[发明专利]核磁共振的射频线圈

说明书

本专利申请与由塞西尔E·海斯于1983年11月4日递交的，申请号为548745，题为“核磁共振的射频线圈”的专利申请相关，该专利申请在本文中作为参考。

本发明与核磁共振（NMR）装置有关，更具体地说，本发明涉及到一个射频（RF）线圈，在用NMR装置来发射和（或）接收射频信号时，该线圈十分有用。

很久以前，结构化学家就已经在玻璃试管内利用核磁共振现象研究了有机分子的分子结构。一般来说，为此目的所使用的核磁共振波谱仪设计得只适用于被研究物体的小试样。然而，最近，例如，核磁共振已发展出一种成象方式，用它来获取活人机体上一些部分的组织特性图象。这种图象描绘出与核自旋有关的参数（一般是细胞中水的氢质子），在确定被检查区域中细胞组织的健康状况时，这种图像可能有医学诊断价值。核磁共振已经推扩到诸如对磷、碳等元素的体内波谱学研究中，它为研究人员首次在活的有机体中研究化学过程提供手段。利用核磁共振产生图象及对人体进行波谱学的研究就必须使用专门设计的系统元件，如磁铁、梯度线圈和射频线圈等。

核磁共振现象发生在具有奇数的质子或中子的原子核中，这就是背景。由于质子和中子的自旋，每种这样的原子核都显示出一种磁矩，例如，当把一个具有这种原子核的试样放在静态的、均匀的磁场B₀中时，大多数核磁矩的取向与磁场一致，在磁场方向上产生宏观的磁化强度M。在磁场B₀的影响下，被调整的磁矩以一定的频率绕磁场轴进动，该频率的大小取决于所加磁场的强度和原子核的特性。被看作是拉摩频率的角进动频率ω，由拉摩方程ω＝γB给出，式中γ为旋磁比（对于每种核磁共振同位素来说，γ是常数），而B为作用在核自旋上的磁场（B₀加上其它磁场）。因此不难看出，共振频率与放置样品的磁场的强度有关。

磁化强度M的方向通常指向磁场B₀的方向，但加入了以拉摩频率或接近拉摩频率振荡的磁场就会干扰M的方向。一般，用射频脉冲通过一个与射频发射装置相连的线圈可以把磁场B₁加到磁场Bo的垂直方向上。在射频激励的影响下，磁化强度M围绕磁场B₁的方向旋转。在核磁共振的研究中，通常希望用大小和期间足够的射频脉冲将磁化强度M旋转到与磁场B₀方向垂直的平面上。该平面通常称作横向平面。在射频激励停止时，核矩旋转到横向平面，并绕静磁场方向进动。自旋的矢量和便形成了由射频线圈可以测量的整体的进动磁化强度。用射频线圈所测量的信号称作核磁共振信号，它是磁场和放有原子核的特殊化学环境的表征。在核磁共振成象应用中，核磁共振信号是在有磁场梯度的情形下观测的，并用磁场梯度把空间信息编码成信号。然后再以技术人员所熟悉的方式，用这种信息重新建立所研究物体的图象。

在进行整体核磁共振研究时，发现增加均匀磁场Bo的强度是其优点。在质子成象中，为了提高核磁共振信号的信噪比，这正是所期望的。然而在波谱学中，这一点又是必须的，因为被研究的某些化学物质（如磷和炭）在人体中非常稀少，因此为了检测有用的信号，必须用高磁场。从拉摩公式不难看出，随着磁场B的增加，发射线圈和接收线圈所需的共振频率都要相应地增加。这便使得射频线圈的设计复杂化，此种线圈必须大到能容纳人体一个主要的困难是由该线圈所产生的射频磁场在所研究的人体范围内必须是均匀的，以便得到更为一致的测量结果和成象。由于在射频线圈各个部分之间，以及射频线圈和周围物体或核磁共振样品本身之间存在的不希望有的杂散电容的影响，限制了线圈共振的最高频率，致使高频时在大范围产生均匀的射频磁场变得相当困难。

常用的射频线圈或是使用一匝，或是并列使用两匝，以把电感减至最小，并提高共振频率。所谓“鞍形线圈”便是常用的两匝线圈的一个实例，下面还要对此进行更为详细的论述。在寥寥的几匝线圈中，谐振电流的密度降低了磁场B₁的均匀度和对于样品区域不同部分所产生的信号的灵敏度的均匀性。而且，调谐电容器的位置和单匝线圈杂散电容之间的不对称，导致线圈中电流分布不均匀，以及磁场B₁的均匀性和信号灵敏度都相应地减小。

为此本发明的目的是，提供了一种能产生相当均匀B₁磁场的射频线圈，这种线圈在所关心的范围内具有相当一致的信号灵敏度。

本发明的另一个目的是，提供一种能产生循环极化磁场的核磁共振射频线圈，它具有改进的信噪比。

本发明的第三个目的是，提供一种在许多匝内具有电流和谐调电容的核磁共振射频线圈。