醫(yī)學影像專業(yè)課程-核磁共振硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳細介紹

醫(yī)學影像專業(yè)課程-核磁共振硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳細介紹第一頁，共149頁?！?2.1Introduction主磁體~Magnet

梯度系統(tǒng)~Gradientsystem

RF系統(tǒng)~RFsystem計算機系統(tǒng)~Computersystem第二頁，共149頁。PDP11、VAXSUN、SGI;PC多用戶操作系統(tǒng)VMS（早期）UNIX文件存檔：MODDVD

CDR3T：Linux（GE）WindowsXP（SIEMENS、Philips）第三頁，共149頁。MR系統(tǒng)構(gòu)造第四頁，共149頁。MR系統(tǒng)部件和構(gòu)造以及T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)第五頁，共149頁。第六頁，共149頁?！?2.2主磁體主磁體是MR的主要部件主磁體特性:穩(wěn)定性（Stability）均勻性（Homogeneity）非均勻性Inhomogeneity(ppm)=variation(T)/fieldstrength(T)×106第七頁，共149頁。主磁體類型永磁體~

Permanentmagnet常導體~

Resistivemagnet超導體~

Superconductingmagnet第八頁，共149頁。I永磁體~

Permanentmagnet永磁體使用磁性材料產(chǎn)生磁場~高剩磁稀土合金，如SmCo5,Nd-Fe-B.ALNICO（鐵、鈷合金）SmCo5ALNICO(釤鈷鐵鈷合金）Nd-Fe-B（釹、硼、鐵合金）

0.2TALNICO23噸Nd-Fe-B4噸第九頁，共149頁。HITACHAIRIS-mate(0.2T)7.8噸AIRIS-2(0.3T)10噸APERTO(0.4T)13噸釹鐵硼材料優(yōu)點:高剩磁缺點:溫度系數(shù)比較大第十頁，共149頁。

1.結(jié)構(gòu)Ring(環(huán)型)Yoke(軛型)C-shapeH-shapeyoke有源材料產(chǎn)生B0無源材料形成磁路第十一頁，共149頁。第十二頁，共149頁。2.影響因素剩磁

(Remanence)矯頑力

(Coerciveforce)指破壞磁體磁化狀態(tài)所需之力也就是使磁感沿磁滯回線減少至零時所需的磁場強度矯頑力大~硬磁材料矯頑力小~軟磁材料

磁路結(jié)構(gòu)

(Magneticcircuitstructure)……一般永磁體場強不大于0.5Ｔ第十三頁，共149頁。開放（孩子、幽閉癥、介入）系統(tǒng)構(gòu)造簡單不產(chǎn)生熱運行成本低維護費用低

壽命長永磁體場強對溫度非常敏感(0.1

C)。例如，Nd-Fe-B磁體溫度升高1

C，磁場降低約1000ppm；第十四頁，共149頁。II常導體~Resistivemagnet1.電磁理論(Electromagnetismtheory):線圈中有電流時會產(chǎn)生磁場，并會導致線圈溫升。第十五頁，共149頁。Air-coredresistivemagnetconstructedusingfourcoilsarrangedeitherhorizontallyorvertically.Air-coredresistivemagnetsIron-coredresistivemagnets第十六頁，共149頁。2.材料的選擇銅（Copper）：電導率大、密度大、價格高、產(chǎn)熱少；鋁（Aluminum）：電導率小、密度小、價格低、產(chǎn)熱多；

線圈產(chǎn)生的熱量由去離子水帶走3.穩(wěn)定性

~不太好4.均勻性~不太好第十七頁，共149頁。III.超導磁體~

Superconductingmagnet1.超導理論:當溫度T降低到臨界溫度(criticaltemperature),電阻突然變?yōu)?(測量不出)。電流可永無休止的流動。超導磁體可產(chǎn)生強磁場超導材料臨界溫度：普通鉛（Plumbum）:7.4K鈮鈦合金（Niobium—Titanium）:20K稀土陶瓷(Ceramic):100K第十八頁，共149頁。2.超導材料類型:II:Ni(鈮)、V(釩)、Tc(锝)alloyorcompoundI:otherMR:TypeII

MullityNbTialloyfilamentscomplexlead(鈮鈦合金多芯復合超導線~位于銅基中)isverypopular,anditcanload700A.第十九頁，共149頁。3.

超導材料的選擇：可負載大電流可保持超導狀態(tài)(>4.2KHe)MR系統(tǒng)提供的低溫制冷裝置系統(tǒng)可使所選超導材料保持超導狀態(tài)；超導材料要有合適的物理特性：可塑性(plasticity)

和柔韌性(pliability)第二十頁，共149頁。4.構(gòu)造EarlySCmagnet第二十一頁，共149頁。第二十二頁，共149頁。第二十三頁，共149頁。NbTi纖維包埋在銅材中

銅材在失超時保護超導線圈超導磁體線圈：

基于均勻性的考慮常使用4-8組獨立線圈第二十四頁，共149頁。5.磁體特性場強均勻性穩(wěn)定性第二十五頁，共149頁。高場MR的優(yōu)缺點信噪比圖像細節(jié)速度功能成像……But！第二十六頁，共149頁。化學位移偽影RF功率沉積高場強設(shè)備發(fā)射機功率通常是10~25kW，利用SAR對其加以限制，尤其是>1.5T時，RF沉積將限制重復時間。RF穿透性RF場在人體組織內(nèi)感應電流，部分抵消了RF場，降低了RF脈沖穿透組織的深度，導致RF激發(fā)的成像容積不均勻。T1弛豫時間T1弛豫時間隨場強增加而增加，更易發(fā)生飽和，使SNR與場強不成正比。第二十七頁，共149頁。更高的梯度要求梯度場隨場強成比例地增強要求驅(qū)動放大器的功率增加噪音更大價格一般情況場強高，價格高。對人群的影響更易對其他病人和設(shè)備產(chǎn)生影響，更應考慮雜散場。第二十八頁，共149頁。

afullyloadedpalletjackthathasbeensuckedintotheboreofanMRIsystem.

第二十九頁，共149頁。MRI系統(tǒng)不同磁體類型比較第三十頁，共149頁。§12.3低溫系統(tǒng)和制冷劑~LowtemperaturesystemandcryogenI.低溫系統(tǒng)維持低溫使超導線圈處于超導狀態(tài)；低溫容器(Dewar)磁體線圈位于Dewar中；Dewar必須有好的絕熱性能(adiabatic)第三十一頁，共149頁。II制冷劑液氮（LiquidNitrogen）~77K液氦（LiquidHelium）~4K為了把液氦、超導線圈與環(huán)境分割開來，需要低溫保持器(cryostat)20K,70K(80K)液氦量的測量第三十二頁，共149頁。Heliumlevel第三十三頁，共149頁。勵磁(

Excitation)、

退磁（Demagnetization）1勵磁過程（Excitation

process）A.冷卻磁體（Coolingmagnet）：主磁體線圈處于超導狀態(tài)B.線圈加載（Windingsareloadedcurrent）：注入電流電流注入過程（Loadingprocess）：第三十四頁，共149頁。1)加熱超導開關(guān)使之無效；2)線圈兩端加載電壓在線圈內(nèi)感應電流；3)當B0符合要求時，關(guān)閉加熱器，超導開關(guān)恢復超導狀態(tài)；4)電流在超導線圈內(nèi)循環(huán)流動。第三十五頁，共149頁。νUH-

加熱電壓

(超導開關(guān))

ULILULUHmake

isnotSC;ILincreasingwiththeeffectofUL;Bincreasinglinearlywitht;ULgraduallydecreasing,tillto0whenB0isacquired;TurnoffUHILdecreasingto0.di/dt=-UL/L第三十六頁，共149頁。2.DemagnetizationTurnonSswitchUH-turnoffAdjustIofMPSIandS-ULIL=0,UL=0TurnoffandUHEnergy=0UHILULS第三十七頁，共149頁。3.失超(Quench)超導線圈的部分不再是超導狀態(tài)，線圈儲存的能量部分變成熱能散出；熱能使線圈其他部分加熱繼而失去超導狀態(tài)產(chǎn)生更多的熱量，惡性循環(huán)直至遍及整個磁體發(fā)生失超；失超使設(shè)備經(jīng)歷劇烈的熱脹冷縮和磁力變化，使原有有源、無源勻場失效。第三十八頁，共149頁。失超原因：Fluxjump（磁通跳躍）~釋放能量Frictionresultingheat（摩擦生熱）~線圈的微小運動失超導致：B0

的崩潰瓦解液氦迅速沸騰（boiling-off）第三十九頁，共149頁。爆破膜(

Bursting-disks)在高壓下爆破，使得大量的氣氦溢出低溫保持器。自發(fā)的失超(

Spontaneousquenches)很少發(fā)生!如果需要失超，線圈儲存的電能沉積在假負荷（dummyload）避免損傷磁體（這是一個耗費昂貴的過程）。第四十頁，共149頁。失超保護二極管和失超保護電阻Quenchprotectiondiodeandresistance低阻通路SIEMENSOR41AS失超:100V電壓限制勵磁/退磁:

10V電壓第四十一頁，共149頁。§12.4屏蔽和勻場

ShieldingandShimmingI.屏蔽（Shielding）邊緣場（Fringefield）

雜散場（Strayfield）雜散場，特別是超導磁體的雜散場在各個方向上會伸出磁體，對外圍產(chǎn)生影響FDA~5G第四十二頁，共149頁。無源屏蔽、被動屏蔽

(Passiveshielding)房間屏蔽(Roomshielding)

:

鐵磁性材料~對建筑結(jié)構(gòu)有依賴性，分場地設(shè)計；屏蔽材料厚度小、面積大；自屏蔽(

Self-shielding)

:在磁體孔徑內(nèi)放置鐵磁性材料(Ironplates)；有可能給勻場增加困難；第四十三頁，共149頁。有源屏蔽、主動屏蔽(Activeshielding):載有反向電流的線圈繞組降低雜散場；有源屏蔽的磁體重量輕，但由于B0被抵消一些，需多用超導線、杜瓦體積大些）；常導有源屏蔽(Resistive)超導有源屏蔽(SC)第四十四頁，共149頁。II.勻場~

Shimming優(yōu)質(zhì)的MR圖像對B0的均勻性和穩(wěn)定性有高要求；勻場方法:無源勻場（被動勻場）(Passive，

后進行)有源勻場（主動勻場）(Active，先進行)Combinationofboth第四十五頁，共149頁。1.無源勻場(Passivelyshimming)在磁體周圍放置鐵片校正；鐵片放置的數(shù)量和位置經(jīng)過特殊的勻場程序計算出來；可校正高次磁場不均勻性；材料價格便宜；不需要昂貴的高精度電源；當需要更高度的均勻度或均勻性可調(diào)時必須用有源勻場；第四十六頁，共149頁。2.有源勻場（Activelyshimming）一系列載流繞組排列在磁體孔徑的柱形管上，每個繞組產(chǎn)生的校正磁場與球形諧波展開式的一個系數(shù)近似；必須避免這些繞組與磁體和梯度線圈的相互影響；線圈中的電流在系統(tǒng)安裝期間確定并保持不變，直到有工程師進行再勻場時才改變；第四十七頁，共149頁。主磁場線圈超導勻場線圈常導勻場線圈梯度線圈位于磁體低溫容器內(nèi)位于孔徑內(nèi)有源勻場使用的線圈繞組有三類：超導勻場線圈、常導勻場線圈和梯度線圈第四十八頁，共149頁。GE:SII,SIIImagnet1.5T18個超導勻場線圈（高階)隔熱屏散熱系統(tǒng)（壓縮機和冷頭）排氣系統(tǒng)和電流探頭直插式低溫容器流速表和壓力表便于觀察液氦側(cè)罐口，易于補充

第四十九頁，共149頁。Maincoil主線圈電流為734.5A主超導開關(guān)與主線圈和串聯(lián)電阻并行連接—無阻通路開關(guān)的超導狀態(tài)：持久模式（persistent)開關(guān)的有阻狀態(tài)：有阻模式（resistive)緊急失超：主線圈放置有另外的加熱器，使主磁場快速退磁（rundown).失超保護裝置與主線圈并聯(lián)，在失超或緊急退磁時保護主線圈。第五十頁，共149頁。Shimmingcoils18個超導勻場線圈位于液氦容器內(nèi)用于磁體勻場調(diào)節(jié)；勻場調(diào)節(jié)程序需要的數(shù)據(jù)通過測繪裝置和探頭獲得；Z2、Z4、Z6：容積內(nèi)各處的磁場；Z1、Z3、Z5：磁體后端的磁場；C11+、C11-、C22-、C31、C33）：橫向偶數(shù)線圈S11+、S11-、X22+、S22-、S31、S33：橫向奇數(shù)線圈第五十一頁，共149頁。Subsystemelement(子系統(tǒng)組件)磁體低溫容器(Magnetcryostat）

：包含6個超導主線圈、18個超導勻場線圈、18個超導開關(guān)和開關(guān)加熱器、失超保護裝置；硅二極管、超導液氦液面探測器和壓力傳感器位于低溫容器內(nèi)，分別監(jiān)視低溫容器的溫度、液氦液面和壓力；制冷劑監(jiān)視器(Cryogenmonitor)

：裝在機架上與液氦液面?zhèn)鞲衅飨噙B；第五十二頁，共149頁。隔熱屏散熱壓縮機(Heatinsulationscreenradiatorcompressor):位于機柜間與MR的冷頭相連，對氣氦進行壓縮。磁體緊急退磁裝置(Magnetemergencydemagnetizationdevice)：裝在墻壁上，與一組主線圈的加熱器相連。按下按鈕，給主線圈加熱器供電，磁場快速降落(2分鐘內(nèi),20%以下)液氦揮發(fā)率(VolatilizationvelocityofliquidHe)應小于0.2l/h勵磁/退磁、超導勻場：嚴格遵守手冊中的步驟；第五十三頁，共149頁。磁體維護/部件更換：揮發(fā)增加揮發(fā)長期超標：隔熱屏散熱器工作不正常熱-聲振蕩真空受損低溫容器內(nèi)部熱短路低溫容器外部結(jié)冰通常是真空問題或熱短路第五十四頁，共149頁。傳感器溫度檢測二極管：硅二極管，位于磁體支持物的上部和底部，監(jiān)視內(nèi)部支持物溫度；還有位于隔熱屏散熱器安裝套管的第一級和第二極接口點，用于溫度檢測和故障查找；超導液氦液面?zhèn)鞲衅鳎何挥诘蜏厝萜鲀?nèi)，低溫容器壓力傳感器第五十五頁，共149頁。梯度場:隨位置線性變化§12.5梯度系統(tǒng)第五十六頁，共149頁。I.主要部件:梯度波形發(fā)生器

梯度驅(qū)動級

梯度功率放大器

梯度線圈others第五十七頁，共149頁。II梯度線圈1.結(jié)構(gòu)Gz:一對環(huán)形線圈(Maxwellpaircoils)流有反向電流Gy:Golayconfiguration,4個線圈位于圓柱體外部Gx:Golaycoils(rotate90o)第五十八頁，共149頁。麥克斯韋對Golay線圈同圓線圈，線圈間距=31/2R反向電流Bz=Gz(0)z+O[(z/d)5]校正到5階8個120圓弧近圓弧處對中心張角68.7遠端圓弧張角為21.3，距中垂面距離為2.57R（效率和回路）第五十九頁，共149頁。梯度線圈設(shè)計方法一般采用目標場方法的逆向設(shè)計方法根據(jù)期望的梯度場用傅立葉變化倒推電流密度分布；已應用于設(shè)計渦流自屏蔽梯度線圈。第六十頁，共149頁。2.梯度脈沖波形:梯形(trapezoidal)一個上升沿(slopingrise)后跟一個平臺(flatplateau

)和一個下降沿(slopingfall)。G梯度強度G(strength)~單位距離內(nèi)場強的變化量，inmT/m;上升時間單位是s,一般值在1000s~200s.梯度場切換率(slewrate)是單位時間單位距離的場強變化。一般在20-150T/m.s.第六十一頁，共149頁。3.梯度線圈充電特性:響應時間:

=L/R假定300V,Ｌ=1mH,Ｒ=100mΩ如果給梯度線圈的供電時間達到5τ。序列所需要的電流值一般最大在200A的范圍內(nèi)，這時可看成是線性，電流上升的速率也最快（大約0.6ms內(nèi)達到160A的電流）。L上升速率

如電流上升速率比線圈特性允許的快，需提高梯度功率放大器第六十二頁，共149頁。4.梯度線圈的噪聲（噪音）不斷變化的梯度電流是梯度線圈產(chǎn)生振動（聲頻范圍~噪音）；噪音與梯度場變化速率或電流變化率有關(guān)；di/dt越大，噪音越大。第六十三頁，共149頁。III.梯度放大器

實質(zhì)是音頻電流放大器，負載時大電感、小電阻；根據(jù)標稱梯度電流的大小和方向以預設(shè)的方式向線圈傳遞能量，驅(qū)動電流流過梯度線圈產(chǎn)生梯度磁場；梯度線圈~梯度放大器的負載；放大器種類Linearamplifier(線性放大器)On-offamplifier（開關(guān)式放大器）第六十四頁，共149頁。線性放大器:三極管(dynatron)的功率損耗Ploss很大；總消耗功率PPlossofdynatronPAIUr300VPloss=UI-I2R線圈負載電阻功率消耗第六十五頁，共149頁。開關(guān)式放大器（On-offamplifier，usuallyadopted)全額輸出、完全截至三極管功率損失降低，提高放大器工作效率開關(guān)三極管第六十六頁，共149頁。梯度功放后級主要由電子開關(guān)(場效應管、雙極性三極管)、單向二極管(free-wheelingdiode)、儲能和濾波電容、線圈組成；開關(guān)閉合：開關(guān)閉合后電流指數(shù)上升開關(guān)斷開：梯度線圈電感特性試圖保持電流的穩(wěn)定；梯度線圈相當于是電流源，驅(qū)動電流流經(jīng)單向二極管。開關(guān)三極管的切換頻率必須與系統(tǒng)時鐘同步，且固定；第六十七頁，共149頁。通過改變脈沖占空比，可以調(diào)節(jié)電流的平均高度值。Gmax主要受梯度電源限制；當給定G及最小切換時間，梯度功率取決于設(shè)計時的假設(shè)，但總體上是隨著梯度線圈半徑的4~5次冪增加；增加梯度線圈繞組數(shù)量可減少電流需求，但會增加L，即增加；要提高切換速率需要相應地增加電壓。第六十八頁，共149頁。典型的電流:200A~300A為快速切換，梯度電源必須能夠支持電流以300A/s或更快的速率變化，這意味著典型的1mH線圈最小需要300V電壓脈沖，還要有些剩余來彌補線圈和導線的阻抗損失。由于梯度決定了空間頻率域的采樣點，因此梯度必須高度穩(wěn)定，梯度電源必須極其精確。第六十九頁，共149頁。梯度波形發(fā)生器數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到模擬標稱電流值I0

；實際值減去標稱值I-I0

調(diào)節(jié)器IV.Adjustmentcircuit第七十頁，共149頁。1.實際值測量梯度線圈電流測量利用精確直流傳感器（LEM~法文縮寫)無接觸測量；基于Hall效應HalleffectU=k·I·B/d第七十一頁，共149頁。LEM利用磁芯繞組的補償電流，使空氣間隙的磁場忽略不計，這個補償電流等于梯度電纜中電流平均值的千分之一。第七十二頁，共149頁。2.PID(比例積分微分調(diào)節(jié)器)穩(wěn)定性、精度、速度Measure第七十三頁，共149頁。PID:

相當于積分器(integrator)比例(Proportion)調(diào)節(jié)器:積分電路的一個時間常數(shù)(Timeconstant)使高頻時相移為0，改進閉環(huán)的穩(wěn)定性；

Stability積分(Integrator)調(diào)節(jié)器:調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度，使低頻誤差信號為0；Accuracy微分(Derivative)調(diào)節(jié)器:預測濾波器的電壓來允許更高的環(huán)路增益；SpeedPID~SAS，彌補各自的不足(微分調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)偏差和積分調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)速度慢)。調(diào)節(jié)器的輸出信號(控制信號)與三角波電壓進行比較，得到經(jīng)脈沖寬度調(diào)制的四個觸發(fā)信號，產(chǎn)生后級功率三極管所需的開關(guān)脈沖。第七十四頁，共149頁。3.脈沖寬度調(diào)制Stability,Speed,AccuracyMeasure第七十五頁，共149頁。S1~S4：場效應管+G:正向梯度電流(場效應管S2和S3工作);

-G:負向梯度電流(場效應管S1和S4)。+G、-G，梯度電源不供給能量，梯度線圈釋放出來的能量送給儲能電容C。第七十六頁，共149頁。V.渦流（Eddycurrent）梯度場的快速切換在周圍導電材料中感應出渦流渦流隨G及其變化率變化。一旦達到一個穩(wěn)定的平臺值，渦流開始衰減。渦流的衰減可用指數(shù)函數(shù)近似，其=L/R是由導電材料的Ｒ、有效電感Ｌ決定。第七十七頁，共149頁。對于“高溫導體”，R隨著溫度近似線性地增加對于超導磁體，通常由制冷層的傳導率以及有效電感決定低溫屏蔽層由溫度大約70K的鋁組成，產(chǎn)生的渦流具有很長的；RF體線圈的銅屏蔽(約300K)感應的渦流短；渦流效應相當于把梯度場脈沖進行低通濾波如對渦流不加任何補償，IG脈沖會產(chǎn)生畸變第七十八頁，共149頁。渦流補償方法RC

元件使電流預畸變重新產(chǎn)生期望的梯度場脈沖;預先補償梯度的驅(qū)動電流可以達到對渦流的抑制；有源屏蔽梯度(betterapproach):避免渦流的動態(tài)非線性;第七十九頁，共149頁。動態(tài)修改梯度電流當加上渦流產(chǎn)生的阻撓場時，可得到具有合適場強和脈沖波形的凈磁場第八十頁，共149頁。渦流分布與梯度線圈電流分布不盡相同，偏差主要沿徑向，在磁體長軸方向也同樣存在；由于渦流感應的磁場空間分布與梯度感應的磁場略微不同，預補償梯度驅(qū)動電流不能完美地消除空間中每一點的渦流磁場；通過合理的梯度線圈設(shè)計可使這種偏差最??；渦流隨時間衰減的動態(tài)非線性不可能由梯度線圈設(shè)計或預補償梯度驅(qū)動電流來完全補償；用有源屏蔽梯度來避免渦流的動態(tài)非線性。第八十一頁，共149頁。有源梯度屏蔽在梯度線圈和低溫容器間安放屏蔽線圈；有源屏蔽線圈是與成像梯度線圈同軸安裝的第二組梯度線圈；I屏蔽線圈與I梯度線圈方向相反，電流同步通斷；有源梯度屏蔽可削弱成像梯度在附近制冷層中的磁場，特別是消除更高次動態(tài)空間磁場畸變；有源梯度屏蔽的缺點是較復雜、費用更高以及對電源的附加需求。第八十二頁，共149頁。GE公司SignaHorizon系列梯度線圈組件稱為Roemer線圈：Roemer線圈由內(nèi)部和外部線圈組成內(nèi)部梯度線圈在成像區(qū)域產(chǎn)生10mT/m或更高的梯度場外部梯度線圈與內(nèi)部梯度線圈串聯(lián)，因此兩組線圈中的電流幅度相同，但外部梯度線圈產(chǎn)生的磁場與內(nèi)部梯度線圈產(chǎn)生的磁場方向相反結(jié)果使梯度線圈組件外側(cè)的凈磁場矢量為零。Roemer線圈的這種自屏蔽效應使圖象質(zhì)量因為磁體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而下降的影響大大減少了。第八十三頁，共149頁。VI.梯度場參數(shù)梯度幅度（Gradientmagnitude

）切換時間Switchtime(Slewtime)切換率（Slewrate）最大工作周期（Max.workcycle）:TG/TR梯度的工作周期越高，允許的層數(shù)越多。

許多制造商提供100%，即梯度系統(tǒng)不會限制臨床掃描第八十四頁，共149頁。臨床常用的高質(zhì)量常規(guī)MRI系統(tǒng)，強度為10~15mT/m，上升時間為0.5-1ms的梯度能令人滿意快速成像方法要求MR系統(tǒng)有更高的梯度性能，如G>25mT/m，切換時間<0.25ms；線圈和功率放大器設(shè)計技術(shù)的發(fā)展正朝著使這些特性在商業(yè)上可行的方向發(fā)展；另一方面，高性能的梯度系統(tǒng)產(chǎn)生高速變化的磁場使人產(chǎn)生周圍神經(jīng)刺激，這種效應將限制梯度系統(tǒng)性能的進一步提高。第八十五頁，共149頁?！?2.7

RF系統(tǒng)I.RF系統(tǒng)組成:RF發(fā)射系統(tǒng)RFCoilRF接收系統(tǒng)第八十六頁，共149頁。主機根據(jù)所選脈沖序列產(chǎn)生數(shù)字脈沖波形；經(jīng)過D/A變成模擬信號；經(jīng)過調(diào)制放大，驅(qū)動發(fā)射線圈，激發(fā)成像區(qū)內(nèi)原子核產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生信號；微弱的RF信號經(jīng)過放大、解調(diào)、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、預處理經(jīng)過FT等圖象處理，重建出圖象第八十七頁，共149頁。1.RF發(fā)射器（Transmitter）發(fā)射器產(chǎn)生RF脈沖:適當?shù)念l率~fBW~幅度

~A相位

~

2.RF接收器（Receiver）RF接收器是提取（retrieve）或解調(diào)信號（demodulate

），即消除高頻成分；第八十八頁，共149頁。II.RF線圈基本理論—共振電路1.理論

L,C串聯(lián)（series）L,C并聯(lián)（parallel）梯形網(wǎng)絡(luò)(Trapeziformnetwork)L-seriesandC-shunt(分路)—lowpassC-seriesandL-shunt—highpass第八十九頁，共149頁。串聯(lián)諧振共振時，總電抗=0，僅電阻對損耗有貢獻，電流由有效電阻Rs決定；如果器件理想(R=0)，電抗互相抵消，V總=0，VL=VC；Q=V電抗/V總

~電壓諧振；VL、

VC非常高，可能會損壞元器件，設(shè)計諧振電路時要么防止出現(xiàn)這么高的電壓，要么選用高耐壓器件；可用于線圈接收電路，將微弱的MR信號進行放大；第九十頁，共149頁。如果元器件理想，諧振時，總阻抗無窮大，電流阻塞；如用恒流源驅(qū)動，將會在有效電阻Rp產(chǎn)生最高的壓降；諧振時，I0非常小，但各個分支的電流幅度很高(總電流乘以Q)，極性相反；Q=I電抗/I總~電流諧振；元器件必須能承受高電流；在線圈發(fā)射電路中，為了獲得盡可能大的電流，常采用并聯(lián)諧振。并聯(lián)諧振第九十一頁，共149頁。Parallelf0=1/2(LC)1/2Q=L/R第九十二頁，共149頁。Matchto50第九十三頁，共149頁。梯形網(wǎng)絡(luò)~高通等效電路第九十四頁，共149頁。梯形網(wǎng)絡(luò)有傳輸線特性IL、IC隨傳輸線長度變化；U、I有90o相位差，所以沒有功率損失；第九十五頁，共149頁。2.RF線圈特性品質(zhì)因數(shù)Q負載效應去耦（Decoupling）

第九十六頁，共149頁。(1)QQ=0/~3dB空載時，頭線圈、體線圈的Q約200。更窄的、更高的Q

有好的選擇性

，噪聲和偽信號（bogus

signal）更低；第九十七頁，共149頁。(2)負載效應～LoadeffectQ和負載負載種類不一樣，Q有差別；同類型負載，大負載對Q影響大；加載后Q會下降，響應展寬；選擇性和接收的信號會下降。第九十八頁，共149頁。第九十九頁，共149頁。頻移和負載大負載、低Q值，線圈仍工作在可接收的頻率范圍；小負載使線圈的RF頻率漂移并不多，帶寬也不加寬，因而小負載時，線圈將不再工作在可接受的頻率，這會使圖象質(zhì)量變差；RF線圈通常在空載時調(diào)諧，最好地兼顧所有負載類型；第一百頁，共149頁。線圈對病人在RF線圈中的位置非常敏感

C人體與C線圈并聯(lián)，頻率向下移動。正交線圈（圓極化線圈），C人體將影響線圈一個方向的工作模式（垂直或水平），使線圈不再工作在正交方式下（即不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)RF場）；如果線圈工作在線性方式下，預掃描功率需要加倍，而信噪比降低40%。在病人和線圈間加個小墊子可使這種影響最小（墊子相當于一個小電容，它與人體的大電容串聯(lián)相減，有效地抵消了人體對線圈的影響）。第一百零一頁，共149頁。(3)去耦~Decoupling消除發(fā)射線圈和接收線圈相互作用；否則

發(fā)射場:畸變接收線圈信號:破壞噪聲增加、SNR下降第一百零二頁，共149頁。去諧二極管~去耦

：通過感應電壓切換到導通狀態(tài)，使線圈偏共振去諧；去諧二極管第一百零三頁，共149頁。3.發(fā)射線圈B1(極性:線性、圓極化）發(fā)射線圈一般比較大用以優(yōu)化均勻性；如果有合適的T/R開關(guān)，發(fā)射線圈也可用于探測和接收MR信號；形狀第一百零四頁，共149頁。Linearly:onedirectionCircularly:manydirections第一百零五頁，共149頁。優(yōu)點:發(fā)射（T）:更低的功率P接收（R）:SNR增加，21/2缺點:技術(shù)要求高：兩個獨立的調(diào)諧電路（輕微耦合），需要反復的調(diào)諧、匹配。表面線圈在發(fā)射線圈工作期間必須“偏共振”

(off-resonance)，以防止RF通過表面線圈在病人的一個小區(qū)域聚焦;在接收期間共振~動態(tài)去耦。圓極化線圈~Circularpolarizedcoil第一百零六頁，共149頁。不同構(gòu)型RF線圈馬鞍形線圈梯形網(wǎng)絡(luò)螺線管線圈/2傳輸線第一百零七頁，共149頁。馬鞍形線圈用于B0是水平方向的情形；頻率不太高（25MHz以下）、直徑不太大。早期較多使用，目前已經(jīng)淘汰。第一百零八頁，共149頁。螺線管線圈用于B0在豎直方向的主磁體；限于軛形磁體，頻率較低（L大、C大），低磁場不能正交發(fā)射接收B1第一百零九頁，共149頁。HighpassLowpass可正交激發(fā)、正交接收；4的倍數(shù)（越多，越均勻；但匹配電容多、匹配一致困難）0和180腿無電流；第一百一十頁，共149頁。/2傳輸線如果f0>25MHz,可使用/2傳輸線；

雙路/2傳輸線可產(chǎn)生較好的B1；雙路傳輸線必須安裝在磁體里，因此比/2短，通過在兩端增加可調(diào)電容C，電路可對稱地縮短。第一百一十一頁，共149頁。ResonanceCavity:<63MHz適用于2T以下，3T產(chǎn)品沒用通用體線圈/2第一百一十二頁，共149頁。4.RF線圈種類功能：發(fā)射線圈~Transmitcoil接收線圈~Receivecoil部位:頭線圈體線圈……相控陣線圈~Phasedarraycoils表面線圈~只用于接收第一百一十三頁，共149頁。第一百一十四頁，共149頁。III.RF常用器件1.同軸電纜(Coaxial-cable)傳輸發(fā)射功率；接收MR信號；

屏蔽功能50特性阻抗第一百一十五頁，共149頁。2.傳輸線線長l</4l=/4/4<l</2l=/2short短路Inductance感性Highimpedanceinparallel高阻并聯(lián)諧振Capacitor容性Lowinpedanceinseries低阻串聯(lián)諧振open開路capacitor容性Lowinpedanceinseries低阻串聯(lián)諧振Inductance感性Highimpedanceinparallel高阻并聯(lián)諧振（1）充當電子器件輸入端短路時：Zin=jZctan(2l/)輸入端開路時：Zin=-jZccot(2l/)0第一百一十六頁，共149頁。（2）充當阻抗變換器條件輸入阻抗/4奇數(shù)倍Z20/ZL/4偶數(shù)倍ZLZL(負載阻抗)=Z0（線路特征阻抗）Z0幾乎所有的RF電纜以及RF器件的特性阻抗都是50Ω前放阻抗例外(一般2~3)——降低噪聲，提高SNR；連接到前放的導線有特殊標記，不能隨意截短或被其它長度的電纜替換。第一百一十七頁，共149頁。RF發(fā)射/接收開關(guān)~

T/RswitchT/Rswitch:位于RF共振器和前放之間T:發(fā)射和接收開關(guān)使發(fā)射器到天線之間的通路接通，同時還要保護敏感的前放不受高脈沖功率影響；R:微弱的MR信號必須以盡可能小的衰減到達前放，RF功放的噪聲必須排除在天線電路之外；第一百一十八頁，共149頁。transmitreceiveT/RSwitchRF發(fā)射D1、D2導通，RF功率幾乎無損失地到達天線D3、D4對地短路/4線將短路轉(zhuǎn)換為天線輸入端高阻，保護前放D1,D2不導通，防止發(fā)射器噪聲進入前放D3、D4高阻抗MR信號經(jīng)/4線無阻尼到達前放Signal第一百一十九頁，共149頁。RF開關(guān)的二極管D1應耐高壓耐強電流工作頻率足夠高開關(guān)時間足夠快用PIN二極管作D1，也可用于D2；通過二極管偏壓控制開關(guān)門。第一百二十頁，共149頁。Siemens:T/R

switch發(fā)射期間:PIN二極管正偏壓接收期間:所有PIN二極管反向偏壓第一百二十一頁，共149頁。4.定向耦合器(Directinalcoupler)測量Vf

和Vr:評價匹配（match）;從RF傳輸線中分離出一小部分（約-50db）前向波和反射波:測量之前，用它來使由負載和天線組成的共振電路與RF發(fā)射器匹配測量中，監(jiān)視施加的RF（前向波），保護發(fā)射器（匹配）第一百二十二頁，共149頁。5.壓控衰減器

（Voltagecontrolattenuator）根據(jù)控制端口提供的控制電壓，改變輸入端和輸出端之間的衰減系數(shù)。在發(fā)射通道中，通過調(diào)節(jié)給RF功率放大器的驅(qū)動電壓，獲得期望幅度的RF輸出；在接收通路中，用于調(diào)節(jié)接收信號的幅度，使之滿足DAC所需要的幅度。VoltagecontrolattenuatorRFin-putRFout-putControlvoltage第一百二十三頁，共149頁。6.低通濾波器(Lowpassfilter)接收:頻率編碼方向，可用模擬或數(shù)字（過采樣）濾波器相位編碼方向，由于采用偽采樣技術(shù)（pseudosampling），一般不用濾波器低通濾波器可抑制高頻噪聲，抑制FOV外的信號，防止折疊偽影；發(fā)射:是為了避免產(chǎn)生邊帶，否則發(fā)射的RF脈沖會包含不期望的邊帶，形成ghost偽影。

第一百二十四頁，共149頁。7.正交混合器

（Quadraturehybrid）Mixture:Splitter(功率分配器)Combiner(功率復合器)

Phaseshifter(移相器)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的RF場第一百二十五頁，共149頁。12SQuadraturehybridABCDSplittercombiner分配器中，ｓ端口信號被分成1和2端口的兩個同、同A的信號，各自的信號幅度衰減3db；如果信號的流向相反，端口1和2的信號結(jié)合后到ｓ端口，就成為功率復合器。在相控陣線圈中就要使用復合器。移相器用于從0°~180°手動改變輸入與輸出之間的相位。第一百二十六頁，共149頁。IV發(fā)射系統(tǒng)

第一百二十七頁，共149頁。RF傳輸器產(chǎn)生數(shù)字化的RF信號S(t);S(t)與頻移為off

、相位為的一路信號經(jīng)快速數(shù)字化乘法器作用產(chǎn)生如下的輸出：S(t)cos(-offt)幅度調(diào)制波形經(jīng)D/A得到模擬波形RF傳輸器沒有直接發(fā)出ss，原因是避免迷路信號(straysignals)到達接收器使病人被旁路(bypassing)。off與一固定fix混頻（模擬混頻器）2cosAcosB=cos(A+B)+cos(A-B)ss=fix-off(fix+off)邊帶被濾掉(filteredout)；

幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制

S(t)cos(-sst)只有0.1mW，難以激勵人體內(nèi)自旋；需用RF功率放大器(“AB”)線性放大。第一百二十八頁，共149頁。V.Receivesystem1.MR信號被接收線圈接收，并被前置放大器(preamplifier)放大產(chǎn)生足夠強的電壓前放有最佳噪聲特性（需匹配網(wǎng)絡(luò)）、不考慮最佳功率傳輸、不追求最大放大倍數(shù)（10幾倍）砷化鎵場效應管前放第一百二十九頁，共149頁。2.MR信號被解調(diào)器(demodulator)解調(diào)；3.然后低通濾波(low-pass)

;4.最后A/D轉(zhuǎn)換器將MR信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字化信號并將其傳輸至圖像處理器。第一百三十頁，共149頁。LowpassfilterSr-coil:cos(fe±)fe-ref=125kHzMixedsignal:

cos(fe±)cos(ref)=1/2cos(fe+ref±)+1/2cos(fe-ref±)1/2cos(if±)500kHz，4倍過采樣cos(if±)sin(if)=1/2sin(2if±)+1/2sin(±)cos(if±)cos(if)=1/2cos(2if±)-1/2cos(±)解調(diào)Demodulate輸入信號與參考頻率混頻產(chǎn)生125kHz(±62.5kHz)中頻(IF)；一般A/D轉(zhuǎn)換器運行在0.5-1MHz，在其放大至與A/D輸入電壓范圍匹配后將IF數(shù)字化；第一百三十一頁，共149頁。相敏探測（phase-sensitivedetection）

IF與125kHz頻率的sine和cosine相乘；如果在500kHz下數(shù)字化125kHz波形，可有效采集參考頻率（4samples/cycle）Cosinechannel:1,0,-1,0Sinechannel:0,1,0,-10o,90o,180o,270o第一百三十二頁，共149頁。因此只需要一個A/D轉(zhuǎn)換器~每個數(shù)據(jù)乘0等效于改變A/D的I、Q通道；I、Q通道數(shù)據(jù)送至后面的濾波器處理；

sine和cosine的分量以復數(shù)對形式儲存在系統(tǒng)存儲器中；之后進行FT,復數(shù)數(shù)據(jù)~實部、虛部分量第一百三十三頁，共149頁。VI.RF屏蔽RF線圈屏蔽:梯度和常