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针对5T超高场MRI系统中传统T/R开关在高频大功率下的隔离性能不足问题，提出一种新型谐振电路设计的T/R开关。通过优化电路结构抑制PIN二极管寄生参数影响，实现发射模式38.8dB和接收模式46.2dB的高隔离度，相比传统设计提升近一倍，有效降低射频干扰和图像伪影，SNR提升15.7%。
陈继峰|陈巧燕|高尚|徐楚|曹斌|杜浩浩|朱旭晨|魏志东|朱彦杰|张晓亮|叶莉|郑海荣
中国科学院深圳先进技术研究院保罗·C·劳特伯生物医学成像研究中心，中国深圳 518055
摘要
在磁共振成像（MRI）系统中，具有高隔离度的射频（RF）发射/接收（T/R）开关在管理发射器和接收器之间的RF信号流动方面起着至关重要的作用。对于超高场（UHF）MRI系统而言，高功率设备中的寄生参数影响日益显著，这会导致使用50欧姆λ/4传输线的传统T/R开关的频率发生偏移，进而降低目标频率下的隔离度。这种情况会增加发射模式下接收电路损坏的风险，并在接收模式下产生RF干扰，从而降低图像信噪比（SNR），导致图像伪影。本研究提出了一种新型谐振电路T/R开关，适用于5T全身MRI的高频和高功率条件。结果表明，这种新型T/R开关在发射模式下的隔离度可达38.8dB，在接收模式下可达46.2dB，而传统T/R开关在同一频率下的隔离度分别为19.0dB和23.6dB。最重要的是，新型T/R开关能够减少图像伪影和插入损耗，使用该开关后图像SNR提高了15.7%。这些结果表明，所提出的T/R开关可以可靠且安全地应用于高功率传输的UHF全身MRI系统中。
引言
超高场（UHF）磁共振成像（MRI）由于磁场强度更高和信噪比（SNR）改善，能够提供更高的图像分辨率和对比度，以及更好的软组织区分能力[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。为了解决射频（RF）发射磁场不均匀性的技术问题，通常使用并行传输（pTx）的发射线圈[6]、[7]、[8]。此外，为了提高中心SNR，pTx RF发射线圈还与RF接收线圈结合使用来接收MRI信号[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。为了实现pTx发射线圈的集成发射和接收功能或提高中心SNR，每个通道都需要使用发射和接收（T/R）开关[7]。T/R开关对于时分复用发射和接收的信号至关重要，其性能会显著影响整个发射系统的性能。
对于T/R开关，常用的控制RF收发器状态的材料包括PIN二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管（LDMOS）的横向扩散结构（LDMOS）、微机电系统（MEMS）、氮化镓MOSFET以及其他带有外围电路的组件[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。在这些组件中，由于PIN二极管具有较低的导通阻抗、较高的关断阻抗、出色的线性、较高的功率处理能力和可靠性，因此在MRI系统中应用更为广泛[22]。基于PIN二极管的宽带T/R开关被设计用于NMR，其功率容量可达数百瓦[23]、[24]、[25]。然而，这些设计的最大允许功率耗散较低，不适合高功率MRI。为了实现更高功率的传输，开发了基于微带线的T/R开关，最大功率容量为1kW[26]、[27]。还设计了一种最大功率容量为2kW的T/R开关，适用于7T应用，具有微秒级切换速率[28]。在该设计中，采用了集总元件LC电路来实现等效的50Ω四分之一波长段或阻抗匹配电路，并提出了单极双通设计以提高电路功率容量，最大功率容量达到3.9kW[29]。该设计将串联或并联LC电路集成到T/R开关中，以在指定频率下建立直流接地或RF接地。这种配置可以将RF信号与偏置电路使用的直流信号隔离。然而，这种设计没有考虑PIN二极管在导通/关断（ON/OFF）状态下的寄生参数。此外，这些T/R开关适用于局部发射线圈。对于全身发射线圈，仍需要进一步提高功率。
此外，在UHF全身MRI系统中，通常选择高功率组件用于RF传输链路，以提供必要的高压和电流进行身体成像[30]、[31]。与低功率组件相比，高功率组件往往具有更大的寄生电感和电容。由于UHF系统的工作频率随磁场强度的增加而升高，因此必须彻底考虑并减轻其对电路性能的不利影响[32]。特别是在T/R电路中，由于高压开关组件的等效串联电感和电容相对较高，可靠控制其ON/OFF状态的能力受到限制。这会导致T/R开关的频率偏移，进而降低MRI系统中的RF功率传输效率[33]。因此，存在接收系统损坏的风险，RF功率放大器产生的RF噪声容易干扰接收电路，导致图像中出现“拉链伪影”[34]。因此，需要提出一种新的设计，以在高功率下抵消寄生参数的影响，并在目标频率下实现高隔离度。
在我们之前的研究中，我们报道了一种8通道RF功率放大器（RFPA），其峰值功率容量为64kW，每个通道的峰值功率容量为8kW[35]。为了实现不同传输模式之间的转换，使用了带有8个RF开关的传输选择单元。虽然这种使用50欧姆λ/4传输线的传统结构可以配置8个、4个或2个独立传输通道，但无法用于切换传输（Tx）和接收（Rx）模式。因此，应该开发一种具有高隔离度和高功率能力的优化结构T/R开关，适用于8通道全身发射线圈。
在本研究中，开发了一种用于UHF全身成像的新型T/R开关。建立了PIN二极管导通和关断状态下T/R开关的等效电路模型。在所提出的电路中，设计了两个电容器来有效抑制高电压PIN二极管中的寄生参数带来的不利影响，从而确保无论PIN二极管的导通状态如何，施加到接收电路的电压都保持在一个非常低的水平。通过台架测试实验测量了T/R电路之间的隔离度和插入损耗，并在中国上海联合医疗集团的5特斯拉全身MRI扫描仪（uMR Jupiter）上评估了使用新型T/R开关的图像性能，并与传统设计进行了比较。
部分摘录
T/R开关的设计
提出了一种电路拓扑结构，以提高UHF MRI中T/R开关的隔离度，如图1a所示。在这种设计中，传统设计[35]中的50欧姆λ/4传输线（如图1d所示）被Cx-Lx-Cx等效电路或Lx-Cx-Lx等效电路所取代。
为了抵消Rx模式下PIN二极管寄生电容的影响，需要用Cy替换PIN二极管附近的电容值。在计算所需的Cy时，还需要
T/R开关的隔离度结果
图4a显示了T/R开关在Tx模式下的仿真和测量隔离度。与传统设计相比，所提出的设计将隔离度从16.2dB提高到了210.8MHz时的48.0dB。实验表明，使用所提出的设计后，系统的隔离度从19.0dB提高到了38.8dB。在Tx模式下，接收器中的LNA容易因高发射功率和低隔离度而受损。在这种设计中，为了防止
讨论
在UHF MRI中，PIN二极管的寄生参数对T/R开关的隔离度有显著影响。在设计高频运行的T/R开关时，考虑寄生参数的影响并优化电路可以实现更好的隔离度。在没有寄生电容和电感的情况下，使用50欧姆λ/4传输线的传统T/R开关可以在目标谐振频率下正常工作并实现良好的隔离度。
结论
总之，我们提出了一种适用于5T全身MRI的高频和高功率条件下的新型谐振电路T/R开关。结果表明，这种新型T/R开关在发射模式下的隔离度为38.8dB，在接收模式下的隔离度为46.2dB，而未考虑寄生参数的传统T/R开关在发射模式下的隔离度为19.0dB，在接收模式下的隔离度为23.6dB。最重要的是，新型T/R开关可以
CRediT作者贡献声明
陈继峰：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、方法论、正式分析、数据管理、概念构思。陈巧燕：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、资金获取、正式分析、数据管理。高尚：正式分析、数据管理。徐楚：监督、概念构思。曹斌：方法论、正式分析。杜浩浩：调查、正式分析、数据管理。朱旭晨：验证、调查
资金来源
本工作部分得到了国家重点研发计划（2021YFF0501402）、国家自然科学基金（U22A20344和52293425）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB0930000）、中国科学院全球共同挑战专项（321GJHZ2022081GC）、中国科学院科学仪器研制项目（PTYQ2024BJ0001）的支持
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
