永磁磁共振系统讲座第三讲 磁共振谱仪邹润垒包尚联邹润垒先生，MRI系统工程师；包尚联先生，教授、博士生导师，北京大学医学物理和工程北京市重点实验室主任，北京大学肿瘤物理诊疗技术研究中心主任。

一前言从第一讲中我们得知，MRI是继CT以后，医学放射领域又一次具有革命性的科学成果，它为医生和基础研究人员提供了又一个能够测量人体解剖、生理和心理信息的有效工具。

MRI主要由磁体、谱仪、计算机三大部分组成。

而MRI谱仪技术则是这一系统的另一关键部件。

MRI谱仪包括数字射频发射部分和数字射频接收部分。

其特点是接收到的射频信号经放大后直接进行高分辨高速A/D数字化转换。

其它处理如正交混频(正、余弦)、检波、滤波等都在高速信号处理器控制下由硬件用数字处理完成。

数字化信号在谱仪中处理信号的多少是衡量谱仪的一个重要指标，因为数字信号容易控制，又能减少干扰。

由于MRI要求有较高的数字分辨率和实时采集速度，其所用的内存数据都在16比特以上。

为了保证速度，所有的专门运算都由硬件完成。

二发射链和接收链谱仪在MRI系统中的作用是控制射频(RF)发射器和接收器的发射和接收RF信号，执行脉冲序列，产生MRI信号并采集图像数据。

谱仪可分为发射链和接收链。

发射链的作用是提供足够强度的共振激发B1场，向人体发送具有特定RF脉冲波形、脉宽、功率和重复周期的脉冲，这个脉冲波通过RF线圈，把能量耦合到样品的自旋核中去。

发射链包括频率合成器、正交调制器、衰减器、RF功放推动机、发射机、RF开关，最终到RF发射线圈。

具体说频率合成器是一个高度稳定的频率可调的标准信号源，可提供激发某层面的中心频率为ω0的RF信号。

调制器可输出一定的带宽对应一定层厚的RF信号(ω0±Δω)。

RF信号中心频率ω0和带宽Δω满足要求后，逐级放大，最后经末级功放(发射机)放大到足够功率后，匹配耦合馈入RF发射线圈，产生B1场脉冲(90º或180º或任意θ角)。

接收链的作用是接收MR信号，并把它数字化后送入计算机处理。

接收链包括RF接收线圈、RF 低噪声前置放大器、RF放大器、衰减器、正交解调器(也叫正交相敏检波器)，低通滤波器、音频放大器和模数转换器等。

具体说，RF场B1激发之后，磁化强度M⊥在RF线圈中感应出MR信号调制的RF回波信号(其频率为拉莫频率ω0)，这信号并载有空间编码信息。

由于接收到的信号只有微伏量级，要把RF线圈的MR信号数字化，首先要对信号进行放大。

在信号接收链中，首先使用的低噪声前置放大器，它能使微弱的MR信号在放大过程免受噪声的污染，也保证了MR信号在到达主放大器之前在传输线中免受损耗地远距离传输。

经RF低噪声前置放大器放大十几倍后引出磁体室，然后再经一个RF放大器放大和一个衰减器调整动态范围后，经分功器分为两路，在相敏检波器(两路)中经正交解调(减掉w0即抑制掉载频ω0)后得到音频MR信号，之后经低频放大器放大以推动模数转换器数字化MR信号。

但是目前的趋势是在前置放大器之后马上实现数字化，其后的工作都是在数字化情况下实现，这样可以减少噪声，提高整个系统工作期间的抗干扰能力。

由于接收的信号只有微瓦量级，而发射信号在kW量级，之间差109，所以发射和接收通道之间的隔离十分重要。

在信号接收期间，要可靠地切断发射机，以免来自发射通道的噪声和干扰进入接收通道，降低信噪比。

在发射期间，接收器被封锁不工作，以免RF功率进入RF低噪声前放，损坏前放。

三谱仪系统实例图1是一个实际的MR系统的射频谱仪系统的信号传输通道示意图。

射频信号从射频发生器(Exciter)产生，输入到射频功率放大器(RF Power Amp)，然后经过导线，传输到发射线圈(Tx Coil)，这是谱仪的发射链；发射线圈发出的射频信号与人体内的氢质子产生共振，然后发出包含人体信息的射频信号，这个信号由接收线圈(Receiver Coil)接收，经过接收前置放大器(Pre-Amp)，然后到信号接收器(Receiver)，信号接收器得到的信号再经过处理，图像重建，于是得到扫描图像。

四谱仪各部分详述1. RF发生器RF功率是由RF信号源提供的RF振荡经逐级放大，再经功率放大得到的。

对RF信号源来说，它不需要外在激励信号，却能维持并提供稳定的输出信号。

这就决定了它必须是某种形式的自激振荡器。

振荡器的作用是把直流电源能量变换成交变波形的能量，它必须包含由L 、C 电抗元件组成的储能回路、控制能量补充的反馈控制网络、直流电源及换能器件三部分。

衡量RF 发生器好坏的指标主要是振荡频率稳定度，它是指在一定时间间隔内，频率相对变化的最大值，以δ表示δ＝时间间隔/f f -f 0max0 (1)f0是标称频率，f 是实际频率，| f －f 0|max 是某一期间内最大频率偏移。

频率稳定度又可分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度(瞬稳)三种指标。

长稳是指一天以上，乃至1个月、1年的最大相对偏差，主要用于频率标准和计时标准。

短稳是指一天以内或1小时、1分钟的最大相对偏差，或称“频率漂移”，一般用于评价测量仪器。

瞬稳是指秒内或毫秒内频移。

通常称“相位抖动”或“相位噪声”，是设计者使用的物理参数。

短期稳定度主要与温度、电源电压、电路参数不稳定有关。

长期稳定度主要取决于有源器件、电路元件和石英晶体等老化特征。

至于瞬间稳定度主要是由于频率源内部噪声引起的频率起伏。

好的频率发生器具有很好的频率稳定度，但是，频率稳定度对外界环境的影响也十分敏感，这也是MRI 对环境要求很苛刻的原因之一，针对引起频率变化的原因可采取措施提高振荡器频率稳定度。

比如，减少温度变化对振荡频率的影响，稳定电源电压，减小负载变化，尽量避免机械振动、湿度和大气压力对频率的影响，消除磁场感应对频率的影响等等。

图2所示为MRI 系统实际所用的一块电路板，它包括一块RF 发生器以及四块RF 信号接收器。

2. RF 功率放大器MRI 用的RF 功率放大器，频率f 0一般落在1兆赫(B=235Gs)到几百兆赫(10T)范围，通频带宽度从几千赫到几百千赫不等。

RF 发射机通常从RF 信号源(振荡器)开始逐级放大，末级输出几千瓦到十几千瓦。

各级放大器所用器件无外乎晶体管、场效应管、集成电路、末级也可用电子管。

1瓦以下有集成器件，几十瓦以下可用晶体管功放，末级用功率合成(或用电子管)。

按通频带分为窄带发射机和宽带发射机。

窄带发射机的输出级是谐振回路，宽带则不是。

宽带发射机很贵。

功率在百瓦之下，窄带发射机功率可以很高，现在大部分窄带发射机的前级、即小功率上可以做成宽带，更换频率时只改后面几级或末级。

在人体成像中使用大发射线圈时经常需要短90º脉冲和短180º脉冲，所需要的峰值功率典型的在几千瓦。

一般其输出阻抗设计为50Ω，这样线圈可得到最大功率。

RF 功放的线性非常重要。

比如sinc 函数形状的脉冲，其主叶对应高功率放大，其副叶对应低功率放大，如果放大器非线性，主叶副叶不按比例放大，那得到的激发频谱就偏离了所预期的结果。

其后果可想而知。

图3为一种MRI 系统中的RF 功率放大器。

3. RF 线圈和发射机的匹配在RF 脉冲发射时，必须保证RF 功率进入RF 线圈。

RF 线圈就是发射机的负载。

发射机输出级有一阻抗匹配网络，一般大功率系统都匹配到50Ω电缆。

要求RF 线圈谐振电路与50Ω电缆匹配，才能有效地把RF 功率耦合进LC 谐振回路。

从前面讨论可知，并联谐振时阻抗很大，接近无穷大，输入电流接近为0，因此并联谐振不能有效地吸收功率。

串联谐振的阻抗很小，r<<Zc ，电压也接近为0，也不能有效地接收功率。

可以想象，把串并联组合起来有可能把谐振电阻折合到50Ω。

在串、并联组合时，要用尽可能少的元件(工程上要求经济最佳)。

有两种流行的容性匹配机制，Z c (50Ω)可看作功率源的内阻，把线圈电阻r 匹配到源阻抗Z c 上。

如图4所示。

图4中a 表示在串联LC 1r 谐振回路两端并联一个匹配电容C 2；b 表示在并联LC 1r 谐振回路中串联一个匹配电容C 2。

把a 和b 等效为c ，源电压E ，源电阻Z c 不变，匹配过程就是转换由L 、C 1、 r 、C 2构成的网络在谐振频率LC 1=ω的输入阻抗R L =Zc 。

对于图4中a 所示网络，阻抗匹配条件和谐 振频率近似由下式给出Z c ≈)C r(12ϖω2=)C 1C 1(L 121+ (2) 对于b 所示网络，阻抗匹配条件和谐振频率近似为Z c ≌r(1+21C C )2 ω2≈)C L(C 121+ (3)调节C 2可以调匹配，C 2比C 1小几倍。

另外，当调匹配时，LC 回路可能会失谐，这时应当微调C 1以恢复谐振。

总之，C 1、C 2要反复调，最后谐振、匹配都满足。

当匹配耦合时，从发射机经A 点到RF 线圈是行波，RF 功率不断进入RF 线圈，补充回路损耗以维持B 1场。

这个调节匹配的过程叫做RF 线圈的调谐(Tuning)。

4. RF 线圈和接收器前放的连接接收线圈接收到的MR 信号是微伏量级的信号。

经不起外来干扰和长电缆的衰减。

经低噪声前置放大器放大后就可以用场电缆引出磁体室。

由后续电路进一步处理。

从RF 线圈到前放的连接，主要不是考虑最佳功率传输，而是最佳噪声特性。

理想的前置放大器是只放大信号和信号源噪声而本身不带进额外噪声。

一个前置放大器的最关键特征是它的噪声指数N F (Noise Figure)，它表示前置放大器加了多少额外的噪声到源阻抗产生的噪声上。

把信号和噪声一起送到放大器，信号和噪声一起放大，放大器本身还有噪声加进去，所以其输出端信噪比比输入端信噪比小一些。

噪声指数N F 定义为：N F =输出端信噪比输入端信噪比=noso ni si /P P /P P >1 (4) P si 和P so 、P ni 和P no 分别代表输入和输出的信号功率、噪声功率。

用分贝(dB)表示N f (dB)=10log noso ni si /P P /P P >0 (5) 它表示信号通过放大器后，信噪比变坏的程度。

如果放大器是理想的无噪声的线性网络，那么，其输入端的信号与噪声得到同样的放大，即输出端信噪比与输入端信噪比相同，N F =1或N F (dB)=0分贝。

理想无噪声放大器是不存在的，总是有N F >1、N F (dB)>0。

前放中只含有一支晶体管，不追求放大倍数(十几倍即可)，只追求低的N F 。

晶体管本身必须是低噪声的，同时晶体管的N F 是信号源阻抗的函数。

存在一个最佳源阻抗(R opt )，当信号源内阻等于最佳源阻抗(R opt )时，晶体管的噪声指数最小。