MRI基础知识 -- Spurious noise

MR技术博大精深，上一期老王介绍了一个硬核技术，从时域和频域角度区分了Spike和noise，大家学习的怎么样呢？正像老王所说，很多日常遇到的与扫描参数无关的图像质量问题与这两个问题有关，而能够区分Spike和noise是解决问题的第一步，因此了解他们的原理具有很大的意义。

既然我们了解了Spike和noise的区别，那么接下来为了更好的排查问题，老王带大家分别继续深入学习他们的产生机理，便于有重点的查找故障来源，本篇文章就先从较为简单的Spurious noise开始学习。

回顾上一篇文章我们知道，noise干扰信号在时域上是不随时间变化的一组连续信号，而频域上是固定频率或频段的尖峰信号

很明显的可以知道，noise噪声信号的特点就是长时间和固定频率，那么我们就可以针对性的看看都有什么会产生这样的信号。

一．首先最容易想到的就是外界的无线电波。

传统超导MR设备的中心频率分别为：

1.5T: 64MHz

3.0T: 128MHz

这两个频段都正好落在甚高频VHF频段区间内：

可以明显的看到外界由大量的信号都处于VHF频段，对于MR设备来说这些信号全部都是干扰信号，直接把超导MR设备放到开放空间扫描的话肯定会直接受到干扰，因此就需要有合格的电磁屏蔽将这些外界干扰信号隔绝出去。

很容易推导出来如果MR屏蔽间的屏蔽效能不好的话就有可能会产生Noise干扰。一般来说屏蔽间干扰来源主要有以下几类：

1. 屏蔽门效能下降。常规的屏蔽间大门门缝是用铜弹簧片的导通起到屏蔽作用的，经常使用屏蔽门就会发现，在新机器刚开始使用的时候屏蔽门非常紧，开关需要很大力气，但是随着使用的次数越来越多，门越来越好关，到后来基本都不需要用力就能关上。

遇到这种情况千万不要高兴的太早，很有可能是弹簧片坏了或者失去弹性造成的，这些基本都会直接造成大门屏蔽效能的直接下降，严重一些就会带来noise干扰。

与此同时长时间开关门会导致铜弹簧片变脏，也会直接导致接触不良，从而影响屏蔽效能，因此建议定期检查屏蔽门弹簧片是否有破损，同时经常用无水酒精擦拭弹簧片。

2. 铜屏蔽效能下降。常规MR磁体间屏蔽的制作方法是铜皮进行拼接形成一个6面屏蔽箱体。

拼接部分常规使用螺栓固定或者焊接，最终的目的都是要确保铜屏蔽形成一个整体。一般来说良好的施工条件下，铜屏蔽框架是不会有开裂等现象的，因此正常情况铜屏蔽箱体的屏蔽效能是有保障的。但是观察机房设计图我们会发现，为了确保MR设备正常工作，屏蔽间是有很多开孔存在的，这些开孔主要有以下几处：

a. 屏蔽门

b. 磁体间观察窗

c. SFB滤波板

d. 梯度风机波导管

e. 失超管波导管

f. 空调进风口波导管

g. 磁体间与设备间回风孔

h. 磁体间照明插座电源滤波器

i. 其他波导口

这些开口部分都需要专业的屏蔽玻璃或者波导管与铜屏蔽层连接，而连接处一般也是使用焊接或者螺栓固定。显而易见随着时间的推移，这些连接处是可能产生松动的，从而使屏蔽层效能下降带来noise干扰。

二．除了屏蔽效能下降带来的外部噪声干扰以外，Noise还有可能是在磁体间内部产生的，比较典型的是电源模块自身产生的noise信号干扰。目前大量电源模块采用了开关电源这种架构模式。

开关模式电源（Switch Mode Power Supply，简称SMPS），又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压（比如220V交流），透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源（例如市电）或是直流电源，而输出多半是需要直流电源的设备，例如个人电脑，而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。—引用自百度百科

开关电源的工作模式导致了为了提高电源性能需要对开关进行快速通断，从而引起电压和电流的快速变化。这些瞬变的电压和电流，通过电源线路、寄生参数和杂散的电磁场耦合，会产生大量的电磁干扰。

作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大；干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器，与MR信号同频段的干扰源主要有以下两部分：

30～50MHz 普遍是MOS管高速开通关断引起

50～200MHz 普遍是输出整流管反向恢复电流引起

非常清晰的看到，1.5T和3.0T超导MR系统的工作频段正好处于开关电源的干扰频段之内，因此对于磁体间里面的开关电路都需要进行适当的屏蔽。磁体间内可能出现的开关电源模块主要分为系统内部和系统外部两种:

1. 系统内部：由于MR系统各个部分的分系统供电电压都不统一，因此系统本身就有非常多的开关电源模块，如果仔细观察会发现这些电源模块都自带电磁屏蔽系统，比如Patient support病人床的电源。

如果系统内部的电源模块屏蔽没有做好或者干扰信号通过导线传入接收线圈里面，自然就产生了Noise干扰信号

1. 系统外部干扰源。这类干扰源五花八门，可以说只要使用了开关电源的设备在磁体间内都有可能产生信号干扰，比较常见的有以下几种：

a. 高压注射器（最为常见，尤其高压注射器还涉及到要在操作间对磁体间里面的设备进行控制，有可能还有滤波干扰和外界信号引入的问题，因此分析的时候比较复杂）

b. 监控摄像头

c. 无磁监护仪

三．在屏蔽效能衰减和磁体间内部开关电源干扰之外，屏蔽本身的滤波器也可能引入Noise噪声。由于磁体间内部需要有照明和墙壁插座供电，与MR设备本身一样，从设备间配电柜内引入的电源同样需要进行滤波后才能引入磁体间内，很明显如果屏蔽的滤波器损坏或者本身购买的滤波器质量就有问题的时候就有可能把外界的噪声引入磁体间内部从而带来干扰。

四．还有一类在磁体间内的干扰源平时不太容易发现，就是照明灯。很多节能灯使用的电子镇流器本身就是一个信号源，因此一般不允许磁体间内使用节能灯进行照明，必须使用白炽灯或者LED灯源。而LED灯源内部必然有一个220V转直流的电源模块，从而也有噪声干扰的可能。

MR技术博大精深，本篇文章介绍了产生Spurious noise噪声干扰的各种可能因素，文章从MR信号所处的VHF甚高频频段的信号源出发，分析了屏蔽可能的各种因素带来的信号泄露，之后又从开关电路的电磁干扰角度分析了磁体间内部可能的信号干扰源，给大家实际排查故障带来一点启发意义。

正因为MR技术博大精深，这也意味影响MR设备使用的因素包罗万象，可以看到哪怕是屏蔽一块小小的虚焊，都有可能最终带来图像信噪比的降低，而对于操作老师来说，这个时候单纯从扫描参数上面去提高图像质量的可能性就变得微乎其微。因此MR技术从来都是复合型技术，图像质量问题的排查很多时候也是需要临床老师和工程师共同努力攻关的结果，因此老王认为作为工程师可以尝试多了解一些临床扫描知识，而作为医学专业出身的临床老师来说多了解了解物理层面的硬件知识，对大家的技术共同提高是有很大帮助的，知其然更知其所以然。