專利名稱：耦合天線陣列中的噪聲匹配的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于優(yōu)化包括用于接收RF信號的兩個或更多個接收天線的陣列的系統(tǒng)中的信噪比的方法，其中每個接收天線經由匹配網絡連接到具有輸入阻抗的低噪聲放大器，包含接收天線、匹配網絡和低噪聲放大器的每個鏈路形成系統(tǒng)的接收通道。此外， 本發(fā)明涉及適于執(zhí)行本發(fā)明的方法的系統(tǒng)。
背景技術：
下文在MR(磁共振)成像的情境下公開了本發(fā)明。然而，必須認識到，本發(fā)明可以按照相同的方式應用于其中天線陣列被用于靈敏地接收RF信號的其他領域中，例如，無線電通信技術、移動通信、雷達或射電天文學領域。目前MR圖像形成方法被廣泛使用，其利用磁場與核自旋之間的相互作用以便形成二維或三維圖像，其尤其被用于醫(yī)學診斷領域中，因為對于軟組織的成像而言，它們在許多方面優(yōu)于其他成像方法，不需要電離輻射并且通常是非侵入的。根據MR方法，一般而言，待檢查的患者身體被布置在強的、均勻的磁場中，與此同時，磁場的方向限定測量所基于的坐標系的軸(一般為ζ軸)。磁場根據磁場強度針對個體核自旋產生不同的能量水平，所述磁場強度通過施加具有限定頻率(所謂的拉莫爾 (Larmor)頻率，或者MR頻率)的電磁交變場(RF場)而被激勵(自旋共振)。從宏觀角度看，個體核自旋的分布產生整體磁化，能夠通過施加具有適當頻率的電磁脈沖(RF脈沖)使該整體磁化偏離平衡狀態(tài)而磁場垂直于ζ軸延伸，使得磁化關于ζ 軸執(zhí)行進動運動。在RF脈沖終止之后，磁化弛豫返回至初始平衡狀態(tài)，其中ζ方向上的磁化以第一時間常數1\(自旋點陣或縱向弛豫時間)再次構建，而在垂直于ζ方向的方向上的磁化以第二時間常數T2(自旋-自旋或橫向弛豫時間)弛豫。磁化的變化能夠借助接收RF天線 (線圈)來檢測，所述接收RF天線(線圈)被布置和定向在MR裝置的檢查體積內，從而使得在垂直于ζ軸的方向上測量磁化的變化。為了實現體內的空間分辨率，沿三個主軸延伸的線性磁場梯度疊加在均勻磁場上，得到自旋共振頻率的線性空間相關性。在接收天線中拾取的信號包含不同頻率的分量， 其可能與體內的不同位置相關聯。例如借助傅里葉變換將經由接收線圈獲得的信號數據轉換為MR圖像。在本領域中眾所周知的是(例如參見US 4947121)，通過使用用于接收MR信號的兩個或更多個接收天線的陣列，能夠同時采集多個數據集并且能夠組合這些數據集以顯著改善靈敏度，即信噪比(SNR)，和/或視場(FOV)。這樣的陣列包括靠近定位的接收天線 (例如表面線圈)，其接收來自相應MR設備檢查體積內的公共感興趣區(qū)域的MR信號。每個接收天線經由匹配網絡連接到低噪聲放大器。包含接收天線、匹配網絡和低噪聲放大器的每個鏈路構成MR設備的接收通道的一部分。每個接收通道可以包括其他部件，例如模數轉換器、開關等等。在圖像重建過程期間組合各通道的輸出，每個均包括信號和噪聲。組合的SNR信號受每個個體天線的性能、天線之間的噪聲相關性以及低噪聲放大器的噪聲參數的影響。在當前的MR系統(tǒng)中，在相鄰定位的個體接收線圈之間的噪聲耦合已知具有限定陣列內天線的最大數量的限制效應，以獲得適中的SNR。然而，現代的MR掃描器有時包括具有遠遠超過這一最大數量的多個接收天線的陣列。這是因為最近已經開發(fā)出并行采集技術。在這一范疇內的方法是SENSE(Pruessmann等人在Magnetic Resonance in Medicine 1999，42 (5)，1952-1962 頁上的"SENSE :Sensitivity Encoding for Fast MRI") 和 SMASH(Sodickson 等人在 Magnetic Resonance in Medicine 1997，38，591-603 頁上的"Simultaneous acquisition of spatial harmonics(SMASH) :Fast imaging with radiofrequency coil arrays”)。SENSE和SMASH使用從并行的多個RF接收天線獲得的欠采樣的k空間數據采集。在這些方法中，利用復合加權對來自多個線圈的(復合)信號數據進行組合，從而抑制最終重建的MR圖像中的欠采樣偽影(混疊現象)。在SENSE或SMASH 中，圖像采集的加速隨著所使用的接收天線的數量而增長。因此最大的接收天線數量一般是很可觀的，以便盡可能提高成像速度。通常，在當今的MR系統(tǒng)中，通過重疊而使個體接收天線去耦合。由于更遠距離的天線陣列不能夠以這種方式進行去耦合，因此使用所謂的前置放大器去耦合作為額外的措施。這一方法利用這樣的事實，即每個低噪聲放大器的輸入阻抗不同于提供相應通道的最佳噪聲性能(即最大SNR)的最佳阻抗。在天線和低噪聲放大器之間切換的每個通道的匹配網絡變換相應低噪聲放大器的最佳阻抗。這種類型的匹配仍具有用于使給天線提供的阻抗最大化的自由度。通過這種方式，降低了每個天線內的電流。然而，天線之間的殘余耦合仍存留在已知系統(tǒng)中，這導致從一個低噪聲放大器到其他放大器的噪聲耦合，從而降低總 SNR。根據上述內容，很容易意識到，存在對用于優(yōu)化包含耦合的RF接收天線的陣列的系統(tǒng)中的信噪比的經改進的方法的需求。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是實現噪聲匹配，從而能夠獲得最大的SNR。根據本發(fā)明，公開了一種用于優(yōu)化系統(tǒng)中的信噪比的方法，所述系統(tǒng)包括用于接收RF信號的兩個或更多個接收天線的陣列，其中，每個接收天線經由匹配網絡連接至給匹配網絡提供輸入阻抗的低噪聲放大器，包含接收天線、匹配網絡和低噪聲放大器的每個鏈路構成系統(tǒng)的接收通道的一部分。本發(fā)明的方法包括以下步驟a)將每個輸入通道的輸入阻抗設置為與系統(tǒng)的常規(guī)操作期間的輸入阻抗值不同的值；b)經由接收天線接收RF信號；c)根據所接收的RF信號形成疊加的信號；d)修改所有接收通道的匹配網絡，以便基于所述疊加的信號找到最佳匹配條件；e)重新設置每個接收通道的輸入阻抗。本發(fā)明的主旨是特定調諧匹配網絡，該調諧不同于在已知系統(tǒng)中的調諧。本發(fā)明的優(yōu)化程序能夠容易地在相應(MR)系統(tǒng)的生產過程中實現。僅需要小量的硬件變化以使得能夠在優(yōu)化程序的持續(xù)期內將每個低噪聲放大器的輸入阻抗設置為特定值，并在完成優(yōu)化之后將其重新設置回常規(guī)值。不需要錯綜復雜的模擬，因為假設向匹配網絡提供的輸入阻抗被適當地設置，通過根據RF信號形成疊加的信號而可獲得簡單目標函數，所述RF信號是根據本發(fā)明在優(yōu)化程序期間測量到的，其中，修改匹配網絡以基于這一目標函數找到最佳匹配條件。根據本發(fā)明的實用實施例，在步驟a)和e)中借助于連接到每個低噪聲放大器的輸入的可切換阻抗來設置和重新設置輸入阻抗。諸如MEM或PIN開關的電子切換裝置可以用于這一目的。簡單的跳線器也是可行的，因為在相應系統(tǒng)的生產期間通常僅執(zhí)行一次切換。專用的阻抗可以經由開關連接至低噪聲放大器的輸入，以便在優(yōu)化期間獲得預期的阻抗值。作為備選，可以在完全不使用低噪聲放大器的情況下執(zhí)行優(yōu)化，簡單地通過在匹配網絡的輸出處、即在常規(guī)操作期間匹配網絡連接到低噪聲放大器的位置處，直接拾取信號。在以這種方式執(zhí)行優(yōu)化的情況下、即無低噪聲放大器的情況下，對輸入阻抗、即在匹配網絡的輸出處給匹配網絡提供的阻抗的校正設置仍然至關重要。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，在步驟b)中測量每個RF信號的功率，由此獲得每個接收通道的功率信號。然后在步驟c)中疊加功率信號，從而獲得作為疊加的信號的功率總和，即目標函數。然后在步驟d)中通過簡單地使功率總和最大化來找到最佳匹配條件。本發(fā)明的要點是通過這種方式形成的目標函數恰好在最佳匹配條件下，即在常規(guī)操作期間系統(tǒng)的總體SNR取其最大值時，具有最大值。通過對功率信號的加權疊加形成功率總和，每個加權因子取決于噪聲系數和相應低噪聲放大器的增益。所述加權將每個功率信號除以相應低噪聲放大器的增益和噪聲系數(用于加權的增益是經調整的增益，即從經修改的輸入阻抗得到的增益)。其證明在以下的條件下以這種方式找到目標函數的正確最大值將給每個匹配網絡提供的輸入阻抗的值在步驟a)，即在優(yōu)化程序的開始處，設置為最佳阻抗的復共軛，其提供相應(單個)低噪聲放大器的最佳噪聲性能。此外，根據本發(fā)明公開了一種包括用于接收RF信號的兩個或更多個接收天線陣列的系統(tǒng)，每個接收天線經由匹配網絡連接到具有輸入阻抗的低噪聲放大器，包含接收天線、匹配網絡和低噪聲放大器的每個鏈路構成所述系統(tǒng)的接收通道的一部分，其中，所述匹配網絡變換低噪聲放大器的最佳阻抗，所述最佳阻抗提供所述低噪聲放大器的最佳噪聲性能，其中，每個接收通道包括在每個低噪聲放大器的輸入處的可切換阻抗，用于將給每個匹配網絡提供的輸入阻抗切換為相應低噪聲放大器的最佳阻抗的復共軛的值。根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述系統(tǒng)可以是MRI (磁共振成像)系統(tǒng)，其包括用于在檢查體積內生成均勻、穩(wěn)定的磁場至少一個主磁體線圈、用于在檢查體積內的不同空間方向上生成切換磁場梯度的若干梯度線圈，其中，所述陣列的接收天線被布置成用于從定位在檢查體積中的患者身體接收MR信號。


附圖公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。然而，應當理解，附圖僅設計為用于進行圖示說明，而不應作為對本發(fā)明的限制的定義。在附圖中圖1示出了有噪聲的單(隔離的)接收通道的電路圖；圖2示出了兩個耦合的接收通道的電路圖3以方框圖示出了用于執(zhí)行本發(fā)明的方法的MR裝置；圖4更詳細地示出了圖3所示的MR裝置的兩個接收通道。
具體實施例方式參考圖1，示出了有噪聲的單通道接收鏈路的等效電路。接收線圈(天線)由阻抗 ζ。、噪聲電壓Uc和信號電壓Us表示。低噪聲放大器的噪聲系數F能夠被定義為不存在低噪聲放大器的噪聲的輸入信號的SNR和包含放大器噪聲的輸出信號的SNR的比率——其中熱線圈噪聲 UcUf =~ (Zc +Z/)，Zh表示Z的復共軛，并且表達式上方的線表示噪聲源的協(xié)方差。對
于在低噪聲放大器輸入處的給定噪聲源，噪聲系數是線圈阻抗&的函數，但不是前置放大器輸入阻抗、的函數。針對可能的最低噪聲系數Fee，最佳線圈阻抗導出為
權利要求
1.一種用于優(yōu)化系統(tǒng)中的信噪比的方法，所述系統(tǒng)包括用于接收RF信號的兩個或更多個接收天線(11、12、13)的陣列，每個接收天線(11、12、13)經由匹配網絡(19、20、21)連接到給所述匹配網絡(19、20、21)提供輸入阻抗的低噪聲放大器(22、23、對)，包含接收天線(11、12、13)、匹配網絡(19,20,21)和低噪聲放大器(22、23、24)的每個鏈路構成所述系統(tǒng)的接收通道的一部分，所述方法包括以下步驟a)將每個接收通道中的所述輸入阻抗設置為與在所述系統(tǒng)的常規(guī)操作期間的輸入阻抗值不同的值；b)經由所述接收天線(11、12、13)接收RF信號；c)根據所接收的RF信號形成疊加的信號；d)修改所有接收通道的所述匹配網絡(19、20、21)，以便基于所述疊加的信號找到最佳匹配條件；e)重新設置每個接收通道中的所述輸入阻抗。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，在步驟a)和e)中借助于連接到每個低噪聲放大器02、23、24)的輸入的可切換阻抗08、四、30)設置和重新設置所述輸入阻抗。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，在步驟b)中測量每個RF信號的功率，從而獲得每個接收通道的功率信號。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，在步驟c)中疊加所述功率信號，以便獲得所述疊加的信號，在步驟d)中通過使所述疊加的信號最大化來找到所述最佳匹配條件。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，通過對所述功率信號的加權疊加形成所述疊加的信號，每個加權因子取決于相應低噪聲放大器02、23、24)的噪聲系數和增益。
6.根據權利要求1到5中的任一項所述的方法，其中，所述匹配網絡(19、20、21)變換所述低噪聲放大器02、23、24)的最佳阻抗，所述最佳阻抗提供所述低噪聲放大器(22、23、 24)的最佳噪聲性能。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，在步驟a)中將所述輸入阻抗的值設置為相應低噪聲放大器02、23、24)的所述最佳阻抗的復共軛的值。
8.一種包括用于接收RF信號的兩個或更多個接收天線(11、12、13)的陣列的系統(tǒng)，每個接收天線經由匹配網絡(19、20、21)連接到給所述匹配網絡(19、20、21)提供輸入阻抗的低噪聲放大器(22、23、對)，包含接收天線(11、12、13)、匹配網絡(19、20、21)和低噪聲放大器02、23、24)的每個鏈路構成所述系統(tǒng)的接收通道的一部分，所述匹配網絡(19、20、 21)變換所述低噪聲放大器02、23、24)的最佳阻抗，所述最佳阻抗提供所述低噪聲放大器 (22,23,24)的最佳噪聲性能，其中，每個接收通道包括每個低噪聲放大器02、23、24)的輸入處的至少一個可切換阻抗(觀、29、30)，用于將給每個匹配網絡(19、20、21)提供的所述輸入阻抗切換為相應低噪聲放大器02、23、24)的所述最佳阻抗的復共軛的值。
9.根據權利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)被布置成執(zhí)行包含以下步驟的優(yōu)化程序a)將給每個接收通道中的所述匹配網絡(19、20、21)提供的所述輸入阻抗切換為相應低噪聲放大器02、23、24)的所述最佳阻抗的復共軛；b)經由所述接收天線(11、12、13)接收RF信號；c)根據所接收的RF信號形成疊加的信號；d)修改所有接收通道的所述匹配網絡(19、20、21)，以便基于所述疊加的信號找到最佳匹配條件；e)將每個接收通道中的所述輸入阻抗切換為用于所述系統(tǒng)的常規(guī)操作的值。
10.根據權利要求8或9所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)是MRI系統(tǒng)，包括用于在檢查體積內生成均勻、穩(wěn)定的磁場的至少一個主磁體線圈(2)、用于在所述檢查體積內的不同空間方向上生成切換的磁場梯度的若干梯度線圈0、5、6)，其中，所述陣列的所述接收天線(11、 12,13)被布置為用于從定位在所述檢查體積中的患者的身體(10)接收MR信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括用于接收RF信號的兩個或更多個接收天線(11、12、13)的陣列的系統(tǒng)，每個接收天線經由匹配網絡(19、20、21)連接到給該匹配網絡(19、20、21)提供輸入阻抗的低噪聲放大器(22、23、24)，包含接收天線(11、12、13)、匹配網絡(19、20、21)和低噪聲放大器(22、23、24)的每個鏈路構成所述系統(tǒng)的接收通道的一部分，該匹配網絡(19、20、21)變換低噪聲放大器(22、23、24)的最佳阻抗，該最佳阻抗提供低噪聲放大器(22、23、24)的最佳噪聲性能，其中，每個接收通道包括每個低噪聲放大器(22、23、24)的輸入處的至少一個可切換阻抗(28，29，30)，用于將給每個匹配網絡(19、20、21)提供的輸入阻抗切換至相應的低噪聲放大器(22、23、24)的最佳阻抗的復興軛。該系統(tǒng)布置為執(zhí)行包括以下步驟的優(yōu)化程序a)將給每個接收通道中的匹配網絡(19、20、21)提供的輸入阻抗切換至相應的低噪聲放大器(22、23、24)的最佳阻抗的復興軛；b)經由所述接收天線(11、12、13)接收RF信號；c)形成所接收的RF信號的信號功率的加權和；d)修改所有接收通道的匹配網絡(19、20、21)，以便通過使加權的功率總和最大化而找到最佳匹配條件；e)將每個接收通道的輸入阻抗切換回系統(tǒng)常規(guī)操作的值。
文檔編號G01R33/3415GK102369452SQ201080014458
公開日2012年3月7日 申請日期2010年3月26日 優(yōu)先權日2009年4月1日
發(fā)明者C·芬德科里 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司