关于西门子核磁共磁设备射频系统的分析

何聪

（东莞市厚街医院设备科，广东 东莞523900）

1 核磁共振设备结构

核磁共振设备一般结构组成：主磁体、射频系统、梯度系统、冷却系统、计算机控制系统等部件。被检测体放置在静磁场中氢原子核自由进动，使用射频激发氢原子核，引起氢原子核共振并吸收射频脉冲能量；停止射频激发氢原子核按特定频率发出信号，并将吸收的射频能量释放出来，被体表的接收器记录，经计算机图像重建获得图像[1]。

2 射频系统

2.1 射频系统组成

射频系统结构：合成调制器（Modulator Synthesizer）、射频功率放大器（RFPA）、调谐单元（Tuning Unit）、发射线圈（Transmit coil）、接收线圈（Receiver Coil）、信号接收解调器（Receiver），射频系统框图如图1 所示。

图1 射频系统框图

2.2 射频系统工作流程

射频脉冲序列指令储存于计算机中，当操作者选用某个扫描序列执行扫描动作，计算机射频序列指令传输至序列发射板产生数字RF 原始波[2]。载波与射频波合成调制输出SSB、TTX、LOOP 三路信号，其中TTX 信号用于测试扫描调谐状态，LOOP信号反馈至接收单元测试调制器与解调器的通路状态，射频小信号SSB 经过调制后频率f=63.62MHz（1.5T 磁共振射频系统）的模拟信号，经射频功率放大器RFPA 后输出SSB 功率可达15kw。射频功率放大器输出的SSB 信号即将进入发射线圈，为了确保射频激励信号SSB 耦合馈入RF 发射线圈，需要阻抗匹配相当于射频信号SSB 通道入口，经过50Ω 阻抗阻抗匹配网络可减少射频小信号SSB 过多反射波带来的不良影响[3]。

3 射频系统各单元基本原理与流程图

3.1 调制器（Modulator）

磁共振成像常用的射频脉冲形状：Sinc 脉冲（自旋回波序列选层脉冲的带宽约为800hz），矩形脉冲（多用于频率和发射机的调整和测试），高斯分布脉冲（用于压脂序列）[4]。调制指用调制信号去控制载波信号，让后者的某一参数（幅值、频率、相位、脉冲宽度等）按前者的值变化，最基本的调制方法调幅、调频和调相。将磁共振设备射频调制合成系统简化为一个变换器，输入数字信号大约是2MHz，数字信号转变为模拟信号后经过混频器混合、滤波、衰减、调制输出所需要的脉冲波形、幅值、频率。

3.2 射频功率放大器（RFPA）

调制器输出的射频小信号SSB 非常微小，例如1.5T 核磁共振180°Sinc 脉冲峰值幅值计算，射频功率放大器71.8dB，发射线圈发射幅值648V（一般180°Sinc 脉冲的峰值振幅是矩形脉冲的1.8 倍），反推算出调制输出射频63 MHz 的幅值约为0.167V，约0.56MW。因此，射频功率放大器（RFPA）用于将射频功率提高到所需的功率水平，以满足核磁共振质子自旋所需的各种射频翻转角，场强越高，RFPA 的最大功率就越高。调制后的RF-IN 信号输入射频功率放大器经过驱动增益放大50dB、功率放大增益21.8 dB 输出所需要射频功率，经定向耦合器反馈监控射频功率。

3.3 射频阻抗匹配网络

发射射频激励期间，RFPA 射频波通过阻抗匹配网络耦合到发射线圈和病人组成的负载上，射频源阻抗为Zi，传输线阻抗为Z0，负载阻抗为ZL，当Zi=ZL阻抗匹配发射的射频波进入发射线圈反射波最小，当Zi≠ZL阻抗不匹配发射的射频产生大量反射波，发射的射频波与反射波相加或相减产生驻波，RFPA 输出的射频会被反射回来，大部分的能量会重新回到RFPA，会出现两个问题①发射线圈射频波功率不够，而导致图像信号质量差，②RFPA 接收过多反射射频波，超过了RFPA 允许的最大电压值可能损坏硬件[5]。

3.4 射频调谐单元（Tuning Unit）

阻抗匹配使射频波功率有效地耦合进发射线圈，调谐使发射线圈发射射频激励频率与自旋进动氢原子核频率一致发生谐振获得MR 原始信号。可以在一个或若干个频率上发生谐振现象的电路称为谐振电路，常由电感L 和电容C 组成LC 谐振电路，通过可变电容串联或并联实现发射或接收线圈的动态调谐。通过反复通过电容C1、C2 容量，最后阻抗匹配、谐振都满足，这个调节匹配的过程叫做调谐（Tuning）。

在射频发射过程接收线圈发生振荡会使发射激励磁场的分布失真、均匀性下降，最终影响图像成像成像质量，高功率射频可能会损坏接收线圈。解决办法是：发射射频波时必须对接收线圈进行失谐，接收MR 信号时必须对发射线圈进行失谐，分别通过动态控制信号控制发射线圈和接收线圈元件失谐（除了发射射频波时，接收线圈总是处于调谐状态）。

3.5 射频发射线圈（Transmit coil）

线圈或谐振器通常称为天线，产生交变磁场进行磁共振现象激励氢原子核，接收进动核矩发出的磁场。发射线圈的磁场分布在整个测量体积上应该是均匀的，以保证空间上均匀的核磁共振激励。在梯度回波序列中，如果发射场不均匀，图像中的对比度可能会发生变化，对比度取决于翻转角度。

超导磁体的发射线圈（也叫体线圈）一般设计为线性极化线圈体型，两个线圈彼此成90 度角，形成一个圆极化线圈（CP线圈），产生两个相互垂直的射频场，保证发射场的均匀性。有些体线圈同时也具有发射与接收线圈的功能，通过T/R 开关（发射/接收）控制发射射频或者接收信号，发射/接收线圈相当于一个约50Ω 负载。从RFPA 输入大功率射频经过功率分配器和90°移相器分为0°和90°射频角度，然后经过T/R 开关(发射/接收)控制选择后，进入阻抗调谐电路，最后到达发射线圈coil 1 和coil 2 组成的振荡电路，发出射频激励被检组织的氢原子完成共振过程。发射线圈失谐后，体线圈当做接收线圈接收MR信号，经过调谐单元和T/R 开关，进入射频混合单元输出测试调谐信号和MR 信号。

3.6 射频信号接收单元（Receiver Coil）

接收线圈也被称为“表面线圈”，这些线圈直接放置在病人身体表面接收MR 信号，接收线圈磁场方向B1 必须场垂直于主磁体磁场B0，由线圈与电容器组成LC 谐振电路。磁共振信号通常由一个表面局部线圈接收，然后由低噪声前置放大器放大到一个足够的电平，接收线圈接收到MR 信号频率大约63.6 MHz（1.5T 场强），经过主放大器放大后进入两级混频器后将这段频率转换成2 MHz 的频率，由模数转换器ADC 将其转换成数字MR 信号，滤波和解调器计算后形成MRI 原始图像数据（Raw data）输出至图像重建工作站重建获得MRI 图像，解调器功能与调制器的功能是互补的，有数字解调与模拟解调之分。

综上所述，磁共振成像系统射频发生与控制十分复杂，为获得高质量MR 信号，并对其进行处理用来重建图像，所以对射频信号的分析研究十分重要。对射频系统信号的通路和波形清晰了解，当射频单元出现故障时，能够快速判断和处理各种故障。