第三节  梯度磁场
梯度磁场是MRI设备特有的组成部分，其硬件部分位于MRI设备控制柜中。图13-15为MRI设备控制柜各部分的组合图。梯度磁场的硬件部分由梯度控制器、D/A转换器、梯度放大器和梯度线圈构成。MRI设备扫描数据的空间定位，是由X方向、Y方向、Z方向三个互相正交的梯度磁场完成的。梯度磁场的电路方框图如13-16所示：
图13-15  MRI控制柜各部分的组合图
图13-16  梯度磁场的电路方框图
工作原理：由中央处理单元中的时序控制器（pulse sequence control，PSC）给出18位串行信号，经梯度控制器进行D/A转换、涡流补偿、阻抗匹配送出3组直流信号加到X向、Y向、Z向三个独立的放大器上，经增益放大后直接输送到对应的X向、Y向、Z向三个梯度线圈上。对梯度磁场电源的要求：较高的直流电压288V/13A。梯度磁场电源由6个48V、600W的直流电源串联而成，其电路参见图13-17。
图13-17 梯度磁场的电源
一、梯度控制器
梯度控制器（GCCTL）电路构成方框图如图13-18所示。
图13-18  GCCTL电路的构成方框图
根据操作人员选择的扫描计划，中央处理器经CN101给出3组18位串行梯度数据分别通过接口电路→18位高精度D/A转化电路→直流放大电路→梯度波形整形电路（包括上升时间调整、涡流补偿调整、输出级补偿调整和FOV调整）→输出放大器电路（X轴CN105、Y轴CN106、Z轴CN107）。X轴、Y轴、Z轴的三组梯度控制器的每一组的各处理模块的选通，均由CCC编码控制。
二、梯度放大器
梯度放大器电路板安装在控制柜中。将处理后的梯度信号加到梯度放大器上。梯度放大器是功率放大器，要求输出功率大、开关时间短、响应快、输出电流精确。大功率的输出要求：输出电流大（决定梯度磁场强度）、输出电压高（决定梯度磁场切换率）。但由于梯度放大器的负载是空心线圈，属电感性负载，因此实现起来比较困难。
梯度放大器输出电流和控制电压的关系为20A/V。即：当D/A转换器的输出为5V时，梯度放大器要有100A的输出。为达到此要求，各公司生产的MRI设备都有独到之处。为了使3个梯度线圈的工作互不影响，配备了3个独立的梯度放大器，在CCC的控制下，分别独立工作，输出所需的电流。
三、梯度线圈
X轴、Y轴、Z轴的3个梯度线圈的原理相同，但实现起来不同。开放型MRI设备的梯度线圈为平面线圈，同一组线圈必须分为上、下两部分，分别紧贴在上、下磁极上。
1．Z轴梯度线圈  永磁型MRI设备的主磁场方向为垂直方向，Z向分上、下两个方向。Z轴梯度线圈的结构如图13-19所示，两个环状线圈紧粘在上、下磁极上。
图13-19  Z轴梯度线圈与磁场
2．X轴、Y轴梯度线圈  X轴、Y轴两个梯度线圈结构完全相同。各线圈分为上、下两部分，其结构为gorley型线圈，如图13-20所示。其精度和线性高于传统的直线形线圈。
图13-20  X轴、Y轴梯度线圈与磁场
如果梯度线圈产生的梯度磁场后面是导电材料制成的极片，就会产生涡流。减弱梯度磁场强度可减小涡流引起的噪声，但这将使MRI设备的敏感度和精确度下降。目前，已开发出不导电、但导磁的新材料作为极片。涡流补偿关系曲线如图13-21所示。
在MRI设备中，分别将X轴、Y轴、Z轴三组梯度线圈的上部和下部做成一个整体，用粘合剂固定在一种高电阻的基板上。并将基板分别紧固在上、下磁极上。其目的是：①减小涡流；②消除因直流脉冲信号流过梯度线圈而产生的机械震动噪音。在X轴、Y轴、Z轴三组梯度线圈中，Z轴梯度线圈的实现相对困难，其调整要求也不同，参见表13-5。
图13-21（1）  涡流补偿前曲线图
图13-21（2）  涡流补偿后曲线图





表13-5  梯度线圈调整表

指      标 Ⅱ型 Ⅰ型   
上升时间
  10％~90％ 小于500μs 小于500μs   
  0％~99.8％ 小于1.5ms 小于1.5ms   
平坦度  小于0.2% 小于0.2%   
持续时间 X轴 CR1 0.057~0.627ms 0.057~0.627ms   
  CR2 1.0~11.0ms 1.0～11.0ms   
  CR3 22.0~242.0ms 22.0~242.0ms   
Y轴 CR1 0.094~1.034ms 0.047~0.517ms   
  CR2 0.94~10.34ms 0.47~5.17ms   
  CR3 33.0~363.0ms 33.0~363.0ms   
Z轴 CR1 0.044~0.484ms 0.047~0.517ms   
  CR2 0.1~1.1ms 0.1~1.1ms   
  CR3 1.0~11.0ms 1.0~11.0ms   
  CR4 22.0~242.0ms 44.0~484.0ms   
  CR5 备用 备用   
线性度 小于1％（最大FOV
φ300mm） 小于1％（最大FOVφ300mm） 
第四节  发射线圈与接收线圈
与超导MRI设备不同，永磁型MRI设备的发射线圈与接收线圈是完全不同的两套系统。本节仅讨论它们的线圈本身，其工作流程参见第五节。
一、发射线圈
同梯度线圈一样，开放型MRI设备要求采用平面式发射线圈来代替马鞍型发射线圈。平面式发射线圈是马鞍型线圈的变形。其结构及等效电路如图13-22所示。
图13-22  发射线圈的结构及等效电路
发射线圈的等效电路是LC串联谐振电路。为了与RF放大器调谐和匹配，发射线圈的等效电路输入阻抗要求为50Ω。Cr、Cm分别为谐振电容和阻抗匹配电容；C为隔直电容；D为去耦二极管。二极管D的导通与截止是由偏置信号（15V、1500mA）控制的。在RF发射时，二极管D导通；在接收MRI设备信号时，二极管D截止。在安装调试MRI设备时，可手动设置偏置信号，来调整发射线圈。考虑发射线圈产生RF磁场的效率和均匀性，MRI设备设置了4组发射线圈，并且两两正交形成正交线圈，每组发射线圈的功率为1.25kW，总功率为5kW。4组发射线圈分别安装在上、下磁极的下方紧靠梯度线圈处。如图13-23所示。
图13-23  正交发射线圈的结构示意图
每组发射线圈的激励信号相差90°，四组发射线圈的激励信号相位分别为0°、90°、180°、270°。0°、90°相位在RF放大器中完成，而180°、270°相位靠调整外部电缆的长度来实现。图13-24为正交RF放大器输出示意图。图中采用了λ/2线。正交线圈能最大限度的提高RF磁场的效率，在任意时刻磁场强度大小不变，只是方向改变，如图13-25所示。而普通线圈的磁场强度大小随方向改变而改变。平面式发射线圈产生的RF磁场如图13-26所示。
图13-24  正交RF放大器输出示意图
图13-25  正交线圈磁场变化图
图13-26  平面式发射线圈产生的RF磁场示意图
注意：每组发射线圈的阻抗和相位必须精确调准，否则会因为发射线圈彼此效率的差别，使RF磁场的均匀性降低，造成图像质量下降。
二、接收线圈
在永磁型MRI设备中，接收线圈根据扫描部位的不同而设计成三种类型。参见表13-6。





表13-6  接收线圈种类

种类 接收线圈名称 扫描部位   
螺旋管型
正交型
相控型 颈部/关节/颞合关节/体部
头部/体部/膝关节
头部/颈部/体部/胸腰部 膝、肩、腕
头、腹、膝
头、颈、体 

其中，正交接收线圈是由马鞍型和螺旋管型接收线圈经适当组合制成。相控型接收线圈由两个以上的正交接收线圈或螺旋管型接收线圈经适当组合制成。最基本的接收线圈的等效电路如图13-27所示。其原理如图13-28所示。
图13-27  接收线圈的等效电路
图13-28  正交接收线圈原理示意图
其中：C为隔直电容；Cr与Cm分别为谐振电容和阻抗匹配电容；Cv为变容二极管；Cd为去耦电容；Ld为去耦线圈；D为去耦二极管。
由去耦二极管D、去耦电容Cd、去耦线圈Ld共同构成去耦电路。当RF发射信号发射时，通过偏置信号（15V、80mA）使二极管D导通，去耦电路工作，接收线圈形成并联谐振电路，去耦电路阻抗最大。其高阻特性使接收线圈开路。反之，当RF发射信号停止发射时，去耦电路不工作，接收线圈形成串联谐振电路，电流最大，形成的MRI设备感应信号最强。MRI设备信号很微弱，大约为几万微伏。为了无损失的接收MRI设备信号，接收线圈必须与发射线圈的阻抗匹配并调谐。调谐的优劣程度，直接影响信噪比和伪影的大小。而病人扫描部位的组织特点、环境因素的变化等都会影响调谐电压的大小，故在图13-15的电路中，除了可以手动调整谐振外，又增加了软件自动协助调节功能。即：将变容二极管Cv并联在电路中，程序会自动调节加在它两端的电压来改变变容二极管Cv的容量大小，以达到最佳调谐状态。
此谐振电路的谐振频率必须为主频。如0.3T的MRI设备，其主频为12.69MHz，接收线圈的阻抗应调在200Ω左右，相位在±10°以内，以便与前置放大器匹配。
三、前置放大器与相敏检波器
图13-29为RF接收装置的构成方框图。在此，仅介绍前置放大器和相敏检波器。
图13-29  RF接收装置的构成方框图
1．前置放大器  它安装在扫描床上，目的是让接收线圈和前置放大器之间的电缆最短，以使MRI设备信号的损失最小。前置放大器安装在扫描床上的缺点是：前置放大器的输入电缆布局复杂。因为它要随扫描床一起运动。输出线的布置也十分讲究。
为了能接收正交线圈输出的MR信号，前置放大器有两个独立的通道（如果是相控接收线圈就有四个以上的通道）。前置放大器为低噪声放大器，噪声水平在0.3dB以下，信号增益为36dB左右，工作电压为8V。同时，前置放大器上加有供自动调谐用的调谐电压。MR在预扫描过程中，调谐电压值由中央处理单元发出的指令信号，经D/A转换后自动送到前置放大器。前置放大器电路如图13-30所示。
图13-30  前置放大器电路原理图
2．相敏检波器  一般检波电路的作用就是将交流信号变为脉动的直流信号，且其直流输出信号幅值与交流信号的幅值成正比，这种相位检波器都是由非线性元件组成的。相敏检波电路是一种特殊的检波电路，它输出的直流信号既能反映输入交流信号的幅值，又能反映它同参考电压之间的相位差。
信号经前置放大器放大后送入混频器。用外差接收方法，使信号与本机振荡器混频后产生一个中频信号，即将MRI设备信号、RF信号转换为较低的中频信号，再经中频放大器放大后送到相敏检波器。
相敏检波电路的工作原理：如图13-31所示，平衡式的RC并联网络因为满足条件 <<R，所以它是一个滤波电路。其作用是将交流分量滤去。该电路作为相敏检波器使用，分别加上两个频率相同、相位相干的信号电压us'和参考电压ur'，并使ur'>>us'。设us'＝uscos(ωt+φ)；ur'＝urcosωt；两个输入变压器的初次级绕组匝数相同；并设二极管D1、D2及它们所在支路的电路参数基本一致；由电路原理可知，滤去交流分量后，相敏检波器的输出电压u0为
u0=2aRuruscosφ
式中：a为线路参数。由上式可见：相敏检波器的输出电压既与信号电压和参考电压的幅值有关，又与二者之间的相位差φ成正比。当相位差φ为0°或180°时，输出电压u0最大。
图13-31  相敏检波器电路
在MRI设备的RF接收装置中，一般采用两个相同的相敏检波器进行相位检测。这两个相敏检测器的输入端分别加上与信号电压有0°或90°相位差的参考电压，就可在输出端分别获得实部和虚部信号。实部信号和虚部信号共同组成MR信号。这是MR图像重建的特点。
第五节  MRI流程控制单元
MRI流程控制单元是MRI设备的执行控制单元。它由RF脉冲发射/接收装置，RF脉冲电源放大器，梯度磁场供电电源及梯度控制、梯度放大器，恒温度控制器和电源分配器等构成。
一、射频脉冲发射装置与接收装置
永磁型MRI设备的RF脉冲发射装置与接收装置由接收电路（RECEIVE1、RECEIVE2）、发射电路（transmitting circuit， TRANS）、合成电路（synthesize circuit，SYNTHE）、线圈控制电路（coil control circuit，COIL CNT）、控制电路等构成，各电路之间的连线如图13-32所示。
图13-32  RF脉冲发射装置与接收装置各电路之间的连线图
因为RF脉冲的发射装置与接收装置处理的是高频信号，因此容易受到外部噪声的干扰，所以各电路板上都有屏蔽层。
1．发射电路  它的作用是产生RF磁场所需的RF信号和本振信号，供接收电路接收。发射电路方框图如图13-33所示。它将SYNTHE电路送来的40MHZ的时钟信号转换成发射装置与接收装置所需的8MHZ的时钟信号，并用这个信号与SYNTHE电路的DDS（将正弦数字信号通过快速D/A转换变成正弦波形的单元称为DDS）信号合成发射电路所需的12.7MHZ的时钟信号及接收电路所需的21.06MHZ的时钟信号。SYNTHE电路提供的DDS信号包括用于发射电路的4.7MHZ的时钟信号。此信号是一个被sinc函数调制、最大632mV的信号，输送到功率放大器。另外，从发射电路输送到接收电路的两个信号都是正弦波信号，作为接收电路的输入信号。
以下几点改进，可使安装时的调整工作简化：&#9312;发射信号的强度由程序控制，省略了手动增益调整旋钮；&#9313;自动增益控制，无需在安装时进行增益调整；&#9314;设有sinc函数的A/D转换模块，可进行模/数转换，不再需要偏置和补偿调整。
图13-33  发射电路方框图
2．接收电路  它的作用是将接收线圈接收的RF信号放大。即分别放大螺旋管侧和马鞍侧线圈接收的信号，并实现混频和A/D转换。接收电路有两个，其中一个是备用的。接收信号方框图如图13-34所示。它利用21.6MHz和8MHZ的本振频率将来自前置放大器的12.7MHz信号转换为0.36MHz的信号。根据病人检查区域的大小和检查序列的不同，接收电路要有不同的增益。在程序控制下，接收电路通常要将接收信号衰减四次，使其增益为30db。在输入阶段，接收电路为接收回路提供一个电子开关，以便为正交（QD）线圈提供一个相移适配器和接收信号线，相移适配器也受程序控制。0.36MHz的信号又转换为0.14MHz，送到ADC电路。
图13-34  接收信号方框图
通过下列技术改进，可使所采用的QD线圈正交检测的相位偏移所引起的伪影和环境所致的噪声大幅减少。&#9312;信号的检测由图像处理器实现；&#9313;信号的滤波也由图像处理器实现；&#9314;信号的频率从0~360kHZ连续变化。
3．合成电路  它由一块中央控制台的PSC接口板，发射装置与接收装置的基本时钟发生器、DDS和安装在前控制面板上的系统状态显示的显示电路等构成。
从中央控制台的PSC接口板送出下列信号：&#9312;送到接收电路的接收增益、鞍形线圈衰减、正交线圈的通断控制（即选择单一信号还是正交合成信号）。&#9313;送到发射电路的发射电平、选择发射信号或是本振信号的通断。&#9314;送到合成电路的信号、发射信号与接收信号的相位控制信号、与发射信号和接收信号相位对应的门控信号的幅度控制信号。&#9315;送到线圈控制电路的调谐电压，发射和接收线圈去耦合电路的偏置电流，选择偏置电流方向的通道，通过合成电路将PSC接口板的数据送到各个电路中去。此电路板有一个40MHz的脉冲发生器，为各电路提供基本时钟脉冲信号。此电路板产生发射信号（被sinc函数幅值调制的正弦波）。
合成电路能输出几百kHZ的信号，也能输出几MHZ的信号。其简化图如图13-35所示。另外，此电路板有4个DDS为测量提供基准，同时也有利于灵敏的产生各种脉冲序列。
图13-35  合成电路简化图
4．线圈控制电路  它为发射线圈、接收线圈和去耦合电路提供偏置电流，为前置放大器提供电源。为避免发射线圈和接收线圈之间的耦合，接收时，发射线圈上的去耦合开关闭合，使发射线圈为开路状态；发射时，接收线圈上的去耦合开关闭合，使接收线圈为开路状态。使发射装置和接收装置在工作时序上彼此分开。线圈控制电路共有六个偏置电流通道，其中有两个用于接收线圈，四个用于发射线圈。有偏置电流时，面板上的发光二极管发光。偏置电流可调成0.1～1.5A。供给前置放大器的电源为直流8V。此外，线圈控制电路还为接收线圈提供调谐功能，调谐电压最大为5V，每档0.25V。
5．控制电路板  它通过改变跳线选择DISP SEL开关的设置，使RF发射频率、接收频率、发射增益和接收增益发生改变。但是，RF发射频率的数值仅在发射期间显示，因此很难检测到RF发射频率。发射后显示接收频率。由于频率位移的存在，显示频率还不是共振频率。通常选择GAIN旋钮来选择发射增益和接收增益。ON/OFF开关用于数码管的显示控制。发射增益用软件控制最大可设置为3FE，一般设置为3FF。用于SE序列的发射增益不同，90°发射脉冲的增益是180°发射脉冲增益的一半。90°与180°发射脉冲的增益测量值不同。接收线圈的增益最大值为1E，每档为2。数据用十六进制记录，接收增益28，为接收增益20的2倍。
二、梯度磁场电源
梯度磁场电源是在程序控制下，按照中央控制台送出的脉冲序列，为各个梯度线圈（X轴、Y轴、Z轴）提供工作电流。它由去涡流电路、初级电源、直流功率放大器（direct current amplifier，DCAMP）等构成（图13-16）。
1．初级电源  它为DCAMP提供288V、13A的直流电源（图13-16）。6个48V  600W的直流电源串联，输出288V  3.6kW的直流电，为X轴、Y轴、Z轴的三个DCAMP供电。
2．梯度磁场控制  从中央控制台的PSC发射的数字信号控制DCAMP进而驱动梯度线圈（图13-18）。从脉冲序列来看，梯度磁场不是连续的，而是间断的。但要求能迅速建立梯度磁场，即响应时间要小。另外，为补偿磁极金属表面产生的涡流引起的压降，不同结构的梯度磁场电源采用的补偿电路不同。其响应速率根据序列的不同进行调节。从PSC送出的18位串行数据由CN101输入，经18位D/A转换，形成相应的梯度波形。同时PSC也对序列的上升时间进行相应的设置。上升时间与梯度磁场的磁场强度无关。涡流补偿时间常数和几个不同的梯度磁场波形调整时间，均送到DCAMP的各轴向的FOV增益调节电路。检测到的DCAMP错误信息送到发光二极管显示，并送到MRI设备的错误检查板。
3．通过调整DCAMP的控制电压以调整梯度磁场线圈电流，控制电压与输出电流的关系为20A/V。X、Y、Z三个DCAMP相同，只不过是各自HEADER中的DISP SEL开关的设置不同。
三、恒温控制器
恒温控制器的作用是保持主磁体的温度稳定在32.5&#8451;。其控制精度为0.01&#8451;。由于主磁体的上、下两部分是绝热的，热量主要由基座处散发。所以恒温控制器应对上、下主磁体和基座三部分进行恒温控制。
为了增强恒温控制器对周围环境温度变化的响应特性，在上、下主磁体中，各用一个热敏电阻检测主磁体的温度，另一个热敏电阻检测空气的温度，两者并联，以检测主磁体和空气的温度平均值，用来进行温度控制。基座的温度检测，仅用一个热敏电阻来进行温度控制。
贴在主磁体磁路上的用于主磁体温度和空气温度检测的热敏电阻构成一个桥式电路。如果检测到的温度低于设置温度（32.5&#8451;），比较器输出为高电平，固态继电器导通，恒温加热器得电工作，使主磁体温度上升。反之，检测温度高于设置温度，比较器输出为低电平，固态继电器关断，恒温加热器失电停止工作，使主磁体温度保持在32.5&#8451;。另外，为防止由于恒温控制器损坏造成的磁体温度过高，设置了一个备用的恒温控制保护器，其温度保护值稍高于32.5&#8451;。
四、错误处理器
MPX PCB监视各电路的运行情况，在电路出错的情况下将错误信息送到中央控制台，由LED显示其错误代码。图13-36为错误信号检测方框图。
图13-36  错误信号检测方框图
各电路（梯度磁场电路、恒温控制器和RF电路）的8位的错误信号被送到中央控制系统，由MPX PCB上的发光二极管（light-emitting diode，LED）显示错误信号的内容，同时在软件菜单T/M manager中也可检测程序的运行状态。
五、线圈序号识别器
图13-37为线圈序号识别器电路方框图，线圈序号识别器板（COIL CM PCB）可以用8位的数据来识别放置在扫描床上与前置放大器相连的线圈序号，并以串行方式将其送到中央控制系统，同时也可以用电路板上的LED显示，来确认线圈的序号。
图13-37  线圈序号识别器电路方框图