一种无磁化的5 T磁共振射频功率放大器设计

doi:10.11938/cjmr20212958

波谱学杂志 ›› 2022, Vol. 39 ›› Issue (2): 163-173.doi: 10.11938/cjmr20212958

一种无磁化的5 T磁共振射频功率放大器设计

骆俊^1,²,刘盛平¹,杨兴²,王佳升^1,²,李烨^2,*()

1. 重庆理工大学药学与生物工程学院, 重庆 400054
2. 广东省磁共振与多模态成像重点实验室, 劳特伯生物医学成像研究中心(中国科学院深圳先进技术研究院), 广东深圳 518055

收稿日期:2021-11-23 出版日期:2022-06-05 发布日期:2021-12-27
通讯作者: 李烨 E-mail:liye1@siat.ac.cn
基金资助:
中国科学院战略性先导科技专项(B类XDB25000000);国家重点研发计划项目(2021YFE0204400);深圳市优秀科技创新人才培养项目(RCYX20200714114735123)

Design of a 5 T Non-magnetic Magnetic Resonance Radio Frequency Power Amplifier

Jun LUO^1,²,Sheng-ping LIU¹,Xing YANG²,Jia-sheng WANG^1,²,Ye LI^2,*()

1. College of Pharmacy and Bioengineering of Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China
2. Key Laboratory for Magnetic Resonance and Multimodality Imaging of Guangdong Province, Lauterbur Research Center for Biomedical Imaging, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China

Received:2021-11-23 Online:2022-06-05 Published:2021-12-27
Contact: Ye LI E-mail:liye1@siat.ac.cn

摘要/Abstract

摘要：

本文介绍了一种可以不接环形器，并在扫描间使用的5 T磁共振射频功率放大器（RFPA）.该RFPA基于驻波高耐受的横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）功率管进行设计，共包含三级放大电路.针对传统磁共振RFPA中带磁芯的传输线变压器进行了无磁化的设计，加强了对反射功率的监控，采用模拟负反馈技术实现了对RFPA非线性的自动矫正.测试结果显示该RFPA的输出功率为2 kW，在负载扰动（反射系数Г < 0.5）时，40 dB动态输入范围，其增益线性度≤ 1 dB，相位线性度≤ 10˚，满足成像需求，验证了该设计方案的合理性与可行性.

关键词: 磁共振成像(MRI), 功率放大器, 无磁, 负反馈

Abstract:

This paper introduces the design and implementation of a 5 T magnetic resonance radio frequency power amplifier (RFPA), which can be used in scan rooms without a circulator. The RFPA was designed based on laterally-diffused metal-oxide semiconductor (LDMOS) power tube with high standing wave tolerance, and it contained a three-stage amplifier circuit. The transmission line transformers with magnetic core in RFPA was designed as non-magnetic. The reflected power was monitored tensely. The nonlinear automatic correction of RFPA was realized by using analogic negative feedback technology. The results showed that the output of RFPA power is up to 2 kW, the gain linearity performance is less than or equal to 1 dB, and the phase linearity performance is less than or equal to 10 deg over 40 dB range up to rated power during the load disturbance (reflection coefficient Г < 0.5), which meets the imaging requirements. Thus the rationality and feasibility of the proposed design scheme are verified.

Key words: magnetic resonance imaging (MRI), power amplifier, non-magnetic, negative feedback

中图分类号:

O482.53

骆俊, 刘盛平, 杨兴, 王佳升, 李烨. 一种无磁化的5 T磁共振射频功率放大器设计[J]. 波谱学杂志, 2022, 39(2): 163-173.

Jun LUO, Sheng-ping LIU, Xing YANG, Jia-sheng WANG, Ye LI. Design of a 5 T Non-magnetic Magnetic Resonance Radio Frequency Power Amplifier[J]. Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2022, 39(2): 163-173.

图/表 13

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

表1

参考文献 24

1	LIAO Z W, CHEN J F, YANG C S, et al A design scheme for ¹H/³¹P dual-nuclear parallel MRI coil[J]. Chinese J Magn Reson, 2020, 37 (3):273-282.
	廖志文, 陈俊飞, 杨春升, 等 ¹H/³¹P双核并行磁共振成像线圈的研究与设计[J]. 波谱学杂志, 2020, 37 (3):273-282.
2	HANGEL G, JAIN S, SPRINGER E, et al High-resolution metabolic mapping of gliomas via patch-based super-resolution magnetic resonance spectroscopic imaging at 7 T[J]. Neuroimage, 2019, 191, 587-595. doi: 10.1016/j.neuroimage.2019.02.023
3	ERTURK M A, LI X F, MOORTELE P, et al Evolution of UHF body imaging in the human torso at 7 T[J]. Top Magn Reson Imag, 2019, 28 (3):101-124. doi: 10.1097/RMR.0000000000000202
4	NEAL H. Isolating power amplifiers for parallel transmit MRI[D]. Texas: Texas A & M University, 2016.
5	CHU X, YANG X, LIU Y F, et al Ultra-low output impedance RF power amplifier for parallel excitation[J]. Magn Reson Med, 2009, 61, 952-961. doi: 10.1002/mrm.21908
6	ORZADA S, SOLBACH K, GRATZ M, et al A 32-channel parallel transmit system add-on for 7 T MRI[J]. PLoS One, 2019, 14 (9):e0222452. doi: 10.1371/journal.pone.0222452
7	ABUELHAIJA A, SOLBACH K. 7 T coil decoupling in near-magnet power amplifier[C]// ISMRM 23rd Annual Meeting & Exhibition, Ontario, Canada. USA: ISRMR, 2015: 1775-1826.
8	SOLBACH K, ABUELHAIJA A, SHOOSHTARY S, et al. Near-magnet power amplifier with built-in coil current sensing[C]// Joint Annual Meeting ISMRM-ESMRMB, Milan, Italy. USA: ISRMR, 2014: 1276-1304.
9	ABUELHAIJA A. Power amplifier for magnetic resonance imaging using unconventional cartesian feedback loop[D]. Duisburg: University of Duisburg-Essen, 2016.
10	方欢. 磁共振成像仪1 KW射频功率放大器的设计[D]. 厦门: 厦门大学, 2018.
11	CHEN J F, LI Y, ZHANG H, et al. High power RF amplifier for UHF MRI with configurable number of channels[C]// ISMRM & SMRT Annual Meeting, Online. USA: ISRMR, 2021: 15-20.
12	MRF1K80N Datasheet[EB/OL]. NXP Semiconductors. 2018. https://www.nxp.com/.
13	詹炳书. 超小型化多级Wilkinson功分器设计技术研究[D]. 南京: 南京邮电大学, 2018.
14	王晓伟. 核磁共振射频功率放大器的设计与分析[D]. 成都: 电子科技大学, 2014.
15	CRIPPS S C. RF Power amplifiers for wireless communications[M]. 2nd ed. Norwood: Artech House INC, 1997.
16	LI Y, MAO W P, WANG H W, et al Design and implementation of RF power amplifier for NUCLEAR magnetic resonance spectrometer[J]. Chinese J Magn Reson, 2011, 28 (3):326-338. doi: 10.3969/j.issn.1000-4556.2011.03.003
	李由, 毛文平, 王恢旺, 等核磁共振波谱仪用射频功率放大器的设计与实现[J]. 波谱学杂志, 2011, 28 (3):326-338. doi: 10.3969/j.issn.1000-4556.2011.03.003
17	AARON R P, TADEUSZ P, HONGWEI S, et al A high duty-cycle, multi-channel, power amplifer for high-resolution radiofrequency encoded magnetic resonance imaging[J]. Magn Reson Med, 2019, 32, 679-692.
18	张肇仪, 张肇仪, 等微波工程[M]. 第三版北京: 电子工业出版社, 2010.
19	张纪纲射频铁氧体宽带器件[M]. 北京: 科学出版社, 1986.
20	王垠骐. 磁共振成像系统中射频功率放大器的线性化研究[D]. 北京: 中国科学院大学, 2016.
21	胡寿松自动控制原理[M]. 北京: 科学出版社, 2007.
22	FENG T, CHEN J F, ZHANG Z, et al A design of short dead-time RF coil and RF switch for low-field NMR[J]. Chinese J Magn Reson, 2021, 38 (1):1-11.
	冯涛, 陈俊飞, 张震, 等低场核磁共振短死时间射频线圈与射频开关的设计[J]. 波谱学杂志, 2021, 38 (1):1-11.
23	ZHANG Z, MAO W P, LIU C Y Advances in NMR pulse generator research[J]. Chinese J Magn Reson, 2012, 29 (3):339-345.
	张志, 毛文平, 刘朝阳核磁共振脉冲序列发生器研究进展[J]. 波谱学杂志, 2012, 29 (3):339-345.
24	AN8120 User Manual [EB/OL]. Analogic Corporation. 2021. https://www.analogic.com/imaging-and-detection/mri/rf/.

性能指标名称	自研功放的性能	Analogic AN8120的性能^[24]
工作频率	210.78±0.5 MHz	63.86±0.650 MHz
平坦度	±0.4 dB	±0.4 dB
上升时间	450 ns (0~90%)	50 μs
下降时间	200 ns (100%~10%)	10 μs
增益线性度（40 dB动态输入范围）	0.8 dB	< =1 dB
相位线性度（40 dB动态输入范围）	6?	< = 10?
谐波输出	?57.5 dBc@64.35 dBm^2nd ?61.38 dBc@64.35 dBm^3rd	< ?30 dBc@73 dBm
激发态噪声	?96.485 dbm/Hz	< ?70 dBm/Hz
非激发态（自由）噪声	?158.936 dBm/Hz	< ?160 dBm/Hz

[1]	唐德港,李红闯,刘小玲,石磊,李海东,叶朝辉,周欣. 1.5 T下高介电材料几何结构对发射场影响的仿真研究[J]. 波谱学杂志, 2022, 39(2): 155-162.
[2]	王振宇, 王颖珊, 毛瑾玲, 马伟伟, 路青, 石洁, 汪红志. 基于Dense-UNet++的关节滑膜磁共振图像分割[J]. 波谱学杂志, 2022, 39(2): 208-219.
[3]	马岩, 邢藏菊, 肖亮. 基于级联网络的膝关节图像分割与模型构建[J]. 波谱学杂志, 2022, 39(2): 184-195.
[4]	张菊敏,陈世桢,周欣. 基于动态有机钆纳米颗粒的T₁-T₂双模态MRI造影剂[J]. 波谱学杂志, 2022, 39(1): 11-19.
[5]	王志超,张记磊,赵羽,华婷,汤光宇,李建奇. 基于神经网络拟合的腹部化学交换饱和转移成像[J]. 波谱学杂志, 2022, 39(1): 33-42.
[6]	王瀚苇,吴昊,田静,张俊峰,钟鹏,陈立朝,王舒楠. T₂/FLAIR错配征的定量参数在评价较低级别胶质瘤分子分型的诊断价值[J]. 波谱学杂志, 2022, 39(1): 56-63.
[7]	肖龙,朱筱磊,韩叶清,陈世桢,周欣. 胶束型磁共振成像分子探针的设计与应用[J]. 波谱学杂志, 2021, 38(4): 474-490.
[8]	闫士举,韩勇森,汤光宇. 一种用于前列腺区域分割的改进水平集算法[J]. 波谱学杂志, 2021, 38(3): 356-366.
[9]	胡赢丹,蔡悦,王旭霞,刘思婕,康彦,雷皓,林富春. 尼古丁易感的脑结构特征的磁共振成像研究[J]. 波谱学杂志, 2021, 38(3): 345-355.
[10]	贺红艳, 魏树峰, 王慧贤, 杨文晖. 矩阵梯度线圈研究现状与发展趋势[J]. 波谱学杂志, 2021, 38(1): 140-153.
[11]	辛红涛, 吴光耀, 文之, 雷皓, 林富春. 抗逆转录病毒治疗对艾滋病患者脑灰质体积的影响[J]. 波谱学杂志, 2021, 38(1): 69-79.
[12]	胡格丽, 邓晔辉, 王坤, 蒋田仔. 5G通信平台下的新型MRI系统架构展望[J]. 波谱学杂志, 2020, 37(4): 490-495.
[13]	吴明娣, 冯洁, 贾慧惠, 吴继志, 张欣, 常严, 杨晓冬, 盛茂. 儿童发育性髋关节脱位的磁共振形态学定量[J]. 波谱学杂志, 2020, 37(4): 434-446.
[14]	廖志文, 陈俊飞, 杨春升, 张志, 陈黎, 肖立志, 陈方, 刘朝阳. ¹H/³¹P双核并行磁共振成像线圈的研究与设计[J]. 波谱学杂志, 2020, 37(3): 273-282.
[15]	周游, 杨洋, 宋立强, 毕田田, 王玥, 赵瑛. 西洋参-石菖蒲对糖尿病认知障碍大鼠学习记忆相关脑区的影响[J]. 波谱学杂志, 2020, 37(3): 332-348.

一种无磁化的5 T磁共振射频功率放大器设计

Design of a 5 T Non-magnetic Magnetic Resonance Radio Frequency Power Amplifier

RichHTML

PDF

评审附件

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 13

参考文献 24

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价