第三节　射频系统

处于静磁场中的氢质子，在受到一个持续时间短、符合拉莫尔频率的射频脉冲（RF）作用后，发生磁共振现象。射频脉冲由MRI系统的射频线圈发射，这个激励电磁波不是连续发射的，而是一个脉冲接一个脉冲逐个发射（虽然间隔时间很短，但波形不连续）。不同的脉冲组成了不同的脉冲序列。在实际扫描中，根据不同扫描部位、患者状况选择不同的扫描序列。如何选择扫描序列成像，不是本章叙述的内容。

早期的磁共振设备使用高斯脉冲，这是因为高斯型脉冲经过傅立叶转换后的波形仍然是高斯型。转换前的高斯型脉冲越宽，变换后的高斯型脉冲越窄。由于高斯脉冲所激发的层面轮廓不够锐利，后来被正弦脉冲取代（图2-3-0-1）。但是正弦脉冲仍然不能满足我们对成像的要求，现已被一些专用的新型射频脉冲取代。

一、射频的发射与接收

磁共振成像时，射频脉冲先由射频振荡器产生，其频率（氢质子共振频率）是固定不变的。经过射频合成器校正，使其完全符合序列的要求。随后，调制器生成所需要的波形。最后，经射频功率放大器（进行多级放大，使射频脉冲的幅度得以提高，是射频系统中最重要的环节）及阻抗匹配网络（起到缓冲和开关的作用）进入射频线圈发射。

对于磁共振信号接收而言，从接收线圈感应到的磁共振信号振幅只有几微伏（1V=1 000 000μV）。这就要求接收系统在接收高频和超高频信号时，拥有很高的灵敏度，前置放大器有很高的信号放大能力（500～1000倍）。放大后的信号经由混频器处理，将MHz级的高频共振信号转换为kHz级频率的信号，再由相位检波器将交流信号转变为脉动的直流信号，最后送入数据采集处理单元进行模/数（A/D）转换。

二、射频线圈

射频线圈（RF coil）是MRI系统的一个重要组成部分，既可作为激发体内氢质子共振的激励源（发射线圈），也可作为磁共振信号的接收器（接收线圈）。但是，射频脉冲的强度，要比氢质子在共振后释放的磁共振信号强很多倍。为了避免射频脉冲破坏磁共振信号，可以使用接收/发射转换开关，快速转换信号，解决这一问题。

如前所述，我们检测到的磁共振信号很微弱，而且噪声水平比较高，使信噪比（SNR）受到了极大限制。对于一台磁共振设备而言，静磁场恒定不变，提高信噪比的主要手段是尽可能完善射频发射和接收系统。所以各种射频技术不断推陈出新，并出现了外形各异的接收线圈。

射频线圈以低阻值导线绕成，由一系列的圆形或螺旋形线圈组成。其几何外形设计非常重要，目的是尽可能提高射频线圈的灵敏度，产生一种非常均匀的射频磁场（表面线圈除外）。线圈中的被检部位，应尽可能充满线圈，使充填度应大于70%。发射线圈产生的射频电磁场应垂直于静磁场。静磁场方向与扫描孔轴向通常一致，故射频场方向一般垂直于扫描孔轴向。

线圈的种类繁多，尤其是接收线圈。现在临床主要应用正交头部线圈、正交体部线圈（磁体内）、正交膝与踝关节线圈、头颈联合相控阵线圈、体部相控阵线圈、心脏相控阵线圈、全脊柱相控阵线圈、乳腺相控阵线圈（单侧和双侧）、表面柔软线圈以及直肠内、宫腔内专用线圈等。

按照线圈的作用范围将其分类，现介绍几种常见的线圈：

1.容积线圈

容积线圈（volume coil）是指能包容或包裹某一成像部位的线圈，激励与接收较大容积内的组织信号。我们常用的RF体部线圈和头部线圈都是容积线圈。这两种线圈既是发射线圈也是接收线圈。由于射频体线圈体积较大，一般安装在磁体内部。并且，大部分的射频激发任务由它完成。所以，体部线圈几乎是所有磁共振设备必须装备的线圈之一。

容积线圈主要有三种形状：螺旋线形、鞍形和鸟笼形（图2-3-2-1）。当射频场的方向垂直于静磁场方向时，才能激励质子。因此，鞍形线圈往往应用于超导磁体，使静磁场与线圈检查孔径方向一致。螺旋线形线圈可应用于静磁场方向与人体轴线方向垂直的磁体，如永磁型磁体。

鸟笼形线圈是一种比鞍形线圈更为先进的线圈，可以提供更好的均匀性。它以正交形式设计，效率更高。这类采用了正交技术的线圈，也称为正交线圈（图2-3-2-2），其特征是至少有两个相同的线圈，它们彼此呈90°，产生的射频场互相正交（垂直）。相对于普通线圈，这种正交设计可以使信噪比增加倍。目前，MRI系统的正交体部线圈已成为标准配置。

2.表面线圈

表面线圈（surface coil）是一种贴近检查部位的线圈，其敏感度高于容积线圈。表面线圈的设计有别于其他线圈，高信噪比是这类线圈的最大特点。除了表面线圈，其他线圈是为了产生均匀的射频磁场而设计，以使检查部位得到相同程度的激励。而表面线圈只在线圈以下深度的半球状区域内接收信号（图2-3-2-3）。线圈半径越大，信号采集深度越深；越靠近线圈，射频场越强，信号采集越精确，信噪比越好。所以，表面线圈的射频场不均匀。目前经过改良的表面线圈，以8字形或蝴蝶形设计，可有效提高信噪比，并降低SAR值（详见第十五章）。

当表面线圈作为激励线圈时，其射频场随着深度增加而变弱，并产生一个随深度而偏转角度的激励场，干扰表面线圈的发射与接收。目前，最好的解决方法是使用独立体部线圈作为激励线圈，而表面线圈只作为接收线圈。

表面线圈主要用于检测小范围的、靠近线圈的磁共振信号。由于可以贴近检查部位，故能得到更好的局部信噪比。因此，广泛应用于脊柱、关节等部位的MRI检查（图2-3-2-4）。

3.相控阵线圈

相控阵线圈（synergy coil）是由一系列表面线圈组成的线圈阵列（图2-3-2-5）。这些线圈同时接收信号，覆盖较大的检查区域，并将信号合成，有效增加线圈的空间（图2-3-2-6）。与单一表面线圈相比，相控阵线圈可以得到一个更大的成像区域，而信噪比和每个独立线圈的信噪比相同。与低信噪比的线圈（磁体内的体部线圈）相比，相控阵线圈接收的信号只取自选中的层面，因而信噪比更好。

为了得到更好的信噪比，相控阵线圈中的每一个次级线圈（单元）都需要自己的独立接收通路，以避免线圈间电噪声的影响。此外，还要考虑线圈之间的电磁耦合问题，控制线圈的间隔可以减少相互间的耦合。但是当线圈排列接近时，次级线圈间耦合的控制就很困难。因此，线圈的布局及几何结构设计非常重要。目前，研发人员为排除各种信号干扰，推出新一代拓扑相控阵线圈，以不同大小的表面线圈高密度叠加组合，可进一步提高相控阵线圈的信噪比。

相控阵线圈中次级线圈的接收通道数量越多，信噪比越好。但是，接收通道越多，采集的MR信号数据越多，使得重建图像的时间及难度相应增加。而相控阵线圈设计复杂，制作成本高。因此，不是所有的MRI系统都适合应用相控阵线圈。对比其他类型线圈，它同时具备大范围扫描和高信噪比，优势明显（图2-3-2-7）。

4.腔内线圈

腔内线圈（intracavitary coil）是置入人体内，对某一器官或组织近距离、高分辨率成像的表面线圈，又称体内线圈。与常规表面线圈的设计有所不同，腔内线圈需要通过狭小的管口到达人体内部，其结构小巧而紧凑。到达成像位置后，应方便展开，形成较大的成像范围。目前，最常用的腔内线圈是直肠内线圈。它由肛门置入，可对直肠、前列腺和子宫进行MR成像。