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促進射頻產學研協(xié)同創(chuàng)新隨著醫(yī)療技術的飛速發(fā)展，核磁共振成像技術越來越成熟。射頻系統(tǒng)是核磁共振設備中最基本也是最重要的部分，主要功能是實施射頻激勵與接收核磁共振信號。核磁共振設備的射頻系統(tǒng)由電子控制柜射頻發(fā)射系統(tǒng)、射頻線圈，信號接收系統(tǒng)等組成。

RF Emission System（一）射頻發(fā)射系統(tǒng)射頻發(fā)射系統(tǒng)單元的功能就是在射頻控制器的作用下，提供掃描序列所需的各種射頻脈沖，在射頻發(fā)射電路中是通過連續(xù)調整B1的幅度來改變RF脈沖翻轉角度。發(fā)射單元主要由射頻發(fā)射控制器、射頻脈沖序列發(fā)生器、射頻脈沖生成器、射頻振蕩器（射頻脈沖源）、射頻合成器、濾波放大器、波形調制器、射頻功率放大器、發(fā)射終端匹配電路及射頻發(fā)射線圈等功能組件構成。在射頻控制器的統(tǒng)一指揮下，振蕩器產生的電磁波首先被送入頻率合成器，RF波的頻率在此得以校正，使之完全符合序列的需要；然后，標準頻率的RF波進入發(fā)射調制器，調制器的作用是產生需要的波形；RF脈沖要經過多級放大，使其幅度逐步得以提高。射頻脈沖發(fā)射單元的最后一級為功率放大器，它輸出一定發(fā)射功率的RF脈沖信號，這一RF信號要通過一個阻抗匹配網絡進入射頻線圈，阻抗匹配網絡的作用是緩沖器和開關。由于有些線圈（如體線圈和頭線圈）既是發(fā)射線圈又是接收線圈，必須通過阻抗匹配網絡進行轉換，射頻發(fā)射時，它建立的信號通路阻抗非常小，使線圈成為發(fā)射線圈；射頻接收階段，他建立的信號通路阻抗非常大，使線圈成為接收線圈。Nuclear magnetic application system 0RFAS核磁應用系統(tǒng)0RFAS射頻發(fā)射應用系統(tǒng)0RFAS是一組完成將射頻“前端”與各種射頻發(fā)射和接收線圈接口任務的組件。射頻應用系統(tǒng)的典型功能是：傳輸路徑開關（Tas）——一種繼電器驅動的機械開關，需要將射頻傳輸脈沖引導到所需的傳輸線圈。磁傳感器支持體發(fā)射/接收線圈以及僅接收的本地線圈。?90混合（BCCS）-提供功率和射頻傳輸脈沖的相位分裂所需的圓偏振傳輸線圈-CP體線圈。發(fā)射-接收（T/R）開關（BCCS）-當使用車身線圈進行發(fā)射和接收時，將發(fā)射部分與（非常敏感的）接收部分解耦。（在磁管上，所有局部線圈為僅接收線圈）。?交換矩陣（RCCS_60）-是矩陣配置中的行-列線群，在特定的行-列的交集，稱為節(jié)點，可以切換到連接到列線的相應輸入連接到連接到行線的任何輸出。在Tim中使用的局部線圈技術需要一個開關矩陣

Prime Amplifier

預放大器由接收線圈捕獲的接收到的Mr回波信號必須被適當和充分地放大，以達到最佳的信噪比（SNR）性能。所有的本地線圈都內置信噪比優(yōu)化的預放大器，以放大噪聲地板上方的信號，并達到承受連接線圈到RFAS組件的電纜衰減所需的水平，這可能相當長（幾米）。位于RCCS_60中的其他二級預放大器，可能會在必要時增加額外的放大器。RCCS_60與位于控制柜內的接收器電路之間的距離為8到20米

這些功能電路包含在這些設備中：tas傳輸天線選擇器將射頻發(fā)射脈沖定向到機身發(fā)射線圈或調幅裝置。?BCCS_63-車身線圈通道選擇器。選擇器有幾個功能。它們包括：為圓偏振體線圈準備射頻發(fā)射脈沖；通過基于PIN二極管l/4的收發(fā)開關提供在發(fā)射和接收路徑之間的解耦（隔離）；在用于接收Mr信號時放大來自體線圈的接收信號，并在兩個90信號相移的時候重新組合。?RCCS_60-接收線圈通道選擇器的主要任務是放大本地線圈上接收到的Mr信號，并將其路由到RFSU接收模塊中各自的ADC通道。

Transmitter

發(fā)射機發(fā)射機發(fā)射機將向兩個接收機提供系統(tǒng)時鐘信號、回路測試路線和本地振蕩器信號。發(fā)射機將執(zhí)行以下任務：產生和分配由一個高度穩(wěn)定的晶體振蕩器產生的10MHz系統(tǒng)時鐘。?接收機LO（局部振蕩器）頻率的產生和分布。?為MR實驗和測試回路產生射頻激勵脈沖。?從故事中獲得的控制電壓（CV）的數(shù)字化。

Function

發(fā)射機用一個高度穩(wěn)定的烤箱控制的晶體振蕩器（OCXO）產生系統(tǒng)的10MHz時鐘，并將其分配到接收器，MARS，GPA。通過一個頻率多路復用器，一個由10MHz衍生的320MHz時鐘被產生并分配到不同的構建塊。有兩個內部數(shù)控振蕩器（NCOs），一個用于LO輸出，另一個用于SSB，TTX，測試回路輸出。合成的射頻信號的振幅通過由6dB和12dB衰減器矩陣來適應所需的輸出水平，該衰減器分別提供0、6、12和18dB的整體衰減為6dB。此外，來自故事的控制電壓通過14位ADC進行數(shù)字化，并通過光纖傳輸回PCI_STAR（在MARS中）。

TALES發(fā)射天線

發(fā)射天線電平傳感器（tales）是一種精密射頻電壓表，用于測量正向和反射射頻電平到發(fā)射線圈（閥體線圈或TX本地線圈），用于SAR計算。

RF power amplifier （DORARF）

射頻功率放大器（DORARF）DORFPA用于將射頻發(fā)射脈沖提高到特定掃描所需的功率水平。DORARF功率放大器是一種固態(tài)放大器，在50Ω上的最大輸出功率為15kW。固態(tài)設計在很多方面都優(yōu)于笨重和復雜的管版本：它允許一個非常緊湊的單元，沒有移動部件或外部電源，也不需要調整或維護。然而，它的緊湊性和高功率能力，需要主動冷卻其電源組件。作為一種冷卻介質，冷卻水由冷卻系統(tǒng)供應。

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Monitoring

監(jiān)視RFPA有幾個內部電路，可以監(jiān)控一些重要的功能：電源的過電壓和過電流、峰值輸出功率水平或反射功率過高（射頻功率）、無空占空比和功率級溫度。如果發(fā)生內部故障或超過了放大器的運行極限，放大器將通過CAN總線提供狀態(tài)報告。

Adio-frequency modulator

射頻調制器調制器從本地振蕩器載波產生相同頻率的激勵脈沖，從PCI_STAR的數(shù)字調制器產生數(shù)字SSB振幅。通過定向耦合器接收到的射頻信號被整流和濾波，產生成比例的直流電壓。MUX0在傳輸過程中，MARS通過MUX與選擇信號MH_SEL選擇四個值。信號CV被輸出到調制器（或未來的發(fā)射器）板，在那里它被數(shù)字化，并由MARS中的PCI_STAR讀入，以計算SAR值。

Inputs

在MARS中的PCI_STAR電路板上產生的數(shù)字調制的單側帶脈沖SSB_DIG1_TX通過位于電路板背面的雙向高速（每個方向640MBit/s）光纖連接傳遞到調制器。由合成器產生的一個10MHz時鐘CLK10，同步數(shù)據傳輸和數(shù)字化。本地振蕩器信號LOTRA由合成器板D10產生，并通過在該板的前側的QLA同軸電纜傳送到調制器。CV和偏移信號是一個多路信號，來自代表施加到體線圈的測量正向和反射射頻發(fā)射電壓。偏移量是消除RFAS-GND和RFSU-GND之間偏移量的負輸入。來自故事的信號以250KHz的采樣率進行14位的模數(shù)轉換，并通過SSB_DIG1_TX光纖線發(fā)送到火星。這些值由射頻安全監(jiān)視機構（RFSWD）軟件用來計算SAR。

Function

反序列化器將串行數(shù)據流轉換為并行數(shù)據塊，然后將并行數(shù)據塊發(fā)送到DAC進行轉換。DAC輸出是一個約為1MHz的SSB中頻（中頻）信號。這是混合到63.6±250kHz的系統(tǒng)頻率與來自合成器板D10的局部振蕩器信號。該信號被濾波的頻譜沒有雜散和互調諧波。合成的射頻信號的振幅通過由6dB和12dB衰減器組成的兩級衰減器矩陣來適應所需的輸出水平，其總衰減分別為0、6、12和18dB

Outputs

最終的SSB1信號通過一個開關陣列應用到七個輸出中的一個。開關選擇和衰減器選擇以及合成器的頻率選擇的數(shù)據也通過高速光纖線路發(fā)送到調制器。

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二、射頻線圈Radio-Frequency Coil射頻線圈射頻線圈既是原子核發(fā)生磁共振的激勵源，又是磁共振信號的探測器。射頻線圈中用于建立射頻場的線圈稱為發(fā)射線圈，用于檢測MR信號的線圈稱為接收線圈。MR信號的接收和射頻激勵不能采用電耦合的線狀天線，而必須采用磁耦合的環(huán)狀天線，即射頻線圈。射頻線圈的種類很多，按功能分類，可分為發(fā)射/接收兩用線圈及接收線圈；按線圈作用范圍分類，可將其分為全容積線圈、部分容積線圈、表面線圈、體腔內線圈、相控陣線圈等，其中相控陣線圈是由兩個以上的線圈單元組成的線圈陣列，這些線圈可彼此連接，組成一個大的成像區(qū)間，使有效空間增大，每個線圈單元可獨立應用；按極化方式分類，可分為線（性）極化和圓（形）極化兩種線圈，其中圓形極化線圈也可稱為正交線圈，兩個繞組工作時接收同一磁共振信號，但得到的噪聲卻是互不相干，如果對輸出信號進行適當組合，就可使線圈的信噪比提高，磁體內置的發(fā)射/接收體線圈就是正交線圈；按主磁場方向分類，可分為用于橫向靜磁場的磁體中螺線管線圈，以及用于縱向靜磁場的磁體中的鞍形線圈；按繞組形式分類，可分為亥姆霍茲線圈，螺線管線圈、四線結構線圈（鞍形線圈、交叉橢圓線圈等）、STR（管狀諧振器）線圈和鳥籠式線圈等多種形式。

Body coil

體線圈（BC）體線圈（BC）產生激發(fā)質子核的B1場。?僅傳輸模式-其中體線圈傳輸激勵脈沖，一個或多個局部線圈接收Mr回波。?發(fā)射/接收模式-車身線圈另外用于接收Mr回波信號。體線圈的主要用途是發(fā)射激勵脈沖和用于切片定位的偵察兵或拓撲圖像的定位成像。磁磁體線圈是一種基于高通鳥籠設計的圓極化（CP）線圈。鳥籠設計的一個主要優(yōu)點是，射頻場振幅在成像體積之外下降非?？欤瑥亩蟠鬁p少了場模糊偽影（例如第三臂偽影），并在線圈上更均勻地分布射頻場的長度。

Function

當輸入的射頻信號處于線圈的諧振頻率時，通過線圈諧振器元件的電流根據信號相位通過端環(huán)穿過線圈元件。對于CP線圈，諧振器系統(tǒng)之間的解耦是一個重要的問題。兩個諧振器系統(tǒng)之間的強耦合導致了較高的發(fā)射機參考值，從而降低了射頻傳輸路徑的性能。在調優(yōu)/BC優(yōu)化下的服務軟件平臺下，有一個檢查并在必要時優(yōu)化解耦的過程。閥體線圈是一種將電流/電壓信號從射頻功率放大器傳輸?shù)诫姶艌龅闹C振裝置。它的磁性分量被指定為B1場。當使用局部線圈時，失諧電路使體線圈脫離共振，以防止與局部線圈耦合，從而吸收任何Mr回波信號。對于僅接收的本地線圈，失諧是動態(tài)實現(xiàn)的（快速切換時間）。PIN二極管是用于完成失諧的設備。動態(tài)失諧和靜態(tài)失諧采用的控制電壓為-30v。失諧電路被集成到車身線圈中。射頻屏蔽（法拉第屏蔽）被覆蓋在梯度線圈的內部，并通過磁鐵外殼將其連接到地面。射頻屏蔽減少了梯度線圈的b1場損耗，并防止可能的干擾。

Body Coil

車身線圈體線圈0磁感應系統(tǒng)的體線圈是“D”形的，被設計為一個無調諧線圈。因此，線圈不再需要一個主動阻抗匹配裝置（BTB）來進行患者負載相關的功率傳輸優(yōu)化。相反，線圈已經針對重負載進行了優(yōu)化。反射射頻的百分比由光和中負荷病人可以非常高90%，但功率水平用于這些負載類型比例較低，這樣絕對反射能量在這些水平不夠大造成問題RFPA和傳輸路徑組件。盡管沒有可變阻抗匹配裝置，但仍然需要對BCCS中的90個混合器進行校準。校準結果用于服務軟件中的BC測試和調整中的BC調優(yōu)過程。如線圈控制部分所述，閥體線圈的失諧由位于諧振器元件之間的PIN二極管提供。對于動態(tài)失諧，采用+12V（正向電流3.6A）調諧和-30V（短路電流）進行調諧。當使用墊片陣列時，車身線圈通過應用相同的-30v，這確保PIN二極管不會被（偏置）在主體線圈的發(fā)射信號產生的電壓傳導。對這些組件的控制將由CAN控制器執(zhí)行。在其最簡單的形式中，CAN控制器基本上是另一種專門的IC類型，它由一個通信單元和簡單的1/零輸出組成

Matrix Coils

矩陣線圈矩陣線圈0新的線圈是局部線圈技術的一個重大創(chuàng)新，稱為Tim-Total成像矩陣。矩陣線圈有多個接收線圈元件分組在集群中，可以組合來創(chuàng)建三種不同的模式。模式1-第一個模式相當于一個CP模式，并被優(yōu)化以獲得在感興趣區(qū)域的中心的最大信噪比。模態(tài)2和3稱為雙模和三模，分別在兩個或三個區(qū)域的方向方向上映射線圈元件的覆蓋視場。從這些模式中得到的信號可用于改善外圍的信噪比（SNR）和/或使更高的PAT因子可能在所有模式中包含的總信號信息完全等同于來自原始獨立線圈元件的信息。矩陣模式的概念允許非常有效地利用接收信道資源，并在并行成像加速度以及最高的信噪比（SNR）和噪聲對比度（CNR）方面具有最大的靈活性，特別是在外圍。矩陣線圈諧振器元件采用圓偏振技術優(yōu)化均勻性和內置前置放大器，無與倫比的信噪性能，并工廠調諧，因此它們不需要患者依賴的阻抗匹配。線圈外殼使用特殊配方的塑料，以確保最佳的射頻場均勻性

Coil Control

線圈控制動態(tài)失諧電路-當單獨使用時，需要使用發(fā)射和接收線圈。在磁原子系統(tǒng)中，體線圈用于施加高功率激勵脈沖（發(fā)射脈沖）。接收優(yōu)化的矩陣或局部線圈用于捕獲Mr回波信號。在這種情況下，各個線圈將需要在傳輸和接收階段進行動態(tài)調諧和失諧。-BC傳輸=LC失諧（=BC調諧）-LC接收=LC調諧（=BC失調諧）這種在調諧狀態(tài)和失諧狀態(tài)之間的快速作用切換是通過使用PIN二極管來實現(xiàn)的。二極管被戰(zhàn)略性地放置在線圈中，以便通過打開或關閉二極管，線圈可以被調諧或失諧。用來關閉和打開二極管的正向和反向偏置電壓由位于RFIS_60單元中的PIN二極管控制電路提供。在RFIS_60中，患者表上有16個插座A和插座B的PIN控制，而等中心矩陣有3個PIN控制

RF Safety WatchDog

射頻安全監(jiān)視器RFSWD的任務，也被稱為功率吸收限制器（PALI）系統(tǒng)，是監(jiān)測所應用的射頻激勵脈沖，以防止超過安全的射頻暴露水平。所有組件都是全數(shù)字的，并作為PC板放置在機架上，并連接到96極連接器上的公共背板。所有射頻信號輸入和輸出均可作為每個板前板上的同軸連接器。RFSU可以最好地概括為一個低到高和高到低的變頻器。射頻脈沖調制和Mr信號解調分別由MASs在PCI_STAR和板上的PCI_RX板上進行。數(shù)模調制器從PCI_STAR轉換數(shù)字調制的射頻脈沖，然后將結果混合到所需的系統(tǒng)頻率。相反，接收機將Mr信號混合到一個中頻（中頻），a/D將其轉換為PCI_RX，然后進行數(shù)字濾波和解調。

Inputs

+6.5和15V的工作電壓?？刂戚斎耄糜诖_定頻率和相位和選擇DDS1或2的輸出。控制信號源自調制器，并通過背板連接被發(fā)送到合成器。

Function

該合成器從一個烤箱穩(wěn)定的參考振蕩器產生高度穩(wěn)定的局部頻率。局部振蕩器信號由兩個dds（直接數(shù)字合成器）產生。兩個dds都有一個共同的640MHz時鐘，這也是由10MHz參考振蕩器通過一個頻率乘法器創(chuàng)建的。

Outputs

任何一個dds的輸出信號都可以通過四個快速作用開關耦合到六個LO輸出連接器上。這些開關的控制信號也來自于調制器。當施加電源時，所有輸出都始終處于激活狀態(tài)。

三、信號接收系統(tǒng)

RF receiving unit射頻接收單元射頻接收單元的功能是接收人體產生的磁共振信號，并經放大、混頻、濾波、檢波、A/D轉換等一系列處理后送至數(shù)據采集單元。它由接收線圈、前置放大器、混頻器、相敏檢波器、低通濾波器及A/D轉換器等組成。接收線圈中感應出的MR信號只有微伏（μV）數(shù)量級，首先將該信號送入前置放大器放大，再使信號混頻后產生一個中頻信號，該信號經中頻放大器進一步放大后送往相敏檢波器，相敏檢波器將從該中頻信號中檢測出低頻MRI信號，由低頻放大器將檢波后的MR信號再進行做大，檢波輸出的信號中除了所需的MR信號外，還有一些高頻的干擾和噪聲，必須加低通濾波器濾除，信號經兩個低通濾波器，濾除其中混雜的交流成分后送A/D轉換器將磁共振信號由模擬信號轉換成數(shù)字信號傳輸給數(shù)據處理系統(tǒng)。

Receiver

接收器接收器從來自Mr回波信號創(chuàng)建數(shù)字中頻信號，將由接收機板進行數(shù)字解調和濾波。相同的接收機板用作變頻器和模數(shù)轉換器。接收線圈接收到的Mr信號在標稱系統(tǒng)頻率為63的.6MHz。接收機板將此頻率降低到大約1MHz的中頻。然后以10MHz的采樣率進行數(shù)字化，并通過雙向高速光纖鏈路發(fā)送到MARS的PCI_RX 2板。并且與接收器1相比，接收器板2沒有那么多的輸入。未來，RFSU將由發(fā)射板和接收板組成。發(fā)射機是調制器和合成器的組合。它將執(zhí)行以下任務：產生和分配10mhz系統(tǒng)時鐘從一個高度穩(wěn)定的晶體振蕩器。?接收機LO（局部振蕩器）頻率的產生和分布。?為MR實驗和測試回路產生射頻激勵脈沖。?從故事中獲得的控制電壓（CV）的數(shù)字化。

Inputs

Function

接收機板用作變頻器和模數(shù)轉換器。接收線圈接收到的Mr信號在標稱系統(tǒng)頻率為63的.6MHz。接收機板將此頻率降低到大約1MHz的中頻。然后以10MHz的采樣率進行數(shù)字化，并通過雙向高速光纖鏈路發(fā)送到MARS的PCI_RX板上。

Outputs

數(shù)字化信號通過高速光纖線路發(fā)送到PCI_RX板進行解調和濾波。

Directional Coupler

定向耦合器定向耦合器提供了一個用于調優(yōu)的端口。調諧信號交替地應用于方向耦合器的正向側和反射側。在體線圈和放大器之間的正方向和反射方向上耦合的調諧信號量的比率受到體線圈的阻抗的影響

Fixed impedance matching

固定阻抗匹配磁磁體線圈為d形，被設計為無調諧線圈，也就是說，患者依賴的阻抗匹配不再需要。阻抗匹配被設置為一個固定的值，優(yōu)化了功率要求最大的重負荷。因此，在輕負荷的情況下，會發(fā)生非常高的反射。在BCCS中，大部分的反射將通過混合動力車定向到位于Tas中的虛擬負載。假設BCCS功能正常，在最壞的情況下，RFPA最多只能看到20%的反射。

磁力傳感器（RFIS_60）的射頻基礎設施滿足了控制和提供射頻艙內所有相關射頻組件和射頻線圈的所有要求。它包含電子提供：動態(tài)和靜態(tài)失諧PIN二極管控制信號矩陣和本地線圈和身體線圈的檢測和識別連接矩陣和本地線圈動態(tài)控制BCCS整個RFIS_60組件（電源）基本上像一個單板解決方案；RFIS_60本身放置在載板上的磁鐵旁邊，而電源組裝在射頻艙外的射頻穿透面板上

Channel Selector

通道選擇器選擇器有幾個功能，它們包括：為圓偏振體線圈準備射頻發(fā)射脈沖；通過基于PIN二極管l/4的收發(fā)開關在發(fā)射和接收路徑之間提供解耦（隔離）；用于接收Mr信號時放大體線圈發(fā)出的接收信號，并在兩個90Mr信號從圓偏振體線圈上位移時重新組合。接收線圈通道選擇器的主要任務是放大本地線圈上接收到的Mr信號，并將其路由到RFSU接收模塊中各自的ADC通道。

Image Reconstruction system

圖像重建系統(tǒng)接收器板負責將接收到的Mr信號混合到大約1MHz的中頻，以便通過a/D轉換器進行量化（數(shù)字化）。這個1MHz的數(shù)字化中頻頻率然后被發(fā)送到位于MARS中的PCI_RX板，在那里它被數(shù)字過濾、解調和抽取，以創(chuàng)建所謂的“圖像原始數(shù)據”。然后將原始數(shù)據轉換到MARS中，以進行最終的圖像重建。

原文標題：核磁共振射頻系統(tǒng)架構及射頻模塊功能介紹

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