磁共振成像信号接收链的设计

磁共振成像信号接收链的设计

作为信号接收链的前端，高频天线对成像质量起着重要作用，与其他部件相比，它具有易加工和优化的特点。这一直是磁共振成像研究领域的热点。1行业的分类和典型应用1.1发射一体化圈区它是目前临床磁共振成像最流行的体积线圈,能够产生均匀的横向电磁场,适合工作在正交模式。一般作发射接受一体化线圈,如头线圈、体线圈和膝盖线圈等,主要适用于<2T系统。当系统场强达到8T时,很难做成一个高性能的鸟笼线圈,此外鸟笼线圈不适合于垂直磁场系统。1.2安全系统在磁域中的应用其优点是,即使体积很小,也能实现很均匀的场分布,但对于常规的超导磁体,由于磁场方向的限制,使线圈在空间利用和进出上都受限制,主要应用于非筒状磁体和介入线圈。1.3z轴方向的电磁其性能参数和6腿的鸟笼线圈相仿,特点是在Z轴方向,电磁场有很高的均匀性,以及和磁体的匹配性,敏感度比同样尺寸的螺旋管线圈要高3倍,是性价比较好的一种体线圈模式。1.4场分布均匀性其优点是有很好的病人进出性,缺点是场分布均匀性不是很好,强度主要集中于线圈电流通路周围,而位于中央区域的场强较低。适合制作乳房线圈、颈线圈等。1.5信噪比即梯度至表面织构优点是不但能得到单个线圈的信噪比,而且能对较大的区域成像。为了优化相阵列线圈的信噪比,必须确认来自于不同线圈的噪声大部分是非相关的。同时减小不同线圈之间电磁干扰,确保样品噪声也是非相关。减小线圈之间的电磁干扰,一般通过相邻线圈的部分重叠来实现,这样穿过以及返回重叠部分的磁通总和为零。也就是要满足线圈的互感为零。1.6做12t横向电磁模线圈很容易调谐,且高频场均匀性很好,可以做到12T。与鸟笼线圈最大的区别在于它的外层屏蔽作为电路的一部分,与内部的传输线组成回路,使整个线圈如同具有驻波传输功能的多导传输线。1.7环形线圈洛普卡此线圈对于接近人体表面的较小组织器官的成像,例如脊椎,表面线圈是接受线圈的第一选择。2线圈能量参数及其优化2.1面向相对于个体的等效电阻会的rafframlevsenitvd信噪比是磁共振系统性能的一个重要技术指标,对图像对比度和分辨率至关重要。对于线圈信噪比优化,首先要考虑的方面是和线圈相关的噪声问题。噪声的表达式为:noise∝4kTcoilΔfRrff−−−−−−−−−−−−√noise∝4kΤcoilΔfRrffTcoil是线圈温度,Δf是带宽,有效电阻Reff包括来自于线圈、样品以及电子的噪声:Reff=Rcoil+Rsamle+RelectronicsReff=Rcoil+Rsamle+Relectronics当前的成像系统,场强一般为0.5T≤B0≤4.0T,这样可以认为Reff≈Rsamle,样品作用于线圈的等效电阻正比于线圈接收样品信号有效区域的大小Vsensitive(即Rsamle∝Vsensitive)。尽管很难在成像区域和线圈的信噪比之间建立一个简单的对应关系,但从下列关于信噪比的公式仍然能够看到随着成像区域的减小,线圈信噪比会有增大的趋势:SNR=ΛM⊥B⊥4kTcoilΔfR√∝ω7/4B⊥TcoilΔfVsensitiveSΝR=ΛΜ⊥B⊥4kΤcoilΔfR∝ω7/4B⊥ΤcoilΔfVsensitive其中ω拉莫尔进动频率,B⊥横向电磁场,Tcoil数据采集时的温度,Δf接受级的带宽,单位为赫兹,Vsensitive线圈接受样品信号的有效区域,M⊥成像核的磁化矢量(正比于主磁场强度),k波尔兹曼常数。从公式能够看出,要增加信噪比,可以把线圈更加贴近成像区域来增加B⊥(如表面线圈),还可以通过最大限度减小样品的有效体积Vsensitive减小Rsamle来实现。2.2品质因数q的测量参数对于一个共振电路,如果电阻不为零,一些能量将被消耗,电路的共振品质会下降,对其进行定量的测量参数称为品质因数Q。Q=2π存储能量的最大值每周期消耗的总能量Q=2π存储能量的最大值每周期消耗的总能量加载的射频线圈,典型的Q一般在10~100。有许多技术可以通过减少阻抗来提高Q值,如增加导体面积、用低阻抗材料或是高温超导材料等。2.3电缆和电缆的转换磁共振系统处于发射状态时,要尽量减少反射机制的影响,使得所有的能量都传输到线圈。这就需要发射机、电缆和线圈有一样的阻抗Z,即阻抗匹配。电缆的阻抗由单位长度的电感和电容决定,为了使系统各部分阻抗匹配,可以通过低损耗的调谐和匹配网络来实现。磁共振系统的典型特征阻抗是50Ω。2.4平衡和平衡信号转换电路两端对地电压一样的装置是平衡装置(如表面线圈),否则是不平衡装置(如同轴电缆)。当平衡与不平衡装置连接时,如同轴电缆和表面线圈连接,会造成同轴电缆屏蔽层外测有电流返回,影响表面线圈磁场分布,对其他设备也会造成不良影响。用来匹配平衡装置和不平衡装置的转换器称为balun(balanced-unbalanced)。原理是通过对地等势的办法变单端信号(以地为参考)为极性相反双端平衡信号。也就是说,balun是通过加大同轴电缆屏蔽层外侧阻抗避免电流通过的装置。2.5射频安全的问题射频能量能够以热的形式沉积在人体内。当场强小于1.5T时,射频波长比较大,身体可以吸收的能量就很少,当射频场越来越大时,沉积在人体内的能量就越来越多,当前的全身磁共振成像系统不但有1.5T系统,还有3.0~7.0T的研究型系统,因此射频安全就成为一个必须重视的问题。目前对沉积能量(或单位质量的能量或瓦/千克)的要求是:全身范围内不能超过1.5~3.0W/kg,局部(点对点)不能超过3~8W/kg。3图像信噪比的影响随着磁共振技术临床应用的发展,人们不断追求图像高的空间和时间分辨率,而采集信号的强度很低,极易受到来自外界噪声的干扰,所以提高图像信噪比是