КОНСТРУКЦИЯ СХЕМЫ ПИТАНИЯ ДЛЯ ПОДАЧИ РАДИОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА НА МНОЖЕСТВО КАТУШЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ СИСТЕМЕ КАТУШЕК
POWER SUPPLY CIRCUIT DESIGN FOR TRANSMITTING RF SIGNAL TO MULTIPLE COIL ELEMENTS IN MAGNETIC-RESONANCE COIL SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к конструкции схемы питания для подачи радиочастотного (RF) сигнала на множество катушечных элементов магнитно-резонансной (MR) системы катушек. Изобретение дополнительно относится к соответствующей параллельной передающей системе, в частности, к параллельной приемо-передающей системе, для магнитно-резонансной системы и к способу для переключения катушечных элементов параллельной передающей системы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
1
Многоэлементные системы радиочастотных (RF) катушек становятся центральным компонентом магнитно-резонансных (MR) систем с большим полем для снижения SAR и улучшения однородности поля B. Кроме того, значительный интерес представляют собой системы локальных параллельных приемопередатчиков (TX) с меньшей напряженностью поля, поскольку они могут способствовать снижению стоимости системы.
В частности, в MR катушечных системах с множеством катушечных элементов, питаемых одним источником RF-сигнала, имеются известные конструкции для использования большего числа катушечных элементов, чем число передающих каналов системы. Это означает, что некоторые катушечные элементы питаются одновременно от одного канала передачи с помощью конструкции схемы питания, содержащей делитель мощности (разветвитель, гибридный ответвитель, - с фазосдвигающим устройством или без фазосдвигающего устройства) и множество питающих линий. Таким образом, могут быть установлены фиксированные соотношения амплитуды и фазы между катушечными элементами одного TX канала. Принцип может также использоваться в системах с единственным TX каналом (подобных системам с полем 1,5 Тесла) для питания матриц TX катушек.
В описании к патенту US 7,633,293 B2 показана очень сложная параллельная приемо-передающая система с источником RF-сигнала, магнитно-резонансной системой катушек с множеством катушечных элементов и схемой питания, содержащей множество питающих линий, причем каждая питающая линия для питания соответствующего катушечного элемента содержит усилитель мощности и переключающее устройство прием-передача для каждого катушечного элемента. Переключающее устройство прием-передача действует для переключения между схемами передачи и приема для каждого из катушечных элементов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель изобретения заключается в предоставлении простой, но динамически переключаемой конструкции схемы питания для подачи радиочастотного сигнала на множество катушек магнитно-резонансной системы катушек и параллельной приемо-передающей системы для магнитно-резонансной системы с магнитно-резонансной системой катушек, содержащей множество катушечных элементов.
Цель достигается посредством конструкции схемы питания в соответствии с п. 1 формулы и посредством параллельной приемо-передающей системы в соответствии с п. 14 формулы.
Конструкция схемы питания в соответствии с изобретением содержит (i) главную линию для присоединения источника радиочастотного сигнала; (ii) множество питающих линий, каждая питающая линия для присоединения соответствующего катушечного элемента системы катушек; (iii) делитель мощности, помещаемый между главной линией и множеством питающих линий для распределения сигнала на главной линии по каждой из питающих линий.
По меньшей мере одна из питающих линий содержит управляемую схему переключения с переключающим элементом для соединения/разъединения двух образующихся секций питающих линий, первая линейная секция на стороне разделителя и вторая линейная секция на стороне, присоединяемой к катушечному элементу. Переключающая схема дополнительно содержит по меньшей мере одну присоединяемую оконечную нагрузку для линейной нагрузки первой линейной секции, или главная линия содержит циркуляторное устройство, подключаемое к средству оконечной нагрузки. По меньшей мере один элемент оконечной нагрузки или средство оконечной нагрузки имеет заданное сопротивление оконечной нагрузки (импеданс оконечной нагрузки) для линейной нагрузки. Переключающие элементы управляются контроллером посредством DC-напряжений смещения (напряжение постоянного тока). Предпочтительно все питающие линии содержат управляемые переключающие схемы с соответствующим переключающим элементом. Переключатели позволяют осуществлять переключение отдельных катушечных элементов без выполнения соответствующей функции разделителя мощности (или эквивалентного устройства). Таким образом, матрица катушечных элементов может быть отрегулирована для фактической зоны обзора (FoV), таким образом, уменьшая SAR (SAR: Степень Удельного Поглощения) и возможные артефакты наложения. Конструкция схемы питания допускает выборочно деактивировать отдельные катушечные элементы, что дает дополнительные степени свободы для оптимизации полей передачи (TX) даже для систем с малым числом TX-каналов.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения по меньшей мере один элемент оконечной нагрузки или средство оконечной нагрузки, представляет собой пассивный компонент.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения по меньшей мере один элемент оконечной нагрузки соединен последовательно с дополнительным переключающим элементом для соединения элемента оконечной нагрузки с соответствующей первой секцией линии.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения элемент оконечной нагрузки для оконечной нагрузки линии по меньшей мере одной (незамкнутой) первой секции линии, соединенной с делителем мощности, имеет заданное сопротивление оконечной нагрузки 50 Ом или 100 Ом.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения дополнительный элемент оконечной нагрузки для оконечной нагрузки линии по меньшей мере одной (незамкнутой) секции второй линии, присоединяемой к соответствующему катушечному элементу, имеет заданное сопротивление оконечной нагрузки 0 Ом или 50 Ом, или 100 Ом или больше, чем 10 кОм, и содержит, при необходимости, λ/4 элемент для преобразования сопротивления оконечной нагрузки.
Обычно переключающие элемент(-ы) могут быть переключающими элементами любого типа, подходящими для RF-приложений. В соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения переключающий элемент(-ы) представляет собой точечный PIN-диод(-ы), и/или дополнительный переключающий элемент(-ы) представляет собой PIN-диод(-ы). Точечный PIN-диод представляет собой диод с широкой, слабо легированной, «квазисобственной» полупроводниковой областью между полупроводниковой областью p-типа и полупроводниковой областью n-типа. Области p-типа и n-типа обычно сильно легируются, поскольку они используются для омических контактов. Широкая квазисобственная область задает отличие от обычного PIN-диода. Широкая квазисобственная область делает PIN-диод подходящим для его применения в качестве очень быстрого переключателя.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения конструкция схемы питания дополнительно содержит по меньшей мере одно приемо-передающее переключающее устройство.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения по меньшей мере одно приемо-передающее переключающее устройство представляет собой переключающее устройство, независимое от по меньшей мере одной переключающей схемы. В соответствии с альтернативным предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения главная линия содержит одно приемо-передающее переключающее устройство, или каждая из питающих линий содержит одно из приемо-передающих переключающих устройств.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения делитель мощности представляет собой устройство разветвителя, или гибридное устройство, или по меньшей мере содержит блок разветвителя или гибридный блок. Разветвитель и гибридное устройство представляют собой известные устройства для разделения мощности главной линии по множеству линий. Делитель мощности содержит по меньшей мере один фазосдвигающий элемент для сдвига фазы в по меньшей мере одной питающей линии.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения все электрические компоненты конструкции схемы питания (компоненты разделителя мощности, линий и элементов оконечной нагрузки) за исключением по меньшей мере одного точечного PIN-диода являются пассивными компонентами.
Параллельная передающая система, в частности параллельная приемо-передающая система, для магнитно-резонансной системы в соответствии с изобретением включает в себя магнитно-резонансную систему катушек, содержащую множество катушечных элементов, источник RF-сигнала, вышеупомянутую конструкцию схемы питания и систему контроллера с контроллером для управления переключающими элементами схемы переключения.
В способе переключения катушечных элементов параллельной передающей системы в соответствии с изобретением, переключение выполняется посредством системы контроллера и переключающих элементов в зависимости от калибровочных данных и/или пользовательского ввода.
В соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения калибровочные данные представляют собой данные профиля чувствительности катушечных элементов и/или данные положений катушечных элементов.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения пользовательский ввод представляет собой выбор зоны обзора и/или выбор типа сканирования.
Изобретение дополнительно относится к устройству хранения данных, кодирующих программу в машинно-читаемой и машинно-выполнимой форме для выполнения вышеупомянутого способа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие объекты изобретения будут очевидны из пояснений в связи с описываемыми ниже вариантами реализации.
НА ЧЕРТЕЖАХ:
Фиг. 1 изображает параллельную приемо-передающую систему для магнитно-резонансной системы, содержащую конструкцию схемы питания,
Фиг. 2 - конструкция схемы питания в соответствии с первым предпочтительным вариантом реализации изобретения,
Фиг. 3 - конструкция схемы питания в соответствии со вторым предпочтительным вариантом реализации изобретения,
Фиг. 4 - конструкция схемы питания в соответствии с третьим предпочтительным вариантом реализации изобретения,
Фиг. 5 - конструкция схемы питания в соответствии с четвертым предпочтительным вариантом реализации изобретения,
Фиг. 6 - конструкция схемы питания в соответствии с пятым предпочтительным вариантом реализации изобретения,
Фиг. 7 - конструкция схемы питания в соответствии с шестым предпочтительным вариантом реализации изобретения,
Фиг. 8 - конструкция схемы питания в соответствии с седьмым предпочтительным вариантом реализации изобретения,
Фиг. 9 - конструкция схемы питания в соответствии восьмым предпочтительным вариантом реализации изобретения и
Фиг. 10 - блок-схема системы управления для переключающих элементов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
На фиг. 1 показана параллельная приемо-передающая система 10 для магнитно-резонансной системы с магнитно-резонансной системой 12 катушек, содержащей множество катушечных элементов 14, источник 16 радиочастотного (RF) сигнала и конструкцию 18 схемы питания для передачи радиочастотного сигнала источника 16 сигнала на множество катушечных элементов 14. Конструкция 18 схемы питания включает в себя главную линию 20, электрически соединяющую источник 16 радиочастотного сигнала и множество питающих линий 22, каждая питающая линия 22 – для соединения соответствующего катушечного элемента 14 системы 12 катушек. Конструкция 18 схемы питания дополнительно включает в себя делитель 24 мощности, расположенный между главной линией 20 и множеством питающих линий 22 для распределения сигнала от источника 16 сигнала (устройство, создающее сигнал) через главную линию 20 на питающие линии 22. Каждая из питающих линий 22 содержит управляемую переключающую схему 26 с переключающим элементом 28 для соединения/разъединения двух образующихся линейных секций 30, 32 соответствующей питающей линии 22. Делитель 24 мощности содержит разделительное устройство 34 и множество фазосдвигающих элементов 36 для сдвига фазы сигнала, передаваемого по каждой из питающих линий 22 отдельно. Приемо-передающая система дополнительно содержит систему 38 контроллера с контроллером 40 для управления переключающими элементами 28 схем 26 переключения (стрелки 42).
Имеется несколько вариантов реализации требуемого делителя 24 мощности, например разветвительное устройство 34, гибридное устройство, делитель мощности Уилкинсона, разветвитель мощности Гайзеля, кольцевой гибридный соединитель и т.д. Эти устройства распределяют входную мощность по множеству выходных портов. Разности фаз на этих выходных портах либо присущи конструкции разветвителя (например, 90° для гибридного устройства), либо могут быть реализованы дополнительными фазосдвигающими элементами 36 (например, линии передачи заданных длин). Эти делители 24 (разделители 34) могут также быть расположены каскадом для увеличения числа выходных каналов.
0
На фиг. 2 показана конструкция 18 схемы питания и, в частности, более подробно одна из схем 26 переключения на примере одной из питающих линий 22. Переключающая схема 26 содержит переключающий элемент 28 в питающей линии 22 между двумя линейными секциями 30, 32 и двумя соответствующими токовыми трактами кросс-соединения. Каждый токовый тракт кросс-соединения содержит элемент 44, 46 оконечной нагрузки с заданным импедансом Z оконечной нагрузки для оконечной нагрузки линии двух линейных секций 30, 32 соответствующей питающей линии в портах переключающего элемента 28. Каждый из элементов 44, 46 оконечной нагрузки соединен последовательно с дополнительным переключающим элементом 48, 50. Каждое из этих последовательных соединений связывает соответствующий порт переключающего элемента 28 с опорным потенциалом (земля 52). Дополнительные переключающие элементы 48, 50 также управляются контроллером 40.
На фиг. 3 показан второй вариант реализации конструкции 18 схемы питания. В этом варианте реализации два элемента 44, 46 оконечной нагрузки переключаются общим дополнительным переключающим элементом 48. Этот общий дополнительный переключающий элемент 48 соединен последовательно с параллельным соединением двух элементов 44, 46 оконечной нагрузки. Первый элемент 44 оконечной нагрузки из этих элементов оконечной нагрузки соединен с первой линейной секцией 30 и второй элемент 46 оконечной нагрузки соединен со второй линейной секцией 32.
На фиг. 4 показан третий вариант реализации конструкции 18 схемы питания. В этом варианте реализации переключающий элемент 28 реализован управляемым PIN-диодом 54, и дополнительный переключающий элемент 48 также реализован управляемым PIN-диодом 54. Конфигурация компонентов в целом соответствует конфигурации, показанной на фиг. 3.
0
0
Переключающие элементы 28 для отключения катушечных элементов могут быть реализованы, например, с использованием FET-переключателей (на полевых транзисторах), на реле или предпочтительно на PIN-диодах 54. Примерные установки переключения показаны на фиг. 2 и 3, а вариант реализации, применяющий PIN-диоды 54, изображен на фиг. 4. Выходные порты разделителя 24 мощности должны быть нагружены их характеристическим импедансом Z для гарантии надлежащего функционирования. Эти резисторы должны иметь возможность поглощать мощность, в противном случае передаваемую на катушку. Поскольку такие резисторы уже присутствуют во многих конструкциях разветвителя (Уилкинсон, Гайзель, ...), то переключатели и соответствующие элементы 44 оконечной нагрузки (с импедансом Z оконечной нагрузки) предпочтительно помещаются физически на стороне делителя/разветвителя 24.
0
На фиг. 5 показан четвертый вариант реализации конструкции 18 схемы питания. На фиг. 6 показан пятый вариант реализации конструкции 18 схемы питания. В этих вариантах реализации порты соответствующих катушечных элементов 14 не нагружены элементом оконечной нагрузки. Если катушечный элемент 14 отключен, то размыкание (Фиг. 5) или замыкание (Фиг. 6) реализуется в соответствующей питающей линии 22, что может быть преобразовано в размыкание в катушечном элементе 14, непосредственно применяющем соответствующие линии передачи. Таким образом, индуцированные токи в отключенных катушечных элементах 14 могут быть подавлены. Отключая катушечный элемент 14 предложенными переключателями, подсоединение к катушке также может быть нагружено на Z. В этом случае электрические свойства катушечного элемента 14 остаются идентичными, например индуцированные токи.
На фиг. 7 показан шестой вариант реализации конструкции 18 схемы питания. На этом чертеже обозначены возможные положения приемо-передающего (TX/RX) переключающего устройства 56. Имеются три возможных положения: (i) на главной линии, (ii) на первой линейной секции 30 соответствующей питающей линии 22 или (iii) на второй линейной секции 32 соответствующей питающей линии 22. Такого типа приемо-передающее переключающее устройство 56 представляет собой переключающее устройство, независимое от по меньшей мере одной переключающей схемы 26.
Переключающие TX/RX устройства 56 принципиально могут быть расположены перед делителем 24, позади делителя 24 перед предложенным переключателем и также позади предложенного переключателя, как изображено на фиг. 7. Последнее положение имеет преимущество в том, что RX оказывается всегда возможным независимо от состояния переключения. Если TX/RX переключающее устройство находится перед предложенным переключающим элементом, переключающий элемент должен быть закрыт для RX, но предусилитель и, таким образом, его шумовая связь с другими катушечными элементами может быть развязана от матрицы катушек посредством размыкания переключающего устройства 28. Это преимущественно, если соответствующий катушечный элемент 14 сильно не вкладывает в MR-сигнал, а скорее связывает шум для других катушечных элементов 14. Если TX/RX переключающее устройство 56 помещается перед делителем 24, то RX-сигналы уже объединены, и отдельные RX-сигналы для каждого катушечного элемента 14 не могут быть зарегистрированы.
На фиг. 8 показан седьмой вариант реализации конструкции 18 схемы питания. В этом варианте реализации переключающая схема 26 может быть осуществлена в TX/RX переключающем устройстве 56, как показано на фиг. 8, поскольку диод 54 обычно уже присутствует и может быть использован. Каждая питающая линия 22 содержит TX/RX переключающее устройство 56. Каждое из TX/RX переключающих устройств 56 включает в себя токовый тракт, содержащий последовательное соединение переключающего элемента 28 (PIN-диод 54) и λ/4 элемента 58 между токовыми трактами кросс-соединения с дополнительными переключающими элементами 48, 50. Вторая линейная секция 32 соответствующей питающей линии 22 ответвляется в узел между переключающим элементом 28 и λ/4 элементом 58 и приводит к соответствующему катушечному элементу 14.
На фиг. 9 показана конструкция схемы питания в соответствии с восьмым вариантом реализации изобретения без элемента 44 оконечной нагрузки в переключающей схеме 26. В этом случае главная линия 20 содержит циркуляторное устройство 60, соединенное со средством 62 оконечной нагрузки. Циркуляторное устройство 60 перенаправляет волну, отраженную разомкнутым портом по меньшей мере одного переключающего элемента 28, на средство 62 оконечной нагрузки.
Иначе говоря, оказывается также возможным не нагружать выходные порты делителя 24. Как уже сказано, это ухудшает его требуемую функцию, в частности согласование в его входном порту (присоединение к TX-усилителю). Если используется циркулятор вместе с согласованным резистором, то проблем функционирования не возникнет и, таким образом, это также представляет собой возможный вариант реализации изобретения.
Неотъемлемой частью параллельной передающей/приемной системы 10 является система 38 управления, которая выбирает состояние переключения отдельных TX-катушечных элементов 14. Эта система изображена на фиг. 10. Эта система 38 управления учитывает калибровочные данные (блок 64: профиль чувствительности катушек, измеренные положения катушек, ...) и пользовательский ввод (блок 66: зона обзора, тип сканирования, ...) и также гарантирует надлежащую синхронизацию операции переключения, выполняемой переключающими элементами 28 и/или дополнительными переключающими элементами 48, 50.
Хотя изобретение было проиллюстрировано на чертежах и подробно описано в приведенном описании, такую иллюстрацию и описание следует считать иллюстративными или примерными и неограничительными; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами реализации. Другие вариации к раскрытым вариантам реализации могут быть поняты и реализованы специалистами в данной области техники при осуществлении сформулированного изобретения из изучения чертежей, раскрытия и приложенной формулы. В формуле выражение «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, и выражения в единственном числе не исключают множества. Простой факт, что некоторые положения приведены во взаимно различающихся зависимых пунктах формулы, не указывает на то, что комбинация этих положений не может быть использована для получения преимуществ. Любые условные обозначения в формуле не следует рассматривать как ограничение объема притязаний изобретения.