磁共振谱仪

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 0max

0 (1)

f

0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。