РЧ КАТУШКА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В МР СИСТЕМЕ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G01R33/34 

Область техники

Изобретение относится к РЧ катушкам или РЧ антеннам или РЧ антенным системам, содержащим одну или несколько РЧ катушек или РЧ антенн, в частности, для использования в МР системе формирования изображения для передачи РЧ сигналов возбуждения (поля B₁) и/или для приема сигналов релаксации МР. Изобретение также относится к МР системе формирования изображения, содержащей такую РЧ антенную систему.

Уровень техники

РЧ/МР антенны для МР систем формирования изображения известны, в частности, в форме РЧ/МР нательных катушек, которые неподвижно установлены в пространстве обследования МР системы формирования изображения для формирования изображения всего тела, подлежащего обследованию, и в форме РЧ/МР поверхностных или локальных катушек, которые размещены непосредственно в локальной зоне или области, подлежащей обследованию, и которые построены, например, в форме гибких подушек или манжет или каркасов наподобие, например, головных катушек.

В US 2006/0238197 раскрыта магнитно-резонансная система, содержащая передающую антенну для возбуждения магнитно-резонансных сигналов в субъекте обследования, находящемся в объеме обследования, дополнительный РЧ источник, расположенный относительно объему обследования и излучающий электрическое поле, осциллирующее на частоте возбуждения, и барьер между дополнительным РЧ источником и объемом обследования для экранирования объема обследования от электрического поля, генерируемого дополнительным РЧ источником. Барьер содержит совокупность отдельных резонаторов, каждый из которых внутренне резонирует на частоте возбуждения, причем каждый отдельный резонатор содержит две поверхности конденсатора, первая из которых обращена к РЧ источнику, и вторая обращена к объему обследования, причем обе поверхности конденсатора электрически соединены друг с другом только через катушку.

В US 2005/0134521 раскрыта антенна диапазона очень высоких частот (ОВЧ), в частности, в форме антенны летательного аппарата, которая располагается рядом с частотно-избирательной поверхностью, имеющей частоту запрещенной зоны в диапазоне ОВЧ, для предотвращения распространения радиочастотных поверхностных токов в диапазоне ОВЧ по плоскости заземления, в особенности, по фюзеляжу летального аппарата. Это позволяет подавлять помехи системам летательного аппарата, создаваемые электронными устройствами, например, сотовыми телефонами, FM радиоприемниками, КПК, WLAN и т.д., которыми пользуются пассажиры на борту летательного аппарата. Согласно фиг.3 и 4, частотно избирательная поверхность обеспечена проводящими накладками, которые связаны с плоскостью заземления посредством индуктивной связи, образуя LC резонансный контур. Между накладками и плоскостью заземления может располагаться диэлектрический материал.

В GB 2 373 102 раскрыта поверхностная структура с магнитными свойствами, также совмещенная с приемной катушкой магнитно-резонансного устройства, каковая структура содержит матрицу из элементов, состоящих из многовитковых спиральных петель на печатной плате, совместно с параллельной емкостью, для демонстрации заранее определенной магнитной проницаемости в направлении, в котором проходит поверхность. Эту поверхностную структуру можно использовать как отражатель для РЧ потока.

Allard и др.: “Improved signals detection with metamaterial magnetic yokes”, Proc. Intl. Soc. Magn. Res. in Med., ISMRM 13^th Scientific Meeting, 7 мая 2005 г., относится к усовершенствованному детектированию сигнала при магнитно-резонансном формировании изображения посредством магнитных отклоняющих катушек с метаматериалами в форме известных швейцарских рулетов.

Раскрытие изобретения

В общем случае, обнаружено, что, в частности, нательные катушки, а также другие РЧ антенны обычно подлежат защите или экранированию посредством РЧ экрана от окружающего пространства и других внешних компонентов МР системы формирования изображения, наподобие, в частности, магнитных систем для генерации основного магнитного поля (поля B₀) и катушек градиентного магнитного поля для генерации градиентных магнитных полей. Благодаря такой защите можно избежать вредного взаимодействия с этими компонентами, наподобие, в частности, помехи РЧ излучения от этих компонентов, обеспечить хорошо определенную РЧ среду для соответствующей РЧ антенны, и минимизировать РЧ потери и нежелательные РЧ возбуждения пространств за пределами максимального поля зрения (FOV) РЧ антенны.

РЧ/МР катушки меньшего размера наподобие головных катушек или даже РЧ/МР поверхностных петель обычно также извлекают пользу из РЧ экрана, поскольку он снижает нежелательные связи с РЧ/МР нательными катушками и с областями вне тела, подлежащего обследованию.

При высоких значениях магнитной индукции (например, 7 T) РЧ экран просто необходим для головной катушки во избежание чрезмерных РЧ потерь посредством излучения и связи с областью шеи и плеч пациента. Для последней цели предусмотрена дополнительная кольцеобразная РЧ защита в отверстии со стороны шеи, раскрытая в WO 2006/120588, которая обеспечивает значительное усовершенствование.

РЧ экраны или защиты обычно выполнены из листов или мелкоячеистых сеток хороших электрических проводников для обеспечения защитной поверхности, приближающейся по своим характеристикам к так называемому "идеальному электрическому проводнику" (PEC).

Существенный недостаток защитной функции металлического экрана на одной стороне структуры МР/РЧ антенны или катушки состоит в том, что токовая чувствительность структуры антенны или катушки значительно снижается за счет зеркальных токов, обусловленных РЧ экраном и имеющих противоположные направления относительно первичных токов в структуре РЧ антенны или катушки.

В частности, в защитных металлических поверхностях токи текут в направлении, противоположном направлению первичных токов в проводниках структуры РЧ катушки, таким образом, обеспечивая желаемую защитную функцию вне РЧ экрана. Однако они также значительно ослабляют поле, генерируемое структурой РЧ катушки в ее поле зрения (FOV) в случае передающей РЧ катушки. Вследствие обратимости, то же самое ослабление поддерживает чувствительность приемной структуры РЧ/МР антенны или катушки.

Общеизвестно, что для простого сценария электропроводящей плоскости ее эффект можно точно описать токами изображения на том же расстоянии позади экрана, которые имеют противоположное направление параллельным первичным токам антеннам. Для (бесконечно длинного) цилиндрического экрана модель тока изображения равной амплитуды, но противоположного направления в радиальной позиции, заданной радиальной позицией исходного тока “отраженного” на радиусе экрана (R_image=R² _screen/R_original), имеет тот же эффект, что и распределение тока, возбуждаемого в самом экране. В результате, РЧ магнитное поле, создаваемое токонесущим проводником передающей катушки на некотором расстоянии в FOV, приблизительно пропорционально силе тока и расстоянию между проводником и экраном.

Эти соотношения обычно создают значительные проблемы, особенно при конструировании РЧ нательной катушки, польку максимальный диаметр свободного доступа РЧ нательной катушки МР системы становится одним из важных параметров системы, сильно влияющих на продажи/долю рынка, и, соответственно, желательно создавать конструкции с использованием минимально возможного отделения РЧ/МР катушки от РЧ экрана, т.е. сделать катушку как целое как можно тоньше, не снижая (РЧ) магнитную индукцию B₁ ниже установленных или требуемых значений ввиду вышеупомянутых соотношений.

В случае РЧ головных катушек отделение от внешнего цилиндрического экрана является, в большинстве случаев, не столь важной проблемой конструкции, поскольку обычно вне катушки остается достаточно места, однако более тонкая катушка обычно имеет преимущество меньшего веса, и, если внешний диаметр остается постоянным и внутренний диаметр увеличивается, достигается больший комфорт для пациента. Более критичным является влияние поперечной кольцеобразной защиты в отверстии на стороне шеи, которое, по причине его близости к одному концу структуры катушки, создает асимметрию (в большей степени в катушке типа птичьей клетки по причине связи с ближним кольцом, чем в катушке, выполненной из TEM-элементов).

Для РЧ катушек петлевого типа с РЧ экраном можно назвать четыре причины в пользу тонкого РЧ экрана для петлевой конструкции: малый вес, компактность, меньшая необходимая добавочная площадь, сниженная связь с соседними петлями.

Основной общий недостаток близкого расположения защиты PEC (идеального электрического проводника) вокруг головных катушек и катушек петлевого типа или другой РЧ антенны состоит в пониженной (токовой) чувствительности и, конкретно, более быстром снижении чувствительности как функции расстояния от петли или другого катушечного элемента. Причина в том, что "первичная" петля (т.е. РЧ антенна) и “зеркальная петля” с противоположным по направлению током, обеспеченная экраном PEC, образуют РЧ градиентную катушку первого порядка в случае РЧ передачи или градиентометр первого порядка для магнитного потока, поступающего из FOV в случае МР приема. Иными словами, близкий экран PEC преобразует малую петлю из датчика магнитодипольного типа в квадрупольный датчик.

Дополнительный недостаток близкого экрана PEC состоит в том, что он значительно снижает уровень импеданса РЧ/МР петли или другого катушечного или антенного элемента, что может затруднить согласование с усилителями. (Если 0 < k < 1 является коэффициентом связи с единичной зеркальной петлей, импеданс падает до величины, равной произведению (1-k) и значения для первичной петли в пустом пространстве).

Другой аспект этих РЧ/МР антенн, особенно локальных петлевых катушек, состоит в том, что, обычно, половина функции чувствительности антенны или катушки "растрачивается", поскольку объект обследования (например, пациент), располагается только на одной стороне антенны, тогда как на противоположной стороне или "на задней стороне", которая направлена от объекта обследования, не существует полезной "информации", которую антенна могла бы принимать.

Одна задача изобретения состоит в обеспечении РЧ/МР антенной системы или РЧ/МР катушки, упомянутой во вступительной части, которая имеет повышенную эффективность или чувствительность на одной из своих сторон по сравнению с РЧ/МР антенными системами, которые снабжены вышеупомянутым металлическим РЧ экраном на противоположной стороне.

Для решения этой задачи по пункту 1 формулы изобретения предусмотрена РЧ антенная система для передачи РЧ сигналов возбуждения (B₁ поле) и/или для приема сигналов релаксации МР в МР системе формирования изображения, причем РЧ антенная система содержит проводник для переноса РЧ токов, и РЧ защиту или РЧ экран на одной стороне проводника для экранирования РЧ антенной системы от окружающего пространства, отличающаяся тем, что РЧ защита или РЧ экран обеспечен в форме структуры искусственного магнитного проводника (AMC), которая содержит:

- матрицу металлических накладок, расположенных на металлической плоскости заземления с диэлектрической подложкой между ними и с цепью замыкания на заземление в форме совокупности штырей заземления или металлических полосок, проходящих между накладками и плоскостью заземления, и

- множество конденсаторов, подсоединенных между краями накладок,

- причем структура AMC настроена, чтобы быть резонансной в полосе частот РЧ/МР, путем выбора, по меньшей мере, одного из размеров и форм накладок и зазоров и значений конденсаторов между краями накладок.

В зависимых пунктах формулы изобретения раскрыты предпочтительные варианты осуществления изобретения.

В общем случае, изобретение предусматривает объединение приемной/передающей РЧ/МР структуры антенны или катушки или катушки для магнитно-резонансной системы формирования изображения с так называемым метаматериалом, который позволяет РЧ экрану антенны вести себя наподобие магнитной стенки в рабочей полосе частот РЧ/МР. Объединение, в частности, можно обеспечить в форме замены экрана PEC метаматериалом и/или в форме размещения метаматериала перед экраном PEC, и/или в виде другого объединения метаматериала с экраном PEC.

Сам по себе метаматериал обычно представляет собой резонансную периодическую структуру, содержащую диэлектрики, провода и металлические накладки ("матрицу накладок"), расположенную на металлической плоскости заземления (PEC), и эта структура настроена так, чтобы ее поведение было как можно ближе к поведению "идеального магнитного проводника" (PMC), по меньшей мере, в рабочей полосе частот РЧ/МР.

PMC - это абстракция (в частности, дуальной к PEC), которая используется в “теоретическом электромагнетизме” для анализа проблем с определенными свойствами симметрии. Он не существует в форме естественных материалов.

На плоскости PEC, электрическое поле E вынуждено быть перпендикулярным, и магнитное поле H вынуждено быть параллельным плоскости PEC, тогда как граничные условия на плоскости PMC прямо противоположны, то есть электрическое поле E вынуждено быть параллельным, и магнитное поле H вынуждено быть перпендикулярным плоскости PMC.

В данном контексте наиболее интересное свойство состоит в том, что эквивалентные зеркальные токи “позади” экрана PMC имеют то же направление, что и исходные токи (параллельные поверхности экрана); токи, нормальные поверхности экрана, имеют одинаковый знак для поверхности PEC и противоположный знак для поверхности PMC.

Хотя материалы PMC не существуют в форме природных материалов, были найдены и разработаны комбинации общеизвестных технических материалов, которые ведут себя подобно PMC на высоких частотах в ограниченной полосе. Такие метаматериалы описаны в последних литературных источниках, посвященных антеннам, применяемым в микроволновом диапазоне, и обозначены аббревиатурами HIS (поверхность высокого импеданса), AMC (искусственный магнитный проводник), EBG (материал с электромагнитной запрещенной зоной) и FSS (частотно избирательная поверхность).

HIS, AMC или EBG является магнитными проводниками и не проводят переменный электрический ток только в определенной (ограниченной) полосе частот (в отличие от PMC, который является "идеальным" магнитным проводником), и, соответственно, электрическое поле E также вынуждено быть параллельным, и магнитное поле H вынуждено быть перпендикулярным плоскости HIS, AMC или EBG только в ограниченной полоса частот. Однако если эта полоса частот является полосой частот РЧ/МР, РЧ/МР токи изображения первичных РЧ/МР токов (антенны) оказываются в фазе при использовании такой плоскости HIS, AMC или EBG (а не в противофазе, в случае экрана PEC), что способствует генерации РЧ поля первичной антенной или структурой. Кроме того, распространение поверхностных волн не поддерживается, что снижает нежелательную связь с соседними структурами и снижает нежелательное излучение с краев экрана.

Согласно изобретению, предлагается комбинировать РЧ/МР антенны или катушки, в частности, с метаматериалами AMC, которые предназначены для работы на типичных частотах РЧ/МР.

РЧ экран, построенный в форме такого метаматериала AMC, объединяет в себе свойства нормального металлического экрана (похожего на экран PEC) по отношению к “внешнему миру” катушки, и подобного PEC экрана по отношению к катушке, по меньшей мере, в рабочей полосе частот РЧ/МР. На частотах вне своей собственной полосы AMC поведение экрана со стороны катушки приближается к поведению экрана PEC-типа.

Сам метаматериал является настроенной резонансной поверхностью, что обуславливает новые свойства МР катушки. РЧ/МР катушки, в которых используются, в частности, метаматериалы AMC вместо традиционных РЧ экранов можно сделать тоньше или короче, не в ущерб токовой чувствительности, или могут обеспечить более высокую токовую чувствительность при традиционных размерах.

Новые тонкие РЧ/МР антенны или катушки можно обеспечить с использованием самих по себе соответственно возбуждаемых метаматериалов AMC вместо существующих структур катушки.

Если сделать резонансную частоту метаматериала управляемой, например, путем подключения и отключения одного или нескольких конденсаторов, которые соединяют между собой накладки метаматериала, это обеспечит новые РЧ/МР антенны или катушки, которыми можно управлять в отношении их связи или развязки, их импеданса и других свойств.

Комбинации катушечных элементов с задниками в виде AMC и "металлического экрана" позволяют добиться профилирования боковой токовой чувствительности в низком геометрическом профиле катушки.

Помимо улучшения свойств катушки, может быть выгодно, по меньшей мере, частично покрывать металлические поверхности МР системы формирования изображения, находящиеся под действием РЧ поля, материалами AMC, для зеркального отражения двойных граничных условий для поля E (параллельного AMC) и поля H (перпендикулярного AMC), в соответствии с переходом от поверхности электрического проводника к поверхности магнитного проводника, что может привести к повышению пространственного качества поля B₁.

В случае РЧ экранов с нежелательным обратным воздействием на свойства катушки наподобие, например, поперечной кольцевой защиты на шейном конце головной катушки, частичное покрытие экрана PEC материалом PMC можно применять для минимизации этого эффекта.

Следовательно, существенное преимущество передающих РЧ антенн или катушек состоит в том, что зеркальные токи усиливают эффект исходных токов вместо его ослабления, которое описано выше. Этот эффект тем сильнее, чем ближе экран PMC к проводникам, несущим первичный ток.

Существенное преимущество приемных МР антенн или катушек состоит в том, что градиентометрический (квадрупольный) эффект не наблюдается. Не использованная до сих пор чувствительность “задней стороны” петлевой катушки, упомянутая выше, “отражается” с положительным знаком на сторону FOV, что приводит к повышению чувствительности до двух раз (в идеальном предельном случае), т.е. не к удвоению SNR, но к удвоению чувствительности по току или напряжению.

Уровень импеданса РЧ/МР антенны или катушки можно увеличить до двух раз по сравнению с той же антенной или катушкой в свободном пространстве (с коэффициентом (1+k)), что может упростить согласование с предусилителями и, таким образом, в итоге, повысить SNR антенны или катушки.

Наконец, предусмотрена новая РЧ/МР антенна или катушка в виде плоской резонансной матрицы накладок, которая способна к трехосному управлению полем B₁, включая круговую поляризацию, и которая может иметь три ортогональные основные резонансные моды. Эти моды могут быть настроены на одну и ту же радиочастоту. Возбуждение этих мод соответствующим распределением тока на матрице накладок позволяет управлять РЧ полем возбуждения (полем B₁) по трем осям. Это включает в себя генерацию круговой поляризации с выбираемым нормальным направлением.

Очевидно, что признаки изобретения могут образовывать различные комбинации без отхода от объема изобретения, который определяется формулой изобретения.

Дополнительные детали, признаки и преимущества изобретения явствуют из нижеследующего описания предпочтительных и иллюстративных вариантов осуществления изобретения, которое приведено со ссылкой на чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематичный вид структуры AMC, которая реализована в форме структуры матрицы накладок над плоскостью заземления PEC.

Фиг.2 - схематичный вид распределения плотности поверхностного тока на структуре матрицы накладок согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.3 - график напряженности магнитного поля в зависимости от нормального расстояния до заземления структуры согласно фиг.2.

Фиг.4 - схематичный вид распределения плотности поверхностного тока на структуре матрицы накладок согласно второму варианту осуществления изобретения.

Фиг.5 - первый схематичный вид структуры матрицы накладок согласно третьему варианту осуществления изобретения.

Фиг.6 - второй схематичный вид структуры матрицы накладок согласно фиг.5.

Фиг.7 - графики напряженности магнитного поля в зависимости от нормального расстояния до заземления структуры согласно фиг.5 для разных типов плоскостей заземления для первого расположения петли тока.

Фиг.8 - графики напряженности магнитного поля в зависимости от нормального расстояния до заземления структуры согласно фиг.5 для разных типов плоскостей заземления для второго расположения петли тока.

Фиг.9 - графики для сравнения чувствительности структуры матрицы накладок согласно фиг.5 в зависимости от нормального расстояния до заземления для разных расположений петель тока.

Фиг.10 - схематичный вид первой модели плоской антенны в виде резонансной матрицы накладок с квадратными единичными элементами, реализованной в программе расчета электромагнитного поля.

Фиг.11 - схематичный вид распределения плотности поверхностного тока на антенне согласно фиг.10 с петлевым возбуждением.

Фиг.12 - схематичный вид распределения плотности поверхностного тока на антенне согласно фиг.10 с линейным возбуждением.

Фиг.13 - график резонансных частот для антенн согласно фиг.11 и 12 для разных периферийных емкостей.

Фиг.14 - схематичный вид распределения плотности поверхностного тока на антенне согласно фиг.10 с линейным возбуждением и настроенной посредством периферийной емкости для разных резонансных частот в петлевой и диагональной моде.

Фиг.15 - схематичный вид распределения плотности поверхностного тока на антенне согласно фиг.10 с петлевым возбуждением и настроенной посредством периферийной емкости для разных резонансных частот в петлевой и диагональной моде.

Фиг.16 - график относительного снижения напряженности магнитного поля в зависимости от высоты над плоскостью заземления для диагонального и петлевого возбуждения.

Фиг.17 - схематичный вид второй модели плоской антенны в виде резонансной матрицы накладок с единичными элементами в виде сектора круглого кольца, реализованной в программе расчета электромагнитного поля.

Фиг.18 - схематичный вид распределения плотности поверхностного тока на антенне согласно фиг.17 на заземлении PEC, с линейным возбуждением.

Фиг.19 - схематичный вид распределения плотности поверхностного тока на антенне согласно фиг.17 на круглой нижней пластине, с линейным возбуждением.

Фиг.20 - схематичный вид распределения плотности поверхностного тока на антенне согласно фиг.17 на заземлении PEC, с петлевым возбуждением.

Фиг.21 - схематичный вид распределения плотности поверхностного тока на антенне согласно фиг.17 на круглой нижней пластине, с петлевым возбуждением.

Осуществление изобретения

В нижеследующем описании приведены некоторые иллюстративные комбинации основных катушечных элементов с, по меньшей мере, частичными плоскостями заземления AMC. Эти качественные примеры демонстрируют улучшенные свойства комбинаций типичных МР катушечных элементов со структурами типа AMC.

Программа расчета электромагнитного поля была использована для моделирования и анализа распределений плотности тока для этих примерах и токовой чувствительности проводящего шунта в виде металлической полоски над плоскостью заземления (наподобие распространенного элемента “TEM”) и квадратной петли. На фиг.2, 4, 11, 12, 14, 15 и 18-21, где показаны расчетные распределения плотности тока, величина плотности указана в форме степени темноты, таким образом, чем выше плотность тока, тем более темной изображена соответствующая область, и наоборот.

Метаматериал AMC был реализован, как показано на фиг.1, в форме структуры матрицы накладок с квадратными накладками 1 с размером накладки 4×4 см на одной стороне подложки 2 в форме “воздушной” подложки (т.е. ε_r=1), которая ограничивается на ее противоположной стороне плоскостью 3 заземления PEC. Структура в целом имеет высоту 1 см. Альтернативно плоской поверхности, матрица накладок 1 также может образовывать искривленную поверхность.

Зазоры между накладками 1 заданы для моделирования посредством программы расчета бесконечно узкими и заполненными краевой емкостью, которая заставляет структуру резонировать на частоте около 128 МГц. В практической реализации, зазоры и краевая емкость (которые можно переключать, например, для управления резонансной частотой структуры) выбираются совместно с размером накладки для получения нужной резонансной частоты.

На фиг.2 показано распределение плотности поверхностного тока структуры AMC согласно фиг.1. Первичная полоска 4 этой структуры, показанная на фиг.2, имеет длину 25 см, ширину 4 см и расположена в 2,5 см над плоскостью 3 заземления PEC. Этот AMC состоит из 6×5 накладок 1, симметрично расположенных ниже и только в области, через которую переброшена полоска 4. Полоска 4 питается антисимметрично от своих концов, стоящих на заземлении 3 PEC. В общем случае, матрицу накладок также можно возбуждать, непосредственно соединяя ее с линией питания для подачи тока в одной или нескольких позициях на матрице накладок, а не посредством первичной полоски 4 (42).

На фиг.3 показан график A магнитного поля H₁ структуры AMC согласно фиг.2 над центром полоски 4 в зависимости от расстояния, приведенного к току через центр. Вблизи полоски 4 на расстоянии z=4 см существует более чем трехкратное увеличение напряженности поля H₁ по сравнению с напряженностью поля H₁ (график B) одной лишь полоски 4 над заземлением 3 PEC, т.е. без матрицы накладок.

На более далеком расстоянии z=20 см полоска 4 с задником AMC имеет приблизительно десятикратную чувствительность по сравнению с одной лишь полоской 4 над заземлением 3 PEC. Это объясняется менее крутым снижением чувствительности с расстоянием структуры AMC, что рассмотрено выше.

На фиг.4 показано распределение плотности поверхностного тока структуры AMC согласно фиг.2, однако, в котором первичная полоска помещена на половине высоты между верхней поверхностью AMC (накладками 1) и заземлением 3 PEC и расщепляется на две параллельные полоски 42 (из-за центральных штырей накладки). Эта структура AMC имеет высоту лишь 1 см. Результаты, полученные для этой структуры, весьма сходны с результатами для структуры согласно фиг.2.

Также можно возбуждать матрицу накладок без использования полосок 4; 42 непосредственно через угловые штыри, но этот режим работы не имеет “классического” аналога МР-катушки для сравнения.

Затем чувствительность структуры AMC с квадратной петлевой катушкой 5 согласно фиг.5 и 6 (вместо полосок 4; 42) с краем длиной 12 см были проанализированы для высот 25 мм и 15 мм над заземлением 3 PEC. Модель AMC содержит 6×6 накладок 1, как описано выше, что дает размеры структуры в целом 24×24 см. Петлевая катушка 5 находилась в 15 мм над заземлением 3 PEC, или в 5 мм над конечной структурой AMC, которая находилась на высоте 10 мм над заземлением 3 PEC.

На фиг.6 также показаны штыри заземления 11 (которые указаны на фиг.2 и 4), которые проходят по центру между заплаткой 1 и заземлением 3 PEC. Однако вместо этих штырей 11 можно обеспечить металлические полоски для формирования цепи замыкания на заземление.

На фиг.7 показано магнитное поле H над центром петлевой катушки 5, приведенное к петлевому току в 1 ампер, в зависимости от расстояния z до плоскости 3 заземления PEC для разных типов плоскостей заземления, а именно для PMC (график A), для PEC (график D), для вышеописанной модели AMC (график C) и для пустого пространства, т.е. в отсутствие плоскости заземления (график B).

Использование AMC конечного размера на расстоянии 4-12 см почти повторно устанавливает чувствительность катушки в пустом пространстве. PMC идеально бесконечного размера (график A) будет даже увеличивать чувствительность с коэффициентом около 1,4-1,54 по сравнению со значением для пустого пространства.

На фиг.8 показаны эти графики для соответствующих результатов для одной и той же петлевой катушки 5, которая располагается в 15 мм над заземлением 3, т.е. в 5 мм над поверхностью AMC. Здесь идеальный PMC (график A) будет увеличивать чувствительность с коэффициентом около 1,56-1,69 по сравнению со значением для пустого пространства (график B).

На фиг.9 показано сравнение чувствительности петлевой катушки 5, которая располагается в 25 мм над заземлением 3 PEC (график C) с той же петлевой катушкой 5, которая располагается в 15 мм над заземлением 3 с моделью AMC конечного размера (график B). Хотя она на 10 мм тоньше, последняя катушка имеет еще большую чувствительность. График A, опять же, демонстрирует чувствительность петлевой катушки 5, которая располагается в 15 мм над идеальным заземлением PMC бесконечного размера.

Если структуру AMC приемной катушки нужно расстроить или деактивировать на фазе передачи последовательности МР измерений, это можно сделать, например, закоротив емкостные элементы между соседними единицами (на фиг.1 зазоры между накладками 1) подходящими активными (например, управляемыми PIN-диодами) или пассивными (например, парами встречно-параллельных диодов) переключателями, которые применяются на практике в современных неэкранированных петлевых катушках.

Предпочтительными применениями этих катушек являются, в частности, нательные катушки, петлевые катушки, встроенные в сквозную трубу, тонкие экранированные головные катушки и плоские экранированные петлевые катушки.

Кроме того, изобретение предусматривает новую плоскую МР/РЧ катушку в виде резонансной матрицы накладок, которая способна к трехосному B₁ управлению, включая круговую поляризацию. Ее можно реализовать посредством вышеописанных структур, которые может иметь три ортогональные основные резонансные моды. Эти моды могут быть настроены на одну и ту же радиочастоту. Возбуждение этих мод посредством токов позволяет управлять РЧ полем возбуждения (полем B₁) по трем осям. Это включает в себя генерацию круговой поляризации с выбираемым нормальным направлением.

Иллюстративная конструкция согласно фиг.10 содержит матрицу накладок из 6 на 6 металлических пластин или накладок 1, каждая из которых имеет размер 4×4 см, расположенных в 1 см над металлической плоскостью 3 заземления (PEC). Соседние края накладок соединены краевым конденсатором. Края накладок на внешних краях матрицы соединены через периферийный конденсатор C_f с вертикальной периферийной металлической полоской 31, образуя соединение с плоскостью 3 заземления. Две основные моды представляют собой, по существу, диагональные картины тока через матрицу накладок, например, возбуждаемые диагональным линейным током вблизи поверхности. Для форм матрицы накладок, инвариантных относительно поворота на 90 градусов вокруг нормального направления (например, квадратов или кругов), эти моды порождают ортогональные тангенциальные поля над центром. Все линейные комбинации этих двух мод также имеют одну и ту же резонансную частоту. Третьей модой является мода кольцевого типа, которая может возбуждаться, например, квадратной петлей тока вблизи поверхности матрицы. Выбирая соответственно значения конденсаторов на внутренних и внешних краях матрицы накладок, резонансную частоту для моды кольцевого типа можно сделать равной резонансной частоте диагональных мод. Эта мода создает вертикальное магнитное поле над центром матрицы. Возбуждая все три моды, можно управлять РЧ полем возбуждения (полем B₁) над матрицей накладок по трем осям.

На фиг.10 показана схема модели, реализованной в программе расчета электромагнитного поля. Пунктирные линии 6 между накладками 1 указывают положение краевых конденсаторов между накладками 1.

Резонансные частоты и картины тока на поверхности матрицы накладок были вычислены для разных выборов конденсатора. Для иллюстративных конструкций значения были выбраны так, чтобы структура катушки резонировала вблизи ларморовой частоты в поле 3 тесла, т.е. около 128 МГц.

На фиг.11 показана картина тока для возбуждения с квадратной петлей тока 5. Ток в петле 5 течет против часовой стрелки. Как указывают серые стрелки на поверхности матрицы накладок, то же самое, в основном, справедливо для возбужденных поверхностных токов. При C_edge=169,885 пФ и C_fringe=260 пФ эта мода резонирует на f_loop=125,977 МГц.

На фиг.12 показана картина тока для возбуждения диагональным линейным током 7 над матрицей накладок 1. Ток возбуждения течет от верхнего левого угла к нижнему правому углу, как и возбужденные поверхностные токи. При вышеуказанном выборе конденсатора эта мода резонирует на f_diag=116,18 МГц.

На фиг.13, на графике A показана резонансная частота f_loop в зависимости от периферийной емкости C_f (=C_fringe) структуры согласно фиг.11, и на графике B показана резонансная частота f_diag в зависимости от периферийной емкости C_f структуры согласно фиг.12. Можно видеть, как изменяются две резонансные частоты, когда периферийная емкость C_f варьируется между 10 пФ и 340 пФ. При C_f=94,3 пФ резонансные частоты приблизительно равны:

f_loop=129,639 МГц, f_diag=129,617 МГц.

На фиг.14 и 15 показаны картины поверхностного тока для диагонального линейного тока 7 (фиг.14) и для петлевого тока 5 (фиг.15) для этой конкретной настройки. Картины тока изменились в некоторых деталях, но основные свойства моды сохраняются. Резонансная частота для возбуждения по другой диагонали фиг.14 должна быть такой же из соображений симметрии.

На фиг.16 показано относительное снижение напряженности магнитного поля H в зависимости от высоты z над плоскостью заземления при x=y=0 для диагонального (H_diag) (график A) и петлевого (H_loop) (график B) возбуждения на высоте z=1,5 см. Наклоны не в точности одинаковы, но близки.

Периферийные металлические пластины и конденсаторы можно исключить, когда не требуется, чтобы мода кольцевого типа имела такую же частоту, как диагональные моды, и когда допустимо, чтобы диагональные моды превращались в моды типа бабочки (фигура, напоминающая "8").

Как указывают кривые настройки, моду петлевого типа или моды диагонального типа также можно настаивать на частоту ядер фтора (94% ниже) и поддерживать другие на протонной частоте.

Вместо квадратной матрицы с квадратными единичными элементами накладки также можно построить катушку круговой формы, состоящую из элементов накладки 8 в виде сектора кругового кольца согласно фиг.17.

Кроме того, для увеличения количества степеней свободы для формирования картин тока основных мод, более чем просто два значения конденсатора можно рассматривать в пределах ограничений по симметрии, необходимых для предусмотренных 2D (квадратурных) поперечных мод. Например, можно допустить, чтобы все сегменты радиального края имели индивидуальные значения C, равно как и все сегменты кругового края одного и того же радиуса.

Кроме того, в отличие от этой фиг.17, отдельные круговые кольца могут иметь разные радиальные удлинения. Эти параметры можно использовать для оптимизации картин тока используемых резонансных мод.

На фиг.18 и 19 показаны разные резонансные распределения тока в такой круговой структуре катушки с линейным возбуждением линейным током 7, тогда как на фиг.20 и 21 показана прямоугольная проводящая петля 5 для возбуждения петлевым током. Фиг.18 и 20 относятся к матрице накладок на плоскости заземления PEC, а фиг.19 и 21 - к матрице накладок на круговой нижней пластине.

Опять же, предпочтительными применениями этих катушек являются поверхностные передающие/приемные катушки со сниженной локальной SAR и распределенным поверхностным током.

Структура катушки, отвечающая изобретению, обеспечивает новые степени свободы для конструктора катушки, что позволяет ему формировать распределение тока в области катушки и, следовательно, поле B₁ над ней. Свобода конструирования начинается с выбора размеров и форм металлических накладок, разделительных конденсаторов, внешних конденсаторов заземления (и, возможно, дополнительных конденсаторов заземления на внутренних краях).

Катушка, отвечающая изобретению, может иметь резонансную моду кольцевого типа, необходимую для генерации, по существу, вертикального поля B₁. Имеется достаточное количество степеней свободы конструкции для того, чтобы настраивать ее резонансную частоту на частоту поперечных или диагональных мод и при этом иметь возможность формировать картину распределения плотности тока в области катушки.

Очевидно, что признаки изобретения могут образовывать различные комбинации без отхода от объема изобретения, который определяется формулой изобретения. Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в вышеприведенном описании, такие иллюстрацию и описание следует рассматривать в порядке иллюстрации, но не ограничения, и изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Можно предложить модификации вышеописанных вариантов осуществления изобретения без отхода от объема изобретения, который определяется формулой изобретения.

Специалисты в данной области техники могут изучать и применять на практике модификации раскрытых вариантов осуществления заявленного изобретения, на основании чертежей, описания и формулы изобретения. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, и употребление названия элемента в единственном числе не исключает наличия совокупности таких элементов. Единичный элемент может выполнять функции нескольких элементов, указанных в формуле изобретения. Тот лишь факт, что определенные меры указаны во взаимно различных зависимых пунктах, не говорит о том, что нельзя выгодно использовать комбинацию этих мер. Никакие условные обозначения в формуле изобретения не следует рассматривать в порядке ограничения ее объема.

Изобретение относится к радиочастотной (РЧ) катушке, используемой в качестве РЧ антенны для магниторезонансной (МР) системы формирования изображения как для передачи РЧ сигналов возбуждения, так и для приема сигналов релаксации МР. Согласно изобретению РЧ катушка включает в себя матрицу накладок, находящихся в емкостной связи друг с другом. Матрица накладок образует резонансную поверхность, на которой поверхностные токи могут резонансно возбуждаться для генерации, по меньшей мере, одной полевой моды. Благодаря этому повышается чувствительность антенны и обеспечивается возможность управления полем по трем осям. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. РЧ антенная система для передачи РЧ сигналов возбуждения (B₁ поле) и/или для приема сигналов релаксации МР в МР системе формирования изображения, причем РЧ антенная система содержит проводник (4; 42; 5; 7) для переноса РЧ токов, и РЧ защиту или РЧ экран на одной стороне проводника для экранирования РЧ антенной системы от окружающего пространства, отличающаяся тем, что РЧ защита или РЧ экран обеспечен в форме структуры искусственного магнитного проводника (АМС), которая содержит матрицу металлических накладок (1), расположенных на металлической плоскости (3) заземления с диэлектрической подложкой (2) между ними и с цепью замыкания на заземление в форме совокупности штырей (11) заземления или металлических полосок (31), проходящих между накладками (1) и плоскостью (3) заземления, и множество конденсаторов (6), подсоединенных между краями накладок (1), причем структура АМС настроена, чтобы быть резонансной в полосе частот РЧ/МР путем выбора, по меньшей мере, одного из размеров и форм накладок (1) и зазоров и значений конденсаторов (6) между краями накладок (1).

2. РЧ антенная система по п.1, в которой проводник является известной РЧ катушкой.

3. РЧ антенная система по п.1, в которой накладки (1) имеют прямоугольную форму или форму сектора кольца.

4. РЧ антенная система по п.1, в которой матрица накладок (1) образует плоскость или искривленную поверхность.

5. РЧ антенная система по п.1, в которой матрица накладок (1) имеет прямоугольную или круговую форму.

6. РЧ антенная система по п.5, в которой проводник обеспечен в форме линии (7), пересекающей матрицу накладок (1) по диагонали.

7. РЧ антенная система по п.1, в которой проводник обеспечен в форме петли (5).

8. РЧ антенная система по п.1, в которой проводник является полосковой линией (4; 42), концы которой соединены с плоскостью (3) заземления, причем матрица накладок (1) располагается в области, через которую переброшена полосковая линия (4; 42), и над или под полосковой линией (4; 42).

9. РЧ антенная система по п.1, в которой проводник обеспечен в форме линии питания в одной или нескольких позициях на матрице накладок (1) или в форме штырей (11) в углу матрицы накладок (1).

10. РЧ антенная система по п.1, в которой один или несколько конденсаторов (6) могут подключаться и отключаться или закорачиваться посредством переключателей для управления полосой резонансных частот структуры АМС, или импедансом РЧ антенной системы или для расстройки или деактивации РЧ антенной системы.

11. РЧ антенная система по п.1, в которой структура АМС снабжена первым и вторым линейными проводниками (7), которые проходят ортогонально друг другу, для возбуждения двух ортогональных основных резонансных мод, которые настроены так, чтобы резонировать, по существу, на одной и той же радиочастоте.

12. РЧ антенная система по п.1, в которой структура АМС настроена для возбуждения основной резонансной моды кольцевого типа в форме РЧ поля с круговой поляризацией.

13. РЧ антенная система по п.11 или 12, в которой края накладок (1) на внешних гранях матрицы накладок (1) соединены через периферийный конденсатор с вертикальной периферийной металлической полоской (31), которая обеспечивает соединение с плоскостью (3) заземления, и при этом три основные резонансные моды настроены так, чтобы быть ортогональными и резонировать, по существу, на одной и той же радиочастоте.

14. Магнитно-резонансная система формирования изображения, содержащая РЧ антенную систему по любому из пп.1-13 для передачи РЧ сигналов возбуждения и/или для приема сигналов релаксации МР.