西門子磁共振射頻系統原理與故障分析

蔣東平 何賢國 何 燕 鄒慶輝

1 序言

醫學成像是生物醫學工程學科的重要研究領域，包括近年來發展起來的X射線計算機斷層成像（X射線CT機）、磁共振成像、核醫學成像和超聲波成像等方面。隨著低溫技術、超導技術、磁體技術、電子技術和計算機技術等相關技術的進步，磁共振成像得到了飛速發展。如今，磁共振成像系統已經成為現代醫學影像領域中最先進、最昂貴的診斷設備之一，磁共振一詞已經家喻戶曉，未來它仍將以一個新興學科的面貌在工程技術和醫學診斷兩個方面持續發展。

磁共振成像（Magnetic resonance imaging， MRI）是根據生物體磁性核（氫核）在磁場中的表現特征成像的高新技術，它的物理基礎為核磁共振（Nuclear magnetic resonance，NMR）理論。所謂NMR是指物質磁性和磁場相關的共振現象，在外磁場的作用下，某些繞主磁場進動的自旋的質子（包括人體中的氫質子）在短暫的射頻電波作用下，進動角增大，當射頻電波停止后，那些質子又會逐漸恢復到原來的狀態，并同時釋放與激勵波頻率相同的射頻信號，這一物理現象被稱為核磁共振。

磁共振成像系統是集多學科、多技術于一體的高科技產品，無論是新產品的研制、新技術的開發、還是實際工作中對其維修與保養，都需要人們掌握一定的磁共振理論知識，并對機器工作原理有所了解。

2 射頻系統的簡介

射頻子系統（RF system）是MRI系統中實施射頻激勵并接收和處理RF信號的功能單元，射頻系統不僅要根據掃描序列的要求發射各種翻轉角的射頻波，還要接收成像區域內氫質子的共振信號。

射頻脈沖的頻率就是系統的氫質子共振頻率，即拉莫頻率（42.5758 MHz），依據磁場的強度一般是固定不變的，以西門子1.5 T來說，它的發射頻率約為63 MHz，由振蕩器產生的電磁波首先被送入頻率合成器，RF波的頻率在此得以校正，然后標準頻率的RF波進入調制器Modulator，調制器的作用是產生需要的波形，在這一過程中，RF脈沖要經過多極放大，使其幅度得以提高。射頻脈沖發射單元的最后一級為功率放大器Radio Frequency Power Amplifier，它輸出一定發射功率的射頻波。這一RF波要經過一個阻抗匹配網絡Impedance Matching (Tuning)進入射頻線圈。阻抗匹配網絡在這里起緩沖器和開關的作用。由于有些線圈比如體線圈Body coil既是發射線圈Transmit coil又是接收線圈Receive coil，必須通過阻抗匹配網絡的轉換。射頻發射時，它建立的信號通路阻抗非常小，使線圈成為發射天線；射頻接收時，它建立的信號通路阻抗非常大，線圈成為接收天線。接收單元的功能是接收人體產生的磁共振信號，并經過適當放大處理后進入接收板進行模擬數字轉換。綜合上述，我們可以看到西門子射頻系統基本可分為如下幾大部分∶

調制器Modulator；射頻功率放大器RF Power Amplifier；阻抗匹配網絡Impedance Matching也可稱為調諧單元Tuning Unit；發射線圈Transmit coil；接收線圈Receive coils。

圖1 射頻系統框圖RF System Block Diagram

接收信號放大器和接收處理器Receive signal amplifier and receiver詳細框圖請參考圖1射頻系統框圖RF System Block Diagram。

3 射頻系統各個單元工作框圖和基本原理

3.1 調制器和合成器(Modulator and synthesizer)

調制合成器如圖2所示他的主要功能是計算和產生射頻小信號，經過混頻、同步以及濾波后，得到帶有一定頻率的射頻脈沖信號。典型的射頻脈沖如圖3所示。

圖2 調制器和合成器

圖3 典型的射頻脈沖

3.2 射頻功率放大器(RF Power Amplifier）

射頻脈沖放大器如圖4所示。它是把前一級的射頻脈沖小信號進行功率放大，它是射頻發射單元中的關鍵組成部件。一般要求它不僅能夠輸出足夠的功率，還要有一定寬度的頻帶和非常好的線性，因此功率放大器的工作必須是非常可靠的。西門子的射頻功放采用的是真空固態功率放大管（Vacuum tube and solid state power stage amplifier），然而真空管和固態功率放大器通常它的輸出特性是非線性的，主要有兩方面的影響∶增益取決于輸入功率的水平，相位取決于輸出功率的水平。射頻功率放大器輸出特性如圖5所示。從圖5可以看出，在很低的輸入水平時它的輸出功率并沒有線性的放大。

圖4 射頻功率放大器

圖5 射頻功率放大器輸出特性

射頻小信號輸入到射頻功放之前，必須預校準，見上面右圖中的虛線部分（inverse function），預校準的曲線疊加上測量到的輸出曲線，最終得到一個理想的線性的射頻脈沖。線性的射頻特性和預校準示意圖分別如圖6及圖7所示。

圖6 線性的射頻特性

圖7 預校準示意圖

圖8 發射線圈

3.3 發射線圈（Transmit coil（Body coil））

射頻發射線圈如圖8所示，它相當于一個純的50 Ω負載，負責把射頻功放發送過來的射頻能量施加給人體，用以激勵人體中的氫質子，使其發生旋轉而產生共振。在射頻激勵過程中，發射線圈作為換能器，將RF功率轉換為在成像空間橫向旋轉的射頻磁場Bo，該換能器效率越高，就越可能用較小的射頻功率在成像空間內獲得較大的Bo場，一個品質優良的發射線圈，不僅要有高的發射和接收率，而且要使它的射頻場有足夠的空間均勻性。

3.4 接收信號單元（Receive signal unit）

信號接收單元如圖9所示。接收人體信號的任務主要由接收線圈來完成，線圈接收到的人體磁共振信號，被送到射頻接收放大器，并經過適當的放大處理后供數據采集單元使用，前置放大器是射頻接收單元的重要組成部分，從接收線圈中感應出的FID信號只有微瓦數量級的功率，這就要求它既要有很高的放大倍數，又要有很小的噪聲，在工作頻率附近要求有較為平坦的頻率響應，并在很大范圍內有好的線性放大特征。信號經過前置放大器放大后到達混頻器，為了提高放大器的靈敏度和穩定性，在這里采用了外差接收的方法，使信號于本機振蕩混頻后產生一個中頻信號，即將RF信號轉換至較低的中間頻率上，該信號經中頻放大器進一步放大后送往低通濾波器，濾除其中混雜的交流成分后送到數據采集系統供AD轉換用，最后得到原始數據再進行圖像后處理。

圖9 信號接收單元

圖10 發射接收回路測試結果圖

圖11 接收回路測試結果圖

4 西門子射頻系統維修實例

4.1 故障現象

系統不能掃描，一掃描就停止，設備管理器出現紅色報錯信息∶

Frequency adjustment error，Receiver signal too low，please reboot the syngo system。

更換不同的接收線圈，故障現象一樣。

4.2 維修過程

（1）首先進入設備硬件查看器MR Scanner中查看系統各部分硬件狀態，發現都是正常的綠色箭頭，說明各個硬件部分通訊都是正常的，也說明了各個硬件的供電系統沒問題，但其具體功能是否還具備，需要做進一步的排查。

（2）更換不同的線圈進行掃描，得到了一模一樣的故障現象。

（3）手動調諧接收線圈，在adjustment里的Frequency中，找不到FID自由衰減信號，只得到一大片的噪聲波形。而LC_tune中的接收線圈調諧則能通過，這個重要的信息排除了接收線圈壞的可能性。

（4）有了上面的結論，就重點放在射頻信號的發射和接收通道上。先做發射板和接收板的回路（MOD./REC）測試（即射頻信號由發射板出來，不經過任何發射和接收通路，直接回到接收板中），結果顯示指標全都在范圍內，說明發射板（TX Module）和接收板(RX Module)都是正常工作的。詳細測試指標參見圖10和圖11。

（5）繼續做LCCS測試都可以通過，說明整個接收回路前置放大部分到接收板都是正常的。

（6）做Test tools中的Imager和RX4，以及MMC測試，都正常。說明發射接收的控制部分都是好的，這樣就確定了問題是出在發射通路上。

（7）問題出在發射上，無外乎三種可能(請參考射頻系統框圖12)∶

第一，射頻功率放大器RFPA損壞；

第二，RFPA到發射線圈之間的連接；

第三，發射線圈TX coil（Body coil）。

圖12 射頻系統框圖

（8）用一個50 Ω的衰減器，直接接到射頻功放RFPA的輸出端，運行RFPA測試，這個測試把射頻功放后面的負載全部斷開了。測試完得到圖13和圖14的結果。

圖13 射頻功放功率測試

從上圖中看到射頻功放實際的最大功率輸出Forward max.actual和反射最大功率Max Reflected均為0。表明系統沒有檢測到射頻功率的實際輸出。

圖14 射頻輸出曲線為0 No RF Power output curve

從上圖中可以看到射頻功放的輸出功率Power forward曲線從0到800 V的范圍內均為0。這說明射頻功放RFPA本身沒有輸出相應正確的功率。正確的波形，應該如圖15所示。

圖15 正常的射頻輸出曲線Normal RF Power output curve

（3）更換RFPA后，機器恢復正常。

4.3 維修結論

上述故障是由于射頻功率放大器RFPA本身失去了對射頻小信號的放大功能而導致的。對于大型醫療儀器的維修，需要工程技術人員對系統的整個工作原理有一個完整的了解，然后借助各種測試儀器和程序，對其具體功能進行分析，這樣才能準確快速的找出故障。

[1]趙喜平.磁共振成像系統的原理及應用[M].北京∶科學出版社∶2000.12.

[2]萬華軍，黃政權.Siemens Symphony MRI 維護及故障排除[J].醫療衛生裝備，2008(2)∶34-35.

[3]吳恩慧.醫學影像診斷學[M].北京∶人民衛生出版社，2002∶6.

[4]李坤成.全國醫用設備使用人員(MRI醫師)上崗考試指南[M].北京∶軍事醫學科學出版社，2009.

[5]何賢國.電路原理[M].長沙∶湖南科學技術出版社，2011∶4.

[6]劉正琦.核磁共振操作及維護保養[J].中國實用醫藥，2007(35).

[7]于清林.核磁共振原理及典型故障維修[J].中國醫學裝備，2009，6(2)∶58.