關(guān)于西門子核磁共磁設(shè)備射頻系統(tǒng)的分析

何聰

（東莞市厚街醫(yī)院設(shè)備科，廣東 東莞523900）

1 核磁共振設(shè)備結(jié)構(gòu)

核磁共振設(shè)備一般結(jié)構(gòu)組成：主磁體、射頻系統(tǒng)、梯度系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等部件。被檢測(cè)體放置在靜磁場(chǎng)中氫原子核自由進(jìn)動(dòng)，使用射頻激發(fā)氫原子核，引起氫原子核共振并吸收射頻脈沖能量；停止射頻激發(fā)氫原子核按特定頻率發(fā)出信號(hào)，并將吸收的射頻能量釋放出來(lái)，被體表的接收器記錄，經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像重建獲得圖像[1]。

2 射頻系統(tǒng)

2.1 射頻系統(tǒng)組成

射頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：合成調(diào)制器（Modulator Synthesizer）、射頻功率放大器（RFPA）、調(diào)諧單元（Tuning Unit）、發(fā)射線圈（Transmit coil）、接收線圈（Receiver Coil）、信號(hào)接收解調(diào)器（Receiver），射頻系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 射頻系統(tǒng)框圖

2.2 射頻系統(tǒng)工作流程

射頻脈沖序列指令儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中，當(dāng)操作者選用某個(gè)掃描序列執(zhí)行掃描動(dòng)作，計(jì)算機(jī)射頻序列指令傳輸至序列發(fā)射板產(chǎn)生數(shù)字RF 原始波[2]。載波與射頻波合成調(diào)制輸出SSB、TTX、LOOP 三路信號(hào)，其中TTX 信號(hào)用于測(cè)試掃描調(diào)諧狀態(tài)，LOOP信號(hào)反饋至接收單元測(cè)試調(diào)制器與解調(diào)器的通路狀態(tài)，射頻小信號(hào)SSB 經(jīng)過(guò)調(diào)制后頻率f=63.62MHz（1.5T 磁共振射頻系統(tǒng)）的模擬信號(hào)，經(jīng)射頻功率放大器RFPA 后輸出SSB 功率可達(dá)15kw。射頻功率放大器輸出的SSB 信號(hào)即將進(jìn)入發(fā)射線圈，為了確保射頻激勵(lì)信號(hào)SSB 耦合饋入RF 發(fā)射線圈，需要阻抗匹配相當(dāng)于射頻信號(hào)SSB 通道入口，經(jīng)過(guò)50Ω 阻抗阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)可減少射頻小信號(hào)SSB 過(guò)多反射波帶來(lái)的不良影響[3]。

3 射頻系統(tǒng)各單元基本原理與流程圖

3.1 調(diào)制器（Modulator）

磁共振成像常用的射頻脈沖形狀：Sinc 脈沖（自旋回波序列選層脈沖的帶寬約為800hz），矩形脈沖（多用于頻率和發(fā)射機(jī)的調(diào)整和測(cè)試），高斯分布脈沖（用于壓脂序列）[4]。調(diào)制指用調(diào)制信號(hào)去控制載波信號(hào)，讓后者的某一參數(shù)（幅值、頻率、相位、脈沖寬度等）按前者的值變化，最基本的調(diào)制方法調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。將磁共振設(shè)備射頻調(diào)制合成系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)變換器，輸入數(shù)字信號(hào)大約是2MHz，數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)后經(jīng)過(guò)混頻器混合、濾波、衰減、調(diào)制輸出所需要的脈沖波形、幅值、頻率。

3.2 射頻功率放大器（RFPA）

調(diào)制器輸出的射頻小信號(hào)SSB 非常微小，例如1.5T 核磁共振180°Sinc 脈沖峰值幅值計(jì)算，射頻功率放大器71.8dB，發(fā)射線圈發(fā)射幅值648V（一般180°Sinc 脈沖的峰值振幅是矩形脈沖的1.8 倍），反推算出調(diào)制輸出射頻63 MHz 的幅值約為0.167V，約0.56MW。因此，射頻功率放大器（RFPA）用于將射頻功率提高到所需的功率水平，以滿足核磁共振質(zhì)子自旋所需的各種射頻翻轉(zhuǎn)角，場(chǎng)強(qiáng)越高，RFPA 的最大功率就越高。調(diào)制后的RF-IN 信號(hào)輸入射頻功率放大器經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)增益放大50dB、功率放大增益21.8 dB 輸出所需要射頻功率，經(jīng)定向耦合器反饋監(jiān)控射頻功率。

3.3 射頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

發(fā)射射頻激勵(lì)期間，RFPA 射頻波通過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)耦合到發(fā)射線圈和病人組成的負(fù)載上，射頻源阻抗為Zi，傳輸線阻抗為Z0，負(fù)載阻抗為ZL，當(dāng)Zi=ZL阻抗匹配發(fā)射的射頻波進(jìn)入發(fā)射線圈反射波最小，當(dāng)Zi≠ZL阻抗不匹配發(fā)射的射頻產(chǎn)生大量反射波，發(fā)射的射頻波與反射波相加或相減產(chǎn)生駐波，RFPA 輸出的射頻會(huì)被反射回來(lái)，大部分的能量會(huì)重新回到RFPA，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題①發(fā)射線圈射頻波功率不夠，而導(dǎo)致圖像信號(hào)質(zhì)量差，②RFPA 接收過(guò)多反射射頻波，超過(guò)了RFPA 允許的最大電壓值可能損壞硬件[5]。

3.4 射頻調(diào)諧單元（Tuning Unit）

阻抗匹配使射頻波功率有效地耦合進(jìn)發(fā)射線圈，調(diào)諧使發(fā)射線圈發(fā)射射頻激勵(lì)頻率與自旋進(jìn)動(dòng)氫原子核頻率一致發(fā)生諧振獲得MR 原始信號(hào)。可以在一個(gè)或若干個(gè)頻率上發(fā)生諧振現(xiàn)象的電路稱為諧振電路，常由電感L 和電容C 組成LC 諧振電路，通過(guò)可變電容串聯(lián)或并聯(lián)實(shí)現(xiàn)發(fā)射或接收線圈的動(dòng)態(tài)調(diào)諧。通過(guò)反復(fù)通過(guò)電容C1、C2 容量，最后阻抗匹配、諧振都滿足，這個(gè)調(diào)節(jié)匹配的過(guò)程叫做調(diào)諧（Tuning）。

在射頻發(fā)射過(guò)程接收線圈發(fā)生振蕩會(huì)使發(fā)射激勵(lì)磁場(chǎng)的分布失真、均勻性下降，最終影響圖像成像成像質(zhì)量，高功率射頻可能會(huì)損壞接收線圈。解決辦法是：發(fā)射射頻波時(shí)必須對(duì)接收線圈進(jìn)行失諧，接收MR 信號(hào)時(shí)必須對(duì)發(fā)射線圈進(jìn)行失諧，分別通過(guò)動(dòng)態(tài)控制信號(hào)控制發(fā)射線圈和接收線圈元件失諧（除了發(fā)射射頻波時(shí)，接收線圈總是處于調(diào)諧狀態(tài)）。

3.5 射頻發(fā)射線圈（Transmit coil）

線圈或諧振器通常稱為天線，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)進(jìn)行磁共振現(xiàn)象激勵(lì)氫原子核，接收進(jìn)動(dòng)核矩發(fā)出的磁場(chǎng)。發(fā)射線圈的磁場(chǎng)分布在整個(gè)測(cè)量體積上應(yīng)該是均勻的，以保證空間上均勻的核磁共振激勵(lì)。在梯度回波序列中，如果發(fā)射場(chǎng)不均勻，圖像中的對(duì)比度可能會(huì)發(fā)生變化，對(duì)比度取決于翻轉(zhuǎn)角度。

超導(dǎo)磁體的發(fā)射線圈（也叫體線圈）一般設(shè)計(jì)為線性極化線圈體型，兩個(gè)線圈彼此成90 度角，形成一個(gè)圓極化線圈（CP線圈），產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的射頻場(chǎng)，保證發(fā)射場(chǎng)的均勻性。有些體線圈同時(shí)也具有發(fā)射與接收線圈的功能，通過(guò)T/R 開關(guān)（發(fā)射/接收）控制發(fā)射射頻或者接收信號(hào)，發(fā)射/接收線圈相當(dāng)于一個(gè)約50Ω 負(fù)載。從RFPA 輸入大功率射頻經(jīng)過(guò)功率分配器和90°移相器分為0°和90°射頻角度，然后經(jīng)過(guò)T/R 開關(guān)(發(fā)射/接收)控制選擇后，進(jìn)入阻抗調(diào)諧電路，最后到達(dá)發(fā)射線圈coil 1 和coil 2 組成的振蕩電路，發(fā)出射頻激勵(lì)被檢組織的氫原子完成共振過(guò)程。發(fā)射線圈失諧后，體線圈當(dāng)做接收線圈接收MR信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)諧單元和T/R 開關(guān)，進(jìn)入射頻混合單元輸出測(cè)試調(diào)諧信號(hào)和MR 信號(hào)。

3.6 射頻信號(hào)接收單元（Receiver Coil）

接收線圈也被稱為“表面線圈”，這些線圈直接放置在病人身體表面接收MR 信號(hào)，接收線圈磁場(chǎng)方向B1 必須場(chǎng)垂直于主磁體磁場(chǎng)B0，由線圈與電容器組成LC 諧振電路。磁共振信號(hào)通常由一個(gè)表面局部線圈接收，然后由低噪聲前置放大器放大到一個(gè)足夠的電平，接收線圈接收到MR 信號(hào)頻率大約63.6 MHz（1.5T 場(chǎng)強(qiáng)），經(jīng)過(guò)主放大器放大后進(jìn)入兩級(jí)混頻器后將這段頻率轉(zhuǎn)換成2 MHz 的頻率，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字MR 信號(hào)，濾波和解調(diào)器計(jì)算后形成MRI 原始圖像數(shù)據(jù)（Raw data）輸出至圖像重建工作站重建獲得MRI 圖像，解調(diào)器功能與調(diào)制器的功能是互補(bǔ)的，有數(shù)字解調(diào)與模擬解調(diào)之分。

綜上所述，磁共振成像系統(tǒng)射頻發(fā)生與控制十分復(fù)雜，為獲得高質(zhì)量MR 信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行處理用來(lái)重建圖像，所以對(duì)射頻信號(hào)的分析研究十分重要。對(duì)射頻系統(tǒng)信號(hào)的通路和波形清晰了解，當(dāng)射頻單元出現(xiàn)故障時(shí)，能夠快速判斷和處理各種故障。