蔣東平 何賢國 何 燕 鄒慶輝

1 序言

醫(yī)學(xué)成像是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的重要研究領(lǐng)域，包括近年來發(fā)展起來的X射線計算機斷層成像（X射線CT機）、磁共振成像、核醫(yī)學(xué)成像和超聲波成像等方面。隨著低溫技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、磁體技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的進步，磁共振成像得到了飛速發(fā)展。如今，磁共振成像系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域中最先進、最昂貴的診斷設(shè)備之一，磁共振一詞已經(jīng)家喻戶曉，未來它仍將以一個新興學(xué)科的面貌在工程技術(shù)和醫(yī)學(xué)診斷兩個方面持續(xù)發(fā)展。

磁共振成像（Magnetic resonance imaging， MRI）是根據(jù)生物體磁性核（氫核）在磁場中的表現(xiàn)特征成像的高新技術(shù)，它的物理基礎(chǔ)為核磁共振（Nuclear magnetic resonance，NMR）理論。所謂NMR是指物質(zhì)磁性和磁場相關(guān)的共振現(xiàn)象，在外磁場的作用下，某些繞主磁場進動的自旋的質(zhì)子（包括人體中的氫質(zhì)子）在短暫的射頻電波作用下，進動角增大，當(dāng)射頻電波停止后，那些質(zhì)子又會逐漸恢復(fù)到原來的狀態(tài)，并同時釋放與激勵波頻率相同的射頻信號，這一物理現(xiàn)象被稱為核磁共振。

磁共振成像系統(tǒng)是集多學(xué)科、多技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，無論是新產(chǎn)品的研制、新技術(shù)的開發(fā)、還是實際工作中對其維修與保養(yǎng)，都需要人們掌握一定的磁共振理論知識，并對機器工作原理有所了解。

2 射頻系統(tǒng)的簡介

射頻子系統(tǒng)（RF system）是MRI系統(tǒng)中實施射頻激勵并接收和處理RF信號的功能單元，射頻系統(tǒng)不僅要根據(jù)掃描序列的要求發(fā)射各種翻轉(zhuǎn)角的射頻波，還要接收成像區(qū)域內(nèi)氫質(zhì)子的共振信號。

射頻脈沖的頻率就是系統(tǒng)的氫質(zhì)子共振頻率，即拉莫頻率（42.5758 MHz），依據(jù)磁場的強度一般是固定不變的，以西門子1.5 T來說，它的發(fā)射頻率約為63 MHz，由振蕩器產(chǎn)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，然后標準頻率的RF波進入調(diào)制器Modulator，調(diào)制器的作用是產(chǎn)生需要的波形，在這一過程中，RF脈沖要經(jīng)過多極放大，使其幅度得以提高。射頻脈沖發(fā)射單元的最后一級為功率放大器Radio Frequency Power Amplifier，它輸出一定發(fā)射功率的射頻波。這一RF波要經(jīng)過一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)Impedance Matching (Tuning)進入射頻線圈。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)在這里起緩沖器和開關(guān)的作用。由于有些線圈比如體線圈Body coil既是發(fā)射線圈Transmit coil又是接收線圈Receive coil，必須通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)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)射天線；射頻接收時，它建立的信號通路阻抗非常大，線圈成為接收天線。接收單元的功能是接收人體產(chǎn)生的磁共振信號，并經(jīng)過適當(dāng)放大處理后進入接收板進行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。綜合上述，我們可以看到西門子射頻系統(tǒng)基本可分為如下幾大部分∶

調(diào)制器Modulator；射頻功率放大器RF Power Amplifier；阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)Impedance Matching也可稱為調(diào)諧單元Tuning Unit；發(fā)射線圈Transmit coil；接收線圈Receive coils。

圖1 射頻系統(tǒng)框圖RF System Block Diagram

接收信號放大器和接收處理器Receive signal amplifier and receiver詳細框圖請參考圖1射頻系統(tǒng)框圖RF System Block Diagram。

3 射頻系統(tǒng)各個單元工作框圖和基本原理

3.1 調(diào)制器和合成器(Modulator and synthesizer)

調(diào)制合成器如圖2所示他的主要功能是計算和產(chǎn)生射頻小信號，經(jīng)過混頻、同步以及濾波后，得到帶有一定頻率的射頻脈沖信號。典型的射頻脈沖如圖3所示。

圖2 調(diào)制器和合成器

圖3 典型的射頻脈沖

3.2 射頻功率放大器(RF Power Amplifier）

射頻脈沖放大器如圖4所示。它是把前一級的射頻脈沖小信號進行功率放大，它是射頻發(fā)射單元中的關(guān)鍵組成部件。一般要求它不僅能夠輸出足夠的功率，還要有一定寬度的頻帶和非常好的線性，因此功率放大器的工作必須是非常可靠的。西門子的射頻功放采用的是真空固態(tài)功率放大管（Vacuum tube and solid state power stage amplifier），然而真空管和固態(tài)功率放大器通常它的輸出特性是非線性的，主要有兩方面的影響∶增益取決于輸入功率的水平，相位取決于輸出功率的水平。射頻功率放大器輸出特性如圖5所示。從圖5可以看出，在很低的輸入水平時它的輸出功率并沒有線性的放大。

圖4 射頻功率放大器

圖5 射頻功率放大器輸出特性

射頻小信號輸入到射頻功放之前，必須預(yù)校準，見上面右圖中的虛線部分（inverse function），預(yù)校準的曲線疊加上測量到的輸出曲線，最終得到一個理想的線性的射頻脈沖。線性的射頻特性和預(yù)校準示意圖分別如圖6及圖7所示。

圖6 線性的射頻特性

圖7 預(yù)校準示意圖

圖8 發(fā)射線圈

3.3 發(fā)射線圈（Transmit coil（Body coil））

射頻發(fā)射線圈如圖8所示，它相當(dāng)于一個純的50 Ω負載，負責(zé)把射頻功放發(fā)送過來的射頻能量施加給人體，用以激勵人體中的氫質(zhì)子，使其發(fā)生旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生共振。在射頻激勵過程中，發(fā)射線圈作為換能器，將RF功率轉(zhuǎn)換為在成像空間橫向旋轉(zhuǎn)的射頻磁場Bo，該換能器效率越高，就越可能用較小的射頻功率在成像空間內(nèi)獲得較大的Bo場，一個品質(zhì)優(yōu)良的發(fā)射線圈，不僅要有高的發(fā)射和接收率，而且要使它的射頻場有足夠的空間均勻性。

3.4 接收信號單元（Receive signal unit）

信號接收單元如圖9所示。接收人體信號的任務(wù)主要由接收線圈來完成，線圈接收到的人體磁共振信號，被送到射頻接收放大器，并經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆糯筇幚砗蠊?shù)據(jù)采集單元使用，前置放大器是射頻接收單元的重要組成部分，從接收線圈中感應(yīng)出的FID信號只有微瓦數(shù)量級的功率，這就要求它既要有很高的放大倍數(shù)，又要有很小的噪聲，在工作頻率附近要求有較為平坦的頻率響應(yīng)，并在很大范圍內(nèi)有好的線性放大特征。信號經(jīng)過前置放大器放大后到達混頻器，為了提高放大器的靈敏度和穩(wěn)定性，在這里采用了外差接收的方法，使信號于本機振蕩混頻后產(chǎn)生一個中頻信號，即將RF信號轉(zhuǎn)換至較低的中間頻率上，該信號經(jīng)中頻放大器進一步放大后送往低通濾波器，濾除其中混雜的交流成分后送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)供AD轉(zhuǎn)換用，最后得到原始數(shù)據(jù)再進行圖像后處理。

圖9 信號接收單元

圖10 發(fā)射接收回路測試結(jié)果圖

圖11 接收回路測試結(jié)果圖

4 西門子射頻系統(tǒng)維修實例

4.1 故障現(xiàn)象

系統(tǒng)不能掃描，一掃描就停止，設(shè)備管理器出現(xiàn)紅色報錯信息∶

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

更換不同的接收線圈，故障現(xiàn)象一樣。

4.2 維修過程

（1）首先進入設(shè)備硬件查看器MR Scanner中查看系統(tǒng)各部分硬件狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)都是正常的綠色箭頭，說明各個硬件部分通訊都是正常的，也說明了各個硬件的供電系統(tǒng)沒問題，但其具體功能是否還具備，需要做進一步的排查。

（2）更換不同的線圈進行掃描，得到了一模一樣的故障現(xiàn)象。

（3）手動調(diào)諧接收線圈，在adjustment里的Frequency中，找不到FID自由衰減信號，只得到一大片的噪聲波形。而LC_tune中的接收線圈調(diào)諧則能通過，這個重要的信息排除了接收線圈壞的可能性。

（4）有了上面的結(jié)論，就重點放在射頻信號的發(fā)射和接收通道上。先做發(fā)射板和接收板的回路（MOD./REC）測試（即射頻信號由發(fā)射板出來，不經(jīng)過任何發(fā)射和接收通路，直接回到接收板中），結(jié)果顯示指標全都在范圍內(nèi)，說明發(fā)射板（TX Module）和接收板(RX Module)都是正常工作的。詳細測試指標參見圖10和圖11。

（5）繼續(xù)做LCCS測試都可以通過，說明整個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測試，都正常。說明發(fā)射接收的控制部分都是好的，這樣就確定了問題是出在發(fā)射通路上。

（7）問題出在發(fā)射上，無外乎三種可能(請參考射頻系統(tǒng)框圖12)∶

第一，射頻功率放大器RFPA損壞；

第二，RFPA到發(fā)射線圈之間的連接；

第三，發(fā)射線圈TX coil（Body coil）。

圖12 射頻系統(tǒng)框圖

（8）用一個50 Ω的衰減器，直接接到射頻功放RFPA的輸出端，運行RFPA測試，這個測試把射頻功放后面的負載全部斷開了。測試完得到圖13和圖14的結(jié)果。

圖13 射頻功放功率測試

從上圖中看到射頻功放實際的最大功率輸出Forward max.actual和反射最大功率Max Reflected均為0。表明系統(tǒng)沒有檢測到射頻功率的實際輸出。

圖14 射頻輸出曲線為0 No RF Power output curve

從上圖中可以看到射頻功放的輸出功率Power forward曲線從0到800 V的范圍內(nèi)均為0。這說明射頻功放RFPA本身沒有輸出相應(yīng)正確的功率。正確的波形，應(yīng)該如圖15所示。

圖15 正常的射頻輸出曲線Normal RF Power output curve

（3）更換RFPA后，機器恢復(fù)正常。

4.3 維修結(jié)論

上述故障是由于射頻功率放大器RFPA本身失去了對射頻小信號的放大功能而導(dǎo)致的。對于大型醫(yī)療儀器的維修，需要工程技術(shù)人員對系統(tǒng)的整個工作原理有一個完整的了解，然后借助各種測試儀器和程序，對其具體功能進行分析，這樣才能準確快速的找出故障。

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