射频线圈和磁共振成像系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种用于磁共振成像系统的射频线圈和磁共振成像系统，具体的说涉及射频线圈的静电保护。


背景技术：

2.磁共振成像系统是一种大型医疗诊断设备，在现代医院中得到广泛应用。磁共振成像系统是根据磁共振成像原理生成人体组织的二维或者三维图像的设备，常见的磁共振成像系统一般包括：产生静态均匀磁场b0的主磁体；射频系统，包括用于激发人体组织发生磁共振并接收共振信号的射频线圈；梯度系统，用于在成像空间产生梯度磁场、成像编码；以及计算机成像系统，用于处理磁共振信号，生成便于医生观察的视觉图像。
3.在磁共振系统中，射频磁场的激发和接收都是由射频线圈来完成的。在磁共振诊断过程中，工作人员需要预备相应的射频接收线圈，并帮助病患正确地就位于射频线圈和磁体中。为了能够方便病患容易地将诊断部位就位于射频线圈的成像区域，某些射频线圈被设计成具有开放的结构，例如头部线圈、膝关节线圈，线圈被设计成可以分离的两部分，线圈先被打开，被检查部位置于线圈中，然后再合拢，进入工作状态。这种射频线圈打开后有极少部分的电路结构裸露，合拢后也还有很小的缝隙，使用过程中有被患者或医护人员接触到裸露电气部分，造成静电放电冲击的风险。射频线圈输出的射频信号需要放大和图像处理、还需要与计算机成像系统的连接和匹配，所以需要抗静电冲击的设计，保障在其生产、调试、维修保养、以及使用的过程中的安全。
4.因此射频线圈在生产过程和使用过程中需要适当的静电防护，避免造成的元器件损伤/损坏，提高线圈的质量和性能稳定性。


技术实现要素：

5.本实用新型为了解决现有磁共振成像系统中射频线圈需要静电防护的问题，提供一种具有静电防护功能的用于磁共振成像系统的射频线圈和磁共振成像系统。
6.为了解决上述问题，本实用新型采用的技术方案如下所述：
7.一种射频线圈，包括具有容置空间的壳体，和内置于该壳体内部的线圈电路，所述线圈电路包括线圈单元电路；所述线圈单元电路输出磁共振信号到前置放大器；还包括连接所述线圈单元电路的静电防护电路。
8.在一个实施例中，所述的射频线圈，所述静电防护电路包括tvs二极管，还包括固有谐振频率等于磁共振频率的电感电容并联电路；所述电感电容并联电路与所述tvs二极管串联。
9.在一个实施例中，所述的射频线圈，所述电感电容并联电路中电感的值大于等于50nh，小于等于150nh。
10.在一个实施例中，所述的射频线圈，所述tvs二极管的工作电压大于等于5v，小于等于15v。或者，所述tvs二极管的工作电压大于等于5v，小于等于100v。
11.一种磁共振成像系统，包括如前述射频线圈。
12.本实用新型的射频线圈具有静电防护功能，在调试、维护和使用过程中保护前置放大器以及射频线圈免于静电放电的冲击，并且静电防护电路使用普通的tvs二极管，使用串联电感电容并联电路来保护tvs二极管免受射频高压损坏，比高频pin二极管成本低，可靠性高。实用新型的射频线圈性能稳定，结构紧凑，成本低。
13.本实用新型的磁共振成像系统，使用具有静电防护功能的射频线圈，提高了磁共振成像系统的安全性和可靠性。
附图说明
14.图1是一种射频线圈的线圈电路的立体结构示意图。
15.图2是具有分离结构的射频线圈的线圈电路的立体结构示意图。
16.图3是射频线圈中的单元线圈的等效电路和前置放大电路原理图。
17.图4是具有静电保护电路的单元线圈的等效电路原理图。
18.图5是本实用新型的静电防护等效电路原理图。
19.图6是本实用新型的静电防护电路原理图。
具体实施方式
20.下面结合附图对本实用新型做出进一步详细说明。本实用新型的实现并不限于如下所描述的实施例，还可以以许多不同的形式来实现。提供如下实施例的目的，是为了便于更加透彻全面的理解本实用新型所公开的内容。
21.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中所使用的术语只为描述具体的实施例，不是为了限制本实用新型。
22.磁共振成像系统的射频线圈是一种高精度射频天线，其固有的共振频率等于磁共振系统的磁共振频率，工作状态下被检查的人体部位就位于射频线圈的成像区域，射频线圈位于磁体的中央匀场区。在工作状态下，射频线圈按照输入的成像序列bias信号在失谐状态和谐振状态之间切换，通过时序控制避免发射线圈和接收线圈直接产生耦合，在mri射频发射和接收状态下正常工作，从而导出清晰无噪音的图像信号。发射线圈能够产生射频电磁场，该射频电磁场强度越大，越均匀，成像范围越充分并且无畸变；接收线圈则收集到的人体组织的信号越强，信噪比越高，成像越清晰。
23.射频线圈的电气结构主要包括由导电材料做成的线圈体，例如电路板或铜带做成的单元线圈环路；射频线圈中还连接电子元器件和线路，例如电容、电感，失谐电路、驱动电路，以及接收射频信号的放大电路等。
24.由于静电的产生和积累要一定的条件和过程，所以射频线圈不做静电保护也不见得每件产品都会受到静电冲击损坏，而且多数情况下静电积蓄的能量较小，所以射频线圈受到静电放电伤害的时候也不一定表现为立即报废，有些仅表现为工作不稳定，线圈发现质量问题时易归咎为材料不良或设计不良，正是因为静电损害有一定的偶然性，长期以来人们对射频线圈在调试和维修、使用中的静电保护的重要性认识不足。
25.为了能够方便病患容易地将诊断部位就位于射频线圈的成像区域，有些射频线圈
被设计成具有开放的结构，例如头部线圈、膝关节线圈、腕线圈等，线圈被设计成可以分离的两部分，线圈先被打开，被检查部位置于线圈中，然后再合拢，进入工作状态。这种射频线圈打开后有极少部分的电路结构裸露，合拢后也还有很小的缝隙，有可能被患者或者医护人员在使用过程中接触，具有静电放电冲击的风险。这种可分离的射频线圈不仅在使用过程中容易收到静电冲击，在生产组装过程中，在使用和维修过程中，受到静电冲击的概率更大。
26.当射频线圈受到静电冲击的时候，可能烧坏线圈内部的电子元件，还甚至损坏后置的数据收集电路。
27.如图1所示是一种射频线圈的线圈电路的立体示意图，该射频线圈可以用于膝关节成像。该射频线圈中包括16个单元线圈，每个单元线圈为首尾相连的环状，但具体形状和大小有所不同，且能够谐振于磁共振频率。具体包括：第一线圈单元1、第二线圈单元2、第三线圈单元3、第四线圈单元4、第五线圈单元5、第六线圈单元6、第七线圈单元7、第八线圈单元8、第九线圈单元9、第十线圈单元10、第十一线圈单元11、第十二线圈单元12、第十三线圈单元13、第十四线圈单元14、第十五线圈单元15和第十六线圈单元16。每一个线圈单元都输出磁共振射频信号到前置放大器的输入端，并被进一步输出到系统中的计算机成像系统。
28.如图1所示，这个16个单元线圈可以分成第一组单元线圈、第二组单元线圈和第三组单元线圈共3组，每一组单元线圈覆盖的面积的总和构成一个柱体的表面。3组单元线圈构成3个同轴的、在轴向相邻的柱体表面。
29.第一组单元线圈包括，第一线圈单元1、第二线圈单元2、第三线圈单元3、第四线圈单元4、第五线圈单元5、第六线圈单元6、第七线圈单元7、和第八线圈单元8；该第一线圈单元1至第八线圈8首尾相交组合成环，且每两个相邻的单元线圈其所围合的面积有部分重叠，共同围合覆盖于膝关节的表面。
30.第二组单元线圈包括，第九线圈单元9、第十线圈单元10、第十一线圈单元11、和第十二线圈单元12，围合于膝关节靠近小腿端的部位；第二组单元线圈中的每个单元线圈其所围合的面积都分别与相邻的第一组单元线圈中的单元有部分重叠。但是第二组单元线圈中的相邻单元线圈之间不重叠。
31.第三组单元线圈包括，第十三线圈单元13、第十四线圈单元14、第十五线圈单元15和第十六线圈单元16，围合于膝关节靠近大腿端的部位。第三组单元线圈中的每个单元线圈其所围合的面积都分别与相邻的第一组单元线圈中的单元有部分重叠。但是第三组单元线圈中的相邻单元线圈之间不重叠。
32.图1所示的射频线圈电路部分被设计成可以分离的两部分，其中的第三线圈单元3和第七线圈单元7也分别被断开成两部分，并且分属于射频线圈电路的两个不同的部分。
33.如图2所示就是一种具有分离结构的射频线圈的线圈电路的立体结构示意图，是如图1的线圈电路分离成了两个独立的部分，工作状态下这两个分离的部分的电路通过射频连接器把电路导通组合在一起。射频线圈装置包括可以分离的上下两部分，当射频线圈的上下两部分打开时，方便患者的膝关节置于射频线圈的里面；然后射频线圈的上下两部分合拢并实现电连接，壳体的两部分合拢，可以通过锁紧机构相互固定。可以启动磁共振系统扫描成像。
34.由于射频连接器组合导通状态下其外壳之间不完全密封，因此有可能被患者接
触，受到静电放电冲击的风险更大。在打开情况下外露连接器必须能承受
±
8kv的esd测试。
35.如图3所示是射频线圈中的单元线圈的等效电路和相连接的前置放大电路原理图。图中可见，包括单元线圈的等效谐振电路100和前置放大电路200。等效谐振电路100通过并联电容c2和c3把带有图像信息的射频谐振信号传送到前置放大电路200，前置放大电路200通过放大器amp1放大后从out端输出到计算机成像系统，进行后续放大和图像处理。来自计算机成像系统的脉冲控制信号bias控制单元线圈在工作状态下按照预设的扫描序列在谐振状态和失谐状态下转换。
36.线圈单元一般采用铜带或是电路板制作，其中还包括连接在各单元线圈中的电子元件，例如电感、电容、失谐电路等等。作为一个射频接收线圈，本实用新型的射频线圈在工作状态下，位于磁共振电磁场中时，各线圈单元都进入谐振状态，磁共振信号经过线圈单元输出到前置放大器，再经过同轴线接入到磁共振系统中的二级放大器等信号处理系统。
37.如图3所示，coil是线圈导体，l2、l3、l4、l5等都是单元线圈中的电感元件，c4、c5、c6、c7、c9等都是单元线圈中的电容元件；cv1是可变电容。r1、r2都是电阻元件。
38.如图4所示是一种射频线圈的静电防护电路的原理图，在线圈单元的等效谐振电路100和前置放大电路200之间还有静电防护电路300。在静电防护电路300中，串联2个电容器c1和c2，在2个电容器c1和c2上并联跨接电感器l1，在2电容器c1和c2之间通过2个正负相反的射频二极管pin1和pin2接地。
39.静电防护电路300被连接在在每个单元线圈电路到前置放大器输入端之间的信号引出线上。
40.2个正负相反的射频二极管pin1和pin2能够把静电冲击信号安全迅速地接地；从磁共振系统输入到射频线圈电路的控制序列信号bias以电感器l1为通路，而两个串联的电容器是射频信号的输出通路。电容c1和c2是通过射频信号通路，理想化的情况下电容值是越大越好。电感l1是直流通路，且降低损耗值，理想化的模型也是电感值越大越好。
41.普通的二极管是由pn结组成，而pin二极管是在p和n半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征半导体层。正因为有本征层的存在，所以pin二极管对射频信号只呈现一个线性电阻，所以不会影响射频信号的输出，同时也能很好地导出瞬间发生的静电放电。
42.射频线圈的工作由bias控制信号所控制，bias信号通过信号线连接到单元线圈，用于控制单元线圈的调谐和失谐，因此如图5所示的电路需要两个电容器c1和c2将bias控制信号隔开，使得pin二极管对不直接被bias导通，所以需要电容隔离。而电感器l1将射频线圈收集的信号传输出去。这样来自于静电放电的瞬态高压，可以通过电容器c1导走，并被pin二极管钳位到0.7v，从而保护前置放大器及后端的单向二极管。
43.静电防护电路200的缺点是pin射频二极管价格较高，而且其电感l1体积大占空间，并且输入到射频线圈电路的bias控制序列信号受到电感l1的影响有时延。
44.如图5所示是本实用新型的射频线圈的一种静电防护电路原理图，在等效谐振电路100和前置放大电路200之间还有静电防护电路500，静电防护电路500连接于线圈前置放大器输入端；包括电感电容电路和tvs二极管；电感电容电路与tvs二极管串联；电感电容电路包括相并联的电感l1和电容c1。
45.tvs(transient voltage suppressors瞬态电压抑制)二极管，有单向和双向之分，我们这里使用的是双向tvs二极管。当tvs二极管的两端经受瞬间高能量冲击时，两端间
的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以ps秒级的速度吸收瞬间大电流，从而箝制其两端电压在一个预定的数值上，保护后面的精密元器件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。当tvs二极管上的压差小于工作电压时，其电性能表现为高阻抗，没有电流流过。当tvs二极管上的压差大于击穿电压时，就会导通。
46.静电防护电路500连接在每个单元线圈电路到前置放大器输入端之间的信号引出线上。
47.在图5所示的静电防护电路中，使用tvs二极管把静电冲击信号安全迅速地接地；由于tvs二极管的工作电压可选为5v至15v，甚至更高，从磁共振系统输入到射频线圈电路的bias时序控制序列信号能够不受影响。保证tvs二极管上的压降小于工作电压，可以根据不同适配系统的bias需求选择相应工作电压的tvs二极管的型号，因此静电保护电路中不需要再用电容做隔离。
48.如图6所示是本实用新型的静电防护电路500的电路原理图。电感l1在50nh～150nh之间可以既实现tvs二极管的射频保护也可以起到有效的esd防护作用。
49.选用tvs二极管实现磁共振射频线圈的静电保护，克服了技术领域内的偏见。因为在磁共振扫描过程中，大功率的射频功率放大器施加大功率mr脉冲给射频发射线圈，例如1.5t的磁体这个mr脉冲能达到一般18kw peak峰值功率。然后发射线圈受激发射射频功率，此时距离发射线圈不远的接收线圈会接收到大功率射频信号，从而接收线圈中会产生感应电动势，这个感应电动势产生的电压会烧毁tvs二极管。所以磁共振线圈的静电保护电路只能选用pin二极管。
50.感应电动势的值：
51.e＝db/dt
52.感应电动势产生的电压与单元线圈的尺寸大小有关，单元线圈的尺寸越大电压越高。
53.因为l1c1并联电路同时受激谐振，感应产生的射频高压会被lc谐振阻抗限流，能够保护tvs二极管免受射频高压损坏。
54.电路中的c1值的大小取决于线圈工作频率，在不考虑射频分布参数的时候：
[0055][0056]
其中ω0是磁共振系统的工作频率。
[0057]
射频线圈在工作中，单元线圈被来自计算机成像系统的脉冲控制信号bias控制，根据预设的扫描序列在谐振状态和失谐状态下转换，在失谐状态下射频发射线圈工作。静电防护电路500中，由于电感l1电容c1电路的固有谐振频率，在射频状态下具有纯阻抗性，所以射频信号的输出通路也不受影响。并且在射频信号输出的间隙也不会导通。
[0058]
例如1.5t mri系统一般工作频率是63.86mhz，若电感l1取值120nh,那么c1取值51pf最佳，与l1并联谐振，保护tvs二极管免受射频高压损坏。
[0059]
这是因为当如图6所示电路并联谐振时，电感电流与电容电流相等，并且电感电流滞后电压90度，电容电流超前电压90度。电感电流与电容电流的相位差正好是180度。两电流相加后数值为0。这时电路中只有损耗电流(数值非常小)存在，保护了tvs二极管。此时电路呈电阻性，有最大的阻抗，因而电压就最大。
[0060]
如图6所示的静电保护电路通过lc并联电路来保护tvs静电防护二极管。上述电感l1电容c1电路也可以放到下面,与tvs二极管的位置对调，防静电效果一样。
[0061]
本实用新型的静电保护电路，可以实现静电防护功能，可以极大降低静电防护成本。完全可以承受接触
±
8kv、空气放电
±
15kv静电测试。保护每一个线圈单元及其前置放大器。
[0062]
本实用新型的静电防护电路，直接使用tvs二极管，这种普通tvs二极管通常比pin二极管便宜很多，所以可以极大降低成本。
[0063]
本实用新型的防静电保护电路简单不容易损坏，电感l1体积小，节省元器件空间，适应医疗设备小型化轻量化的需求，有明显优势。
[0064]
本实用新型还提供一种磁共振成像系统，利用前述本实用新型的射频线圈。
[0065]
以上所述实施例具体和详细地描述了本实用新型的几种实施方式，这不是对专利权利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进都属于本实用新型的保护范围，本实用新型专利的保护范围以其权利要求为准。

技术特征：
1.一种射频线圈，包括具有容置空间的壳体，和内置于该壳体内部的线圈电路，所述线圈电路包括线圈单元电路；所述线圈单元电路输出磁共振信号到前置放大器；其特征在于，还包括连接所述线圈单元电路的静电防护电路。2.根据权利要求1所述的射频线圈，其特征在于，所述静电防护电路包括tvs二极管，还包括固有谐振频率等于磁共振频率的电感电容并联电路；所述电感电容并联电路与所述tvs二极管串联。3.根据权利要求2所述的射频线圈，其特征在于，所述电感电容并联电路中电感的值大于等于50nh，小于等于150nh。4.根据权利要求3所述的射频线圈，其特征在于，所述tvs二极管的工作电压大于等于5v，小于等于15v。5.根据权利要求3所述的射频线圈，其特征在于，所述tvs二极管的工作电压大于等于5v，小于等于100v。6.一种磁共振成像系统，包括射频线圈；所述射频线圈包括具有容置空间的壳体，和内置于该壳体内部的线圈电路，所述线圈电路中包括线圈单元电路；所述线圈单元电路输出磁共振信号到前置放大器；其特征在于，还包括连接所述线圈单元电路的静电防护电路。7.根据权利要求6所述的磁共振成像系统，其特征在于，所述静电防护电路包括tvs二极管，还包括固有谐振频率等于磁共振频率的电感电容并联电路；所述电感电容并联电路与所述tvs二极管串联。8.根据权利要求7所述的磁共振成像系统，其特征在于，所述电感电容并联电路中电感的值大于等于50nh，小于等于150nh。9.根据权利要求8所述的磁共振成像系统，其特征在于，所述tvs二极管的工作电压大于5v小于15v。10.根据权利要求8所述的磁共振成像系统，其特征在于，所述tvs二极管的工作电压大于5v小于100v。

技术总结
本实用新型涉及用于磁共振成像系统的射频线圈，包括具有容置空间的壳体，和内置于壳体内部的线圈电路，所述线圈电路中还包括抗静电电路。所述抗静电电路包括TVS二极管；所述TVS二极管串联于相并联的电感L1和电容C1。所述相并联的电感L1和电容C1的固有谐振频率为磁共振频率。本实用新型的射频线圈能够抗静电冲击，性能稳定，可靠性高，结构紧凑，成本低。成本低。成本低。


技术研发人员：徐吉鑫 张弘
受保护的技术使用者：深圳市特深电气有限公司
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/9/16