医学影像设备学_【技士/师证考试宝典】第四篇 医学影像设备学MR 25

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射频发射与接受系统

一、射频系统

  主要由射频脉冲发射单元和射频脉冲接收单元两部分组成，射频发射与接受系统的作用是发射射频脉冲，使磁化的质子吸收能量产生共振，并接收质子在弛豫过程中释放的能量，而产生MR信号。

1.射频脉冲的产生单元

  (1)射频发射器：射频脉冲是由振荡器、频率合成器、放大器、波形调制器、阻抗匹配电路及RF发射线圈等组成的电路产生的。

1)射频振荡器   

  是一种能产生稳定频率的振荡器，为发生器提供稳定的射频电源，为脉冲程序器提供时钟。

2)频率合成器

  在MRI设备中，需要用到多种频率的RF信号。在发射部分需要一路中频信号和一路同中频进行混频的信号；同时整个射频部分的控制还要一个共用的时钟信号。

3)RF波形调制器

  调制器的作用是产生需要的波形，它受脉冲生成器控制。当滤波放大器送来一个脉冲时，控制门就接通，产生所需波形，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需经过多级放大，将其幅值提高。

4)脉冲功率放大器

  波形调制器输出的RF脉冲信号幅度是0.5V左右，功率也只有1mW左右，必须经过功率放大，才能馈送到发射线圈以产生射频场。

5)阻抗匹配网络

  阻抗匹配网络起缓冲器和开关的作用，特别是两用线圈，必须通过阻抗匹配网络的转换。射频发射时，通路阻抗非常小，线圈发射脉冲磁场；射频接收时，它建立的信号通路阻抗非常大，产生信号电压。

2.射频线圈的种类

(1)按功能：分为发射/接收两用线圈及接收线圈，具有体线圈模式、头线圈模式。

(2)按适用范围：分为全容积线圈、部分容积线圈、表面线圈、体腔内线圈、相控阵线圈。其中相控阵线圈是由两个以上的小线圈或线圈单元组成的线圈阵列。这些线圈可彼此连接，组成一个大的成像区间，使有效空间增大;各线圈单元也可相互分离，每个线圈单元也可作为独立线圈应用。

(3)按极化方式：分为线(性)极化和圆(形)极化线圈。其中圆形极化线圈也可称为正交线圈，它的两个绕组工作时接收同一磁共振信号，但得到的噪声却是互不相干，如果对输出信号进行适当的组合，就可使线圈的信噪比提高，故正交线圈的应用非常广泛。例如磁体内置的发射/接收体线圈就是正交线圈，此外还有正咬头线圈等。

(4)按主磁场方向：可分为用于横向静磁场的磁体中螺线管线圈，以及用于纵向静磁场的磁体中的鞍形线圈。它们是体线圈的主要形式。

(5)按绕组形式：分为亥姆霍兹线圈、螺线管线圈、四线结构线圈(鞍形线圈、交叉椭圆线圈等)、STR(管状谐振器)线圈和鸟笼式线圈。其中鸟笼式线圈应用广泛。

3.射频线圈的主要指标  (1)线圈的灵敏度：指接收线圈对输入信号的响应程度，灵敏度越高可检测越微弱的信号，但同时噪声水平也会增加。  (2)射频场均匀性：指发射射频场或接收磁共振信号的均匀性，它与线圈的几何形状有关，表面线圈的均匀性最差。  (3)品质因子：指线圈谐振电路的特性阻抗与回路电阻的比值，它与线圈的通频带宽有关。元件的Q值愈大，用该元件组成的电路或网络的选择性愈佳。  (4)填充因素：为样品体积与线圈容积之比，它与线圈的SNR成正比。  (5)线圈的有效范围：指激励磁场可以到达的空间范围，它取决于线圈的几何形状，有效范围越大，成像FOV越大，其信噪比越低。

二、射频信号的接收单元

  1.射频脉冲的接收单元

  (1)射频脉冲接收单元：由射频接收线圈、A/D转换器、信号接收(前置放大、混频器、中频放大器)、信号处理(相敏检波器、低通滤波器)、射频接收控制器等部分组成。

  当射频脉冲关断后，射频接收线圈中就会感应出一个FID信号，这个信号由耦合电路进入前置放大器、混频器、中频放大器，检波器得到磁共振信号。

  一般RF发射与接收系统都采用超外差式接收系统，其主要增益来自中频放大器。中频放大器的优点：一个是稳定性较好且工作频率较低。另一优点是中频放大器工作频率与发射系统不是同一个频段，这明显避免了发射直接干扰。

1)前置放大器

  是射频接收单元的重要组成部分。由于从接收线圈感应出的磁共振发射信号只有uV的数量级，提取如此微弱的信号是射频接收器的关键，故需要一个很高的放大倍数，又要有很小的噪声，并在很大范围内有好的线性放大器。

2)混频器

  混频器的作用是将接收到的不同信号频率转变为固定的中频信号。为了提高放大器的灵敏度与稳定性，混频器多采用外差接收(接受信号和混频器产生信号的频率之差保持一常量，从而得到中频信号)的方法，使信号经过混频器后产生一个较低的中频信号。混频器输出的信号往往十分微弱(一般为几微伏至几百微伏)，而检波器需要有足够大的输入信号才能正常工作。因此输出信号经中频放大器进一步放大后，一般幅值超过0.5V再进入相敏检波器。

选择超外差式接收MR信号的原因？

  ①若接收线圈把接收到的高频信号直接放大还原，那么接收系统必须由几十套回路组成，这样接收系统的体积将呈几倍甚至十几倍的增加，且电路设计制造和调整都困难。

  ②信号的频率越高，放大器越不稳定，只有适当降低增益；对不同的高频信号难以实现多级放大，因为每级放大器都需要调谐，不方便且选择性不高。

  ③采用超外差式接收系统能够大大提高接收系统的增益、灵敏度和选择性。因为将不同频率的MR信号转变为中频信号，然后接入中频放大器，对不同频率MR信号都能够进行均匀地放大。中频放大器放大的倍数可以根据要求增加或减少，其在稳定条件下容易获得高增益和窄带频响特性。

3)相敏检波器

  相敏检波电路对于频率和相位均不同的信号具有很高的选择性。由于MR信号中的频率和相位代表了体素的空间位置，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两者加以区分。

4)接收控制器

  是一个电子开关，其作用是在射频发射时关闭接收系统，起发射与接收系统之间的隔离作用，防止在发送射频脉冲期间，电流泄漏到射频接收系统。发射系统和接受系统不能同时工作。

5)低通滤波器

  检波输出的低频信号均为零点几伏，频带范围在零到几万赫兹，而MR信号在A/D转换时需要约10V的电平。所以，相敏检波器之后是一个低通放大器，它是对有用的磁共振信号进行放大，并对高频成分的信号进行衰减。

6)信号采样与量化

  数据采集是指对相敏检波后的两路信号分别进行A/D转换，使之成为离散数字信号的过程。最后，计算机对采集的MR信号进行处理后就可以成为重建图像的原始数据。