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核磁共振射频系统架构及射频模块功能介绍

微波射频网

2022-06-25

导读：射频系统是核磁共振设备中最基本也是最重要的部分，主要功能是实施射频激励与接收核磁共振信号。核磁共振设备的射频系统由电子控制柜射频发射系统、射频线圈，信号接收系统等组成。

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随着医疗技术的飞速发展，核磁共振成像技术越来越成熟。射频系统是核磁共振设备中最基本也是最重要的部分，主要功能是实施射频激励与接收核磁共振信号。核磁共振设备的射频系统由电子控制柜射频发射系统、射频线圈，信号接收系统等组成。

RF Emission System

(一)射频发射系统

射频发射系统单元的功能就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，在射频发射电路中是通过连续调整B1的幅度来改变RF脉冲翻转角度。发射单元主要由射频发射控制器、射频脉冲序列发生器、射频脉冲生成器、射频振荡器（射频脉冲源）、射频合成器、滤波放大器、波形调制器、射频功率放大器、发射终端匹配电路及射频发射线圈等功能组件构成。

在射频控制器的统一指挥下，振荡器产生的电磁波首先被送入频率合成器，RF波的频率在此得以校正，使之完全符合序列的需要；然后，标准频率的RF波进入发射调制器，调制器的作用是产生需要的波形；RF脉冲要经过多级放大，使其幅度逐步得以提高。射频脉冲发射单元的最后一级为功率放大器，它输出一定发射功率的RF脉冲信号，这一RF信号要通过一个阻抗匹配网络进入射频线圈，

阻抗匹配网络的作用是缓冲器和开关。由于有些线圈（如体线圈和头线圈）既是发射线圈又是接收线圈，必须通过阻抗匹配网络进行转换，射频发射时，它建立的信号通路阻抗非常小，使线圈成为发射线圈；射频接收阶段，他建立的信号通路阻抗非常大，使线圈成为接收线圈。

Nuclear magnetic application system 0RFAS

核磁应用系统0RFAS

射频发射应用系统0RFAS是一组完成将射频“前端”与各种射频发射和接收线圈接口任务的组件。射频应用系统的典型功能是：传输路径开关(Tas)——一种继电器驱动的机械开关，需要将射频传输脉冲引导到所需的传输线圈。磁传感器支持体发射/接收线圈以及仅接收的本地线圈。•90混合(BCCS)-提供功率和射频传输脉冲的相位分裂所需的圆偏振传输线圈-CP体线圈。

发射-接收（T/R）开关(BCCS)-当使用车身线圈进行发射和接收时，将发射部分与（非常敏感的）接收部分解耦。（在磁管上，所有局部线圈为仅接收线圈）。•交换矩阵(RCCS_60)-是矩阵配置中的行-列线群，在特定的行-列的交集，称为节点，可以切换到连接到列线的相应输入连接到连接到行线的任何输出。在Tim中使用的局部线圈技术需要一个开关矩阵

Prime Amplifier

预放大器

由接收线圈捕获的接收到的Mr回波信号必须被适当和充分地放大，以达到最佳的信噪比(SNR)性能。所有的本地线圈都内置信噪比优化的预放大器，以放大噪声地板上方的信号，并达到承受连接线圈到RFAS组件的电缆衰减所需的水平，这可能相当长（几米）。位于RCCS_60中的其他二级预放大器，可能会在必要时增加额外的放大器。RCCS_60与位于控制柜内的接收器电路之间的距离为8到20米

这些功能电路包含在这些设备中：

tas传输天线选择器将射频发射脉冲定向到机身发射线圈或调幅装置。

•BCCS_63-车身线圈通道选择器。

选择器有几个功能。它们包括：为圆偏振体线圈准备射频发射脉冲；通过基于PIN二极管l/4的收发开关提供在发射和接收路径之间的解耦（隔离）；在用于接收Mr信号时放大来自体线圈的接收信号，并在两个90信号相移的时候重新组合。•RCCS_60-接收线圈通道选择器的主要任务是放大本地线圈上接收到的Mr信号，并将其路由到RFSU接收模块中各自的ADC通道。

Transmitter

发射机

发射机发射机将向两个接收机提供系统时钟信号、回路测试路线和本地振荡器信号。发射机将执行以下任务：产生和分配由一个高度稳定的晶体振荡器产生的10MHz系统时钟。•接收机LO（局部振荡器）频率的产生和分布。•为MR实验和测试回路产生射频激励脉冲。•从故事中获得的控制电压(CV)的数字化。

Function

发射机用一个高度稳定的烤箱控制的晶体振荡器(OCXO)产生系统的10MHz时钟，并将其分配到接收器，MARS，GPA。通过一个频率多路复用器，一个由10MHz衍生的320MHz时钟被产生并分配到不同的构建块。有两个内部数控振荡器(NCOs)，一个用于LO输出，另一个用于SSB，TTX，测试回路输出。合成的射频信号的振幅通过由6dB和12dB衰减器矩阵来适应所需的输出水平，该衰减器分别提供0、6、12和18dB的整体衰减为6dB。此外，来自故事的控制电压通过14位ADC进行数字化，并通过光纤传输回PCI_STAR(在MARS中)。

TALES发射天线

发射天线电平传感器(tales)是一种精密射频电压表，用于测量正向和反射射频电平到发射线圈(阀体线圈或TX本地线圈)，用于SAR计算。

RF power amplifier (DORARF)

射频功率放大器(DORARF)

DORFPA用于将射频发射脉冲提高到特定扫描所需的功率水平。

DORARF功率放大器是一种固态放大器，在50Ω上的最大输出功率为15kW。固态设计在很多方面都优于笨重和复杂的管版本：它允许一个非常紧凑的单元，没有移动部件或外部电源，也不需要调整或维护。然而，它的紧凑性和高功率能力，需要主动冷却其电源组件。作为一种冷却介质，冷却水由冷却系统供应。

Monitoring

监视

RFPA有几个内部电路，可以监控一些重要的功能：电源的过电压和过电流、峰值输出功率水平或反射功率过高（射频功率）、无空占空比和功率级温度。如果发生内部故障或超过了放大器的运行极限，放大器将通过CAN总线提供状态报告。

Adio-frequency modulator

射频调制器

调制器从本地振荡器载波产生相同频率的激励脉冲，从PCI_STAR的数字调制器产生数字SSB振幅。通过定向耦合器接收到的射频信号被整流和滤波，产生成比例的直流电压。MUX0在传输过程中，MARS通过MUX与选择信号MH_SEL选择四个值。信号CV被输出到调制器（或未来的发射器）板，在那里它被数字化，并由MARS中的PCI_STAR读入，以计算SAR值。

Inputs

在MARS中的PCI_STAR电路板上产生的数字调制的单侧带脉冲SSB_DIG1_TX通过位于电路板背面的双向高速(每个方向640MBit/s)光纤连接传递到调制器。由合成器产生的一个10MHz时钟CLK10，同步数据传输和数字化。本地振荡器信号LOTRA由合成器板D10产生，并通过在该板的前侧的QLA同轴电缆传送到调制器。CV和偏移信号是一个多路信号，来自代表施加到体线圈的测量正向和反射射频发射电压。偏移量是消除RFAS-GND和RFSU-GND之间偏移量的负输入。

来自故事的信号以250KHz的采样率进行14位的模数转换，并通过SSB_DIG1_TX光纤线发送到火星。这些值由射频安全监视机构(RFSWD)软件用来计算SAR。

Function

反序列化器将串行数据流转换为并行数据块，然后将并行数据块发送到DAC进行转换。DAC输出是一个约为1MHz的SSB中频（中频）信号。这是混合到63.6±250kHz的系统频率与来自合成器板D10的局部振荡器信号。该信号被滤波的频谱没有杂散和互调谐波。合成的射频信号的振幅通过由6dB和12dB衰减器组成的两级衰减器矩阵来适应所需的输出水平，其总衰减分别为0、6、12和18dB

Outputs

最终的SSB1信号通过一个开关阵列应用到七个输出中的一个。开关选择和衰减器选择以及合成器的频率选择的数据也通过高速光纤线路发送到调制器。

二、射频线圈

Radio-Frequency Coil

射频线圈

射频线圈既是原子核发生磁共振的激励源，又是磁共振信号的探测器。射频线圈中用于建立射频场的线圈称为发射线圈，用于检测MR信号的线圈称为接收线圈。

MR信号的接收和射频激励不能采用电耦合的线状天线，而必须采用磁耦合的环状天线，即射频线圈。

射频线圈的种类很多，按功能分类，可分为发射/接收两用线圈及接收线圈；按线圈作用范围分类，可将其分为全容积线圈、部分容积线圈、表面线圈、体腔内线圈、相控阵线圈等，其中相控阵线圈是由两个以上的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，每个线圈单元可独立应用；按极化方式分类，可分为线（性）极化和圆（形）极化两种线圈，其中圆形极化线圈也可称为正交线圈，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组合，就可使线圈的信噪比提高，磁体内置的发射/接收体线圈就是正交线圈；按主磁场方向分类，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；按绕组形式分类，可分为亥姆霍兹线圈，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）线圈和鸟笼式线圈等多种形式。

Body coil

体线圈(BC)

体线圈(BC)产生激发质子核的B1场。•仅传输模式-其中体线圈传输激励脉冲，一个或多个局部线圈接收Mr回波。•发射/接收模式-车身线圈另外用于接收Mr回波信号。体线圈的主要用途是发射激励脉冲和用于切片定位的侦察兵或拓扑图像的定位成像。磁磁体线圈是一种基于高通鸟笼设计的圆极化(CP)线圈。鸟笼设计的一个主要优点是，射频场振幅在成像体积之外下降非常快，从而大大减少了场模糊伪影（例如第三臂伪影），并在线圈上更均匀地分布射频场的长度。

Function

当输入的射频信号处于线圈的谐振频率时，通过线圈谐振器元件的电流根据信号相位通过端环穿过线圈元件。对于CP线圈，谐振器系统之间的解耦是一个重要的问题。两个谐振器系统之间的强耦合导致了较高的发射机参考值，从而降低了射频传输路径的性能。在调优/BC优化下的服务软件平台下，有一个检查并在必要时优化解耦的过程。阀体线圈是一种将电流/电压信号从射频功率放大器传输到电磁场的谐振装置。它的磁性分量被指定为B1场。

当使用局部线圈时，失谐电路使体线圈脱离共振，以防止与局部线圈耦合，从而吸收任何Mr回波信号。对于仅接收的本地线圈，失谐是动态实现的（快速切换时间）。PIN二极管是用于完成失谐的设备。动态失谐和静态失谐采用的控制电压为-30v。失谐电路被集成到车身线圈中。射频屏蔽（法拉第屏蔽）被覆盖在梯度线圈的内部，并通过磁铁外壳将其连接到地面。射频屏蔽减少了梯度线圈的b1场损耗，并防止可能的干扰。

Body Coil

车身线圈

体线圈0磁感应系统的体线圈是“D”形的，被设计为一个无调谐线圈。因此，线圈不再需要一个主动阻抗匹配装置(BTB)来进行患者负载相关的功率传输优化。相反，线圈已经针对重负载进行了优化。反射射频的百分比由光和中负荷病人可以非常高90%，但功率水平用于这些负载类型比例较低，这样绝对反射能量在这些水平不够大造成问题RFPA和传输路径组件。尽管没有可变阻抗匹配装置，但仍然需要对BCCS中的90个混合器进行校准。校准结果用于服务软件中的BC测试和调整中的BC调优过程。

如线圈控制部分所述，阀体线圈的失谐由位于谐振器元件之间的PIN二极管提供。对于动态失谐，采用+12V（正向电流3.6A）调谐和-30V（短路电流）进行调谐。当使用垫片阵列时，车身线圈通过应用相同的-30v，这确保PIN二极管不会被（偏置）在主体线圈的发射信号产生的电压传导。对这些组件的控制将由CAN控制器执行。在其最简单的形式中，CAN控制器基本上是另一种专门的IC类型，它由一个通信单元和简单的1/零输出组成

Matrix Coils

矩阵线圈

矩阵线圈0新的线圈是局部线圈技术的一个重大创新，称为Tim-Total成像矩阵。矩阵线圈有多个接收线圈元件分组在集群中，可以组合来创建三种不同的模式。模式1-第一个模式相当于一个CP模式，并被优化以获得在感兴趣区域的中心的最大信噪比。模态2和3称为双模和三模，分别在两个或三个区域的方向方向上映射线圈元件的覆盖视场。从这些模式中得到的信号可用于改善外围的信噪比(SNR)和/或使更高的PAT因子可能在所有模式中包含的总信号信息完全等同于来自原始独立线圈元件的信息。矩阵模式的概念允许非常有效地利用接收信道资源，并在并行成像加速度以及最高的信噪比(SNR)和噪声对比度(CNR)方面具有最大的灵活性，特别是在外围。矩阵线圈谐振器元件采用圆偏振技术优化均匀性和内置前置放大器，无与伦比的信噪性能，并工厂调谐，因此它们不需要患者依赖的阻抗匹配。线圈外壳使用特殊配方的塑料，以确保最佳的射频场均匀性

Coil Control

线圈控制

动态失谐电路-当单独使用时，需要使用发射和接收线圈。在磁原子系统中，体线圈用于施加高功率激励脉冲（发射脉冲）。接收优化的矩阵或局部线圈用于捕获Mr回波信号。在这种情况下，各个线圈将需要在传输和接收阶段进行动态调谐和失谐。-BC传输=LC失谐(=BC调谐)-LC接收=LC调谐(=BC失调谐)

这种在调谐状态和失谐状态之间的快速作用切换是通过使用PIN二极管来实现的。二极管被战略性地放置在线圈中，以便通过打开或关闭二极管，线圈可以被调谐或失谐。用来关闭和打开二极管的正向和反向偏置电压由位于RFIS_60单元中的PIN二极管控制电路提供。在RFIS_60中，患者表上有16个插座A和插座B的PIN控制，而等中心矩阵有3个PIN控制

RF Safety WatchDog

射频安全监视器

RFSWD的任务，也被称为功率吸收限制器(PALI)系统，是监测所应用的射频激励脉冲，以防止超过安全的射频暴露水平。

所有组件都是全数字的，并作为PC板放置在机架上，并连接到96极连接器上的公共背板。所有射频信号输入和输出均可作为每个板前板上的同轴连接器。RFSU可以最好地概括为一个低到高和高到低的变频器。射频脉冲调制和Mr信号解调分别由MASs在PCI_STAR和板上的PCI_RX板上进行。数模调制器从PCI_STAR转换数字调制的射频脉冲，然后将结果混合到所需的系统频率。相反，接收机将Mr信号混合到一个中频（中频），a/D将其转换为PCI_RX，然后进行数字滤波和解调。

Inputs

+6.5和15V的工作电压。控制输入，用于确定频率和相位和选择DDS1或2的输出。控制信号源自调制器，并通过背板连接被发送到合成器。

Function

该合成器从一个烤箱稳定的参考振荡器产生高度稳定的局部频率。局部振荡器信号由两个dds（直接数字合成器）产生。两个dds都有一个共同的640MHz时钟，这也是由10MHz参考振荡器通过一个频率乘法器创建的。

Outputs

任何一个dds的输出信号都可以通过四个快速作用开关耦合到六个LO输出连接器上。这些开关的控制信号也来自于调制器。当施加电源时，所有输出都始终处于激活状态。

三、信号接收系统

RF receiving unit

射频接收单元

射频接收单元的功能是接收人体产生的磁共振信号，并经放大、混频、滤波、检波、A/D转换等一系列处理后送至数据采集单元。它由接收线圈、前置放大器、混频器、相敏检波器、低通滤波器及A/D转换器等组成。

接收线圈中感应出的MR信号只有微伏（μV）数量级，首先将该信号送入前置放大器放大，再使信号混频后产生一个中频信号，该信号经中频放大器进一步放大后送往相敏检波器，相敏检波器将从该中频信号中检测出低频MRI信号，由低频放大器将检波后的MR信号再进行做大，检波输出的信号中除了所需的MR信号外，还有一些高频的干扰和噪声，必须加低通滤波器滤除，信号经两个低通滤波器，滤除其中混杂的交流成分后送A/D转换器将磁共振信号由模拟信号转换成数字信号传输给数据处理系统。

Receiver

接收器

接收器从来自Mr回波信号创建数字中频信号，将由接收机板进行数字解调和滤波。相同的接收机板用作变频器和模数转换器。接收线圈接收到的Mr信号在标称系统频率为63的.6MHz。接收机板将此频率降低到大约1MHz的中频。然后以10MHz的采样率进行数字化，并通过双向高速光纤链路发送到MARS的PCI_RX 2板。并且与接收器1相比，接收器板2没有那么多的输入。

未来，RFSU将由发射板和接收板组成。发射机是调制器和合成器的组合。它将执行以下任务：产生和分配10mhz系统时钟从一个高度稳定的晶体振荡器。•接收机LO（局部振荡器）频率的产生和分布。•为MR实验和测试回路产生射频激励脉冲。•从故事中获得的控制电压(CV)的数字化。

Inputs

Function

接收机板用作变频器和模数转换器。接收线圈接收到的Mr信号在标称系统频率为63的.6MHz。接收机板将此频率降低到大约1MHz的中频。然后以10MHz的采样率进行数字化，并通过双向高速光纤链路发送到MARS的PCI_RX板上。

Outputs

数字化信号通过高速光纤线路发送到PCI_RX板进行解调和滤波。

Directional Coupler

定向耦合器

定向耦合器提供了一个用于调优的端口。调谐信号交替地应用于方向耦合器的正向侧和反射侧。在体线圈和放大器之间的正方向和反射方向上耦合的调谐信号量的比率受到体线圈的阻抗的影响

Fixed impedance matching

固定阻抗匹配

磁磁体线圈为d形，被设计为无调谐线圈，也就是说，患者依赖的阻抗匹配不再需要。阻抗匹配被设置为一个固定的值，优化了功率要求最大的重负荷。因此，在轻负荷的情况下，会发生非常高的反射。在BCCS中，大部分的反射将通过混合动力车定向到位于Tas中的虚拟负载。假设BCCS功能正常，在最坏的情况下，RFPA最多只能看到20%的反射。

磁力传感器(RFIS_60)的射频基础设施满足了控制和提供射频舱内所有相关射频组件和射频线圈的所有要求。它包含电子提供：动态和静态失谐PIN二极管控制信号矩阵和本地线圈和身体线圈的检测和识别连接矩阵和本地线圈动态控制BCCS整个RFIS_60组件（电源）基本上像一个单板解决方案；RFIS_60本身放置在载板上的磁铁旁边，而电源组装在射频舱外的射频穿透面板上

Channel Selector

通道选择器

选择器有几个功能，它们包括：为圆偏振体线圈准备射频发射脉冲；通过基于PIN二极管l/4的收发开关在发射和接收路径之间提供解耦（隔离）；用于接收Mr信号时放大体线圈发出的接收信号，并在两个90Mr信号从圆偏振体线圈上位移时重新组合。接收线圈通道选择器的主要任务是放大本地线圈上接收到的Mr信号，并将其路由到RFSU接收模块中各自的ADC通道。

Image Reconstruction system

图像重建系统

接收器板负责将接收到的Mr信号混合到大约1MHz的中频，以便通过a/D转换器进行量化（数字化）。这个1MHz的数字化中频频率然后被发送到位于MARS中的PCI_RX板，在那里它被数字过滤、解调和抽取，以创建所谓的“图像原始数据”。然后将原始数据转换到MARS中，以进行最终的图像重建。

作者：RFASK射频问问偶然