двухрезонансные радиочастотные поверхностные катушки сильного поля для магнитного резонанса

Формула изобретения

1. Плоская радиочастотная катушка, содержащая:

один или два кольцевых проводников (22, 22c, 22d), расположенных в основном параллельно плоскости катушки преимущественно плоской радиочастотной катушки и конфигурированных для поддержания: (i) однородного распределения электрического тока, генерирующего первое поле B₁ (B_{1,однородное}) на первой частоте магнитного резонанса, направленное от плоскости катушки; и (ii) синусоидального распределения электрического тока, генерирующего второе поле B₁ (B_{1,синусоидальное}) на второй частоте магнитного резонанса, направленное параллельно плоскости катушки,

в которой один или два кольцевых проводника содержат один кольцевой проводник (22), конфигурированный для поддержания однородного распределения тока и синусоидального распределения тока, при этом вторая частота магнитного резонанса выше, чем первая частота магнитного резонанса.

2. Радиочастотная катушка по п.1, в которой два кольцевых проводника включают в себя два кольцевых проводника (22c, 22d), один из которых конфигурирован для поддержания однородного распределения тока, а другой из которых конфигурирован для поддержания синусоидального распределения тока.

3. Радиочастотная катушка по п.2, в которой вторая частота магнитного резонанса выше, чем первая частота магнитного резонанса.

4. Радиочастотная катушка по п.2, в которой первая частота магнитного резонанса и вторая частота магнитного резонанса являются одинаковыми, при этом два кольцевых проводника (22c, 22d) определяют квадратурную поверхностную катушку.

5. Радиочастотная катушка по п.2, в которой два кольцевых проводника (22c, 22d) являются концентрическими и компланарными.

6. Радиочастотная катушка по п.1, дополнительно включающая в себя:

предпочтительно плоский радиочастотный экран (26, 36a), расположенный параллельно одному или двум кольцевым проводникам (22, 22c, 22d).

7. Радиочастотная катушка по п.6, в которой предпочтительно плоский радиочастотный экран (26, 36a) является одним из дисковидного и кольцевого.

8. Радиочастотная катушка по п.6, дополнительно включающая в себя:

поперечный кольцевой радиочастотный экранирующий участок (36b), продолжающийся перпендикулярно по отношению к предпочтительно плоскому радиочастотному экрану (36a) и окружающий, по меньшей мере, внешний периметр одного или двух кольцевых проводников (22, 22c, 22d).

9. Магнитно-резонансный сканер, содержащий, по меньшей мере, одну плоскую радиочастотную катушку по п.1.

10. Радиочастотная катушка, содержащая:

кольцевой проводник (22), конфигурированный для поддержания:

(i) однородного распределения электрического тока, генерирующего первое поле B₁ (B_{1,однородное} ) на первой частоте магнитного резонанса, направленное от плоскости кольцевого проводника, и

(ii) синусоидального распределения электрического тока, генерирующего второе поле B₁ (B_{1,синусоидальное}) на второй частоте магнитного резонанса, направленное параллельно плоскости кольцевого проводника, в которой вторая частота магнитного резонанса выше, чем первая частота магнитного резонанса.

11. Радиочастотная катушка по п.10, в которой первая частота магнитного резонанса соответствует магнитному резонансу первого вида атомных ядер в выбранном статическом магнитном поле (B₀) и вторая частота магнитного резонанса соответствует магнитному резонансу второго вида атомных ядер в выбранном статическом магнитном поле (B₀).

12. Радиочастотная катушка по п.11, в которой вторая частота магнитного резонанса соответствует магнитному резонансу ¹H в выбранном статическом магнитном поле (B₀).

13. Радиочастотная катушка по п.12, в которой первая частота магнитного резонанса соответствует магнитному резонансу видов атомных ядер, выбранных из группы, состоящей из ¹⁹F, ¹³C, ²³Na и ³¹ P в выбранном статическом магнитном поле (B₀).

14. Радиочастотная катушка по п.11, в которой выбранное статическое магнитное поле (B₀) больше, чем 3 Тл.

15. Радиочастотная катушка по п.10, в которой кольцевой проводник (22) включает в себя:

один или более элементов (30), имеющих емкость, эффективную для настройки кольцевого проводника (22b, 22c), чтобы поддерживать однородное распределение электрического тока, генерирующего первое поле B₁ (B_{1,однородное}) на первой частоте магнитного резонанса, направленное от плоскости кольцевого проводника; и один или более элементов (32), имеющих индуктивность, эффективную для настройки кольцевого проводника (22c), чтобы поддерживать синусоидальное распределение электрического тока, генерирующего второе поле B₁ (B_{1,синусоидальное} ) на второй частоте магнитного резонанса, направленное параллельно плоскости кольцевого проводника.

16. Радиочастотная катушка по п.10, в которой кольцевой проводник (22) имеет ширину и кольцевой диаметр и отделен от заземленного экрана посредством диэлектрического слоя, имеющего ширину диэлектрика и диэлектрическую постоянную, и дополнительно включает в себя один или более емкостных элементов (30), при этом ширина, кольцевой диаметр, ширина диэлектрика, диэлектрическая постоянная и емкостные элементы являются эффективными для настройки кольцевого проводника (22), чтобы поддерживать однородное и синусоидальное распределения электрического тока на выбранных соответствующих первой и второй частотах магнитного резонанса.

17. Радиочастотная катушка по п.10, в которой кольцевой проводник (22) включает в себя кольцевую микрополосковую линию передачи.

18. Радиочастотная катушка по п.17, в которой микрополосковая кольцевая линия передачи включает в себя один или несколько зазоров (30), определяющих емкости, эффективные для настройки кольцевого проводника (22b, 22с), чтобы поддерживать однородное распределение электрического тока, формирующего первое поле B₁ (B_{1,однородное}) на первой частоте магнитного резонанса, направленное от плоскости кольцевого проводника.

19. Радиочастотная катушка по п.10, дополнительно включающая в себя:

диэлектрическую подложку (24, 34), на которой расположен кольцевой проводник (22); и

заземленный экран (26, 36a), расположенный на стороне диэлектрической подложки (24, 34), противоположной кольцевому проводнику (22).

20. Магнитно-резонансный сканер, содержащий радиочастотную катушку по п.10.

21. Магнитно-резонансный сканер, содержащий:

магнит (10), генерирующий статическое магнитное поле (B ₀);

систему (14) формирования градиентов магнитного поля, конфигурированную для наложения выбранных градиентов магнитного поля на статическое магнитное поле; и

кольцевой проводник (22), конфигурированный для поддержания синусоидального распределения электрического тока, формирующего или индуцированного полем B ₁ (B_{1,синусоидальное}) на частоте магнитного резонанса, направленным параллельно плоскости кольцевого проводника,

в котором кольцевой проводник (22) дополнительно конфигурирован для поддержания однородного распределения электрического тока, формирующего или индуцированного полем B₁ (B_{1,однородное} ) на частоте магнитного резонанса, направленным от плоскости кольцевого проводника.

22. Магнитно-резонансный сканер по п.21, в котором плоскость кольцевого проводника (22) расположена в основном параллельно статическому магнитному полю (B₀ ).

23. Магнитно-резонансный сканер по п.21, дополнительно содержащий другой кольцевой проводник, в котором кольцевые проводники включают в себя:

два параллельных кольцевых проводника (22c, 22d), один из которых конфигурирован для поддержания распределения синусоидального электрического тока, формирующего поле, направленное параллельно двум параллельным плоским кольцевым проводникам, и другой из которых конфигурирован для поддержания распределения однородного электрического тока, формирующего или индуцированного полем B₁ (B_{1,однородное}) на частоте магнитного резонанса, направленного перпендикулярно к двум параллельным плоским кольцевым проводникам.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к области магнитного резонанса. Оно найдет конкретное применение в магнитной резонансной томографии в сильных магнитных полях (например, около 3 Тл или больше) и описывается, в частности, для использования в томографии. Однако изобретение найдет более общее применение в магнитной резонансной томографии, магнитной резонансной спектроскопии и т.п., выполняемых по существу в любом магнитном поле.

Предшествующий уровень техники

Поверхностные катушки известны и используются в области магнитного резонанса для возбуждения или обнаружения магнитного резонанса в локализованной области объекта. Поверхностные катушки обычно включают в себя один кольцевой проводящий контур или матрицу из плоских проводящих контуров, расположенных вблизи представляющей интерес области объекта. Электрический ток, возбуждаемый в одном кольцевом проводящем контуре или сборке контуров, создает поле В₁, ориентированное перпендикулярно к полю В₀ и плоскости контура или контуров катушки. В противоположность этому в режиме считывания поле В₁, ориентированное перпендикулярно к полю В₀ и плоскости контура или контуров катушки, наводит электрический ток в контуре или контурах катушки, который можно использовать для детектирования магнитного резонанса. Кроме того, известна поверхностная катушка в форме бабочки или восьмерки. Эта катушка создает поле В₁ , ориентированное перпендикулярно к полю В₀ и параллельно плоскости поверхностной катушки. При использовании одну или несколько таких поверхностных катушек располагают вблизи пациента или другого объекта или на нем, так что непосредственная близость поверхностной катушки или катушек повышает радиочастотную связь и интенсивность сигнала магнитного резонанса.

Несмотря на указанные преимущества существующих поверхностных катушек остаются некоторые проблемы. Одна трудность заключается в том, что число поверхностных катушек, используемых при данном исследовании, может стать проблематичным. Каждая поверхностная катушка работает на единственной частоте магнитного резонанса и поэтому для многоядерных исследований необходимо использовать большое количество поверхностных катушек, настроенных на частоты магнитного резонанса различных видов атомных ядер, представляющих интерес. Поскольку катушки находятся в непосредственной близости или в контакте с пациентом или размещены на пациенте, то большое количество поверхностных катушек может быть неудобным для или пугающим пациента. Количество поверхностных катушек, устанавливаемых в любой данный момент времени можно уменьшить, переставляя и извлекая катушки по мере необходимости, однако это увеличивает длительность сеанса томографии и повышает опасность ошибок позиционирования при размещении поверхностных катушек.

Другая трудность, связанная с существующими контурными поверхностными катушками, заключается в том, что они работают в однородном резонансном режиме, при котором поле В₁ ориентировано перпендикулярно к плоскости катушки. Такая контурная катушка наиболее эффективна в случае, когда ориентирована так, что статическое магнитное поле В₀ находится в плоскости поверхностной катушки, чтобы угол между полями В₀ и В₁ был максимальным. В противоположность этому клеточные катушки и катушки поперечной электромагнитной волны представляют собой в основном цилиндрические объемные катушки, которые связаны с внутренней областью, окруженной этой клеточной катушкой или катушкой поперечной электромагнитной волны, причем оси катушек ориентированы так, что в основном совмещены с направлением поля В₀. Следовательно, эти катушки непригодны для использования в качестве поверхностных катушек.

Краткое изложение существа изобретения

Ниже предлагаются новые и усовершенствованные устройства и способы, в которых устранены упомянутые выше недостатки.

В соответствии с одним аспектом изобретения предложена предпочтительно плоская поверхностная катушка, содержащая один или два кольцевых проводника, расположенных в основном параллельно плоскости катушки в основном плоской радиочастотной катушки и выполненных с возможностью: поддержания (i) однородного распределения электрического тока, генерирующего первое поле В₁ на первой частоте магнитного резонанса, направленное от плоскости катушки, и (ii) синусоидального распределения электрического тока, генерирующего второе поле В₁ на второй частоте магнитного резонанса, направленное параллельно плоскости катушки.

В соответствии с другим аспектом предложена радиочастотная катушка, содержащая кольцевой проводник, выполненный с возможностью поддержания: (i) однородного распределения электрического тока, генерирующего первое поле В₁ на первой частоте магнитного резонанса, направленное от плоскости кольцевого проводника; и (ii) синусоидального распределения электрического тока, генерирующего второе поле В₁ на второй частоте магнитного резонанса, направленное параллельно плоскости кольцевого проводника.

В соответствии с еще одним аспектом предложен магнитно-резонансный сканер, содержащий: магнит, формирующий статическое магнитное поле; систему градиентов магнитного поля, конфигурированную для наложения выбираемых градиентов магнитного поля на статическое магнитное поле; и кольцевой проводник, конфигурированный для поддержания синусоидального распределения электрического тока, генерирующего поле В₁ на частоте магнитного резонанса, направленное параллельно плоскости кольцевого проводника, или электрического тока, наведенного полем.

Одно преимущество изобретения состоит в получении двойного резонанса от одной поверхностной катушки.

Другое преимущество состоит в возможности использования меньшего количества поверхностных катушек во время сбора данных магнитного резонанса.

Еще одно преимущество состоит в создании квадратурной поверхностной катушки.

Еще одно преимущество состоит в создании поверхностной катушки с двойной настройкой для сбора данных многоядерного магнитного резонанса.

Дальнейшие преимущества настоящего изобретения станут понятны специалистам в данной области техники при чтении нижеследующего подробного описания.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схему магнитно-резонансного сканера, включающего в себя поверхностную катушку, выполненную с возможностью поддержания однородного и синусоидального резонансов на одной и той же частоте или на различных частотах магнитного резонанса, согласно изобретению;

фиг.2 - диаграмму зависимости синусоидальной резонансной частоты для непрерывного неэкранированного кругового кольцевого проводника без промежуточных емкостных или индуктивных элементов от радиуса кругового кольцевого проводника, согласно изобретению;

фиг.3 - схему однородного резонансного режима кольцевого проводника поверхностной катушки на фиг.1, согласно изобретению;

фиг.4 - схему синусоидального резонансного режима кольцевого проводника поверхностной катушки на фиг.1, согласно изобретению;

фиг.5 - схематичный вид сбоку в сечении поверхностной катушки на фиг.1, согласно одному варианту осуществления;

фиг.6 - схематичный вид сверху поверхностной катушки на фиг.1, которая включает в себя непрерывный, с замкнутым контуром кольцевой проводник в виде микрополосковой линии передачи, согласно изобретению;

фиг.7 - схематичный вид сверху поверхностной катушки на фиг.1, которая включает в себя сегментированный, с замкнутым контуром кольцевой проводник в виде микрополосковой линии передачи, имеющий зазоры, определяющие дискретные емкостные элементы, согласно изобретению;

фиг.8 - схематичный вид сверху поверхностной катушки на фиг.1, которая включает в себя сегментированный, с замкнутым контуром кольцевой проводник в виде микрополосковой линии передачи, имеющий зазоры, определяющие емкостные элементы, дополнительно включающие в себя последовательные индуктивные элементы, согласно изобретению;

фиг.9 - схематичный вид сверху в основном плоской радиочастотной катушки, которая включает в себя два параллельных сегментированных, с замкнутым контуром кольцевых проводника в виде микрополосковых линий передачи, при этом каждый имеет зазоры, определяющие емкостные элементы, один из которых дополнительно включает в себя последовательные индуктивные элементы, согласно изобретению;

фиг.10 и 11 - схематичный вид сбоку в сечении и общий вид, соответственно, поверхностной катушки на фиг.1, которая включает в себя кольцевой проводник, экранированный плоским радиочастотным экраном и перпендикулярным кольцевым экранирующим участком, согласно изобретению;

фиг.12 - диаграммы зависимости поперечного поля В₁ от частоты в точке, расположенной на 10 см выше кругового кольцевого проводника с радиусом 15 см, для (i) неэкранированного кольцевого проводника («только кольцо»); (ii) кольцевого проводника, экранированного плоским радиочастотным экраном («кольцо+плоский экран»); и (iii) кольцевого проводника, экранированного плоским радиочастотным экраном и перпендикулярным кольцевым экранирующим участком («кольцо+плоский экран+перпендикулярный кольцевой экранирующий участок»), согласно изобретению;

фиг.13-16 - диаграммы вычисленных параметров для однородного и синусоидального резонансных режимов, соответственно, для кругового кольцевого проводника, аналогичного проводнику на фиг.8, имеющего диаметр 14 см, кольцевого проводника шириной 1 см и диэлектрической подложки, имеющей толщину 1,5 см и диэлектрическую постоянную _r=2,1, имеющего восемь емкостных элементов последовательно с индуктивными элементами, настроенными для поддержания однородной плотности тока на частоте 120,7 МГц магнитного резонанса (соответствующей ³¹Р в статическом магнитном поле В₀, составляющем 7 Тл) и настроенными для поддержания синусоидальной плотности тока на частоте 298 МГц магнитного резонанса (соответствующей ¹Н в статическом магнитном поле В₀, составляющем 7 Тл), согласно изобретению; причем

фиг.13 и 14 - вычисленное распределение тока вдоль кольцевого проводника для однородного и синусоидального резонансных режимов, соответственно;

фиг.15 - диаграммы зависимости вычисленных значений S₁₁ от частоты;

фиг.16 - диаграммы зависимости вычисленных значений |В₁ ⁺|(x), нормированных относительно значения |B ₁ ⁺|(x)=1 см) от положения вдоль направления оси катушки в ткани среднего мозга.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

На фиг.1 показан пример магнитно-резонансного сканера 8 туннельного типа, содержащий магнит 10, формирующий статическое магнитное поле В₀ , ориентированное параллельно каналу 12 туннеля сканера 8. Магнит 10 может быть сверхпроводящим или резистивным магнитом. Могут быть реализованы другие геометрии кроме показанной горизонтальной туннельной геометрии. Магнитно-резонансный сканер 8 содержит также систему 14 градиентов магнитного поля, выполненную с возможностью наложения выбираемых градиентов магнитного поля на статическое магнитное поле В₀. В некоторых вариантах осуществления система 14 градиентов магнитного поля включает в себя обмотки для избирательного формирования трех ортогональных градиентов магнитного поля, например, вдоль ортогональных направлений x, y и z. Обычно система градиентов магнитного поля расположена внутри магнита, как и показанная система 14 градиентов магнитного поля, расположенная внутри магнита 10. Однако также возможны другие конфигурации, например конструкция, раскрытая Overweg в публикации WO2005/124381, в которой градиентные обмотки катушки расположены снаружи магнита и формируемые градиенты магнитного поля связаны с каналом туннеля посредством ферромагнитного ярма. На фиг.1 магнит 10 и система 14 градиентов магнитного поля схематично показаны прозрачными для показа внутренней части канала 12 туннеля.

В процессе работы одна или несколько радиочастотных катушек, таких как катушка 18 клеточного типа для всего тела, встроенная в сканер 8, или поперечная электромагнитная катушка (не показана), или поверхностная катушка 20, или аналогичная, снабжается энергией подходящего радиочастотного сигнала на одной или нескольких частотах магнитного резонанса для возбуждения магнитного резонанса в одном или нескольких видах атомных ядер, таких как ¹Н, ¹³С, ³¹Р, ²³Na, ¹⁹F или в других видах атомных ядер. Один или несколько градиентов магнитного поля обычно прикладываются системой 14 градиентов магнитного поля для пространственного ограничения и/или кодирования возбуждаемого магнитного резонанса или резонансов. Возбуждаемые магнитные резонансы считываются одной или несколькими радиочастотными катушками 18, 20. Считывающая или приемная катушка может быть такой же, как и радиочастотная катушка, используемая для возбуждения, или может быть отличной от нее.

Поверхностная катушка 20 включает в себя кольцевой проводник 22, выполненный с возможностью поддержания: (i) однородного распределения электрического тока, формирующего первое поле В_{1,однородное} на первой частоте магнитного резонанса, направленное от плоскости кольцевого проводника 22; и (ii) синусоидального распределения электрического тока, формирующего второе магнитное поле В_{1,синусоидальное} на второй частоте магнитного резонанса, направленное параллельно плоскости кольцевого проводника 22. Двухрежимная конфигурация позволяет выгодно использовать поверхностную катушку 20 в качестве поверхностной катушки с двойной настройкой, если первая и вторая частоты магнитного резонанса являются различными. Примером применения такой поверхностной катушки с двойной настройкой является многоядерная магнитная резонансная томография или спектроскопия, в которой первая и вторая частоты магнитного резонанса являются соответственно частотами магнитного резонанса различных видов атомных ядер в данном статическом магнитном поле В₀.

На фиг.1 также схематично показан кольцевой проводник 22', который аналогичен кольцевому проводнику 20, но ось кольцевого проводника 22' ориентирована параллельно статическому магнитному полю В₀. Иначе говоря, направление поля В₀ является перпендикулярным к плоскости кольцевого проводника 22'. В этой конструкции кольцевой проводник 22' может быть использован как квадратурная излучающая/приемная катушка при возбуждении ее с использованием двух синусоидальных режимов, которые сдвинуты по фазе на 90°, на одной и той же частоте магнитного резонанса. Например, кольцевой проводник 22' соответственно поддерживает поля В_{1,синусоидальное} и В_{1,косинусоидальное}. Двухрежимная конструкция позволяет выгодно использовать поверхностную катушку 20 в качестве квадратурной поверхностной катушки.

Что касается фиг.2, прежде синусоидальный режим непрерывного неэкранированного кольцевого проводника не рассматривался как имеющий значение для магнитной резонансной томографии или спектроскопии, поскольку резонансная частота считалась слишком высокой и формируемое поле В₁ считалось очень неоднородным. Однако было обнаружено, что в случае магнитного резонанса в сильном поле и в случае кольцевого проводника достаточно большого радиуса колебания синусоидального режима осуществляются в полезном частотном диапазоне, совместимом с определенными частотами магнитного резонанса, представляющими интерес. Например, частота магнитного резонанса ¹Н равна 298 МГц в статическом магнитном поле В₀, составляющем 7 Тл. Как показано на фиг.2, синусоидальный резонанс кругового кольцевого проводника, имеющего приемлемый диаметр около 32 см (с/298 МГц/ ), точно соответствует этой магнитной резонансной частоте ¹Н. Кроме того, было обнаружено, что в более сильном магнитном поле пространственная однородность в значительной степени определяется диэлектрической характеристикой и характеристикой электропроводности пациента или другого объекта, вводимого в катушку, поэтому при значениях статического магнитного поля В ₀ больше чем 3 Тл допустима относительно большая неоднородность ненагруженного поля В_{1,синусоидальное}.

На фиг.3 показана схема однородного режима колебаний кольцевого проводника 22 поверхностной катушки 20 на фиг.1. При однородном режиме распределение тока вокруг кольцевого проводника 22 является однородным. Для этого режима не требуется круговой кольцевой проводник, и его обычно настраивают, используя емкостные элементы в проводнике. Поле В₁, генерируемое током, зависит от положения относительно контура. На фиг.3 направление отсчета принято против часовой стрелки, однако однородное распределение тока меняется во времени между направлением по часовой стрелке и против часовой стрелки на первой частоте магнитного резонанса (МР) однородного колебания. Однородное распределение тока создает поле В_{1,однородное}, направленное перпендикулярно к или от плоскости кольцевого проводника 22. В момент времени, показанный на фиг.3, поле В_{1,однородное} направлено от листа бумаги, что соответствует направлению отсчета однородного распределения тока против часовой стрелки.

На фиг.4 показан синусоидальный режим колебаний кольцевого проводника 22 поверхностной катушки 20 на фиг.1. Распределение тока вокруг кругового кольцевого проводника 22 является синусоидальным с пространственным периодом, равным окружности кольцевого проводника 22. Поэтому на резонансной частоте, когда длина волны распределения тока совпадает с окружностью кольца, имеются два нуля распределения тока, одна точка максимальной положительной амплитуды тока и одна точка максимальной отрицательной амплитуды тока. В момент времени, показанный на фиг.4, два нуля распределения тока расположены в точках, обозначенных как 0° и 180°, при этом точка максимальной положительной амплитуды (+I_макс) тока находится при 90° и точка максимальной отрицательной амплитуды (-I_макс) тока находится при 270°. Результирующее поле В_{1,синусоидальное} направлено параллельно плоскости кольцевого проводника 22.

Конфигурация кольцевого проводника 22 поверхностной катушки 20 является такой, что она одновременно поддерживает однородный и синусоидальный режимы колебаний тока и связанные с ними магнитные поля. Поэтому одна и та же поверхностная катушка 20 может использоваться для возбуждения или обнаружения полей В₁ одновременно на первой и второй частотах магнитного резонанса. Если первая и вторая частоты магнитного резонанса являются различными, поверхностная катушка 20 может использоваться одновременно для возбуждения или сбора данных многоядерного магнитного резонанса.

На фиг.5 показан один удовлетворяющий требованиям вариант выполнения поверхностной катушки 20, в которой кольцевой проводник 22 выполнен в виде кольцевой микрополосковой линии передачи на в основном плоской диэлектрической подложке 24. Заземленный экран 26 или другой плоский радиочастотный экран размещен параллельно кольцевому проводнику 22 и расположен на стороне диэлектрической подложки 24, противоположной кольцевому проводнику 22. Наличие экрана 26 выгодно повышает коэффициент добротности катушки. В этих вариантах осуществления кольцевой проводник 22 и заземленный экран 26 представляют собой соответственно литографическим или иным способом структурированные или избирательно осажденные электропроводные пленки.

В показанной на фиг.5 конфигурации заземленный экран 26 представляет собой кольцевой заземленный экран, однако вместо него можно использовать дисковидный или иной заземленный экран большей площади или радиочастотный экран. Например, можно использовать заземленный экран, который покрывает обратную сторону диэлектрической подложки 24, но является соответственно сегментированным для снижения наводимых градиентом вихревых токов и все же оказывается непрерывным на радиочастоте благодаря емкостным соединениям. На фиг.5 также показаны некоторые геометрические параметры, которые влияют на настройку катушки, такие как диаметр D кольцевого проводника, толщина Н диэлектрической подложки 24 и ширина W кольцевого проводника 22. Указание диаметра D кольцевого проводника 22 предполагает круговую конфигурацию кольцевого проводника. В некоторых вариантах осуществления кольцевой проводник предполагается отклоняющимся в некоторой степени от идеальной окружности и может быть несколько эллиптическим и т.д. Однако значительное отклонение от окружности обычно является невыгодным, поскольку оно неблагоприятно влияет на однородность поля В_{1,синусоидальное}. Кроме того, следует отметить, что диаметр D соответствует удвоенному радиусу, то есть 2R, также показанному на фиг.5.

Что касается фиг.6-8, то кольцевой проводник 22 может иметь различные конфигурации с различающимися степенями свободы для настройки. На фиг.6-8 показаны виды сверху поверхностных катушек согласно различным вариантам осуществления, при этом в каждом использована конфигурация поперечного сечения с фиг.5. На видах сверху из фиг.6-8 диэлектрическая подложка 24 не показана, так что кольцевой проводник виден поверх заземленного экрана 26. На практике диэлектрическая подложка 24 может быть непрозрачной, прозрачной или полупрозрачной.

В конфигурации на фиг.6 кольцевой проводник представляет собой непрерывный замкнутый кольцевой проводник 22а. В этой конструкции первый однородный режим отсутствует и используется только второй синусоидальный режим. Настройку синусоидального режима осуществляют параметрами D, W и Н. Это делает трудной точную настройку синусоидального режима; однако в некоторых случаях можно получать удовлетворяющую требованиям геометрию, чтобы достигать конкретного выбранного значения частоты магнитного резонанса. Хотя кольцевой проводник 22а назван здесь замкнутым кольцевым проводником, должно быть понятно, что замкнутый кольцевой проводник 22а может включать в себя зазор (не показан) в кольцевом проводнике, чтобы осуществлять питание катушки от надлежащим образом связанного источника, такого как источник с емкостной связью.

В конфигурации на фиг.7 кольцевой проводник представляет собой кольцевой проводник 22b с разрывами, имеющий в показанном примере восемь зазоров 30. Зазоры 30 определяют емкостные элементы, которые влияют на первую частоту магнитного резонанса однородного режима в большей степени, чем на вторую частоту магнитного резонанса синусоидального режима. Поэтому в этой конструкции вторую частоту магнитного резонанса, соответствующую синусоидальному режиму, выбирают отвечающей требованиям путем задания параметров D, W, диэлектрической постоянной _r и толщины Н, а емкостные элементы 30 выбирают так, чтобы подстроить первую частоту магнитного резонанса, соответствующую однородному режиму. Хотя зазоры 30 в проводнике 22b в виде микрополосковой линии передачи задают значения емкостей емкостных элементов в осуществлении не фиг.7, в других вариантах осуществления могут использоваться дискретные конденсаторы. Поэтому в этой конструкции геометрические конструктивные параметры D, W, _r и Н влияют как на первую частоту магнитного резонанса однородного режима, так и на вторую частоту магнитного резонанса синусоидального режима. План настройки соответственно выполняют в сочетании с электромагнитным имитатором путем итерационной подстройки значений емкостей и одного или нескольких параметров D, W, _r и Н до тех пор, пока не будут достигнуты заданные первая и вторая частоты магнитного резонанса.

В конфигурации на фиг.8 кольцевой проводник также представляет собой кольцевой проводник 22с с разрывами, имеющий (в показанном примере) восемь зазоров 30, определяющих емкостные элементы, которые влияют на первую частоту магнитного резонанса однородного режима в большей степени, чем на вторую частоту магнитного резонанса синусоидального режима. Кроме того, включены последовательные индуктивные элементы 32, такие как дискретные катушки индуктивности. Индуктивные элементы 32 влияют на вторую частоту магнитного резонанса синусоидального режима в большей степени, чем на первую частоту магнитного резонанса однородного режима. Поэтому в этой конструкции геометрические конструктивные параметры D, W, _r и Н могут определяться в первую очередь для наилучшего соответствия вводимому объекту. Затем план настройки соответственно выполняют в сочетании с электромагнитным имитатором путем итерационной подстройки значений индуктивностей и емкостей до тех пор, пока не будут достигнуты заданные первая и вторая частоты магнитного резонанса.

На фиг.9 изображена поверхностная катушка, аналогичная катушке, показанной на фиг.8. Поверхностная катушка на фиг.9 включает в себя кольцевой проводник 22с и также дополнительный концентрический и копланарый кольцевой проводник 22d. Кольцевой проводник 22d имеет несколько меньший радиус, чем кольцевой проводник 22с. Кольцевые проводники 22c, 22d имеют аналогичные топологии, включающие в себя восемь зазоров в каждом кольцевом проводнике и заземленный экран 26, обеспечивающий экранирование обоих кольцевых проводников 22c, 22d. Емкостные элементы используются для настройки одного кольцевого проводника на первую частоту магнитного резонанса однородного режима. Последовательные индуктивные элементы, такие как дискретные катушки индуктивности, используются для настройки другого кольцевого проводника на вторую частоту магнитного резонанса синусоидального режима. При применении поверхностной катушки с фиг.9 для многоядерной томографии или спектроскопии однородный режим используют для одного из контуров на более низкой многоядерной частоте и синусоидальный режим используют для другого контура на более высокой частоте, такой как частота ¹Н. При других предполагаемых применениях поверхностную катушку (фиг.9) возбуждают в квадратуре с помощью двух кольцевых проводников 22c, 22d, резонирующих на одной и той же частоте. В соответствующем способе внутренний кольцевой проводник 22d возбуждают по входу Р1, тогда как внешний кольцевой проводник возбуждают по входу Р2 со сдвигом фазы на 90°.

Два показанных кольцевых проводника 22c, 22d являются копланарными (что делает их одинаково удаленными от объекта) и расположенными концентрически. Однако раскрытые рабочие режимы, такие как квадратурный или многоядерный резонансный режимы, также могут быть получены при использовании кольцевых проводников, размещенных в разнесенных на расстояние параллельных плоскостях и расположенных неконцентрическим образом или размещенных в разнесенных на расстояние параллельных плоскостях и неконцентрическим образом. В одном предполагаемом варианте осуществления в основном плоская радиочастотная катушка включает в себя два кольцевых проводника, поддерживающих однородное и синусоидальное распределение тока, соответственно. В такой радиочастотной катушке предполагается, что два кольцевых проводника имеют одинаковые радиусы, но расположены в разнесенных на расстояние параллельных плоскостях. Такие кольцевые проводники могут быть концентрическими или неконцентрическими.

Что касается фиг.10 и 11, то дополнительно улучшенное качество резонанса (то есть высокую добротность Q резонанса) можно получить при наличии дополнительной ограждающей диэлектрической подложки 34, поддерживающей дополнительный охват радиочастотным экраном 36, который включает в себя плоский радиочастотный экран 36а, аналогичный заземленному экрану 26, который выполнен дисковидным (как показано) или кольцевым (аналогично заземленному экрану 26) и который дополнительно включает в себя перпендикулярный кольцевой радиочастотный экранирующий участок (короткий цилиндр) 36b, продолжающийся перпендикулярно по отношению к плоскому радиочастотному экрану 36а и окружающий, по меньшей мере, внешний периметр кольцевого проводника 22. Повышение добротности Q является более значительным, когда экран 36b продолжается до верхней плоскости кольцевого проводника 22 или дальше. Кроме того, в отличие от нижнего диска 36а проводящий кольцевой проводник 22 может быть прикреплен к короткому цилиндру 36b. В качестве варианта дополнительная ограждающая диэлектрическая подложка 34 может не включаться и может использоваться самоподдерживающийся кольцевой экранирующий участок.

На фиг.12 показан вычисленный результат влияния улучшения экранирования на добротность Q резонанса. На фиг.12 представлены диаграммы вычисленного поперечного поля В₁ в зависимости от частоты в точке, находящейся на 10 см выше кругового кольцевого проводника с радиусом 15 см для случаев (i) неэкранированного кольцевого проводника («только кольцо»); (ii) кольцевого проводника, экранированного плоским радиочастотным экраном («кольцо + плоский экран»); и (iii) кольцевого проводника, экранированного плоским радиочастотным экраном и перпендикулярным кольцевым или коротким цилиндрическим экранирующим участком («кольцо+плоский экран+перпендикулярный кольцевой экранирующий участок»). Значительное сужение резонансного пика получается для каждого улучшения экранирования, то есть между неэкранированным кольцевым проводником и кольцевым проводником с заземленным экраном и между кольцевым проводником с заземленным экраном и добавкой в виде перпендикулярного кольцевого экранирующего участка. Моделирование показало, что наибольшее улучшение за счет добавления перпендикулярного кольцевого экранирующего участка получается в случае, когда добавленный перпендикулярный экранирующий участок продолжается на расстояние, равное или несколько большее высоты кольцевого проводника 22.

Описанную двухрезонансную одноконтурную поверхностную катушку моделировали, используя программное обеспечение электромагнитного моделирования. Смоделированная поверхностная катушка включала в себя круговой кольцевой проводник, аналогично поверхностной катушке с фиг.8, и имела поперечное сечение, показанное на фиг.5. Моделированная катушка имела диаметр D=28 см (радиус R=14 см), ширину W=1 см кольцевого проводника, а диэлектрическая подложка имела толщину Н=1,5 см (для определений размеров см. фиг.5) и диэлектрическую постоянную _r=2,1. Моделированная катушка имела восемь емкостных элементов 30 последовательно с индуктивными элементами 32, настроенными для поддержания однородной плотности тока на первой частоте 120,7 МГц магнитного резонанса (соответствующей ³¹Р в статическом магнитном поле В₀, составляющем 7 Тл) и настроенными для поддержания синусоидальной плотности тока на второй частоте 298 МГц магнитного резонанса (соответствующей ¹Н в статическом магнитном поле В₀, составляющем 7 Тл).

На фиг.13 и 14 приведены изображения величины распределения тока для однородного режима (фиг.13) и для синусоидального режима (фиг.14). На фиг.13 и 14 более высокая величина плотности тока показана более бледным участком. Как и ожидалось, при однородном режиме отображается однородное кольцевое распределение тока. При синусоидальном режиме отображаются ожидаемые два нуля распределения тока и два максимума распределения тока, соответствующие +I _макс и -I_макс.

На фиг.15 отображена вычисленная зависимость S₁₁ (то есть мощности отраженного сигнала) от частоты. На графике S₁₁ ясно видны однородный и синусоидальный режим в виде крутых отрицательных впадин на 120,7 МГц и 298 МГц, соответственно.

На фиг.16 отображена вычисленная зависимость величины |В₁ ⁺(x)|, нормированной относительно значения |В ₁ ⁺|(x=1 см), от положения вдоль направления оси контура в ткани среднего мозга ( =0,55 См/м, _r=52), который помещался на расстоянии 1 см над кольцевым проводником. Следует отметить, что на фиг.16 закрашенные круги, соответствующие кривой для синусоидального режима, являются только устанавливающими различие показателями, а не отображают отдельные вычисленные точки. На фиг.16 показан типичный профиль кольцевого поля |В₁ ⁺|, где поле |В₁ ⁺| ослабляется с глубиной. Эта катушка с двойной настройкой пригодна для приповерхностной многоядерной томографии и спектроскопии.

Обычную поверхностную катушку с однородным током для многоядерной томографии конструируют, объединяя две или большее количество отдельных контуров, резонирующих на различных частотах. В такой конструкции две отдельные контура можно связывать друг с другом до соответствующего захвата и/или геометрически конфигурировать для уменьшения связи. Преимущество одноконтурной катушки с двойной настройкой, раскрытой в настоящей заявке, заключается в том, что поскольку однородный и синусоидальный режимы поддерживаются одним и тем же кольцевым проводником, о связи катушки с катушкой можно не беспокоиться. Действительно, однородный и синусоидальный режимы в процессе работы являются независимыми.

Кроме того, единственный кольцевой проводник с двойной настройкой является конструктивно более простым и включает в себя меньше частей, чем сдвоенная катушка, имеющая отдельные резонирующие контуры. Еще одно дополнительное преимущество заключается в том, что синусоидальный режим можно подавать в квадратуре для повышения эффективности передачи и приема при визуализации ¹Н, и в то же время однородный режим тока, используемый для ³¹Р или других видов атомных ядер, возбуждать линейно. Полезность синусоидального квадратурного возбуждения будет зависеть от ориентации катушки относительно поля В₀.

Снова обратимся к фиг.1, где поля В₁ должны быть в основном перпендикулярными к статическому магнитному полю В₀ для максимизации возбуждаемого или обнаруживаемого магнитного резонанса. Поэтому, как показано на фиг.1, кольцевой проводник 22 должен быть расположен так, чтобы В_{1,однородное} было в основном перпендикулярным к статическому магнитному полю В₀. Этого соответственно достигают, располагая поверхностную катушку 20 так, чтобы статическое магнитное поле В₀ было в основном параллельным плоскости кольцевого проводника. Синусоидальное поле В_{1,синусоидальное} будет по существу в плоскости, которая включает в себя ось z, совмещенную с направлением поля В₀. Каждое из полей В_{1,однородное} и В_{1,синусоидальное} будет действовать для ядерного магнитного резонанса как линейная катушка, а не как квадратурная катушка вращающегося поля. В качестве варианта квадратурный режим работы можно получать, используя два копланарных контура, описанных со ссылкой на фиг.9. В другом описанном способе плоскость контура ориентируют в основном ортогонально к оси z, как в случае кольцевой контура 22' на фиг.1. При этой ориентации также гарантируется, что синусоидальное поле В_{1,синусоидальное} будет в основном перпендикулярным к статическому магнитному полю В₀. При такой ориентации контура режим поля В _{1,однородное} не используется для ядерного магнитного резонанса. Представляется, что можно использовать различные ориентации контуров и сочетания режимов работы.

Если первая и вторая частоты магнитного резонанса являются одинаковыми, например, при использовании двух копланарных контуров, то формируется суммарное поперечное поле В₁, которое является результатом векторной суммы полей В_{1,синусоидальное} и В_{1,однродное} . Это поперечное поле является выгодным, поскольку имеет меньшую зависимость от ориентации, чем поперечное поле В₁ обычной поверхностной катушки, работающей только в однородном режиме.

Хотя в настоящей заявке показаны поверхностные катушки, в других вариантах применения можно использовать в основном плоские радиочастотные катушки, например катушечные элементы решетки катушек SENSE или фазированной решетки катушек или например локальную катушку, закрепленную в туннеле, и т.д. В конфигурации решетки катушек каждый катушечный элемент может быть в основном плоским кольцевым проводником, таким, как показанные кольцевые проводники 22, 22a, 22b, 22c, 22d, но решетка катушек из множества таких в основном плоских кольцевых проводниковых элементов может иметь неплоскую форму, например, согласованную с телом форму, цилиндрическую форму и т.д. Кроме того, термин «в основном плоский», использованный в настоящей заявке, охватывает им в основном плоские кольцевые проводники, которые имеют прогиб или кривизну, например, для облегчения компоновки решетки из таких в основном плоских кольцевых проводниковых элементов с заданной, согласованной с туловищем, цилиндрической или другой неплоской конфигурацией.

Изобретение было описано для предпочтительных вариантов осуществления. При чтении и усвоении предшествующего подробного описания специалистам будут понятны возможные модификации и изменения. Предполагается, что изобретение будет толковаться как включающее в себя все такие модификации и изменения в такой мере, в какой они находятся в объеме прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.