西门子磁共振射频系统原理与故障分析

2011-01-31蒋东平何贤国邹庆辉

中国医学装备 2011年9期

蒋东平何贤国何燕邹庆辉

1 序言

医学成像是生物医学工程学科的重要研究领域，包括近年来发展起来的X射线计算机断层成像（X射线CT机）、磁共振成像、核医学成像和超声波成像等方面。随着低温技术、超导技术、磁体技术、电子技术和计算机技术等相关技术的进步，磁共振成像得到了飞速发展。如今，磁共振成像系统已经成为现代医学影像领域中最先进、最昂贵的诊断设备之一，磁共振一词已经家喻户晓，未来它仍将以一个新兴学科的面貌在工程技术和医学诊断两个方面持续发展。

磁共振成像（Magnetic resonance imaging， MRI）是根据生物体磁性核（氢核）在磁场中的表现特征成像的高新技术，它的物理基础为核磁共振（Nuclear magnetic resonance，NMR）理论。所谓NMR是指物质磁性和磁场相关的共振现象，在外磁场的作用下，某些绕主磁场进动的自旋的质子（包括人体中的氢质子）在短暂的射频电波作用下，进动角增大，当射频电波停止后，那些质子又会逐渐恢复到原来的状态，并同时释放与激励波频率相同的射频信号，这一物理现象被称为核磁共振。

磁共振成像系统是集多学科、多技术于一体的高科技产品，无论是新产品的研制、新技术的开发、还是实际工作中对其维修与保养，都需要人们掌握一定的磁共振理论知识，并对机器工作原理有所了解。

2 射频系统的简介

射频子系统（RF system）是MRI系统中实施射频激励并接收和处理RF信号的功能单元，射频系统不仅要根据扫描序列的要求发射各种翻转角的射频波，还要接收成像区域内氢质子的共振信号。

射频脉冲的频率就是系统的氢质子共振频率，即拉莫频率（42.5758 MHz），依据磁场的强度一般是固定不变的，以西门子1.5 T来说，它的发射频率约为63 MHz，由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，然后标准频率的RF波进入调制器Modulator，调制器的作用是产生需要的波形，在这一过程中，RF脉冲要经过多极放大，使其幅度得以提高。射频脉冲发射单元的最后一级为功率放大器Radio Frequency Power Amplifier，它输出一定发射功率的射频波。这一RF波要经过一个阻抗匹配网络Impedance Matching (Tuning)进入射频线圈。阻抗匹配网络在这里起缓冲器和开关的作用。由于有些线圈比如体线圈Body coil既是发射线圈Transmit coil又是接收线圈Receive coil，必须通过阻抗匹配网络的转换。射频发射时，它建立的信号通路阻抗非常小，使线圈成为发射天线；射频接收时，它建立的信号通路阻抗非常大，线圈成为接收天线。接收单元的功能是接收人体产生的磁共振信号，并经过适当放大处理后进入接收板进行模拟数字转换。综合上述，我们可以看到西门子射频系统基本可分为如下几大部分∶

调制器Modulator；射频功率放大器RF Power Amplifier；阻抗匹配网络Impedance Matching也可称为调谐单元Tuning Unit；发射线圈Transmit coil；接收线圈Receive coils。

图1 射频系统框图RF System Block Diagram

接收信号放大器和接收处理器Receive signal amplifier and receiver详细框图请参考图1射频系统框图RF System Block Diagram。

3 射频系统各个单元工作框图和基本原理

3.1 调制器和合成器(Modulator and synthesizer)

调制合成器如图2所示他的主要功能是计算和产生射频小信号，经过混频、同步以及滤波后，得到带有一定频率的射频脉冲信号。典型的射频脉冲如图3所示。

图2 调制器和合成器

图3 典型的射频脉冲

3.2 射频功率放大器(RF Power Amplifier）

射频脉冲放大器如图4所示。它是把前一级的射频脉冲小信号进行功率放大，它是射频发射单元中的关键组成部件。一般要求它不仅能够输出足够的功率，还要有一定宽度的频带和非常好的线性，因此功率放大器的工作必须是非常可靠的。西门子的射频功放采用的是真空固态功率放大管（Vacuum tube and solid state power stage amplifier），然而真空管和固态功率放大器通常它的输出特性是非线性的，主要有两方面的影响∶增益取决于输入功率的水平，相位取决于输出功率的水平。射频功率放大器输出特性如图5所示。从图5可以看出，在很低的输入水平时它的输出功率并没有线性的放大。

图4 射频功率放大器

图5 射频功率放大器输出特性

射频小信号输入到射频功放之前，必须预校准，见上面右图中的虚线部分（inverse function），预校准的曲线叠加上测量到的输出曲线，最终得到一个理想的线性的射频脉冲。线性的射频特性和预校准示意图分别如图6及图7所示。

图6 线性的射频特性

图7 预校准示意图

图8 发射线圈

3.3 发射线圈（Transmit coil（Body coil））

射频发射线圈如图8所示，它相当于一个纯的50 Ω负载，负责把射频功放发送过来的射频能量施加给人体，用以激励人体中的氢质子，使其发生旋转而产生共振。在射频激励过程中，发射线圈作为换能器，将RF功率转换为在成像空间横向旋转的射频磁场Bo，该换能器效率越高，就越可能用较小的射频功率在成像空间内获得较大的Bo场，一个品质优良的发射线圈，不仅要有高的发射和接收率，而且要使它的射频场有足够的空间均匀性。

3.4 接收信号单元（Receive signal unit）

信号接收单元如图9所示。接收人体信号的任务主要由接收线圈来完成，线圈接收到的人体磁共振信号，被送到射频接收放大器，并经过适当的放大处理后供数据采集单元使用，前置放大器是射频接收单元的重要组成部分，从接收线圈中感应出的FID信号只有微瓦数量级的功率，这就要求它既要有很高的放大倍数，又要有很小的噪声，在工作频率附近要求有较为平坦的频率响应，并在很大范围内有好的线性放大特征。信号经过前置放大器放大后到达混频器，为了提高放大器的灵敏度和稳定性，在这里采用了外差接收的方法，使信号于本机振荡混频后产生一个中频信号，即将RF信号转换至较低的中间频率上，该信号经中频放大器进一步放大后送往低通滤波器，滤除其中混杂的交流成分后送到数据采集系统供AD转换用，最后得到原始数据再进行图像后处理。

图9 信号接收单元

图10 发射接收回路测试结果图

图11 接收回路测试结果图

4 西门子射频系统维修实例

4.1 故障现象

系统不能扫描，一扫描就停止，设备管理器出现红色报错信息∶

Frequency adjustment error，Receiver signal too low，please reboot the syngo system。

更换不同的接收线圈，故障现象一样。

4.2 维修过程

（1）首先进入设备硬件查看器MR Scanner中查看系统各部分硬件状态，发现都是正常的绿色箭头，说明各个硬件部分通讯都是正常的，也说明了各个硬件的供电系统没问题，但其具体功能是否还具备，需要做进一步的排查。

（2）更换不同的线圈进行扫描，得到了一模一样的故障现象。

（3）手动调谐接收线圈，在adjustment里的Frequency中，找不到FID自由衰减信号，只得到一大片的噪声波形。而LC_tune中的接收线圈调谐则能通过，这个重要的信息排除了接收线圈坏的可能性。

（4）有了上面的结论，就重点放在射频信号的发射和接收通道上。先做发射板和接收板的回路（MOD./REC）测试（即射频信号由发射板出来，不经过任何发射和接收通路，直接回到接收板中），结果显示指标全都在范围内，说明发射板（TX Module）和接收板(RX Module)都是正常工作的。详细测试指标参见图10和图11。

（5）继续做LCCS测试都可以通过，说明整个接收回路前置放大部分到接收板都是正常的。

（6）做Test tools中的Imager和RX4，以及MMC测试，都正常。说明发射接收的控制部分都是好的，这样就确定了问题是出在发射通路上。

（7）问题出在发射上，无外乎三种可能(请参考射频系统框图12)∶

第一，射频功率放大器RFPA损坏；

第二，RFPA到发射线圈之间的连接；

第三，发射线圈TX coil（Body coil）。