專利名稱：感性耦合接收線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種射頻信號的接收裝置，特別是涉及一種接收射頻信號的耦合接收線圈。
背景技術(shù)：
在磁共振成像系統(tǒng)中，采用接收線圈來接收人體發(fā)出的射頻信號，然后對接收到的射頻信號進(jìn)行處理成像。
請參閱圖1以及圖2，目前常用的接收線圈主要采用環(huán)形天線的設(shè)計電感L1、電容Cs及C1串聯(lián)組成接收線圈10用于接收射頻信號；所述射頻信號傳送到該電容Cs與電感Ls組成的失諧回路11，其中通過與該電容Cs、電感Ls并聯(lián)的二極管D1的導(dǎo)通與否來控制所述接收線圈10的工作狀態(tài)，通過與電容Cs、電感Ls連接的電容Cp調(diào)節(jié)系統(tǒng)的匹配；然后所述的射頻信號經(jīng)過前置放大器Preamp和扼流圈13被傳送到插拔接頭30；最后通過所述的插拔接頭30傳送到系統(tǒng)40中，所述的系統(tǒng)40在該磁共振系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理。圖3簡單地示出了這種接收線圈的連接方式，接收線圈10用來接收射頻信號并與插拔接頭30相連，通過該插拔接頭30與系統(tǒng)40連接從而將射頻信號傳送到該系統(tǒng)40。
然而，上述的接收線圈存在如下缺點a)由于所述的插拔接頭30一端與系統(tǒng)40相連，另一端與所述的接收線圈10以及相應(yīng)電路相連，使得醫(yī)生在放置或者定位所述的接收線圈10以接收病人不同部位的射頻信號時受到很大的限制，難以自由無約束地移動；b)頻繁的插拔使得所述的插拔接頭30很容易損壞；c)每個接收線圈10都與一套前置放大器Preamp和扼流圈13相連，這大大增加了接收線圈的成本，而且與接收線圈相連的扼流圈在極端的情況下有可能會對病人造成傷害。
為了解決現(xiàn)有接收線圈的上述問題，Markus Vester等人提出一種感性耦合線圈，其原理和邏輯框圖分別如圖4和圖5所示。電感L1’、兩個電容C1’以及電容C12串聯(lián)組成接收線圈10’，該接收線圈10’是一個LC回路，其在系統(tǒng)40的中心頻率下進(jìn)行諧振，從而接收人體發(fā)出的射頻信號。電容C12，C2和耦合電感L2組成自動失諧回路12，該回路是一個并聯(lián)LC回路，其在中心頻率諧振；根據(jù)射頻電路原理，這時的LC回路相當(dāng)于斷路；它保證在耦合電感L2和耦合L4沒有耦合的情況下，即耦合系數(shù)Km為零的時候，接收線圈10’在C12處斷開，接收線圈10’處在不工作狀態(tài)；從而保證接收線圈10’在沒有耦合的情況下，不會影響其他線圈和部件的正常工作。電感L2和L4組成耦合器20，在L2和L4耦合的情況下，將接收到的射頻信號耦合到系統(tǒng)40中。電容C3和電感L4’組成被動失諧回路14，保證在L2和L4耦合的情況下，在發(fā)射線圈工作時，通過二極管D1’的導(dǎo)通，該C3和L4’構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路將L4打開，使接收線圈10’處于非工作狀態(tài)；電容C4與該C3和L4’構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路相連，起到使系統(tǒng)在50歐姆下進(jìn)行匹配，使信號的傳輸達(dá)到最大。該被動失諧回路14分別與前置放大器Preamp和扼流圈13以及系統(tǒng)40相連。
圖6簡單地示出了上述感性耦合線圈的連接方式，接收線圈10’通過耦合器20將接收到的射頻信號耦合到系統(tǒng)4中，從而取消了圖1中所示的傳統(tǒng)接收線圈10中的插拔接頭30的使用。由于插拔接頭的取消，使得用戶不必承擔(dān)因其損毀而帶來的后果和成本的增加。其中，該耦合器20包括可移動部分22(圖4中的L2)和固定部分24(圖4中的L4)，該可移動部分22與該接收線圈10’相連并可隨其自由移動；該固定部分24與各回路以及系統(tǒng)40相連；接收線圈10’接收到射頻信號后便可以通過該耦合器20從其可移動部分22傳送到其固定部分24，進(jìn)而傳送到系統(tǒng)40。由于可移動部分22與該接收線圈10’相連并可隨其自由移動，而且該可移動部分22并不與該固定部分24相連，因此醫(yī)生可以不受限制地隨意移動該接收線圈10’。而且與該固定部分24相連的前置放大器和扼流圈可以與不同的接收線圈10’配合使用，大大節(jié)約了成本；同時，由于接收線圈10’不再與前置放大器和扼流圈相連，保證了病人的安全。
上述圖4中感性耦合線圈的原理圖可以等效轉(zhuǎn)化成圖7中所述的電路，進(jìn)一步簡化成圖8中所述的電路(為簡明起見，前置放大器Preamp后面的連接省略)。圖中，電阻Rp表示負(fù)載，電阻R1代表L1’的損耗，電阻R2代表L2的損耗，電阻R4代表L4的損耗，電阻R4’代表L4’的損耗，Lm為耦合電感。由于L1’，C1和C12組成接收線圈10’，所以，L1’，C1和C12構(gòu)成的LC回路在系統(tǒng)40的中心頻率下諧振，即在中心頻率下，L1’和C1的串聯(lián)相當(dāng)于電感-C12。因為C12，C2，L2-Lm和Lm構(gòu)成的回路(自動失諧回路12)也在中心頻率下諧振，這時，C2和L2-Lm組成的串聯(lián)回路可以等效為電感-C12和電容-Lm組成的串聯(lián)回路。Lm，L4-Lm和C3組成諧振回路，則L4-Lm可以看成是電容-Lm和電感-C3組成的串聯(lián)回路。同理，L4’也可以看成是-C3。因此，圖7可以進(jìn)一步簡化為圖8，這樣原來的原理圖簡化成由三個四分之一波長(下文簡稱為λ/4)回路組成。設(shè)C12的容抗值是X12，Lm的容抗值是Xm，C3的容抗值是X3；另外，假設(shè)R1，R2和R4相比較于X12，Xm和X3來講很小，則這整個回路引起的損耗值(信噪比的變化與信噪比的比值)可以用下式表示delta(SNR)SNR=R1R2X32+R1R4′Xm2X122X32+R4X122R1Xm2,]]>
當(dāng)X12滿足下列條件時，可以使損耗達(dá)到最小X122=R1Xm·R2R4+R4′R4·Xm2X32.]]>以Km＝0.6，X12＝50歐姆，XL2＝XL3＝50歐姆(XL2和XL3分別為L2和L3的感抗值)，R1＝2.5歐姆，R2＝0.5歐姆，R4＝0.5歐姆，R4’＝0.5歐姆為例，可以得出這時候的損耗為1.9％。從應(yīng)用的角度講，這樣的損耗是可以接受的。
然而，要保證上述的接收線圈裝置的感性耦合接收線圈的正常工作，一個最關(guān)鍵的因素就在于L2和L4之間的耦合系數(shù)Km(見圖4)。Km的值越大則回路引起的損耗值越小，在理想情況下Km＝1，這樣，所有的信號都沒有損失地耦合進(jìn)系統(tǒng)。要做到這一點，就需要L2和L4越接近越好，理想的情況是它們之間的距離為零。但是在實際情況中，并不能做到這一點。
請參閱圖9，上述的感性耦合線圈在實際的應(yīng)用中，接收線圈10’放在病床50上面，用來接收射頻信號；耦合器20分成兩部分，一部分與接收線圈10’相連，該部分稱為該耦合器20的可移動部分22(圖4中的L2)；另一部分固定在磁體的外殼附近、病床50的下面，該部分稱為耦合線圈的固定部分24(圖4中的L4)。接收線圈10’接收到射頻信號后將其傳送到該耦合器20的可移動部分22；該可移動部分22再把該射頻信號耦合到該該耦合器20的固定部分24后傳送到系統(tǒng)40中。然而，上述Markus Vester等人提出的感性耦合線圈的耦合器20的可移動部分22和固定部分24只能在很小距離內(nèi)進(jìn)行有效的耦合，而不能有效地穿透病床50。因此在上述的耦合過程中，由于病床50的厚度d1使該耦合器20的可移動部分22和固定部分24之間的距離過大，導(dǎo)致耦合系數(shù)Km大大減小，回路的損耗達(dá)到不可接受的程度。而如果把耦合器20的可移動部分22放在病床50的下面，則需要在病床50上挖很大的槽，而且由于該可移動部分50a需要與該接收線圈10’相連，因此其在插入及抽出所述的槽的時候?qū)Σ僮髟斐珊艽蟮穆闊?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種感性耦合接收線圈，用來消除其耦合器的耦合電感之間的耦合受到距離的影響，從而將接收線圈接收到的射頻信號有效地耦合到系統(tǒng)中。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種感性耦合接收線圈，用于接收射頻信號并將其通過耦合器耦合到系統(tǒng)，所述的耦合器由相互耦合的耦合電感構(gòu)成，所述的耦合電感之間設(shè)置至少一附加耦合電路，所述的附加耦合電路為兩個相連的四分之一波長線路，其輸入信號和輸出信號之間的相移為零，其分別與所述的耦合電感相耦合以傳輸所述的射頻信號。
所述的附加耦合電路分別通過第一耦合電感和第二耦合電感與所述的耦合器的耦合電感相耦合，其中，所述的第一耦合電感依次與第一串聯(lián)電容、串聯(lián)電感、第二串聯(lián)電容和該第二耦合電感串聯(lián)，并在該第一耦合電感和第一串聯(lián)電容的兩端并聯(lián)一并聯(lián)電容后形成回路。
所述的回路在該第一耦合電感和第二耦合電感與所述的耦合器的耦合電感相耦合時形成該兩個相連的λ/4線路，其輸入阻抗等于輸出阻抗，故增加的附加耦合電路對于其他部分，除了其本身引入的損耗外不構(gòu)成任何影響。
所述的回路在該第一耦合電感和第二耦合電感與所述的耦合器的耦合電感的值相等，使得該第一耦合電感和第一串聯(lián)電容構(gòu)成的串聯(lián)回路與該并聯(lián)電容構(gòu)成的并聯(lián)回路諧振；該串聯(lián)電感、第二串聯(lián)電容和該第二耦合電感構(gòu)成的串聯(lián)回路與該并聯(lián)電容構(gòu)成的并聯(lián)回路諧振。
通過在所述的感性耦合接收線圈的耦合器的耦合電感之間設(shè)置一個或者多個該附加耦合電路，所述的附加耦合電路可以低損耗、無相移地在所述的耦合電感之間傳輸所述的射頻信號，從而使得所述的耦合器的耦合電感不再受耦合距離的限制。


圖1是使用插拔接頭連接系統(tǒng)的現(xiàn)有接收線圈的原理圖；圖2是圖1的邏輯框圖；圖3是圖2的簡化的邏輯框圖；圖4是由Markus Vester等人提出的、使用耦合器將射頻信號耦合到系統(tǒng)的感性耦合線圈的原理圖；圖5是圖4的邏輯框圖；圖6是圖5的簡化的邏輯框圖；圖7是圖4的等效原理圖；圖8是圖7的簡化原理圖；圖9是圖4的感性耦合線圈的應(yīng)用實施例，該感性耦合線圈的耦合器的可移動部分和固定部分分別設(shè)置在病床的上下兩側(cè)，射頻信號由該可移動部分直接耦合到該固定部分；
圖10是本發(fā)明感性耦合線圈的原理圖，其耦合器中包括一附加耦合電路；圖11是圖10的邏輯框圖；圖12是圖10的感性耦合線圈的應(yīng)用實施例，該感性耦合線圈的耦合器的可移動部分和固定部分分別設(shè)置在病床的上下兩側(cè)，該附加耦合電路設(shè)置在該可移動部分和固定部分之間并分別與所述兩部分耦合，射頻信號由該可移動部分耦合到該附加耦合電路，再由該附加耦合電路耦合到該固定部分；圖13是對圖10的電路進(jìn)行分析的原理圖；圖14是圖13的等效原理圖；圖15是對圖14的原理圖的阻抗相移分析的原理圖；圖16是圖10的附加耦合電路的原理圖；圖17至圖18是對圖16的附加耦合電路分別在兩端耦合的分析的原理圖；圖19是對圖16的附加耦合電路同時在兩端耦合的分析的原理圖；以及圖20是圖19的等效原理圖。
具體實施例方式
請參閱圖10和圖11，本發(fā)明的感性耦合接收線圈與圖4所示的現(xiàn)有技術(shù)相比，最主要的特征在于在圖4的耦合電感L2和L3之間插入虛線框表示的附加耦合電路26，即在該感性耦合接收線圈的耦合器20的可移動部分22和固定部分24之間插入該附加耦合電路26。
所述的附加耦合電路26分別與所述的耦合電感L2和L4相耦合以傳輸所述的射頻信號。該附加耦合電路26分別通過第一耦合電感L2’和第二耦合電感L3與所述的耦合器20的耦合電感L2和L4相耦合，其中，所述的第一耦合電感L2’依次與第一串聯(lián)電容C2’、串聯(lián)電感L3’、第二串聯(lián)電容C3”和該第二耦合電感L3串聯(lián)，并在該第一耦合電感L2’和第一串聯(lián)電容C2’的兩端并聯(lián)一并聯(lián)電容C3后形成回路。所述的回路在該第一耦合電感L2’和第二耦合電感L3與所述的耦合器20的耦合電感L2，L4相耦合時形成兩個相連的λ/4線路，其輸入阻抗等于輸出阻抗，相移為零。所述的回路在該第一耦合電感L2’和第二耦合電感L3與所述的耦合器20的耦合電感L2，L4的值相等，使得該第一耦合電感L2’和第一串聯(lián)電容C2’構(gòu)成的串聯(lián)回路與該并聯(lián)電容C3構(gòu)成的并聯(lián)回路諧振；該串聯(lián)電感L3’、第二串聯(lián)電容C3”和該第二耦合電感L3構(gòu)成的串聯(lián)回路與該并聯(lián)電容C3構(gòu)成的并聯(lián)回路諧振。
請進(jìn)一步參閱圖12，本發(fā)明的感性耦合接收線圈包括接收天線10’，該接收天線10’位于病床50的上方，用來接收射頻信號；所述的射頻信號通過耦合器20耦合到系統(tǒng)40。該耦合器20包括相互耦合的可移動部分22(圖10中的L2)和固定部分24(圖10中的L4)；該可移動部分22設(shè)置在病床50上方，并且可自由移動地與該接收天線10’相連；該固定部分24設(shè)置在病床50下方，并且與系統(tǒng)40相連。為了解決該耦合器20的可移動部分22和固定部分24之間由于病床50的厚度d1(進(jìn)一步地包括病人)的阻隔而使得耦合距離過大，從而導(dǎo)致耦合系數(shù)大大減小的問題，本發(fā)明在該耦合器20的可移動部分22和固定部分24之間設(shè)置附加耦合電路26。該附加耦合電路26的一端設(shè)置在病床50的上方，另外一端設(shè)置在病床50的下方，該兩端分別與該可移動部分22和固定部分24耦合，從而將射頻信號間接地從該可移動部分22耦合到固定部分24。由于該附加耦合電路26與該可移動部分22之間的耦合距離d2，以及該附加耦合電路26與該固定部分24之間的耦合距離d3可以很方便地設(shè)置成很小，從而保證了該附加耦合電路26與該可移動部分22以及該固定部分24之間的耦合效率?？梢岳斫獾?，為了滿足不同情況下的需要，兩個或者兩個以上依次耦合的附加耦合電路26也可以同時應(yīng)用于本發(fā)明中來將射頻信號間接地從該可移動部分22耦合到該固定部分24。
為逐步和詳細(xì)地說明圖10中本發(fā)明的感性耦合接收線圈的工作原理，先來分析圖13所示的電路，圖13是圖10所示的電路沒有插入附加耦合電路26時的電路原理圖。
請參閱圖14，圖14是圖13的等效原理圖，其中，M為L2和L4的互感。在這個電路中，電容C2與電感L2構(gòu)成串聯(lián)回路，在中心頻率下諧振，所以C2與L2-M構(gòu)成的串聯(lián)回路等效于-M。將圖13中的電容C4’看成是電容C5與電感L5的串聯(lián)；調(diào)節(jié)C4’，使C5與L4諧振、L5與C3諧振；再調(diào)節(jié)L4’，使C3與L4’諧振，這時的電路將是兩個λ/4回路，如圖15所示。請參閱圖15，輸入阻抗Z0通過第一個λ/4回路轉(zhuǎn)換得到的阻抗Z1可以用下式表示，其相移為90度Z1=Zm2Z0]]>其中，Zm是M的阻抗表示，再經(jīng)過第二個λ/4回路轉(zhuǎn)換，得到的阻抗Z可以用下式表示，其相移為-90度
Z=Z32Z1=Z0*Z32Zm2]]>其中，Z3是C3的阻抗表示，如果C3與M的阻抗值相等，那么Z就等于Z0。也就是說，射頻信號經(jīng)過這兩個λ/4回路的轉(zhuǎn)化，相移為零。
接下來分析圖10中插入的附加耦合電路26，該電路如圖16所示，該圖是圖13的兩個線圈的對向相連。在L2和L2’耦合的情況下，即圖17，粗黑虛線以左的部分可以看成是兩個λ/4回路，這樣，L3’相當(dāng)于-C3’，C3”與L3諧振；由于L3’、C3”與L3構(gòu)成的串聯(lián)回路和C3’并聯(lián)諧振，L2’處于打開狀態(tài)，而C2和L2諧振，這樣，從端口1看過去是短路狀態(tài)。同理，將L2與L3耦合，如圖18，從端口1看過去，也是短路狀態(tài)。
如果L2＝L2’＝L3，從圖1 7可以看出，L3’、C3”和L3組成的串聯(lián)回路與C3’構(gòu)成的并聯(lián)回路諧振；從圖18看出，L2’和C2’構(gòu)成的串聯(lián)回路與C3’諧振。這樣一來，L3’和C3”構(gòu)成的串聯(lián)回路等效于C2’。
請參閱圖19，下面對圖13和圖16結(jié)合起來同時進(jìn)行分析，為方便理解，圖19等效為圖20。假設(shè)L2＝L2’＝L3＝L4，M表示L2和L2’以及L3與L4在100％耦合情況下的互感。在這種情況下，C2與L2諧振，那么C2與L2-M等效于-M；C2’和L2’構(gòu)成的串聯(lián)回路與C3’諧振，所以L2’-M和C2’可以看成是-M-C3’；同理可得C2’與L3-M構(gòu)成的串聯(lián)回路等效于-M-C3’；C4’與L4構(gòu)成的串聯(lián)回路與C3諧振，所以C4’和L4-M可以看成是-M-C3；因為C3與L4’構(gòu)成失諧回路，所以L4’等效于-C3。故本發(fā)明增加該附加耦合電路的結(jié)果是在圖13的耦合線圈構(gòu)成的兩個λ/4電路的基礎(chǔ)上再加入兩個λ/4電路。在C3’和M相等的情況下，加入的兩個λ/4電路的輸入阻抗等于輸出阻抗，相移為零。這樣的話，增加的附加耦合電路對于其他部分，除了其本身引入的損耗外不構(gòu)成任何影響。
權(quán)利要求
1.一種感性耦合接收線圈，用于接收射頻信號并將其通過耦合器(20)耦合到系統(tǒng)(40)，所述的耦合器(20)由相互耦合的耦合電感(L2，L4)構(gòu)成，其特征在于，所述的耦合電感(L2，L4)之間設(shè)置至少一附加耦合電路(26)，所述的附加耦合電路(26)為兩個相連的四分之一波長線路，其輸入信號和輸出信號之間的相移為零，其分別與所述的耦合電感(L2，L4)相耦合以傳輸所述的射頻信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的感性耦合接收線圈，其特征在于所述的附加耦合電路(26)分別通過第一耦合電感(L2’)和第二耦合電感(L3)與所述的耦合器(20)的耦合電感(L2，L4)相耦合，其中，所述的第一耦合電感(L2’)依次與第一串聯(lián)電容(C2’)、串聯(lián)電感(L3’)、第二串聯(lián)電容(C3”)和該第二耦合電感(L3)串聯(lián)，并在該第一耦合電感(L2’)和第一串聯(lián)電容(C2’)的兩端并聯(lián)一并聯(lián)電容(C3)后形成回路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的感性耦合接收線圈，其特征在于所述的回路在該第一耦合電感(L2’)和第二耦合電感(L3)與所述的耦合器(20)的耦合電感(L2，L4)相耦合時該回路形成所述的兩個相連的四分之一波長線路，其輸入阻抗等于輸出阻抗。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的感性耦合接收線圈，其特征在于所述的回路在該第一耦合電感(L2’)和第二耦合電感(L3)與所述的耦合器(20)的耦合電感(L2，L4)相等，使得該第一耦合電感(L2’)和第一串聯(lián)電容(C2’)構(gòu)成的串聯(lián)回路與該并聯(lián)電容(C3)構(gòu)成的并聯(lián)回路諧振；該串聯(lián)電感(L3’)、第二串聯(lián)電容(C3”)和該第二耦合電感(L3)構(gòu)成的串聯(lián)回路與該并聯(lián)電容(C3)構(gòu)成的并聯(lián)回路諧振。
全文摘要
本發(fā)明提出一種感性耦合接收線圈，用于接收射頻信號并將其通過耦合器耦合到系統(tǒng)，所述的耦合器由相互耦合的耦合電感構(gòu)成，所述的耦合電感之間設(shè)置至少一附加耦合電路，所述的附加耦合電路分別與所述的耦合電感相耦合以傳輸所述的射頻信號。通過在所述的感性耦合接收線圈的耦合器的耦合電感之間的附加耦合電路，該附加耦合電路可以低損耗、無相移地在所述的耦合電感之間傳輸所述的射頻信號，從而使得所述的耦合器的耦合電感不再受耦合距離的限制。
文檔編號G01R33/36GK101086525SQ20061001212
公開日2007年12月12日 申請日期2006年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月7日
發(fā)明者汪堅敏, 邢峣, 張蓓, 馬庫什·維斯特 申請人:西門子(中國)有限公司