（无线电物理专业论文）低场磁共振成像系统中相控阵线圈的研制.pdf

华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 摘要 核磁共振成像技术已经成为医学临床诊断和研究的重要工具之一，具有非侵 入性、无电离、辐射等特点。其中的射频线圈是成像系统的一个重要元件，接收 线圈作为接收链的最前端，对成像质量有着举足轻重的作用，直接影响图像信噪 比。多通道相控阵射频接收线圈与其他种类线圈相比较具有高信噪比，高图像空 间分辨率，快速成像的特点。然而目前大多数多通道线圈的设计都是针对超导高 场m r i 系统的 1 。本论文主要开展了低场系统里多通道的八字型脊椎表面线圈 的研制，并在永磁o 3 t 磁共振成像系统上进行了水膜和人体实验。 本论文主要内容如下 第一：首先介绍了核磁共振的原理，然后介绍了核磁共振成像( m r i ) 扫描 仪的基本结构。原理部分介绍了核磁共振基本原理和成像原理；m r i 扫描仪组成 部分包括磁体部分，谱仪部分和计算机部分。 第二：介绍了射频线圈的基本知识，包括调谐匹配，发射线圈和接收线圈之 间的去耦，线圈的信噪比，常见的线圈分类，线圈的接口电路，线圈设计考虑要 点。 第三：研制了低场系统里两通道的脊椎相控阵线圈，采用空间位置去耦方法， 通过调整两个线圈之间的相对空间位置，使它们重叠合适部分，达到使两个线圈 接收信号的耦合最小并将此脊椎线圈与成像系统集成以后，在0 3 t 的系统里 进行了水膜和人体试验，证明此两通道的脊椎线圈在低场系统里达到了很好的隔 离度和比较好的成像结果。接下去进行了三通道的脊椎线圈研制，并与成像系统 集成以后，进行了水膜试验和人体试验。 关键词：核磁共振成像；多通道相控阵线圈；去耦 v 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 a b s t r a e t m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ( m r j ) i so n eo f t h ek e yt o o l si nm e s c a lt r e a t m e n t a n dl e s e a “：h w h i c hh a sn oi n v a s i o n , i o n i z a t i o na n dr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c r f ( r a d i o f r e q u e n c y ) c o i li so n eo ft h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so fm r is y s t e m r e c e i v i n g c o i lh a sav e r yi m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h ei m a g eq u a l i t yb e c a u s ei ti sp l a c e da tt h e s t a r to f t h er e c e i v i n gc h a i n m u l t i c h a n n e lp h a s e da r r a yc o i l sh a v em u c hh i g h e rs n r , h i g h e rs p a t i a lr e s o l u t i o n , f a s t e ri m a g i n gs p e e dc o m p a r e dw i t ho t h e rk i n d so fc o i l s h o w e v e rt h ed e s i g no fm u l t i c h a n n e lp h a s e da r r a yc o i li s g e n e r a l l ya i m e da t s u p e r - c o n d u c th i g h - f i e l ds y s t e m 砒p r e s e n tt i m e 1 i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no fa m u l t i - c h a n n e lp h a s e da r r a yr fr e c e i v i n gc o i lb a s e do nt h ef i g u r e - e i g h ts i l r f a c ec o i l s t r u c t u r ei sd i s c u s s e da n di m p l e m e n t e ds p e c i a l l yf o rv e r t e b r a li m a g i n gi nl o w - f i e l d m r i s y s t e m i na d d i t i o n , e x p e r i m e n t a lr e s u l t so b t a i n e dw i 廿1b o t hp h a n t o ma n dh u m a n v e r t e b r a li m a g e si nah o m e - b u i l to 3 tm i u s y s t e ma r ep r e s e n t e d t h em a i nc o n t e n t so f t h e p a p e ri n c l u d e ： f i r s t ，t h et h e o r yo fn m r ( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ) i si n t r o d u c e db r i e f l y , i n c l u d i n gt h et h e o r yo fn m r a n dm r i t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fm r is c a n n e ri s d e s c r i b e d ，w h i c hc o n s i s t so fm a g n e t ，s p e c t r o m e t e ra n dc o m p u t e rs u b s y s t e m s s e c o n d ，t h eb a s i so fr fc o i li si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt u n i n ga n dm a t c h i n g i n t e r f a c e ，d e c o u p l i n gb e t w e e nr e c e i v i n gc o i la n dt r a n s m i t t i n gc o i l ，s n r ( s i g n a la n d n o i s er a t i o ) o fc o i l ，t y p e so fc o i l ，c o i li n t e r f a c ec i r c u i ta n de s s e n t i a lp o i n t so f d e s i g n i n ga nr fc o i l t h i r d ，t h ed e s i g no fat w o c h a n n e lr fr e c e i v i n gc o i lw h i c hi si m p l e m e n t e d s p e c i a l l yf o rv e r t e b r a li m a g i n gi nl o w - f i e l dm r s y s t e mi sp r e s e n t e d t h ec o u p l i n go f t h et w oc o i l si sr e s o l v e db ya d j u s t i n gt h es p a t i a ll o c a t i o no f t h et w oc o i l s ，o v e r l a p p i n g p a r t i a l l ys ot h a tt h ec o u p l i n gp r o b l e mi sm i n i m i z e d t h et w o - c h a n n e lr fc o i li s i n t e g r a t e di n t ot h em i us c a n n e r , a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so b t a i n e dw i t hb o t h p h a n t o ma n dh u m a nv e r t e b r a li m a g e si nah o m e - b u i l to 3 tm r is y s t e ma l eg i v e n t h ee x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h et w o c h a n n e lr fc o i lh a sg o o di s o l a t i o na n dg o o d i m a g eq u a l i t y m o r e o v e r , at h r e e - c h a n n e lr fc o i li sd e s i g n e da n di n t e g r a t e di n t om m s c a l l n _ e r , a n dp h a n t o m a sw e l la sh u m a nv e r t e b r a le x p e r i m e n ti sa l s op e r f o r m e d k e yw o r d ：m r _ i ；m u l t i - c h a n n e lp h a s e da r r a yc o i l ；d e c o u p l i n g v i 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：整立童 日期：生! l 皇：! ! 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定 日期：趣茎：兰! 学位论文作者签名：藉立雪 1 1 i 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 磁共振成像发展历史和现状【2 ，3 】 核磁共振( n m r ：n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ) 正式诞生于1 9 4 6 年，斯坦 福大学的布洛赫( b l o c h ) 小组和哈佛大学珀塞尔( p u r c e l l ) 小组分别用不同的 样品( 水和石蜡) 、不同的方法( 双线圈，感应法和单线圈，吸收法) 独立的进 行核磁共振实验并取得成功，观察到了n m r 吸收现象。步洛赫提出了m n r 经典理 论，珀塞尔提出了n m r 量子理论。他们分享了1 9 5 2 年的诺贝尔物理奖。 核磁共振发现初期的几年中，主要用于精确测定各种原子核的磁矩。中国科 学家虞福春和p r o c t o r 博士在布洛赫小组工作时首次发现了“化学位移”，于是 n m r 很快成为研究物质化学结构的重要手段。2 0 世纪5 0 年代诞生了商品n m r 波 谱仪。为了提高n m r 谱的分辨率，所用的场强逐年提高。 1 9 6 5 年c o o l e y 和t u k e y 提出了快速傅立叶算法。同时借助于计算机的发展 和超导磁体的采用，1 9 6 6 年e r n s t 发展了脉冲傅立叶变换n m r 测谱方法，使高 分辩n m r 波谱得以发展。并且使对天然丰度很低的核的观察变为现实，而且使固 体n m r 技术发展起来。 在1 9 7 3 年美国纽约州立大学的l a u t e r b u r 受到了x - c t 的启发，提出了用 线性梯度磁场进行空阃编码，并首次得到n m r 图像。于是核磁共振成像正式诞生。 e r n e s t 在1 9 7 5 年提出了多维n m r 谱方法学理论，把n m r c t 发展为“傅立 叶成像法”。使n m r 成像区别于c t ，由于他对n m r 方法学上的巨大贡献，被授予 了1 9 9 1 年的诺贝尔化学奖。 1 9 7 7 年英国科学家h l a n s f i e l d 提出了回波平面成像( e p i ) 的方法 4 ，1 9 8 2 年c r o o k s 引进多层面技术，这些为临床m r i 准备了条件，医学n m r 发展极其迅 速，到了1 9 8 3 年全身m r i 商用机器就出现了。 在m r i 初期，软、硬件的发展处于主导位置的。1 9 8 5 年h a a s e 和f r a h m 等 人提出梯度回波脉冲序列。同年h a y e s 等人发明了鸟笼式r f 谐振器。1 9 8 6 年 h e n n i g 提出快自旋回波序列 5 3 。同年t u r n e r 提出设计梯度线圈的目标场方法。 1 9 9 0 年r o e m e r 等发明相位阵列腰椎线圈。这些都为超导高场m r i 扫描器准备了 条件。到了9 0 年代中期，m r i 扫描仪达到了现代化的水平。在超导高场系统中 广泛采用鸟笼线圈，各种表面线圈包括相位阵列线圈也都被广泛应用。随着e p i 等快速序列的临床应用，实现了高速，高分辨成像。临床检查时间大大缩短到几 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 十m s 幅，涡流自屏蔽梯度线圈和高速开关梯度放大器也应运而生。1 9 9 7 年 s o d i c k s o n 和m a n n i n g 提出空间谐波并行采集理论( s 姒s h ) 。1 9 9 9 年p r u e s s m a n n 等人提出灵敏度编码并行采集( s e n s e ) 的理论。软硬件技术并行发展，使m r i 摄 影速度有可能提高一个量级以适应神经活动的反映速度。 在m r i 扫描器的软硬件不断突破性发展的同时，新的对比度机制，新的成 像参数也不断开发出来，磁共振成像的传统参数为质子密度、t l ，l 。随着成 像技术的不断发展，新的成像参数也被同时开发，比如在1 9 8 4 年w e s b e y 等实现 扩散磁共振成像 6 3 ，1 9 9 4 年b a s s e r 等人提出了扩散张量成像的理论方法。 1 9 9 0 年b e l l i v e a u 等首次得到人脑视觉皮层活动的功能像。由于功能磁共 振( f m r i ) 的发展，使系统脑功能科学成为生命科学、脑生理和心理学界在本世 纪的主要科研方向之一。另外，非均匀场m r i 用于勘探石油和地下水已经成功了。 m r i 扫描仪系统技术含量高，不但极大的推动了医学，神经心理学和认知神 经科学的迅速发展。而且在物理，化学，医疗，石油化工，考古等方面都获得了 广泛的应用。 1 2 论文的研究意义及主要内容 1 2 1 论文的研究意义 核磁共振成像( m r i ) 具有较高的软组织对比度与空间分辨率，且没有电离 辐射等特点，因此已经成为了临床医学影像检查最重要的手段之。 r f 线圈是成像系统中用于接收和发射信号的重要部件，对图像的信噪比有 着举足轻重的作用。近年来开发成功的相控阵线圈是由多个表面线圈组合而成。 与其他种类线圈相比较，相控阵线圈具有高信噪比，高图像空间分辨率，快速成 像特点。然而目前大多数多通道线圈的设计一般是针对超导高场m r i 系统的 1 。对低场m r i 系统的多通道相控阵射频线圈技术进行研究是很有意义的，而 且未来r f 线圈的主要发展趋势可能是设计各种针对不同检查部位的专用相控阵 线圈。 低场系统中通常可以采用体线圈做脊椎成像，而体线圈由于填充因子的限制 所获得的图像信噪比差，并且经常会有腹部运动伪影。如果用单一的大表面线圈 作为脊椎线圈，因为人体脊椎较长，也即f o v 要求比较大，所以线圈的穿透深度 很大，腹部运动的信号也会被接收。另外，大线圈在接收大范围区域信号的同时 也接收了整个受激区域内的噪声，因此信噪比较低，图象质量比较差。实际上， 在脊椎成像时，腹部的信息是多余的。因此，对脊椎线圈的要求是尽可能大的成 2 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 像视野( f o v 约为4 0 5 0 c m ) ，以及合适的检测深度( l 约为1 0 1 5 c m ) 。 多通道线圈是由两个或以上小线圈或线圈单元组成的线圈阵列。每个小线圈 可以同时接收并把各个区域的信号有机的结合联系起来，每个小线圈中的噪声仅 来源于对应的小区域。因此多通道线圈整个获得的磁共振信号是各个小线圈获得 信号的加权和，但包含的噪声仅来源于它所对应的小区域，因此有较高的信噪比 本论文主要进行了低场多通道脊椎相控阵线圈的初步研究。采用8 字型的小 线圈作为线圈单元。此多通道线圈结合了小线圈的优点和大线圈的大视野，既大 大增加扫描野，又可以得到较高的信噪比。 1 2 2 论文主要研究内容 研制了低场系统里两通道的脊椎线圈，首先研制好单个线圈，用网络分析 仪调谐匹配好单个线圈。两通道线圈之间是采用了空间位置去耦的方法，通过 调整两个线圈之间的相对空间位置，使它们空间位置上重叠合适部分，使两个线 圈之间的耦合最小。并将此脊椎线圈与成像系统集成以后，进行了水膜和人体试 验检测，证明了此两通道脊椎线圈在低场里应用的效果比较好，达到了很好的隔 离度和比较好的图像的质量。接下去进行了三通道的脊椎线圈研制，并与成像 系统集成以后，进行了水膜和人体试验。 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 第二章核磁成像基本原理 2 i 核磁共振基本原理【7 - 9 】 具有自旋角动量和磁矩的原子核，在外磁场中，磁矩和磁场相互作用形成一 组能级，能级间距落在射频范围内。在适当射频作用下，原子核从射频场吸收能 量从低能级跃迁到高能级，产生核磁共振现象。 把磁性核置于外磁场b 0 中，它受到一个磁力矩l 的作用： l = ( “b 。)( 2 1 1 ) 式中是核磁矩，在此力矩的作用下，微观粒子运动遵守量子力学规律。在 外磁场b 。中，核自旋转到和b 。保持一定夹角，这样，核磁矩始终受到一个恒定 磁力矩的作用，在此力矩的作用下，核磁矩绕b 。以一定的角速度进动。角动量j 在z 轴上的投影j z 是量子化的， j z = i z 壳= m h ，m - - 一i ，一i + l ，”i - 1 ，i ( 2 1 2 ) 与之相应的核磁矩斗在z 轴上的投影也有( 2 i + 1 ) 个取值，相应于不同的磁能级 已。无磁场时这些基态能级是简并的。有磁场时，简并被解除，这种能级分裂的 现象叫塞曼( z e e m a n ) 分裂。这种磁能级也叫塞曼能级，塞曼能级的特点是等间 距的，间距为： v e = 7 b 。7 l ( ，为旋磁比)( 2 1 3 ) 在磁化的原子核系中，再加一个射频磁场，当射频场场量子h ”y = h w o = ，壳b 。， 即电磁波量子壳w 0 正好等于能级间距时，原子核会从射频场吸收能量从低能级跃 迁到高能态，因此共振条件： w o = ，b o( 2 1 4 ) 光有射频场的作用，还不能全面反映n m r 过程，另外还有一种弛豫过程也在 起作用。它的作用是使体系从非平衡态回到平衡态，即各能级粒子数重新达到 b o l t z m a n n 分布。经过驰豫逐步使低能级的粒子数多于高能级的粒子数，以满足 玻耳兹曼分布。驰豫过程分为自旋晶格驰豫( t 1 ) 和自旋自旋驰豫( t 2 ) 。自 旋一晶格驰豫是指自旋体系从周围的晶格中找到匹配的电磁场把能量交换出去， 使塞曼分布能级上核自旋数目趋近于玻耳兹曼分布。自旋一自旋驰豫是指能量在 邻近核自旋之间传递。 按照经典电磁学理论，旋转电荷可以看成是在环路上运动的电流，原子核带 正电既有电荷又有自旋，所以也就有了相应的磁偶极矩五，它和角动量之间关 系为： 4 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 五：7 一p ( 2 1 5 ) 用经典力学观点讨论对象是宏观磁化矢量砺= 万，磁矩丽在磁场面中受 到扭矩，就迫使磁矩绕霄做进动。扭矩和角动量了的关系如下： 一d j ：砺万 ( 2 1 6 ) 西 由于砺= ，了，所以 警叫砑 ( 2 1 7 ) 如果在z 方向上加上恒定磁场心，在x 方向上加上射频场h 。，当满足共振条 件射频频率( - 0 = = ，岛时，m 则沿x 方向进行章动，同时在此过程中还存在着 纵向和横向的弛豫。通过式( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) ，我们就可以得到实验室坐标 系的b l o c h 方程，由于这个方程在实验室坐标系太复杂，这时我们通常采用旋转 坐标系来简化，坐标轴是以射频场的频率旋转，此时我们在旋转坐标系里面看不 到b o 看到的只有丽的章动和弛豫，得到旋转坐标系下的b l o c h 方程： 警堋，专 警叫膨堋嗍) 一百m y ( 2 邶) c 铲， o m z ：m 。以+ m o - m , o t 7 z 式中t i 是自旋一晶格弛豫时间，是描述自旋一晶格驰豫过程长短的特征时间。t 2 是自旋一自旋弛豫时间，是横向磁化矢量恢复到平衡状态的时间。 2 2 磁共振成像基本原理 1 0 - 1 2 】 核磁成像就是用灰度值把n m r 参数( 自旋密度p 、弛豫时间t 1 ，t 2 等) 用空 间坐标的函数表达为p ( x , y ，z ) ，石似y ，= ) ，正纯乃力等形式表示出来。根据上面提 到的核磁共振条件，不考虑化学位移和j 偶合等因素，同一种原子核在磁场中的 共振是一样的，但如果在静磁场b 0 上叠加一个线性梯度场，那么样品在不同位 置共振频率与空间位置有了线性的关系，这样也就把空间位置转化为频率位移。 1 9 7 3 年l a u t e r b u r 首次用梯度磁场进行空间编码，产生第一幅磁共振图像。 i d r i 是非侵入性的，一般不需要加任何物质，有时候可以添加一点对比度增 强剂来提高分辨率。水质子成像在2 0 世纪8 0 年代初只有三个成像参数，现在一 般低场的m r i 扫描仪一般也只做三个参数( p ，t 1 ，t 2 ) 成像，即自旋密度p 成像、 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 ，r 1 加权的p 成像( 短t r 和短t e ) 、t 2 加权的p 成像( 长t r 和长，r e ) 。9 0 年代 以后成像参数越来越多，例如分子自扩散系数d 、血流速率、化学位移、动态磁 化率等参数。 2 2 1 磁共振成像基本原理1 2 】 根据核磁共振基本原理，我们知道处于均匀磁场b 0 中的自旋体系，它的共 振频率为o j o = r b o ，由于主磁场是均匀的，所以不能得到物体在空间分布的信息。 如果在一恒定磁场上叠加线性z 梯度场，使得总磁场变为空间坐标 z 的函数。如果在x ，y ，z 三个方向上分别加梯度磁场g x ，g y ，g z ，这时空间中某 一体元对应的共振频率为 讲= y ( b o + x g ：+ ) ，g ，+ z q ) ( 2 1 9 ) 这三路梯度场是对自旋体系的空间编码，分别作为选片、频率编码、相位编码。 2 , 2 2 选片原理 在临床诊断中，人体的三维图像一般用多个2 d 图片来表示，这就要求m r i 技术具有“选层”的功能。选片由选择性射频脉冲( s i n c 包络) 结合梯度场( g z ) 来完成。 n 拦曩鍪罗 z 。 一，g ：! ：i ：i 、一n i 。 ”x 一2 军。 b ， b a 下 国 图2 1 选片原理示意图 在图( 2 1 ) 中，如果软脉冲的中心频率为以，激发带宽为( - ) ，在z 方向上 施加梯度场大小为g z ，此时根据w = y ( b o + r a g ) ，我们得到选片位置为： 6 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 z ：c o , - y b o r g , 选片厚度为 比：竺 r g , 2 2 3 频率编码 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 我们在x 方向上施加梯度场g x ，放置样品a 和b 置于如图( 2 - 2 ) 示位置， l ，x 图( 2 - 2 ) 频率编码示意图 假设a 和b 样品的位置分别是x 。和澎，则有这两个样品的共振频率为 q = y ( 岛+ 而q ) ( 2 2 3 ) 必。r ( b o + 而q ) ( 2 2 4 ) 这样样品空间的坐标可以用n m r 谱线的频率来表示，这就是所说的频率编码。忽 略化学位移和j 耦合，在梯度场的作用下采集到的n m r 信号表示如下 s ( f ) = p ( x ，t ) d x s ( x ，t ) t r e x p ( - j w * t ) = e x p ( - j x 肛a t ) = c x p ( 一j o ( x ，功 ( 2 2 5 ) 式中o ( x ，) = x ) g x a t ) i 点信号为 s ( x ，i ) = e x p ( 一j x 矧，) ，t = i a t，i = 0 ，1 ，2 - n ，所以f i d 的第 7 ( 2 2 6 ) 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 可见x 方向上加的梯度的作用使得n m r 信号的相位和空间位置坐标x 关联起来 了。 2 2 4 相位编码 频率编码是施加一恒定的梯度g x ，步进变量时间t ，从而得到n m r 信号与空 间坐标x 关联。反过来我们也可以步进梯度g x ，而恒定时间t ，这种情况称为相 位编码。根据m ( x ，t ) = x ，g 址，n m r 信号相位取决于梯度与时间的乘积。 r f 豳 匪一l 一 l - 缸 廿 l a ，、 广 a c q 好 l 川v v 图( 2 3 ) 1 d m l u 采用相位编码的脉冲序列 在上面的脉冲序列中，需要采用间接的测量方法，即只采集f i d 的第一点数据。 s ( x ，i ) a e x p ( 一j x t g ，a t l ( 2 2 7 ) 对于第i 次梯度步进：g x = f ，i = 0 , 1 2 埘 s ( x ，i ) o o e x p ( - j x y i 壤r ) ( 2 2 8 ) 相位编码和频率编码在原理上是一样的，相位编码得到的信号和与偏共振( 包括 化学位移，静磁场的非均匀性) 无关，但在一维实验中，相位编码花费的时间比 频率编码花费的时间多。 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 2 2 5 常规成像脉冲序列简介 临床中最常用的是脉冲序列是自旋回波( s p i ne c h o ) 如图2 q 所示、反转恢 复( i n v e r s i o nr e c o v e r y ) 如图2 5 所示、梯度回波( g r a d i e n te c h o ) 如图2 6 所示。 我们看到图2 4 中采用了s i n c 函数形的9 0 度射频脉冲和选片梯度g z 同时 作用激发了有一定厚度的层面，后面由一个s i n c 函数形的1 8 0 度射频脉冲使选 择的这一层的磁化矢量再汇聚得到自旋回波。反转恢复脉冲序列是首先加一个 1 8 0 0 脉冲及选层梯度，目的是把被选层中的m z 反向，在t 1 ( t 1 反向时间) 时， 在x 轴上加9 0 0 r f 脉冲，再用1 8 0 0 再聚焦脉冲得到回波，采集回波得到的成像数 据就叫反转恢复自旋回波。反转恢复回波脉冲序列在9 0 0 脉冲开始以后的时序与 自旋回波序列基本相同。也是靠1 8 0 0 的射频使磁化矢量再会聚得到自旋回波。 而梯度回波没有射频1 8 0 0 脉冲，但是它采用了梯度反向产生回波，在频率编码 方向上先利用第一梯度脉冲使磁化矢量散相，再利用第二个面积相等的但极性相 反的梯度脉冲使磁化矢量聚相，从而产生一个回波，称为梯度回波。 9 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 图( 2 - - 4 )自旋回波脉冲序列 图( 2 5 ) 反转恢复自旋回波脉冲序列 1 0 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 2 2 6k 空间1 1 3 1 图( 2 - 6 ) 梯度回波成像脉冲序列 成像得到的信号如下式 = 肛( x , y ) e x p i y ( g ，x t + g j , y t y ) d x d y ( 2 1 3 ) 其中屯= r o ，七，= ，g ，瓦，代入上式得下式 s ( ，) = j p ( x ，力e x p i ( k 石十y ) ： 托砂= s ( 颤，屯) ( 2 1 4 ) s ( 颤，七，) 和p ( 五力是一对傅立叶变换对，可以对s ( ，) 作二维反傅立叶变换即得到 了物体的空间分布p ( x ，力，用灰度图表示出p ( x ，力，这样就能重建的磁共振图 像。 我们对k 空间定义如下： 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 k 。= y l g x q ) a t j 0 f = ，俺( f 一) d r ( 2 - 1 5 ) 0 也= ，i g ：( t ) a t 由屯，k 屯构成一个k 空间。所以要获得高质量的图像，必须使轨迹扫遍整个k 空间及采集全回波，否则会丢失某些图像信息。因此要使用梯度回波或自旋回波 序列。 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 第三章核磁共振成像仪的基本结构【1 ，1 4 】 核磁成像系统的基本结构，按功能可粗略的分为三大部分，磁体部分，谱仪 部分和计算机部分。磁体部分提供极化磁场b o ，空间编码梯度磁场g 和产生b j 场的r f 线圈。谱仪部分控制r f 发射机和接收机电子学系统执行脉冲序列，产生 m r i 信号并采集图像数据。计算机部分一方面为r f 谱仪产生所需要的脉冲包络 信号、为梯度放大器提供梯度波形信号，提供各种控制信号以控制扫描器的运行； 另一方面对采集的数字信号进行处理，重建出a r i 图像，并对图像进行显示和输 出等的处理。我们实验室自行设计的谱仪包括射频发射单元、信号接收单元、脉 冲梯度单元和脉冲控制单元。整个谱仪各主要部分都是基于周边器件互连( p c i ) 总线，各部件通过总线同时由计算机控制，并行工作，可以降低成本，简化结构。 3 1 磁体部分 磁体系统部分是仪器的核心，它包括主磁体、匀场线圈、射频线圈和梯度 线圈。磁体是核磁成像系统中最大、最重要的部分。它主要是提供个主磁场 ( b o ) 。在磁共振成像中，磁化矢量的强度随着主磁场的增大而增大。所以，为 了得到较高信噪比的图像，人们总是试图不断地提升主磁场的强度。 核磁共振的磁体一般有永磁体、电磁体和超导磁体三种。通常永磁体和电 磁体成像系统主要用于低场临床普及机型，而超导成像系统则主要用于临床应用 和研究机型。从磁体的形状上来讲，又可以分为开放式和封闭式两种。其中，以 永磁为代表的开放式磁体，具有较低的价格，维护费用低，较人性化的设计得到 了人们的喜爱。而超导封闭型磁体提供了很强的磁场，具有很高的信噪比，在医 疗中也有着不可取代的重要地位。 磁体的主要技术指标是磁场强度、均匀度、稳定性和杂散场的空间范围等。 我们实验室现在采用的是永磁体，对磁体进行恒温来保持磁场的长期稳定。 射频线圈既有射频发射功能又有信号探测功能，因为核磁共振图像的信噪比 不但取决于磁体磁场的大小，另一方面从很大的程度上取决于射频线圈的质量好 坏，因此其在磁共振成像中有着至关重要的作用。射频线圈有发射和接收之分， 单个线圈可以既做发射线圈也可同时做接收线圈，只需要通过t rs w i t c h 来进 行切换。在很多场合一般用专门的接收线圈和发射线圈。在发射线圈产生磁场的 时候，接收线圈处于失谐状态，当激发结束，接收线圈处于正常工作状态。 评价射频线圈的指标主要有两个，灵敏度和射频场的均匀性。射频线圈在后 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 面章节将会详细介绍。 梯度线圈是磁共振成像系统中的个重要部件，它用于在灵敏区内沿空间某 个方向产生线性变化的磁场。一般磁共振成像系统包含有三对梯度线圈，产生彼 此相互正交的三个梯度磁场，它们分别用于层面选取g s 、相位编码g p 和频率编 码g r 。 梯度线圈的性能指标主要包括：线性度、强度和切换时间。线性度越高，图 像的几何失真越小。梯度场强度则决定空间分辨率。 3 2 谱仪部分 3 2 i 射频发射单元1 1 5 】 数字化谱仪的射频发射部分主要包括数字化频率源和射频功率放大器。在磁 共振成像中，频率源主要用来产生激发样品的射频电磁场。为了实现选片( 1 d ， 2 d ) ，以及宽带激发等应用，需要仪器的频率发生系统具备对信号幅度、相位、 频率的快速切换功能。 核磁共振频率源的要求： l 较高的频率稳定性 2 频率分辨率较高 3 较低相位噪声 4 宽的输出频率范围 5 具有任意波形输出能力 6 能进行相位切换 7 幅度调制能力 8 较快的频率、相位和幅度切换时间 目前，主要有以下三种频率合成技术：直接模拟频率合成技术( d a s ) 、锁相频 率合成技术( p l l ) 和直接数字频率合成技术( d d s ) 。 直接模拟频率合成技术( d a s ) ：直接利用一个或多个晶振作为基准信号源， 经过倍频和分频、混频等途径直接产生许多离散频率的输出信号。优点是长期和 短期稳定性高，频率变换速度快，相位噪声好。缺点是硬件电路复杂，调试难度 大，杂散控制复杂，无法控制输出频率相位。 锁相频率合成技术( p l l ) ：采用相位比较器比较压控振荡器( v c o ) 的输出频 率和参考频率的相位，比较误差经环路滤波器后反馈控, | j v c o ，使环路达到相位 锁定，以保证输出频率的精度与参考频率相同。优点是频率稳定性好，杂散抑制 1 4 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 好，调试和电路简单。缺点是相位噪声大，不能实现频率的快速切换，杂散控制 复杂，无法控制输出频率和相位。 直接数字频率合成技术( d d s ) ：采用数字采样存储技术，具有精确的相位、 频率分辨率，能快速切换频率、相位和幅度。d d s 的工作原理是通过累加较高频 率信号的相位变化量产生给定低频信号的数字化波形。它包含相位累加器、波形 存储器、数模转换器、低通滤波器和参考时钟五部分。d d s 的原理图如图3 - 1 。 频率控 制字k 图( 3 - i ) d d s 的原理图 d d s 的输出频率f 。= k f j 2 ” 式中f o u 。为d d s 的输出信号频率， 累加器位数。 f o ( 3 2 1 ) k 为频率控制字，f c 为时钟频率，n 为相位 d d s 数字频率合成器的特点： l 输出频率相对带宽比较宽。输出频率最低为直流，根据n y q u i s t 定律， 从理论上d d s 的输出频率上限应为f c 2 ，但是由于低通滤波器的非理想过渡特性， 以及高端信号频谱恶化的限制，一般取输出频率上限为f 。u t - 0 4 l 2 提供输出频率点的高速切换( 可达n s 级) 和非常高的频率分辨率( 可达 微赫兹精度) 。 3 频率捷变时的相位连续性。改变d d s 的输出频率时，是通过改变频率控 制字k 来实现的，实际上改变的是信号相位增长速率，而输出信号的相位本身是 连续的，这一点在核磁共振应用中是非常重要的。 4 任意波形输出能力。d d s 的波形存储表并非一定是正弦信号，只要该波 形所包括的高频分量小于取样频率的一半即可。 5 数字调制功能。由于d d s 采用全数字结构，本身又是一个相位控制系 统，因此可以在d d s 设计中可以方便地加上数字调频、调相以及调幅的功能，以 产生多种信号。d d s 的设计框图如图3 - 2 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 图( 3 - 2 ) d d s 设计框图 我们实验室里自行研制的d d s ，采用的是p l x 公司的p l x 9 0 5 2 作为计算机p c i 总线与卡上l o c a l 控制端的桥；两块8 位1 2 8 k 的异步静态内存，用于存储频率源波 形数据；d d s 采用a n a l o gd e v i c e 公司的a d 9 8 5 4 ；x i lj n x 公司f p g a ( x c 2 s 5 0 ) 现场可 编程逻辑门阵列，用于控制内存的读写，d d s 和内部控制寄存器的构建。 由于d d s 的相位截断技术，波形存储表的有效字长效应以及d a c 的非理想特性 都会引入杂散，因此使用d d s 技术会导致输出杂散分量增大，所以目前d d s 技术只 能用于低场的成像实验中，在高场和高分辨的试验目前还没有被广泛采用。但是 随着电子技术的发展，d d s 的主频越来越高。 3 2 2 信号接收单元1 1 6 】 核磁共振( n m r ) 接收机的设计非常重要，因为它决定了最终谱图的质量 n m r 信号首先被放大至几百毫伏左右，然后进行检波目前流行的检波是采用两 路相敏检波器构成的正交检测方法因为在正交检测中两路参考信号存在9 0 。 相位差，所以正负频率能够被区分因此射频( r f ) 激发信号可以设置在谱图的 中央这种设计方案降低了对接收机的带宽和r f 发射机输出功率的要求然而， 由于参考信号被分成正交的两路，它们之间在幅度和相位上的微小误差将导致 “折迭峰”当然，折迭峰可以用“四相轮换( c y 2 c l o p s ) ”技术来消除，但是这 将会延长n m r 数据采样的时间，这对于n m r 信号的信噪比( s n ) 足够好的情况 更是不必要的 目前，数字接收机正成为一种接收核磁共振信号的方法。使用数字接收机 在正交混频以前，先对核磁共振信号进行a d 采样，然后利用数字混频器对采样得 1 6 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 到的磁共振信号在数字域内进行正交检波和抽取滤波。使用数字接收机能够有效 地克服传统模拟接收机系统导致的镜像峰和零频峰的干扰，并且使用数字接收机 能够提供很好的滤波器的通带特性和线型的群延时特性，这对于获得较少相位失 真的核磁谱或者图像是很重要的。 核 图3 - 3 数字接收机结构框图 我们试验室自行研制的数字接收机的结构框图如图( 3 3 ) ，整个数字接收 机的核心是a n a l o gd e v i c e 公司的a d 9 8 7 4 数字接收芯片。它内部主要包括一个宽 带低噪声放大器( l o wn o i s ea m p l i f i e r ) 用来放大核磁共振信号，个本地振荡器 ( l o c a lo s c i l l a t o r ) 对磁共振信号进行变频，一个连续增益可调放大器 ( v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ) ，一个反折叠滤波器( a n t i a l i a sf i l t e r ) ，一个1 6 位的高速a d c 和一个正交数字下变频器，其中包括一个抽取率为1 2 的四阶梳妆滤 波器、个可调抽取率的四阶梳妆滤波器和一个除4 除5 的f i r 滤波器。 3 2 3 脉冲梯度单元 1 7 - 1 8 】 梯度发生单元是为了给系统提供线性度满足要求、可快速开关的梯度场。梯 度发生单元主要包括梯度波形发生器和梯度放大器。梯度发生单元框图如图 3 - 4 。 1 7 华东师范大学2 0 0 7 届硕士研究生学位论文 梯度被 形发生 嚣 梯度 放大蕃 线 圈 图( 3 _ 4 ) 梯度发生系统框图 梯度放大器的作用是把梯度波形发生器产生的波形放大，使梯度线圈能够产 生所需要的梯度磁场。梯度放大器实质是个低端截止频率至直流的音频电流放大 器。梯度线圈是电感元件，直流电阻很小，因而电流源的负载是大电感，小电阻。 一般得到的梯度脉冲有上升时间和下降时间还有平顶段，我们要求电流上升快， 下降也快，平项尽可能宽。 现代梯度放大器采用d 类放大器，这类放大器由两部分组成，第一部分是输 入比较和p w m 信号行成电路，该电路中的三角波发生器产生固定频率和幅度的三 角波信号作为脉宽调制的比较标准，通过比较器和输入的音频信号比较后输出脉 宽调制信号，该信号的脉宽是随着输入信号的幅度变化而成正比的变化的。第二 部分是h 桥脉宽功率放大电路和输出滤波电路。 我们实验室里研制的脉冲梯度单元硬件部分由p c 机、波形发生器和放大器 组成。其中p c 机为脉冲梯度单元提供了操作平台，它将完成波形发生器的波形 数据的设置和梯度波形触发的控制；波形发生器通过p c i 总线与p c 机保持通讯 联系，将用户设定的波形数据保存在d a 卡上的静态内存中，当外部触发脉冲来 到时，将波形数据通过可编程逻辑器件传输到板上d a c ( d i g i t a la n a l o g c o n v e r t e r ) 转换为模拟量输出，输出电流通过运算放大器驱动以差分形式输出， 而放大器的功能是将波形发生器的输出放大至所需的电流，来驱动后级的梯度线 圈。 影响梯度场的一个因素一涡流，涡流是由变化的磁场在其周围的空间产生感 应电流，这种电流的流线在金属体内是自行闭合的，所以称涡电流。涡流通常以 多时间常数的e 指数形式衰减。为简单起见，我们讨论单时间常数的涡流。多时 间常数的涡流可看作由多个具有不同衰减速度