鸟笼型屏蔽高频空腔谐振器包括：
-传输线组，
-围绕该传输线组的屏蔽(物)，以及
-一个或多个环，其插入在传输线组与屏蔽(物)之间，用于空 腔谐振器的射频激发以及NMR信号的检测。
涉及该主题的参考文献如下：
[1]US 4746866(Rschmann)
[2]US 4751464(Bridges)
[3]US 5557247(Vaughn，Jr.)
[4]Proc.Int.Soc.Mag.Res.Med.11，2003，No.2354(Vaughn)
这些文献基本涉及对空腔谐振器的传输线进行单独或一起改 进。
在上述文献所描述的装置中，将每个传输线调谐到所需工作频 率的方法通常通过用于调整传输线与屏蔽之间的电磁耦合的机械 方法形成。
因此，文献[1]披露了用于MRI装置的线圈，由与同轴电缆相 似的传输线形成：每个这种线包括外空心导电圆柱体，其容纳有由 介电材料制成的内空心圆柱体，其内部放置两个中心导体，这些导 体的至少一个可在轴向上移动。
通过滑动接触，通过外圆柱体的端部将外屏蔽耦接至中心导 体。
可移动中心导体的机械位移具有改变传输线电容、能够调节共 振频率的作用。然而，在文献[1]中，通过同轴线形成的棒的外部导 体没有介电中断。
文献[2]描述了其中传输线由导体条带的段形成的空腔谐振器， 在条带之间插入由介电材料形成的部件。通过位于每个传输线端部 的电容，将外屏蔽耦接至传输线。通过在外屏蔽形成的可调节狭缝 的方式来调谐空腔谐振器。在文献[2]中，“棒(barreaux)”具有条 带形状，其横截面为矩形。另外，在文献[2]中，介电元件的主表面 与棒轴平行。棒(或条带)被固定，并且无法进行任何可能的调节。 最后，棒与带有空腔谐振器具有的外壳(enveloppe)的连接是电绝 缘的。
文献[3]使用在文献[1]中披露的类型的传输线以形成鸟笼型空 腔谐振器。该文献也描述了用于同时调谐几个传输线的机械系统。
根据上述文献，公知的空腔谐振器具有以下缺点：当在约9T 或更高的高值电磁场和/或在约400MHz或更高的高频下使用这些 空腔谐振器以提高信号/噪音比时，它们不能满意地运行。
例如，使用有限元法对文献[4]中所述谐振器的实验和数值模拟 表明：对于直径27cm、长25cm的圆柱体积(适用于容纳受治疗 者的头部)，这种类型的谐振器限于低于约400MHz的质子共振频 率(拉莫尔频率)，或者低于4特斯拉的磁场。
为了提高频率，必须将传输线的中心导体完全抽出，这会导致 辐射损失和所产生的场B1均匀性差。

本发明涉及不具有上述公知空腔谐振器缺点的高频空腔谐振 器(或谐振腔)。
根据本发明的空腔谐振器是对公知空腔谐振器的改进，这归因 于使用了具有新型结构的传输线以及这些传输线与腔的屏蔽 (blindage)的结合。
数值模拟技术尤其适用于这种类型的发明，用于优化这种空腔 谐振器的参数。
本发明还提出可以设置在传输线上的调谐系统。
本发明的一个重要方面在于传输线的结构，这种结构与文献 [1]-[3]所用的结构不同。在本发明中，传输线既不是导电材料与介 电材料交替的同轴结构，也不是具有矩形横剖面的条带结构：在本 发明中，它是直的并且分段的棒，为(或者制成)电导体，并且配 备有在棒的圆柱导电(片)段之间插入的薄介电元件。
诚然，相似原理应用于行波粒子加速器的领域中，但是作为本 发明主题的结构在NMR领域中是非常创新的，该NMR领域与上 述领域(行波粒子加速器的领域)相差甚远。
为了优化空腔谐振器的参数(尤其品质因数、工作频率和场均 匀性)以及获得具有与空腔谐振器体积相符合的尺寸的一组线，使 用数值模拟调节介电元件的厚度以及制成它们的材料、每个传输线 的这种元件的数量、以及在空腔谐振器中这种线的数量。
另外，通过调整介电元件的厚度(例如通过使它们变形)，可 以对空腔的工作频率进行精确调谐。
而且，不使用一端封闭并且另一端设置开口以使目标(尤其受 治疗者的头部)能够插入到空腔谐振器中的简单圆柱体，屏蔽可以 在开口包括凹的圆柱部件。
这种类型部件能够有利地减少由在开口的辐射造成的电磁能 量损失，并限制由目标(尤其头部)造成的空腔谐振器的干扰。
根据本发明，将空腔谐振器设计成能够在500MHz、11.7T的 磁场运作，在整个190mm直径圆柱体积(等于头部)中每单位体 积的均匀性优于5％。
另外，具有上述创新结构的传输线能够用于MRI以外的领域， 例如MRS。
具体地，本发明的目的是用于核磁共振的高频空腔谐振器，其 包括一组传输线和围绕这些传输线的屏蔽，其特征在于，每个该传 输线包括分成细长(或伸长的)圆柱形段(或片段)的直棒，这些 段(segment)是导电的或制成导电的，棒设置有插入到这些段之间 的薄介电元件。
圆柱形段的长度远大于电绝缘间隙(intervalle)的长度，在该 电绝缘间隙中插入低厚度介电元件。导电段的直径优选小于工作波 长。
优选地，圆柱形段由介电材料制成，其外表面被制成导电的。
优选同一个棒的圆柱形段和介电元件具有基本相同的直径。
优选地，同一个棒的不同导电圆柱形段的长度不同并进行计算 以便在空腔谐振器的中心获得最均匀的磁场。例如，棒依次包括长 度分别为50mm、14mm、44mm、60mm、44mm、14mm以及50mm 的片段。
根据本发明的传输线的一个优选实施例，这种线配备有频率调 谐装置，这些调谐装置能够调整介电元件的厚度。
优选地，介电元件是弹性可变形的。
优选地，薄介电元件具有基本上圆形的横截面。
优选地，介电元件具有基本与棒轴垂直的主表面。
根据本发明的一个优选的具体实施例，段和介电元件包括孔， 每个传输线还包括通过孔的直的介电连接部件，并且段和介电元件 在该连接部件上能够滑动。
这些传输线(或棒)优选基本平行并均匀地分布在圆柱形表面 上。
高频空腔谐振器可以包括两个端部，其一端是开放的，而另一 端是封闭的。空腔谐振器的屏蔽可以具有圆柱形结构。
在这两种情况下，屏蔽可以包括在空腔谐振器的开口端的凹部 件。
根据本发明的具体实施例，将导电连接设置在每个棒与屏蔽之 间。
作为本发明目标的空腔谐振器能够作为发射或者接收系统用 于磁共振成像。它也能作为发射或者接收系统用于磁共振波谱分析 领域。
本发明还涉及包括根据本发明的高频空腔谐振器的核磁共振 装置。
本发明还涉及由与一组传输线或者基本导体连接的传输线构 成的多导体波导(管)，其特征在于，这些基本导体被放置在圆柱 体上，并且这些基本导体的轴基本平行于圆柱体轴，以及这些传输 线或者基本导体的每一个均包括被分成细长的圆柱形段的直线棒， 这些段是导电的或制成导电的(électriquement conducteur)，棒设置 有插入到这些段之间的薄介电元件，该组基本导体与围绕该组的屏 蔽电连接。
附图说明
参考附图，在阅读了以下给出的解释性的非限制目的的示例性 实施例之后，将更好地理解本发明，在附图中：
图1是示意性剖视图，示出根据本发明的具有多个导体的波导 的几何，还图示说明了在该导向装置中电磁波的传播模式；
图2A和2B示意性地示出了说明用于数值模拟的根据本发明 示例性天线或者空腔谐振器的纵截面(图2A)和剖面图(图2B)；
图3A和3B示意性地示出了说明图2A和2B中示例性天线中 的在500MHz的横向磁场B1的剖面图(图3A)和纵截面(图3B)；
图4A、4B和4C示意性地示出了横截面(图4A)和沿两个正 交平面的纵截面(图4B和4C)，示出了在线偏振中场B1的振幅 (amplitude)曲线；
图5示出了，在对应于本发明的示例性天线的中心，从与x和 y轴正交的天线的z轴开始，x、y和z轴在点O相交，沿两个正交 轴x(曲线I)和y(曲线II)场B1的标准化振幅A的变化。
图6A、6B和6C示意性地示出了剖视图(图6A)和沿两个正 交平面的纵截面(图6B和6C)，示出了在圆偏振中的场B1的振幅 曲线；
图7A和7B示出了根据本发明天线实施例的示意性透视图和 示意性纵剖面图，在这个实施例中该天线的42个棒(bar)中仅4 个被示出；
图8A和8B示出本发明的示意性透视图，其示出在图7A和图 7B中的天线的元件，设置有金属层；
图9A和9B为该天线的介电元件的示意性透视图；
图10A和10B为在所述天线中使用的可变形盘的示意性透视 图(图10A)和连接部件的示意性透视图(图10B)；以及
图11A和11B为设置有金属层并形成该天线的棒的段的示例性 透视图。

当射频场的有效波长变得接近试样(头部)的大小，用于通过 核磁共振检查受治疗者头部的高频空腔谐振器(又称为体积射频线 圈)的制造变得非常重要。应该将空腔谐振器的工作频率调整到与 MRI装置的纵向静磁场(通常用B0表示)的密度成比例的拉莫尔 (Larmor)频率。
在一个具体实施例中，通过在11.7T操作的MRI系统使用本发 明。因此，在氢原子的质子的情况下，对于由MRI研究的核，拉莫 尔频率500MHz。
在该频率范围内，辐射和试样中的电磁损失增加，由此降低了 空腔谐振器的品质因数和横向场B 1的均匀性。根据本发明的RF 线圈的设计必须满足两个要求，即保持可接受的品质因数和横向场 B1的均匀性。
本发明提供了一种新设计(或构思)的空腔谐振器，其可以在 500MHz和500MHz以上(这些值作为实例给出，但是其他值也是 可以的)操作。
该设计必须满足由MRI系统中产生场B0的线圈的制造和MRI 的另外的主要部件梯度线圈的制造而施加的很强的尺寸限制条件。
在另一个实例中，体积RF线圈的直径限制在约350mm，其长 度限制在约300mm。
根据本发明的空腔谐振器设计的基本原理在于由传输线制成 λ/2或者λ/4型空腔谐振器。由于切断频率，对横向尺寸和操作频率 的限制使得用单一导体的(传输)线是完全不可能的，无论其横截 面的几何情况如何。由此，使用多个导体的(传输)线的选择是不 可避免的。
考虑到系统(梯度线圈和产生场B0的线圈)其他部件的几何 情况和试样(头部)的几何情况，特定选择的是包括圆柱形导电外 壳E(见图1)的线，在图1中该线的轴标有标号z，该外壳(屏蔽) 围绕一些其他的导体C(或直的导电棒)，这些导体与z轴平行并且 均匀分布在(几何)圆柱体中，其中前述轴也称为z轴。在图1中， x和y标号代表彼此垂直并垂直于z轴的轴。
对作为导体C的数目和这些导体相对于外壳E的大小和位置的 函数的TEM型传播模式的分析是本发明的特定研究对象，以便通 过重叠一些模式在横向方向上产生尽可能最均匀的B1场分布(因 为所有的TEM模式具有相同的传播常数)。
没有已知的用于限定这些参数(导体的数目和这些导体相对于 外壳E的尺寸和位置)的分析方法。
获得符合本发明的空腔谐振器的参数，尤其是传输线部件的所 有合适的参数的唯一途径是进行对本发明特定的数值模拟研究。这 些参数是：
-外部的外壳E的直径：344mm，
-内部的导体C的直径：14mm，以及
-这些导体C相对于空腔的z轴的位置：147mm。
这些参数的每一个可以在以上述给出的相应值为中心、幅度约 0.5mm的区间内变化，而不显著改变传播模式的场的分布。
获得合适参数的模拟的原则包括系统地研究所有模式的磁场 分布，其中磁场平行于y轴(图1)。这是由对适当模式在二维导向 装置的截面上应用搜索算法而进行的，其中电边界条件沿y轴，磁 边界条件沿x轴。该模型等于通过例如位于外壳E和导体C中的一 个导体之间的x横坐标上的磁性耦合环对导向装置(空腔)的激发， 其表面垂直于y轴。由此获得八种传播模式，表示为M1，M2，...， M8，它们示意性地在图1中示出。
当导向元件的尺寸未正确确定，这些模式的建设性的和破坏性 的重叠产生非常不均匀的磁场分布。
在图1中，模式M1，M7和M8优选由环激发。由于可使用的 模式是模式M8，几何被确定，使得模式M1和M7的重叠不破坏 它的均匀性，相反，倾向于改善它。
TEM模式的波长在500MHz为60cm，不排除使用λ/2谐振器 的原理，可以兼容于对空腔长度的限制条件。但是，在空腔的两个 端部的限制条件应该是一致的，如果线圈设计成检查头部，这些端 部中的一个必须是开发的。但是，两个开口将导致在500MHz的过 多的辐射损耗并剧烈降低空腔谐振器的品质因数。
因此，该设计优选使用λ/4谐振器。考虑到波长，该谐振器将 只有150mm长，在试样(在考虑的实例中为头部)位置的场的纵 向均匀性将变得无法接受。
根据本发明，提供了类似于λ/4谐振器的空腔谐振器，其能够 在500MHz或更高的频率上共振，同时提供纵向和横向上可接受的 均匀性。
以上提到的各文献中的装置的发明人使用可调节的共轴结构 作为复合导体(或多导体)。由于该结构形成的共轴线的内部导体 的可移动性，这些结构中的每一个形成可变化的分配电容。通过提 高该电容，可以获得具有非常低的共振频率的空腔谐振器，该非常 低的共振频率等于170MHz或更小频率。
通过除去内部导体，可以提高文献[3]中所描述类型的空腔谐振 器的频率，限制的情况是除去全部导体的情况。结果是与图1所示 的截面类似的截面。
考虑关于λ/2和λ/4谐振器的评论，很容易理解，文献[3]中所 述类型的空腔谐振器不制造成应用于在高于400MHz的频率上人的 磁共振成像(MRI)的原因。
根据本发明的空腔谐振器的一个创造性的方面是在内部圆柱 形导体上引入介电中断，起到离散电容的作用，以便获得λ/4型空 腔谐振器，优选在300MHz的长度上。
由此，本发明使用粒子加速器领域所用的技术，该领域不仅与 天线的设计相差甚远，而且与NMR的应用相差甚远。
在行波加速结构中，沿着圆形波导(管)规则分布的障碍例如 穿孔盘被用于减小相速度并产生通频带和阻带。当靠近阻带，通频 带中的行进波长是较大的。
然而，用于体积RF线圈的这种方法的效率不明显。尽管该障 碍，在加速结构中的传播模式保持TM型模式。
如果是具有多个导体的导向装置(在其中传播退化模式)，障 碍的引入可以剧烈地扰乱这些模式。
证实该方法有效的唯一方式是使用合适的数值程序。该程序必 须能够配合包含大量单独成分的复杂的三维结构。它可以用于计算 天线的共振频率和电磁场在三维的分布。基于有限积分方法的程序 适合于这样的一个研究。
图2A和2B示意性示出了根据本发明的天线模型，用于优化 该天线的数值模拟。可以看见三个垂直轴x、y和z，其中z轴是天 线的纵轴。这三个轴在天线中心的O点交叉。这些符号将用在说明 书的其它部分中。
在图2A中，标号T指NMR检查的受关注区域，该区域由球 体实体化(剖面图)。
根据本发明的天线或空腔谐振器包括导电外壳e(屏蔽)，其一 端为开放的，另一端是闭合的。天线还包括在外壳内的内部导电体 c(或直的导电棒)，这些导体平行于外壳的z轴。
从图2A和2B可以看出，每个内部导体包括轴向并置的圆柱 形细长导电段(或片段)1，这些圆柱形细长导电段被薄介电圆片2 电绝缘，每个圆片构成导体的间隙。
本发明的另一个重要的优点关于沿导体调节导体中的间隙的 位置，以扩展场B1在纵向上的均匀性。通过进行三维模型和大量 数值模拟，优化间隙的距离和位置。
一个示例性实施例每个导体包括8个间隙，如图2A所示。对 于由聚乙烯制成的电介质，间隙的间距可以在0.5mm至2mm之间 变化。介电圆片被加工成它们可以弹性变形的形状，并且通过在一 组导电段上同时进行加工行为以压缩这些圆片，可以对空腔谐振器 进行调谐。
举例而言，上述形状可以是凸圆片或者球形盖，或者任何其他 具有基本上圆形截面的形状，并且具有基本上垂直于其轴的主表 面。
最后，50mm高的金属冠3形成在天线一端所具有的开口的侧 面，以便限制辐射并改善天线的品质因数。
图3A和3B示出了图1中模式M8的结构没有在插入介电圆片 2后改变。
场B1的均匀性仅仅能够在单一的横向方向上获得(见图4A 至4B和图5)，由此借助于四个激励装置(未示出)通过圆形偏振 来运行根据本发明的空腔谐振器，四个激励装置放置在+x、-x、 +y、-y相互成90度位置上并形成两对，使用两个功率分配器和 两个混合电路(未示出)对这两对正交供电。
接下来，参照图7A、7B、8A、8B、9A、9B、10A、10B、11A 和11B，给出关于本发明示例性天线或者空腔谐振器对象的结构和 操作的细节。该天线包括形成细长圆柱体的导电元件(电导元件) 和由介电材料制成的薄元件。
通过由刚性介电材料例如高密度聚乙烯制成的元件做成导电 元件，并用化学气相沉积(CVD)覆盖稍微比RF波的透入深度厚 的金属层(考虑电导性)，使得由要安装天线的MRI装置中的梯度 线圈感应的电流的效应最小化。
记得图7A和7B分别示出了根据本发明的示例性天线的外视 图和剖面图，仅仅示出了该实例中的天线具有的32个棒中的4个； 图8A和8B示出该实例中天线的导电元件(具有金属涂层的元件)； 图9A和9B示出该天线的介电元件；图10A和10B分别示出薄变 形圆片和段的内连接部件；以及图11A和11B示出形成该天线的棒 的具有金属涂层的圆柱形段。
天线的导电元件是：该天线的壳体5、形成天线的棒的圆柱形 段1、凹环或冠3、封闭天线一端的滑动盘6、在共轴耦合线中的内 部导体10和封闭磁耦合环的圆柱形活塞(或柱塞)8，该磁耦合环 由标号为8、9和10的元件形成，见图7A、7B、8A和8B。
由介电材料(未用金属处理)制成的元件可以具有两个类型， 第一种，对于使天线能够频率调谐的转动盘7和对于内部导电部件 4，具有高刚度，第二种，对于凸圆片或薄片2，具有高弹性。
不承受任何机械力的凹环3可以粘合在天线的壳体5上。
在每根棒端部的段1在一端旋入壳体5上为此设置的螺纹孔5b 中，在另一端旋入滑动盘6上的该盘的螺纹孔位置6a。
其他的段1通过内连接部件4彼此连接，并夹入凸圆片2以形 成变化的电容。连接部件在段中的印痕必须要么是穿透的要么比该 连接部件长。所得的间隙(jeu)使得可以压缩圆片，见图10A、10B、 11A和11B。
可以看出，每个圆片2具有孔12，每个段1具有孔14，连接 部件可以通过该孔。
从剖面上可以看到，该(连接)部件的形状和孔的形状是相同 的(在实例中三个分支相互成120度)，该部件的尺寸比孔的尺寸 稍小，以致它能够在这些孔上滑动。
鉴于插入介电圆片2使得天线能够在500MHz在给定长度上共 振，很容易想到一种方法，其同时改变(或调整)全部间隙的电容， 以调谐天线。
通过改变间隙的大小或者圆片的介电常数或者两者来改变(电 容)。在第一种情况中，对于厚度基本上等于1mm的Teflon(注册 商标)圆片(其介电常数等于2.1)，由模拟给出的灵敏度是 144MHz/mm。
在第二种情况中，对于1mm的间隙，每单位相对介电常数获 得82MHz灵敏度。
采用了这两个原理的组合(见图7A和7B)。
由介电材料制成的具有均匀厚度的每个薄圆片2具有凸起的形 状，由此能够被压缩。在其中心通过对应于具有3个臂的连接部件 4的截面的图样将其钻孔，该连接部件同样由介电材料制成，但是 该材料的刚度更大。
在圆片2的每一侧，两个棒段1必须具有对应连接部件的负向 印痕，要么穿通要么更长(余隙)。因此，这些部件形成电容间隙， 通过由段无扭转地压缩圆片使电容间隙可变化。
因为模式尤其是偶极模式的共振频率随着间隙的电容的增大 而降低，圆片2的压缩结合了加入的两种效应；间距的减小和间隙 (l’intervalle)有效介电常数的增大这两者参与了电容的增大以及由 此的共振频率的降低。
通过移动滑动盘6产生压缩，转动盘7抵靠在滑动盘6上，转 动盘的边具有螺纹7b，其与天线的壳体的螺纹5d配合。
两个把手7a安装在转动盘上以便于握住。滑动盘6的移动由 形成在其边缘的突出物6b引导，该突出物沿着刚性元件5a的排列 安装入设置在天线的壳体5上的槽5c(见图8A和8B)。
这些刚性元件是必要的，因为壳体5的侧壁的厚度被梯度线圈 的构造限制在5mm。然而，该构造使刚性元件在特定位置形成， 因为线圈是由排列在圆上的圆柱形元件组成，该圆上留下了空隙， 刚性元件5a可以容纳在该空隙中。
使用四个共轴输入端进行天线的正交电源供应，该输入端的外 部导体5e安装到天线5的壳体上。内部导体连接到棒的段1上(见 图7)并通过电绝缘套9与外部导体绝缘。
选择线的特征阻抗为50欧姆。
增大的线的尺寸超过运输平均RF能量和峰值RF能量所必需 的，以便维持合理的网孔(maille)比例以及用于耦合的满意的计算精 度。
线的内、外直径分别是4.2mm和14mm。
7mm直径的圆柱形活塞8(也就是在外壳E和导体C的空隙 处进入天线的导电元件或者被制成导电的元件)的轴与内部导体10 的轴的距离LC可以变化，该圆柱形活塞通过1.4mm电容间隙封闭 磁耦合环。
通过在20mm至55mm间改变LC，这种耦合方法适用500至 50的外部品质因数范围。它还具有在该范围不改变共振频率的优 点。在活塞和棒之间的、值在1mm和2mm之间的电容间隙仅导致 耦合系数的微小变化。
最后，两个径向相反的输入端形成由RF源同相供电的一对， 另外两个输入端位于与前两个成90度的位置，形成相对第一对成 正交供电的第二对。
本发明有利地提供了导电棒，其圆柱形结构使得磁场线可以更 好地绕过每个棒，由此可以获得空腔谐振器的中心区域中磁场的更 均匀的分布。该绕过归因于由棒强加给高频电磁波的限制条件。鉴 于麦克斯韦方程，相对具有平的长方形截面的条带(如美国专利 4751 464中描述的棒)，场线更容易地绕过具有圆形截面的棒。
实践中，棒的几何情况还限制用于MRI的谐振器的给定体积 中棒的数目(美国专利4751 464中1为16)，然而在描述的优选实 施例中为32个棒。但是棒的数目越多，磁场的均匀性更好。
本发明目的还可以描述成具有多个导体的传输线(或射频波 导)，也就是说，由一组基本导体(conducteurs élémentaires)构成 的传输线，该基本导体彼此连接(couplés)并与围绕这些基本导体 的屏蔽连接，基本导体对应每个直线棒，其被分成圆柱形段1，这 些段是导电的或者制成导电的，每个棒设置有插入到段之间的薄介 电元件2。
以上描述的本发明不受描述的实施例或者前面实例的数量值 的限制。本发明还涉及具有不同尺寸和合适的数量值的任何类似类 型的装置。