MRI設(shè)備構(gòu)成及關(guān)鍵技術(shù)

          一、MRI設(shè)備概述
          （一）核磁共振成像(MRI)設(shè)備的主要構(gòu)成 MRI是在靜磁場B0、梯度場G和射頻場B1的共同作用下實現(xiàn)的（圖3-3）。 其中B0提供把人體內(nèi)的磁性核（以占人體65%左右的自由水的氫核1H為代表）極化的能撾；B1對極化后的磁性核進(jìn)行激發(fā)，使之偏離平衡位置，造成這些被激發(fā)自旋核和人體相互作用的環(huán)境，通過相互作用而退激，獲得人體的信息；梯度場G對上述信號發(fā)生的位置進(jìn)行編碼，通過κ空間數(shù)據(jù)的采集以及梯度場提供的對獲取信號幅 度和位相的編碼信息，就可以重建出相應(yīng)的圖像來。

          上述三個場的形成，信號的產(chǎn)生、 放大、傳輸和接收的信息鏈足在計算機的控制下，通過脈沖序列把所有的硬件組織起 來完成相應(yīng)的功能，后實現(xiàn)成像的。在硬件條件基本確定之后，成像質(zhì)量的好壞， 新的成像方法的實現(xiàn)，都足在脈沖序列的控制下完成的。
          因此，無論技術(shù)開發(fā)還是臨床應(yīng)用，脈沖序列的作用非常大。在發(fā)達(dá)國家的醫(yī)院內(nèi)，必須有專門從事脈沖序列開發(fā)的人員，和醫(yī)生一起把設(shè)備的功能發(fā)揮出來，滿足日益提高的成像要求。但是，在 我國醫(yī)院中，還沒有這樣的制度，而乩認(rèn)為有這樣的人員配備，是額外養(yǎng)一個不直接處理病人的人。這種認(rèn)識娃然是不對的。這種思想阻礙核磁共振這樣的設(shè)備更好地在 臨床發(fā)揮作用。 從信號產(chǎn)生到成像過程，可以用圖3-4所示的功能模塊實現(xiàn)，這些功能模塊構(gòu)成 MRI裝置的核心技術(shù)。

          （二）B0場的建立和磁體模塊

          B0場的任務(wù)是把樣品中的自旋核極化，就是把磁性的自旋核的自旋方向確定下 來。當(dāng)樣品中的自旋核處于靜磁場中之后，人體內(nèi)多的自旋]H的能級發(fā)生劈裂，形 成能量有差別的兩種狀態(tài)，在室溫下，人體內(nèi)這兩種狀態(tài)的IH核在數(shù)量上的差別只有百萬分之一。 
          MRI設(shè)備中的成像區(qū)域一般定義為直徑40cm的球體，稱為射野FOV，要求FOV內(nèi) 場強的均勻度非常高。實際產(chǎn)品中，B0是不可能完全均勻的，超導(dǎo)磁體用超導(dǎo)線圈實現(xiàn)主磁場，并用同樣的高階勻場線圈對它進(jìn)行自動補償，可在40cm直徑的FOV內(nèi)，達(dá)到≤1ppm的均勻性。而對水磁體來說，獲得非常均勻的島是非常困難的。這是兇為 用于制作永磁體的磁性材料本身是不均勻的，雖然通過純鐵等勻場手段，把原材料的 不均勻性降低到一定的程度，例如勻場前的100ppm，勻場后的10 - 30ppm。而永磁體內(nèi)也可以加有源勻場，但是永磁體內(nèi)加有源勻場的技術(shù)要比超導(dǎo)磁體復(fù)雜。主磁場的 非均勻性，用△B0來表示，它和T2*加權(quán)成像的結(jié)果關(guān)系極大。 
          對MRI裝備來說，獲得盡可能高、盡可能均勻的B0是沒計磁體永恒的主題。和超 導(dǎo)磁體來說，永磁體需要曲原材料更多，場強不容易做得很高，不容易獲得均勻的 B0，但是價格相對便宜，維護(hù)容易。超導(dǎo)磁體Bo可以做得很大，△B0可以做得非常小，但是技術(shù)復(fù)雜，不容易實現(xiàn)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，從世界范圍米說，超導(dǎo)磁體技術(shù)已經(jīng)成熟。但是對中國來說，這個計劃還沒有完全掌握，只要有足夠投資，在5年 左右時間內(nèi)實現(xiàn)是完全可能的。

          （三）梯度場的建立和梯度線圈
          前面我們已經(jīng)介紹梯度場的功能是對采集的信號進(jìn)行空間定位，以斷層成像技術(shù) 來看，可以用于選擇Z方向（往往定義為人體身民方向）切片厚度的選擇，通過頻率編碼，可以獲得每個體索中不同物質(zhì)的共振璐的信息，通過位相編碼可以獲得核磁共 振數(shù)據(jù)采集期問事件發(fā)生的時序。
          從技術(shù)要求的角度看，梯度脈沖足在千赫茲(1-2kHz)水平上切換的大功率脈沖，因此切換時會引起渦流。永磁體的渦流問題比超導(dǎo)磁 體嚴(yán)重，因此足設(shè)計和解決的重點問題之一。衡量梯度線圈性能指標(biāo)的好壞以成像空 間內(nèi)的線性度、上升剛間（梯度脈沖的田換率）和梯度效率為主要技術(shù)指標(biāo)。在FOV空間內(nèi)，對事件發(fā)生的奪間定位能力，以及空間位置和梯度場之間的線性關(guān)系來說，這兩種磁體的指標(biāo)已經(jīng)接近。但是，永磁體上的渦流問題仍然需要注意，斟力渦流問 題和脈沖序列有關(guān)，隨著切換率的提高，渦流的增加明顯，這和磁體的結(jié)構(gòu)和建造磁體所用的材料有很大關(guān)系，所以需要針對每個磁體單獨調(diào)整。一勞永逸的解決辦法就 是加屏蔽線圈，在磁體的外圈加上屏蔽線圈，使得靠近被成像物體的宅間內(nèi)的場強不 受渦流的影響，是梯度線圈設(shè)計的目標(biāo)之一。
          目前，國內(nèi)已經(jīng)有公司實現(xiàn)了帶有自屏蔽的梯度場線圈的設(shè)計。 對每臺產(chǎn)品來說，我們要把高場MRI裝備上成熟的成像脈沖技術(shù)移植到中場永磋系統(tǒng)上去時，讓快脈沖序列不產(chǎn)生額外的渦流，或者產(chǎn)生的渦流能夠被消除是提高產(chǎn) 品質(zhì)量很關(guān)鍵的技術(shù)之一；梯度線圈的上升時間受電感的限制是不容易做得非常小的， 而電阻則是造成熱和效率低的原岡。所以，加了屏蔽線圈之后，首先是對主磁場的場強有抑止抵消的作用，降低了梯度效率，降低的梯度效率轉(zhuǎn)化成熱，造成永磁體的場 強隨溫度的變化，是中場永磁MRI產(chǎn)-射}，是目前需要解決的問題。由于渦流和電感的影響，梯度脈沖形狀施加到系統(tǒng)的過程巾會發(fā)生畸變，和理想的脈沖形狀之間有較 大的差異，使得脈沖序列和數(shù)據(jù)采集的質(zhì)ll}達(dá)不到應(yīng)有的要求，是產(chǎn)品設(shè)計和使用中需要解決的問題。圖3 -5是梯度線圈實物和經(jīng)過優(yōu)化后的電路分布圖的例子。

          （四）射頻脈沖的產(chǎn)生和RF線圈
          射頻(RF)脈沖用于激發(fā)人體內(nèi)被極化的磁性核，因為對疾病診斷所需要的核磁共振信息足被激發(fā)的磁性核和人體相互作用的過程巾產(chǎn)生的，足被激發(fā)的磁性核退激時和周圍物質(zhì)相互作用過程衰減常數(shù)不同獲得的信息，經(jīng)過分析之后才能給出診斷結(jié) 論。常常用體線圈發(fā)射信號激發(fā)極化的磁性核，用表面線圈接受人體內(nèi)退激發(fā)產(chǎn)生的信號，因為表面線圈町以提高測量的靈敏度。幽為人體是阻抗比較大的導(dǎo)體，射頻脈沖激發(fā)人體時會在人體內(nèi)產(chǎn)生熱，這是使用MR成像時，需要考慮的對人體安全問題之一。
          在永磁MRI系統(tǒng)當(dāng)中，由于使用的脈沖序列不可能那么快，對人腦神經(jīng)系統(tǒng)的 刺激沒有超高場MRI那么大，這方面的問題不是很大。其難點是如何設(shè)計高效率的發(fā)射線矧，以及如何保證激發(fā)區(qū)域邊界銳化，在需要激發(fā)的區(qū)域內(nèi)B1場盡可能均勻，能董的使用效率高；準(zhǔn)確設(shè)計激發(fā)的脈沖波形，使得激發(fā)的能量只用于需要激發(fā)的體內(nèi)人體組織；頻率的穩(wěn)定性；位相的一致性；發(fā)射頻道和接受通道的帶寬；數(shù)據(jù)采集的 速度；放大器的增益的穩(wěn)定性，后以系統(tǒng)的信噪比衡量RF激發(fā)脈沖的品質(zhì)：各個 部件有各個部件的指標(biāo)，整機有整機的指標(biāo)。RF線圈對系統(tǒng)的信噪比和圖像的質(zhì)量關(guān)
系很大，做好了可以減少由于永磁系統(tǒng)主磁場降低造成的靈敏度下降的影響，是研發(fā) 0.5T MRI系統(tǒng)是可以重點考慮的問題。
          在RF線圈技術(shù)方面，目前需要攻關(guān)的是并行 采集相控共振線圈和相應(yīng)的快速圖像重建算法。這方面我們實驗室已經(jīng)開展系統(tǒng)研究 工作，但是實現(xiàn)過程還要解央效率和均勻性問題、可靠性問題。

          （五）系統(tǒng)集成優(yōu)化和質(zhì)量控制監(jiān)測技術(shù)

          國內(nèi)對這個問題普遍不重視，但是一臺設(shè)備性能好壞，對測量結(jié)果影響極大，我國對這些設(shè)備的市場準(zhǔn)人檢測的能力和水平都不夠，又沒有中立的第三者機構(gòu)對國內(nèi)外產(chǎn)品做細(xì)致的檢測和評價，所以醫(yī)院對設(shè)備的驗收處于非常被動的局面，這也是造 成廠家推銷過程中產(chǎn)生腐敗的原因，因為沒有客觀的技術(shù)指標(biāo)，有了指標(biāo)也不去測量，測量了也不知道結(jié)果對不對等原因。我國醫(yī)院內(nèi)對幾百萬美元的設(shè)備的驗收，仍然主要靠廠家的測量數(shù)據(jù)，沒有甲方自己的獨立的測量數(shù)據(jù)，在使用中的常規(guī)測量、定期 測量更是沒有保證，因為設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)，性能指標(biāo)如何，很多醫(yī)院其實 心中無數(shù)。 
          通常對一個靠OEM方式生產(chǎn)MRI設(shè)備的廠家，對性能的測量和驗收，以及進(jìn)一步 的優(yōu)化是必須做的工作，如果這個工作做不好，這個廠寡肯定沒有競爭優(yōu)勢。因此，從系統(tǒng)分析的方法，研究信號傳輸過程和成像過程每個環(huán)節(jié)上的技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)技術(shù) 指標(biāo)分析系統(tǒng)的信嶸比、對比度和空間分辨率等技術(shù)指標(biāo)，把每個關(guān)鍵部件的性能指 標(biāo)和整機的技術(shù)指標(biāo)準(zhǔn)確測量出來，是我們研發(fā)的過程當(dāng)中，以及系統(tǒng)集成和出廠檢驗，采購驗收必須的工作。
 

          （六）脈沖序列和軟件
          前面已經(jīng)對脈沖序列的重要性做了介紹，脈沖序列就在計算指揮MRI系統(tǒng)中各個 硬件部件和軟件按照時間順序工作的操作指令集。這個指令集是通過軟件來實現(xiàn)的。 從理論方法編制的脈沖序列，用到系統(tǒng)當(dāng)中之后，仍然需要根據(jù)具體設(shè)備的軟硬件條件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。其中對不完善的修正和校正，幾乎遍及系統(tǒng)每個部件和整機指標(biāo)的測量過程中，做到定量化更是不容易。因此，當(dāng)今醫(yī)療設(shè)備中軟件的價值實際上已經(jīng)超過硬件。 在所有的軟件當(dāng)中，應(yīng)用軟件還是一個薄弱環(huán)節(jié)，這部分軟件是針對不同臟器和 不同成像對象，獲得佳對比度和信噪比，以及佳空間分辨率的，實現(xiàn)定量化和可 視化的軟件。這部分軟件要隨時根據(jù)醫(yī)學(xué)應(yīng)用的需要不斷發(fā)展和完善的，應(yīng)該說是一個沒有盡頭、需要不斷深入的工作。

          （七）永磁MRI設(shè)備
          利用永磁體形狀容易變化，抓住若干關(guān)鍵技術(shù)，做成具有特色的成者專用的MRJ設(shè)備，是當(dāng)今世界MRI產(chǎn)品的另一個重要發(fā)展方向。永磁心可以有助于實現(xiàn)醫(yī)療“ 預(yù)防為主的思想，隨著醫(yī)學(xué)影響設(shè)備使用費的降低和用戶生活水平的提高，用影像設(shè) 備作為體檢的工具的趨勢正在進(jìn)一步得到肯定。但是，現(xiàn)在的做法是用多排CT進(jìn)行決 速全身掃描實現(xiàn)這個目標(biāo)做法，受到放射性劑量的極大限制。同樣的問題也發(fā)生在用 CT或者DR做介入治療和m管造影的臨床應(yīng)用之中。所以，研發(fā)用于這些目的專用MRI設(shè)備顯然受到醫(yī)護(hù)人員和患者的歡迎。如果能夠?qū)崿F(xiàn)，對病人和使用者都是個福 音。

          二、MRI系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計思想
          這里主要介紹MRI系統(tǒng)的組成、主磁體模塊的沒計、射頻線圈和核磁共振譜儀的 設(shè)計思想等幾個方而。

          （一）主磁體模塊
          下面主要論述主磁體的設(shè)計理論和方法，以及和主磁體在一起的梯度線圈、梯度 屏蔽線蹦在內(nèi)的主要部件的設(shè)計理論和方法。 永磁體及其眭能非常依賴于用于產(chǎn)生磁場的永磁材料。固體的磁性的能量取決于 組成固態(tài)結(jié)構(gòu)的原子和離子之問的相互作用。鐵磁材料巾的每一個原子的磁矩平行排 列，使得在很大范圍內(nèi)存在著宏觀的磁場。前面已經(jīng)提到過，門前在產(chǎn)品上使用的稀土捌料，這里就目前廣為應(yīng)用的磁性材料為鐵磁捌料和稀土永磁材料給予介紹。 在宏觀尺度F看，鐵磁材料在原子尺度范圍內(nèi)使得原子磁矩具有相同的取方，這 是在冶煉過程中完成的，冶煉過程的工藝條件決定了遮些產(chǎn)品的質(zhì)量和性能指標(biāo)。在鐵磁材料中磁矩相同的區(qū)域稱為磁疇。
          一般而言，磁疇的兒何尺寸在毫米量級以下。 周圍磁疇的排布方向滿足使鐵磁材料以外的空問的磁場小的條件。在外磁場的作用下，磁疇邊界發(fā)生移動，整個磁疇內(nèi)磁矩的方向發(fā)生改變，使磁極化凈效應(yīng)達(dá)到大。 所有的鐵磁材料對外磁場表現(xiàn)出一定的磁滯效應(yīng)，即當(dāng)外磁場移開時，鐵磁材料內(nèi)的凈磁矩并不為零。該磁滯效應(yīng)產(chǎn)生的原因在于鐵磁材料內(nèi)的雜質(zhì)阻礙磁邊界在外磁場移開對做相應(yīng)的運動。在商業(yè)中應(yīng)用的永磁材料，捌料的磁滯效應(yīng)由材料的相結(jié)構(gòu)央定，磁滯效應(yīng)非常大的結(jié)果使得在外磁場去除后，材料內(nèi)的凈磁矩幾乎不發(fā)生變化。這種磁性材料在材料外部也可以產(chǎn)生很大的磁場，這是永磁材料應(yīng)用的基礎(chǔ)。

          目前商業(yè)上應(yīng)用的永磁材料有四種：

          ①鋁鎳鈷永磁臺金，由鐵和其他幾種合金組 成，包括鋁、鎳、鈷；

          ②恒磁鐵氧體，由燒結(jié)鐵的氧化物、鋇、鍶等元素組成；

          ③釤鈷永磁材料，由粉末冶金技術(shù)制備，有兩種材料，一種釤鈷比例為2：17，另外一種為1:5；

          ④釹鐵硼，主要成分為釹、鐵、硼。 
          上述永磁材料具有各自獨特的特性。這里重點以釹鐵硼水磁材料為重點給予介紹， 因為釹鐵硼在永磁體制造中使用為廣泛。釹鐵硼材料發(fā)朗于1983年，是用粉末冶金技術(shù)制備的。一般陌言，這種磁性材料典型的組成成分為Fe 50%、Nd 33%、B1.2c/e， 另有少量的A1、Nb、Ny和Co等元素。此材料為顯著的缺點是溫度系數(shù)大；一般應(yīng)用在溫度可控的環(huán)境中，100 - 150℃，通過合金摻雜技術(shù)可以將材料的工作溫度提高到180℃。在很多應(yīng)用中取代了電磁鐵用于各種需要建立磁場的裝置或者設(shè)備中，如核磁共振成像儀、磁浮列車等。 
          SmCo (1:5)的大磁能積可達(dá)到175kJ/m3；SmCo(2:17)的大磁能積可達(dá)到 190kJ/m3，高可達(dá)240 kJ/m3。該材料具備很好的溫度性能，溫度系數(shù)小，比釹鐵硼 耐腐蝕，但比釹鐵硼脆，價格比較貴。曾設(shè)廣泛應(yīng)用在電機、手機、占響、軸承、加速器聚焦磁體等上面。目前需要在溫度比較高的環(huán)境下使用的永磁材料，例如核磁共振石油測井技術(shù)中使用的就是這種稀土材料。 鐵氧體一般應(yīng)用在低端產(chǎn)品卜，由于其磁能積相對其他永磁材料比較低，但是大的優(yōu)點是價格非常便宜。陵材料一般分為兩類：鋇鐵氧體，通常應(yīng)用在馬達(dá)、電話 等產(chǎn)品中；鍶鐵氧體，通常制成陶瓷體?？２牧系某C頑力比較高、低磁導(dǎo)率。一般應(yīng)用在磁路中的氣隙比較大，有外部磁場存在的條件下。 鋁鎳鈷永磁臺金主要應(yīng)用在步進(jìn)電機、發(fā)電機、通信、音響等產(chǎn)品中，制備工藝為燒結(jié)和鑄造。
          目前應(yīng)用的場合為高于3000C場合，抗腐蝕性能好。 永磁捌料在使用中必須考慮磁滯剛線 的問題。磁滯回線是永磁材料的很多性能， 可以通過磁滯回線導(dǎo)出，而日因為有磁滯 回線存在，使用中需要考慮很多新的問題。 磁滯回線是刻畫磁感應(yīng)強度(B)相介質(zhì)極比強度(J)同場強(H)關(guān)系的曲線，如 圖3-6所示。其中描述卜-H之問的關(guān)系 曲線稱為內(nèi)祟磁滯回線．B-H之間的關(guān)系 曲線稱主磁滯回線?；鼐€內(nèi)任意～個點剝應(yīng)一種材料狀態(tài)，一般而言，在主磁滯Ⅻ線上或者附近的點處磁性材料的利用率較高。

 

          磁性材料工作點確定、測量數(shù)據(jù)的校 正及準(zhǔn)確的計算工具是設(shè)計好的磁體的關(guān)鍵因素。在這些應(yīng)用中，要求磁場的數(shù)值具有高精度的可重復(fù)性，以至于這種重復(fù)一陀要求很高，在一般情況下很難達(dá)到。

          （二）梯度線圈的設(shè)計
          主磁體是產(chǎn)生B0場的基本條件，可以說，沒有B0就無法確定中心頻率。與主磁體不同，梯度場是磁共振成像的基本條件，沒有梯度場就沒有核磁共振成像。為了對被成像物體的空間進(jìn)行定位，需要在非常均勻的主磁場內(nèi)人為地增加一個線性變化的梯度場。這個梯度場是通過在正交方向X、Y、Z軸上的至少三對線圈實現(xiàn)的，經(jīng)常使用的梯度線圈結(jié)構(gòu)見圖3-7。

 

          為了保證提供線性變化的梯度場，需要對梯度線圈提出如下要求：

          (l)梯度場強的要求。大約是主磁體的1/100，用峰值場強來表示，單位為mT/m0如果考慮梯度場的變化率，電可以用mT/ (m.• s)米表示，梯度強度及其變化率是描逑 梯度場的兩個重要指標(biāo)。通常的梯度強度的指標(biāo)是10mT/m，目前大已經(jīng)達(dá)到40mT/m的水平，甚至更高，如50mT/m。

          (2)梯度脈沖上升時問的要求，它是根據(jù)梯度強度和它的變化率所決定的。也是 確定脈沖序列速度的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。理想的梯度脈沖應(yīng)該具有快速倒向能力的矩形脈沖，因為矩形脈沖具有快的I卜升時間、陡的F降時問和蛀平的持續(xù)時間。用于描述這種特性的參數(shù)以mT/ (m • ms)為單位。 根據(jù)對梯度脈沖的要求，設(shè)計滿足要求的梯度線吲。在直角坐標(biāo)系X、Y、X方向上的梯度定義為：

          這里的日：表示MRI系統(tǒng)的主磁場，Gx、Gy、Gz表示在 正交的X、Y、Z軸上分量的大小，其中Gx、Gy稱為橫 向梯度，而Gz稱為縱向梯度。需要說明的，圖3-8是 理想狀況下的線圈原理圖。實踐當(dāng)中如何優(yōu)化，優(yōu)化后 的場強分布是關(guān)鍵。 梯度線圈可以表示成一個電感和電阻組成的電磁場回路，如圖3 - 12。

 

          該電路的時間常數(shù)為L/R，當(dāng)用該電路實現(xiàn)一個等效的上升時間為L/(qR）時，我們不難知道，等效電壓信號y和實際電壓脈沖信號ν (t)隨時間變化的關(guān)系。很顯然，圖3 - 11中的 ν (t)可以表示為：

          其中R、L是線圈的阻抗和感抗，q是上升時間的縮放因子，V是在t=0時的等效的 電壓脈沖幅度 ν (t) 是實際的電壓脈沖信號。從圖3-8的回路可以得到的理想電流和電壓值表示在圖3-9。對一個理想的線圈來說，小的電感可以減少脈沖上升時問，有利于改善梯度線圈的時問特性。但是電感受到構(gòu)造梯度線圈的材料和結(jié)構(gòu)的影響。 梯度線圈的性能參數(shù)可以歸納為線圈效率，電感和梯度的均勻性。把這三個參數(shù) 綜合在一起，可以用梯度線圈的品質(zhì)因子β來描述。線圈的效率是對線圈中心處單位 電流產(chǎn)生的磁場梯度的度量，數(shù)值越高越好。

 

          對于梯度的均勻性可以用梯度線圈理想的磁場強度分布和實際達(dá)到的磁場強度分布的相對偏差進(jìn)行定義：

 

          這里的V是線圈的有效體積，Bα、Bβ分別表示實際測量到的磁場強度分布和理想的磁 場強度分布。

          綜合以上三方面的因素，采用Turner 1993年的定義，梯度線圈的品質(zhì)因子口可以 表示為：

 

          這里∞是線圈的效率，在有負(fù)載的情況下，是線圈的有效效率；L是總的電感，而δ 為相對均勻性因子。這樣就可以根據(jù)成像的要求分別對X、Y、Z方向梯度線圈的特殊 需要進(jìn)行設(shè)計。圖3-10是優(yōu)化設(shè)計獲得的一個梯度線圈場強的二維分布圖。 目前大部分梯度線圈的設(shè)計給出平面上場強的分布，但是，耳前的發(fā)展是三維空 間的分布，把屏蔽線圈和勻場技術(shù)盡可能結(jié)合起來是發(fā)展方向。

          （三）RF線圈的設(shè)計 
          與梯度線圈相比，RF線圈作為MRI系統(tǒng)的探測器在系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。 如果能夠把RF線圈的信噪比做得很好，其成像質(zhì)量同樣可以達(dá)到提高主磁場相同的效果。而且線圈的形狀和大小的選擇余地非常大，可以為專門晌肚器或者人體組織的成像設(shè)計和制作特殊的RF線圈，也可以把微型RF線圈置于人體內(nèi)部成像，提高探測 某種特殊的病灶或者人體組織使得靈敏度和特異性達(dá)到佳化的要求，是MRI系統(tǒng)中 容易實施和改進(jìn)的部件。 RF線圈在MRI系統(tǒng)中是作為激發(fā)樣品和接收信號的共振器來使用的。
          所以，RF線圈包括只作接收信號的探測器或者發(fā)射、接收兩用的共振器兩種情況。習(xí)慣上把RF線圈產(chǎn)生的磁場定義為B1，方向和主磁壢B0和梯度場垂直。從場的觀點出發(fā)，G、B1和B0要根據(jù)場的疊加原理統(tǒng)一進(jìn)行分析和設(shè)計。但是由于B1和B0正交關(guān)系，所以設(shè)計和考慮B1場時可以不考慮B0場的影響，其實Bi比B0要小得多，對環(huán)境比較敏感， 容易受到干擾。 RF線圈的種類雖然很多，但是歸納起來可以分成兩類：體線圈和表面線圈。體線 圈把被成像物體包圍其中，例如赫爾姆茨線圈，馬鞍型線圈、以及高通和低通鳥籠線圈。體線圈中使用多的是鳥籠線圈，它的優(yōu)點是在大的體積內(nèi)可以產(chǎn)生非常均勻的 B1場，可以同時作為發(fā)射和接受線圈，如圖3-11所示的是高通和低通鳥籠線圈結(jié)構(gòu) 示意圖。

          表面線圈是貼在被成像物體的表面用于產(chǎn)生日場的線圈，包括各種形狀的單圈和 多圈的線圈結(jié)構(gòu)。由于這類線罔主要用于對局部組織成像，所以可以做成各種不同的形狀和尺寸，信噪比非常高，但是均勻性不太好。所以，RF表面線圈主要用于作為接 收線圈。目前使用多的表面線圈是很多線圈平行組合成一組，形成相共振的線圈。 使用相共振線圈可以實現(xiàn)MRI數(shù)據(jù)的同時采集，既可以提高采集信號的信噪比，又可以加快采集數(shù)據(jù)的速度。幾種常見的表面RF線圈的結(jié)構(gòu)如圖3- 12所示的是單回路以 及相共振表面線圈的結(jié)構(gòu)。

          對RF線圈的設(shè)計要求，歸納起來有如下幾點：均勻性要求。作為激發(fā)用的RF線 圈，需要以特定核的自旋頻率激發(fā)生物樣品內(nèi)部的自旋核，均勻性要求非常高，否則 就會對采集到的圖像形成的列比度造成醍解；高信噪比。尤其是接受RF線圈，這個 要求非常高；安全和不變形的要求。其他特殊要求不在這里討論。 
          由于RF線圈用途和要求的特殊性，其設(shè)計思路與方法和主磁體中使用的線圈、 梯度線圈、屏蔽和勻場的線圈的設(shè)計都不同，需要作為一個專n的問題進(jìn)行討論和分 析。但是，作為一個元件，RF'線圈在線路中的作用以及優(yōu)化電路的基本思路又是相同的，所以，RF線圈設(shè)計的基本思路和上節(jié)中介紹的梯度場線圈的設(shè)計也有類似的地 方，即把RF線圈產(chǎn)生的馬磁場表示成級數(shù)相加的形式，然后設(shè)法消去其中的某些項，使得高次項趨于。，從而達(dá)到優(yōu)化漫計的目標(biāo)。但是，對具體的RF線圈的設(shè)計，要考 慮的因素很多。這里介紹的理論分析只是解決RF線圈優(yōu)化的方向，完全確定參數(shù)還 依靠實驗和測試數(shù)據(jù)，其中經(jīng)驗是非常重要的。
 

          （四）NMR譜儀
          圖3 - 13所示的是對NMR收發(fā)譜儀中設(shè)計的一種技術(shù)方案，只是介紹這些功能和 如何實現(xiàn)這砦功能的考慮。在不同的系統(tǒng)中，可以實施的技術(shù)路線很多，這里介紹的只是其中可能的一種技術(shù)路線。

 

          圖3 - 14給出了譜儀中信號發(fā)生器的一種可能的原理圖。 自1998年以來，軟件NMR譜儀是業(yè)內(nèi)致力發(fā)展的MRI的綜合技術(shù)之一，這種技術(shù)主要是基于無線電技術(shù)的新動向而發(fā)展起來的，即所謂的軟件NMR譜儀技術(shù)。在軟 件NMR譜儀中不僅采用了全數(shù)字化處理，而且采用r中心頻牢和帶寬可編程、多核索可編程，這種譜儀具有很大的靈活性，可以用于不同的磁體和不同的核素。
          它涉及到多種新技術(shù)，其中包括：

          ①數(shù)字頻率合成和數(shù)字匕變頻( DUC)實現(xiàn)射頻發(fā)射機，也稱直接數(shù)字合成( DDS)，這一技術(shù)我們已經(jīng)實現(xiàn)；

          ②采用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)，進(jìn)行數(shù)字化，
          ③在高頻數(shù)字化后利用現(xiàn)場可編程邏輯器件( FPCA)實現(xiàn)數(shù)字下變頻(DDC)或數(shù)字上變頻(DUC)，然后使用DSP進(jìn)行數(shù)字濾波等處理；

          ④使用FPGA進(jìn)行數(shù)字相位檢測。 
          下面介紹如何實現(xiàn)軟件NMR譜儀的思想，提出了一種實現(xiàn)軟件NMR譜儀試驗平 臺的設(shè)計方案，隨后對各個模塊進(jìn)行了分析。整個試驗平臺可以根據(jù)用戶的需求產(chǎn)生 各種調(diào)制式的中頻信號；也可以接收各種．p頻信號，并下變頻成為基帶信號。另外，它利用通用微機完成形式多樣的基帶信號處理，使得整個平臺結(jié)構(gòu)簡單，功能強大。 軟件無線電技術(shù)是解決軍事通訊中的不剛體制、不同標(biāo)準(zhǔn)之間的兼容性而提出來的一種技術(shù)，它的出現(xiàn)和發(fā)展是繼無線電通訊從模擬到數(shù)字，從固定到移動以來的又 一次革命。利用軟件無線電技術(shù)可以將不同場強、不同核素、不同帶寬的序列的NMR譜儀集成在一起，提供一個通用的、靈活的、全頻段的、全核素的、同時具有并行數(shù)據(jù)采集軟件的NMR譜儀。
          這也為軟件無線電在核磁共振成像和增儀中的應(yīng)用提供了新 的領(lǐng)域。我們提出的軟件NMR譜儀的基本概念是利用通用的硬件（如DDS、FPGA和 DSP等）作為軟件射頻和數(shù)字處理的硬件平臺，而盡可能多地把譜儀功能和處理采用軟件（即可編程的方式）來實現(xiàn)。

          它的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下四個方面：

          ①譜儀系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)通用，功能實現(xiàn)靈活；

          ◎譜儀系統(tǒng)的改進(jìn)和升級方便；

          ③不同譜儀系統(tǒng)之間可以 替代；

          ④具有良好的復(fù)用性。 軟件譜儀的基本出發(fā)點是把硬件作為譜儀的基本平臺，而把盡可能多的數(shù)字化及 信號處理等功能用軟件來實現(xiàn)，這樣，新譜儀系統(tǒng)的開發(fā)將逐步轉(zhuǎn)移到軟件上。軟件 譜儀的關(guān)鍵思想與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于：將模數(shù)轉(zhuǎn)換( ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)向 RF（射頻）端靠近，由基帶移到射頻，同時用高速的DSP和FPGA等代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專業(yè)數(shù)字電路和低速DSP/CPU做ADC后的一系列處理。

 

          圖3-15給出了軟件譜儀的理想結(jié) 構(gòu)。但是，由于現(xiàn)在DSP、ADC、DAC技術(shù)等還不能滿足這種理想結(jié)構(gòu)的要求，圖3-16給出了現(xiàn)在具備的條件能夠?qū)崿F(xiàn)的軟件無線電結(jié)構(gòu)，它將專用的可編程DDS、DUC、 DDC代替了DSP的中頻信號處理功能。這里討淪的軟件NMR譜儀試驗平臺結(jié)構(gòu)就是基 于圖3- 15所示的縮構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的，對此我們利用r可編程的上變頻和下變頻芯片代替數(shù)字處理器( DSP)，用于彌補目前DSP運算速度不能滿足軟件無線電要求的缺陷。