ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ ДЛЯ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ БЕЗ СОГЛАСУЮЩИХ СХЕМ
TRANSMISSION LINE FOR RADIO FREQUENCY SIGNALS WITHOUT MATCHING CIRCUITS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электрически проводящей линии передачи для передачи радиочастотных сигналов, в частности для передачи магнитно-резонансных сигналов, между передающей и/или принимающей катушкой и передающим и/или принимающим блоком.
Настоящее изобретение также относится к электрическому сопутствующему устройству или вспомогательному оборудованию, в частности катетеру, содержащему такую линию передачи.
Настоящее изобретение также относится к системе магнитно-резонансного формирования изображения.
Описание предшествующего уровня техники
Использование катетеров, содержащих проводящие элементы в оборудовании магнитно-резонансного формирования изображения, создает серьезные проблемы безопасности, которые, главным образом, обусловлены эффектами радиочастотного нагрева. Это препятствует практическому применению многих чрескатетерных интервенционных инструментов и, таким образом, затрудняет интервенционные процедуры, осуществляемые под управлением магнитно-резонансного формирования изображения, несмотря на очевидные преимущества данного способа формирования изображения, такие как получение изображения высоким контрастом мягких тканей и отсутствие ионизующего излучения.
Для надежной безошибочной визуализации катетера в магнитно-резонансном изображении необходимо соединить принимающую антенну (например, малую катушку или бесконтурную антенну) у ее конца с приемником магнитно-резонансного сканера. Одним из способов выполнения данного соединения, не вызывающего опасный радиочастотный нагрев, является выполнение трансформаторов в линии передачи как описано, например, в WO 2006/003566. Трансформаторы предотвращают наведение синфазных токов, при этом могут пропускать дифференциальные токи, подобные магнитно-резонансному сигналу.
Один из способов регулирования трансформаторов, использующих согласующие схемы с дополнительными сосредоточенными элементами, содержащие, по меньшей мере, один Т, L и π квадруполь, причем каждый содержит, по меньшей мере, два элемента полного сопротивления, в виде конденсатора и/или индуктивности, описан в WO 2005/103748.
0
Для оптимальной передачи сигнала необходимо согласовать полное выходное сопротивление какого-либо трансформатора в линии передачи с его комплексно-сопряженной величиной (согласование мощности). Это может быть выполнено посредством использования согласующих схем, как описано в WO 2005/103748. В частности, используется схема для согласования выходного сигнала трансформатора для линии передачи, имеющей обычно полное сопротивление Z=50 Ом. Тогда данная линия согласована на ее конце, использующем другую схему для входного сигнала следующего трансформатора. Согласующие схемы содержат сосредоточенные элементы, обычно конденсаторы.
С одной стороны, нелегко спаять эти согласующие схемы из-за малого размера, который требуется для встраивания в катетер. С другой стороны, каждый дополнительный спаяный узел является возможным источником неисправности, особенно в гибком катетере, где может иметь место напряжение и скручивающий момент.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является обеспечение электрически проводящей линии передачи для передачи радиочастотных сигналов, в частности для передачи магнитно-резонансных сигналов, между передающей и/или принимающей катушкой и передающим и/или принимающим блоком, избегая или, по меньшей мере, количественно уменьшая согласующие схемы.
Другой целью является обеспечение соответствующего электрического сопутствующего устройства или вспомогательного оборудования, в частности катетера, а также соответствующей системы магнитно-резонансного формирования изображения.
L
В первом аспекте настоящего изобретения представлена электрически проводящая линия передачи, которая содержит множество участков проводника, соединенных только посредством трансформаторов, имеющих полное сопротивление Z трансформатора, расположенных между двумя смежными участками проводника,
0
r
в которой для согласования мощности двух трансформаторов, расположенных на противоположных концах участка проводника, вышеупомянутый участок проводника имеет низкое полное сопротивление Z участок проводника и/или высокую диэлектрическую постоянную ε и
в которой длина l вышеупомянутого участка проводника определяется посредством
0
где =2/,  и λ - длина волны магнитно-резонансных сигналов в вакууме.
В другом аспекте настоящего изобретения представлено электрическое сопутствующее устройство или вспомогательное оборудование, в частности катетер, содержащий линию передачи, в соответствии с настоящим изобретением, в частности, для соединения электрического сопутствующего устройства или вспомогательного оборудования с соединительным блоком в системе магнитно-резонансного формирования изображения.
В другом аспекте настоящего изобретения также представлена система магнитно-резонансного формирования изображения, содержащая линию передачи в соответствии с настоящим изобретением и/или, по меньшей мере, одно электрическое сопутствующее устройство или вспомогательное оборудование в соответствии с настоящим изобретением.
Предпочтительные варианты осуществления данного изобретения определяются в зависимых пунктах формулы изобретения. Станет понятно, что электрическое сопутствующее устройство или вспомогательное оборудование по п.7 и система магнитно-резонансного формирования изображения по п.8 имеют похожие и/или идентичные варианты осуществления, как определено в зависимых пунктах формулы изобретения.
Данное изобретение основано на принципе выбора соответствующих участков проводника линии передачи. Поскольку сосредоточенные элементы или согласующие схемы не используются для согласования мощности трансформаторов, что достигается исключительно посредством самих участков проводника, также можно выполнить линию передачи намного меньшего профиля, что облегчает интеграцию в катетер.
Таким образом, может быть предотвращено генерирование синфазного сигнала на оплетке кабеля. Такой синфазный сигнал, например, в магнитном резонансном сканере вызывает сильные электрические поля на конце электрических кабелей, которые нагревают или даже обжигают окружающие ткани. На линиях передачи, имеющих короткую длину, внешнее поле не может или только в малой степени возбуждает синфазный сигнал.
r
r
r
r.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления участки проводника имеют диэлектрическую постоянную ε, равную величине, по меньшей мере, 3, в частности равную 10. Диэлектрическая постоянная εобычного коаксиального кабеля (50 Ом) соответствует величине в пределах от 2 до 3. Имеются материалы, имеющие более высокие значения диэлектрической постоянной ε, и нужно выбрать подходящие материалы в соответствии с желаемым применением кабеля, например необходимая упругость и гибкость. В качестве примера полимерных композитов могут быть использованы, например, поливинил-бутурал/свинец цирконат-титановые композиты (как, например, описаны C.Xiong и др., Поливинил-бутурал/свинец цирконат-титановые композиты с высокой диэлектрической постоянной и низкими диэлектрическими потерями, Scripta Materialia, 55(9), 835-837, 2006). Другими возможными материалами являются соединение проводящих полианилиновых частиц с поли(винилиденфторид-трифторэтилен-хлоротрифторэтилен) терполимерной решеткой (как описано C.Huang и др., Композиты полимеров, получаемые путем вымывания, с высокой диэлектрической постоянной, Письма в журнал технической физики (Applied Physics Letters), 82(20) 3502 (2003)) или композиты металлофталаоцианина олигомера или поли(винилиден-трифторэтилен) сополимера (как описано в US 6852416). Также, главным образом, можно структурно стабилизировать коаксиальный кабель и заполнить пространство между проводниками посредством соответствующей жидкости, например глицерином, имеющим высокое значение ε
0
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения участки проводника имеют полное сопротивление Zучастка проводника величиной ниже 50 Ом, в частности ниже 10 Ом. Полное сопротивление участка проводника должно быть, по возможности изготовления, низким. Для коаксиального кабеля с полным сопротивлением 50 Ом отношение диаметра внешнего проводника к диаметру внутреннего проводника приблизительно равно 5,2, в то время как для коаксиального кабеля с полным сопротивлением коаксиального кабеля 10 Ом отношение диаметров приблизительно равно 1,3, то есть посредством уменьшения упомянутого отношения полное сопротивление участка проводника может быть снижено. Например, трехпроводные кабели имеют полное сопротивление 9 Ом между вторым и третьим проводниками (центральный проводник не используется в этом случае).
Предпочтительно участки проводника имеют длину, которая намного меньше, чем λ/2 синфазного сигнала. Это является возможным в основном благодаря использованию трансформаторов, соединяющих участки проводников, и предотвращает генерирование синфазного сигнала и резонансов, то есть линия передачи является, таким образом, магнитно-резонансно безопасной.
Участки проводника содержат преимущественно параллельные проволоки, в частности полосковые линии передачи, или коаксиальные кабели.
Предпочтительно участки проводника, в частности геометрия, материалы и покрытие участков проводника, выбраны так, что магнитное поле, генерируемое посредством стоячей волны, формируемой во время работы в линии передачи, не экранировано. Магнитное поле, сформированное такой стоячей волной в окрестности вокруг линии передачи, может, таким образом, быть измерено и видимо на изображениях, полученных посредством системы магнитно-резонансного формирования изображения, что является предпочтительным свойством для многих медицинских приложений.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и разъяснены посредством ссылки на вариант(ы) осуществления, описанный в дальнейшем. На следующих чертежах
Фиг.1 изображает схематический вид сбоку аппарата магнитно-резонансного формирования изображения;
Фиг.2 изображает схематическое представление сопутствующего устройства в соответствии с изобретением;
Фиг.3 изображает вариант осуществления общеизвестной радиочастотной линии передачи; и
Фиг.4 изображает вариант осуществления радиочастотной линии передачи в соответствии с изобретением;
Подробное описание изобретения
0
Фиг.1, для примера, изображает компоненты открытого аппарата магнитно-резонансного формирования изображения, которые являются наиболее важными для генерации и приема магнитных полей в зоне 1 обследования. Выше и ниже зоны 1 обследования предусмотрены соответствующие магнитные системы 2, 3, которые генерируют преимущественно однородное основное магнитное поле (поле B для намагничивания объекта исследования, то есть для выравнивания ядерных спинов), плотность магнитного потока (магнитная индукция) которого может быть порядка величины от нескольких десятых тесла до нескольких тесла. Основное магнитное поле в основном проходит через пациента Р в направлении, перпендикулярном к продольной оси пациента (то есть в направлении оси x).
1
Плоские или, по меньшей мере, приблизительно плоские радиочастотные проводящие структуры (резонаторы), выполненные в виде радиочастотных передающих катушек 4 («корпусные катушки»), предусмотрены для генерации радиочастотных импульсов (поле B) магнитно-резонансной частоты, посредством которых ядерные спины возбуждаются в исследуемой ткани, причем упомянутые радиочастотные катушки 4 для передачи расположены на соответствующих магнитных системах 2 и/или 3. Радиочастотные принимающие катушки 5 предусмотрены для приема последующих релаксационных событий в тканях; эти катушки 5 могут также быть выполнены в виде структур (резонаторов) радиочастотного проводника, предусмотренных, по меньшей мере, на одной из магнитных систем 2, 3. В качестве альтернативы, один общий радиочастотный резонатор может также быть использован для передачи и приема, если это является удобным, для переключения, или два радиочастотных резонатора 4, 5 могут совместно служить для альтернативной передачи или приема.
Кроме того, для пространственного различения и разрешения релаксационных сигналов, исходящих из ткани пациента P (местонахождение возбужденных состояний), также предусмотрено множество градиентных катушек 7, 8 магнитного поля, посредством чего генерируются три градиентных магнитных поля, которые продолжаются в направлении оси x. В соответствии с этим первое градиентное магнитное поле изменяется, главным образом, линейно в направлении оси x, в то время как второе градиентное магнитное поле изменяется, главным образом, линейно в направлении оси y, и третье градиентное магнитное поле изменяется, главным образом, линейно в направлении оси z.
Для определенных исследований необходимы электрические сопутствующие устройства или вспомогательное оборудование. Такими устройствами являются, например, радиочастотные поверхностные катушки 6, которые используются в дополнение или в качестве альтернативы к плоским радиочастотным принимающим корпусным катушкам 5 и которые расположены как радиочастотные принимающие катушки непосредственно на пациенте Р или в обследуемой зоне. Данные радиочастотные поверхностные катушки 6, главным образом, сконструированы в виде гибких накладок или манжет.
Кроме того, для выполнения обработки пациента Р, или для извлечения образца ткани, или для определения параметров ткани применяют широко распространенный катетер 10, который вводится внутрь пациента и чье положение должно быть визуализировано на экране дисплея. Различные активные способы и пассивные способы (WO 99/19739), так же как глобальное и локальное определение или стратегии слежения, являются общеизвестными для этой цели (Barlets и Bakker в статье «Эндоваскулярное интервенциональное магнитно-резонансное формирование изображения», издательство Института физики, Физика в медицине и биологии (Physics in Medicine and Biology), 48 (2003), R37-R64).
Фиг.2 изображает схематическое представление такого сопутствующего устройства, выполненного в виде катетера 10. На конце катетера (или в положении на небольшом удалении от него) может быть расположен передающий и/или принимающий блок 11, например, в форме микросхемы, на которой выполнены необходимые компоненты наподобие катушки (а также, возможно, датчики), или конец обеспечен сенсорами или другими средствами в соответствии с известным уровнем техники. На конце катетера 10, который расположен с наружной стороны пациента Р, соединительный блок 12 предусмотрен в виде блока электропитания, и/или принимающего устройства, и/или устройства управления, и/или блока переключения (не показано), который соединен посредством соединительного звена (соединительного проводника) или посредством линии 13 передачи, которая проходит через катетер, с передающим и/или принимающим блоком 11 и посредством которого передающий и/или принимающий блок 11 приводится в действие и можно передавать измеряемые величины и данные от датчиков и других компонентов.
В случае сопутствующего устройства, выполненного в виде поверхностных радиочастотных катушек 6, такие катушки также соединены посредством проводящего звена (соединительного проводника) или посредством линии 13 передачи с соответствующим соединительным блоком 12 (блоком электропитания, принимающим/передающим устройством и/или устройством управления).
Поле, генерируемое системой радиочастотных катушек, наводит радиочастотные синфазные токи в линии 13 передачи. В соответствии с изобретением предусмотрено безопасное проводящее звено (соединительный проводник) или линия 13 передачи, которая разъединена на участки проводника, соединенные посредством миниатюрных трансформаторов, которые согласованы друг с другом посредством самих участков проводника и без каких-либо дополнительных согласующих схем, как, например, описано в WO 2005/103748.
0
Фиг.3 изображает вариант осуществления участка такой общеизвестной радиочастотной линии 20 передачи. Упомянутая линия передачи в основном содержит участки 21 проводника, трансформаторы 22, 23 и согласующие схемы 24, 25 для согласования выходного полного сопротивления какого-либо трансформатора 22, 23 в линии передачи с его комплексно-сопряженной величиной (согласование мощности) для оптимальной передачи сигнала. Это может быть выполнено путем использования согласующих схем Т, L и π формы (как, например, показано в WO 2005/103748, например, Фиг.3). Таким образом, выходной сигнал трансформаторов 22, 23 согласован с линией передачи (участок 21 проводника), имеющей обычно полное сопротивление Z=50 Ом. Тогда данная линия согласована на ее конце, используя другую схему для входа следующего трансформатора.
Фиг.4 изображает вариант осуществления участка радиочастотной линии 30 передачи в соответствии с данным изобретением, который лишен таких согласующих схем посредством выбора соответствующих линий передачи, содержащих только трансформаторы 32, 33 и участки 31 проводника. Поскольку сосредоточенные элементы не используются как в тех согласующих схемах, то также можно выполнить линию передачи более меньшего профиля, что облегчает интеграцию в катетер.
L
Можно согласовать трансформаторы без специальных согласующих схем, используя преобразующие свойства линий передачи. Известно, что (не имеющая потерь) линия передачи длины l преобразует на ее конце нагрузку Zво входное полное сопротивление
0
где Z обозначает полное сопротивление линии передачи. β имеет вид 2π/λ, где λ - (дифференциальный сигнал) длина волны внутри кабеля, которая зависит от диэлектрической постоянной кабеля: .
Для оптимальной передачи мощности генератор должен быть ограничен его комплексно-сопряженным входным полным сопротивлением. Это подразумевает для (идентичных) трансформаторов в безопасной линии передачи:
input
L
Z=Z*,
что приводит к условию:
r
0
Это может быть легко выполнено регулированием l, λ (посредством ε) и/или Z. Полное сопротивление кабеля определяется геометрией кабеля, например:
параллельные провода:  (b=расстояние, a=диаметр проводника, b>>a)
коаксиальный кабель:  (d=внешний диаметр внутреннего проводника, D=внутренний диаметр внешнего проводника)
Ограничивающим условием для радиочастотной безопасности является результирующая длина l кабелей между трансформаторами. Она должна быть намного короче, чем λ/2 синфазного сигнала, который в основном определяется диэлектрическими свойствами материала, окружающего кабель. Наиболее подходящим решением, вероятно, является кабель, имеющий высокую диэлектрическую постоянную, так что длина волны дифференциального сигнала становится достаточно короткой, что также подразумевает, что требуемая длина l, вычисленная с помощью уравнения (1), остается короткой по сравнению с резонансом синфазного сигнала.
Поскольку в предлагаемом подходе линия передачи сама становится частью резонирующей структуры, она становится видна на магнитно-резонансном изображении, если используются параллельные провода. Также являются видимыми коаксиальные кабели, которые не являются совершенно концентрическими и не являются идеально экранированными. Это дополнительно помогает в определении места катетера. С другой стороны, тот же резонансный эффект устанавливает требование к потерям кабеля. Во избежание сильного ослабления сигнала должна быть использована линия передачи, имеющая очень низкое ослабление сигнала.
Кроме того, способ согласования трансформаторов, использующий линии передачи, может быть объединен с дополнительными сосредоточенными элементами. Можно добавить, например, только один параллельный конденсатор с каждой стороны трансформатора в сочетании с предлагаемым согласованием линии передачи.
L
r
0
r
0
r
0
r
Зная полное сопротивление Z трансформаторов, линии передачи могут быть непосредственно рассчитаны, что обеспечивает согласование мощности между ними. Существуют преимущественно три степени свободы: длина l, длина волны дифференциального сигнала λ, определяемая ε, и полное сопротивление Z (определяемое ε и геометрией). Оказывается, что низкое Z и высокая ε являются благоприятными, поскольку они обычно обеспечивают требуемую короткую длину кабеля. Это важно для радиочастотной безопасности всей сборки. Зная Z и ε, линия передачи может быть сокращена до требуемой длины l.
В основном как коаксиальные кабели, так и двухпроводные линии могут быть использованы для соединения с трансформаторами. Если трансформаторы в безопасной линии передачи могут быть построены с возможностью воспроизведения, можно создавать линии передачи и трансформаторы как одно целое без каких-либо дополнительных элементов.
Данное изобретение может быть использовано в сочетании с безопасной линией передачи, как описано в WO 2006/003566. Основным применением является выполнение электрических звеньев в магнитно-резонансном сканере (например, для принимающих элементов в интервенциональных устройствах), не вызывая опасный радиочастотный нагрев.
r
r
Далее, данный эффект изобретения будет показан, иллюстрируя пример. Доступный коаксиальный микрокабель имеет внешний диаметр, равный 0,5 мм, и потери около 1 дБ/м. Чтобы достичь согласования для выбранных трансформаторов, потребовались кабели 0,39λ. Поскольку кабель имеет диэлектрическую постоянную ε, равную 2,1, результирующая длина кабеля для 63,87 МГц была 1,25 м, то есть достаточно длинной. Допуская, что можно увеличить величину ε до 20, полное сопротивление кабеля будет уменьшено до приблизительно 16 Ом без изменения геометрии. При использовании этого типа кабеля для согласования необходима электрическая длина, равная 0,22λ, что, в свою очередь, приводит к тому, что длина кабеля равна 23 см. Это может рассматриваться как магнитно-резонансная безопасность, а также потери будут значительно сокращены. В качестве альтернативы, полное сопротивление кабеля может также быть изменено посредством изменения только его геометрии, то есть посредством изменения радиусов внутреннего и внешнего проводников. Если полное сопротивление изменено таким образом до 10 Ом, для согласования необходимы участки кабеля электрической длины, равной 0,15λ.
r
Данное изобретение основано на идее о том, что в случае трансформаторов, соединяющих участки проводника линии передачи, можно осуществить согласование мощности посредством некоторой линии передачи регулированием ее длины. Это в основном даже не требует специальных кабелей. Получаемая в результате длина, в применении к магнитному резонансу, должна быть магнитно-резонансно безопасной, что требует высокой диэлектрической постоянной ε и/или низкого полного сопротивления кабеля.
Другая идея состоит в том, что в случае согласования кабеля резонирующие токи (упомянутая выше стоячая волна) трансформатора также присутствуют в линии передачи, что внутренняя линия передачи может быть визуализирована в магнитно-резонансном изображении, что будет высоко оценено инвазивной радиологией. Если известные согласующие схемы используются для согласования, такие стоячие волны не появляются на линии передачи, поскольку они согласованы.
В соответствии с изобретением могут быть достигнуты дополнительные важные усовершенствования, поскольку создание линии передачи без согласующих схем является более легким и линия передачи может быть намного меньшей, что является большим преимуществом, учитывая использование внутри катетеров. Также риск неисправности значительно уменьшен.
Хотя данное изобретение было иллюстрировано и подробно описано в чертежах и в предшествующем описании, такую иллюстрацию и описание следует рассматривать как иллюстрирующую или как примерную, но не как ограничивающую; данное изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Другие варианты для раскрытых вариантов осуществления могут быть понятны и осуществлены специалистами в данной области техники при осуществлении на практике заявленного изобретения, от изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, и единственное число не исключает множественного числа. Один элемент или другой блок может выполнять функции нескольких пунктов, перечисленных в формуле изобретения. Сам факт того, что некоторые оценки перечислены в различных взаимозависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что сочетание этих оценок не может быть использовано для преимущества.
Любая ссылка, отмеченная в формуле изобретения, не должна быть истолкована как ограничение объема изобретения.