概述

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一種利用核磁共振原理對人體進(jìn)行成像的醫(yī)學(xué)檢查技術(shù)。MRI具有無輻射、高分辨率、多參數(shù)成像等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于臨床診斷和醫(yī)學(xué)研究。而核磁共振線圈是MRI系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，用于接收和發(fā)射射頻信號，對成像質(zhì)量具有重要影響。

本文旨在介紹磁共振系統(tǒng)的基本原理，系統(tǒng)組成，以及鼎陽科技MRI測試解決方案，文章將分成MRI系統(tǒng)介紹和鼎陽科技測試解決方案兩個(gè)部分來介紹。

MRI系統(tǒng)

1.MRI系統(tǒng)基本原理

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）是一種利用原子核（如氫質(zhì)子）在強(qiáng)磁場中的共振特性進(jìn)行非侵入式成像的技術(shù)。其核心原理包括以下步驟：

（1）主磁場（B?）：超導(dǎo)磁體產(chǎn)生穩(wěn)定的靜磁場（通常為0.5~7特斯拉），使人體內(nèi)的氫質(zhì)子自旋磁矩沿磁場方向排列。

（2）射頻激勵(lì)：射頻（Radio Frequency, RF）線圈發(fā)射特定頻率（拉莫爾頻率）的電磁脈沖，使質(zhì)子發(fā)生共振并偏離原方向。

（3）信號接收：關(guān)閉射頻脈沖后，質(zhì)子弛豫過程中釋放電磁信號，由接收線圈捕獲。

（4）空間編碼：通過梯度磁場對信號進(jìn)行頻率編碼和相位編碼，重建為三維圖像。

MRI的成像質(zhì)量高度依賴于射頻系統(tǒng)的性能，尤其是射頻線圈的發(fā)射效率、接收靈敏度及電磁場均勻性。

2.MRI系統(tǒng)構(gòu)成

如上圖所示，控制終端控制射頻信號源發(fā)射信號，經(jīng)過功率放大器之后進(jìn)入射頻線圈，三個(gè)線圈捕捉到到回波之后輸入前置放大器，然后進(jìn)入探測器和ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，直流主磁體和梯度線圈都要有電源供電。以下是各部分的作用：

主磁體：超導(dǎo)磁體產(chǎn)生穩(wěn)定的靜磁場，使人體內(nèi)的氫質(zhì)子自旋磁矩沿磁場方向排列。

梯度線圈：快速切換梯度磁場實(shí)現(xiàn)空間編碼（產(chǎn)生掃描噪音）。對信號進(jìn)行頻率編碼和相位編碼，重建為三維圖像。

射頻系統(tǒng)：射頻（Radio Frequency, RF）線圈發(fā)射特定頻率（拉莫爾頻率）的電磁脈沖，使質(zhì)子發(fā)生共振并偏離原方向。線圈設(shè)計(jì)影響信噪比。

接收線圈：關(guān)閉射頻脈沖后，質(zhì)子弛豫過程中釋放電磁信號，由接收線圈捕獲。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)： 控制掃描序列及圖像重建。

主磁體產(chǎn)生的磁場大小可以在0.2, 0.23, 0.3, 0.35, 0.6, 0.7, 1, 1.5, 3T, 7T, 9.4T…之間調(diào)整，對應(yīng)的諧振頻率為42.58MHz * x (T) for 1H，x為磁場大小。

MRI系統(tǒng)核心組件以及重要測試指標(biāo)

01主磁體

主磁體是MRI儀最基本的構(gòu)件，是產(chǎn)生磁場的裝置。根據(jù)磁場產(chǎn)生的方式可將主磁體分為永磁型和電磁型。永磁型主磁體實(shí)際上就是大塊磁鐵，磁場持續(xù)存在，目前絕大多數(shù)低場強(qiáng)開放式MRI儀采用永磁型主磁體。

電磁型主磁體是利用導(dǎo)線繞成的線圈，通電后即產(chǎn)生磁場，根據(jù)導(dǎo)線材料不同又可將電磁型主磁體分為常導(dǎo)磁體和超導(dǎo)磁體。常導(dǎo)磁體的線圈導(dǎo)線采用普通導(dǎo)電性材料，需要持續(xù)通電，目前已經(jīng)逐漸淘汰；超導(dǎo)磁體的線圈導(dǎo)線采用超導(dǎo)材料制成，置于液氦的超低溫環(huán)境中，導(dǎo)線內(nèi)的電阻抗幾乎消失，一旦通電后在無需繼續(xù)供電情況下導(dǎo)線內(nèi)的電流一直存在，并產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場。目前中高場強(qiáng)的MRI儀均采用超導(dǎo)磁體。

主磁體最重要的技術(shù)指標(biāo)包括場強(qiáng)、梯度切換率、磁場均勻度及主磁體的長度。

02梯度線圈

梯度線圈是MRI儀最重要的硬件之一，主要作用有：

（1）進(jìn)行MRI信號的空間定位編碼；

（2）產(chǎn)生MR回波（梯度回波）；

（3）施加擴(kuò)散加權(quán)梯度場；

（4）進(jìn)行流動(dòng)補(bǔ)償；

（5）進(jìn)行流動(dòng)液體的流速相位編碼。

梯度線圈由X、Y、Z軸三個(gè)線圈構(gòu)成（在MR成像技術(shù)中，把主磁場方向定義為Z軸方向，與Z軸方向垂直的平面為XY平面）。梯度線圈是特殊繞制的線圈，以Z軸線圈為例，通電后線圈頭側(cè)部分產(chǎn)生的磁場與主磁場方向一致，因此磁場相互疊加，而線圈足側(cè)部分產(chǎn)生的磁場與主磁場方向相反，因此磁場相減，從而形成沿著主磁場長軸（或稱人體長軸），頭側(cè)高足側(cè)低的梯度場，梯度線圈的中心磁場強(qiáng)度保持不變。X、Y軸梯度場的產(chǎn)生機(jī)理與Z軸方向相同，只是方向不同而已。

梯度線圈的主要測量指標(biāo)如下：

（1）阻抗匹配（回波損耗/S11）

作用：評估梯度線圈與驅(qū)動(dòng)放大器之間的阻抗匹配程度，減少信號反射。

測試方法：通過測量S11參數(shù)（反射系數(shù)），判斷匹配狀態(tài)。低回波損耗（接近0 dB）表示匹配良好。

（2）交叉耦合（串?dāng)_/S21、S31等）

作用：檢測不同梯度軸（如X/Y/Z）之間的電磁干擾。

測試方法：測量S21、S12等傳輸參數(shù)，量化通道間隔離度。高隔離度（低串?dāng)_值）確保各軸獨(dú)立工作。

（3）品質(zhì)因數(shù)（Q因子）

作用：衡量線圈的能量效率，高Q值可能導(dǎo)致帶寬窄，影響瞬態(tài)響應(yīng)。

測試方法：通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的帶寬搜索功能測量。

（4）相位響應(yīng)與群延遲

作用：確保多通道相位一致性，避免信號同步問題；群延遲反映信號傳輸時(shí)間穩(wěn)定性。

測試方法：測量相位隨頻率變化，計(jì)算群延遲（相位對頻率的導(dǎo)數(shù)）。

03射頻線圈

射頻線圈是MRI儀的關(guān)鍵部件，射頻線圈有發(fā)射線圈和接收線圈之分。發(fā)射線圈發(fā)射射頻脈沖（無線電波）激發(fā)人體內(nèi)的質(zhì)子發(fā)生共振，就如同電臺的發(fā)射天線；接收線圈接收人體內(nèi)發(fā)出的MR信號（也是一種無線電波），就如同收音機(jī)的天線。有的線圈可同時(shí)作為發(fā)射線圈和接受線圈，如裝在掃描架內(nèi)的體線圈和頭顱正交線圈。大部分表面線圈只能作為接收線圈，而由體線圈來承擔(dān)發(fā)射線圈的功能。

MRI成像對射頻線圈也有很高的要求，發(fā)射線圈應(yīng)盡可能均勻地發(fā)射射頻脈沖，激發(fā)感興趣容積內(nèi)的質(zhì)子。發(fā)射線圈所發(fā)射的射頻脈沖的能量與其強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間有關(guān)，現(xiàn)代新型的發(fā)射線圈由高功率射頻放大器供能，所發(fā)射的射頻脈沖強(qiáng)度增大，因而所需要的持續(xù)時(shí)間縮短，加快了MRI的采集速度。

與MRI圖像信噪比密切相關(guān)的是接收線圈，接收線圈離檢查部位越近，所接收到的信號越強(qiáng)，線圈內(nèi)體積越小，所接收到的噪聲越低，因而各廠家開發(fā)了多種適用于各檢查部位的專用表面線圈，如心臟線圈、肩關(guān)節(jié)線圈、直腸內(nèi)線圈、脊柱線圈等。

射頻線圈的主要測量指標(biāo)如下：

（1）諧振頻率（回波損耗/S11）

作用：射頻線圈需精確調(diào)諧到MRI系統(tǒng)的拉莫爾頻率（如64MHz或128MHz），確保能量高效耦合到人體組織。

測試方法：通過S11曲線的極小值點(diǎn)確定諧振頻率。

（2）帶寬

作用：決定線圈可覆蓋的頻率范圍，需滿足成像序列的頻譜需求（如寬帶寬支持快速切換）。

測試方法：通過VNA的帶寬搜索功能自動(dòng)測量

（3）品質(zhì)因數(shù)（Q因子）

作用：高Q值表示線圈能量損耗低，但過高的Q值會導(dǎo)致帶寬過窄，影響瞬態(tài)響應(yīng)和成像速度。需平衡Q值與帶寬，優(yōu)化信噪比（SNR）和成像效率。

（4）相位一致性與群延遲

作用：相位一致性：在多通道相控陣線圈中，各通道的相位差異需可控，以支持波束成形和并行成像。群延遲：反映信號傳輸時(shí)間隨頻率的變化，需保持穩(wěn)定以避免信號失真。

測試方法：測量相位隨頻率的變化曲線，計(jì)算群延遲。

MRI系統(tǒng)的技術(shù)趨勢

新一代MRI系統(tǒng)正通過更高場強(qiáng)的磁體（如7T及以上）實(shí)現(xiàn)亞毫米級超高分辨率成像，測試系統(tǒng)需支持更高磁場均勻性評估、射頻線圈的精準(zhǔn)調(diào)諧以及梯度系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)測試，確保高分辨率下的圖像穩(wěn)定性，要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，需要：

（1）更強(qiáng)大的磁場

對超導(dǎo)磁體的參數(shù)有著更高的需求

（2）更純凈的信號源

用頻譜儀測試信號源的相位噪聲，不斷優(yōu)化指標(biāo)得到更低的相位噪聲。

（3）更好的信噪比

使用更精準(zhǔn)強(qiáng)大的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

鼎陽MRI測試應(yīng)用方案

1.系統(tǒng)總體應(yīng)用方案

對于MRI系統(tǒng)的每個(gè)模塊部分，鼎陽儀器都能給出高性能解決方案，具體如下：

（1）矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀SNA5000A

作用：頻率覆蓋范圍100k-26.5GHz，完美覆蓋MRI系統(tǒng)測試頻率范圍，支持S參數(shù)測量，帶寬搜索，相位測量和Z反射轉(zhuǎn)換。測量梯度線圈和射頻線圈的回波損耗，插入損耗，帶寬，品質(zhì)因子，相位，阻抗匹配等等。測量前置放大器和功率放大器的功率掃描曲線，計(jì)算1dB壓縮點(diǎn)。

（2）頻譜儀SSA5000A

作用：頻率范圍9k-26.5GHz，覆蓋射頻源產(chǎn)生信號頻段，相位噪聲<-105dBc/Hz。用于測量射頻信號源的相位噪聲，確保輸出更純凈的信號。

（3）示波器SDS3000X HD

作用：為獲得 CE 標(biāo)志，必須用示波器對電源進(jìn)行一般測試。

2.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀重要測試指標(biāo)

品質(zhì)因子（Q）

（1）作用：Q因子衡量射頻線圈的諧振效率，表示儲能與能量損耗的比率。Q值越高，線圈的諧振頻率選擇性越好，能量損耗越低。

（2）為何測量：

信號質(zhì)量：高Q值線圈能更高效地發(fā)射/接收射頻信號，提升信噪比（SNR）。

調(diào)諧與匹配：Q值變化可能反映線圈調(diào)諧狀態(tài)異常，需調(diào)整以維持最佳諧振頻率。

熱效應(yīng)管理：低Q值可能預(yù)示能量損耗增加（如線圈發(fā)熱），需避免組織過熱風(fēng)險(xiǎn)。

2.相位（P）

（1）作用：相位信息用于空間編碼（如相位編碼梯度），是圖像重建的關(guān)鍵參數(shù)。

（2）為何測量：

圖像準(zhǔn)確性：相位誤差會導(dǎo)致圖像偽影（如鬼影、畸變），需校準(zhǔn)確保信號同步。

動(dòng)態(tài)調(diào)整：實(shí)時(shí)監(jiān)測相位可優(yōu)化射頻脈沖時(shí)序，尤其在快速成像序列（如EPI）中。

流動(dòng)補(bǔ)償：血流或腦脊液流動(dòng)可能引入相位偏移，需校正以提高圖像清晰度。

3.阻抗反射（Z反射）

（1）作用：反映射頻線圈與傳輸線間的阻抗匹配程度，阻抗不匹配會導(dǎo)致信號反射。

（2）為何測量：

能量傳輸效率：匹配良好時(shí)（Z反射小），能量傳輸最大化，信號強(qiáng)度高。

設(shè)備保護(hù)：反射過大會損傷射頻放大器，需通過調(diào)諧器優(yōu)化匹配。

駐波抑制：減少反射可避免駐波形成，降低信號干擾和局部熱點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

4.三者的關(guān)聯(lián)

Q與Z反射：阻抗匹配直接影響Q值。匹配不良會增加能量損耗（降低Q），同時(shí)導(dǎo)致反射信號增強(qiáng)。

相位與調(diào)諧：線圈調(diào)諧狀態(tài)（如諧振頻率偏移）可能改變信號相位，需協(xié)同調(diào)整。

綜合優(yōu)化：通過測量三者，可全面評估射頻系統(tǒng)狀態(tài)，確保線圈高效、準(zhǔn)確、安全運(yùn)行。

鼎陽矢網(wǎng)MRI測試功能

鼎陽矢量網(wǎng)絡(luò)分析針對MRI測試系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)優(yōu)化的測量功能，主要測試指標(biāo)為Z,Q,P，并且由于大部分MRI測試應(yīng)用場景都如下圖：

我們特別為MRI測試功能設(shè)計(jì)了大字體和窗口，以此滿足場景中遠(yuǎn)距離觀察的需求。

另外，MRI測試功能還支持單獨(dú)顯示參數(shù)和放大參數(shù)，以下是單獨(dú)顯示Z和P。

單獨(dú)顯示Q：

同時(shí)為了方便工程師調(diào)整觀察距離，我們還支持通過拖拽的方式隨意放大和縮小字體，以達(dá)到最佳的觀察位置：

總結(jié)

磁共振成像（MRI）作為一種無輻射、高分辨率的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，其性能高度依賴于射頻線圈、梯度系統(tǒng)等核心組件的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與調(diào)諧。本文系統(tǒng)闡述了MRI的基本原理、核心組件（主磁體、梯度線圈、射頻線圈）及其關(guān)鍵測試指標(biāo)（如諧振頻率、Q因子、相位一致性、阻抗匹配等），并分析了MRI技術(shù)向更高場強(qiáng)、更優(yōu)信噪比發(fā)展的趨勢。

鼎陽科技針對MRI系統(tǒng)的測試需求，提供了高性能的綜合性解決方案：

（1）矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀SNA5000A：支持S參數(shù)測量、帶寬搜索及阻抗反射分析，覆蓋MRI系統(tǒng)全頻段（100k-26.5GHz），可精準(zhǔn)評估梯度線圈與射頻線圈的回波損耗、Q因子及相位特性。

（2）頻譜儀SSA5000A：優(yōu)化射頻信號源的相位噪聲檢測，確保信號純凈度。

（3）示波器系列：滿足電源測試的合規(guī)性要求。

此外，鼎陽儀器針對MRI測試場景設(shè)計(jì)了定制化功能，如大字體顯示、參數(shù)單獨(dú)放大等，提升操作便捷性與遠(yuǎn)距離觀測效率。

作為通用電子測試測量領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，鼎陽科技憑借自主研發(fā)的高端儀器（涵蓋示波器、頻譜儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等）和全球化布局，持續(xù)為醫(yī)療設(shè)備廠商及研究機(jī)構(gòu)提供可靠的技術(shù)支持。未來，隨著MRI技術(shù)向超高場強(qiáng)與快速成像發(fā)展，鼎陽的測試方案將進(jìn)一步助力系統(tǒng)性能優(yōu)化與創(chuàng)新突破。

作者丨鼎陽科技 龐博

SIGLENT

深圳市鼎陽科技股份有限公司（簡稱“鼎陽科技”，股票代碼：688112）是國家重點(diǎn)“小巨人”企業(yè)，是全球極少數(shù)具有數(shù)字示波器、信號發(fā)生器、頻譜分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀四大通用電子測試測量儀器主力產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和銷售能力的通用電子測試測量儀器企業(yè)，同時(shí)也是國內(nèi)極少數(shù)同時(shí)擁有這四大主力產(chǎn)品并且四大主力產(chǎn)品全線進(jìn)入高端領(lǐng)域的企業(yè)。公司總部位于深圳，在美國克利夫蘭、德國奧格斯堡、日本東京、馬來西亞檳城州成立了子公司，在成都成立了分公司，在北京、上海、西安、武漢、南京設(shè)立了辦事處，產(chǎn)品及服務(wù)遠(yuǎn)銷全球80多個(gè)國家及地區(qū)。

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