超導磁共振儀無源勻場測試系統的設計與開發

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(中國計量大學 信息工程學院生物醫學工程研究所，杭州 310018)

0 引言

近年來，隨著我國醫療行業的迅速發展，醫用超導磁共振憑借其高信噪比、無放射性等一系列優點，已經成為臨床診斷和患者檢查方面的主流成像設備。主磁體做為磁共振儀最核心的結構，其中心成像區域的磁場均勻性直接影響設備成像質量。相較于永磁型磁共振儀的開放式結構，超導磁共振儀以圓筒型為主，磁場強度大，由于高場環境特殊，測試點復雜，電控技術可行性低，磁場均勻性測試方式繁瑣，準確率低，操作難度大。傳統勻場有：安置勻場磁片的無源勻場、線性補償的梯度勻場[1]、設計專門矯正線圈的有源勻場[2]等多種方式，由于后兩種有源勻場的方式受溫度因素和生產成本的影響和制約，無源勻場憑借其靈活的優勢成為最基本的勻場方式。

美國國家儀器公司(NI)開發的圖形化編程語言LabVIEW軟件憑借豐富的圖形化功能函數、高效的G語言編程方式、前面板和程序框圖的“雙顯示”及應用、安裝程序生成方式等特點，在儀器控制和數據采集等方面有其獨特的優勢，能有效實現采集數據的分析、處理和顯示，滿足測量功能設計需求[3]。LabVIEW作為一種新型的圖形化編程語言，其程序運行方式為線程模式，利用高亮執行模式可以直觀查看程序運行的進度及數據的走向。

本系統根據圓筒型主磁體的特殊結構，利用掃描實際有效空間結合線性規劃模型建立一種新的無源勻場模型。經實驗驗證，該模型大幅度提升磁場均勻度，勻場顯著。

1 系統概述

根據霍爾探頭測量法，設計了基于LabVIEW的磁共振用超導磁體中心球形成像空間磁場測量系統。針對中心球形區域表面的測量點劃分，設計了一種由鋁合金制成的可調節式磁場測量裝置，該裝置為傘狀結構，霍爾探頭固定于裝置內部的探頭固定處，通過測量裝置對探頭固定處位置的調節移動，分別測量各個采集點處的磁場數據，選擇符合量程和精度要求并具備溫度補償功能的測量設備，采用LabVIEW驅動高斯計，編寫串口通信程序、數據采集程序和人機交互界面，實現DSV磁場的測量。測量得到的DSV磁場數據用于無源勻場模塊的計算[4]。

2 系統硬件

2.1 測量分布與裝置

醫用超導磁共振成像系統要求中心球形成像空間的磁場均勻性達到指定要求，以GE公司LCC的1.5 T超導磁體為例，其磁體中心50 cm直徑的球形區域的實際工作磁場均勻度要低于10 ppm，而最高可達到0.5 ppm。本文測量用的是1.5 T圓筒型超導磁共振系統，中心球形成像區域直徑為50 cm。如圖1(a)所示，球形區域表面被13個平行平面沿著圓筒軸心線截得13個平行圓，13個平行圓上的點和圓心的連線與軸心線夾角從前到后分別為：18°、30°、42°、54°、66°、78°、90°、102°、114°、126°、138°、150°、162°，并按照磁感應強度(B0)方向依次以第一平面至第十三平面標號。每個圓上等角度設置24個采集點，角度間隔為15°，如圖1(b)所示。這樣一共就有312(24*13)個位置需要采集磁場數據。

圖1 DSV采集點分布

為了實現上述中心球形成像區域采集點的磁場測量，設計了一種傘結構的可調節式測量裝置，如圖2所示。測量裝置由非磁性材料-鋁合金加工制成，包括用于快速尋找圓筒型超導磁體軸心位置的傘狀徑向支撐部件、用于連接固定三端傘狀徑向支撐部件的軸向調節桿以及固定于軸向調節桿上的探頭位置調節部件?；魻柼筋^取橫向位置固定于探頭調節部件，通過軸向調節桿、探頭滑桿和角度刻度盤等部件聯合作用，可對中心球形成像區域表面劃分好的各個測試點進行磁場測量，并且定位的精確度高，很好的保證了測量過程的穩定性和測量結果的準確性。

圖2 圓筒型超導磁共振中心區磁場測量裝置

2.2 高斯計

本文采用高斯計搭配霍爾探頭測量磁場數據。DSV磁場測量要求數據采集精度高，溫度補償效果好，選擇Lakeshore475高斯計。MODEL 475高斯計的量程為：35 nT～35 T，自身內部的校零和信號處理技術都大大提高了MODEL 475高斯計的測量精度。在直流測量的模式下，MODEL 475高斯計憑借前端的放大技術，使測量精度達到±0.04%。LabVIEW軟件可使用visa，并通過串行I/O接口與MODEL 475高斯計進行串口通信。在直流測試模式下，MODEL475高斯計在一秒內數據更新的次數最高可達1000次，但是受到接口硬件的限制，數據更新率在測量分辨率為53/4時最大僅為10次/秒。

霍爾探頭的靈敏度和偏移量會隨著溫度變化而產生微小的變化。探頭受溫度的影響可以在從測量磁場讀數中被測量與扣除。高斯計可根據探頭頂端的溫度傳感器提供的實時溫度，做出補償。選擇具備溫度補償功能的霍爾探頭：橫向HMNT-4E04-VF，其在直流測量下，溫度系數為0.002%/℃。

3 系統軟件

磁場測量軟件的設計流程：首先從LabVIEW的測試控制界面啟動測量程序→開啟串口通信→初始化475高斯計→設置475高斯計采集參數→采集磁場強度數據→磁場強度穩定→記錄數據并顯示于界面上的磁場強度圖內→通過測量裝置改變采集點位置→采集磁場強度數據并顯示→直至測試點全部采集完成→保存磁場數據于TXT文件內，并導出→按“停止”功能按鈕或“中止執行”按鈕結束測量程序。在磁場數據采集過程中，程序采用連續運行方式，無需停止測試程序或者到高斯計前面板操作，就可更改顯示單位、測量模式、測量分辨率、數據采樣速率等采集參數，方便高效[5]。主磁場在DSV表面的強度大小變化細微并且緩慢，測試程序針對該種磁場環境，設計的是針對直流測量的模式(DC)下的數據采集程序。

3.1 控制界面

圖4 參數配置程序框圖

磁場測量軟件的控制界面如圖3所示，包括：1)VISA串口配置區，可對串口通信參數：VISA資源名稱、波特率、數據比特位、奇偶校驗位和停止位進行編輯和修改；2)高斯計測量參數設置區域，可對高斯計的量程、測量模式、顯示單位、測量分辨率進行編輯和修改。高斯計數據采集速率固定不變；3)磁場數據顯示區域，對高斯計采集得到磁場數據進行實時的顯示，同時針對記錄下來的數據提供磁場最大值、最小值以及平均值查看的功能；4)磁場強度圖繪制區域，對記錄下來的磁場強度數據進行橫向排序并于“波形圖”控件進行繪制，圖中白色曲線代表磁場強度曲線，橫坐標為測試點個數，縱坐標為磁場強度，單位為特斯拉(T)；5)數據采集點計數區，對記錄過磁場數據的測試點進行計數；6)功能按鍵區域，“數據記錄”按鍵可對當前測試點磁場數據進行記錄并顯示于磁場強度圖內；“數據導出”按鍵能將已完成數據采集的測試點的磁場強度數據進行導出，并生成一個TXT文件；“啟動”與“停止”按鈕分別控制啟動與停止數據采集程序。

圖3 磁場測量軟件控制界面

3.2 串口配置

Model475高斯計通過后面板的RS232串口與PC機相連，實現串口通信。“VISA配置串口”作為一個串口參數配置的功能函數，是串口通信能正常運行的前提和保障，也為串口通信提供初始化的功能[6]。配置的參數主要包括串口資源名稱、比特率、數據比特位、奇偶校驗和停止位。LabVIEW前面板分別設置比特率為9600 bit/s；數據比特位為7位；奇偶校驗為奇校驗(odd)；停止位為1位；串口資源名稱通過高斯計連接的物理串口名稱實際選取。

3.3 參數配置

參數配置程序如圖4所示。按照量程、測量模式、測量分辨率、場強單位的順序通過“VISA寫入”功能函數發送命令“RANGE 1;AUTO 1;RDGMODE 1,3;UNIT 2 ”至Model475高斯計，其中，各個參數配置命令之間需加上分號，并以回車鍵常量和換行鍵常量結尾。配置過程中，為高斯計進入設置模式保留500毫秒(ms)的等待時間，確保配置和后續操作的成功率。圖4中的“格式化值”函數具有將輸入數字轉換為格式字符串中指定的通用字符串，并添加至初始字符串內的功能。

3.4 數據采集

讀取磁場場強數據的控制程序框圖，如圖5所示，通過“VISA寫入”功能函數發送命令“RDGFIELD? ”至下位機高斯計，以回車鍵常量和換行鍵常量結尾；由“VISA讀取”函數接收返回的數據“ ”，其中“field”為當前磁場讀數，其單位和分辨率由之前的配置參數決定。在該串口通信過程中，“VISA讀取”函數讀取的字節數量設置為50，并且保留50 ms的等待時間，以確保在下一個命令被執行之前，能從串口中接收到數據。圖5中的“匹配模式”函數具有將輸入字符串按照搜索出的正則表達式位置分隔為三個子字符串的功能；而“分數/指數字符串至數值轉換”函數就是直接將字符串內的數字字符轉換為科學性的浮點數。

圖5 讀取場強數據程序框圖

3.5 測量結果

根據磁場測量的方式，設計上述的LabVIEW控制程序，實時讀取當前模式下采集得到的磁感應強度。通過手動調節測量裝置來改變探頭位置，逐一記錄下劃分好的各個DSV區域表面測量點的磁感應強度。運用于實際測量過程中，主磁體為磁共振用1.5 T超導磁體，圓筒內徑為70厘米，DSV球形區域的直徑為50厘米，軸向設置13個采集面，每個采集面與DSV球形表面相交的圓上等分24個采集點，一共312個采集點，其磁感應強度曲線如圖6(a)所示，其中測量點編號(X軸)按照第一平面至第十三平面等方位角排序。圖中磁感應強度曲線在1.5T附近浮動，變化幅度大，整體在前半部分呈現上升趨勢，后半部分呈現下降趨勢，同時包含很多反趨勢的上升或者下降，總體呈現為一個峰型。DSV的原始磁通密度圖如圖6(b)所示，計算得到主磁場B0在DSV內均勻度為416.0506 ppm，并未達到成像要求(成像一般要求均勻度小于10 ppm)。因此，后期的勻場工作必不可少。

圖6 測量結果

4 勻場模型

本文的磁場均勻度由η表示，其計算公式為：

(1)

其中:Bmax和Bmin分別為中心球形成像區域最大和最小的磁通密度；Bavg為平均磁通密度。并且由無源勻場原理可知，Bmax和Bmin均在球形成像區域表面。

本文通過結合了實際有效空間[7-8]和線性規劃模型[9-11]的新型無源勻場模型提高中心球形成像區域磁場均勻度。

第一步，對實際各個測量點的磁場強度數據進行卷積求解得到一定階數(本文階數取1～12)、一定自由度(本文自由度取0～4)的主要諧波分量。

第二步，將中心整個球形區域磁通密度規劃分布到實際工作有效的區域中。因為實際工作中，球形區域一般大于成像部分，如人體表面之外的上半球形空間和人體表面之外的下半球形空間。因此，將上述空間按投射關系規劃分布到實際工作空間內以提高勻場效果。

第三步，建立勻場片磁化分布模型：

(2)

其中:dV=R·t·dφ’dz’，R為勻場磁片所在級面的離中心的距離，t為勻場磁片的厚度；μ0為空氣的磁導率；Pnm(cosθ)為m和n的Legendre functions；(r,θ,φ)和(r,θ,φ)表示球坐標系中的三維坐標。由:

(3)

可得到實際工作空間分布矩陣。

第四步，建立線性規劃勻場模型，最終提高DSV均勻度，如式(4)所示：

(4)

第四步，求解線性規劃算法模型(4)，實際上是解決凸優化問題，本文利用Matlab的linprog函數來解這個線性規劃問題，通過限制條件，最小化目標函數。linprog函數具體格式如式(5)所示：

x=linprog(f,A,B,[],[],lb,ub)

(5)

第五步，多次循環驗證以不斷提高磁場均勻度到最優水平。

5 結果分析

本系統實驗對象為1.5 T超導磁體，中心球形成像區域半徑為25 cm，磁場數據采集點分布如2.2節所示，一共312個。圓筒底部到實際有效空間距離為10 cm。勻場磁片大小為4 cm*5 cm*0.01 cm；規定勻場片最薄為0.1 mm，最厚為12 mm，勻場級面距中心球形成像區域10 cm，軸向方向分13層，每層分15份，每份24°，共195個勻場磁片位置。利用Matlab求解并多次重復驗證，圖7(a)是勻場

圖7 勻場結果

后的DSV表面磁感應強度曲線，對比勻場前后磁感應強度曲線，磁場跨度小，穩定性高，均勻度達到16.0383 ppm；圖7(b)是勻場后的磁通密度圖，結果顯然勻場效果顯著，均勻度提升達到96%。

6 結語

本文設計的超導磁共振儀無源勻場測試系統包括電路設計、數據采集、測量控制、串口通信、數據分析、模型求解等一系列模塊，以靈活的LabVIEW作為核心平臺、高效的Matlab作為輔助平臺，流程簡易、功能完善、效果顯著，磁場均勻度提升超過96%，滿足實際要求，解決了傳統無源勻場方式手段繁瑣的弊端，為現代醫療器械廠商提供了一種無源勻場新型的參考形式，有實際應用價值。