余相泉，朱建明

(中國計量大學(xué) 信息工程學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程研究所，杭州 310018)

超導(dǎo)磁共振主磁體勵磁測控系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

余相泉，朱建明

(中國計量大學(xué) 信息工程學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程研究所，杭州 310018)

醫(yī)用超導(dǎo)磁共振主磁體在勵磁過程中出現(xiàn)的交流損耗和傳導(dǎo)漏熱等情況，是超導(dǎo)磁體失超的根本原因；為了控制和保證勵磁過程的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，開發(fā)和完善勵磁的測控系統(tǒng)就顯得格外重要；設(shè)計并開發(fā)了基于LabVIEW平臺的超導(dǎo)磁共振主磁體勵磁測控系統(tǒng)；系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過在虛擬儀器平臺上調(diào)用動態(tài)鏈接庫文件(DLL)，控制泰克公司KE2700系列集成式采集卡采集得到；傳感器選擇根據(jù)相應(yīng)功能需要配置；操作臺儀器控制、數(shù)據(jù)采集程序和人機界面由LabVIEW編寫；搭配保護電路，保護超導(dǎo)線圈，降低失超損失；實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、參數(shù)控制、失超保護、勻場測試等功能。系統(tǒng)滿足設(shè)計開發(fā)目的，平臺搭建穩(wěn)定可靠；功能相對完善，具體操作簡易，交互界面友好，后期修改和功能擴展靈活；經(jīng)工程實際運行測試驗證，提高了研究和工作效率，達(dá)到設(shè)計要求，有實際應(yīng)用價值。

勵磁系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；LabVIEW；動態(tài)鏈接庫；失超保護

0 引言

近幾十年來，超導(dǎo)磁體憑借其無損耗的獨特性和優(yōu)越性使超導(dǎo)技術(shù)得到快速的發(fā)展和廣泛的推廣[1]。在我國礦產(chǎn)資源漸漸匱乏的情況下，超導(dǎo)設(shè)備磁體憑借其高磁場強度、高圖像信噪比和將近95%的高能量返回率[2]等一系列優(yōu)點，超越永磁型磁體成為醫(yī)用磁共振成像磁體的主流。超導(dǎo)磁共振結(jié)構(gòu)復(fù)雜，超導(dǎo)線圈對液氦浸泡的低溫環(huán)境要求特殊。在外加電源供電勵磁的過程中，外界一系列的特殊情況會導(dǎo)致磁體線圈溫度超過超導(dǎo)臨界溫度，失超情況隨之而來。在目前工程實際中，超導(dǎo)磁體勵磁過程的穩(wěn)定性和安全性問題依然突出。因此，設(shè)計超導(dǎo)磁共振主磁體勵磁測控系統(tǒng)就有一定的實際應(yīng)用價值。針對測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實時性和超導(dǎo)磁體的復(fù)雜性，系統(tǒng)多通道監(jiān)測實時數(shù)據(jù)、保護電路控制磁體失超。

本文采用NI公司的圖形化編程語言LabVIEW作為開發(fā)平臺，設(shè)計數(shù)據(jù)采集與測量控制程序。LabVIEW軟件憑借各式各樣的圖形化功能函數(shù)、高效的編程方式、前面板和程序框圖的“雙顯示”及應(yīng)用、安裝程序等，在數(shù)據(jù)采集和儀器控制方面有其獨特的優(yōu)勢，能有效實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的分析、處理和顯示，滿足功能設(shè)計需求[3]。

DLL是動態(tài)鏈接庫文件，在Windows環(huán)境下，通過程序共享實現(xiàn)對特定函數(shù)和代碼的加載，執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。DLL的使用可以輕松實現(xiàn)程序的模塊化，彼此相互獨立；并且通過調(diào)用相關(guān)函數(shù)以便內(nèi)存的高效利用，加載速度快。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

磁共振成像系統(tǒng)是現(xiàn)代醫(yī)療的一類檢查與診斷設(shè)備，其利用氫原子核在高磁場下受射頻脈沖影響產(chǎn)生的共振現(xiàn)象形成圖像。超導(dǎo)型磁共振設(shè)備復(fù)雜度高于永磁型設(shè)備，其復(fù)雜的制冷系統(tǒng)和特殊的多層絕熱真空結(jié)構(gòu)均是永磁型不具備的，其中制冷系統(tǒng)包括冷頭、壓縮機和水冷機組三部分，用于建立并維持4.2 K超導(dǎo)環(huán)境。在實際應(yīng)用中，由于結(jié)構(gòu)限制和傳導(dǎo)漏熱等多種因素，液氦吸收熱量導(dǎo)致低溫環(huán)境破壞，會引起失超。

本文針對超導(dǎo)型磁共振設(shè)備的特殊性，以1.5 T圓筒型超導(dǎo)磁共振為例，設(shè)計與開發(fā)超導(dǎo)勵磁測控系統(tǒng)，主要包括：測量模塊、儀器控制、保護電路和操作臺等，系統(tǒng)組成如圖1所示。測量模塊部分主要由各種傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和驅(qū)動程序組成，通過相應(yīng)的采集數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測液氦容器壁待測位置溫度、磁體圓筒內(nèi)部磁場強度和液氦高度位置信息；儀器控制程序設(shè)計于LabVIEW平臺，數(shù)據(jù)流內(nèi)容由測試模塊采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過設(shè)計的公式程序計算而來，通過程序框圖和前面板實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集類型、參數(shù)的實時控制和數(shù)據(jù)波形界面顯示；失超保護部分由超導(dǎo)開關(guān)和保護電阻組成，超導(dǎo)開關(guān)在加熱系統(tǒng)工作下會產(chǎn)生電阻變化，由于超導(dǎo)開關(guān)電阻大小的變化，保護電路分別形成由外加電源和超導(dǎo)線圈組成的充磁回路、由超導(dǎo)開關(guān)和超導(dǎo)線圈組成的超導(dǎo)回路，其中超導(dǎo)線圈吸收能量保證勵磁過程穩(wěn)定，而在超導(dǎo)線圈失超情況下，保護電阻吸收能量，升溫散熱以保證超導(dǎo)線圈安全，降低損失。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

數(shù)據(jù)采集卡為泰克公司的KE2700系列，其適用于電阻、電流、電壓測量等一系列的工程實際應(yīng)用，操作人員可以在LabVIEW平臺上利用設(shè)計開發(fā)的系統(tǒng)DLL文件輕松的實現(xiàn)儀器控制與工程測量。針對非常規(guī)的多點低溫測量，利用其20通道多路復(fù)用器差分模塊和各種RTD內(nèi)置算法，輕松創(chuàng)建低溫測試系統(tǒng)，實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)實時監(jiān)視，無需中斷便可快速查看通道數(shù)據(jù)，搭配應(yīng)急保護算法，智能判斷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和正確性并可以通過LabVIEW錯誤簇迅速、精準(zhǔn)的反饋給開發(fā)和操作人員。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2.1 低溫測量

超導(dǎo)磁共振依靠獨特的制冷系統(tǒng)維持超導(dǎo)環(huán)境，其中液氦循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示，低溫測量硬件組成為：

1)分別安裝2支CernoxTM電阻傳感器于制冷機一級和二級冷頭(圖2中①和③)兩個位置。由于連接液氦容器，冷頭溫度應(yīng)接近液氦溫度4.2 K。CernoxTM最低溫度限制為100 mK，全量程溫度范圍內(nèi)靈敏度良好；4.2 K環(huán)境下的熱響應(yīng)時間僅為1.5毫秒，反應(yīng)快速；較低的磁阻抗適應(yīng)高磁場環(huán)境，測量誤差??；封裝形式穩(wěn)固，適用于該處特殊的溫度測量環(huán)境。開發(fā)人員采集電阻數(shù)據(jù)，根據(jù)對應(yīng)傳感器公式計算溫度信息。

2)分別安裝4支鉑電阻溫度計PT100于冷頭連接處、頸管連接處、50 K冷屏和孔管(圖2中②④⑤⑥)四個位置，必要時可以配上加熱設(shè)備，用以維持限定溫度。鉑電阻在標(biāo)準(zhǔn)測量范圍內(nèi)阻值的溫度曲線符合標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)變化曲線，可被用于14 K環(huán)境下，價格便宜，安裝簡單，適合此處高測量重復(fù)率的溫度測量。開發(fā)人員采集電阻數(shù)據(jù)，根據(jù)對于傳感器公式計算溫度信息。

圖2 超導(dǎo)磁體液氦循環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

3)分別安裝3支TMI-CCS碳電阻于主磁體液氦容器壁的上中下三端。液氦并不會充滿液氦容器，往往最上端的碳電阻并不會浸泡在液氦之中。碳電阻受磁場、壓力等外界因素影響小，由石墨顆粒制成，放置于磁體內(nèi)部，適用于此處液氦溫區(qū)的溫度測量。碳電阻有著較高的靈敏度，并且由于尺寸小，安裝便利，適合前期實驗測試和固定密封狀況下使用。

傳感器、溫度計、碳電阻測量連接方式為最簡單的兩線制，為消除測試引線的電壓下跌和接觸電阻等影響因素而導(dǎo)致的測量誤差，測試電路需在工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行二次校準(zhǔn)，提前測得外界影響電阻R1，因此傳感器電阻值R0為：

R0=R-R1

(1)

其中:R為2700采集卡獲取的電阻信號數(shù)據(jù)。根據(jù)測試所得電阻值計算溫度數(shù)據(jù)，其中碳電阻電阻溫度曲線參數(shù)公式為：

(2)

其中:R為碳電阻阻值，T(R)為碳電阻溫度，K1、K2、K3為碳電阻系數(shù)，以碳電阻為例，根據(jù)其M010003型號碳電阻系數(shù)文本文件標(biāo)定，其值分別為3.742、258.701和-43.425，具有負(fù)的電阻系數(shù)，且曲線光滑。

2.2 磁性測量

超導(dǎo)線圈由超導(dǎo)線經(jīng)過特殊的方式繞制而成，并通上電流產(chǎn)生磁場，一般以中心一定區(qū)域范圍內(nèi)磁場強度達(dá)到要求并誤差控制在合理范圍內(nèi)為合格標(biāo)準(zhǔn)。

安裝一只HGCA-3020低溫軸向霍爾傳感器于自主設(shè)計的測試架上，置于圓筒中心位置，并配上LakeShore425高斯計，必要時可以搭配手持式便攜高斯計。

高斯計測量量程為150 mG至250 kG，勵磁過程中，利用校零過后的探頭，采用直流測量模式，測試中心磁場。如中心磁場達(dá)到設(shè)計要求，利用霍爾傳感器測試中心具體位置場強和均勻區(qū)域。

HGCA-3020霍爾傳感器采用酚醛樹脂封裝，最低工作環(huán)境為1.5 K，4 K時磁場靈敏度變化參數(shù)僅為-0.7%；測試空間為半徑250 mm的球形面，共12條測試線，每條測試線包含22個測試點，共242個測試點；測試架傳感器固定點可以螺旋轉(zhuǎn)動，各個測試點隨著固定點的移動逐一測試；僅采用一只霍爾傳感器是為控制相對誤差，并利用測試點數(shù)據(jù)絕對信息計算磁場均勻性，一般均勻磁場不均勻度不超過10 ppm。

2.3 液氦液位監(jiān)測

安裝液氦液位監(jiān)測設(shè)備于液氦容器內(nèi)。其由超導(dǎo)線制成，利用液氦液面高低導(dǎo)致淹沒部位多少，而產(chǎn)生的電阻變化測得液氦液位信息，其有效長度為600 mm。利用四線測量連接方式測電阻，一端接電源通電流，另一端測電壓。通過轉(zhuǎn)換和計算，在操作臺界面顯示液氦液位百分比信息。

3 軟件部分

3.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

LabVIEW作為一種圖形化編程語言，其程序運行為線程模式，利用高亮執(zhí)行可以直觀查看程序運行進(jìn)度及數(shù)據(jù)的走向。通過創(chuàng)建功能子VI規(guī)范化程序框圖，并清晰化系統(tǒng)框圖為儀器控制與通信、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)顯示與儲存這3個主要的模塊。

儀器控制與通信模塊通過在程序框圖中調(diào)用動態(tài)鏈接庫文件實現(xiàn)操作臺對采集設(shè)備的控制；通過串口通信實現(xiàn)操作臺與采集設(shè)備的通信。數(shù)據(jù)采集與處理模塊通過多線程的并行程序框圖同步采集包括不同參數(shù)的多種監(jiān)測數(shù)據(jù)，放置于循環(huán)中判斷人機界面參數(shù)變化以提高程序效率；每一種測量數(shù)據(jù)創(chuàng)建了用于緩存數(shù)據(jù)的相應(yīng)隊列，利用隊列狀態(tài)機的多生產(chǎn)者-多消費者構(gòu)架(DEMO)實現(xiàn)生產(chǎn)者事件結(jié)構(gòu)讀入、消費者事件結(jié)構(gòu)讀出；根據(jù)采集到的原始數(shù)據(jù)和相應(yīng)的計算公式，設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子vi，計算出目標(biāo)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示與儲存模塊通過將Waveform Chart函數(shù)放置于循環(huán)結(jié)構(gòu)中，完成實時顯示；前面板具有人性化的交互界面，包含三端溫度顯示圖、液氦液位信息圖、冷頭溫度儀表圖、報警指示燈及一些參數(shù)控制框；利用Open/Create/Replace File.vi和Write to Text File Function.vi創(chuàng)建和寫入數(shù)據(jù)文本文件，以便操作人員查看和保存數(shù)據(jù)；系統(tǒng)通過LabVIEW平臺提供的數(shù)據(jù)庫連接工具包(Database Connectivity Toolkit)連接本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫。

3.2 數(shù)據(jù)通信

虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)(virtual instrument software architecture，VISA)是LabVIEW平臺上用于控制儀器I/O的應(yīng)用編程接口[4]，可實現(xiàn)儀器與操作臺包括COM、GPIB、USB在內(nèi)的多種接口的通信，無需詳細(xì)了解復(fù)雜的通信協(xié)議，便可在程序框圖之上輕松實現(xiàn)相應(yīng)驅(qū)動程序的設(shè)計。

本系統(tǒng)操作臺通過COM串口與滿足RS232協(xié)議的KE2700實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，調(diào)用“VISA Configure Serial Port VI”、“VISA Write Function”、“ VISA Read Function”等VISA函數(shù)庫中的子VI對接口進(jìn)行初始化配置、寫入控制指令、讀出返回數(shù)據(jù)，其中波特率9600bps、數(shù)據(jù)位8 bits 。

3.3 儀器配置與測試

在LabVIEW平臺上對KE2700進(jìn)行系統(tǒng)配置以完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。如圖3所示，測試連接方式為兩線，利用設(shè)計的子vi搭建數(shù)據(jù)采集程序框圖，通過調(diào)用“KE2700初始化”、“KE2700通道設(shè)置”、“KE2700測量配置”、“KE2700觸發(fā)啟動”、“KE2700啟動”、“KE2700多點讀取”及一些串口函數(shù)，選擇數(shù)據(jù)通道為212、213、214三個，選擇測量功能為2-Wire Resistance，選擇數(shù)據(jù)最大范圍為10000，選擇觸發(fā)源為Immediate，選擇觸發(fā)個數(shù)和采樣個數(shù)分別為1和3，控制KE2700儀器參數(shù)及采集方式以滿足設(shè)計要求，并置KE2700 Read Multi-Point.vi于循環(huán)結(jié)構(gòu)之中，設(shè)置采樣循環(huán)時間，不斷讀取串口傳來的采集數(shù)據(jù)， 最后保存至文本文件，完成測試任務(wù)。

圖3 KE2700初始化配置簡要示意圖

3.4 動態(tài)鏈接庫

配置LabVIEW平臺的Call LibraryFunc-tion節(jié)點以完成對開發(fā)的DLL庫函數(shù)的調(diào)用，通過“Configure…”打開配置屬性對話框，選擇鏈接庫位置路徑及文件名、鏈接庫功能函數(shù)、功能函數(shù)輸入輸出數(shù)據(jù)變量名及類型等。

如圖4所示為KE2700系列采集卡初始化函數(shù)內(nèi)部程序框圖，利用配置節(jié)點完成創(chuàng)建函數(shù)圖形化輸入輸出類型及相關(guān)操作，并在保證程序安全的情況下，選擇以滿足多線程的“run in any Thread”方式調(diào)用鏈接庫函數(shù)“KE2700 InitWithOptions”。

圖4 KE2700初始化函數(shù)內(nèi)部程序框圖

4 失超保護

磁體失超即線圈由超導(dǎo)體變成常導(dǎo)體，往往伴隨著環(huán)境溫度變化，并對超導(dǎo)線圈產(chǎn)生一定程度的破壞。因此，系統(tǒng)通過采集的實時溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，并建立失超保護機制，降低失超可能性和損失成本。失超保護系統(tǒng)組成框圖和電路簡要示意圖如圖5～6所示。

圖5 失超保護系統(tǒng)組成框圖

圖6 失超保護電路簡要示意圖

主線圈、超導(dǎo)開關(guān)和保護電阻以并聯(lián)的連接方式置于液氦容器內(nèi)。超導(dǎo)開關(guān)由超導(dǎo)線制作而成，加熱系統(tǒng)工作，超導(dǎo)開關(guān)電阻上升，形成主線圈和外接電源的充磁循環(huán)回路，階段性提升電流用于步驟充磁；加熱系統(tǒng)停止工作，超導(dǎo)開關(guān)超導(dǎo)，拔掉外接電源，形成主線圈和超導(dǎo)開關(guān)的無電阻循環(huán)回路。主線圈配加熱系統(tǒng)同樣用于改變其電阻保護超導(dǎo)線圈。系統(tǒng)失超時，儲存在無電阻循環(huán)回路中的能量由保護電阻發(fā)熱釋放，導(dǎo)致溫度升高，同時液氦揮發(fā)，帶走熱量，保護超導(dǎo)線圈。

5 測試結(jié)果與分析

本系統(tǒng)在工程實際中經(jīng)過72小時的連續(xù)測試，數(shù)據(jù)采集間隔為1秒，串口通道選擇為COM1，標(biāo)定文本文件根據(jù)磁體和傳感器手動選取。系統(tǒng)測試顯示界面如圖7所示，三端溫度和冷屏等處溫度實現(xiàn)實時顯示，且波形顯示良好，若溫度超過預(yù)定范圍，報警指示燈提示；液氦容器液位信息顯示準(zhǔn)確；失超保護電路正常配備，失超保護指示燈未提示，失超保護未啟動；采集數(shù)據(jù)后臺以文本文件保存至本地，以備數(shù)據(jù)查詢和分析。

圖7 測試實現(xiàn)顯示界面

測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)滿足勵磁過程的測控要求。三端溫度均浮動于4.2 K上下，擺動范圍合理，且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。勵磁穩(wěn)定后，通過鐵片補償，測試架范圍內(nèi)磁場達(dá)到設(shè)計要求場強，并且均勻穩(wěn)定。因此，本文系統(tǒng)不僅僅滿足勵磁測控要求，在勻場測試和磁共振工作狀態(tài)下依然適用并且有效。

6 結(jié)語

本文設(shè)計基于LabVIEW平臺的超導(dǎo)磁共振主磁體勵磁測控系統(tǒng)，采用隊列狀態(tài)機的多生產(chǎn)者-多消費者構(gòu)架(DEMO)，調(diào)用動態(tài)鏈接數(shù)據(jù)庫(DLL)文件控制KE2700完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，保證了勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和安全性。該系統(tǒng)多線程和模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計易于后期修改和功能擴展，全面并且準(zhǔn)確的傳感器和測試點選擇為越來越多的超高場磁共振設(shè)備的勵磁過程提供了測控系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)和參考。

[1] 金建勛, 等. 高溫超導(dǎo)體及其強電應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

[2] 楊志達(dá), 韓偉實, 周 杰. 基于LabVIEW的超導(dǎo)磁體數(shù)采與測控系統(tǒng)研究[J]. 超導(dǎo)技術(shù), 2007,35(6):3512-514,519.

[3] 侯國屏, 王 坤, 葉齊鑫. LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：1-4.

[4] 蔣 薇, 張曉波, 等. 基于LabVIEW的儀器通信技術(shù)研究[J]. 計算機測量與控制，2013,21(4):1030-1032.

Design and Development of a Magnetic Field Ramping Control and Measurement System for Superconducting MRI

Yu Xiangquan, Zhu Jianming

(Department of Biomedical Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

AC loss and conduction heat leakage are the main cause of magnetic quench during magnetic field ramping for superconducting MRI systems. In order to maintain the stability and safety of field ramping process, it is important to have a well-designed field ramping control and measurement system. In this study, a field ramping control and measurement system was designed and developed using the LabVIEW platform. System data were acquired through using dynamic linked library, DLL-controlled Tektronix KE2700 system. The selection of transducers was based on required system functionality and specification. System control platform, data acquisition program and user interface (UI) was developed on workstation using LabVIEW with easy modification of acquisition parameters through UI. Quench protection resistance can protect the superconducting coil from loss of energy, and loss of superconductivity. System met the design requirement, and the established platform was stable and reliable, with relatively complete functionality. System is easy to operate, with user-friendly interface, and easy for future expansion and debugging. After detailed engineering test and practice, it was shown that the system design and application requirement can be met, and system design goals were achieved. With its improved efficiency, this study has great value in actual application for superconducting magnets.

magnet field ramping system; data acquisition; LabVIEW; DLL-dynamic linked library; superconducting loss protection

2016-11-21；

2017-01-05。

余相泉(1994-)，男，浙江省衢州市人，碩士研究生，主要從事磁共振系統(tǒng)測試、圖像重建方向的研究。

朱建明(1963-)，男，教授，碩士，博士研究生導(dǎo)師，主要從事磁共振系統(tǒng)及醫(yī)學(xué)物理方向的研究。

1671-4598(2017)05-0007-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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