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【MR大讲堂】磁共振射频系统、发射通道常见故障分析

射频系统是磁共振设备中最基本的部分,包括发射和接收二部分,由于该部分电路部件多,大功率触点多,而且切换频繁,触点易损坏,出现故障的几率相对大一些。当射频系统中任一环节出现问题时,都会使整个设备完全瘫痪,连最基本、最简单的任务也不能完成。因此对排除这方面的故障进行分析总结,有利于提高我院和其他兄弟医院排除故障的能力,有较大的现实意义。

1射频系统的原理和组成

磁共振射频系统主要任务是产生射频脉冲用于激发自旋,同时接收激发的自旋的射频信号即MR信号,对其放大后再进行数字化及进一步处理。下面以我院的Elscint/GEPrestige 2T磁共振为例,说明射频系统的组成。MRI设备的射频系统由电子控制柜中的发射接收单元、射频放大机、射频线圈和射频开关盒等组成。

发射接收单元包含发射接收接口板SBIF、合成板Syn2thesizer、发射板XMTR和四块接收板RCVR,SBIF板不仅作为主机和发射接收单元的接口,还产生2.5MHz的发射器调幅信号;合成板Synthesizer提供发射接收单元所需各种频率和时钟信号;发射板SMTR根据所要完成的扫描任务和成像人体的具体情况产生射频信号,作为射频放大机的输入信号;接收板RCVR将所得到的高频磁共振信号转化为低频信号,再经模数转换变为数字信号。

射频放大机将发射单元提供的小射频信号进行放大,产生强大的射频脉冲经头线圈、体线圈和膝关节线圈对成像组织进行激励。我院磁共振的射频放大机采用美国ETO公司20kW全自动射频放大机,在中心频率81.27MHz处能产生73dB的增益,它通过一个三级固态驱动器驱动一个两级的栅级接地的真空管放大器。

射频线圈有发射和接收两个基本功能,除了头线圈、体线圈和膝关节三个主动线圈外,还配备了头颈联合线圈、腰椎线圈、盆腔线圈、相控阵线圈等被动线圈,被动线圈都是由体线圈激励。

射频开关盒是射频系统的一个重要部分,不仅根据要求选择相应的线圈,还控制并切换射频的发射和接收通道。它包括射频发射开关TransmitSwitch、接收开关ReceiveSwitch、正交混合器QuadratureHybrid、接收通道矩阵ReceiveChannelMatrix、继电器RelayK1、K2、K3等。射频发射开关的功能是在发射状态导通,而在接收状态下截止。正交混合器在发射状态将射频能量分为0度和90度两路,用于激励正交极化线圈;在接收状态下将线圈接收到的两路正交信号融合为一路射频信号输出。接收开关是接收通道的第一级,与射频线圈的接收天线相连,在接收状态二极管导通使天线和线圈内的低噪声前置放大LNA接通,在发射状态二极管截止,使LNA与很高的射频隔离。接收通道矩阵是十二通道开关矩阵电路,决定了各线圈与接收电路的连接方式,同时还对接收的射频信号进行约11dB增益的放大。

2常见射频通道故障的分析排除

射频系统出现故障,一般表现在每个新病人作的射频校正失败,常提示没有射频信号。有时当系统没有彻底损坏时,常表现为射频校正值较大改变,也就意味着射频功率增加,同时射频放大机常出现过热保护等。

2.1发射线圈故障

我院ElscintPrestigeMR曾出现体线圈及所有被动线圈先是射频校正值逐渐增大,到最后彻底无法扫描的故障,换上头线圈可以正常工作,因此排除了公用通道如射频发射开关、射频放大机的问题,经用频谱仪对体线圈进行检测,发现体线圈有一路中心频率明显变化,而且根本调整不过来,因此判断有元器件损坏,把体线圈抬出来检查发现,有一路通道的电容脱焊,大功率射频由于接触不良在此打火,同时不断增大的功率将该路的大功率二极管烧坏,彻底无法扫描。将电容焊好,更换二极管后故障排除。

在对磁共振射频系统进行故障维修时,首先要利用设备的维修诊断软件和一些测试序列,用不同线圈对水模进行一些基本扫描,初步判断是线圈本身问题还是发射接收问题,例如头线圈扫描出现故障,应马上用体线圈作一扫描,若体线圈正常,则可以排除公用通道如射频发射开关、射频放大机的问题,重点检查头线圈本身和相关通道;若体线圈也不正常,就要考虑公用通道发射开关、射频放大机以及接收通道问题。

2.2 正交混合器QH故障

我院磁共振曾发生体线圈及所有被动线圈先是射频校正值逐渐增大,到最后彻底无法扫描的故障,换上头线圈可以正常工作,用频谱仪对体线圈进行检测未发现问题。用示波器检测射频放大机后各路信号,发现反射回来的功率RE
REF很大,几乎和发射功率的采样RF
FORWARD差不多,说明发射通路存在故障,导致射频能量无法发射出去,因而反射回来。但头线圈正常又排除了射频发射开关的可能,因此怀疑体部的正交混合器QH存在故障,更换QH后故障排除。

根据磁共振射频系统工作原理及射频系统三个基本组成部分的相互关系,对各测试点进行测试以快速区分故障的大体部分。可以选定某线圈的任一常规序列进行扫描,用示波器检测发射板XMTR产生的射频信号,也就是射频放大机的输入信号,体线圈当射频校正值为14dB时T1横断扫描的90度脉冲的峰值一般为90mV,若看不到该波形则说明发射接收单元故障。若正常可以再看射频放大机后的射频输出,在RFFORWARD处测应有80mV,而反射回来的功率RFFEF应该很小;如果射频输出信号很小,反射也很小,则可能射频放大机本身有故障,或者老化,达不到所需增益。如果射频输出信号很小,反射却很大,可能是发射通路不能正常工作,导致射频能量无法发射出去,因而反射回来。

2.3 射频发射开关故障

我院磁共振曾发生所有线圈先是射频校正值逐渐增大,到最后彻底无法扫描,射频放大机保护。由于头体两路同时出故障的可能性极小,因此先检查公共通道,也就是射频放大机、射频发射开关、继电器K1。首先用万用表测量射频发射开关二极管正反向特性,正常应为0.9V左右,而我们测量结果却为零,说明二极管短路。将射频发射开关从开关盒中取出后打开检查,看到二极管已被烧坏,电路板也严重毁坏。更换射频发射开关后故障排除。

射频系统里许多部件都存在二极管正反向特性,通过控制信号使得在发射时发射部件导通,接收部件截止,在接收时发射部件截止,接收部件导通。我院磁共振射频系统的故障通常发生在射频开关盒,特别是发射通道工作在大功率状态,而且频繁切换,因此故障率较高,多数是射频发射开关内的大功率二极管损坏。用万用表测量二极管正反向特性可以很快判断是否故障。

3总结

值得一提的是频谱仪在磁共振的维修中发挥着非常重要的作用,它不仅可以检查各线圈的中心频率是否正确,中心频率处的增益大小,以及两路信号的正交性,还可以检查通道的衰减和放大电路的增益,从而迅速地找到故障。离开了频谱仪,磁共振的维修工作尤其是射频系统的检修就会陷入盲目,或者说是碰运气,因此要想更好更主动,最好配备一台频谱仪。

射频系统出现故障可以首先用频谱仪检查线圈是否调谐Tuning,中心频率是否偏离,中心频率处的增益如何。线圈经过一段时间的使用后,经常的搬动或内部电容电感的值改变,都会造成中心频率的改变。当改变过允许的范围,会导致发射接收效率降低,信噪比降低,影响图像质量。

再用频谱仪顺着发射通道,检查各部件的衰减情况,从射频信号输入经射频发射开关、继电器K1、正交混合器QH输出,信号衰减一般在0.5dB,如果大很多,那么要检查各个接头是否连接紧密,如果彻底不通,那么应认定发射通道断路,应一个一个分步检测,找到故障点。最后检查接收通道是否达到所要求的增益,前置放大LNA一般有22dB,接收通道矩阵RCM有11dB的增益。

通过以上测量,一般能比较准确的找到故障部位。只要思路清晰,射频系统的故障并不可怕,一般可以较快修复。

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