Приборы и техника эксперимента, 2019, № 4, стр. 150-152

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ КАРТЫ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

А. Р. Фахрутдинов, Я. В. Фаттахов, В. А. Шагалов, Р. Ш. Хабипов, А. А. Баязитов

Поступила в редакцию 06.07.2018
После доработки 30.11.2018
Принята к публикации 30.12.2018

Полный текст (PDF)

Для целей магнитно-резонансной томографии крайне важна информация о пространственном распределении магнитного поля в рабочей области томографа. Предлагаемый нами способ измерения карты поля настраиваемой магнитной системы заключается в измерении частоты биений сигнала ядерного магнитного резонанса (я.м.р.) от сенсоров, жестко зафиксированных в рабочей области магнитной системы и последовательно подключаемых к приемно-передающему тракту томографа.

Для автоматизации процесса настройки однородности магнитного поля был разработан автоматизированный комплекс для измерения объемной карты магнитного поля (рис. 1).

Рис. 1.

Блок-схема комплекса для измерения объемной карты магнитного поля.

Комплекс состоит из специального датчика, описанного в [1], блока электроники, состоящего из платы управления и платы мультиплексоров, а также из штатных блоков магнитно-резонансного томографа (м.р.т.): компьютера и радиоспектрометра, ранее описанного в работе [2]. Устройство согласования пропускает радиочастотный импульс из передающего тракта м.р.т. на плату мультиплексоров. Далее этот импульс возбуждает спиновую систему в резонансном веществе выбранного сенсора, и затем сигнал я.м.р. от этого сенсора направляется в приемный тракт м.р.т. для регистрации частоты сигнала, а значит, величины поля в данной точке пространства.

Датчик содержит 83 измерительных сенсора, расположенных специальным образом и настроенных на рабочую частоту 17.5 МГц. При этом семейство из 76 сенсоров равномерно распределено на поверхности сферы ∅150 мм и еще 7 сенсоров расположены вдоль оси Z магнитного поля, в том числе один сенсор располагается в центре сферы. Конструктивно все сенсоры располагаются на семи плоскостях (рис. 2).

Рис. 2.

Внешний вид датчика для измерения объемной карты магнитного поля.

Для переключения сенсоров была разработана плата мультиплексоров. В основу этой платы положены 8-канальные мультиплексоры ADG728 [3], управляемые по I2C-интерфейсу. Выбор нужного сенсора на плате мультиплексоров осуществляется с помощью платы управления на базе микроконтроллерной платы STM32F100 [4], подключенной к компьютеру при помощи преобразователя USB/RS-232, выполненного на микросхеме FT232RL [5].

Для управления комплексом разработано специализированное программное обеспечение (с.п.о.), позволяющее управлять по I2C-интерфейсу переключением сенсоров, обеспечивать связь комплекса с рабочей станцией томографа, отображать на жидкокристалличеком (ж.к.) дисплее информацию о подключенном сенсоре. С.п.о. реализуется как прошивка для микроконтроллера STM32F100. Исходный текст программы на языке С разработан в среде IDEµVision V5.24.2.0.

Кроме того, специально для этого комплекса был разработан программный модуль, осуществляющий измерение пространственной карты поля. Программный модуль написан на языке высокого уровня С++ в среде Visual Studio и выполняется под операционной системой MS Windows. Модуль является частью программного комплекса для работы с м.р.т. При работе программного модуля оператору доступны следующие режимы: “Частота”, “Ось”, “Карта”. В этих режимах сенсоры датчика могут выбираться либо произвольно оператором (“Частота”), либо по заранее определенному алгоритму (“Ось”, “Карта”).

Программные средства томографа позволяют определить частоту отстройки сигнала спада свободной индукции и при необходимости записать это значение в соответствующий файл.

В режиме “Карта” программный модуль работает подобно режиму “Ось”, но с тем отличием, что через каждые десять сенсоров происходит переключение на сенсор “0” для того, чтобы измерить и скомпенсировать возможный дрейф поля за время измерений.

Разработанный аппаратно-программный комплекс позволяет измерять величину магнитного поля в магнитной системе томографа с зазором от 200 мм и с напряженностью магнитного поля порядка 0.4 Тл. По результатам измерений вычисляется относительная неоднородность магнитного поля.

В отличие от традиционного способа измерения магнитного поля с помощью одного сенсора, который позиционируется в пространстве по заданным координатам, данный способ обладает тем преимуществом, что время, затрачиваемое на один цикл измерений, существенно меньше (в 5–6 раз) и практически полностью исключен “человеческий” фактор, т.е. меньше вероятность ошибочных измерений.

Аппаратно-программный комплекс был апробирован при измерении карты поля магнитной системы м.р.т. с индукцией магнитного поля 0.4 Тл, разработанного в нашей лаборатории.

Данный комплекс может быть использован не только для задач магнитно-резонансной томографии, но и в тех случаях, когда требуется получить магнитное поле необходимой конфигурации с высокой точностью.

Список литературы

  1. Крылатых Н.А., Фахрутдинов А.Р., Галеев Р.Т., Фаттахов Я.В. // ПТЭ. 2018. № 5. С. doi 118. https://doi.org/10.1134 /S0032816218050099

  2. Шагалов В.А., Фахрутдинов А.Р., Фаттахов Я.В. // ПТЭ. 2017. № 6. С. 132. https://doi.org/doi 10.7868/ S0032816217060118

  3. Analog Devices. Data Sheets. http://www.analog. com/media/en/technical-documentation/data-sheets /ADG728_729.pdf

  4. STMicroelectronics. Data Sheets. http://www.st.com/ content/ccc/resource/technical/document/datasheet/ 03/b4/b2/36/4c/72/49/29/DM00071990.pdf/files/DM00071990.pdf/jcr:content/translations/en.DM00071990.pdf

  5. Future Technology Devices International Ltd. Data Sheets. https://www.sparkfun.com/datasheets/IC/ FT232R_v104.pdf

Дополнительные материалы отсутствуют.