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MRI基础知识 -- RF射频发射技术(二)

MR技术博大精深,从上一篇文章开始老王带大家正式进入了MR技术里面最关键的RF射频技术领域。这一篇文章我们继续探讨TX发射通路。

老王在上一篇文章一直在探讨TXR模块,其实TXR模块是整个RF射频发射通路的起点,所谓万事开头难,TXR模块发射射频脉冲的质量也直接决定了后续射频通路射频能量的质量,因此TXR模块里面包含了大量控制检测回路

TXR模块内部包含了一个完整的射频链路:

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      模块内部包含了发射、接收和控制链路。我们结合上一节中对校准射频发射模块的衰减器(TX attenuation calibration)讲解的框图详细进行说明。

下图中绿色回路就是从AD9854信号发生模块出发,最终通过ADC模块回到控制模块进行信号校准的射频回路。

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      简要来说,RF信号由数字信号发生器通过正交调谐产生所要波形的数字信息,通过12位DAC(数模转换器)经过载波信号调制和上篇文章介绍的衰减器,进入到TXR内部的接收回路中,最终来到ADC(模数转换器)中采样处信号波形,然后通过正交解调器最终解调出原始信号。

理想状态下数字信号发生器发出的调制信号应该和解调信号保持一致。

TXR模块中还有2处校验回路和1处消耗电路:

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     1.  RF射频能量是需要通过负载消耗的,TXR发射出来的射频通过射频放大器放大之后通过RF射频发射回路最终传递到QBC中发射激发脉冲。

如果射频放大器停止放大,那么TXR中发射的多余射频能量会顺着射频线重新返回TXR模块内部,因此在图1处准备了一个50Ω负载和通路转换负责消耗掉多余能量。

2.  ADC及对应的射频接收模块除了要对衰减器进行校准,还需要对其本身的接收性能进行校准,这个工作通过回路2进行,由基准信号发生模块产生一个测试脉冲,通过对ADC转换器读取的信号进行对比,用来检查RF射频接收模块的性能。

3. ADC模块后端需要使用正交解调器(Digital Quadrature Demodulator)对调制信号进行解调,同样的也需要对解调器进行校准,这里使用回路3,由控制器产生测试数据发送到解调器中进行后续校准。

 

可以看到,为了产生发射脉冲,TXR模块中需要大量辅助检测电路去进行精确控制波形。

 

接下来我们继续分析TXR模块里面的控制系统,这里的控制实际上指的是对射频放大器的控制。

之所以要对发射射频脉冲的时间进行控制,主要是因为安全限制,之所以这样说,从以下2个角度进行说明:

1.  虽然TXR的射频发射部分通过信号发生器及后续调制电路可以控制发射脉冲,但是却无法真正的完全保证主脉冲周围的旁瓣脉冲完全消除,我们可以理解为这里产生了系统噪声。

虽然TXR发射的旁瓣脉冲能量很小,但是小能量射频脉冲后续会通过射频放大器进行放大,因此即使很小的脉冲能量也会被放大最终通过QBC发射出去。

2. MRI扫描人体的时候,发射脉冲的射频能量会被人体吸收,最终会产生热量,一般在扫描软件中用SAR值来衡量。为了安全考虑,我们当然希望人体吸收的射频能量越少越好,也就是SAR值必须控制在安全范围内。这就意味着从系统的角度来讲希望由TXR本身产生的系统射频噪声越小越好,因此就需要控制射频放大器在需要的时候才进行放大。

3. 从序列产生的角度来讲,射频激发脉冲只有叠加梯度选层编码的时候才是有用的,因此为了尽可能减少SAR值,整个射频发射系统需要有一个时统信号(整个系统有唯一的基准时间对各系统之间的共同工作提供时间基准),通过时通信号控制射频脉冲在需要的时候进行射频放大,其余时间尽可能消除系统噪声。

为了实现射频放大器的准确控制,常用TXR模块产生Gating门控。下图描述了Gating门控的工作方式

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也就是说,只有在门控信号产生低电平的时候,射频放大器检测到这个低电平,放大器才会对TXR发射的脉冲信号进行放大。

       MR技术博大精深,本期老王继续介绍射频发射通路的起点TXR的相关内容。

还是那句话,射频系统是MR的灵魂,同时射频又是MR系统里面最复杂也是难理解的部分。

老王希望通过这篇文章对TXR模块内部电路的介绍能够让大家简单理解射频脉冲的基础发射模块包含的技术细节,也能够理解MR系统研发和售后服务的种种艰难。

下一期老王继续带大家继续研究射频发射通路,开始介绍射频放大器的相关知识,敬请期待。

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文章名称:《MRI基础知识 -- RF射频发射技术(二)》
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