蔣東平 何賢國(guó) 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(lái)發(fā)展起來(lái)的X射線計(jì)算機(jī)斷層成像（X射線CT機(jī)）、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(jì)算機(jī)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)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(jìn)、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(lái)它仍將以一個(gè)新興學(xué)科的面貌在工程技術(shù)和醫(yī)學(xué)診斷兩個(gè)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(chǎng)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(chǎng)相關(guān)的共振現(xiàn)象，在外磁場(chǎng)的作用下，某些繞主磁場(chǎng)進(jìn)動(dòng)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(jìn)動(dòng)角增大，當(dāng)射頻電波停止后，那些質(zhì)子又會(huì)逐漸恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，并同時(shí)釋放與激勵(lì)波頻率相同的射頻信號(hào)，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(wú)論是新產(chǎn)品的研制、新技術(shù)的開(kāi)發(fā)、還是實(shí)際工作中對(duì)其維修與保養(yǎng)，都需要人們掌握一定的磁共振理論知識(shí)，并對(duì)機(jī)器工作原理有所了解。

2 射頻系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

射頻子系統(tǒng)（RF system）是MRI系統(tǒng)中實(shí)施射頻激勵(lì)并接收和處理RF信號(hào)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(hào)。

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(chǎng)的強(qiáng)度一般是固定不變的，以西門(mén)子1.5 T來(lái)說(shuō)，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(biāo)準(zhǔn)頻率的RF波進(jìn)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(guò)程中，RF脈沖要經(jīng)過(guò)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(jí)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(guò)一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)Impedance Matching (Tuning)進(jìn)入射頻線圈。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)在這里起緩沖器和開(kāi)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(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換。射頻發(fā)射時(shí)，它建立的信號(hào)通路阻抗非常小，使線圈成為發(fā)射天線；射頻接收時(shí)，它建立的信號(hào)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(hào)，并經(jīng)過(guò)適當(dāng)放大處理后進(jìn)入接收板進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。綜合上述，我們可以看到西門(mén)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(hào)放大器和接收處理器Receive signal amplifier and receiver詳細(xì)框圖請(qǐng)參考圖1射頻系統(tǒng)框圖RF System Block Diagram。

3 射頻系統(tǒng)各個(gè)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(jì)算和產(chǎn)生射頻小信號(hào)，經(jīng)過(guò)混頻、同步以及濾波后，得到帶有一定頻率的射頻脈沖信號(hào)。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(jí)的射頻脈沖小信號(hào)進(jìn)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?？煽康?。西門(mén)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(shí)它的輸出功率并沒(méi)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(hào)輸入到射頻功放之前，必須預(yù)校準(zhǔn)，見(jiàn)上面右圖中的虛線部分（inverse function），預(yù)校準(zhǔn)的曲線疊加上測(cè)量到的輸出曲線，最終得到一個(gè)理想的線性的射頻脈沖。線性的射頻特性和預(yù)校準(zhǔn)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(zhǔn)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(gè)純的50 Ω負(fù)載，負(fù)責(zé)把射頻功放發(fā)送過(guò)來(lái)的射頻能量施加給人體，用以激勵(lì)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(lì)過(guò)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(chǎng)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(chǎng)，一個(gè)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(chǎng)有足夠的空間均勻性。

3.4 接收信號(hào)單元（Receive signal unit）

信號(hào)接收單元如圖9所示。接收人體信號(hào)的任務(wù)主要由接收線圈來(lái)完成，線圈接收到的人體磁共振信號(hào)，被送到射頻接收放大器，并經(jīng)過(guò)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(hào)只有微瓦數(shù)量級(jí)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(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器放大后到達(dá)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(hào)于本機(jī)振蕩混頻后產(chǎn)生一個(gè)中頻信號(hào)，即將RF信號(hào)轉(zhuǎn)換至較低的中間頻率上，該信號(hào)經(jīng)中頻放大器進(jìn)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(jìn)行圖像后處理。

圖9 信號(hào)接收單元

圖10 發(fā)射接收回路測(cè)試結(jié)果圖

圖11 接收回路測(cè)試結(jié)果圖

4 西門(mén)子射頻系統(tǒng)維修實(shí)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(bào)錯(cuò)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(guò)程

（1）首先進(jìn)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(shuō)明各個(gè)硬件部分通訊都是正常的，也說(shuō)明了各個(gè)硬件的供電系統(tǒng)沒(méi)問(wèn)題，但其具體功能是否還具備，需要做進(jìn)一步的排查。

（2）更換不同的線圈進(jìn)行掃描，得到了一模一樣的故障現(xiàn)象。

（3）手動(dòng)調(diào)諧接收線圈，在adjustment里的Frequency中，找不到FID自由衰減信號(hào)，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(guò)，這個(gè)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(diǎn)放在射頻信號(hào)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(cè)試（即射頻信號(hào)由發(fā)射板出來(lái)，不經(jīng)過(guò)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(biāo)全都在范圍內(nèi)，說(shuō)明發(fā)射板（TX Module）和接收板(RX Module)都是正常工作的。詳細(xì)測(cè)試指標(biāo)參見(jiàn)圖10和圖11。

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

（7）問(wèn)題出在發(fā)射上，無(wú)外乎三種可能(請(qǐng)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(gè)50 Ω的衰減器，直接接到射頻功放RFPA的輸出端，運(yùn)行RFPA測(cè)試，這個(gè)測(cè)試把射頻功放后面的負(fù)載全部斷開(kāi)了。測(cè)試完得到圖13和圖14的結(jié)果。

圖13 射頻功放功率測(cè)試

從上圖中看到射頻功放實(shí)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(méi)有檢測(cè)到射頻功率的實(shí)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(shuō)明射頻功放RFPA本身沒(méi)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(jī)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(duì)射頻小信號(hào)的放大功能而導(dǎo)致的。對(duì)于大型醫(yī)療儀器的維修，需要工程技術(shù)人員對(duì)系統(tǒng)的整個(gè)工作原理有一個(gè)完整的了解，然后借助各種測(cè)試儀器和程序，對(duì)其具體功能進(jìn)行分析，這樣才能準(zhǔn)確快速的找出故障。

[1]趙喜平.磁共振成像系統(tǒng)的原理及應(yīng)用[M].北京∶科學(xué)出版社∶2000.12.

[2]萬(wàn)華軍，黃政權(quán).Siemens Symphony MRI 維護(hù)及故障排除[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2008(2)∶34-35.

[3]吳恩慧.醫(yī)學(xué)影像診斷學(xué)[M].北京∶人民衛(wèi)生出版社，2002∶6.

[4]李坤成.全國(guó)醫(yī)用設(shè)備使用人員(MRI醫(yī)師)上崗考試指南[M].北京∶軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)出版社，2009.

[5]何賢國(guó).電路原理[M].長(zhǎng)沙∶湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2011∶4.

[6]劉正琦.核磁共振操作及維護(hù)保養(yǎng)[J].中國(guó)實(shí)用醫(yī)藥，2007(35).

[7]于清林.核磁共振原理及典型故障維修[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備，2009，6(2)∶58.