，用于扩大有用的SNR带宽，系统的频率响应仍然不均匀。将被欣赏，由接收线圈50产生的信号的振幅减小作为信号频率偏离线圈的谐振频率。过渡成为线圈Q增加陡峭。为了改善或均衡的频率响应，它是可取的，以减少接收线圈的有效Q，同时最大限度地减少对噪声性能的影响。在同一时间，它也是可取的设置的前置放大器的输入阻抗的值，这是大致相等的几何平均的线圈50阻抗极端在预期的信号带宽。
[37] 另一种方式，一般的目标是提供一个宽带放大器和供应反馈输入或并联或串联，以均衡的频率响应超过预期的带宽，同时保持相对低的噪声和高增益。有利地，反馈可以动态调节，以允许可变调谐和线圈负载条件和相互作用。
[38] 图3描述了一个典型的前置放大器29和可调反馈电路31设计运行在大约8.6兆赫（MHz）的示意图，在0.2特斯拉的磁场强度的氢核的Larmor频率（T）。如图3所示，前置放大器包括第一个302和第二个304放大器阶段作为一个共源共栅放大器的功能，尽管与非反相输出。反馈电路31提供并联或并联反馈到第一放大器级302。
[39] 第一级302作为跨导放大器，最好具有低电压和电流噪声。第一阶段302包括公共源配置中的场效应晶体管（FET）Q1。在所示的实施，第一季度是一个ne38018砷化镓高electronmobil性晶体管场效应晶体管（GaAs HEMT场效应管）由日本电气（NEC）公司制造的东京、日本，虽然其他设备可用于。
[40] 电阻R0连接的晶体管Q1和地面之间的门。通过选择电阻R0较高值，电流噪声点被添加到第一阶段302。晶体管Q1的偏置是由电阻R6并联电容C1和C5。R6选择提供稳定的偏置点和电流的晶体管的漏极和源极之间的QL R6还设置第一放大器302的增益。电容器的CIO，CLL和R1为晶体管QL提供高频率的终止，在高频率在兆赫（GHz）范围。通过终止第一阶段202中的高频，第二阶段204不放大这些频率。
[41] 晶体管的QL的配置使晶体管QL是自我偏见，门几乎是零伏。晶体管QL是当电流引起的直流电压偏置电阻R6，使晶体管Q1的源在一个较低的电压（例如，0.25v-0.5 V）。此配置也导致源相对于栅极反向偏置。
[42] 第二阶段304为反相放大器使用一个宽带运算放大器U2。在所示的实施，U2是OPA843运算放大器可从达拉斯、德克萨斯仪器公司的Tex.，虽然可以利用其他设备。
[43] 运算放大器的非反相U2输入偏置到大约2.6伏直流（VDC）通过一个由电阻R9、R10组成的分压器。为将这些艺术技巧的欣赏，反相输入运算放大器U2，因此晶体管QL排水都保持在相同的直流偏置电压为非反相输入。
[44] 第二阶段的增益是建立由电阻R2 304。旁路电容C7降低增益和在更高的频率稳定性提高。前置放大器29的输出由射频探测器30进一步处理。如图所示，前置放大器29提供了一个开环增益约50伏/ V在8.6兆赫。
[45] 反馈电路31包括有源增益元件如宽带运算放大器U2。在所示的实施，U2是一个运算放大器OPA842可从达拉斯、德克萨斯仪器公司的Tex.，虽然可以利用其他设备。该放大器被配置为反相跨阻抗放大器。
[46] 将在这些艺术技巧的欣赏，放大器的增益和相移是由电阻R13、R14、建立和RP和电容Cp和C12。C12也可用于抑制低频反馈和减少的相互作用产生的第一级放大器302电源旁路电容的不稳定性。
[47] 在一个实施例中，电阻RP和Cp的值可调。可调节的方式提供适当的数字电位器，变容二极管电路，或类似的操作下的计算机（S）34控制与MR系统10。
[48] 信号的反应可以使线圈和前置放大器平坦从线圈的调谐和负载变化引起的相位误差，从而提高可用带宽。根据一个特定的应用程序的要求，这些值也可以操纵，使第一阶段302的输入具有电阻，电容，甚至电感输入阻抗。也将被欣赏，改变输入阻抗改变放大器的可用功率增益，可用的功率增益被基本上最大化时，源和输入阻抗相匹配。
[49] 固定值的电阻和/或电容值也可以实现。
[50] 的运放U1的输出被反馈到第一级放大器202通过抽头电容电阻网络的形成电容器C14，C15和反馈电阻R15。连接反馈电阻R15的抽头电容C14、C15允许一个较低的
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