医学影像专业课程-核磁共振硬件系统结构详细介绍.ppt

核磁共振硬件系统结构详细介绍 医学影像专业课程 12 1Introduction 主磁体 Magnet梯度系统 GradientsystemRF系统 RFsystem计算机系统 Computersystem PDP11 VAX SUN SGI PC 多用户操作系统VMS 早期 UNIX 文件存档 MODDVDCDR 3T Linux GE WindowsXP SIEMENS Philips MR系统构造 MR系统部件和构造以及T R转换开关 12 2主磁体 主磁体是MR的主要部件主磁体特性 稳定性 Stability 均匀性 Homogeneity 非均匀性Inhomogeneity ppm variation T fieldstrength T 106 主磁体类型 永磁体 Permanentmagnet常导体 Resistivemagnet超导体 Superconductingmagnet I永磁体 Permanentmagnet 永磁体使用磁性材料产生磁场 高剩磁稀土合金 如SmCo5 Nd Fe B ALNICO 铁 钴合金 SmCo5ALNICO 钐钴铁钴合金 Nd Fe B 钕 硼 铁合金 0 2TALNICO23吨Nd Fe B4吨 HITACHAIRIS mate 0 2T 7 8吨AIRIS 2 0 3T 10吨APERTO 0 4T 13吨 钕铁硼材料优点 高剩磁缺点 温度系数比较大 1 结构Ring 环型 Yoke 轭型 C shape H shape yoke 有源材料产生B0 无源材料形成磁路 2 影响因素 剩磁 Remanence 矫顽力 Coerciveforce 指破坏磁体磁化状态所需之力也就是使磁感沿磁滞回线减少至零时所需的磁场强度矫顽力大 硬磁材料矫顽力小 软磁材料磁路结构 Magneticcircuitstructure 一般永磁体场强不大于0 5 开放 孩子 幽闭症 介入 系统构造简单不产生热运行成本低维护费用低寿命长永磁体场强对温度非常敏感 0 1 C 例如 Nd Fe B磁体温度升高1 C 磁场降低约1000ppm II常导体 Resistivemagnet 1 电磁理论 Electromagnetismtheory 线圈中有电流时会产生磁场 并会导致线圈温升 Air coredresistivemagnetconstructedusingfourcoilsarrangedeitherhorizontallyorvertically Air coredresistivemagnetsIron coredresistivemagnets 2 材料的选择铜 Copper 电导率大 密度大 价格高 产热少 铝 Aluminum 电导率小 密度小 价格低 产热多 线圈产生的热量由去离子水带走3 稳定性 不太好4 均匀性 不太好 III 超导磁体 Superconductingmagnet 1 超导理论 当温度T降低到临界温度 criticaltemperature 电阻突然变为0 测量不出 电流可永无休止的流动 超导磁体可产生强磁场超导材料临界温度 普通铅 Plumbum 7 4K铌钛合金 Niobium Titanium 20K稀土陶瓷 Ceramic 100K 2 超导材料类型 II Ni 铌 V 钒 Tc 锝 alloyorcompoundI otherMR TypeIIMullityNbTialloyfilamentscomplexlead 铌钛合金多芯复合超导线 位于铜基中 isverypopular anditcanload700A 3 超导材料的选择 可负载大电流可保持超导状态 4 2KHe MR系统提供的低温制冷装置系统可使所选超导材料保持超导状态 超导材料要有合适的物理特性 可塑性 plasticity 和柔韧性 pliability 4 构造 EarlySCmagnet NbTi纤维包埋在铜材中铜材在失超时保护超导线圈 超导磁体线圈 基于均匀性的考虑常使用4 8组独立线圈 5 磁体特性 场强均匀性稳定性 高场MR的优缺点 信噪比图像细节速度功能成像 But 化学位移伪影RF功率沉积高场强设备发射机功率通常是10 25kW 利用SAR对其加以限制 尤其是 1 5T时 RF沉积将限制重复时间 RF穿透性RF场在人体组织内感应电流 部分抵消了RF场 降低了RF脉冲穿透组织的深度 导致RF激发的成像容积不均匀 T1弛豫时间T1弛豫时间随场强增加而增加 更易发生饱和 使SNR与场强不成正比 更高的梯度要求梯度场随场强成比例地增强要求驱动放大器的功率增加噪音更大价格一般情况场强高 价格高 对人群的影响更易对其他病人和设备产生影响 更应考虑杂散场 afullyloadedpalletjackthathasbeensuckedintotheboreofanMRIsystem MRI系统不同磁体类型比较 12 3低温系统和制冷剂 Lowtemperaturesystemandcryogen I 低温系统维持低温使超导线圈处于超导状态 低温容器 Dewar 磁体线圈位于Dewar中 Dewar必须有好的绝热性能 adiabatic II制冷剂液氮 LiquidNitrogen 77K液氦 LiquidHelium 4K 为了把液氦 超导线圈与环境分割开来 需要低温保持器 cryostat 20K 70K 80K 液氦量的测量 Heliumlevel 励磁 Excitation 退磁 Demagnetization 1励磁过程 Excitationprocess A 冷却磁体 Coolingmagnet 主磁体线圈处于超导状态B 线圈加载 Windingsareloadedcurrent 注入电流电流注入过程 Loadingprocess 1 加热超导开关使之无效 2 线圈两端加载电压在线圈内感应电流 3 当B0符合要求时 关闭加热器 超导开关恢复超导状态 4 电流在超导线圈内循环流动 UH 加热电压 超导开关 UL IL UL UHmake isnotSC ILincreasingwiththeeffectofUL Bincreasinglinearlywitht ULgraduallydecreasing tillto0whenB0isacquired TurnoffUHILdecreasingto0 di dt UL L 2 Demagnetization TurnonSswitchUH turnoffAdjustIofMPSIandS ULIL 0 UL 0Turnoff andUHEnergy 0 UH IL UL S 3 失超 Quench 超导线圈的部分不再是超导状态 线圈储存的能量部分变成热能散出 热能使线圈其他部分加热继而失去超导状态产生更多的热量 恶性循环直至遍及整个磁体发生失超 失超使设备经历剧烈的热胀冷缩和磁力变化 使原有有源 无源匀场失效 失超原因 Fluxjump 磁通跳跃 释放能量Frictionresultingheat 摩擦生热 线圈的微小运动失超导致 B0的崩溃瓦解液氦迅速沸腾 boiling off 爆破膜 Bursting disks 在高压下爆破 使得大量的气氦溢出低温保持器 自发的失超 Spontaneousquenches 很少发生 如果需要失超 线圈储存的电能沉积在假负荷 dummyload 避免损伤磁体 这是一个耗费昂贵的过程 失超保护二极管和失超保护电阻Quenchprotectiondiodeandresistance 低阻通路 SIEMENSOR41AS 失超 100V电压限制励磁 退磁 10V电压 12 4屏蔽和匀场ShieldingandShimming I 屏蔽 Shielding 边缘场 Fringefield 杂散场 Strayfield 杂散场 特别是超导磁体的杂散场在各个方向上会伸出磁体 对外围产生影响FDA 5G 无源屏蔽 被动屏蔽 Passiveshielding 房间屏蔽 Roomshielding 铁磁性材料 对建筑结构有依赖性 分场地设计 屏蔽材料厚度小 面积大 自屏蔽 Self shielding 在磁体孔径内放置铁磁性材料 Ironplates 有可能给匀场增加困难 有源屏蔽 主动屏蔽 Activeshielding 载有反向电流的线圈绕组降低杂散场 有源屏蔽的磁体重量轻 但由于B0被抵消一些 需多用超导线 杜瓦体积大些 常导有源屏蔽 Resistive 超导有源屏蔽 SC II 匀场 Shimming 优质的MR图像对B0的均匀性和稳定性有高要求 匀场方法 无源匀场 被动匀场 Passive 后进行 有源匀场 主动匀场 Active 先进行 Combinationofboth 1 无源匀场 Passivelyshimming 在磁体周围放置铁片校正 铁片放置的数量和位置经过特殊的匀场程序计算出来 可校正高次磁场不均匀性 材料价格便宜 不需要昂贵的高精度电源 当需要更高度的均匀度或均匀性可调时必须用有源匀场 2 有源匀场 Activelyshimming 一系列载流绕组排列在磁体孔径的柱形管上 每个绕组产生的校正磁场与球形谐波展开式的一个系数近似 必须避免这些绕组与磁体和梯度线圈的相互影响 线圈中的电流在系统安装期间确定并保持不变 直到有工程师进行再匀场时才改变 主磁场线圈 超导匀场线圈 常导匀场线圈 梯度线圈 位于磁体低温容器内 位于孔径内 有源匀场使用的线圈绕组有三类 超导匀场线圈 常导匀场线圈和梯度线圈 GE SII SIIImagnet 1 5T18个超导匀场线圈 高阶 隔热屏散热系统 压缩机和冷头 排气系统和电流探头直插式低温容器流速表和压力表便于观察液氦侧罐口 易于补充 Maincoil 主线圈电流为734 5A主超导开关与主线圈和串联电阻并行连接 无阻通路开关的超导状态 持久模式 persistent 开关的有阻状态 有阻模式 resistive 紧急失超 主线圈放置有另外的加热器 使主磁场快速退磁 rundown 失超保护装置与主线圈并联 在失超或紧急退磁时保护主线圈 Shimmingcoils 18个超导匀场线圈位于液氦容器内用于磁体匀场调节 匀场调节程序需要的数据通过测绘装置和探头获得 Z2 Z4 Z6 容积内各处的磁场 Z1 Z3 Z5 磁体后端的磁场 C11 C11 C22 C31 C33 横向偶数线圈S11 S11 X22 S22 S31 S33 横向奇数线圈 Subsystemelement 子系统组件 磁体低温容器 Magnetcryostat 包含6个超导主线圈 18个超导匀场线圈 18个超导开关和开关加热器 失超保护装置 硅二极管 超导液氦液面探测器和压力传感器位于低温容器内 分别监视低温容器的温度 液氦液面和压力 制冷剂监视器 Cryogenmonitor 装在机架上与液氦液面传感器相连 隔热屏散热压缩机 Heatinsulationscreenradiatorcompressor 位于机柜间与MR的冷头相连 对气氦进行压缩 磁体紧急退磁装置 Magnetemergencydemagnetizationdevice 装在墙壁上 与一组主线圈的加热器相连 按下按钮 给主线圈加热器供电 磁场快速降落 2分钟内 20 以下 液氦挥发率 VolatilizationvelocityofliquidHe 应小于0 2l h励磁 退磁 超导匀场 严格遵守手册中的步骤 磁体维护 部件更换 挥发增加挥发长期超标 隔热屏散热器工作不正常热 声振荡真空受损低温容器内部热短路低温容器外部结冰通常是真空问题或热短路 传感器 温度检测二极管 硅二极管 位于磁体支持物的上部和底部 监视内部支持物温度 还有位于隔热屏散热器安装套管的第一级和第二极接口点 用于温度检测和故障查找 超导液氦液面传感器 位于低温容器内 低温容器压力传感器 梯度场 随位置线性变化 12 5梯度系统 I 主要部件 梯度波形发生器梯度驱动级梯度功率放大器梯度线圈others II梯度线圈 1 结构Gz 一对环形线圈 Maxwellpaircoils 流有反向电流Gy Golayconfiguration 4个线圈位于圆柱体外部Gx Golaycoils rotate90 麦克斯韦对 Golay线圈 同圆线圈 线圈间距 31 2R反向电流Bz Gz 0 z O z d 5 校正到5阶 8个120 圆弧近圆弧处对中心张角68 7 远端圆弧张角为21 3 距中垂面距离为2 57R 效率和回路 梯度线圈设计方法一般采用目标场方法的逆向设计方法根据期望的梯度场用傅立叶变化倒推电流密度分布 已应用于设计涡流自屏蔽梯度线圈 2 梯度脉冲波形 梯形 trapezoidal 一个上升沿 slopingrise 后跟一个平台 flatplateau 和一个下降沿 slopingfall G 梯度强度G strength 单位距离内场强的变化量 inmT m 上升时间单位是 s 一般值在1000 s 200 s 梯度场切换率 slewrate 是单位时间单位距离的场强变化 一般在20 150T m s 3 梯度线圈充电特性 响应时间 L R假定300V 1mH 100m 如果给梯度线圈的供电时间达到5 序列所需要的电流值一般最大在200A的范围内 这时可看成是线性 电流上升的速率也最快 大约0 6ms内达到160A的电流 L上升速率如电流上升速率比线圈特性允许的快 需提高梯度功率放大器 4 梯度线圈的噪声 噪音 不断变化的梯度电流是梯度线圈产生振动 声频范围 噪音 噪音与梯度场变化速率或电流变化率有关 di dt越大 噪音越大 III 梯度放大器实质是音频电流放大器 负载时大电感 小电阻 根据标称梯度电流的大小和方向以预设的方式向线圈传递能量 驱动电流流过梯度线圈产生梯度磁场 梯度线圈 梯度放大器的负载 放大器种类Linearamplifier 线性放大器 On offamplifier 开关式放大器 线性放大器 三极管 dynatron 的功率损耗Ploss很大 总消耗功率P Plossofdynatron P A I Ur 300V Ploss UI I2R 线圈负载电阻功率消耗 开关式放大器 On offamplifier usuallyadopted 全额输出 完全截至三极管功率损失降低 提高放大器工作效率 开关三极管 梯度功放后级主要由电子开关 场效应管 双极性三极管 单向二极管 free wheelingdiode 储能和滤波电容 线圈组成 开关闭合 开关断开 梯度线圈电感特性试图保持电流的稳定 梯度线圈相当于是电流源 驱动电流流经单向二极管 开关三极管的切换频率必须与系统时钟同步 且固定 通过改变脉冲占空比 可以调节电流的平均高度值 Gmax主要受梯度电源限制 当给定G及最小切换时间 梯度功率取决于设计时的假设 但总体上是随着梯度线圈半径的4 5次幂增加 增加梯度线圈绕组数量可减少电流需求 但会增加L 即增加 要提高切换速率需要相应地增加电压 典型的电流 200A 300A为快速切换 梯度电源必须能够支持电流以300A s或更快的速率变化 这意味着典型的1mH线圈最小需要300V电压脉冲 还要有些剩余来弥补线圈和导线的阻抗损失 由于梯度决定了空间频率域的采样点 因此梯度必须高度稳定 梯度电源必须极其精确 梯度波形发生器数字信号经D A转换得到模拟标称电流值I0 实际值减去标称值I I0调节器 IV Adjustmentcircuit 1 实际值测量 梯度线圈电流测量利用精确直流传感器 LEM 法文缩写 无接触测量 基于Hall效应 Halleffect U k I B d LEM 利用磁芯绕组的补偿电流 使空气间隙的磁场忽略不计 这个补偿电流等于梯度电缆中电流平均值的千分之一 2 PID 比例积分微分调节器 稳定性 精度 速度 Measure PID 相当于积分器 integrator 比例 Proportion 调节器 积分电路的一个时间常数 Timeconstant 使高频时相移为0 改进闭环的稳定性 Stability积分 Integrator 调节器 调节输出脉冲宽度 使低频误差信号为0 Accuracy微分 Derivative 调节器 预测滤波器的电压来允许更高的环路增益 SpeedPID SAS 弥补各自的不足 微分调节器的稳态偏差和积分调节器的调节速度慢 调节器的输出信号 控制信号 与三角波电压进行比较 得到经脉冲宽度调制的四个触发信号 产生后级功率三极管所需的开关脉冲 3 脉冲宽度调制 Stability Speed Accuracy Measure S1 S4 场效应管 G 正向梯度电流 场效应管S2和S3工作 G 负向梯度电流 场效应管S1和S4 G G 梯度电源不供给能量 梯度线圈释放出来的能量送给储能电容C V 涡流 Eddycurrent 梯度场的快速切换在周围导电材料中感应出涡流涡流随G及其变化率变化 一旦达到一个稳定的平台值 涡流开始衰减 涡流的衰减可用指数函数近似 其 L R是由导电材料的 有效电感 决定 对于 高温导体 R随着温度近似线性地增加对于超导磁体 通常由制冷层的传导率以及有效电感决定低温屏蔽层由温度大约70K的铝组成 产生的涡流具有很长的 RF体线圈的铜屏蔽 约300K 感应的涡流 短 涡流效应相当于把梯度场脉冲进行低通滤波如对涡流不加任何补偿 IG脉冲会产生畸变 涡流补偿方法 RC元件使电流预畸变重新产生期望的梯度场脉冲 预先补偿梯度的驱动电流可以达到对涡流的抑制 有源屏蔽梯度 betterapproach 避免涡流的动态非线性 动态修改梯度电流当加上涡流产生的阻挠场时 可得到具有合适场强和脉冲波形的净磁场 涡流分布与梯度线圈电流分布不尽相同 偏差主要沿径向 在磁体长轴方向也同样存在 由于涡流感应的磁场空间分布与梯度感应的磁场略微不同 预补偿梯度驱动电流不能完美地消除空间中每一点的涡流磁场 通过合理的梯度线圈设计可使这种偏差最小 涡流随时间衰减的动态非线性不可能由梯度线圈设计或预补偿梯度驱动电流来完全补偿 用有源屏蔽梯度来避免涡流的动态非线性 有源梯度屏蔽 在梯度线圈和低温容器间安放屏蔽线圈 有源屏蔽线圈是与成像梯度线圈同轴安装的第二组梯度线圈 I屏蔽线圈与I梯度线圈方向相反 电流同步通断 有源梯度屏蔽可削弱成像梯度在附近制冷层中的磁场 特别是消除更高次动态空间磁场畸变 有源梯度屏蔽的缺点是较复杂 费用更高以及对电源的附加需求 GE公司SignaHorizon系列梯度线圈组件称为Roemer线圈 Roemer线圈由内部和外部线圈组成内部梯度线圈在成像区域产生10mT m或更高的梯度场外部梯度线圈与内部梯度线圈串联 因此两组线圈中的电流幅度相同 但外部梯度线圈产生的磁场与内部梯度线圈产生的磁场方向相反结果使梯度线圈组件外侧的净磁场矢量为零 Roemer线圈的这种自屏蔽效应使图象质量因为磁体的内部结构而下降的影响大大减少了 VI 梯度场参数 梯度幅度 Gradientmagnitude 切换时间Switchtime Slewtime 切换率 Slewrate 最大工作周期 Max workcycle TG TR梯度的工作周期越高 允许的层数越多 许多制造商提供100 即梯度系统不会限制临床扫描 临床常用的高质量常规MRI系统 强度为10 15mT m 上升时间为0 5 1ms的梯度能令人满意快速成像方法要求MR系统有更高的梯度性能 如G 25mT m 切换时间 0 25ms 线圈和功率放大器设计技术的发展正朝着使这些特性在商业上可行的方向发展 另一方面 高性能的梯度系统产生高速变化的磁场使人产生周围神经刺激 这种效应将限制梯度系统性能的进一步提高 12 7RF系统 I RF系统组成 RF发射系统RFCoilRF接收系统 主机根据所选脉冲序列产生数字脉冲波形 经过D A变成模拟信号 经过调制放大 驱动发射线圈 激发成像区内原子核产生共振 从而产生信号 微弱的RF信号经过放大 解调 滤波 A D转换 预处理经过FT等图象处理 重建出图象 1 RF发射器 Transmitter 发射器产生RF脉冲 适当的频率 fBW 幅度 A相位 2 RF接收器 Receiver RF接收器是提取 retrieve 或解调信号 demodulate 即消除高频成分 II RF线圈基本理论 共振电路 1 理论L C串联 series L C并联 parallel 梯形网络 Trapeziformnetwork L seriesandC shunt 分路 lowpassC seriesandL shunt highpass 串联谐振 共振时 总电抗 0 仅电阻对损耗有贡献 电流由有效电阻Rs决定 如果器件理想 R 0 电抗互相抵消 V总 0 VL VC Q V电抗 V总 电压谐振 VL VC非常高 可能会损坏元器件 设计谐振电路时要么防止出现这么高的电压 要么选用高耐压器件 可用于线圈接收电路 将微弱的MR信号进行放大 如果元器件理想 谐振时 总阻抗无穷大 电流阻塞 如用恒流源驱动 将会在有效电阻Rp产生最高的压降 谐振时 I0非常小 但各个分支的电流幅度很高 总电流乘以Q 极性相反 Q I电抗 I总 电流谐振 元器件必须能承受高电流 在线圈发射电路中 为了获得尽可能大的电流 常采用并联谐振 并联谐振 Parallel f0 1 2 LC 1 2Q L R Matchto50 梯形网络 高通 等效电路 梯形网络有传输线特性IL IC随传输线长度变化 U I有90 相位差 所以没有功率损失 2 RF线圈特性 品质因数Q负载效应去耦 Decoupling 1 Q Q 0 3dB空载时 头线圈 体线圈的Q约200 更窄的 更高的Q有好的选择性 噪声和伪信号 bogussignal 更低 2 负载效应 Loadeffect Q和负载负载种类不一样 Q有差别 同类型负载 大负载对Q影响大 加载后Q会下降 响应展宽 选择性和接收的信号会下降 频移和负载大负载 低Q值 线圈仍工作在可接收的频率范围 小负载使线圈的RF频率漂移并不多 带宽也不加宽 因而小负载时 线圈将不再工作在可接受的频率 这会使图象质量变差 RF线圈通常在空载时调谐 最好地兼顾所有负载类型 线圈对病人在RF线圈中的位置非常敏感C人体与C线圈并联 频率向下移动 正交线圈 圆极化线圈 C人体将影响线圈一个方向的工作模式 垂直或水平 使线圈不再工作在正交方式下 即不产生旋转RF场 如果线圈工作在线性方式下 预扫描功率需要加倍 而信噪比降低40 在病人和线圈间加个小垫子可使这种影响最小 垫子相当于一个小电容 它与人体的大电容串联相减 有效地抵消了人体对线圈的影响 3 去耦 Decoupling 消除发射线圈和接收线圈相互作用 否则发射场 畸变接收线圈信号 破坏噪声增加 SNR下降 去谐二极管 去耦 通过感应电压切换到导通状态 使线圈偏共振去谐 去谐二极管 3 发射线圈 B1 极性 线性 圆极化 发射线圈一般比较大用以优化均匀性 如果有合适的T R开关 发射线圈也可用于探测和接收MR信号 形状 Linearly onedirection Circularly manydirections 优点 发射 T 更低的功率P接收 R SNR增加 21 2缺点 技术要求高 两个独立的调谐电路 轻微耦合 需要反复的调谐 匹配 表面线圈在发射线圈工作期间必须 偏共振 off resonance 以防止RF通过表面线圈在病人的一个小区域聚焦 在接收期间共振 动态去耦 圆极化线圈 Circularpolarizedcoil 不同构型RF线圈 马鞍形线圈梯形网络螺线管线圈 2传输线 马鞍形线圈用于B0是水平方向的情形 频率不太高 25MHz以下 直径不太大 早期较多使用 目前已经淘汰 螺线管线圈用于B0在竖直方向的主磁体 限于轭形磁体 频率较低 L大 C大 低磁场不能正交发射接收 B1 Highpass Lowpass 可正交激发 正交接收 4的倍数 越多 越均匀 但匹配电容多 匹配一致困难 0 和180 腿无电流 2传输线 如果f0 25MHz 可使用 2传输线 双路 2传输线可产生较好的B1 双路传输线必须安装在磁体里 因此比 2短 通过在两端增加可调电容C 电路可对称地缩短 ResonanceCavity 63MHz适用于2T以下 3T产品没用通用体线圈 2 4 RF线圈种类 功能 发射线圈 Transmitcoil接收线圈 Receivecoil部位 头线圈体线圈 相控阵线圈 Phasedarraycoils表面线圈 只用于接收 III RF常用器件 1 同轴电缆 Coaxial cable 传输发射功率 接收MR信号 屏蔽功能 50 特性阻抗 2 传输线 1 充当电子器件 输入端短路时 Zin jZctan 2 l 输入端开路时 Zin jZccot 2 l 0 2 充当阻抗变换器 几乎所有的RF电缆以及RF器件的特性阻抗都是50 前放阻抗例外 一般2 3 降低噪声 提高SNR 连接到前放的导线有特殊标记 不能随意截短或被其它长度的电缆替换 RF发射 接收开关 T Rswitch T Rswitch 位于RF共振器和前放之间T 发射和接收开关使发射器到天线之间的通路接通 同时还要保护敏感的前放不受高脉冲功率影响 R 微弱的MR信号必须以尽可能小的衰减到达前放 RF功放的噪声必须排除在天线电路之外 transmit receive T RSwitch D1 D2导通 RF功率几乎无损失地到达天线 D3 D4对地短路 4线将短路转换为天线输入端高阻 保护前放 D1 D2不导通 防止发射器噪声进入前放 D3 D4高阻抗 MR 信号经 4线无阻尼到达前放 Signal RF开关的二极管D1应耐高压耐强电流工作频率足够高开关时间足够快 用PIN二极管作D1 也可用于D2 通过二极管偏压控制开关门 Siemens T Rswitch 发射期间 PIN二极管正偏压接收期间 所有PIN二极管反向偏压 4 定向耦合器 Directinalcoupler 测量Vf和Vr 评价匹配 match 从RF传输线中分离出一小部分 约 50db 前向波和反射波 测量之前 用它来使由负载和天线组成的共振电路与RF发射器匹配测量中 监视施加的RF 前向波 保护发射器 匹配 5 压控衰减器 Voltagecontrolattenuator 根据控制端口提供的控制电压 改变输入端和输出端之间的衰减系数 在发射通道中 通过调节给RF功率放大器的驱动电压 获得期望幅度的RF输出 在接收通路中 用于调节接收信号的幅度 使之满足DAC所需要的幅度 Voltagecontrolattenuator RFin put RFout put Controlvoltage 6 低通滤波器 Lowpassfilter 接收 频率编码方向 可用模拟或数字 过采样 滤波器相位编码方向 由于采用伪采样技术 pseudosampling 一般不用滤波器低通滤波器可抑制高频噪声 抑制FOV外的信号 防止折叠伪影 发射 是为了避免产生边带 否则发射的RF脉冲会包含不期望的边带 形成ghost伪影 7 正交混合器 Quadraturehybrid Mixture Splitter 功率分配器 Combiner 功率复合器 Phaseshifter 移相器 产生旋转的RF场 1 2 S Splitter combiner 分配器中 端口信号被分成1和2端口的两个同 同A的信号 各自的信号幅度衰减3db 如果信号的流向相反 端口1和2的信号结合后到 端口 就成为功率复合器 在相控阵线圈中就要使用复合器 移相器用于从0 180 手动改变输入与输出之间的相位 IV发射系统 RF传输器产生数字化的RF信号S t S t 与频移为 off 相位为 的一路信号经快速数字化乘法器作用产生如下的输出 S t cos offt 幅度调制波形经D A得到模拟波形 RF传输器没有直接发出 ss 原因是避免迷路信号 straysignals 到达接收器使病人被旁路 bypassing off与一固定 fix混频 模拟混频器 2cosAcosB cos A B cos A B ss fix off fix off 边带被滤掉 filteredout 幅度调制 频率调制和相位调制S t cos sst 只有0 1mW 难以激励人体内自旋 需用RF功率放大器 AB 线性放大 V Receivesystem 1 MR信号被接收线圈接收 并被前置放大器 preamplifier 放大产生足够强的电压前放有最佳噪声特性 需匹配网络 不考虑最佳功率传输 不追求最大放大倍数 10几倍 砷化镓场效应管前放 2 MR信号被解调器 demodulator 解调 3 然后低通滤波 low pass 4 最后A D转换器将MR信号转换成数字化信号并将其传输至图像处理器 Lowpassfilter Sr coil cos fe fe ref 125kHzMixedsignal cos fe cos ref 1 2cos fe ref 1 2cos fe ref 500kHz 4倍过采样 解调Demodulate输入信号与参考频率混频产生125kHz 62 5kHz 中频 IF 一般A D转换器运行在0 5 1MHz 在其放大至与A D输入电压范围匹配后将IF数字化 相敏探测 phase sensitivedetection IF与125kHz频率的sine和cosine相乘 如果在500kHz下数字化125kHz波形 可有效采集参考频率 4samples cycle Cosinechannel 1 0 1 0Sinechannel 0 1 0 10 90 180 270 因此只需要一个A D转换器 每个数据乘0等效于改变A D的I Q通道 I Q通道数据送至后面的滤波器处理 sine和cosine的分量以复数对形式储存在系统存储器中 之后进行FT 复数数据 实部 虚部分量 VI RF屏蔽 RF线圈屏蔽 梯度和常导匀场线圈会使RF线圈发射损失 并产生寄生振荡 spuriousresonance 线圈周围的RF屏蔽可降低线圈与周围环境的耦合 扫描室屏蔽 RF屏蔽围栏 Faradaycage 房间6个面用铜 铝或钢板围起 穿过板 Penetrationpanel 窗户 特殊的植入导线的玻璃 wire embeddedglass 波导 Waveguides 特定长度或直径屏蔽因子 Shieldfactor 应 90dB 12 8扫描前系统调节 受扫描物体可影响B0 还有线圈的Q值和阻抗 每个病人扫描前 系统应进行调整 校准 I 校正步骤 1 天线调整 coiltuning 2 f0调整3 脉冲幅度校正 发射调整 4 自动匀场 特别是梯度匀场线圈 5 选择脉冲序列和扫描参数 6 Attenuate gain 接收调整 病人位置变化 重复1 4 扫描参数变化 重复5 6 II 线圈调谐 匹配 Coiltuning match 发射 接收线圈的阻抗必须与传输线和前放的阻抗匹配 病人位置 姿势的改变可影响线圈阻抗 因此必须调谐 匹配 改变C使得反射RF功率最小 一般自动进行 反射功率为0则达到最佳调谐和匹配 线圈的Q越高 可接收的范围越窄 调谐 匹配越困难 Auto tune 马达 motor 一些表面线圈不需调节 有较宽的范围 但是Q较小 遇到调谐 匹配困难时 小负载 添加盐水袋 brinebag 大负载或有金属物 轻微改变位置 III 频率调整 姿势 磁化率等使得B0轻微变化 在调谐 匹配后使用非常短的非选择性RF脉冲fresonance fcarrierwave IV 发射调整 当更换病人或位置变化 MR系统必须调整发射脉冲幅度 此调整过程决定RF脉冲的功率 FA和tp Goffset tG TE t V 梯度补偿 VI 接收调整 调整增益得到最大MR信号signal A D信号幅度由接收信号和接收通道的放大倍数决定 MR信号受下列因素影响 组织参数 T1 T2 扫描参数 TR TE slicethickness FOV 系统性能参数 Q 去耦 调整步骤 调整前 系统基于非选择性脉冲的幅度和宽度计算所选择脉冲的幅度 调整中在0相位编码步下得到最大MR信号 调整增益使回波最大 最大限度利用A D动态范围 比例因子用于调整图象亮度 FT后 决定灰度 12 9计算机系统 主计算机 Host 操作者以序列 时间和不同的几何参数等形式描述扫描 控制图像显示 处理 例如窗宽 窗位 硬拷贝 归档和网络 微处理器 由主计算机下载命令Pulseprogrammer PP 主计算机命令传输至PP PP控制硬件 PP使RF 梯度和数据采集的运作协调 阵列处理器 Arrayprocessor一旦采集到数据 一个分离的计算机系统 arrayprocessor进行图像重建 复习题 1 MR系统主要由哪几部分组成 2 MR主磁体类型有哪些 各有什么优缺点 3 对于超导磁体 如何励磁 4 对于超导体为什么会出现失超 此时如何保护主磁体 5 主磁场匀场和屏蔽的方法有哪些 6 梯度系统中PID各部分的作用 7 MR成像设备产生的噪音是哪个系统产生的 8 梯度系统功率放大器使用的是什么种类的放大器 9 涡流补偿的方法有哪些 10 可用于高场的RF线圈构型有哪些 11 T R转换开关原理电路分析 12 RF通路中T通路分析 13系统调节中 如果负载过小难以调谐如何处理 核磁共振系统介绍 下载核磁共振小助手获取更多核磁资料可 百度网盘下载地址