磁共振成像主要利用人體內(nèi)氫質(zhì)子等的自旋共振進行成像。在超導(dǎo)磁場環(huán)境中，使用垂直或傾斜角度的射頻脈沖來完成共振。射頻脈沖是一種交變的射頻磁場，由譜儀（Spectrometer）其中的一塊電路控制板發(fā)出，經(jīng)過射頻放大器放大到所需要的功率后進行處理，并送入發(fā)射線圈（通常是正交體線圈Quadrature Body Coil）發(fā)射。人體內(nèi)的氫質(zhì)子經(jīng)射頻發(fā)射信號激發(fā)形成共振信號，在弛豫過程中，由各類體表線圈接收并進行放大，通過頻率，相位編碼以及檢波濾波處理后，由重建處理器完成圖像重建，傳輸至主機工作臺。因此射頻系統(tǒng)是影像磁共振最終成像效果極為重要的核心部件之一。射頻系統(tǒng)由射頻發(fā)射，射頻接收線圈，射頻傳輸轉(zhuǎn)換鏈路等多個子系統(tǒng)構(gòu)成。磁共振發(fā)展歷程中，射頻系統(tǒng)一直是磁共振性能革新的聚焦點，給磁共振臨床應(yīng)用帶來了極大的突破。然而受限于電路系統(tǒng)以及電子元器件的發(fā)展，近年來磁共振射頻系統(tǒng)已至瓶頸。作為最早的醫(yī)用超導(dǎo)磁共振廠商，GE一直引領(lǐng)磁共振射頻系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，并率先推出全新的AIR Technology 射頻系統(tǒng)，對射頻系統(tǒng)進行全方面革新設(shè)計。

1 AIR Touch智能感知射頻發(fā)射

多源射頻發(fā)射解決了超高場磁共振射頻信號不均勻的問題，然而射頻信號激發(fā)依然存在精準(zhǔn)度的問題需要解決。基于MultiDrive多源射頻發(fā)射系統(tǒng)，在全新的AIR射頻平臺上，GE實現(xiàn)了全新的AIR Touch智能感知射頻發(fā)射技術(shù)（圖1）。人體進入靜磁場后會造成磁場偏移效應(yīng)，進而引起共振頻率的偏差。傳統(tǒng)磁共振中采用勻場的方式來糾正人體對于靜磁場的偏移，搭配以固定的中心頻率模型來進行射頻信號的激發(fā)。然而由于勻場技術(shù)的限制以及個體間的差異，難以保證掃描視野內(nèi)的磁場始終一致，這便造成了最終成像中不同層面圖像的錯位。AIR平臺將首次采用基于人工智能成像的生物感知激發(fā)技術(shù)-AIR Touch。該技術(shù)通過全新智能技術(shù)進行獨立的射頻激發(fā)調(diào)控以及渦流場的矯正。在預(yù)掃描、掃描成像與圖像重建全過程中對射頻頻率便宜進行糾正。在射頻激發(fā)過程中，采用多源射頻隔層進行中心頻率的選擇，實現(xiàn)中心頻率的“有層可依”。

圖1 傳統(tǒng)勻場+固定中心頻率激發(fā)，造成層間錯位（a）和AIR Touch智能感知激發(fā)，修正每一層中心頻率偏移（b）

2 全新AIR Coil線圈電路材質(zhì)革命

射頻接收線圈所指為臨床常見的表面線圈，用于緊貼成像部位成像，部位越近信號越強。一個相控陣線圈由多個子線圈單元構(gòu)成，每個線圈單元大小約為15～18 cm，同時具備多個數(shù)據(jù)采集通道與之對應(yīng)，信噪比成倍提升，與并行采集技術(shù)相結(jié)合可以大大提高MRI的信號采集效率。目前臨床上高場MRI已經(jīng)全部采用相控陣線圈進行采集，部分線圈的采集通道數(shù)最高已經(jīng)可以達到32個（圖2）。然而線圈單元采用傳統(tǒng)銅質(zhì)電路板設(shè)計，在相鄰線圈單元互相接近后，由于電路材質(zhì)以及系統(tǒng)的原因，產(chǎn)生互感效應(yīng)，信號反而衰減，因此傳統(tǒng)線圈單元間可重疊距離僅有2 cm。在不減小線圈采集單元大小的情況下，單部位線圈采集通道已達上限，這極大地制約了磁共振射頻接收線圈技術(shù)的發(fā)展。而在保障圖像質(zhì)量的同時，作為唯一與人體密切接觸的部件，臨床對于線圈舒適性也提出了更高的要求。

圖2 相控陣線圈，多個線圈單元組成 （a）和線圈單元靠近后互相干擾，單位面積線圈單元數(shù)量存在上限（b）

傳統(tǒng)相控陣線圈最大接收通道為32通道，一般用于頭顱線圈之中。而全新的AIR Coil突破了線圈密度的限制，最大接收通道相比傳統(tǒng)線圈提升了50%，達到了48通道，成為當(dāng)前最高通道數(shù)的神經(jīng)科研專用線圈。

AIR射頻平臺采用了完全革新的電路材質(zhì)來進行線圈系統(tǒng)的設(shè)計。AIR Coil線圈使用革命性材料INCA纖維導(dǎo)環(huán)作為線圈單元材料，同時將包含高通去耦電阻，前置放大器，電容器等相應(yīng)電路元件集成到芯片中，摒棄傳統(tǒng)的銅線電路板結(jié)構(gòu)。這種全新的線圈單元重量僅為傳統(tǒng)線圈單元的1/3，并且能夠有效克服線圈單元之間的互感效應(yīng)，將相鄰單元之間的重疊范圍增加到原來的3.5倍以上，進而實現(xiàn)了最大密度的線圈單元通道分布。

如前文所述，傳統(tǒng)相控陣線圈最大接收通道為32通道，一般用于頭顱線圈之中。而全新的AIR Coil突破了線圈密度的限制，最大接收通道相比傳統(tǒng)線圈提升了50%，達到了48通道，成為當(dāng)前最高通道數(shù)的神經(jīng)科研專用線圈（圖3）。成像過程中，AIR Head Coil信噪比提升約1.4倍，能夠兼容最高八倍的多層采集系數(shù)，大幅提升功能成像速度。另一方面，線圈距離掃描部位越近信號越強，INCA線圈單元克服互感的特性使其具備了當(dāng)前業(yè)內(nèi)唯一的3 cm的可擴容特性，能夠更加貼合兒童等不同體型的人群，實現(xiàn)完美的神經(jīng)信號采集效果。

圖3 線圈

3 AIR Thunder一比一射頻傳輸鏈路

在射頻表面線圈接收到回波信號后，仍需要進行信號的傳輸并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號由重建計算機進行重建。在這一過程中，射頻信號是多路同時傳輸?shù)?，每一路都包含了反映人體檢查部位的不同信號。隨著線圈接收通道的不斷提升，對于射頻傳輸鏈路的承載以及轉(zhuǎn)換性能也提出了更高的要求。完整的射頻傳輸鏈路從表面線圈接收通道開始，經(jīng)過短程的多通道射頻信號傳輸至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。由于射頻信號依然為電信號，在傳輸過程中容易造成損失，因此在早期射頻傳輸鏈路的發(fā)展中，快速實現(xiàn)ADC轉(zhuǎn)換成為一大核心。通過將設(shè)備間的ADC轉(zhuǎn)換器移至磁體間，大大地減少了射頻信號傳輸?shù)木嚯x，降低了傳輸中射頻信號的損失，這便是光纖或者數(shù)字化射頻傳輸?shù)母拍睿▓D4）。

圖4 光纖射頻傳輸鏈路的發(fā)展，ADC轉(zhuǎn)換器磁體間前置

在整個射頻傳輸鏈路中，包含有3個關(guān)鍵性的指標(biāo)，即線圈接收通道數(shù)，射頻同時傳輸通道數(shù)以及ADC轉(zhuǎn)換器個數(shù)，其中線圈接收通道以及同時傳輸通道往往一致，稱為傳輸通道數(shù)，而最終接收信號并進行轉(zhuǎn)換的ADC個數(shù)稱為接收的通道數(shù)。在傳統(tǒng)射頻傳輸鏈路設(shè)計時，考慮到ADC轉(zhuǎn)換器本身的成本，以及早期射頻線圈通道數(shù)的限制，所采用的為傳輸通道M：接收通道N的設(shè)計，即ADC轉(zhuǎn)換器個數(shù)小于傳輸通道數(shù)。這種射頻傳輸鏈路大幅節(jié)約了硬件成本，同時可以順利完成單部位檢查，在射頻傳輸鏈路中被廣泛使用。然而隨著聯(lián)合掃描需求的變高以及單部位線圈通道的提升，M：N的射頻傳輸鏈路的問題開始呈現(xiàn)。舉例來說，傳輸通道設(shè)計為204個，而ADC轉(zhuǎn)換器個數(shù)為48個。在線圈通道控制在48通道以下時，可以順利完成檢查。而一旦線圈傳輸通道超過48個時，此時射頻系統(tǒng)接收能力將會不足，實際的射頻傳輸鏈路的接收能力依然為48個，無法充分接收射頻線圈采集到的信號。因此只有當(dāng)傳輸通道數(shù)與接收通道數(shù)一一對應(yīng)時，才能發(fā)揮最大的射頻傳輸鏈路性能。AIR Technology搭載了全新的AIR Thunder一比一射頻傳輸鏈路。從每個線圈單元采集到的信號均有一一對應(yīng)的射頻傳輸通道和ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最大可同時實現(xiàn)146個射頻傳輸鏈路傳輸轉(zhuǎn)換。射頻傳輸性能將不會受到ADC轉(zhuǎn)換器個數(shù)的限制，最大化發(fā)揮線圈采集的能力，同時也為未來更多通道的線圈以及更多組合使用的場景提供射頻傳輸基礎(chǔ)（圖5）。

圖5 傳統(tǒng)M:N射頻傳輸，性能受到ADC轉(zhuǎn)換器限制（a）和AIR Thunder M:M一比一傳輸鏈路（b）

4 結(jié)語

射頻系統(tǒng)毫無疑問是磁共振設(shè)備中最為重要的核心技術(shù)部件之一，它貫穿著整個磁共振信號產(chǎn)生采集傳輸?shù)牧鞒?。磁共振臨床應(yīng)用需求的不斷提高以及技術(shù)的迭代發(fā)展對射頻系統(tǒng)提出了更高的性能要求。全新AIR Technology射頻平臺集成智能感知射頻發(fā)射技術(shù)，革命性INCA線圈單元設(shè)計的AIR Coil以及AIR Thunder一比一射頻傳輸鏈路，實現(xiàn)磁共振射頻系統(tǒng)從組織激發(fā)到數(shù)據(jù)采集，傳輸轉(zhuǎn)換的全面創(chuàng)新，為更高通量的磁共振信號獲取，更快速地磁共振信號采集，更深度地磁共振影像科研奠定了堅實的硬件基礎(chǔ)。