趙武貽，王慧賢，王 錚，張玉霞，楊文暉

(1.中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049）

一種適用于激光磁共振成像的磁場(chǎng)補(bǔ)償裝置

趙武貽1，2，王慧賢1，王 錚1，張玉霞1，楊文暉1

(1.中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049）

提出了一種適用于激光磁共振成像的磁場(chǎng)補(bǔ)償裝置，該裝置可以與磁場(chǎng)循環(huán)系統(tǒng)集成在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止樣品成像。文中首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求對(duì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真，并制作出了實(shí)際的線圈，然后搭建了一種反饋型高精度恒流源，其長(zhǎng)期工作時(shí)的穩(wěn)定性?xún)?yōu)于2×10－4A。該補(bǔ)償裝置可將目標(biāo)區(qū)域的地磁場(chǎng)抵消到100nT以?xún)?nèi)，基本滿足激光磁共振成像的要求。

激光磁共振成像;亥姆霍茲線圈;恒流源

1 引言

常規(guī)磁共振成像采用感應(yīng)線圈接收磁共振信號(hào)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，成像物體內(nèi)部磁化強(qiáng)度矢量的運(yùn)動(dòng)將在感應(yīng)線圈兩端產(chǎn)生出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，對(duì)這些感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行一定處理即得到磁共振圖像。由于磁化強(qiáng)度矢量的幅值和運(yùn)動(dòng)速度都正比于外加靜磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，所以當(dāng)靜磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)下降時(shí)，線圈靈敏度將會(huì)受到極大的影響，這也是目前磁共振成像設(shè)備越來(lái)越追求高場(chǎng)強(qiáng)的原因之一。激光磁共振成像是一種利用光學(xué)原子磁強(qiáng)計(jì)取代感應(yīng)線圈進(jìn)行磁共振信號(hào)檢測(cè)的新型磁共振成像技術(shù)。這種光學(xué)原子磁強(qiáng)計(jì)具有很高的檢測(cè)靈敏度［1］，在靜磁場(chǎng)極低的情況下也可獲得高分辨率圖像，因而大大降低了磁共振成像中磁體的制造維護(hù)費(fèi)用，并在一定程度上克服了磁化率偽影干擾，應(yīng)用前景較為廣闊。

目前已報(bào)道的激光磁共振成像將常規(guī)磁共振成像分成了預(yù)極化、編碼和檢測(cè)三個(gè)步驟［2］。成像物體為水，實(shí)驗(yàn)時(shí)令水流動(dòng)起來(lái)，首先在一個(gè)場(chǎng)強(qiáng)為0.3T的永磁磁體中進(jìn)行預(yù)極化，使水的磁化強(qiáng)度矢量得到了一定程度的增強(qiáng);接著進(jìn)入到一個(gè)場(chǎng)強(qiáng)3.1mT的磁體中進(jìn)行空間位置編碼;最后，水流入磁屏蔽區(qū)域完成磁共振信號(hào)的檢測(cè)。這種方法的局限在于必須在不同的位置分別完成預(yù)極化、編碼和檢測(cè)三個(gè)步驟，因而只適用于對(duì)流體成像。

為克服激光磁共振成像只能應(yīng)用于流體的限制，提出一種磁場(chǎng)循環(huán)系統(tǒng)。該磁場(chǎng)循環(huán)系統(tǒng)將預(yù)極化磁場(chǎng)和編碼靜磁場(chǎng)整合在了一起，在同一位置即可完成預(yù)極化、編碼和檢測(cè)三個(gè)步驟，使得靜止的物體同樣可進(jìn)行激光磁共振成像實(shí)驗(yàn)。如圖1，成像物體置于一個(gè)由電磁線圈產(chǎn)生的均勻靜磁場(chǎng)之中，同時(shí)外加一個(gè)預(yù)極化磁場(chǎng)線圈，成像目標(biāo)的外部還包裹有梯度磁場(chǎng)線圈和射頻線圈。光學(xué)原子磁強(qiáng)計(jì)放置于成像目標(biāo)的兩側(cè)，組成一個(gè)差分結(jié)構(gòu)。

圖1 激光磁共振成像中的磁場(chǎng)循環(huán)系統(tǒng)Fig.1 Field cycling system in laser MRI

磁場(chǎng)循環(huán)系統(tǒng)中的預(yù)極化磁體場(chǎng)強(qiáng)較高，但均勻性和穩(wěn)定性較差;編碼磁體則需保持常規(guī)磁共振成像對(duì)于磁體均勻性和穩(wěn)定性的要求，但其場(chǎng)強(qiáng)大為減弱［3］。成像時(shí)首先打開(kāi)預(yù)極化磁場(chǎng)對(duì)成像物體進(jìn)行磁化;然后切斷通入預(yù)極化線圈的電流，同時(shí)打開(kāi)編碼靜磁場(chǎng)線圈、射頻激勵(lì)線圈和梯度線圈，物體在這些磁場(chǎng)的作用下完成空間位置編碼;最后利用光學(xué)原子磁強(qiáng)計(jì)檢測(cè)磁共振信號(hào)。

光學(xué)原子磁強(qiáng)計(jì)在工作時(shí)對(duì)周邊磁場(chǎng)有一定的要求，所以檢測(cè)前必須先將預(yù)極化磁場(chǎng)、編碼磁場(chǎng)關(guān)斷，同時(shí)對(duì)地磁場(chǎng)進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償。可以通過(guò)電磁線圈施加反向磁場(chǎng)來(lái)達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?，這種磁場(chǎng)補(bǔ)償裝置為開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，易于與磁場(chǎng)循環(huán)系統(tǒng)集成到一起，并且所加磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)可調(diào)，因此在激光磁共振成像中采用這種補(bǔ)償方式。

2 補(bǔ)償線圈的仿真和制作

磁場(chǎng)補(bǔ)償裝置由屏蔽線圈和恒流源兩部分組成，實(shí)驗(yàn)要求將補(bǔ)償后的剩余磁場(chǎng)控制在100nT以?xún)?nèi)。假設(shè)在線圈中心很小范圍內(nèi)的地磁場(chǎng)梯度可以忽略，此時(shí)地磁場(chǎng)視為處處相等。

亥姆霍茲線圈是由兩個(gè)半徑相同、結(jié)構(gòu)一致的圓形線圈組成的線圈對(duì)，兩線圈平行共軸放置，間距等于其半徑。由于亥姆霍茲線圈可在中央空間產(chǎn)生非常均勻的磁場(chǎng)，所以磁屏蔽系統(tǒng)采用了三組亥姆霍茲線圈相互正交放置，分別用來(lái)抵消三個(gè)方向上的地磁場(chǎng)分量。當(dāng)三組線圈沿地磁場(chǎng)分量方向嚴(yán)格正交擺放時(shí)，每組線圈只抵消該方向上的地磁場(chǎng)分量而不會(huì)對(duì)其他方向上的分量帶來(lái)影響。

利用Ansoft公司的電磁場(chǎng)仿真軟件Maxwell進(jìn)行仿真，以350mm作為亥姆霍茲線圈的半徑和間距，當(dāng)安匝數(shù)為20A時(shí)，線圈中心半徑30mm的1/4圓周上的場(chǎng)強(qiáng)分布如圖2所示。由圖可知，線圈中心半徑30mm的1/4圓周上的場(chǎng)強(qiáng)變化小于20nT。

圖2 亥姆霍茲線圈中心半徑30mm的1/4圓周上磁場(chǎng)分布Fig.2 Magnetic field in center of Helmholtz coil

實(shí)際加工時(shí)線圈骨架采用木質(zhì)結(jié)構(gòu)，東西、垂直、南北三組骨架的平均直徑分為705mm、775mm和840mm，繞線槽截面積分為4mm×6mm、20mm×8mm、8mm×11mm。繞制時(shí)采用直徑為1.2mm的銅線，繞完后三組亥姆霍茲線圈的匝數(shù)分為3匝、26匝和 12匝，電阻 0.53Ω、2.47Ω、1.21Ω。

3 恒流源的搭建

對(duì)于由電磁線圈組成的磁場(chǎng)補(bǔ)償裝置而言，補(bǔ)償效果的好壞除取決于線圈的設(shè)計(jì)和制作工藝以外，為線圈供電的恒流源的性能也是非常重要的一個(gè)方面。恒流源不僅應(yīng)具備一定的輸出能力，對(duì)其穩(wěn)定性同樣提出了較高的要求。假設(shè)工作過(guò)程中線圈的阻抗不變，則裝置的穩(wěn)定性直接由恒流源決定。

恒流源原理圖如圖3所示，主要包括調(diào)整管、運(yùn)放、采樣電阻和基準(zhǔn)電壓幾個(gè)組成部分，運(yùn)放的同相端接基準(zhǔn)電壓，采樣電阻兩端的電壓作為負(fù)反饋引入到運(yùn)放的反相端。如果反饋電壓與基準(zhǔn)電壓不相等，其差值通過(guò)放大后加到場(chǎng)效應(yīng)管的柵極和源極之間，改變場(chǎng)效應(yīng)管柵、源間的電壓。由場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性可知，流過(guò)采樣電阻的負(fù)載電流隨之改變，直到運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的電壓差為零。理想狀態(tài)下，恒流源的輸出電壓僅由基準(zhǔn)電壓和采樣電阻決定，而與輸入電壓和負(fù)載電阻的變化沒(méi)有關(guān)系［4］。

圖3中所示調(diào)整管采用的是N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管IRF3205，IRF3205是一種電壓控制型器件，其輸入電阻非常高，有利于恒流源輸出精度的進(jìn)一步提高。為了減少場(chǎng)效應(yīng)管發(fā)熱過(guò)大帶來(lái)的影響，還為每片IRF3205加裝了散熱片和風(fēng)扇。

恒流源所需基準(zhǔn)電壓由LM399提供，其典型輸出值為 6.95V，溫度系數(shù) 0.3×10－6℃，動(dòng)態(tài)電阻0.5Ω，電壓穩(wěn)定系數(shù)1ppm/℃。LM399內(nèi)部包含一個(gè)恒溫電路，可將芯片自動(dòng)加熱控溫至90℃，當(dāng)環(huán)境溫度低于85℃時(shí)，可認(rèn)為芯片溫度沒(méi)有變化，從而消除了溫度變化對(duì)于基準(zhǔn)電壓的影響。

圖3 反饋型恒流源電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of feedback constant current source

采樣電阻的精度和穩(wěn)定性直接影響恒流源的性能，長(zhǎng)期工作時(shí)溫升等因素的作用都會(huì)使得電阻值發(fā)生一定的變化。為了將電阻的變化降至最低，選用RX76型精密線繞電阻。此電阻具有老化小、溫漂小等特點(diǎn)，采樣電阻阻值1Ω，功率3W。運(yùn)放選用通用型運(yùn)放OP07，為了消除可能出現(xiàn)的運(yùn)放自激，還在負(fù)載兩端并聯(lián)了一個(gè)1000μF的大電容。

恒流源供電電源由外接穩(wěn)壓電源和LM338提供。電網(wǎng)電壓首先經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓后，再由LM338調(diào)整至15V，大大改善了供電電源的波動(dòng)對(duì)恒流源帶來(lái)的影響［5］。通過(guò)調(diào)節(jié) LM399輸出端的電位器控制恒流源輸出電流大小，電位器為WXD2-53型多圈電位器，該電位器可顯示500個(gè)刻度，電路中其他部分均采用高精度金屬膜電阻。

4 穩(wěn)定性測(cè)試

恒流源最大輸出為1.5A，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有四位半萬(wàn)用表Fluke45對(duì)恒流源進(jìn)行測(cè)試，在恒流源對(duì)應(yīng)量程范圍內(nèi)，萬(wàn)用表可檢測(cè)到的最小電壓變化為0.0001A，電流變化 0.001A。測(cè)試時(shí)，首先預(yù)熱30min，然后每隔15min記錄一次萬(wàn)用表的讀數(shù)，負(fù)載電流的變化見(jiàn)表1。根據(jù)采樣電阻兩端的電壓同樣可算出負(fù)載電流的大小，采樣電阻端電壓的變化情況見(jiàn)表2。

以上數(shù)據(jù)表明，長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)恒流源的波動(dòng)為2×10－4A，根據(jù)補(bǔ)償線圈安匝數(shù)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)變化為12nT，基本滿足激光磁共振成像實(shí)驗(yàn)要求。

利用中船重工集團(tuán)公司生產(chǎn)的MS3-5三分量磁通門(mén)傳感器進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，采樣時(shí)間為1s，補(bǔ)償前和補(bǔ)償后線圈中心三個(gè)方向上10min內(nèi)的磁場(chǎng)變化情況如圖4所示。通過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié)恒流源的輸出，可以將三個(gè)方向上的地磁場(chǎng)都抵消到100nT以?xún)?nèi)。補(bǔ)償前，南北、東西、垂直三個(gè)方向上的磁場(chǎng)峰峰值分別為7.7nT、3.9nT和3.6nT，補(bǔ)償后三個(gè)方向上的峰峰值變?yōu)?.7nT、10.1nT和6.2nT，由此可見(jiàn)波動(dòng)主要由地磁場(chǎng)本身引起，恒流源引入的磁場(chǎng)變化在可以接受的范圍之內(nèi)。

表1 負(fù)載電流Tab.1 Load current

表2 采樣電阻電壓Tab.2 Voltage of sampling resistance

5 結(jié)論

圖4 補(bǔ)償前后線圈中心磁場(chǎng)變化Fig.4 Magnetic field before and after compensation

與傳統(tǒng)磁共振成像技術(shù)相比，激光磁共振成像的檢測(cè)靈敏度高，可顯著降低設(shè)備的體積與制造維護(hù)費(fèi)用，在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域中具有其獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。本文提出的磁場(chǎng)補(bǔ)償裝置可將線圈中心地磁場(chǎng)抵消到100nT以?xún)?nèi)，長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的穩(wěn)定性?xún)?yōu)于2×10－4A，并且易于與磁場(chǎng)循環(huán)系統(tǒng)集成在一起。對(duì)于其他超低場(chǎng)磁共振成像方法而言，本文設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)補(bǔ)償裝置同樣具有一定的啟發(fā)意義。

References）:

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［3］Macovski A，Conolly S.Novel approaches to low-cost MRI［J］.Magnetic Resonance in Medicine，1993，30(2）:221-230.

［4］陳凱良，竺樹(shù)聲 (Chen Kailiang，Zhu Shusheng）.恒流源及其應(yīng)用電路 (Constant current source and its application circuits）［M］.杭州:浙江科學(xué)技術(shù)出版社(Hangzhou:Zhejiang Science and Technology Press），1992.

［5］李正剛，楊厚君，林介東，等 (Li Zhenggang，Yang Houjun，Lin Jiedong，et al.）.1A 高穩(wěn)定度恒流源的試制(Development of 1A high stability constant current power）［J］.現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試 (Modern Measurement and Test），2000，8(5）:42-45.

A magnetic field compensation system for laser MRI

ZHAO Wu-yi1，2，WANG Hui-xian1，WANG Zheng1，ZHANG Yu-xia1，YANG Wen-hui1
(1.Institute of Electrical Engineering，CAS，Beijing 100190，China;2.Graduate University，CAS，Beijing 100049，China）

A magnetic field compensation system has been developed for laser MRI.It can be integrated with the magnetic cycling system，extending the applicability of laser MRI to a stationary sample.According to the requirement of laser MRI，a simulation of the magnetic field has been done and the coils have been built.Then a feedback high precision constant current source has been developed.The results show that the earth magnetic field in the target area can be reduced to below 100nT，and the long term stability is better than 2 ×10－4A.

laser MRI;Helmholtz coil;constant current source

TM153+.5

A

1003-3076(2012）04-0071-04

2011-08-08

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(50807050）

趙武貽 (1983-），男，湖南籍，博士研究生，研究方向?yàn)榧す獯殴舱癯上?

楊文暉 (1966-），男，湖南籍，正高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姶懦上窦夹g(shù)。