醫(yī)學(xué)影像專業(yè)課程-核磁共振硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳細(xì)介紹.ppt

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核磁共振硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳細(xì)介紹 醫(yī)學(xué)影像專業(yè)課程 12 1Introduction 主磁體 Magnet梯度系統(tǒng) GradientsystemRF系統(tǒng) RFsystem計算機系統(tǒng) Computersystem PDP11 VAX SUN SGI PC 多用戶操作系統(tǒng)VMS 早期 UNIX 文件存檔 MODDVDCDR 3T Linux GE WindowsXP SIEMENS Philips MR系統(tǒng)構(gòu)造 MR系統(tǒng)部件和構(gòu)造以及T R轉(zhuǎn)換開關(guān) 12 2主磁體 主磁體是MR的主要部件主磁體特性 穩(wěn)定性 Stability 均勻性 Homogeneity 非均勻性Inhomogeneity ppm variation T fieldstrength T 106 主磁體類型 永磁體 Permanentmagnet常導(dǎo)體 Resistivemagnet超導(dǎo)體 Superconductingmagnet I永磁體 Permanentmagnet 永磁體使用磁性材料產(chǎn)生磁場 高剩磁稀土合金 如SmCo5 Nd Fe B ALNICO 鐵 鈷合金 SmCo5ALNICO 釤鈷鐵鈷合金 Nd Fe B 釹 硼 鐵合金 0 2TALNICO23噸Nd Fe B4噸 HITACHAIRIS mate 0 2T 7 8噸AIRIS 2 0 3T 10噸APERTO 0 4T 13噸 釹鐵硼材料優(yōu)點 高剩磁缺點 溫度系數(shù)比較大 1 結(jié)構(gòu)Ring 環(huán)型 Yoke 軛型 C shape H shape yoke 有源材料產(chǎn)生B0 無源材料形成磁路 2 影響因素 剩磁 Remanence 矯頑力 Coerciveforce 指破壞磁體磁化狀態(tài)所需之力也就是使磁感沿磁滯回線減少至零時所需的磁場強度矯頑力大 硬磁材料矯頑力小 軟磁材料磁路結(jié)構(gòu) Magneticcircuitstructure 一般永磁體場強不大于0 5 開放 孩子 幽閉癥 介入 系統(tǒng)構(gòu)造簡單不產(chǎn)生熱運行成本低維護費用低壽命長永磁體場強對溫度非常敏感 0 1 C 例如 Nd Fe B磁體溫度升高1 C 磁場降低約1000ppm II常導(dǎo)體 Resistivemagnet 1 電磁理論 Electromagnetismtheory 線圈中有電流時會產(chǎn)生磁場 并會導(dǎo)致線圈溫升 Air coredresistivemagnetconstructedusingfourcoilsarrangedeitherhorizontallyorvertically Air coredresistivemagnetsIron coredresistivemagnets 2 材料的選擇銅 Copper 電導(dǎo)率大 密度大 價格高 產(chǎn)熱少 鋁 Aluminum 電導(dǎo)率小 密度小 價格低 產(chǎn)熱多 線圈產(chǎn)生的熱量由去離子水帶走3 穩(wěn)定性 不太好4 均勻性 不太好 III 超導(dǎo)磁體 Superconductingmagnet 1 超導(dǎo)理論 當(dāng)溫度T降低到臨界溫度 criticaltemperature 電阻突然變?yōu)? 測量不出 電流可永無休止的流動 超導(dǎo)磁體可產(chǎn)生強磁場超導(dǎo)材料臨界溫度 普通鉛 Plumbum 7 4K鈮鈦合金 Niobium Titanium 20K稀土陶瓷 Ceramic 100K 2 超導(dǎo)材料類型 II Ni 鈮 V 釩 Tc 锝 alloyorcompoundI otherMR TypeIIMullityNbTialloyfilamentscomplexlead 鈮鈦合金多芯復(fù)合超導(dǎo)線 位于銅基中 isverypopular anditcanload700A 3 超導(dǎo)材料的選擇 可負(fù)載大電流可保持超導(dǎo)狀態(tài) 4 2KHe MR系統(tǒng)提供的低溫制冷裝置系統(tǒng)可使所選超導(dǎo)材料保持超導(dǎo)狀態(tài) 超導(dǎo)材料要有合適的物理特性 可塑性 plasticity 和柔韌性 pliability 4 構(gòu)造 EarlySCmagnet NbTi纖維包埋在銅材中銅材在失超時保護超導(dǎo)線圈 超導(dǎo)磁體線圈 基于均勻性的考慮常使用4 8組獨立線圈 5 磁體特性 場強均勻性穩(wěn)定性 高場MR的優(yōu)缺點 信噪比圖像細(xì)節(jié)速度功能成像 But 化學(xué)位移偽影RF功率沉積高場強設(shè)備發(fā)射機功率通常是10 25kW 利用SAR對其加以限制 尤其是 1 5T時 RF沉積將限制重復(fù)時間 RF穿透性RF場在人體組織內(nèi)感應(yīng)電流 部分抵消了RF場 降低了RF脈沖穿透組織的深度 導(dǎo)致RF激發(fā)的成像容積不均勻 T1弛豫時間T1弛豫時間隨場強增加而增加 更易發(fā)生飽和 使SNR與場強不成正比 更高的梯度要求梯度場隨場強成比例地增強要求驅(qū)動放大器的功率增加噪音更大價格一般情況場強高 價格高 對人群的影響更易對其他病人和設(shè)備產(chǎn)生影響 更應(yīng)考慮雜散場 afullyloadedpalletjackthathasbeensuckedintotheboreofanMRIsystem MRI系統(tǒng)不同磁體類型比較 12 3低溫系統(tǒng)和制冷劑 Lowtemperaturesystemandcryogen I 低溫系統(tǒng)維持低溫使超導(dǎo)線圈處于超導(dǎo)狀態(tài) 低溫容器 Dewar 磁體線圈位于Dewar中 Dewar必須有好的絕熱性能 adiabatic II制冷劑液氮 LiquidNitrogen 77K液氦 LiquidHelium 4K 為了把液氦 超導(dǎo)線圈與環(huán)境分割開來 需要低溫保持器 cryostat 20K 70K 80K 液氦量的測量 Heliumlevel 勵磁 Excitation 退磁 Demagnetization 1勵磁過程 Excitationprocess A 冷卻磁體 Coolingmagnet 主磁體線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)B 線圈加載 Windingsareloadedcurrent 注入電流電流注入過程 Loadingprocess 1 加熱超導(dǎo)開關(guān)使之無效 2 線圈兩端加載電壓在線圈內(nèi)感應(yīng)電流 3 當(dāng)B0符合要求時 關(guān)閉加熱器 超導(dǎo)開關(guān)恢復(fù)超導(dǎo)狀態(tài) 4 電流在超導(dǎo)線圈內(nèi)循環(huán)流動 UH 加熱電壓 超導(dǎo)開關(guān) 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 超導(dǎo)線圈的部分不再是超導(dǎo)狀態(tài) 線圈儲存的能量部分變成熱能散出 熱能使線圈其他部分加熱繼而失去超導(dǎo)狀態(tài)產(chǎn)生更多的熱量 惡性循環(huán)直至遍及整個磁體發(fā)生失超 失超使設(shè)備經(jīng)歷劇烈的熱脹冷縮和磁力變化 使原有有源 無源勻場失效 失超原因 Fluxjump 磁通跳躍 釋放能量Frictionresultingheat 摩擦生熱 線圈的微小運動失超導(dǎo)致 B0的崩潰瓦解液氦迅速沸騰 boiling off 爆破膜 Bursting disks 在高壓下爆破 使得大量的氣氦溢出低溫保持器 自發(fā)的失超 Spontaneousquenches 很少發(fā)生 如果需要失超 線圈儲存的電能沉積在假負(fù)荷 dummyload 避免損傷磁體 這是一個耗費昂貴的過程 失超保護二極管和失超保護電阻Quenchprotectiondiodeandresistance 低阻通路 SIEMENSOR41AS 失超 100V電壓限制勵磁 退磁 10V電壓 12 4屏蔽和勻場ShieldingandShimming I 屏蔽 Shielding 邊緣場 Fringefield 雜散場 Strayfield 雜散場 特別是超導(dǎo)磁體的雜散場在各個方向上會伸出磁體 對外圍產(chǎn)生影響FDA 5G 無源屏蔽 被動屏蔽 Passiveshielding 房間屏蔽 Roomshielding 鐵磁性材料 對建筑結(jié)構(gòu)有依賴性 分場地設(shè)計 屏蔽材料厚度小 面積大 自屏蔽 Self shielding 在磁體孔徑內(nèi)放置鐵磁性材料 Ironplates 有可能給勻場增加困難 有源屏蔽 主動屏蔽 Activeshielding 載有反向電流的線圈繞組降低雜散場 有源屏蔽的磁體重量輕 但由于B0被抵消一些 需多用超導(dǎo)線 杜瓦體積大些 常導(dǎo)有源屏蔽 Resistive 超導(dǎo)有源屏蔽 SC II 勻場 Shimming 優(yōu)質(zhì)的MR圖像對B0的均勻性和穩(wěn)定性有高要求 勻場方法 無源勻場 被動勻場 Passive 后進行 有源勻場 主動勻場 Active 先進行 Combinationofboth 1 無源勻場 Passivelyshimming 在磁體周圍放置鐵片校正 鐵片放置的數(shù)量和位置經(jīng)過特殊的勻場程序計算出來 可校正高次磁場不均勻性 材料價格便宜 不需要昂貴的高精度電源 當(dāng)需要更高度的均勻度或均勻性可調(diào)時必須用有源勻場 2 有源勻場 Activelyshimming 一系列載流繞組排列在磁體孔徑的柱形管上 每個繞組產(chǎn)生的校正磁場與球形諧波展開式的一個系數(shù)近似 必須避免這些繞組與磁體和梯度線圈的相互影響 線圈中的電流在系統(tǒng)安裝期間確定并保持不變 直到有工程師進行再勻場時才改變 主磁場線圈 超導(dǎo)勻場線圈 常導(dǎo)勻場線圈 梯度線圈 位于磁體低溫容器內(nèi) 位于孔徑內(nèi) 有源勻場使用的線圈繞組有三類 超導(dǎo)勻場線圈 常導(dǎo)勻場線圈和梯度線圈 GE SII SIIImagnet 1 5T18個超導(dǎo)勻場線圈 高階 隔熱屏散熱系統(tǒng) 壓縮機和冷頭 排氣系統(tǒng)和電流探頭直插式低溫容器流速表和壓力表便于觀察液氦側(cè)罐口 易于補充 Maincoil 主線圈電流為734 5A主超導(dǎo)開關(guān)與主線圈和串聯(lián)電阻并行連接 無阻通路開關(guān)的超導(dǎo)狀態(tài) 持久模式 persistent 開關(guān)的有阻狀態(tài) 有阻模式 resistive 緊急失超 主線圈放置有另外的加熱器 使主磁場快速退磁 rundown 失超保護裝置與主線圈并聯(lián) 在失超或緊急退磁時保護主線圈 Shimmingcoils 18個超導(dǎo)勻場線圈位于液氦容器內(nèi)用于磁體勻場調(diào)節(jié) 勻場調(diào)節(jié)程序需要的數(shù)據(jù)通過測繪裝置和探頭獲得 Z2 Z4 Z6 容積內(nèi)各處的磁場 Z1 Z3 Z5 磁體后端的磁場 C11 C11 C22 C31 C33 橫向偶數(shù)線圈S11 S11 X22 S22 S31 S33 橫向奇數(shù)線圈 Subsystemelement 子系統(tǒng)組件 磁體低溫容器 Magnetcryostat 包含6個超導(dǎo)主線圈 18個超導(dǎo)勻場線圈 18個超導(dǎo)開關(guān)和開關(guān)加熱器 失超保護裝置 硅二極管 超導(dǎo)液氦液面探測器和壓力傳感器位于低溫容器內(nèi) 分別監(jiān)視低溫容器的溫度 液氦液面和壓力 制冷劑監(jiān)視器 Cryogenmonitor 裝在機架上與液氦液面?zhèn)鞲衅飨噙B 隔熱屏散熱壓縮機 Heatinsulationscreenradiatorcompressor 位于機柜間與MR的冷頭相連 對氣氦進行壓縮 磁體緊急退磁裝置 Magnetemergencydemagnetizationdevice 裝在墻壁上 與一組主線圈的加熱器相連 按下按鈕 給主線圈加熱器供電 磁場快速降落 2分鐘內(nèi) 20 以下 液氦揮發(fā)率 VolatilizationvelocityofliquidHe 應(yīng)小于0 2l h勵磁 退磁 超導(dǎo)勻場 嚴(yán)格遵守手冊中的步驟 磁體維護 部件更換 揮發(fā)增加揮發(fā)長期超標(biāo) 隔熱屏散熱器工作不正常熱 聲振蕩真空受損低溫容器內(nèi)部熱短路低溫容器外部結(jié)冰通常是真空問題或熱短路 傳感器 溫度檢測二極管 硅二極管 位于磁體支持物的上部和底部 監(jiān)視內(nèi)部支持物溫度 還有位于隔熱屏散熱器安裝套管的第一級和第二極接口點 用于溫度檢測和故障查找 超導(dǎo)液氦液面?zhèn)鞲衅?位于低溫容器內(nèi) 低溫容器壓力傳感器 梯度場 隨位置線性變化 12 5梯度系統(tǒng) I 主要部件 梯度波形發(fā)生器梯度驅(qū)動級梯度功率放大器梯度線圈others II梯度線圈 1 結(jié)構(gòu)Gz 一對環(huán)形線圈 Maxwellpaircoils 流有反向電流Gy Golayconfiguration 4個線圈位于圓柱體外部Gx Golaycoils rotate90 麥克斯韋對 Golay線圈 同圓線圈 線圈間距 31 2R反向電流Bz Gz 0 z O z d 5 校正到5階 8個120 圓弧近圓弧處對中心張角68 7 遠端圓弧張角為21 3 距中垂面距離為2 57R 效率和回路 梯度線圈設(shè)計方法一般采用目標(biāo)場方法的逆向設(shè)計方法根據(jù)期望的梯度場用傅立葉變化倒推電流密度分布 已應(yīng)用于設(shè)計渦流自屏蔽梯度線圈 2 梯度脈沖波形 梯形 trapezoidal 一個上升沿 slopingrise 后跟一個平臺 flatplateau 和一個下降沿 slopingfall G 梯度強度G strength 單位距離內(nèi)場強的變化量 inmT m 上升時間單位是 s 一般值在1000 s 200 s 梯度場切換率 slewrate 是單位時間單位距離的場強變化 一般在20 150T m s 3 梯度線圈充電特性 響應(yīng)時間 L R假定300V 1mH 100m 如果給梯度線圈的供電時間達到5 序列所需要的電流值一般最大在200A的范圍內(nèi) 這時可看成是線性 電流上升的速率也最快 大約0 6ms內(nèi)達到160A的電流 L上升速率如電流上升速率比線圈特性允許的快 需提高梯度功率放大器 4 梯度線圈的噪聲 噪音 不斷變化的梯度電流是梯度線圈產(chǎn)生振動 聲頻范圍 噪音 噪音與梯度場變化速率或電流變化率有關(guān) di dt越大 噪音越大 III 梯度放大器實質(zhì)是音頻電流放大器 負(fù)載時大電感 小電阻 根據(jù)標(biāo)稱梯度電流的大小和方向以預(yù)設(shè)的方式向線圈傳遞能量 驅(qū)動電流流過梯度線圈產(chǎn)生梯度磁場 梯度線圈 梯度放大器的負(fù)載 放大器種類Linearamplifier 線性放大器 On offamplifier 開關(guān)式放大器 線性放大器 三極管 dynatron 的功率損耗Ploss很大 總消耗功率P Plossofdynatron P A I Ur 300V Ploss UI I2R 線圈負(fù)載電阻功率消耗 開關(guān)式放大器 On offamplifier usuallyadopted 全額輸出 完全截至三極管功率損失降低 提高放大器工作效率 開關(guān)三極管 梯度功放后級主要由電子開關(guān) 場效應(yīng)管 雙極性三極管 單向二極管 free wheelingdiode 儲能和濾波電容 線圈組成 開關(guān)閉合 開關(guān)斷開 梯度線圈電感特性試圖保持電流的穩(wěn)定 梯度線圈相當(dāng)于是電流源 驅(qū)動電流流經(jīng)單向二極管 開關(guān)三極管的切換頻率必須與系統(tǒng)時鐘同步 且固定 通過改變脈沖占空比 可以調(diào)節(jié)電流的平均高度值 Gmax主要受梯度電源限制 當(dāng)給定G及最小切換時間 梯度功率取決于設(shè)計時的假設(shè) 但總體上是隨著梯度線圈半徑的4 5次冪增加 增加梯度線圈繞組數(shù)量可減少電流需求 但會增加L 即增加 要提高切換速率需要相應(yīng)地增加電壓 典型的電流 200A 300A為快速切換 梯度電源必須能夠支持電流以300A s或更快的速率變化 這意味著典型的1mH線圈最小需要300V電壓脈沖 還要有些剩余來彌補線圈和導(dǎo)線的阻抗損失 由于梯度決定了空間頻率域的采樣點 因此梯度必須高度穩(wěn)定 梯度電源必須極其精確 梯度波形發(fā)生器數(shù)字信號經(jīng)D A轉(zhuǎn)換得到模擬標(biāo)稱電流值I0 實際值減去標(biāo)稱值I I0調(diào)節(jié)器 IV Adjustmentcircuit 1 實際值測量 梯度線圈電流測量利用精確直流傳感器 LEM 法文縮寫 無接觸測量 基于Hall效應(yīng) Halleffect U k I B d LEM 利用磁芯繞組的補償電流 使空氣間隙的磁場忽略不計 這個補償電流等于梯度電纜中電流平均值的千分之一 2 PID 比例積分微分調(diào)節(jié)器 穩(wěn)定性 精度 速度 Measure PID 相當(dāng)于積分器 integrator 比例 Proportion 調(diào)節(jié)器 積分電路的一個時間常數(shù) Timeconstant 使高頻時相移為0 改進閉環(huán)的穩(wěn)定性 Stability積分 Integrator 調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度 使低頻誤差信號為0 Accuracy微分 Derivative 調(diào)節(jié)器 預(yù)測濾波器的電壓來允許更高的環(huán)路增益 SpeedPID SAS 彌補各自的不足 微分調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)偏差和積分調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)速度慢 調(diào)節(jié)器的輸出信號 控制信號 與三角波電壓進行比較 得到經(jīng)脈沖寬度調(diào)制的四個觸發(fā)信號 產(chǎn)生后級功率三極管所需的開關(guān)脈沖 3 脈沖寬度調(diào)制 Stability Speed Accuracy Measure S1 S4 場效應(yīng)管 G 正向梯度電流 場效應(yīng)管S2和S3工作 G 負(fù)向梯度電流 場效應(yīng)管S1和S4 G G 梯度電源不供給能量 梯度線圈釋放出來的能量送給儲能電容C V 渦流 Eddycurrent 梯度場的快速切換在周圍導(dǎo)電材料中感應(yīng)出渦流渦流隨G及其變化率變化 一旦達到一個穩(wěn)定的平臺值 渦流開始衰減 渦流的衰減可用指數(shù)函數(shù)近似 其 L R是由導(dǎo)電材料的 有效電感 決定 對于 高溫導(dǎo)體 R隨著溫度近似線性地增加對于超導(dǎo)磁體 通常由制冷層的傳導(dǎo)率以及有效電感決定低溫屏蔽層由溫度大約70K的鋁組成 產(chǎn)生的渦流具有很長的 RF體線圈的銅屏蔽 約300K 感應(yīng)的渦流 短 渦流效應(yīng)相當(dāng)于把梯度場脈沖進行低通濾波如對渦流不加任何補償 IG脈沖會產(chǎn)生畸變 渦流補償方法 RC元件使電流預(yù)畸變重新產(chǎn)生期望的梯度場脈沖 預(yù)先補償梯度的驅(qū)動電流可以達到對渦流的抑制 有源屏蔽梯度 betterapproach 避免渦流的動態(tài)非線性 動態(tài)修改梯度電流當(dāng)加上渦流產(chǎn)生的阻撓場時 可得到具有合適場強和脈沖波形的凈磁場 渦流分布與梯度線圈電流分布不盡相同 偏差主要沿徑向 在磁體長軸方向也同樣存在 由于渦流感應(yīng)的磁場空間分布與梯度感應(yīng)的磁場略微不同 預(yù)補償梯度驅(qū)動電流不能完美地消除空間中每一點的渦流磁場 通過合理的梯度線圈設(shè)計可使這種偏差最小 渦流隨時間衰減的動態(tài)非線性不可能由梯度線圈設(shè)計或預(yù)補償梯度驅(qū)動電流來完全補償 用有源屏蔽梯度來避免渦流的動態(tài)非線性 有源梯度屏蔽 在梯度線圈和低溫容器間安放屏蔽線圈 有源屏蔽線圈是與成像梯度線圈同軸安裝的第二組梯度線圈 I屏蔽線圈與I梯度線圈方向相反 電流同步通斷 有源梯度屏蔽可削弱成像梯度在附近制冷層中的磁場 特別是消除更高次動態(tài)空間磁場畸變 有源梯度屏蔽的缺點是較復(fù)雜 費用更高以及對電源的附加需求 GE公司SignaHorizon系列梯度線圈組件稱為Roemer線圈 Roemer線圈由內(nèi)部和外部線圈組成內(nèi)部梯度線圈在成像區(qū)域產(chǎn)生10mT m或更高的梯度場外部梯度線圈與內(nèi)部梯度線圈串聯(lián) 因此兩組線圈中的電流幅度相同 但外部梯度線圈產(chǎn)生的磁場與內(nèi)部梯度線圈產(chǎn)生的磁場方向相反結(jié)果使梯度線圈組件外側(cè)的凈磁場矢量為零 Roemer線圈的這種自屏蔽效應(yīng)使圖象質(zhì)量因為磁體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而下降的影響大大減少了 VI 梯度場參數(shù) 梯度幅度 Gradientmagnitude 切換時間Switchtime Slewtime 切換率 Slewrate 最大工作周期 Max workcycle TG TR梯度的工作周期越高 允許的層數(shù)越多 許多制造商提供100 即梯度系統(tǒng)不會限制臨床掃描 臨床常用的高質(zhì)量常規(guī)MRI系統(tǒng) 強度為10 15mT m 上升時間為0 5 1ms的梯度能令人滿意快速成像方法要求MR系統(tǒng)有更高的梯度性能 如G 25mT m 切換時間 0 25ms 線圈和功率放大器設(shè)計技術(shù)的發(fā)展正朝著使這些特性在商業(yè)上可行的方向發(fā)展 另一方面 高性能的梯度系統(tǒng)產(chǎn)生高速變化的磁場使人產(chǎn)生周圍神經(jīng)刺激 這種效應(yīng)將限制梯度系統(tǒng)性能的進一步提高 12 7RF系統(tǒng) I RF系統(tǒng)組成 RF發(fā)射系統(tǒng)RFCoilRF接收系統(tǒng) 主機根據(jù)所選脈沖序列產(chǎn)生數(shù)字脈沖波形 經(jīng)過D A變成模擬信號 經(jīng)過調(diào)制放大 驅(qū)動發(fā)射線圈 激發(fā)成像區(qū)內(nèi)原子核產(chǎn)生共振 從而產(chǎn)生信號 微弱的RF信號經(jīng)過放大 解調(diào) 濾波 A D轉(zhuǎn)換 預(yù)處理經(jīng)過FT等圖象處理 重建出圖象 1 RF發(fā)射器 Transmitter 發(fā)射器產(chǎn)生RF脈沖 適當(dāng)?shù)念l率 fBW 幅度 A相位 2 RF接收器 Receiver RF接收器是提取 retrieve 或解調(diào)信號 demodulate 即消除高頻成分 II RF線圈基本理論 共振電路 1 理論L C串聯(lián) series L C并聯(lián) parallel 梯形網(wǎng)絡(luò) Trapeziformnetwork L seriesandC shunt 分路 lowpassC seriesandL shunt highpass 串聯(lián)諧振 共振時 總電抗 0 僅電阻對損耗有貢獻 電流由有效電阻Rs決定 如果器件理想 R 0 電抗互相抵消 V總 0 VL VC Q V電抗 V總 電壓諧振 VL VC非常高 可能會損壞元器件 設(shè)計諧振電路時要么防止出現(xiàn)這么高的電壓 要么選用高耐壓器件 可用于線圈接收電路 將微弱的MR信號進行放大 如果元器件理想 諧振時 總阻抗無窮大 電流阻塞 如用恒流源驅(qū)動 將會在有效電阻Rp產(chǎn)生最高的壓降 諧振時 I0非常小 但各個分支的電流幅度很高 總電流乘以Q 極性相反 Q I電抗 I總 電流諧振 元器件必須能承受高電流 在線圈發(fā)射電路中 為了獲得盡可能大的電流 常采用并聯(lián)諧振 并聯(lián)諧振 Parallel f0 1 2 LC 1 2Q L R Matchto50 梯形網(wǎng)絡(luò) 高通 等效電路 梯形網(wǎng)絡(luò)有傳輸線特性IL IC隨傳輸線長度變化 U I有90 相位差 所以沒有功率損失 2 RF線圈特性 品質(zhì)因數(shù)Q負(fù)載效應(yīng)去耦 Decoupling 1 Q Q 0 3dB空載時 頭線圈 體線圈的Q約200 更窄的 更高的Q有好的選擇性 噪聲和偽信號 bogussignal 更低 2 負(fù)載效應(yīng) Loadeffect Q和負(fù)載負(fù)載種類不一樣 Q有差別 同類型負(fù)載 大負(fù)載對Q影響大 加載后Q會下降 響應(yīng)展寬 選擇性和接收的信號會下降 頻移和負(fù)載大負(fù)載 低Q值 線圈仍工作在可接收的頻率范圍 小負(fù)載使線圈的RF頻率漂移并不多 帶寬也不加寬 因而小負(fù)載時 線圈將不再工作在可接受的頻率 這會使圖象質(zhì)量變差 RF線圈通常在空載時調(diào)諧 最好地兼顧所有負(fù)載類型 線圈對病人在RF線圈中的位置非常敏感C人體與C線圈并聯(lián) 頻率向下移動 正交線圈 圓極化線圈 C人體將影響線圈一個方向的工作模式 垂直或水平 使線圈不再工作在正交方式下 即不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)RF場 如果線圈工作在線性方式下 預(yù)掃描功率需要加倍 而信噪比降低40 在病人和線圈間加個小墊子可使這種影響最小 墊子相當(dāng)于一個小電容 它與人體的大電容串聯(lián)相減 有效地抵消了人體對線圈的影響 3 去耦 Decoupling 消除發(fā)射線圈和接收線圈相互作用 否則發(fā)射場 畸變接收線圈信號 破壞噪聲增加 SNR下降 去諧二極管 去耦 通過感應(yīng)電壓切換到導(dǎo)通狀態(tài) 使線圈偏共振去諧 去諧二極管 3 發(fā)射線圈 B1 極性 線性 圓極化 發(fā)射線圈一般比較大用以優(yōu)化均勻性 如果有合適的T R開關(guān) 發(fā)射線圈也可用于探測和接收MR信號 形狀 Linearly onedirection Circularly manydirections 優(yōu)點 發(fā)射 T 更低的功率P接收 R SNR增加 21 2缺點 技術(shù)要求高 兩個獨立的調(diào)諧電路 輕微耦合 需要反復(fù)的調(diào)諧 匹配 表面線圈在發(fā)射線圈工作期間必須 偏共振 off resonance 以防止RF通過表面線圈在病人的一個小區(qū)域聚焦 在接收期間共振 動態(tài)去耦 圓極化線圈 Circularpolarizedcoil 不同構(gòu)型RF線圈 馬鞍形線圈梯形網(wǎng)絡(luò)螺線管線圈 2傳輸線 馬鞍形線圈用于B0是水平方向的情形 頻率不太高 25MHz以下 直徑不太大 早期較多使用 目前已經(jīng)淘汰 螺線管線圈用于B0在豎直方向的主磁體 限于軛形磁體 頻率較低 L大 C大 低磁場不能正交發(fā)射接收 B1 Highpass Lowpass 可正交激發(fā) 正交接收 4的倍數(shù) 越多 越均勻 但匹配電容多 匹配一致困難 0 和180 腿無電流 2傳輸線 如果f0 25MHz 可使用 2傳輸線 雙路 2傳輸線可產(chǎn)生較好的B1 雙路傳輸線必須安裝在磁體里 因此比 2短 通過在兩端增加可調(diào)電容C 電路可對稱地縮短 ResonanceCavity 63MHz適用于2T以下 3T產(chǎn)品沒用通用體線圈 2 4 RF線圈種類 功能 發(fā)射線圈 Transmitcoil接收線圈 Receivecoil部位 頭線圈體線圈 相控陣線圈 Phasedarraycoils表面線圈 只用于接收 III RF常用器件 1 同軸電纜 Coaxial cable 傳輸發(fā)射功率 接收MR信號 屏蔽功能 50 特性阻抗 2 傳輸線 1 充當(dāng)電子器件 輸入端短路時 Zin jZctan 2 l 輸入端開路時 Zin jZccot 2 l 0 2 充當(dāng)阻抗變換器 幾乎所有的RF電纜以及RF器件的特性阻抗都是50 前放阻抗例外 一般2 3 降低噪聲 提高SNR 連接到前放的導(dǎo)線有特殊標(biāo)記 不能隨意截短或被其它長度的電纜替換 RF發(fā)射 接收開關(guān) T Rswitch T Rswitch 位于RF共振器和前放之間T 發(fā)射和接收開關(guān)使發(fā)射器到天線之間的通路接通 同時還要保護敏感的前放不受高脈沖功率影響 R 微弱的MR信號必須以盡可能小的衰減到達前放 RF功放的噪聲必須排除在天線電路之外 transmit receive T RSwitch D1 D2導(dǎo)通 RF功率幾乎無損失地到達天線 D3 D4對地短路 4線將短路轉(zhuǎn)換為天線輸入端高阻 保護前放 D1 D2不導(dǎo)通 防止發(fā)射器噪聲進入前放 D3 D4高阻抗 MR 信號經(jīng) 4線無阻尼到達前放 Signal RF開關(guān)的二極管D1應(yīng)耐高壓耐強電流工作頻率足夠高開關(guān)時間足夠快 用PIN二極管作D1 也可用于D2 通過二極管偏壓控制開關(guān)門 Siemens T Rswitch 發(fā)射期間 PIN二極管正偏壓接收期間 所有PIN二極管反向偏壓 4 定向耦合器 Directinalcoupler 測量Vf和Vr 評價匹配 match 從RF傳輸線中分離出一小部分 約 50db 前向波和反射波 測量之前 用它來使由負(fù)載和天線組成的共振電路與RF發(fā)射器匹配測量中 監(jiān)視施加的RF 前向波 保護發(fā)射器 匹配 5 壓控衰減器 Voltagecontrolattenuator 根據(jù)控制端口提供的控制電壓 改變輸入端和輸出端之間的衰減系數(shù) 在發(fā)射通道中 通過調(diào)節(jié)給RF功率放大器的驅(qū)動電壓 獲得期望幅度的RF輸出 在接收通路中 用于調(diào)節(jié)接收信號的幅度 使之滿足DAC所需要的幅度 Voltagecontrolattenuator RFin put RFout put Controlvoltage 6 低通濾波器 Lowpassfilter 接收 頻率編碼方向 可用模擬或數(shù)字 過采樣 濾波器相位編碼方向 由于采用偽采樣技術(shù) pseudosampling 一般不用濾波器低通濾波器可抑制高頻噪聲 抑制FOV外的信號 防止折疊偽影 發(fā)射 是為了避免產(chǎn)生邊帶 否則發(fā)射的RF脈沖會包含不期望的邊帶 形成ghost偽影 7 正交混合器 Quadraturehybrid Mixture Splitter 功率分配器 Combiner 功率復(fù)合器 Phaseshifter 移相器 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的RF場 1 2 S Splitter combiner 分配器中 端口信號被分成1和2端口的兩個同 同A的信號 各自的信號幅度衰減3db 如果信號的流向相反 端口1和2的信號結(jié)合后到 端口 就成為功率復(fù)合器 在相控陣線圈中就要使用復(fù)合器 移相器用于從0 180 手動改變輸入與輸出之間的相位 IV發(fā)射系統(tǒng) RF傳輸器產(chǎn)生數(shù)字化的RF信號S t S t 與頻移為 off 相位為 的一路信號經(jīng)快速數(shù)字化乘法器作用產(chǎn)生如下的輸出 S t cos offt 幅度調(diào)制波形經(jīng)D A得到模擬波形 RF傳輸器沒有直接發(fā)出 ss 原因是避免迷路信號 straysignals 到達接收器使病人被旁路 bypassing off與一固定 fix混頻 模擬混頻器 2cosAcosB cos A B cos A B ss fix off fix off 邊帶被濾掉 filteredout 幅度調(diào)制 頻率調(diào)制和相位調(diào)制S t cos sst 只有0 1mW 難以激勵人體內(nèi)自旋 需用RF功率放大器 AB 線性放大 V Receivesystem 1 MR信號被接收線圈接收 并被前置放大器 preamplifier 放大產(chǎn)生足夠強的電壓前放有最佳噪聲特性 需匹配網(wǎng)絡(luò) 不考慮最佳功率傳輸 不追求最大放大倍數(shù) 10幾倍 砷化鎵場效應(yīng)管前放 2 MR信號被解調(diào)器 demodulator 解調(diào) 3 然后低通濾波 low pass 4 最后A D轉(zhuǎn)換器將MR信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字化信號并將其傳輸至圖像處理器 Lowpassfilter Sr coil cos fe fe ref 125kHzMixedsignal cos fe cos ref 1 2cos fe ref 1 2cos fe ref 500kHz 4倍過采樣 解調(diào)Demodulate輸入信號與參考頻率混頻產(chǎn)生125kHz 62 5kHz 中頻 IF 一般A D轉(zhuǎn)換器運行在0 5 1MHz 在其放大至與A D輸入電壓范圍匹配后將IF數(shù)字化 相敏探測 phase sensitivedetection IF與125kHz頻率的sine和cosine相乘 如果在500kHz下數(shù)字化125kHz波形 可有效采集參考頻率 4samples cycle Cosinechannel 1 0 1 0Sinechannel 0 1 0 10 90 180 270 因此只需要一個A D轉(zhuǎn)換器 每個數(shù)據(jù)乘0等效于改變A D的I Q通道 I Q通道數(shù)據(jù)送至后面的濾波器處理 sine和cosine的分量以復(fù)數(shù)對形式儲存在系統(tǒng)存儲器中 之后進行FT 復(fù)數(shù)數(shù)據(jù) 實部 虛部分量 VI RF屏蔽 RF線圈屏蔽 梯度和常導(dǎo)勻場線圈會使RF線圈發(fā)射損失 并產(chǎn)生寄生振蕩 spuriousresonance 線圈周圍的RF屏蔽可降低線圈與周圍環(huán)境的耦合 掃描室屏蔽 RF屏蔽圍欄 Faradaycage 房間6個面用銅 鋁或鋼板圍起 穿過板 Penetrationpanel 窗戶 特殊的植入導(dǎo)線的玻璃 wire embeddedglass 波導(dǎo) Waveguides 特定長度或直徑屏蔽因子 Shieldfactor 應(yīng) 90dB 12 8掃描前系統(tǒng)調(diào)節(jié) 受掃描物體可影響B(tài)0 還有線圈的Q值和阻抗 每個病人掃描前 系統(tǒng)應(yīng)進行調(diào)整 校準(zhǔn) I 校正步驟 1 天線調(diào)整 coiltuning 2 f0調(diào)整3 脈沖幅度校正 發(fā)射調(diào)整 4 自動勻場 特別是梯度勻場線圈 5 選擇脈沖序列和掃描參數(shù) 6 Attenuate gain 接收調(diào)整 病人位置變化 重復(fù)1 4 掃描參數(shù)變化 重復(fù)5 6 II 線圈調(diào)諧 匹配 Coiltuning match 發(fā)射 接收線圈的阻抗必須與傳輸線和前放的阻抗匹配 病人位置 姿勢的改變可影響線圈阻抗 因此必須調(diào)諧 匹配 改變C使得反射RF功率最小 一般自動進行 反射功率為0則達到最佳調(diào)諧和匹配 線圈的Q越高 可接收的范圍越窄 調(diào)諧 匹配越困難 Auto tune 馬達 motor 一些表面線圈不需調(diào)節(jié) 有較寬的范圍 但是Q較小 遇到調(diào)諧 匹配困難時 小負(fù)載 添加鹽水袋 brinebag 大負(fù)載或有金屬物 輕微改變位置 III 頻率調(diào)整 姿勢 磁化率等使得B0輕微變化 在調(diào)諧 匹配后使用非常短的非選擇性RF脈沖fresonance fcarrierwave IV 發(fā)射調(diào)整 當(dāng)更換病人或位置變化 MR系統(tǒng)必須調(diào)整發(fā)射脈沖幅度 此調(diào)整過程決定RF脈沖的功率 FA和tp Goffset tG TE t V 梯度補償 VI 接收調(diào)整 調(diào)整增益得到最大MR信號signal A D信號幅度由接收信號和接收通道的放大倍數(shù)決定 MR信號受下列因素影響 組織參數(shù) T1 T2 掃描參數(shù) TR TE slicethickness FOV 系統(tǒng)性能參數(shù) Q 去耦 調(diào)整步驟 調(diào)整前 系統(tǒng)基于非選擇性脈沖的幅度和寬度計算所選擇脈沖的幅度 調(diào)整中在0相位編碼步下得到最大MR信號 調(diào)整增益使回波最大 最大限度利用A D動態(tài)范圍 比例因子用于調(diào)整圖象亮度 FT后 決定灰度 12 9計算機系統(tǒng) 主計算機 Host 操作者以序列 時間和不同的幾何參數(shù)等形式描述掃描 控制圖像顯示 處理 例如窗寬 窗位 硬拷貝 歸檔和網(wǎng)絡(luò) 微處理器 由主計算機下載命令Pulseprogrammer PP 主計算機命令傳輸至PP PP控制硬件 PP使RF 梯度和數(shù)據(jù)采集的運作協(xié)調(diào) 陣列處理器 Arrayprocessor一旦采集到數(shù)據(jù) 一個分離的計算機系統(tǒng) arrayprocessor進行圖像重建 復(fù)習(xí)題 1 MR系統(tǒng)主要由哪幾部分組成 2 MR主磁體類型有哪些 各有什么優(yōu)缺點 3 對于超導(dǎo)磁體 如何勵磁 4 對于超導(dǎo)體為什么會出現(xiàn)失超 此時如何保護主磁體 5 主磁場勻場和屏蔽的方法有哪些 6 梯度系統(tǒng)中PID各部分的作用 7 MR成像設(shè)備產(chǎn)生的噪音是哪個系統(tǒng)產(chǎn)生的 8 梯度系統(tǒng)功率放大器使用的是什么種類的放大器 9 渦流補償?shù)姆椒ㄓ心男?10 可用于高場的RF線圈構(gòu)型有哪些 11 T R轉(zhuǎn)換開關(guān)原理電路分析 12 RF通路中T通路分析 13系統(tǒng)調(diào)節(jié)中 如果負(fù)載過小難以調(diào)諧如何處理 核磁共振系統(tǒng)介紹 下載核磁共振小助手獲取更多核磁資料可 百度網(wǎng)盤下載地址