射频场系统-课版-8课件

1、射频场系统 射频（RF）场系统是MRI设备中实施射频激励并接收和处理RF信号的功能单元。射频场系统不仅要根据扫描序列的要求发射各种翻转角的射频波，还要接收共振信号。 一、射频脉冲 1、硬脉冲:强而窄的脉冲，其频带较宽，常用于非选择性激励。2、软脉冲:弱而宽的脉冲，其频带较窄，常用于选择性激励。常用方波脉冲的激励范围由其脉宽（脉冲持续时间）所决定。脉冲越宽，覆盖的频率范围越窄，脉冲的选择性就越好；脉冲越窄，覆盖的频率范围越宽，脉冲的选择性就越差。 、翻转角：实施RF激励后，静磁化强度矢量M受B1场（在MRI系统中， B1是在射频控制系统的作用下由射频脉冲的形式发出的。）的作用而偏离平衡位置的翻转

2、角为：=B1通过调节射频场强度B1和脉冲宽度两个量，可使M翻转至任意角度。通常情况下脉宽决定着RF脉冲的选择性，因而MRI中只能用B1的大小来控制翻转角的大小。使其偏转角的脉冲就称脉冲。如偏离稳定位置（B0方向）90和180的RF脉冲分别称之为90和180脉冲。要使M0翻转180，所需射频场的能量就要比90脉冲的能量增加一倍。RF脉冲的宽度和幅度都是由计算机和射频控制单元实施控制的。（一）射频线圈的功能 射频线圈有发射和接收两个基本功能。所谓发射，就是辐射一定频率和功率的电磁波，以使被检体内的氢质子受到激励而发生共振；所谓接收，则指检测被激氢质子的进动行为，即获取MR信号。因此，从功能的角度看

3、，射频线圈有发射线圈和接收线圈之分。 在射频激励的过程中，发射线圈作为换能器，将RF功率转换为在成像空间横向旋转的射频磁场B1。换能器的效率越高，就越有可能用较小的射频功率在成像空间内获得较大的B1场。在信号接收阶段，RF线圈以及相关的前置放大器又将磁化矢量M的进动转化为可以进一步处理的电信号。一般来说，发射线圈与被激组织的距离越近，氢质子达到横向磁化所需的RF能量就越少，这将有利于减少病人所承受的射频沉积，使射频能量特定吸收率（SAR）变小。另一方面，接收线圈与被检体靠得越近，就越有可能获取较大的信号，从而改善SNR。2. 按线圈作用范围大小可分为全容积线圈、部分容积线圈、表面线圈、体腔线圈

4、和线控阵线圈。（1）全容积线圈（whole-volume coil）是指能够整个的包容或包裹一定成像部位的柱状线圈。主要作用于大体积组织或器官的大范围成像。常见的全容积线圈有体线圈和头线圈两种。（2）表面线圈（surface coil）是一种可紧贴成像部位放置的接收线圈。常见结构为扁平型或微曲型。这种线圈形成的射频发射场和接收场不均匀，表现为越靠近线圈轴线射频场越强、偏离其轴线后射频场急剧下降。（4）腔内线圈（intracavitary coil）是近年来出现的一种新型小线圈。这种线圈使用时须置于人体有关体腔内，以便对体内的某些结构实施高分辨成像。直肠内线圈是最常见的腔内线圈。可用于直肠、前列

5、腺和子宫等盆腔内结构的成像。（5）相控阵线圈（phased- array coil/ coil array）是由两个以上的小线圈或线圈单元组成的线圈阵列。这些线圈彼此邻接，组成一个大的成像区间，使其有效空间增大。相控阵线圈可从较大的范围内获取数据，而其SNR却等于每个独立线圈的SNR。（4）根据所用绕组或电流环的形式，射频线圈又可分为亥姆霍兹线圈（Helmholtz coil）、螺线管线圈（solenoid coil）、四线结构线圈（鞍型线圈（saddle coil）、交叉椭圆线圈）、STR线圈（管状谐振器，slotted tube resonator）和笼式线圈（birdcage coil）

6、等。螺线管线圈和鞍型线圈是体线圈的主要形式，其中前者主要用在横向磁场的磁体中，后者则用于纵向磁场的磁体中。（三）射频线圈的主要指标 1信噪比（Signal Noise Ratio，SNR） ：射频线圈的信噪比与成像部位的体积、进动角频率成正比，与线圈半径成反比，还和几何形状有关。提高SNR是线圈设计的最主要目标。线圈的SNR越高，就越有利于增加图像的分辨率或者提高系统的成像速度。2灵敏度：线圈灵敏度（coil sensitivity）是指接收线圈对输入信号的响应程度。线圈的灵敏度越高，就越能检测到微弱的信号，但信号中的噪声水平也会随之提高，从而使信噪比下降。因此，线圈灵敏度并不是越高越好。3有

7、效范围：线圈的有效范围是指激励电磁波的能量可以到达（对于发射线圈）或可检测到RF信号（对于接收线圈）的空间范围。有效范围的空间形状取决于线圈的几何形状。4填充因数（filling factor）：填充因数为被检体体积Vs与线圈容积Vc之比。与线圈的SNR成正比关系，即提高可提高SNR。因此，在线圈的结构设计中应以尽可能多地包绕被检体为目标 。5. 射频场均匀性：RF线圈发射的电磁波一方面会随着距离的增加而逐渐减弱，另一方面也会向周围空间发散，因而它所产生的B1场并不均匀。线圈均匀性与其几何形状密切相关。螺线管线圈及其他柱形线圈提供的均匀性最好，表面线圈的均匀性最差。6. 品质因数：简称Q值，其

8、定义为谐振电路（resonant circuit）的特性阻抗与回路电阻的比值。即谐振电路中每个周期储能与耗能之比。MRI系统的RF线圈实际上由各种谐振电路组成，因而线圈也有Q值。Q值越大，表示线圈在工作频率即共振频率下对信号的放大能力越强，线圈对某一频率信号的选择性也就越好。能经受一定的过压冲击，即具备自保护电路；在被检体上的射频功率沉积要少，即要考虑到线圈的发射效率并进行必要的射频屏蔽。（五）发射线圈.LC串联谐振电路的条件、特征条件：0L1/00时，串联电路发生谐振，特征：谐振时,L、C串联电路的电抗为零，所以这时电路的复阻抗最小，为电路的纯电阻R，电流，可见此时不仅电流与电压同相，而且有

9、效值达到最大。f0称为串联电路的谐振频率。2. 线圈系统的三种工作模式（1）体线圈模式：RF脉冲的发射和NMR信号的接收均由体线圈完成，如腹部和胸部成像时。（2）头线圈模式：头线圈单独工作，既做发射线圈又是接收线圈。由于体线圈不能取出，所以在此模式下应采取措施将其彻底隔离。（3）表面线圈模式：由体线圈射频激发，而用表面线圈进行接收的工作模式。3. 线圈系统的耦合（coupling）当线圈系统工作在表面线圈模式时，由于分别进行激励和信号接收的体线圈和表面线圈工作频率相同，两者之间极易发生耦合。后果：1）由于感应电流太大而使表面线圈烧毁；2）可能使被检者所承受的射频能量过大。4.线圈系统的动态去耦

10、（dynamic decoupling）体线圈和表面线圈之间一旦形成耦合，危害很大。因此，必须设法去耦。尽管二者的谐振频率相同，但两者却是分时工作的，即发射时不接收、接收时不发射。这启示我们用电子开关的方式进行动态去耦 所谓动态去偶指的是在扫描序列的执行过程中，给线圈施以一定的控制信号，使其根据需要在谐振与失谐两种状态下转换的方案。也就是射频脉冲发射时，要使发射线圈谐振，接收线圈失谐；反之亦然。这种动态的调谐要用开关二极管等电子元件来实现。5. 静态去耦（static decoupling）：是通过机械开关的通与断来控制的。如头线圈模式中，体线圈与头线圈间的去耦。MRI设备设置了4组发射线圈，

11、并且两两正交形成正交线圈，每组发射线圈的功率为1.25kW，总功率为5kW。4组发射线圈分别安装在上、下磁极的下方紧靠梯度线圈处。 每组发射线圈的激励信号相差90，四组发射线圈的激励信号相位分别为0、90、180、270。0、90相位在RF放大器中完成，而180、270相位靠调整外部电缆的长度来实现。图中采用了/2线 （为传输线中电磁波的波长）。不同长度的传输线可当作电路元件或电路的基本环节使用（移相，阻抗匹配） 。（六） 接收线圈接收线圈是只能接收信号但不发射电磁波的一类线圈，即没有激励功能的线圈。射频激励的任务是由另外一个线圈来完成的。在有些情况下，又需要将发射和接收线圈做在一起（即一个线

12、圈兼有发射和接收功能） 。1. 种类在永磁型MRI设备中，接收线圈根据扫描部位的不同而设计成三种类型。 种类接收线圈名称扫描部位螺旋管型正交型相控型颈部/关节/颞合关节/体部头部/体部/膝关节头部/颈部/体部/胸腰部膝、肩、腕头、腹、膝头、颈、体正交接收线圈是由马鞍型和螺旋管型接收线圈经适当组合制成。相控型接收线圈由两个以上的正交接收线圈或螺旋管型接收线圈经适当组合制成。 正交线圈的两个绕组工作时接收同一MR信号，但得到的噪声却是互不相干的。对其中一组信号移相900，再与另一路信号进行叠加，就可使线圈的信噪比提高，故正交线圈的应用非常广泛。3. 并联谐振条件：L=1/时，并联电路发生谐振特征：

13、谐振时L，C串联电路的电抗最大，电流最小。f0称为并联电路的谐振频率2. 去耦电路：由去耦二极管D、去耦电容Cd、去耦线圈Ld共同构成去耦电路。当RF发射信号发射时，通过偏置信号（15V、80mA）使二极管D导通，去耦电路工作。接收线圈形成并联谐振电路，去耦电路阻抗最大，其高阻特性使接收线圈开路。反之，当RF发射信号停止发射时，去耦电路不工作，接收线圈形成串联谐振电路，电流最大，形成的MRI设备感应信号最强。 （七）线圈的调谐（tuning）1.调谐的原因MRI系统的线圈只有谐振在氢质子的共振频率时才能达到激发氢核和收到最大信号的目的。被检体进入线圈后，线圈的固有共振频率会发生偏移，即出现失谐

14、（detuning）。因此，每次成像之前都要进行一次调谐。2. 射频线圈的失谐线圈的失谐主要是由负载和磁体两方面原因造成的：当线圈加载（即成像体置入线圈）后，它的谐振频率会降低。首先，主要是线圈中存在电容。当线圈加载即成像体(人体或水模)置人线圈后，电容的值与介电常数成正比。未加载前，线圈内为空气介质；加载后则充满以水为主的介质。由于水的介电常数高出空气约80倍，其结果等效于线圈电容增大因此加载后线圈的谐振频率会降低这就是MRI系统线圈必须在有负载的情况下进行调谐的原因另一方面，线圈一进入磁体、它的等效电感就会变小。由此可见，线圈加载并置人磁体后一定要进行调谐。但是，由于加载的电容效应是使谐振

15、频率降低，而线圈进磁体后的电感效应则是使其提高，二者在一定程度可以抵消。因此，线圈的失谐通常不是很严重。如果采用可变电容调谐就变得很简单了。3. 调谐的方法调谐分为自动调谐和手动调谐两种，其中手动调谐只在个别线圈中使用。线圈的调谐一般通过改变谐振回路中可变电容的电容值或变容二极管的管电压(从而改变其电容值)两种方式来实现即将变容二极管Cv并联在电路中，程序会自动调节加在它两端的电压来改变变容二极管Cv的容量大小，以达到最佳调谐状态。变容二极管也称为压控变容器，是根据所提供的电压变化而改变结电容的半导体。变容二极管的作用变容二极管是利用PN结之间电容可变的原理制成的半导体器件，在高频调谐、通信等

16、电路中作可变电容器使用。 三、射频脉冲发射系统、功能射频脉冲发射系统的功能是在射频控制器的作用下，提供扫描序列所需的各种射频脉冲。MRI中的射频脉冲，最常用的有90和180两种。但是在各种小角度激励中，还有可能用任意角度的脉冲进行RF激发。 、构成：振荡器（脉冲源）；频率合成器；放大器；波形调制器；终端发射匹配电路；RF发射线圈。射频脉冲发射系统（1）射频振荡器 它是一种能产生稳定频率的振荡器。（2）频率合成器射频脉冲的频率就是系统的氢质子共振频率，一般来说是固定不变的。在MRI设备中，需要用到几种频率的射频信号。（ 3）RF波形调制器：调制器的作用是产生需要的波形，它受脉冲生成器所控制，当脉

17、冲程序送来一个脉冲时，控制门就接通，而在其他时间都断开。在这一过程中，RF脉冲序列的所需波形，还要经过多级放大，使其幅度得以提高。（4）脉冲功率放大器：射频脉冲发射系统的最后一级为功率放大级，通过一个阻抗匹配网络输入到射频线圈，发射一定功率的射频波。脉冲功率放大器是射频发射系统的关键组成部分。一般要求能够输出足够的功率（10kW）、一定宽度的频带（3575 MHz），非常好的线性和瞬时工作能力。四、射频信号接收系统射频接收单位的功能是接收人体产生的磁共振信号，并经适当放大处理后供数据采集单元使用。1前置放大器：前置放大器是射频接收单元的重要组成部分。从接收线圈中感应出的FID信号的功率非常微弱，这就要求它既要有很高的放大倍数，又要有很小的噪声。2混频器：信号经前置放大器放大后到达混频器。使信号与本机振荡混频后产生一个中频信号，即将RF信号转换至较低的中间频率上，信号经中频放大器进一步放大后送往相敏检波器。相敏检波器：相敏检波又叫正交检波。对于频率和相位均不同的信号，相敏检波电路有很高的选择性。由二维傅里叶成像法的原理可知，MR信号中的频率和相位特性代表体素的空间位置信息，为了在图像重建时能够还原出体素的空间位置信息，必须在信号采样前用硬件的办法将二者加以区分，这就是采用相敏检