AIR Technology 磁共振射頻系統(tǒng)革命

磁共振成像主要利用人體內(nèi)氫質(zhì)子等的自旋共振進(jìn)行成像。在超導(dǎo)磁場(chǎng)環(huán)境中，使用垂直或傾斜角度的射頻脈沖來(lái)完成共振。射頻脈沖是一種交變的射頻磁場(chǎng)，由譜儀（Spectrometer）其中的一塊電路控制板發(fā)出，經(jīng)過(guò)射頻放大器放大到所需要的功率后進(jìn)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(hào)激發(fā)形成共振信號(hào)，在弛豫過(guò)程中，由各類體表線圈接收并進(jìn)行放大，通過(guò)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(jī)工作臺(tái)。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(gè)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(diǎn)，給磁共振臨床應(yīng)用帶來(lái)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(lái)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(duì)射頻系統(tǒng)進(jìn)行全方面革新設(shè)計(jì)。

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(chǎng)磁共振射頻信號(hào)不均勻的問(wèn)題，然而射頻信號(hào)激發(fā)依然存在精準(zhǔn)度的問(wèn)題需要解決?；贛ultiDrive多源射頻發(fā)射系統(tǒng)，在全新的AIR射頻平臺(tái)上，GE實(shí)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(jìn)入靜磁場(chǎng)后會(huì)造成磁場(chǎng)偏移效應(yīng)，進(jìn)而引起共振頻率的偏差。傳統(tǒng)磁共振中采用勻場(chǎng)的方式來(lái)糾正人體對(duì)于靜磁場(chǎng)的偏移，搭配以固定的中心頻率模型來(lái)進(jìn)行射頻信號(hào)的激發(fā)。然而由于勻場(chǎng)技術(shù)的限制以及個(gè)體間的差異，難以保證掃描視野內(nèi)的磁場(chǎng)始終一致，這便造成了最終成像中不同層面圖像的錯(cuò)位。AIR平臺(tái)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(guò)全新智能技術(shù)進(jìn)行獨(dú)立的射頻激發(fā)調(diào)控以及渦流場(chǎng)的矯正。在預(yù)掃描、掃描成像與圖像重建全過(guò)程中對(duì)射頻頻率便宜進(jìn)行糾正。在射頻激發(fā)過(guò)程中，采用多源射頻隔層進(jìn)行中心頻率的選擇，實(shí)現(xiàn)中心頻率的“有層可依”。

圖1 傳統(tǒng)勻場(chǎng)+固定中心頻率激發(fā)，造成層間錯(cuò)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(jiàn)的表面線圈，用于緊貼成像部位成像，部位越近信號(hào)越強(qiáng)。一個(gè)相控陣線圈由多個(gè)子線圈單元構(gòu)成，每個(gè)線圈單元大小約為15～18 cm，同時(shí)具備多個(gè)數(shù)據(jù)采集通道與之對(duì)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M(jìn)RI的信號(hào)采集效率。目前臨床上高場(chǎng)MRI已經(jīng)全部采用相控陣線圈進(jìn)行采集，部分線圈的采集通道數(shù)最高已經(jīng)可以達(dá)到32個(gè)（圖2）。然而線圈單元采用傳統(tǒng)銅質(zhì)電路板設(shè)計(jì)，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(hào)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(dá)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(shí)，作為唯一與人體密切接觸的部件，臨床對(duì)于線圈舒適性也提出了更高的要求。

圖2 相控陣線圈，多個(gè)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(dá)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(tái)采用了完全革新的電路材質(zhì)來(lái)進(jìn)行線圈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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(shí)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?jī)H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(lái)的3.5倍以上，進(jìn)而實(shí)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(dá)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(guò)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(hào)越強(qiáng)，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(kuò)容特性，能夠更加貼合兒童等不同體型的人群，實(shí)現(xiàn)完美的神經(jīng)信號(hào)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(hào)后，仍需要進(jìn)行信號(hào)的傳輸并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)由重建計(jì)算機(jī)進(jìn)行重建。在這一過(guò)程中，射頻信號(hào)是多路同時(shí)傳輸?shù)模恳宦范及朔从橙梭w檢查部位的不同信號(hào)。隨著線圈接收通道的不斷提升，對(duì)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(kāi)始，經(jīng)過(guò)短程的多通道射頻信號(hào)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(hào)。由于射頻信號(hào)依然為電信號(hào)，在傳輸過(guò)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(shí)現(xiàn)ADC轉(zhuǎn)換成為一大核心。通過(guò)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(hào)傳輸?shù)木嚯x，降低了傳輸中射頻信號(hào)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(gè)射頻傳輸鏈路中，包含有3個(gè)關(guān)鍵性的指標(biāo)，即線圈接收通道數(shù)，射頻同時(shí)傳輸通道數(shù)以及ADC轉(zhuǎn)換器個(gè)數(shù)，其中線圈接收通道以及同時(shí)傳輸通道往往一致，稱為傳輸通道數(shù)，而最終接收信號(hào)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換的ADC個(gè)數(shù)稱為接收的通道數(shù)。在傳統(tǒng)射頻傳輸鏈路設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)，即ADC轉(zhuǎn)換器個(gè)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(shí)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(wèn)題開(kāi)始呈現(xiàn)。舉例來(lái)說(shuō)，傳輸通道設(shè)計(jì)為204個(gè)，而ADC轉(zhuǎn)換器個(gè)數(shù)為48個(gè)。在線圈通道控制在48通道以下時(shí)，可以順利完成檢查。而一旦線圈傳輸通道超過(guò)48個(gè)時(shí)，此時(shí)射頻系統(tǒng)接收能力將會(huì)不足，實(shí)際的射頻傳輸鏈路的接收能力依然為48個(gè)，無(wú)法充分接收射頻線圈采集到的信號(hào)。因此只有當(dāng)傳輸通道數(shù)與接收通道數(shù)一一對(duì)應(yīng)時(shí)，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(gè)線圈單元采集到的信號(hào)均有一一對(duì)應(yīng)的射頻傳輸通道和ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最大可同時(shí)實(shí)現(xiàn)146個(gè)射頻傳輸鏈路傳輸轉(zhuǎn)換。射頻傳輸性能將不會(huì)受到ADC轉(zhuǎn)換器個(gè)數(shù)的限制，最大化發(fā)揮線圈采集的能力，同時(shí)也為未來(lái)更多通道的線圈以及更多組合使用的場(chǎng)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(yǔ)

射頻系統(tǒng)毫無(wú)疑問(wèn)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(gè)磁共振信號(hào)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(duì)射頻系統(tǒng)提出了更高的性能要求。全新AIR Technology射頻平臺(tái)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(jì)的AIR Coil以及AIR Thunder一比一射頻傳輸鏈路，實(shí)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(hào)獲取，更快速地磁共振信號(hào)采集，更深度地磁共振影像科研奠定了堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)。