吳 林，張 鏝，史建華

(1.珠海博聞教育科技發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519000; 2.東軟集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110179)

1 背景

在超導成像系統序列掃描時需要對被試的檢查體位進行定位，空間定位通過在主磁場疊加三軸方向上的梯度場實現[1]。施加在主磁場上的梯度場是通過梯度線圈電流產生的，而電流在三軸方向的梯度線圈里快速切換會產生的變化梯度場，使得周邊空間產生渦流效應[2]。渦流效應曲線以逼近多組時間參數擬合的 e 指數曲線衰減，使得梯度信號發(fā)生畸變，導致超導系統成像圖像扭曲[3]，還會產生偽影，渦流效應限制了超導系統序列掃描速度的提升。因此，對超導系統運行時產生的渦流進行檢測和去渦流效應補償是非常必要的。

商業(yè)超導成像系統對渦流補償常采用屏蔽線圈和梯度預加重兩種方式。屏蔽線圈方法能抑制渦流的產生，但是該方法需要對原有梯度線圈結構進行重構設計。常用的梯度預加重方法通過設置去渦流補償預值，運行過程中迭代微調補償參數來逼近補償目標值，但該方法補償時間較長。文獻[4]提出利用傳統繞制線圈進行渦流信號的采集,可快速獲取渦流補償參數，但傳統繞制線圈體積粗大且精度差，嚴重影響檢測到的渦流信號的準確度，補償效果欠佳。在總結超導磁共振領域渦流檢測方法優(yōu)缺點的基礎上，本文提出一種基于PCB設計的電感線圈來測量渦流和去渦流補償的方法，該方法先利用電感線圈測量出實際梯度信號，如圖1所示，將實測梯度信號減去目標理想梯度信號得到渦流曲線，再將該渦流曲線補償到目標理想梯度信號上，預加重梯度信號再次施加到梯度線圈上，經過渦流的平滑效應后就接近目標理想梯度信號。本文設計的渦流檢測和去渦流補償裝置除了電感線圈，還包括梯度信號發(fā)生器和梯度信號采集單元，梯度信號發(fā)生器由National Instruments公司NI-5741和NI PXIe-7972板卡構成，梯度信號采集單元由NI PXIe-7972和NI-5783構成。

圖1渦流效應與去渦流補償

2 設計過程

在超導系統三軸梯度方向(X、 Y、 Z)各放置一對對稱的電感線圈，每個方向對稱放置的線圈感應到的信號通過差分電纜傳輸至梯度信號采集單元，該信號是變化梯度場的微分信號，對檢測到的微分信號進行積分運算的結果進行歸一化處理，即為實測梯度信號，最后將積分得到的信號減去設計的理想梯度信號，即為實測渦流強度。

3 電感線圈設計

檢測實際梯度場強度G(t)的裝置由電感線圈裝置、接收板卡、數字域積分器三部分構成，電感線圈裝置由電感線圈和結構工裝組成。3個方向對稱放置的一組線圈感應到的信號為差分形式的信號，梯度磁場變化時檢測線圈能產生的最大感應電壓Δuimax可用公式(1)表達。

(1)

其中，線圈匝數為n、面積為S，在梯度同一軸向對稱位置的一對線圈距離為Δr，在變化梯度場中對稱放置的一對線圈間的差分電壓為Δui(t)，trise為梯度功放能達到的最短梯度爬升或下降時間，Gmax為梯度場強極值，因此可根據給定Δuimax、Gmax和trise，由式(1)推出電感線圈主要設計參數(n、S、Δr)。本超導系統配置的梯度放大器型號為C781，梯度線圈型號為MFC16。這套梯度裝置電流轉化率為70A/V，最大梯度切換率為35.1 mT/m。當超導系統運行時，極限梯度切換時間trise最小為115 μs，將感應電壓最大值Δuimax設置為10 V，由式(1)可推導得到式(2)。

-nSΔr≈33 000 cm3=55×2×20 cm2×15 cm.

(2)

其中，55表示每層線圈匝數n;2表示將一個4層層疊PCB正反表面用于繞制線圈;20 cm2為每匝線圈的平均面積S;15 cm是對稱電感線圈的距離Δr。表層線圈參數如圖2所示，dx為線寬，din為正方形線圈內徑，rh為層間距，rx為線間距，D為線圈外徑，h為單層層厚。

圖2 設計的檢測線圈示意圖

4 渦流檢測工裝結構設計

在超導磁體腔內物理中心位置就是磁場中心位置，該處梯度場強度為零，在放置渦流檢測裝置時，應使感應線圈平面與主磁場方向垂直，使得主磁場磁力線方向垂直于感應線圈平面，如圖3所示。梯度線圈在工作時會產生劇烈振動，三個梯度軸向的感應線圈需要保持穩(wěn)定和平衡，由于掃描床和磁體腔是分離的，因此梯度線圈的振動就不會傳導至床板的測試工裝。

圖3 渦流檢測裝置結構圖

5 實驗設計

時間取離散量t=n·Ts，其中n=0,1,2,3...,Ts為采樣間隔，根據梯度渦流L-R電路模型，渦流曲線可由式(3)表達。

(3)

6 結果與討論

圖4 X軸梯度預加重實測梯度與目標理想波形

通過所有梯度方向渦流檢測和補償，得到包含X、Y、Z三軸自身項和交叉項渦流補償的參數組合，如表1所示。

表1 三軸梯度自身項和交叉項的渦流時間參數和幅值參數

由表1可知，X、Y、Z自身項的梯度場皆受到渦流效應影響，X方向梯度和Z方向梯度不受來自Y方向的交叉項梯度影響，只有Y方向梯度受到來自X方向梯度、Z方向梯度的交叉項渦流影響，說明梯度渦流檢測裝置放置時，X向和Z向的平面線圈位置校準較好，Y軸對稱放置的一對平面線圈位置還需要進一步校準和優(yōu)化。

綜合上述實驗數據可知，利用PCB制作平面電感線圈來檢測超導磁共振系統渦流的方案是可行的，得到的渦流補償參數能有效地減弱渦流影響。由于本文實驗條件限制，實驗的中間步驟需手動調整參數，其次是檢測到的渦流信號受到超導系統空間其他場的干擾，在一定程度會影響渦流檢測的準確度，因此后續(xù)研究工作還需要針對這兩方面問題展開研究和完善實驗方案。