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(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 信息工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，杭州 310018)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)醫(yī)療行業(yè)的迅速發(fā)展，醫(yī)用超導(dǎo)磁共振憑借其高信噪比、無(wú)放射性等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為臨床診斷和患者檢查方面的主流成像設(shè)備。主磁體做為磁共振儀最核心的結(jié)構(gòu)，其中心成像區(qū)域的磁場(chǎng)均勻性直接影響設(shè)備成像質(zhì)量。相較于永磁型磁共振儀的開放式結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)磁共振儀以圓筒型為主，磁場(chǎng)強(qiáng)度大，由于高場(chǎng)環(huán)境特殊，測(cè)試點(diǎn)復(fù)雜，電控技術(shù)可行性低，磁場(chǎng)均勻性測(cè)試方式繁瑣，準(zhǔn)確率低，操作難度大。傳統(tǒng)勻場(chǎng)有：安置勻場(chǎng)磁片的無(wú)源勻場(chǎng)、線性補(bǔ)償?shù)奶荻葎驁?chǎng)[1]、設(shè)計(jì)專門矯正線圈的有源勻場(chǎng)[2]等多種方式，由于后兩種有源勻場(chǎng)的方式受溫度因素和生產(chǎn)成本的影響和制約，無(wú)源勻場(chǎng)憑借其靈活的優(yōu)勢(shì)成為最基本的勻場(chǎng)方式。

美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)開發(fā)的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW軟件憑借豐富的圖形化功能函數(shù)、高效的G語(yǔ)言編程方式、前面板和程序框圖的“雙顯示”及應(yīng)用、安裝程序生成方式等特點(diǎn)，在儀器控制和數(shù)據(jù)采集等方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能有效實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的分析、處理和顯示，滿足測(cè)量功能設(shè)計(jì)需求[3]。LabVIEW作為一種新型的圖形化編程語(yǔ)言，其程序運(yùn)行方式為線程模式，利用高亮執(zhí)行模式可以直觀查看程序運(yùn)行的進(jìn)度及數(shù)據(jù)的走向。

本系統(tǒng)根據(jù)圓筒型主磁體的特殊結(jié)構(gòu)，利用掃描實(shí)際有效空間結(jié)合線性規(guī)劃模型建立一種新的無(wú)源勻場(chǎng)模型。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該模型大幅度提升磁場(chǎng)均勻度，勻場(chǎng)顯著。

1 系統(tǒng)概述

根據(jù)霍爾探頭測(cè)量法，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的磁共振用超導(dǎo)磁體中心球形成像空間磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。針對(duì)中心球形區(qū)域表面的測(cè)量點(diǎn)劃分，設(shè)計(jì)了一種由鋁合金制成的可調(diào)節(jié)式磁場(chǎng)測(cè)量裝置，該裝置為傘狀結(jié)構(gòu)，霍爾探頭固定于裝置內(nèi)部的探頭固定處，通過測(cè)量裝置對(duì)探頭固定處位置的調(diào)節(jié)移動(dòng)，分別測(cè)量各個(gè)采集點(diǎn)處的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，選擇符合量程和精度要求并具備溫度補(bǔ)償功能的測(cè)量設(shè)備，采用LabVIEW驅(qū)動(dòng)高斯計(jì)，編寫串口通信程序、數(shù)據(jù)采集程序和人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)DSV磁場(chǎng)的測(cè)量。測(cè)量得到的DSV磁場(chǎng)數(shù)據(jù)用于無(wú)源勻場(chǎng)模塊的計(jì)算[4]。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 測(cè)量分布與裝置

醫(yī)用超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)要求中心球形成像空間的磁場(chǎng)均勻性達(dá)到指定要求，以GE公司LCC的1.5 T超導(dǎo)磁體為例，其磁體中心50 cm直徑的球形區(qū)域的實(shí)際工作磁場(chǎng)均勻度要低于10 ppm，而最高可達(dá)到0.5 ppm。本文測(cè)量用的是1.5 T圓筒型超導(dǎo)磁共振系統(tǒng)，中心球形成像區(qū)域直徑為50 cm。如圖1(a)所示，球形區(qū)域表面被13個(gè)平行平面沿著圓筒軸心線截得13個(gè)平行圓，13個(gè)平行圓上的點(diǎn)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(yīng)強(qiáng)度(B0)方向依次以第一平面至第十三平面標(biāo)號(hào)。每個(gè)圓上等角度設(shè)置24個(gè)采集點(diǎn)，角度間隔為15°，如圖1(b)所示。這樣一共就有312(24*13)個(gè)位置需要采集磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。

圖1 DSV采集點(diǎn)分布

為了實(shí)現(xiàn)上述中心球形成像區(qū)域采集點(diǎn)的磁場(chǎng)測(cè)量，設(shè)計(jì)了一種傘結(jié)構(gòu)的可調(diào)節(jié)式測(cè)量裝置，如圖2所示。測(cè)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(dǎo)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(diào)節(jié)桿以及固定于軸向調(diào)節(jié)桿上的探頭位置調(diào)節(jié)部件?；魻柼筋^取橫向位置固定于探頭調(diào)節(jié)部件，通過軸向調(diào)節(jié)桿、探頭滑桿和角度刻度盤等部件聯(lián)合作用，可對(duì)中心球形成像區(qū)域表面劃分好的各個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量，并且定位的精確度高，很好的保證了測(cè)量過程的穩(wěn)定性和測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 圓筒型超導(dǎo)磁共振中心區(qū)磁場(chǎng)測(cè)量裝置

2.2 高斯計(jì)

本文采用高斯計(jì)搭配霍爾探頭測(cè)量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。DSV磁場(chǎng)測(cè)量要求數(shù)據(jù)采集精度高，溫度補(bǔ)償效果好，選擇Lakeshore475高斯計(jì)。MODEL 475高斯計(jì)的量程為：35 nT～35 T，自身內(nèi)部的校零和信號(hào)處理技術(shù)都大大提高了MODEL 475高斯計(jì)的測(cè)量精度。在直流測(cè)量的模式下，MODEL 475高斯計(jì)憑借前端的放大技術(shù)，使測(cè)量精度達(dá)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(jì)進(jìn)行串口通信。在直流測(cè)試模式下，MODEL475高斯計(jì)在一秒內(nèi)數(shù)據(jù)更新的次數(shù)最高可達(dá)1000次，但是受到接口硬件的限制，數(shù)據(jù)更新率在測(cè)量分辨率為53/4時(shí)最大僅為10次/秒。

霍爾探頭的靈敏度和偏移量會(huì)隨著溫度變化而產(chǎn)生微小的變化。探頭受溫度的影響可以在從測(cè)量磁場(chǎng)讀數(shù)中被測(cè)量與扣除。高斯計(jì)可根據(jù)探頭頂端的溫度傳感器提供的實(shí)時(shí)溫度，做出補(bǔ)償。選擇具備溫度補(bǔ)償功能的霍爾探頭：橫向HMNT-4E04-VF，其在直流測(cè)量下，溫度系數(shù)為0.002%/℃。

3 系統(tǒng)軟件

磁場(chǎng)測(cè)量軟件的設(shè)計(jì)流程：首先從LabVIEW的測(cè)試控制界面啟動(dòng)測(cè)量程序→開啟串口通信→初始化475高斯計(jì)→設(shè)置475高斯計(jì)采集參數(shù)→采集磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)→磁場(chǎng)強(qiáng)度穩(wěn)定→記錄數(shù)據(jù)并顯示于界面上的磁場(chǎng)強(qiáng)度圖內(nèi)→通過測(cè)量裝置改變采集點(diǎn)位置→采集磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)并顯示→直至測(cè)試點(diǎn)全部采集完成→保存磁場(chǎng)數(shù)據(jù)于TXT文件內(nèi)，并導(dǎo)出→按“停止”功能按鈕或“中止執(zhí)行”按鈕結(jié)束測(cè)量程序。在磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集過程中，程序采用連續(xù)運(yùn)行方式，無(wú)需停止測(cè)試程序或者到高斯計(jì)前面板操作，就可更改顯示單位、測(cè)量模式、測(cè)量分辨率、數(shù)據(jù)采樣速率等采集參數(shù)，方便高效[5]。主磁場(chǎng)在DSV表面的強(qiáng)度大小變化細(xì)微并且緩慢，測(cè)試程序針對(duì)該種磁場(chǎng)環(huán)境，設(shè)計(jì)的是針對(duì)直流測(cè)量的模式(DC)下的數(shù)據(jù)采集程序。

3.1 控制界面

圖4 參數(shù)配置程序框圖

磁場(chǎng)測(cè)量軟件的控制界面如圖3所示，包括：1)VISA串口配置區(qū)，可對(duì)串口通信參數(shù)：VISA資源名稱、波特率、數(shù)據(jù)比特位、奇偶校驗(yàn)位和停止位進(jìn)行編輯和修改；2)高斯計(jì)測(cè)量參數(shù)設(shè)置區(qū)域，可對(duì)高斯計(jì)的量程、測(cè)量模式、顯示單位、測(cè)量分辨率進(jìn)行編輯和修改。高斯計(jì)數(shù)據(jù)采集速率固定不變；3)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，對(duì)高斯計(jì)采集得到磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，同時(shí)針對(duì)記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)提供磁場(chǎng)最大值、最小值以及平均值查看的功能；4)磁場(chǎng)強(qiáng)度圖繪制區(qū)域，對(duì)記錄下來(lái)的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向排序并于“波形圖”控件進(jìn)行繪制，圖中白色曲線代表磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線，橫坐標(biāo)為測(cè)試點(diǎn)個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)為磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為特斯拉(T)；5)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)計(jì)數(shù)區(qū)，對(duì)記錄過磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù)；6)功能按鍵區(qū)域，“數(shù)據(jù)記錄”按鍵可對(duì)當(dāng)前測(cè)試點(diǎn)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并顯示于磁場(chǎng)強(qiáng)度圖內(nèi)；“數(shù)據(jù)導(dǎo)出”按鍵能將已完成數(shù)據(jù)采集的測(cè)試點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出，并生成一個(gè)TXT文件；“啟動(dòng)”與“停止”按鈕分別控制啟動(dòng)與停止數(shù)據(jù)采集程序。

圖3 磁場(chǎng)測(cè)量軟件控制界面

3.2 串口配置

Model475高斯計(jì)通過后面板的RS232串口與PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)串口通信?！癡ISA配置串口”作為一個(gè)串口參數(shù)配置的功能函數(shù)，是串口通信能正常運(yùn)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(shù)主要包括串口資源名稱、比特率、數(shù)據(jù)比特位、奇偶校驗(yàn)和停止位。LabVIEW前面板分別設(shè)置比特率為9600 bit/s；數(shù)據(jù)比特位為7位；奇偶校驗(yàn)為奇校驗(yàn)(odd)；停止位為1位；串口資源名稱通過高斯計(jì)連接的物理串口名稱實(shí)際選取。

3.3 參數(shù)配置

參數(shù)配置程序如圖4所示。按照量程、測(cè)量模式、測(cè)量分辨率、場(chǎng)強(qiáng)單位的順序通過“VISA寫入”功能函數(shù)發(fā)送命令“RANGE 1;AUTO 1;RDGMODE 1,3;UNIT 2 ”至Model475高斯計(jì)，其中，各個(gè)參數(shù)配置命令之間需加上分號(hào)，并以回車鍵常量和換行鍵常量結(jié)尾。配置過程中，為高斯計(jì)進(jìn)入設(shè)置模式保留500毫秒(ms)的等待時(shí)間，確保配置和后續(xù)操作的成功率。圖4中的“格式化值”函數(shù)具有將輸入數(shù)字轉(zhuǎn)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(nèi)的功能。

3.4 數(shù)據(jù)采集

讀取磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)的控制程序框圖，如圖5所示，通過“VISA寫入”功能函數(shù)發(fā)送命令“RDGFIELD? ”至下位機(jī)高斯計(jì)，以回車鍵常量和換行鍵常量結(jié)尾；由“VISA讀取”函數(shù)接收返回的數(shù)據(jù)“ ”，其中“field”為當(dāng)前磁場(chǎng)讀數(shù)，其單位和分辨率由之前的配置參數(shù)決定。在該串口通信過程中，“VISA讀取”函數(shù)讀取的字節(jié)數(shù)量設(shè)置為50，并且保留50 ms的等待時(shí)間，以確保在下一個(gè)命令被執(zhí)行之前，能從串口中接收到數(shù)據(jù)。圖5中的“匹配模式”函數(shù)具有將輸入字符串按照搜索出的正則表達(dá)式位置分隔為三個(gè)子字符串的功能；而“分?jǐn)?shù)/指數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換”函數(shù)就是直接將字符串內(nèi)的數(shù)字字符轉(zhuǎn)換為科學(xué)性的浮點(diǎn)數(shù)。

圖5 讀取場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)程序框圖

3.5 測(cè)量結(jié)果

根據(jù)磁場(chǎng)測(cè)量的方式，設(shè)計(jì)上述的LabVIEW控制程序，實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前模式下采集得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度。通過手動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)量裝置來(lái)改變探頭位置，逐一記錄下劃分好的各個(gè)DSV區(qū)域表面測(cè)量點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。運(yùn)用于實(shí)際測(cè)量過程中，主磁體為磁共振用1.5 T超導(dǎo)磁體，圓筒內(nèi)徑為70厘米，DSV球形區(qū)域的直徑為50厘米，軸向設(shè)置13個(gè)采集面，每個(gè)采集面與DSV球形表面相交的圓上等分24個(gè)采集點(diǎn)，一共312個(gè)采集點(diǎn)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線如圖6(a)所示，其中測(cè)量點(diǎn)編號(hào)(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(yīng)強(qiáng)度曲線在1.5T附近浮動(dòng)，變化幅度大，整體在前半部分呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，后半部分呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，同時(shí)包含很多反趨勢(shì)的上升或者下降，總體呈現(xiàn)為一個(gè)峰型。DSV的原始磁通密度圖如圖6(b)所示，計(jì)算得到主磁場(chǎng)B0在DSV內(nèi)均勻度為416.0506 ppm，并未達(dá)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(chǎng)工作必不可少。

圖6 測(cè)量結(jié)果

4 勻場(chǎng)模型

本文的磁場(chǎng)均勻度由η表示，其計(jì)算公式為：

(1)

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

本文通過結(jié)合了實(shí)際有效空間[7-8]和線性規(guī)劃模型[9-11]的新型無(wú)源勻場(chǎng)模型提高中心球形成像區(qū)域磁場(chǎng)均勻度。

第一步，對(duì)實(shí)際各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積求解得到一定階數(shù)(本文階數(shù)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(gè)球形區(qū)域磁通密度規(guī)劃分布到實(shí)際工作有效的區(qū)域中。因?yàn)閷?shí)際工作中，球形區(qū)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(guān)系規(guī)劃分布到實(shí)際工作空間內(nèi)以提高勻場(chǎng)效果。

第三步，建立勻場(chǎng)片磁化分布模型：

(2)

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

(3)

可得到實(shí)際工作空間分布矩陣。

第四步，建立線性規(guī)劃勻場(chǎng)模型，最終提高DSV均勻度，如式(4)所示：

(4)

第四步，求解線性規(guī)劃算法模型(4)，實(shí)際上是解決凸優(yōu)化問題，本文利用Matlab的linprog函數(shù)來(lái)解這個(gè)線性規(guī)劃問題，通過限制條件，最小化目標(biāo)函數(shù)。linprog函數(shù)具體格式如式(5)所示：

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

(5)

第五步，多次循環(huán)驗(yàn)證以不斷提高磁場(chǎng)均勻度到最優(yōu)水平。

5 結(jié)果分析

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象為1.5 T超導(dǎo)磁體，中心球形成像區(qū)域半徑為25 cm，磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分布如2.2節(jié)所示，一共312個(gè)。圓筒底部到實(shí)際有效空間距離為10 cm。勻場(chǎng)磁片大小為4 cm*5 cm*0.01 cm；規(guī)定勻場(chǎng)片最薄為0.1 mm，最厚為12 mm，勻場(chǎng)級(jí)面距中心球形成像區(qū)域10 cm，軸向方向分13層，每層分15份，每份24°，共195個(gè)勻場(chǎng)磁片位置。利用Matlab求解并多次重復(fù)驗(yàn)證，圖7(a)是勻場(chǎng)

圖7 勻場(chǎng)結(jié)果

后的DSV表面磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線，對(duì)比勻場(chǎng)前后磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線，磁場(chǎng)跨度小，穩(wěn)定性高，均勻度達(dá)到16.0383 ppm；圖7(b)是勻場(chǎng)后的磁通密度圖，結(jié)果顯然勻場(chǎng)效果顯著，均勻度提升達(dá)到96%。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的超導(dǎo)磁共振儀無(wú)源勻場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)包括電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、測(cè)量控制、串口通信、數(shù)據(jù)分析、模型求解等一系列模塊，以靈活的LabVIEW作為核心平臺(tái)、高效的Matlab作為輔助平臺(tái)，流程簡(jiǎn)易、功能完善、效果顯著，磁場(chǎng)均勻度提升超過96%，滿足實(shí)際要求，解決了傳統(tǒng)無(wú)源勻場(chǎng)方式手段繁瑣的弊端，為現(xiàn)代醫(yī)療器械廠商提供了一種無(wú)源勻場(chǎng)新型的參考形式，有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。