AIR Technology 磁共振射頻系統革命

磁共振成像主要利用人體內氫質子等的自旋共振進行成像。在超導磁場環境中，使用垂直或傾斜角度的射頻脈沖來完成共振。射頻脈沖是一種交變的射頻磁場，由譜儀（Spectrometer）其中的一塊電路控制板發出，經過射頻放大器放大到所需要的功率后進行處理，并送入發射線圈（通常是正交體線圈Quadrature Body Coil）發射。人體內的氫質子經射頻發射信號激發形成共振信號，在弛豫過程中，由各類體表線圈接收并進行放大，通過頻率，相位編碼以及檢波濾波處理后，由重建處理器完成圖像重建，傳輸至主機工作臺。因此射頻系統是影像磁共振最終成像效果極為重要的核心部件之一。射頻系統由射頻發射，射頻接收線圈，射頻傳輸轉換鏈路等多個子系統構成。磁共振發展歷程中，射頻系統一直是磁共振性能革新的聚焦點，給磁共振臨床應用帶來了極大的突破。然而受限于電路系統以及電子元器件的發展，近年來磁共振射頻系統已至瓶頸。作為最早的醫用超導磁共振廠商，GE一直引領磁共振射頻系統技術的發展，并率先推出全新的AIR Technology 射頻系統，對射頻系統進行全方面革新設計。

1 AIR Touch智能感知射頻發射

多源射頻發射解決了超高場磁共振射頻信號不均勻的問題，然而射頻信號激發依然存在精準度的問題需要解決。基于MultiDrive多源射頻發射系統，在全新的AIR射頻平臺上，GE實現了全新的AIR Touch智能感知射頻發射技術（圖1）。人體進入靜磁場后會造成磁場偏移效應，進而引起共振頻率的偏差。傳統磁共振中采用勻場的方式來糾正人體對于靜磁場的偏移，搭配以固定的中心頻率模型來進行射頻信號的激發。然而由于勻場技術的限制以及個體間的差異，難以保證掃描視野內的磁場始終一致，這便造成了最終成像中不同層面圖像的錯位。AIR平臺將首次采用基于人工智能成像的生物感知激發技術-AIR Touch。該技術通過全新智能技術進行獨立的射頻激發調控以及渦流場的矯正。在預掃描、掃描成像與圖像重建全過程中對射頻頻率便宜進行糾正。在射頻激發過程中，采用多源射頻隔層進行中心頻率的選擇，實現中心頻率的“有層可依”。

圖1 傳統勻場+固定中心頻率激發，造成層間錯位（a）和AIR Touch智能感知激發，修正每一層中心頻率偏移（b）

2 全新AIR Coil線圈電路材質革命

射頻接收線圈所指為臨床常見的表面線圈，用于緊貼成像部位成像，部位越近信號越強。一個相控陣線圈由多個子線圈單元構成，每個線圈單元大小約為15～18 cm，同時具備多個數據采集通道與之對應，信噪比成倍提升，與并行采集技術相結合可以大大提高MRI的信號采集效率。目前臨床上高場MRI已經全部采用相控陣線圈進行采集，部分線圈的采集通道數最高已經可以達到32個（圖2）。然而線圈單元采用傳統銅質電路板設計，在相鄰線圈單元互相接近后，由于電路材質以及系統的原因，產生互感效應，信號反而衰減，因此傳統線圈單元間可重疊距離僅有2 cm。在不減小線圈采集單元大小的情況下，單部位線圈采集通道已達上限，這極大地制約了磁共振射頻接收線圈技術的發展。而在保障圖像質量的同時，作為唯一與人體密切接觸的部件，臨床對于線圈舒適性也提出了更高的要求。

圖2 相控陣線圈，多個線圈單元組成 （a）和線圈單元靠近后互相干擾，單位面積線圈單元數量存在上限（b）

傳統相控陣線圈最大接收通道為32通道，一般用于頭顱線圈之中。而全新的AIR Coil突破了線圈密度的限制，最大接收通道相比傳統線圈提升了50%，達到了48通道，成為當前最高通道數的神經科研專用線圈。

AIR射頻平臺采用了完全革新的電路材質來進行線圈系統的設計。AIR Coil線圈使用革命性材料INCA纖維導環作為線圈單元材料，同時將包含高通去耦電阻，前置放大器，電容器等相應電路元件集成到芯片中，摒棄傳統的銅線電路板結構。這種全新的線圈單元重量僅為傳統線圈單元的1/3，并且能夠有效克服線圈單元之間的互感效應，將相鄰單元之間的重疊范圍增加到原來的3.5倍以上，進而實現了最大密度的線圈單元通道分布。

如前文所述，傳統相控陣線圈最大接收通道為32通道，一般用于頭顱線圈之中。而全新的AIR Coil突破了線圈密度的限制，最大接收通道相比傳統線圈提升了50%，達到了48通道，成為當前最高通道數的神經科研專用線圈（圖3）。成像過程中，AIR Head Coil信噪比提升約1.4倍，能夠兼容最高八倍的多層采集系數，大幅提升功能成像速度。另一方面，線圈距離掃描部位越近信號越強，INCA線圈單元克服互感的特性使其具備了當前業內唯一的3 cm的可擴容特性，能夠更加貼合兒童等不同體型的人群，實現完美的神經信號采集效果。

圖3 線圈

3 AIR Thunder一比一射頻傳輸鏈路

在射頻表面線圈接收到回波信號后，仍需要進行信號的傳輸并轉換為數字信號由重建計算機進行重建。在這一過程中，射頻信號是多路同時傳輸的，每一路都包含了反映人體檢查部位的不同信號。隨著線圈接收通道的不斷提升，對于射頻傳輸鏈路的承載以及轉換性能也提出了更高的要求。完整的射頻傳輸鏈路從表面線圈接收通道開始，經過短程的多通道射頻信號傳輸至模擬數字轉換器（ADC轉換器）轉換為數字信號。由于射頻信號依然為電信號，在傳輸過程中容易造成損失，因此在早期射頻傳輸鏈路的發展中，快速實現ADC轉換成為一大核心。通過將設備間的ADC轉換器移至磁體間，大大地減少了射頻信號傳輸的距離，降低了傳輸中射頻信號的損失，這便是光纖或者數字化射頻傳輸的概念（圖4）。

圖4 光纖射頻傳輸鏈路的發展，ADC轉換器磁體間前置

在整個射頻傳輸鏈路中，包含有3個關鍵性的指標，即線圈接收通道數，射頻同時傳輸通道數以及ADC轉換器個數，其中線圈接收通道以及同時傳輸通道往往一致，稱為傳輸通道數，而最終接收信號并進行轉換的ADC個數稱為接收的通道數。在傳統射頻傳輸鏈路設計時，考慮到ADC轉換器本身的成本，以及早期射頻線圈通道數的限制，所采用的為傳輸通道M：接收通道N的設計，即ADC轉換器個數小于傳輸通道數。這種射頻傳輸鏈路大幅節約了硬件成本，同時可以順利完成單部位檢查，在射頻傳輸鏈路中被廣泛使用。然而隨著聯合掃描需求的變高以及單部位線圈通道的提升，M：N的射頻傳輸鏈路的問題開始呈現。舉例來說，傳輸通道設計為204個，而ADC轉換器個數為48個。在線圈通道控制在48通道以下時，可以順利完成檢查。而一旦線圈傳輸通道超過48個時，此時射頻系統接收能力將會不足，實際的射頻傳輸鏈路的接收能力依然為48個，無法充分接收射頻線圈采集到的信號。因此只有當傳輸通道數與接收通道數一一對應時，才能發揮最大的射頻傳輸鏈路性能。AIR Technology搭載了全新的AIR Thunder一比一射頻傳輸鏈路。從每個線圈單元采集到的信號均有一一對應的射頻傳輸通道和ADC模數轉換器，最大可同時實現146個射頻傳輸鏈路傳輸轉換。射頻傳輸性能將不會受到ADC轉換器個數的限制，最大化發揮線圈采集的能力，同時也為未來更多通道的線圈以及更多組合使用的場景提供射頻傳輸基礎（圖5）。

圖5 傳統M:N射頻傳輸，性能受到ADC轉換器限制（a）和AIR Thunder M:M一比一傳輸鏈路（b）

4 結語

射頻系統毫無疑問是磁共振設備中最為重要的核心技術部件之一，它貫穿著整個磁共振信號產生采集傳輸的流程。磁共振臨床應用需求的不斷提高以及技術的迭代發展對射頻系統提出了更高的性能要求。全新AIR Technology射頻平臺集成智能感知射頻發射技術，革命性INCA線圈單元設計的AIR Coil以及AIR Thunder一比一射頻傳輸鏈路，實現磁共振射頻系統從組織激發到數據采集，傳輸轉換的全面創新，為更高通量的磁共振信號獲取，更快速地磁共振信號采集，更深度地磁共振影像科研奠定了堅實的硬件基礎。