射頻場系統(tǒng)-課版-8

射頻場系統(tǒng)

射頻（RF）場系統(tǒng)是MRI設備中實施射頻激勵并接收和處理RF信號的功能單元。射頻場系統(tǒng)不僅要根據(jù)掃描序列的要求發(fā)射各種翻轉(zhuǎn)角的射頻波，還要接收共振信號。一、射頻脈沖

1、硬脈沖:強而窄的脈沖，其頻帶較寬，常用于非選擇性激勵。2、軟脈沖:弱而寬的脈沖，其頻帶較窄，常用于選擇性激勵。常用方波脈沖的激勵范圍由其脈寬（脈沖持續(xù)時間τ）所決定。脈沖越寬，覆蓋的頻率范圍越窄，脈沖的選擇性就越好；脈沖越窄，覆蓋的頻率范圍越寬，脈沖的選擇性就越差。３、翻轉(zhuǎn)角：實施RF激勵后，靜磁化強度矢量M受B1場（在MRI系統(tǒng)中，B1是在射頻控制系統(tǒng)的作用下由射頻脈沖的形式發(fā)出的。）的作用而偏離平衡位置的翻轉(zhuǎn)角θ為：θ=γB1τ通過調(diào)節(jié)射頻場強度B1和脈沖寬度τ兩個量，可使M翻轉(zhuǎn)至任意角度。通常情況下脈寬τ決定著RF脈沖的選擇性，因而MRI中只能用B1的大小來控制翻轉(zhuǎn)角的大小。使其偏轉(zhuǎn)θ角的脈沖就稱θ脈沖。如偏離穩(wěn)定位置（B0方向）90°和180°的RF脈沖分別稱之為90°和180°脈沖。要使M0翻轉(zhuǎn)180°，所需射頻場的能量就要比90°脈沖的能量增加一倍。RF脈沖的寬度和幅度都是由計算機和射頻控制單元實施控制的。二、射頻線圈（RFcoil）射頻線圈既是氫質(zhì)子發(fā)生磁共振的激勵源，又是NMR信號的探測器。RF線圈有發(fā)射線圈（transmitcoil），接受線圈（receivecoil）和兩用線圈（T/Rcoil）（常見的有頭線圈）。無論什么樣的線圈，處理的都是基本同頻率的射頻信號，因而有人把發(fā)射和接受線圈系統(tǒng)稱為射頻探頭（RFprobe）。（一）射頻線圈的功能

射頻線圈有發(fā)射和接收兩個基本功能。所謂發(fā)射，就是輻射一定頻率和功率的電磁波，以使被檢體內(nèi)的氫質(zhì)子受到激勵而發(fā)生共振；所謂接收，則指檢測被激氫質(zhì)子的進動行為，即獲取MR信號。因此，從功能的角度看，射頻線圈有發(fā)射線圈和接收線圈之分。在射頻激勵的過程中，發(fā)射線圈作為換能器，將RF功率轉(zhuǎn)換為在成像空間橫向旋轉(zhuǎn)的射頻磁場B1。換能器的效率越高，就越有可能用較小的射頻功率在成像空間內(nèi)獲得較大的B1場。在信號接收階段，RF線圈以及相關的前置放大器又將磁化矢量M的進動轉(zhuǎn)化為可以進一步處理的電信號。2.按線圈作用范圍大小可分為全容積線圈、部分容積線圈、表面線圈、體腔線圈和線控陣線圈。（1）全容積線圈（whole-volumecoil）是指能夠整個的包容或包裹一定成像部位的柱狀線圈。主要作用于大體積組織或器官的大范圍成像。常見的全容積線圈有體線圈和頭線圈兩種。（2）表面線圈（surfacecoil）是一種可緊貼成像部位放置的接收線圈。常見結(jié)構(gòu)為扁平型或微曲型。這種線圈形成的射頻發(fā)射場和接收場不均勻，表現(xiàn)為越靠近線圈軸線射頻場越強、偏離其軸線后射頻場急劇下降。（3）部分容積線圈（partial-volumecoil）是由全容積線圈和表面線圈兩種技術相結(jié)合而構(gòu)成的線圈。這類線圈通常有兩個以上的成像平面（或線圈）。在靠近線圈平面的空間內(nèi)，反射或接收的射頻場增強，而在線圈對的中央射頻場逐漸減弱。其射頻野的均勻性介于全容積線圈和表面線圈。（4）腔內(nèi)線圈（intracavitarycoil）是近年來出現(xiàn)的一種新型小線圈。這種線圈使用時須置于人體有關體腔內(nèi)，以便對體內(nèi)的某些結(jié)構(gòu)實施高分辨成像。直腸內(nèi)線圈是最常見的腔內(nèi)線圈?？捎糜谥蹦c、前列腺和子宮等盆腔內(nèi)結(jié)構(gòu)的成像。（5）相控陣線圈（phased-arraycoil/coilarray）是由兩個以上的小線圈或線圈單元組成的線圈陣列。這些線圈彼此鄰接，組成一個大的成像區(qū)間，使其有效空間增大。相控陣線圈可從較大的范圍內(nèi)獲取數(shù)據(jù)，而其SNR卻等于每個獨立線圈的SNR。3.RF線圈按極化方式的不同還可分為線（性）極化和圓（形）極化兩種方式。（1）線極化線圈只有一對繞組，相應射頻場也只有一個方向。（2）圓形極化的線圈一般有兩對兩兩垂直的繞組。這種線圈被稱為正交線圈（quadraturecoil）。（4）根據(jù)所用繞組或電流環(huán)的形式，射頻線圈又可分為亥姆霍茲線圈（Helmholtzcoil）、螺線管線圈（solenoidcoil）、四線結(jié)構(gòu)線圈（鞍型線圈（saddlecoil）、交叉橢圓線圈）、STR線圈（管狀諧振器，slottedtuberesonator）和籠式線圈（birdcagecoil）等。螺線管線圈和鞍型線圈是體線圈的主要形式，其中前者主要用在橫向磁場的磁體中，后者則用于縱向磁場的磁體中。（三）射頻線圈的主要指標

1．信噪比（SignalNoiseRatio，SNR）：射頻線圈的信噪比與成像部位的體積、進動角頻率成正比，與線圈半徑成反比，還和幾何形狀有關。提高SNR是線圈設計的最主要目標。線圈的SNR越高，就越有利于增加圖像的分辨率或者提高系統(tǒng)的成像速度。2．靈敏度：線圈靈敏度（coilsensitivity）是指接收線圈對輸入信號的響應程度。線圈的靈敏度越高，就越能檢測到微弱的信號，但信號中的噪聲水平也會隨之提高，從而使信噪比下降。因此，線圈靈敏度并不是越高越好。3．有效范圍：線圈的有效范圍是指激勵電磁波的能量可以到達（對于發(fā)射線圈）或可檢測到RF信號（對于接收線圈）的空間范圍。有效范圍的空間形狀取決于線圈的幾何形狀。4．填充因數(shù)（fillingfactor）：填充因數(shù)η為被檢體體積Vs與線圈容積Vc之比。η與線圈的SNR成正比關系，即提高η可提高SNR。因此，在線圈的結(jié)構(gòu)設計中應以盡可能多地包繞被檢體為目標。5.射頻場均勻性：RF線圈發(fā)射的電磁波一方面會隨著距離的增加而逐漸減弱，另一方面也會向周圍空間發(fā)散，因而它所產(chǎn)生的B1場并不均勻。線圈均勻性與其幾何形狀密切相關。螺線管線圈及其他柱形線圈提供的均勻性最好，表面線圈的均勻性最差。6.品質(zhì)因數(shù)：簡稱Q值，其定義為諧振電路（resonantcircuit）的特性阻抗與回路電阻的比值。即諧振電路中每個周期儲能與耗能之比。MRI系統(tǒng)的RF線圈實際上由各種諧振電路組成，因而線圈也有Q值。Q值越大，表示線圈在工作頻率即共振頻率下對信號的放大能力越強，線圈對某一頻率信號的選擇性也就越好。（四）對射頻線圈的要求

①RF線圈對諧振頻率要有高度的選擇性，即嚴格諧振在氫質(zhì)子的共振頻率上；②必須有足夠大的線圈容積（成像空間），產(chǎn)生的B1射頻場在整個容積內(nèi)要盡可能均勻；③從幾何結(jié)構(gòu)上要保證線圈具有足夠的填充因數(shù)；④線圈本身的信號損耗要??；⑤能經(jīng)受一定的過壓沖擊，即具備自保護電路；⑥在被檢體上的射頻功率沉積要少，即要考慮到線圈的發(fā)射效率并進行必要的射頻屏蔽。（五）發(fā)射線圈發(fā)射線圈的等效電路是LC串聯(lián)諧振蕩電路。為了在一定的輸入下獲得最大的電流，射頻線圈都要加入調(diào)諧電容，以工作在諧振條件下。所謂諧振，是具有電感和電容的電路總發(fā)生的一種電流和電壓同相位的特殊現(xiàn)象。１.ＲLC串聯(lián)諧振電路的條件、特征條件：ω0L－1/ω0ｃ＝0時，ＬＣ串聯(lián)電路發(fā)生諧振，特征：諧振時,L、C串聯(lián)電路的電抗為零，所以這時電路的復阻抗最小，為電路的純電阻R，電流Ｉ＝Ｕ／Ｒ，可見此時不僅電流與電壓同相，而且有效值達到最大。f0稱為串聯(lián)電路的諧振頻率。2.線圈系統(tǒng)的三種工作模式（1）體線圈模式：RF脈沖的發(fā)射和NMR信號的接收均由體線圈完成，如腹部和胸部成像時。（2）頭線圈模式：頭線圈單獨工作，既做發(fā)射線圈又是接收線圈。由于體線圈不能取出，所以在此模式下應采取措施將其徹底隔離。（3）表面線圈模式：由體線圈射頻激發(fā)，而用表面線圈進行接收的工作模式。3.線圈系統(tǒng)的耦合（coupling）當線圈系統(tǒng)工作在表面線圈模式時，由于分別進行激勵和信號接收的體線圈和表面線圈工作頻率相同，兩者之間極易發(fā)生耦合。后果：1）由于感應電流太大而使表面線圈燒毀；2）可能使被檢者所承受的射頻能量過大。4.線圈系統(tǒng)的動態(tài)去耦（dynamicdecoupling）體線圈和表面線圈之間一旦形成耦合，危害很大。因此，必須設法去耦。盡管二者的諧振頻率相同，但兩者卻是分時工作的，即發(fā)射時不接收、接收時不發(fā)射。這啟示我們用電子開關的方式進行動態(tài)去耦．所謂動態(tài)去偶指的是在掃描序列的執(zhí)行過程中，給線圈施以一定的控制信號，使其根據(jù)需要在諧振與失諧兩種狀態(tài)下轉(zhuǎn)換的方案。也就是射頻脈沖發(fā)射時，要使發(fā)射線圈諧振，接收線圈失諧；反之亦然。這種動態(tài)的調(diào)諧要用開關二極管等電子元件來實現(xiàn)。5.靜態(tài)去耦（staticdecoupling）：是通過機械開關的通與斷來控制的。如頭線圈模式中，體線圈與頭線圈間的去耦。MRI設備設置了4組發(fā)射線圈，并且兩兩正交形成正交線圈，每組發(fā)射線圈的功率為1.25kW，總功率為5kW。4組發(fā)射線圈分別安裝在上、下磁極的下方緊靠梯度線圈處。每組發(fā)射線圈的激勵信號相差90°，四組發(fā)射線圈的激勵信號相位分別為0°、90°、180°、270°。0°、90°相位在RF放大器中完成，而180°、270°相位靠調(diào)整外部電纜的長度來實現(xiàn)。圖中采用了λ/2線（λ為傳輸線中電磁波的波長）。不同長度的傳輸線可當作電路元件或電路的基本環(huán)節(jié)使用（移相，阻抗匹配）。（六）接收線圈接收線圈是只能接收信號但不發(fā)射電磁波的一類線圈，即沒有激勵功能的線圈。射頻激勵的任務是由另外一個線圈來完成的。在有些情況下，又需要將發(fā)射和接收線圈做在一起（即一個線圈兼有發(fā)射和接收功能）。1.種類在永磁型MRI設備中，接收線圈根據(jù)掃描部位的不同而設計成三種類型。種類接收線圈名稱掃描部位螺旋管型正交型相控型頸部/關節(jié)/顳合關節(jié)/體部頭部/體部/膝關節(jié)頭部/頸部/體部/胸腰部膝、肩、腕頭、腹、膝頭、頸、體正交接收線圈是由馬鞍型和螺旋管型接收線圈經(jīng)適當組合制成。相控型接收線圈由兩個以上的正交接收線圈或螺旋管型接收線圈經(jīng)適當組合制成。正交線圈的兩個繞組工作時接收同一MR信號，但得到的噪聲卻是互不相干的。對其中一組信號移相900，再與另一路信號進行疊加，就可使線圈的信噪比提高，故正交線圈的應用非常廣泛。3.并聯(lián)諧振條件：ωL=1/ωｃ時，ＲＬＣ并聯(lián)電路發(fā)生諧振特征：諧振時L，C串聯(lián)電路的電抗最大，電流Ｉ最小。f0稱為并聯(lián)電路的諧振頻率2.去耦電路：由去耦二極管D、去耦電容Cd、去耦線圈Ld共同構(gòu)成去耦電路。當RF發(fā)射信號發(fā)射時，通過偏置信號（15V、80mA）使二極管D導通，去耦電路工作。接收線圈形成并聯(lián)諧振電路，去耦電路阻抗最大，其高阻特性使接收線圈開路。反之，當RF發(fā)射信號停止發(fā)射時，去耦電路不工作，接收線圈形成串聯(lián)諧振電路，電流最大，形成的MRI設備感應信號最強。（七）線圈的調(diào)諧（tuning）1.調(diào)諧的原因MRI系統(tǒng)的線圈只有諧振在氫質(zhì)子的共振頻率時才能達到激發(fā)氫核和收到最大信號的目的。被檢體進入線圈后，線圈的固有共振頻率會發(fā)生偏移，即出現(xiàn)失諧（detuning）。因此，每次成像之前都要進行一次調(diào)諧。2.射頻線圈的失諧線圈的失諧主要是由負載和磁體兩方面原因造成的：當線圈加載（即成像體置入線圈）后，它的諧振頻率會降低。首先，主要是線圈中存在電容。當線圈加載即成像體(人體或水模)置人線圈后，電容的值與介電常數(shù)成正比。未加載前，線圈內(nèi)為空氣介質(zhì)；加載后則充滿以水為主的介質(zhì)。由于水的介電常數(shù)高出空氣約80倍，其結(jié)果等效于線圈電容增大．因此．加載后線圈的諧振頻率會降低．這就是MRI系統(tǒng)線圈必須在有負載的情況下進行調(diào)諧的原因．另一方面，線圈一進入磁體、它的等效電感就會變小。由此可見，線圈加載并置人磁體后一定要進行調(diào)諧。但是，由于加載的電容效應是使諧振頻率降低，而線圈進磁體后的電感效應則是使其提高，二者在一定程度可以抵消。因此，線圈的失諧通常不是很嚴重。如果采用可變電容調(diào)諧就變得很簡單了。3.調(diào)諧的方法

調(diào)諧分為自動調(diào)諧和手動調(diào)諧兩種，其中手動調(diào)諧只在個別線圈中使用。線圈的調(diào)諧一般通過改變諧振回路中可變電容的電容值或變?nèi)荻O管的管電壓(從而改變其電容值)兩種方式來實現(xiàn)．即將變?nèi)荻O管Cv并聯(lián)在電路中，程序會自動調(diào)節(jié)加在它兩端的電壓來改變變?nèi)荻O管Cv的容量大小，以達到最佳調(diào)諧狀態(tài)。變?nèi)荻O管也稱為壓控變?nèi)萜鳎歉鶕?jù)所提供的電壓變化而改變結(jié)電容的半導體。變?nèi)荻O管的作用變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)之間電容可變的原理制成的半導體器件，在高頻調(diào)諧、通信等電路中作可變電容器使用。三、射頻脈沖發(fā)射系統(tǒng)１、功能射頻脈沖發(fā)射系統(tǒng)的功能是在射頻控制器的作用下，提供掃描序列所需的各種射頻脈沖。MRI中的射頻脈沖，最常用的有90°和180°兩種。但是在各種小角度激勵中，還有可能用任意角度的脈沖進行RF激發(fā)。２、構(gòu)成：振蕩器（脈沖源）；頻率合成器；放大器；波形調(diào)制器；終端發(fā)射匹配電路；RF發(fā)射線圈。射頻脈沖發(fā)射系統(tǒng)（1）射頻振蕩器它是一種能產(chǎn)生穩(wěn)定頻率的振蕩器。（2）頻率合成器射頻脈沖的頻率就是系統(tǒng)的氫質(zhì)子共振頻率，一般來說是固定不變的。在MRI設備中，需要用到幾種頻率的射頻信號。（3）RF波形調(diào)制器：調(diào)制器的作用是產(chǎn)生需要的波形，它受脈沖生成器所控制，當脈沖程序送來一個脈沖時，控制門就接通，而在其他時間都斷開。在這一過程中，RF脈沖序列的所需波形，還要經(jīng)過多級放大，使其幅度得以提高。（4）脈沖功率放大器：射頻脈沖發(fā)射系統(tǒng)的最后一級為功率放大級，通過一個阻抗匹配網(wǎng)絡輸入到射頻線圈，發(fā)射一定功率的射頻波。脈沖功率放大器是射頻發(fā)射系統(tǒng)的關鍵組成部分。一般要求能夠輸出足夠的功率（10kW）、一定寬度的頻帶（35～75MHz），非常好的線性和瞬時工作能