AIR Technology 磁共振射频系统革命

磁共振成像主要利用人体内氢质子等的自旋共振进行成像。在超导磁场环境中，使用垂直或倾斜角度的射频脉冲来完成共振。射频脉冲是一种交变的射频磁场，由谱仪（Spectrometer）其中的一块电路控制板发出，经过射频放大器放大到所需要的功率后进行处理，并送入发射线圈（通常是正交体线圈Quadrature Body Coil）发射。人体内的氢质子经射频发射信号激发形成共振信号，在弛豫过程中，由各类体表线圈接收并进行放大，通过频率，相位编码以及检波滤波处理后，由重建处理器完成图像重建，传输至主机工作台。因此射频系统是影像磁共振最终成像效果极为重要的核心部件之一。射频系统由射频发射，射频接收线圈，射频传输转换链路等多个子系统构成。磁共振发展历程中，射频系统一直是磁共振性能革新的聚焦点，给磁共振临床应用带来了极大的突破。然而受限于电路系统以及电子元器件的发展，近年来磁共振射频系统已至瓶颈。作为最早的医用超导磁共振厂商，GE一直引领磁共振射频系统技术的发展，并率先推出全新的AIR Technology 射频系统，对射频系统进行全方面革新设计。

1 AIR Touch智能感知射频发射

多源射频发射解决了超高场磁共振射频信号不均匀的问题，然而射频信号激发依然存在精准度的问题需要解决。基于MultiDrive多源射频发射系统，在全新的AIR射频平台上，GE实现了全新的AIR Touch智能感知射频发射技术（图1）。人体进入静磁场后会造成磁场偏移效应，进而引起共振频率的偏差。传统磁共振中采用匀场的方式来纠正人体对于静磁场的偏移，搭配以固定的中心频率模型来进行射频信号的激发。然而由于匀场技术的限制以及个体间的差异，难以保证扫描视野内的磁场始终一致，这便造成了最终成像中不同层面图像的错位。AIR平台将首次采用基于人工智能成像的生物感知激发技术-AIR Touch。该技术通过全新智能技术进行独立的射频激发调控以及涡流场的矫正。在预扫描、扫描成像与图像重建全过程中对射频频率便宜进行纠正。在射频激发过程中，采用多源射频隔层进行中心频率的选择，实现中心频率的“有层可依”。

图1 传统匀场+固定中心频率激发，造成层间错位（a）和AIR Touch智能感知激发，修正每一层中心频率偏移（b）

2 全新AIR Coil线圈电路材质革命

射频接收线圈所指为临床常见的表面线圈，用于紧贴成像部位成像，部位越近信号越强。一个相控阵线圈由多个子线圈单元构成，每个线圈单元大小约为15～18 cm，同时具备多个数据采集通道与之对应，信噪比成倍提升，与并行采集技术相结合可以大大提高MRI的信号采集效率。目前临床上高场MRI已经全部采用相控阵线圈进行采集，部分线圈的采集通道数最高已经可以达到32个（图2）。然而线圈单元采用传统铜质电路板设计，在相邻线圈单元互相接近后，由于电路材质以及系统的原因，产生互感效应，信号反而衰减，因此传统线圈单元间可重叠距离仅有2 cm。在不减小线圈采集单元大小的情况下，单部位线圈采集通道已达上限，这极大地制约了磁共振射频接收线圈技术的发展。而在保障图像质量的同时，作为唯一与人体密切接触的部件，临床对于线圈舒适性也提出了更高的要求。

图2 相控阵线圈，多个线圈单元组成 （a）和线圈单元靠近后互相干扰，单位面积线圈单元数量存在上限（b）

传统相控阵线圈最大接收通道为32通道，一般用于头颅线圈之中。而全新的AIR Coil突破了线圈密度的限制，最大接收通道相比传统线圈提升了50%，达到了48通道，成为当前最高通道数的神经科研专用线圈。

AIR射频平台采用了完全革新的电路材质来进行线圈系统的设计。AIR Coil线圈使用革命性材料INCA纤维导环作为线圈单元材料，同时将包含高通去耦电阻，前置放大器，电容器等相应电路元件集成到芯片中，摒弃传统的铜线电路板结构。这种全新的线圈单元重量仅为传统线圈单元的1/3，并且能够有效克服线圈单元之间的互感效应，将相邻单元之间的重叠范围增加到原来的3.5倍以上，进而实现了最大密度的线圈单元通道分布。

如前文所述，传统相控阵线圈最大接收通道为32通道，一般用于头颅线圈之中。而全新的AIR Coil突破了线圈密度的限制，最大接收通道相比传统线圈提升了50%，达到了48通道，成为当前最高通道数的神经科研专用线圈（图3）。成像过程中，AIR Head Coil信噪比提升约1.4倍，能够兼容最高八倍的多层采集系数，大幅提升功能成像速度。另一方面，线圈距离扫描部位越近信号越强，INCA线圈单元克服互感的特性使其具备了当前业内唯一的3 cm的可扩容特性，能够更加贴合儿童等不同体型的人群，实现完美的神经信号采集效果。

图3 线圈

3 AIR Thunder一比一射频传输链路

在射频表面线圈接收到回波信号后，仍需要进行信号的传输并转换为数字信号由重建计算机进行重建。在这一过程中，射频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。随着线圈接收通道的不断提升，对于射频传输链路的承载以及转换性能也提出了更高的要求。完整的射频传输链路从表面线圈接收通道开始，经过短程的多通道射频信号传输至模拟数字转换器（ADC转换器）转换为数字信号。由于射频信号依然为电信号，在传输过程中容易造成损失，因此在早期射频传输链路的发展中，快速实现ADC转换成为一大核心。通过将设备间的ADC转换器移至磁体间，大大地减少了射频信号传输的距离，降低了传输中射频信号的损失，这便是光纤或者数字化射频传输的概念（图4）。

图4 光纤射频传输链路的发展，ADC转换器磁体间前置

在整个射频传输链路中，包含有3个关键性的指标，即线圈接收通道数，射频同时传输通道数以及ADC转换器个数，其中线圈接收通道以及同时传输通道往往一致，称为传输通道数，而最终接收信号并进行转换的ADC个数称为接收的通道数。在传统射频传输链路设计时，考虑到ADC转换器本身的成本，以及早期射频线圈通道数的限制，所采用的为传输通道M：接收通道N的设计，即ADC转换器个数小于传输通道数。这种射频传输链路大幅节约了硬件成本，同时可以顺利完成单部位检查，在射频传输链路中被广泛使用。然而随着联合扫描需求的变高以及单部位线圈通道的提升，M：N的射频传输链路的问题开始呈现。举例来说，传输通道设计为204个，而ADC转换器个数为48个。在线圈通道控制在48通道以下时，可以顺利完成检查。而一旦线圈传输通道超过48个时，此时射频系统接收能力将会不足，实际的射频传输链路的接收能力依然为48个，无法充分接收射频线圈采集到的信号。因此只有当传输通道数与接收通道数一一对应时，才能发挥最大的射频传输链路性能。AIR Technology搭载了全新的AIR Thunder一比一射频传输链路。从每个线圈单元采集到的信号均有一一对应的射频传输通道和ADC模数转换器，最大可同时实现146个射频传输链路传输转换。射频传输性能将不会受到ADC转换器个数的限制，最大化发挥线圈采集的能力，同时也为未来更多通道的线圈以及更多组合使用的场景提供射频传输基础（图5）。

图5 传统M:N射频传输，性能受到ADC转换器限制（a）和AIR Thunder M:M一比一传输链路（b）

4 结语

射频系统毫无疑问是磁共振设备中最为重要的核心技术部件之一，它贯穿着整个磁共振信号产生采集传输的流程。磁共振临床应用需求的不断提高以及技术的迭代发展对射频系统提出了更高的性能要求。全新AIR Technology射频平台集成智能感知射频发射技术，革命性INCA线圈单元设计的AIR Coil以及AIR Thunder一比一射频传输链路，实现磁共振射频系统从组织激发到数据采集，传输转换的全面创新，为更高通量的磁共振信号获取，更快速地磁共振信号采集，更深度地磁共振影像科研奠定了坚实的硬件基础。