CN101283287B

CN101283287B - 采用集成电子器件的rf天线

Info

Publication number: CN101283287B
Application number: CN2006800376935A
Authority: CN
Inventors: P·C·H·A·汉斯; M·P·泽斯; G·J·恩霍尔姆
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2026-10-10
Also published as: EP1938119A2; WO2007043009A3; US7777490B2; JP5404046B2; WO2007043009A2; US20090121717A1; CN101283287A; JP2009511157A

Abstract

一种射频天线，包括：共振拾取器电路(102)，用于以测定的频率拾取磁共振信号；模数转换器(105)，用于把磁共振信号转换成数字数据；频率转换器，用于转换数字数据的主频带。通过把传输比特流的频率向上搬移，就可以使用简单的高通滤波技术对传输信道(109)进行RF俘获。如果传输比特模式的频率分量接近共振频率，就可以使用曼彻斯特编码等编码技术消除不想要的信号。

Description

采用集成电子器件的RF天线

技术领域

本发明涉及一种射频(RF)天线，其包括：共振拾取器电路，用于以测定的频率拾取磁共振(MR)信号；模数转换器(ADC)，用于把MR信号转换成数字数据。

本发明还涉及包括这种RF天线在内的MR成像系统。

本发明还涉及使用这种RF天线接收MR信号的方法，该方法包括拾取MR信号并将MR信号转换成数字数据的步骤。

背景技术

US5491415中披露了这种RF天线的一个实施例，其公开了用在MR成像装置中的RF线圈的一个实施例，此RF线圈包括信号处理电路，包括安装在此线圈上的未打包的部件块的阵列。在一个实施例中，该部件块包括ADC，后者在沿着连接导线接收到的噪声信号叠加之前对收到的MR信号进行数字化处理。

现有技术的问题在于，RF天线发射出的信号对共模耦合(common modecoupling)很敏感。例如，在MR系统中，由于附近电场的电容性耦合、本地磁场的电感性耦合或者空间中RF信号的电磁耦合，线缆中可能会出现共模噪声信号。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种对共模耦合不敏感的RF天线。

这一目的通过本文开篇所说的RF天线来实现，其中，此RF天线还包括频率转换器，用于转换数字数据的主频带，其中所说的主频带包括所测定的频率。此频率转换器包括用于把主频带中的频率分量转换成明显不同于所测定频率的转换频带的电子电路。比如，所测定频率包括核素(nuclearspecies)的拉莫尔(Larmor)频率、电子自旋共振频率等。如果转换频带搬离所测定频率足够远，就可使用简单的滤波技术消除共模耦合。

下面将会基于以下实施例，详细说明本发明的这一方面和其它方面。

在本发明的RF天线的一个实施例中，RF天线还包括绝缘衬底，其中，所述共振拾取器电路、所述模数转换器和所述频率转换器就安置在所述绝缘衬底上。通过把不同部件安置在相同衬底上来减小它们之间的距离，从而，可以进一步降低共模耦合。因此，滤掉不想要的信号和恢复出共振拾取器电路拾取的原始信号，就变得更加高效。

在本发明的RF天线的另一个实施例中，所述频率转换器把所述数字数据的主频带转换成明显高于所述测定频率的转换频带。如果上移后的频带离所测定频率足够远，就可使用简单的高通(HP)滤波技术消除RF范围中的共模耦合。

在本发明的RF天线的另一个实施例中，所述RF天线还包括用于对所述数字数据进行编码的编码器。当捕获的MR信号由ADC进行数字化然后再发射出去时，数字化MR信号的比特模式可能具有位于原始测定频率范围之内的频率分量。在这种情况下，为了有效地俘获或滤掉共模电流，HP滤波器就必须具有接近测定频率的截止频率。对数字数据比特流进行适当编码，可以增加比特流中的频率分量，从而使HP滤波器的截止频率离测定频率足够远。因此，简单HP滤波器技术在降低或消除共模耦合时的有效性就增强了。例如，一些已知的编码技术包括曼彻斯特编码、8/10编码等。

在本发明的RF天线的另一个实施例中，该RF天线还包括用于对数字数据进行解调和恢复的解调器电路。此解调器电路包括数字下变频器，后者能够把比特流的转换频带搬移回到主频带。此解调器电路还可以包括解码器电路，后者与编码器的作用相反，由此恢复出原始数据。举一个例子，在板上包含解调器和解码器电路的RF天线进一步确保，各部件之间的距离得以最小化。这样就降低了携载数字化和/或编码信号的线路中共模耦合的可能性。较短的距离还可以减少沿着电方向所需的HP滤波器的数量。

在本发明的RF天线的另一个实施例中，所述RF天线还包括用于把所述数字数据转换成光信号的光驱动器电路。于是，光信号就可以通过光缆传输到位于远方的接收机。

本发明的另一个目的是提供一种对RF范围内的共模耦合不敏感的MR成像系统。

这一目的通过本文开篇所说的包括这种RF天线在内的MR成像系统来实现，其中，此RF天线还包括频率转换器，用于转换数字数据的主频带，其中的主频带包括所测定的频率。

本发明的另一个目的是提供一种对所获取的磁共振信号的主频带进行转换以使经过转换的信号对RF范围内的共模耦合不敏感的方法。

这一目的通过把使用本文开篇所说的这种RF天线接收到的MR信号的主频带进行转换的方法来实现，该方法还包括：使用频率转换器，转换数字数据的主频带的步骤，其中，所说的主频带包括所测定的频率。

附图说明

下面将基于实施例，以举例说明的方式结合附图详细描述本发明的这些方面和其它方面，其中：

图1示出了本发明的RF天线；

图2示出了本发明的RF天线的一个实施例，其中，共振拾取器电路、模数转换器和频率转换器安置在绝缘衬底上；

图3示出了本发明的RF天线的另一个实施例，其中，数字信号的频率调高了，从而它包含明显高于所测定频率的频率分量；

图4示出了本发明的RF天线的另一个实施例，其中，优选的情况是，数字信号进行了编码；

图5示出了本发明的RF天线的另一个实施例，其中，经过调制和/或编码的数字数据分别进行解调和/或解码；

图6示出了本发明的RF天线的另一个实施例，其中，多个模数转换器的输出用复用器器/加法器电路进行复用或相加；

图7示出了包括本发明的RF天线在内的MR成像系统；

图8示出了把磁共振信号的主频带转换成转换频带的方法；

图9示出了计算用于确定数字数据传输速率的数学乘积的方法。

具体实施方式

应当注意的是，在不同附图中使用的对应标记表示对应的结构。

图1示出了本发明的RF天线的框图，此RF天线包括感应元件102、预放大器103、ADC电路105、加法器电路106和滤波器108。ADC电路105和加法器电路106的时钟速率同步于箭头107表示的系统时钟。ADC电路105和加法器电路106的输出是通过LVDS管道109传输的低电压差分信号(LVDS)。

此RF天线包括由感应元件102形成的共振电路，例如，形式为环线的表面线圈或鸟笼(birdcage)线圈。感应元件102拾取来自有关对象(例如，患者的有关部位)的MR信号。预放大器103也被称作低噪声放大器或LNA，它放大MR信号，然后由ADC电路105进行数字化。ADC 105和加法器电路106还将数字化MR信号进行串行化，然后通过LVDS管道109发送出去。滤波器108滤掉不想要的信号，包括RF范围内的可能共模信号。根据外部信号的干扰量以及LVDS管道109的长度，沿着LVDS管道109方向可能需要多个滤波器108。

串行化的LVDS的传输速率取决于：ADC 105的数量乘以每个ADC的比特数量乘以ADC时钟速率。所以，ADC电路105连同加法器电路106以及相关的连接，一起形成MR信号的数字频率转换器。上述各参数的典型值为：每个感应元件102对应2个ADC 105，每个ADC对应16比特，时钟速率为50MHz，由此得出的典型传输速率为1600Mbps。上面的这组参数只是举例而已，其它配置同样适合本发明。

图2示出了本发明的RF天线的另一个实施例，此RF天线包括感应元件102、预放大器103、ADC电路105、加法器电路106、滤波器108和绝缘衬底201。ADC电路105和加法器电路106的时钟速率同步于箭头107表示的系统时钟。ADC电路105和加法器电路106的输出是通过LVDS管道109传输的低电压差分信号(LVDS)。

预放大器103、ADC电路105、加法器电路106和滤波器108装配在绝缘衬底201上。也可以把感应元件102装配在绝缘衬底201上。应当注意的是，可以用多个绝缘衬底形成此电路，这时，在图示的各部件之间有合适的互连线。把各种部件装配在绝缘衬底上的优点在于：减少各种连接线109的长度。这可以进一步降低外部信号的干扰，包括RF范围内的共模耦合，并且，降低对多个滤波器级108的需要。但是，根据外部信号的干扰量以及LVDS管道109的长度，沿着LVDS管道109方向仍可能需要多个滤波器108。

图3示出了本发明的RF天线的另一个实施例，此RF天线包括感应元件102及其相关电路，包括一个LNA 103、一个或多个ADC电路105、一个加法器电路106和一个高通滤波器308。还提供了调整器信号301，其用来调整加法器电路106的时钟频率。一个或多个ADC电路105同步到加法器电路的时钟频率，如箭头107所示。

对RF天线的配置举一个例子，ADC电路105的数量以及每个ADC的比特数量可以是固定的。但是，时钟速率却可以是可变的。因此，一种频率搬移方法是，把ADC电路105的时钟速率调整到足够高的值。在上移的频率范围内通过LVDS管道109传输的信号可以通过HP滤波技术进行滤波或者“RF捕获”。ADC电路105的时钟速率同步到加法器电路106的时钟频率，如箭头107所示。例如，从包括数控振荡器或者压控振荡器等在内的时钟生成电路(没有显示)，可以导出调整器信号301。时钟生成电路是公知的现有技术。

应当注意的是，也可以使用其它频率搬移技术，例如，零填充等内插技术，然后进行适当的滤波等，在本发明的其它实施方案中搬移频率。

图4示出了本发明的RF天线的另一个实施例，此RF天线包括感应元件102及其相关电路，包括LNA 103、ADC电路105、加法器电路106、高通滤波器308和编码器401。还提供了调整器信号301，用来调整加法器电路106的时钟频率。ADC电路105和编码器401同步到系统时钟，如箭头107所示。

由于MR信号的数字化和串行化，LVDS管道109中传输的比特模式可能包含与感应元件102采样的原始Larmor频率接近的频率分量。例如，我们考虑每个采样的比特长度是24个比特。如果采样频率为50MHz，则比特传输率就是24x50＝1.2Gbps。根据各个比特的值，所得的波形可能具有各种频率分量，范围是从0Hz到600MHz。如果考虑每个采样的比特长度是48个比特，那么，以相同的采样频率50MHz，则所得比特流中的频率分量范围将是从0Hz到1.2GHz。这些计算的进一步细节如表1所示。

表1

为了使获得的比特模式的等效宽度处于氢核子(质子或者1H，其在64MHz周围以1.5T共振)的Larmor频率范围内，对于所考虑的比特流的每个部分而言，比特流应该有大约19个相邻的1和0。为了能够有效地通过LVDS管道109传输这样的波形，专门用于俘获共模电流或电压的HP滤波器308应该具有接近64MHz的截止频率。这可能致使HP滤波器308的电容值很高，从而大大降低共模捕获的效率。

当包含大约19个连续1或0在内的比特模式通过LVDS管道109传输时，由于感应元件102离LVDS管道109较近，所以，它也可能会从LVDS管道109接收到信号。此信号可再次进行数字化和串行化，然后通过LVDS管道109重发。因此，如果传输的LVDS包含处于原始共振频率范围内的频率，就会形成不理想的反馈回路。为了能够滤掉这样不理想的反馈信号，编码器401先对数字化的信号进行编码，然后再通过LVDS管道109将其传输。编码技术一般把传输比特流的频率搬离镜像旋转的共振频率，从而防止调谐好的感应元件102拾取来自传输比特流的信号。例如，可能的编码技术包括不返零(NRZ)编码技术。例如，曼彻斯特编码技术向波形中引入更多的转变而分割任何连续1或0模式，所以，此举可以提高比特流的频率。

图5示出了包括本发明的RF天线在内的RF接收机501的一个实施例，此RF天线包括感应元件102、预放大器103、ADC电路105、加法器电路106，加法器电路106通过滤波器108连接到附加的电子电路502。例如，附加的电路502包括数字下变频器或DDC、系统时钟恢复电路、解码器电路、加法器电路、光驱动器电路等，从而提供了恢复原始数字MR信号的手段。它还提供了通过电线504、光纤线缆503或者以无线方式等把RF接收机501连接到外界的手段。ADC电路105的时钟速率同步到系统时钟，如箭头107所示。优选情况下，感应元件102连同相应的预放大器103、ADC电路105、加法器电路106、滤波器108以及包括解调器、系统时钟恢复或同步电路、解码器电路、加法器电路、光驱动器电路等在内的附加电路502，一起形成RF天线不可分割的一部分。或者，附加的电路502可以位于远离RF天线的地方，并且，通过滤波器108连接到RF天线。根据来自外部信号的干扰量以及LVDS管道109的长度，沿着LVDS管道109可能需要多个滤波器108。RF接收机501可以包括多个RF天线，其中的每个天线都包括感应元件102以及上面描述的相关电路。

图6示出了本发明的RF天线的另一个实施例，此RF天线包括多个感应元件102以及相关的电子电路，包括通过滤波器108连接到复用器/加法器601的多个LNA 103以及多个ADC电路105。ADC电路105的时钟速率同步到系统时钟，如箭头107所示。ADC电路105和复用器/加法器601的输出是通过LVDS管道109传输的低电压差分信号(LVDS)。

复用器/加法器601能实现各感应元件102之间的切换，例如，在相控阵线圈的情况下即如此。因此，优选情况是，不必移动患者，就能扫描患者的不同部位。或者，复用器/加法器601也可用作加法器电路，在这种情况下，对多个感应元件102的输出求和，例如，从而提高信噪比。复用器/加法器601也可用在混合模式下，此时，它能够选择不同的感应元件102，还能对它们的输出求和。应当注意的是，优选情况下，在采用包括多个感应元件102的配置的ADC 105的输出端提供滤波器108，因为不同感应元件102之间的共模耦合也需要进行RF捕获。复用器/加法器601可以是RF天线不可分割的一部分。或者，复用器/加法器601可以位于远离感应元件102的地方，如图所示进行适当连接。根据LVDS管道的长度以及外部干扰信号的强度，在每个ADC 105输出端可以使用多个滤波器级108。

图7示出了包括本发明的RF天线在内的MR成像系统的框图。此MR成像系统包括一组主线圈701、连接到梯度驱动器单元706的多个梯度线圈702以及连接到RF线圈驱动器单元707的RF线圈703。RF线圈703可以作为主体线圈集成到磁铁中或者是分开的表面线圈，它的功能由发射/接收(T/R)开关713进一步加以控制。多个梯度线圈702和RF线圈由供电单元712供电。传送系统704(例如，为患者工作台)用于把相关对象705(例如，患者)放置在MR成像系统内。控制单元708控制重建单元709、显示单元710(例如，显示屏或投影仪)、数据存储单元714、光转换单元714和用户输入接口单元711(例如，键盘、鼠标、轨迹球等)的操作。

主线圈701产生稳定和均匀的静态磁场，例如，场强为1T或1.5T。本发明也适用于任何其它场强。主线圈701的设置方式使得，它们一般包围住放入了相关对象705的隧道形检查空间。另一种公用配置包括使柱面相反，从而可以使用传送系统704在它们之间的空气间隙中放入相关对象705。为了能进行MR成像，由多个梯度线圈702根据梯度驱动器单元706提供的电流，产生叠加在静态磁场上的时变磁场梯度。供电单元712与电梯度放大电路相配合，向多个梯度线圈702提供电流，从而，产生梯度脉冲(也被称为梯度脉冲波形)。为了创建合适的梯度波形，控制单元708控制流经梯度线圈的电流的特征，主要是强度、持续时间和方向。RF线圈703在相关对象705中产生RF激励脉冲，并且，接收相关对象705根据这些RF激励脉冲生成的MR信号。RF线圈驱动器单元707为RF线圈703提供电流，以用于传输RF激励脉冲，并且，放大RF线圈703收到的MR信号。一个RF线圈或者一组RF线圈的收发功能由控制单元708通过T/R开关713加以控制。T/R开关713所配备的电子电路将RF线圈在收发模式之间切换，并保护RF线圈及其它相关电子电路免遭击穿或者其它过载情形等。控制单元708控制所传输的RF激励脉冲的特征，主要是它们的强度和持续时间。应当注意的是，虽然在这个实施例中把收发线圈显示成一个单元，但是，收和发也可以分别使用不同的线圈。也可以有多个RF线圈703用于收或发，或者同时收发。RF线圈703可以以主体磁铁的形式集成到磁铁中，或者，可以是分开的表面线圈。它们可以具有不同的几何形状，例如，鸟笼式配置或简单的环路配置等。控制单元708最好是包括处理器(例如微处理器)的计算机。控制单元708通过过T/R开关713控制RF脉冲激励的施加以及MR信号的接收。用户输入接口设备711(如键盘、鼠标、触摸屏、轨迹球等)能使操作者和MR成像系统进行交互。

光转换单元714接收经过解调和解码的MR信号，把光信号转换成电信号。转换出来的电信号包含要成像的相关对象705的相关部位中的局部旋转密度的实际信息。收到的信号由重建单元709进行重建，然后，作为MR图像显示在显示单元710上。在等待进一步处理的同时，也可以把来自重建单元709的信号存储在存储单元715中。重建单元709最好构建成数字图像处理单元，其经过编程，可获取从RF线圈703接收的解调MR信号。

图8示出了把磁共振信号的主频带转换成转换频带的方法的实施例，此方法包括：步骤801，以所测定的频率拾取磁共振信号；步骤802，把磁共振信号转换成数字数据；步骤803，转换主频带，其中的主频带包括所测定的频率。

图9示出了把磁共振信号的主频带转换成转换频带的方法的另一个实施例，此方法包括：步骤801，以所测定的频率拾取磁共振信号；步骤802，把磁共振信号转换成数字数据；步骤901，将ADC的数量乘以每个ADC电路的比特数量和乘以ADC电路的时钟速率，从而计算出传输速率；步骤902，以此传输速率串行发送数字数据。转换频带的上限取决于数字数据的传输速率，而比特流的实际频率分量则取决于比特流自身的数据内容。例如，在表1中列出了转换频带的上限以及比特流的实际频率内容。

应当注意的是，上述实施例用来说明、而非限制本发明，并且，本领域普通技术人员能够在不脱离所附权利要求的保护范围的前提下设计出很多替代性的实施例。在权利要求书中，圆括号内包含的所有标记不应解释为对权利要求构成限制。“包括”一词并不排除权利要求中所列部件或步骤之外还存在其它部件或步骤的可能性。部件前面的“一个”、“一种”等冠词并不排除存在多个这种部件的可能性。有些手段记载在相互不同的从属权利要求中，仅仅这一事实并不表示这些手段的组合不具有优点。

Claims

1.一种射频天线，包括：

共振拾取器电路(102)，用于以测定的频率拾取磁共振信号；

模数转换器(105)，用于把所述磁共振信号转换成数字数据；

频率转换器，用于转换所述数字数据的主频带，其中，所述主频带包括所述测定的频率，

其中，所述频率转换器把所述数字数据的主频带转换成高于所述测定的频率的转换频带，使得能够使用高通滤波器消除RF范围中的共模耦合。

2.权利要求1所述的射频天线，还包括：

绝缘衬底(201)，

其中，所述共振拾取器电路(102)、所述模数转换器(105)和所述频率转换器就安置在所述绝缘衬底(201)上。

3.权利要求1或2所述的射频天线，所述射频天线还包括：

用于对所述数字数据进行编码的编码器(401)。

4.权利要求1所述的射频天线，所述射频天线还包括：

用于对所述数字数据进行解调的解调器电路(502)。

5.权利要求3所述的射频天线，所述射频天线还包括：

用于把所述数字数据转换成光信号的光驱动器电路(502)。

6.一种磁共振成像系统，包括：

权利要求1至5中任意一项所述的射频天线。

7.一种用于转换磁共振信号主频带的方法，所述磁共振信号是由权利要求1所述的射频天线接收的，所述方法包括：

步骤(801)：使用感应元件(102)，以测定的频率拾取所述磁共振信号；

步骤(802)：使用模数转换器(105)，把所述磁共振信号转换成数字数据；

步骤(803)：使用频率转换器，转换所述主频带，其中，所述主频带包括所述测定的频率，

8.权利要求7所述的方法，所述方法包括把所述磁共振信号的主频带转换成转换频带，所述方法进一步包括以下步骤：

计算以下三项的数学乘积：

模数转换器的数量，

每个模数转换器电路的比特数量，

该模数转换器电路的时钟速率，

以所述数学乘积确定的速率，串行发送所述数字数据，

其中，所述转换频带的上限取决于所述数学乘积。