概述
磁共振成像(MRI)系統(tǒng)能夠提供清晰的人體組織圖像,系統(tǒng)檢測并處理氫原子在強磁場中受到共振磁場激勵脈沖的激發(fā)后所生成的信號。
氫原子核的自旋運動決定了它自身的固有磁矩,在強磁場作用下,這些氫原子將定向排列。簡單起見,可以把靜態(tài)磁場中的氫原子核看作一條拉緊的繩子。原子核具有一個共振頻率或“Larmor”頻率,具體取決于本地磁場強度。如同一條繩索在外部張力作用下發(fā)生共振。在典型的1.5T MRI磁場中,氫原子的共振頻率近似為64MHz。
適當?shù)拇殴舱窦罨蛘呤?strong>RF脈沖激勵(頻率等于氫原子核諧振頻率)能夠強制原子核磁矩部分或全部偏移到與作用磁場垂直的平面。停止激勵后,原子核磁矩將恢復到靜態(tài)磁場的狀況。原子核在重新排列的過程中釋放能量,發(fā)出共振頻率(取決于場強)的RF信號,MRI成像系統(tǒng)對該信號進行檢測并形成圖像。
MRI成像系統(tǒng)原理框圖
靜態(tài)磁場
MRI成像需要把病人置于強磁場內(nèi),形成有序的氫原子核。通常有三種方法產(chǎn)生磁場:固定磁鐵、磁阻(電流通過傳統(tǒng)的線圈)、超導磁鐵。固定磁鐵和磁阻產(chǎn)生的磁場強度一般限制在0.4T以下,無法達到高分辨率圖像所要求的場強。因此,大多數(shù)高分辨率成像系統(tǒng)采用超導磁鐵。超導磁鐵體積大且結(jié)構(gòu)復雜,需要把線圈浸入液態(tài)氦中,使溫度保持在絕對零度附近。
利用上述方法產(chǎn)生的磁場不僅需要保持較高的場強,還要求在空間上保持均勻,在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定。典型成像系統(tǒng)中,要求在成像區(qū)域內(nèi)場強變化小于10ppm。為了達到如此高的精度,絕大多數(shù)系統(tǒng)會產(chǎn)生一個弱場強的靜態(tài)磁場,利用特殊的勻場線圈對超導磁場進行微調(diào),以保持磁場的均勻性。
梯度磁場
為了生成圖像,MRI系統(tǒng)必須首先在2D平面激發(fā)人體內(nèi)的氫原子,然后確定那些恢復到靜態(tài)磁場時處于同一平面的原子核的位置。這兩項工作由梯度線圈完成,產(chǎn)生場強隨位置線性變化的磁場。由此,氫原子的共振頻率還在一定程度上與空間位置有關(guān)。改變激發(fā)脈沖的頻率控制需要激發(fā)的人體區(qū)域,當激發(fā)原子核恢復到靜態(tài)時,其位置仍然可以由RF激發(fā)脈沖的頻率和相位信息確定。
MRI系統(tǒng)必須具備x、y、z梯度線圈在產(chǎn)生三維的梯度磁場,由此創(chuàng)建病人身體內(nèi)部不同平面的圖像切片。每個梯度磁場和激勵脈沖必須進行適當?shù)呐判蚧蚨〞r控制,以便對每組圖像數(shù)據(jù)進行組合成像。例如,在z軸方向作用一個梯度磁場,可以改變共振頻率,以產(chǎn)生該平面的2D切片圖像。由此可見,2維平面的成像位置受控于激勵信號頻率的變化。激發(fā)過程結(jié)束后,在x軸方向產(chǎn)生適當?shù)奶荻茸兓?,當原子核恢復到靜態(tài)位置時可以按照空間改變原子核的共振頻率。該信號的頻率信息能夠用來定位原子核在x軸方向的位置。同樣,在y軸方向作用適當?shù)奶荻却艌瞿軌蛟诳臻g上改變共振信號的相位,用于檢測原子核在y軸方向的位置。按照適當?shù)捻樞颍赃m當?shù)念l率產(chǎn)生梯度磁場和RF激勵信號,MRI系統(tǒng)即可構(gòu)建人體的3D圖像。
為了達到所要求的圖像質(zhì)量和幀率,MRI成像系統(tǒng)的梯度線圈必須能夠快速改變靜態(tài)磁場的強度,使成像區(qū)域的場強變化大約5%。系統(tǒng)需要高壓(工作在幾千伏特)、大電流(幾百安培)驅(qū)動產(chǎn)生梯度磁場的線圈。在滿足大功率需求的同時還要確保低噪聲和高穩(wěn)定性,線圈中的任何電流擾動都會導致RF拾取信號中的噪聲,從而直接影響到圖像信號的完整性。
為了區(qū)分不同類型的人體組織,MRI系統(tǒng)對接收信號的幅度進行分析。被激發(fā)的原子核連續(xù)輻射信號,直到將激發(fā)期間所吸收的能量完全釋放掉。指數(shù)衰減信號的時間常數(shù)通常在幾十毫秒到1秒;恢復時間是場強的函數(shù),并取決于不同類型的人體組織。利用時間常數(shù)的變化可以識別出人體組織的類型。
發(fā)送/接收線圈
發(fā)送和接收線圈用于激勵氫原子并接收原子核恢復產(chǎn)生的信號,這些線圈必須針對特殊的人體部位進行成像優(yōu)化,這就需要系統(tǒng)能夠靈活地配置線圈。針對需要成像的人體部位,可以使用獨立的發(fā)送和接收線圈,也可以使用組合在一起的發(fā)送/接收線圈。此外,為了提高圖像的采集次數(shù),MRI系統(tǒng)使用多路發(fā)送/接收線圈并行工作,獲取更多的信息,當然,這需要借助線圈位置的空間相關(guān)性。
RF接收器
RF接收器用于處理來自接收線圈的信號。目前,多數(shù)MRI系統(tǒng)具有6路或更多通道的接收器,處理來自多路線圈的信號。信號的頻率范圍大約分布在1MHz至300MHz,頻率范圍在很大程度上取決于靜態(tài)磁場的強度。接收信號的帶寬很窄,通常小于20kHz,與梯度磁場的強度有關(guān)。
傳統(tǒng)的MRI接收器配置包含一個低噪聲放大器(LNA),隨后接混頻器?;祛l器進行信號混頻,把有用信號變頻到較低中頻,然后經(jīng)過12位至16位高分辨率、低速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。采用這種接收架構(gòu),ADC可以工作在1MHz以下的采樣率。由于帶寬需求較低,可以利用單片高于1MHz至5MHz采樣率的ADC,通過多路復用器以時分復用形式轉(zhuǎn)換多路信號。高性能ADC的出現(xiàn)造就了新的接收器架構(gòu)??梢岳脤拵?、采樣率高達100MHz的12位至16位高分辨率ADC直接對信號進行采樣,從而省去接收通道的模擬混頻器。
發(fā)送器
MRI發(fā)送器產(chǎn)生激發(fā)氫原子的RF脈沖,激發(fā)脈沖的頻率范圍和梯度磁場強度取決于成像區(qū)域的寬度。典型的發(fā)射脈沖以±1kHz相當窄的帶寬產(chǎn)生輸出信號。需要時域波形產(chǎn)生該窄帶信號,類似于傳統(tǒng)的同步信號。該波形通常在基帶以數(shù)字形式產(chǎn)生,然后經(jīng)過混頻器變頻到適當?shù)闹行念l率。傳統(tǒng)的發(fā)送機制需要低速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC),產(chǎn)生基帶波形,該信號的帶寬非常窄。同樣,利用新一代DAC技術(shù)可以改善傳統(tǒng)的發(fā)送器架構(gòu)。通過高速、高分辨率DAC可以直接產(chǎn)生高達300MHz的RF發(fā)射脈沖。在數(shù)字域即可產(chǎn)生整個頻帶的波形并進行上變頻。
圖像信號處理
按照k間隔采集頻率和相位信號,處理器/計算機計算k間隔采集數(shù)據(jù)的2維傅立葉變換,生成圖像信號。