磁共振射频子系统主要参数对整体性能的影响

【作 者】金玮，李斌

上海交通大学附属第六人民医院 医学装备处，上海，200030

1 射频回路介绍

在磁共振成像过程中，为了使人体内的自旋核发生共振，必须在原有磁场B0的垂直方向加入射频脉冲。射频脉冲是一种射频磁场，也是交变磁场，通常用B1表示。磁共振射频信号最初是由谱仪（Spectrometer）其中的一块电路控制板发出。此信号是小信号，在经过了射频放大器放大到所需要的功率，经过一系列的信号处理后送入发射线圈（通常是正交体线圈Quadrature Body Coil）发射。人体内的氢质子经射频信号激发后在弛豫过程中发出磁共振信号（回波），由各类体表线圈接收并经过放大器放大，再经过频率、相位处理和检波、滤波等后，由重建器重建图像，最后传输到主机工作台。

对于接收回波信号的各类线圈来说，只有在线圈的固有频率和人体内氢质子的共振频率相同时，才能达到最大的接收效率，因此在成像前必须采用调谐的方法来进行控制。射频回路中除了射频信号的发射与接收，还有射频信号的调谐控制这一路。调谐信号同样由谱仪其中的另一块电路控制板发出，通过调谐线圈(Tune coil)来控制体线圈与表面接收线圈的谐振(Tune)与去谐(Detune)。通常在发射射频信号时，体线圈处于谐振状态，而接收线圈处于去谐状态；在接收回波信号时，接收线圈处于谐振状态，而体线圈处于去谐状态，实际上达到了一个去耦的作用。这样，既可以增加信号的接收效率，也可以在体线圈发射功率很大时有效地保护各类接收线圈。

2 射频系统的主要参数

2.1 射频放大器最大发射功率

谱仪发射的射频小信号传输到射频放大器后，射频放大器将小信号放大到所需要的值，作为激励信号激发人体内的质子用来成像。射频放大器的最大发射功率决定了系统放大射频小信号的能力，这是一个上限值。实际上在进行磁共振成像时，射频的能量根据病人的体重以及扫描序列的参数设定等是可变的。举例来说，病人的体重越重，组织内需要激励的氢质子就越多，所需要达到的射频功率也就越大[1-3]，如果射频功率过小，那么所选择扫描层面的氢质子无法被完全激励，对于成像质量会有很大影响。因此，对于射频放大器而言，信号的放大能力是非常重要的，这直接关系到成像的质量。

如今各家医院购置的磁共振设备基本是场强为1.5 T和场强为3.0 T这两种。相比较1.5 T和3.0T的磁共振设备，由于共振频率和射频吸收随着主磁场场强的增加而增加，因此射频激发脉冲的最大功率也必须相应地增加。也就是说，高场强的磁共振设备需要更高的射频输出能量。综观现在一些场强为3.0T的主流磁共振设备，如GE公司的HDx3.0和西门子公司的Verio3.0，这两款型号的机器其射频放大器体线圈的最大功率均为35 Kw；而对于1.5 T磁共振，如飞利浦公司的Achieva1.5T Pulsar和西门子公司的Essenza两款机型，其体线圈射频发射最大功率均为 15 Kw。

然而，对于3.0T磁共振设备而言，仅仅关注射频能量的放大能力是不够的。射频能量被人体内的氢质子吸收后，部分成为回波信号被表面线圈所接受，还有部分被人体局部吸收，以热量形式释放出来，导致体温升高。因此，在高场磁共振中扫描中引入了射频能量吸收率(SAR)这一防护概念[4]，表示人体单位体重在单位时间内所吸收的射频能量，SAR值超过系统设定阈值时，MR会自动停止扫描，保护病人免于射频灼伤。经研究表明，SAR值与病人的体重、射频能量、主磁场场强和扫描序列的TR等因素有关[5]，在追求射频能量放大的同时，射频防护也是相当重要的。

射频放大器最大发射功率越大，在需要增加射频能量时所能选择的范围就越广，某些序列的成像质量相对越好，但是采购的成本会增加。

2.2 射频发射通道数

如上所述，射频小信号源从谱仪的射频发射电路传输到射频放大器放大，由于目前的磁共振设备都是一个射频放大器对应唯一的一路射频信号源，因此射频发射通道数目前一般可以理解为射频放大器的个数。在CT领域，西门子公司数年前推出了双源CT。类似地，在磁共振领域，飞利浦公司率先推出了TX型号的磁共振设备。该机型与原来的Achieva Xseries机型最大的区别就在于谱仪采用了两个相互独立的射频发射控制电路，对应两个射频放大器，两路射频信号经不同的射频放大器后传输到体线圈发射。另外，东芝公司的Titan系列采用了4源并行射频发射技术，且已投入应用。

射频发射通道数的提高，主要可以解决两个制约传统MR成像发展的问题，一个是抗电阴影，另一个就是上面提到过的SAR。造成抗电阴影最大的原因就是射频场B1的不均匀性，由B1场的不均匀性导致了激励时翻转角的偏离和图像的阴影[6]。射频源由单源变为双源或四源，射频发射通道数由单通道变为2通道甚至4通道，这样做的好处是可以进行射频匀场。因为每个发射源对应独立的射频放大器，可灵活地控制每个发射源的幅度、相位和波形等参数，多个发射源对应的发射线圈单元即可合成均匀的发射场B1，从而解决B1不均匀性带来的抗电阴影。同时，在B1匀场后，SAR的分布均匀性也得到了提高，局部高SAR热点消失。局部SAR又是约束FSE等序列回波链的因素，回波链的增加可以加快扫描速度。可以说，射频源的增加，即射频通发射通道数的增加对于MR成像发展有着极大的促进作用。

射频发射通道数越多，通过匀场可以得到质量更高的图像，也可以解决被高SAR值和抗电阴影限制的扫描速度问题。但是，这样的射频系统会变得更加复杂，发生故障的可能性增加。

2.3 射频接收通道数

在射频子系统中，最能直观体现整机档次的参数是射频接收通道数，又称射频同时并行终端接收通道数。

在射频回路的接收端，当表面线圈接收到回波信号后，经过前置处理传送到谱仪，再经过后置处理送入重建计算机重建。在此过程中，信号是多路同时传输的，每一路都包含了反映人体检查部位的不同信号。对于诊断医师来说，射频接收通道越多，传递的人体信号就越多，对于临床诊断就越有利。对于操作技师来说，更多的射频接收通道数意味着更灵活的序列参数设置和更清晰的图像质量，以及更快的扫描速度。

射频接收通道与线圈的配置密切相关，低通道的系统无法配置高通道的线圈，各类线圈只有跟系统射频通道数相匹配才能使用。因此，医院在采购设备时，射频接收通道数不仅直接决定了该设备的档次，也决定了所配线圈的档次和可使用线圈的数量，最终也就决定了采购成本。目前市场上对磁共振设备的需求主要以8通道和16(西门子为18)通道居多，也有部分达到高配置32通道。需要说明的是，根据用户的不同需求，射频接收通道是可以进行升级的，8通道可以升级到16通道，16通道也可以升级到32通道。当然，相对应的线圈配置也会升高。以我院正在使用的西门子Verio3.0T为例，该机型具备8通道和18通道两种配置，而我院在09年采购的是18通道机型，在将来可以升级为32通道。

射频接收通道数越多，成像速度越快，配合更高通道的线圈成像质量也越好，但是相应的采购成本会上升。

2.4 加速因子

加速因子是磁共振并行成像技术中的一个概念。在介绍加速因子的同时，也简略介绍对磁共振成像有革命性影响的并行采集技术。

成像速度一直是临床应用中人们关注的问题。并行成像技术在信号采集过程中沿相位编码方向隔行采集，每个线圈单元在保持K空间不便的前提下减少相位编码数，采样位置间距增加，因此扫描野（FOV）减小，从而产生一系列具有卷褶伪影的图像。此能利用先前扫描得到的校正图像，用数学重建方法即可去掉伪影[7]。描述K空间采样数目减少的量定义为加速因子，加速因子越大，减少的编码数越大，理论上信号采集的速度就越快。

常用的并行成像技术有SENSE，mSENSE和GRAPPA等。在SENSE成像中，像素ρ处的SNR可表示为：式中的R即为加速因子。该式反映了提高加速因子所带来的一个副作用：在其它变量一定的情况下R越大，像素ρ的信噪比就越小。

因此，在临床应用中，虽然血管造影、心脏成像以及动态对比剂胸部成像等检查都特别需要用到并行成像技术，但是加速因子的设置一般不会太大，通常设为4，8或者16，以此来平衡图像信噪比和扫描速度。

几款3.0T机型中，GE的HDx加速因子为4，相对较小，而西门子的Verio和飞利浦的Achieva系列加速因子都能达到16，16也是目前几乎所有线圈的最大通道数(一般加速因子不超过线圈的通道数)。随着并行成像技术的继续发展，加速因子可以增加到32甚至更高。

加速因子越大，某些序列的扫描速度就越快，但是图像的信噪比会下降。

3 射频线圈

表面线圈也是射频系统中的一部分，但却是极其重要的一部分。在临床应用中，为了更好地配合病人检查不同的部位，每一套磁共振设备都配有许多不同的线圈，常用的线圈有头颅线圈、头颈联合线圈、全脊柱线圈、心脏线圈、乳腺线圈、腹部线圈和关节线圈等。外观上每个线圈的形状大小都不同，线圈内部的电路也不同，根据扫描部位采用相对应的线圈来达到最佳成像效果。

由于不同的医院对于诊断的需求不同，因此线圈在整机采购中属于选件。一般地讲，设备厂商会将一些最基本的线圈包含在整机报价内，比如正交头线圈、并行相控阵头颅线圈、并行相控阵全脊柱线圈和并行相控阵体线圈等(对于GE和飞利浦而言)。而乳腺线圈、头颈联合线圈和关节线圈等，根据临床诊断需要设备厂商另外报价，由用户选配。

在购置线圈时，我们所关心的两个参数是线圈的通道数(channel)和线圈的单元数(element)，两者相互联系。线圈的通道数和单元数是固定的，除非以更换整个线圈的方式来升级，否则不可在原线圈上直接升级。在近几次采购过程中，线圈的单元数也作为评价线圈优劣的一个标准。线圈通过单元来接收信号，线圈的单元数指的是一个线圈上最多能接收回波信号的基本单元数量。尽管各家厂商的线圈设计不同，但是一般来说，线圈的单元数越多越好。而线圈的通道可以理解为接收线圈与之后的射频通路之间的对接，线圈的通道数与系统的射频接收通道数应该相匹配。上文已经提到，线圈的通道数可以小于等于射频接收通道数，但不能大于射频接收通道数。

以下通过举例来详细分析线圈通道数和线圈单元数。对于3.0T的并行相控阵头颅线圈，Philips Achieva配备的该线圈为8通道8单元，GE的HDx配备的该线圈也为8通道8单元，此两种线圈均为一单元对应一通道。Achieva3.0T的最低射频接收通道数为16，可以与8通道的头颅线圈匹配；HDx的最低射频通道数为8，在升级为16通道后也可以使用8通道的头颅线圈。西门子由于采用了TIM技术，头颅线圈配置为8通道（特定模式下为12通道）12单元，根据扫描模式不同分为CP模式、Dual模式和Triple模式，CP模式下基本没有应用到并行成像技术。12个采集单元以三个单元为一组一共四组传递信号，这就等同于一个虚拟的4“大单元”线圈。换言之，在这种模式下头颅线圈的8个通道并不是每个通道都有信号传递，图像的信噪比相对较差，扫描部位的周边成像效果比中心成像效果较差。在Dual模式下，12个采集单元不规则成组，最终虚拟为一个8“大单元”线圈传递信号通过所有的8个通道，优化了成像质量。在Triple模式下，12个采集单元不再互相组合，而是一个单元对应一个通道，图像质量更佳。

4 结语

在医疗设备市场日趋成熟的今天，各家设备厂商都在研发新的技术来提高磁共振设备的性能，更好地满足临床诊断的需求。在射频领域，射频放大器的最大功率值越来越大，射频发射通道数和接收通道数越来越多，加速因子数也会越来越大。然而，上述提到的一些射频系统的重要参数的增大有利也有弊。但是不管怎么样，未来磁共振射频子系统必然朝着不断优化射频链(包括线圈)的方向发展。作为用户，我们在采购磁共振设备之前必须对不同厂商不同型号设备的特点有更多的了解，知道评价设备参数项的具体含义，做更多的比较，从而根据自身的需求选择性价比最高的产品。

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