（影像医学与核医学专业论文）新型医用mri磁场测试仪的研制.pdf

新型医用m r i 磁场测试仪的研制 研究生：徐雷 专业：影像医学与核医学 导师：刘林祥教授 王为民教授 摘要 目的磁场测试仪是测量空闻磁感应强度的计量仪表，在电子、机械、医疗、通 讯等领域应用广泛。本课题基于磁共振法测量磁场的原理，设计制作新型磁共振测试 仪，可以快速有效的测量空问磁感应强度，以满足医疗用m r j 磁体制造中对磁场测 试的高精度、高速度、高稳定度的要求。 材料与方法依据磁共振法测量磁场的原理，提出了新型磁共振测试仪的设计方 案，硬件部分的设计包括磁共振测试仪探头、前置放大器、功率放大器和主控电路的 设计，磁共振测试仪软件的设计包括软件的界面、采用的脉冲序列、关键算法的实现、 运行流程以及遇到的一些问题等。 结果实验表明，本研究设计的磁共振测试仪探头、前置放大器、功率放大器和 主控电路，完全满足了采集磁共振信号的硬件要求。采用v i s u a le 抖6 0 进行编程， 编制了相应的软件，用户界面友好，操作简便，并有必要的数据处理功能。软硬件相 结合实现了磁场的被动匀场中测量兴趣区的磁感应强度值，还能实时显示出当前的磁 共振信号波形，而且所测量的数据与目前应用较广泛、技术较成熟的磁场测试仪器的 测试结果对比，测量误差在允许范围内，测量速度快，测试精度高。 结论本研究将现代脉冲磁共振技术与电子、信号处理技术有机结合，设计实现 了新型磁场测试仪器。实际应用表明，该仪器与采用其它磁场测试原理的仪器相比， 具有测量数据精度高、测试速度快、成本低、测试数据稳定、可在均匀度较差磁场中 测试等特点，可以满足医用m r i 磁体生产的需要，具有广阔的应用前景。 关键词脉冲磁共振；磁感应强度：匀场；磁共振探头：前置放大器；功率放大 器： i i d e s i g no fn o v e i g a u s sm e t e rf o rm e d i c a lm r i g r a d u a t es t u d e u t ：x ul e i s p e c i a l t y ：i m a g i n gm e d i c i n ea n dn u c l e a rm e d i c i n e t u t o r s ：l i ul i n x i a n gp r o f e s s o r w a n gw e i m i np r o f e s s o r a b s t r a c t o b j e c t i v e g a u s sm e t e ri st h ea p p a r a t u sf o rm e a s u r i n gm a g n e t i cf l u xd e n s i t y i th a s b e e nu s e d w i l l y i n m a n yf i e l d s ，s u c h a se l e c t r o n i c s ，m e c h a n i c s ，m e d i c a la n d c o m m u n i c a t i o n i nt h eb e g i n n i n g ，t h ep r i n c i p l eo fm e a s u r i n gm a g n e t i cf l u xd e n s i t yb y p u l s e dm a g n e t i cr e s o n a n c em e t h o dh a db e e ne x p a t i a t e d b a s e do nf i l ep r i n c i p l e ，an e w m o d e lg a u s sm e t e rh a sb e e nd e s i g n e da n dr e a l i z e dw h i c hi sa b l et og e tt h em a g n e t i cf l u x d e n s i t yv a l u ee f f i c i e n t l y t h ev e r a c i t y , r a p i d i t ya n ds t a b i l i t yf o rm e a s u r e m e n tc a nw e l l s a t i s f i e st h em a n u f a c t u r a lr e q u i r e m e n to fp e r m a n e n tm a g n e ti nm e d i c a lm r j m a t e r i a l sa n dm e t h o d sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm e a s u r i n gm a g n e t i cf l u xd e n s i t y b yp u l s e dm a g n e t i cr e s o n a n c em e t h o d ，t h ep r o j e c to fn o v e lp u l s e dm a g n e t i cr e s o n a n c ei s b r o u g h tf o r w a r d a n dt h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o no fi t sh a r d w a r ei sg i v e n ，i n c l u d i n gm a g n e t i c r e s o n a n c ep r o b e ，p r e a m p l i f i e r , p o w e ra m p l i f i e ra n dm a i nc o n t r o lc i r c u i t ，t h e ns o f t w a r e r e a l i z a t i o ni sg i v e n t h ei n t e r f a c eo fs o f t w a r e ，a d o p t e dp u l s es e q u e n c e ，k e ya r i t h m e t i c ，r u n p r o c e s sa n ds e v e r a lp r o b l e m sa l ed i s c u s s e d r e s u l t sa se x p e r i m e n t sh a sp r o v e d ，t h ed e s i g no fm a g n e t i cr e s o n a n c ep r o b e ， p r e a m p l i f i e r ，p o w e ra m p l i f i e ra n dm a i n c o n t r o lc i r c u i te n t i r e l ym e e tr e q u i r e m e n to f a c q u i r i n gn u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c es i g n a l s o f t w a r ei sd e v e l o p e db yu s i n gv i s u a lc + + 6 0w i t hf r i e n d l yi n t e r f a c ea n do p e r a t i n gc o n v e n i e n t l y w i mt h eh e l po fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，m e a s u r i n gf i e l ds t r e n g t hi nt h er e g i o no fi n t e r e s t e df o rp a s s i v ef i e l ds h i m m i n g a n dd i a l l i n gt h es i g n a lw a v e f o m ao fn u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c ei sa t t a i n e d a n dt h e d a t am e a s u r e da c c o r dw i t hr e c o g n i z e dd a t af r o mg a u s sm e t e rw i t hm a t u r et e c h n o l o g ya n d w i d e l ya p p l i e sa tp r e s e n ti nt h ep e r m i s s i o ns c o p eo f t h em e a s u r i n ge r r o r n e wm o d e lg a u s s m e t e rh a sq n i c ks p e e da n dh i g hp r e c i s i o n i i l c o n c l u s i o nt h i sr e s e a r c hh a sc o m b i n e dm o d e r np u l s em a g n e t i cr e s o n a n c e t e c h n o l o g yw i t he l e c t r o n i ca n dt h es i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt or e a l i z ean e wm a g n e t i c f i e l dm e a s u r i n gi n s t r u m e n t t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nh a sp r o v e dt h a tt h i si n s t r u m e n t ，i n c o n t r a s tw i t ho t h e ri n s t r u m e n t su s i n gd i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l dt e s tp r i n c i p l e s ，h a sh i g h p r e c i s i o n ，q u i c ks p e e d ，l o wc o s ta n dt h et e s td a t ai sa l s os t a b l e t h ei n s t r u m e n tm a y u s ei n c i r c u m s t a n c ew i t hp o o rh o m o g e n e i t y i tf u l l ys a t i s f i e sm e d i c a lm r if i e l d t h en e wm o d e l g a u s sm e t e rh a st h ev e r yb i ga p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d sp u l s e dm a g n e t i cr e s o n a n c e ；m a g n e t i cf l u xd e n s i t y ；f i e l ds h i m m i n g ； m a g n e t i cr e s o n a n c ep r o b e ；p r e a m p l i f i e r ；p o w e ra m p l i f i e r 符号说明 m 砌 m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g磁共振成像 c t c o m p u t e rt o m o g r a p h y计算机体层摄影 p p m p a n sp e rm i l l i o n百万分之几 t t e s l a特斯拉 c p m g c a r t - p u r c e l l m e i b o o m - g i l l多回波自旋回波序列 s e s p i ne c h o 自旋回波 舳 a n a l o g d i g i t a l模拟量转化为数字量 h z h e r t z赫兹 qo h m欧姆 uv微伏 c o m p l e m e n t a r y 互补型金属氧化物半导 c m o s m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r体 t t lt r a n s i s t o r - t r a n s i s t o rl o g i c晶体管一晶体管逻辑 d d sd i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s直接数字合成 m s p sm i l l i o ns a m p l e sp e rs e c o n d每秒百万个采样点 d s vd i a m e t e ro fs p h e r i c a lv o h t m e球形空间体积直径 t et i m eo f e c h o凰波时涮 t rt i m eo f r e p e t i t i o n重复时间 p f tp u l s e df o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n脉冲傅立叶变换 n m r n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e核磁共振 f i df r e ei n d u c t i o nd e c a y自由信号衰减 n q r n u c l e a rq u a d r u p o l er e s o n a n c e核四极共振 v 日u 舌 m r t 是根据生物体磁性核在磁场中所表现出来的共振特性进行成像的高新技术。 据此，人们以不同的射频脉冲序列对生物组织进行激励，并用线圈技术检测其弛豫或 质子密度信息，就出现了m r i 。与x 射线、c t 相比，磁共振成像具有分辨率高、成像 参数多、可任意层面断层、对人体无电离辐射损伤等优点。它不仪能提供人体的解剖 图像，还可反映人体组织的生理生化信息。近2 0 年来，随着超导技术、磁体技术、 低温技术、电子技术和计算机科学等相关技术的进步，磁共振成像技术及磁共振成像 设备均得到了飞速发展，m r i 系统现已广泛应用于临床。 磁体作为磁共振成像系统的关键部分，其性能直接关系到系统的信噪比，在一定 程度上决定着磁共振图像的质量。正因为如此，几乎所有的厂商都致力于追求高质量 的磁体。而磁体均匀性是磁体质量的最重要的指标之一。 所谓均匀性( h o m o g e n e i t y ) ，是指在特定容积限度内磁场的同一性，即穿过单位 面积的磁力线是否相同。这里的特定容积通常取一球形空间。磁体的均匀性必须满足 一定的条件，才有可能成像出清晰的磁共振图像。这是因为m r i 的磁体在其工作孔径 内产生匀强磁场，即主磁场且。为了对扫描病人进行空间定位，在鼠之外还需施加 梯度磁场a b 。单个体素上的占必须大于其磁场偏差，否则的话，将会扭曲定位信 号，降低成像质量。磁场偏差越大，表示均匀性越差，图像质量也会降低。在m r i 成像系统中，均匀性是以主磁场的l o 。6 作为一个偏差单位定量表示的，习惯上又将这 样的偏差称为p p m 。显然，在不同场强的m r i 系统中，每个偏差单位或p p m 所代表的 磁感应强度是不一样的。均匀性标准的规定还与所取测量空间的大小有关。一般对磁 体均匀性测量，都是选取在一定半径的球形空间里进行。但无论对于哪种标准，在所 取测量球大小相同的前提下，p p m 值越小表明磁场均匀性越好。值得注意的是，磁场 均匀性并不是固定不变的。即使一个磁体在出厂前己达到了某一标准，安装后由于磁 ( 自) 屏蔽、房间和支持物中钢结构、楼上楼下的移动设备等环境因素的影响，它的 均匀性也会改变。因此，均匀性能否达到，应以最后验收时的测量结果为标准。厂方 在现场进行的匀场是提高磁场均匀性的重要步骤。 测量磁场均匀性的关键就是在一定的球形空间内精确测量出感兴趣点的磁感应 强度值。而选用一定的行之有效的测量磁感应强度的设备，是进行磁场均匀性研究和 分析的必不可少的条件之一。 1 磁场测试仪是测量空间磁感应强度的计量仪表，通常也叫做高斯计( g a u s s m e t e r ) ，又叫特斯拉汁( t e s l a m e t e r ) ，在电子、机械、自动化、通讯等领域应用非常 广泛。然而由于各个行业上对测量磁感应强度的具体要求如精确度或准确度有所不同 现今市场上也就针对不同空间环境的应用需求出现了各式各样的高斯计产品，如各种 便携式、手持式高斯汁、数字式高斯计和三轴式高斯计等，当然它们所测量的磁场范 围也从几高斯到上万高斯不等。在m r i 应用领域中高斯计更是必不可少的仪器，如可 以通过高斯计精确获得磁场某处的磁感应强度值，进而获得某一区域的磁场分布，这 对于手工或被动匀场是很有稗益的。 本课题的研究目的是探索一种新的测量磁感应强度的方法，并为北京万东医疗装 备股份有限公司_ o p e n0 3 6 t 医用磁共振成像系统设计新型的磁场测量设备。目前， 北京万东医疗装备股份有限公司所用的磁共振高斯计是国外迸l j 的p t 2 0 2 5 a 型高斯 计。其价格昂贵，无法满足日益增长的需求，急需开发出与fo p e n 0 3 6 t 磁共振成像 系统配套使用的专用磁高斯计。为此，本课题研制一种适合医用磁共振成像磁体被动 匀场的新型磁共振高斯计。 2 材料与方法 、硬件设计 磁共振高斯计硬件部分主要包括磁共振探头、前置放大电路、输出功率放大以及 主控电路。整个磁共振高斯计系统工作流程如图l 所示： p c 机发出命令至主控电路，由主控电路，虹生一定频率的射频脉冲，然后经过功 率放火级，输出一定功率的射频波进入探头，探头完成从发射信号到样品的调制，并 将采集到的样品在弛豫中发出的微弱磁共振信号( 由于本例中采用的序列是c p m g 序 列，所以采集得到的是自旋回波信号) 即s e 信号送入前置放大器进行放大，然后再 由主控电路进行信号的解调、a d 转换等。系统设计了串口输出，可以通过专用软件 与p c 机通讯。后续的数据处理就是通过p c 机来完成的。 图1 新型磁共振高斯计硬件框图 ( ) 探头设计 探头是数据采集元件，是仪器的关键部件，其性能基本上决定了仪器所能达到的 测试精度。本研究自主研发的探头电路如图2 。 本研究中采用的是发射线圈与接收线圈共用的方式，也就是单线圈方式。其中， 产生磁共振信号的样品是包绕于图2 中的螺线管线圈( 电感) 中的。 聋义。校管 a 4 网缚 发射翡 一“? 7 。一 一6 i 产1 接释端 主 午辛囊咒 一二极 !毒管 图2 探头网络原理图 1 探头特殊要求 磁共振高斯计与一般的磁共振探头不同，它要在某一范围内测量许多点，如果 有效探头范围( 即被线圈所包绕的样品范围) 过大，势必会影响测量点的值的准确性。 因此，样品的容积要足够小。而且测量磁场时，要尽量使测量部件不改变原有的磁场 分布，所以制作整个探头所用的材料以及图2 中所有元器件要尽量不含磁性。 2 探头中的样品 ( 1 ) 样品的选择：经过实验证明，磁共振高斯计探头中的样品选择也不是任意 的，必须满足一定的条件，否则最后由仪器所搜索出的频率值会在两个或多个值之间 来回跳动。由于磁共振要求将从时域得到的数据变换到频域，以此来与频率联系起来， 也就是得到它的频谱。而谱就存在分辨力的问题，分辨力就是对离得很近的两条谱线 的分辨能力。对于共振频率为v ，和v ，的两条谱线，从实验上能将它们分辨清楚的一般 可表示为l v l 一v ：l 6 v ，j v 为半线宽。从理论上分析，这三个参数主要由物质本身的 1 性质决定。由物质本身的弛豫决定的半线宽8 v = ，称为自然线宽。显然如果样品 刀2 的正值越大，相应的分辨力就越高。但暑值小时，对测量衰减快( 例如磁场极不均 匀时) 的信号有利。在这里，选择正值基于这样个原则：假定要求所测量的值绝对 1 精度是m 个1 9 p m ，磁场的频率为f m h z ，则必须满足占v = 。比如，测量精度为5 个p p m ，磁场频率为1 5 2 2 m t t z 则疋 5 m s 。当然， 刀j m 4 对于样品来说，z 值的选择也不可忽视，巧值如果太大，每次等待磁化矢量恢复的时 间会很长，这是不能忍受的；如果太小，乃势必会更小，又不满足分辨力的限制。所 以，所配的样品的z 值的范围在5 0 l o o m s 之间，e 值的范围在2 0 5 0 m s 之问。 ( 2 ) 样品的配制：本研究中所采用的样品为纯水( 以纯净水代替) 。为了保证其 z 值在规定的范围之内，需要在水中加入适量的 t n c l ：。其中m n c l ：为核弛豫试剂， 用来改变核弛豫时间的。注意控制m n c l ：的用量，反复调整，直至样品的、r l 值在 规定的范围之内。 3 工作原理 探头有两种工作模式：一是发射模式，二是接收模式。 图3 所示为发射模式下探头电路示意图：在发射模式下，发射端向探头天线网络 发射大功率射频信号，探头天线网络发生谐振，从而引起样品谐振吸收。对于大功率 射频信号来说，串联交叉二极管相当于短路，并联交叉二极管也相当于短路，经 4 网络变换后，探头天线网络向右看的输入电阻为无限大，即相当于开路。所以从发射 端过来的能量几乎全都储存在探头天线网络中。 发射模式下电路 图3 发射模式下的探头电路示意图 图4 所示为接收模式下探头电路示意图：在接收模式下，样品受激发后开始弛豫 发出s e 自旋回波信号，该信号带有样品对载波调制的信息，但是信号非常弱，所以 此时串联交叉二极管断开，对发射端开路，信号就不会流失到发射端。前置放大器的 并联交叉二极管对小信号起开路作用，而且这还可以防1 上发射端的大噪声信号干扰来 损害前置放大器。此时谐振电路的阻抗，通过九4 网络变换后，与前置放大器相匹 配。这个匹配很重要，因为放大器产生的噪声可以通过匹配阻抗来降到最小。 图4 接收模式下的探头电路示意图 4 探头的制作与调试 本课题制作的探头的工作频率为j5 2 2 m t i z ，如果要制作工作于其他频率下的探 头，可依照本法稍加改动，调节到所需的工作频率即可。 ( 1 ) 探头天线网络的制作( 圈5 ) 孽幂芒峰三鼍娥 图5 天线网络示意图 皆 电感的制作：由于频率对应于1 5 2 2 m h z ，磁体主磁场应在0 3 6 t 左右，因此，按 照一定的尺寸要求在特别设计的空心圆柱体有机玻璃上绕置线圈。绕制电感的线采用 直径0 2 0 r a m 的漆包线。 匹配和调谐电容的确定：假如电感的值l 和内阻r 已知( 可以用l c r 测试仪或网 络分析仪测定) ，可以通过网络阻抗变换“1 来求出调谐与匹配的电容值( 如图6 ) 。而 电容基本上不损耗能量，内阻基本可以看作是零。 t d 厂1 一 *r _ 燃一f 下* 厂丁r 卜r _ 擀4 、地 尹上一一二，争；4 半。o l ， t 一| | l 一 笋 0l0 _ _ li 图6网络阻抗变换确定电容 由于l 已知，所以x l = 2 f l 。 l r 串联转变到并联由以下公式： 印= 月( 1 + 0 1 2 ) ( 1 ) 其中： 0 1 ：丝：塑( 2 ) 一 r x p 所以 却= 等竽 ( 3 ) 接下来将x l p 与x c 2 并联成x l p x c 2 ，此电抗应该呈现感性，而后与x c l 匹配出5 0 0 h m 的输出电阻( 因为此时反射最小) ，这就要将r p 与x l p x c 2 并联电路转换到串联模 式。 因此 q 2 _ 薪麓= 面x c l r p s = 5 0 q 由并联到串联则：r p s 0 + q 2 2 1 = r p 趔= 簪 目此州4 ) 知删= 枷愿。1 x l p 。 驯翮2 击刺翮。 、肋3 ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) 由( 7 ) 和( 8 ) 知c 1 1 冽螂s 爵 c 2 由于固定电容值可能没有合适的，所以实际中要用可调电容。在实际当中，理论 上计算出的电容值往往是不太准的。因为在理论上计算时忽略了盖上探头盖时整个网 络阻抗的变化、节点电阻的影响和微带线上的电感电容等，尤其对于高频情况f ，基 尔霍夫定律就不再生效，因此还要用网络分析仪进行校正。 ( 2 ) 天线网络的调试：将探头网络连接好，用a g jl e n t 网络分析仪( 4 3 9 5 a ) 来 进行调试。实验中，不断调整匹配与调谐电容的值，使其共振频率正好调节在所设计 的频率上，本法中将其调到1 5 2 2 m h z 。一个经验标准是把反射调节在一2 4 d b 以下，阻 抗调节在5 0 q 附近。如图7 、8 所示。 sd 日，r e f 一1 5d b一3 3 2a b 2 2 h z ；? | f 】i 图7 在共振频率下的反射特性曲线 ( 3 ) 4 网络的制作13 ( 图9 ) 4 的特性：它具有z + z l = z ；的特性。其中，z f 是输入阻抗，乙是负载阻 抗，z o 为特性阻抗。特性阻抗在这里是5 0q 。 4 是个窄带器件，只有特定频率的 寿紊 一 砌 一砌 ， 刀 2 盯淋 旺 蹦旺 非 阱 播 常 信号才能通过，其它频率信号被衰减。 图8 在共振频率下的阻抗s m i t h 圆 【d i s k 图9入4 网络示意图 4 中电感与电容的计算：九4 是一对称网络，可以按图1 0 所示来计算。 l 图1 0入4 网络计算示意 由图可以得出以f 关系式： e l ：，i 上一，2 三一 ( 9 ) 0 = 一t l 二+ ，2 ( 2 二_ 一+ m e ) 一，3 二 ( 1 0 ) c l、o a c l c 17 ) c 1 0 ：一1 2 三一+ 3 f 一+ z 1 ( 1 1 ) 求解得： 乃=旦=兰lg二竺：!墨z二竺：!墨垒二竺：竺!墨i+i0-2c1lxayl+o)clzz(2-c。2cil) i i “一国2 c 1 l ) 2 一2 c 1 2 z2 ( 2 一珊2 c 1 上) 2 一“一2 c 1 l ) 2 一2 c 12 z2 ( 2 一曲2 c i l ) 2 谐振时虚部为零，则2 c 1 上= 1 。将其代入实部得：z i z = 乙再矗 又 z - z = 露 因此石昔= z o 即c 1 = 壶2 丽1 f 为谐振频率。 如果c 1 求得， 则三= 石 丌= i 高 在1 5 2 2 m h z 下，经计算得c i = 2 0 9 p fl = o 5 2 脚 注意：理论上的计算与实际是有一定差距的，因为忽略了电感的内阻，把电感与电容 看成理想元件。实际中为了调试的需要，电感做成可调的( 虽然范围小) ，电容为固 定与可调电容配合起来用。 ( 4 ) 4 网络的调试 用a g i l e n t 公司的网络分析仪( 4 3 9 5 a ) 进行调试，具体步骤如下： 1 ) 连接好线路，将4 3 9 5 a 置于阻抗模式下，双通道显示，c h a n l 显示m e g ，c h a n 2 显示p h a s e ： 2 ) 将f r o ma n t e n n a ( 或t op r e a m p ) 一端接s h o r t ，通过改变固定电容，和( 或) 调节可调电容，将共振蜂调到所需的频率上，此时阻抗大约在几k 量级上( 近似开路) ， 相位大约接近于零( 图1 1 ) ； 3 ) 将f r o ma n t e n n a ( 或t op r e a m p ) 一端接5 0q ，调节可调电感，使阻抗在5 0 q ( 尽量接近) ，相位接近于零( 图1 2 ) 。如果调了电感，频率己变，须重复步骤2 。 如果怎么调，都达不到5 0 q ，那说明电感值不是小就是大了，要重新绕制电感； 4 ) 将f r o ma n t e n n a ( 或t op r e a m p ) 端开路，看阻抗是否接近于零( 近似短路) ( 图13 ) ： 5 ) 然后，换 4 的另外一端重复步骤1 、2 、3 。 ( 5 ) 探头的整体调试 将分别调好的探头天线与 4 按照原理图连接在一起，用网络分析仪对整个探 头进行调试。调试时要将样品置于线圈中，因为这更接近于实际情况。虽然各单个部 分频率都已调准，但整体调试时，频率有可能偏移，这时只需微调匹配和( 或) 调谐 电容就可以了( 见图1 4 1 6 ) 。 c h lz i 5 0 0n r e f1k g 2 1 0 2 6k q ：。 t i ： ： c p i i ，一： ，： 一 ： c h 2 日z3 6 r e f0 2 1 3 1i t 。 ： ： 1 5 ，i z 鼻h l ： ： c p l ：、量 ， 图1 1 一端短路时的阻抗及相位 s a r e f1k g q b 9 5 3 日 1 5 2 2m h z c p j 3 6 r e f 目- 一3 6 7 3 7 。 l5 2 2m h z c p 【 吕 图12 一端接5 0 q 时的阻抗及相位 1 1 l e t t e r 6 p a c e e r a s e 盯晴 让 卟旺 虻旺 群 m 娜 讲 掰 m s 5 0 0o r e f1k ni q b 7n 红i ： o 可 3 6 。r e f 口e一目3 8 2 7 o k c 日i l 图13 一端接开路时的阻抗及相位 1 bd e r e f 一3 8d b一3 5 3 9 8d b 1 5 2 2m h z |!： 7 | j 图1 4 探头的反射特性曲线 l e t t e r s p r c e 5 p r c e e r r s e t i t l e s t o rd e v d i s k 盯职 旺 叫旺 ； i 旺 群 咖 挪 哪 图l5 探头的阻抗s m i t h 圆 c h l s 2 li o 目h a gld b r e f 一3 日d b一3 4 1 5 2d b 。k i 0 蔑 7 0 ， 7 图16 探头的传输特性曲线 d i s k 】 ( 二) 磁共振前置放大器设计 1 设计要求 从接收线圈接收到的磁共振信号往往非常小，只有uv 数量级，在它进入下级 前，必须经过前置放大器的初步放大。在设计前放时，要考虑可能有的噪声会湮没磁 共振信号。因此，一个好的前置放大器的主要指标是：噪声系数要小，即放大器本身 l3 w 儿 雠 产生的噪声功率小；增益高，高增益不仪可以有效地放大信号，并且可以减小下级噪 卢的影响；大的动态范围，即要能够覆盖比较宽的频率范围，以使输入信号在定范 围变化时不产生失真；与信号源很好地匹配，在此放大器前通常是射频无源滤波器， 这种滤波器的传输特性对其负载敏感；还要能从前一级大的过载信号中迅速恢复。基 于以上这些，给出一种设计方案，如图1 7 所示。 图17 前置放大器原理图 2 组成与测试 该前置放大器主要由一级与二级放大器组成：一级放大器选用a g i l e n t 公司的一 种砷化镓场效应管，较低的噪声系数使它非常适合做0 5 - 1 2 g h z 的频率范围内的低噪 声前置放大器的第一级；二级放大器采用n p n 型通用型放大器。它采用共基极接法， 目的是为了使频带变得比较宽。 在图1 7 中输入端的交叉二极管( 对管) 是为了只允许磁共振信号通过，防止过 大噪声的冲击，并使前放迅速从过载中恢复。紧靠近它的是l c 选频网络，用它来调 节到所要指定的频率。第一、二级放大器均有相应的偏置电路，分别为第一一二级放 大器提供合适的静态工作点。 经过这两级放大，总的放大倍数可以达到2 6 3 0 d b 左右。经实际测得此前放的带 宽可达1 1 7 l h z ，q 值为1 3 ( 图1 8 2 0 ) 。 ad b ! r e f0d b一7 i7d b 1 5 2 2n h z 、一 图i8 前置放大器的反射特性曲线 s e l e c t l e t t e r s p r c e b r c k s p r c e e r 日s e t i t l e s t o rd e v 【d i s k 】 舭s 甜8 5 “濉 c r n c e l 图19 前置放大器的阻抗s m i t h 圆 盯卟 旺 吠旺 旺垤 黹 挪 科 c h i 5 2 1jo gh r 6zd b r e f2 6d b3 3 ，7 4 1d b 出 ，、 l 5 2 5 a 日s qi 1 1 1 z 2， r 1 3 0 2 1 ：s s s 2 1 1 7 lk h 2 e 弋 、 图2 0 前置放大器的传输特性曲线 ( 三) 射频功率放大电路设计 i 工作原理 本研究设计的射频功率放大器是由两级乙类推挽式功率放大电路构成的。设输入 信号为正弦波，晶体管仅在信号的正半周期或负半周期导通，即导通角0 = 1 8 0 。当 输入信号为o 时，q l 和q 2 的基极电压为o ，均处于截止状态，因而电源提供的功率 为0 ，两只管子的管压降均为v o c 。当输入信号使变压器负边电压极性为上“+ ”f “一” 时，q l 导通，q 2 截止；当输入信号使变压器负边电压极性为上“一”下“+ ”时，q 1 截止，q 2 导通。q 3 、q 4 的工作原理与q 1 、q 2 相同。这样负载上获得交流电压，从而 获得交流功率。电路原理图见图2 1 。 2 功率放大电路组成 功率放大电路的核心部分，主要由晶体管q l 、q 2 和q 3 、q 4 以及它们的旁路网 络构成。采用的射频功率晶体管是m r f 4 7 5 ( 0 3 、q 4 ) 和m r f 4 7 6 ( q l 、q 2 ) 。它们都是 宽带线形放大元件，对于过载和负载不匹配都有非常强的承受能力。每级电路都有它 们自己的偏压和反馈网络。在功率放大器的设计中使用了三个阻抗匹配器t l 、t 2 和 t 3 ，使输入阻抗输出阻抗均匹配到5 0q 。 3 门控电路的设计方案 1 6 1 1el!l；!t；：i !s e t s l 如 乩 。碍 虻 非 s 在磁共振中应用的功率放大器的输入信号是非连续的脉冲信号，功率放大器需要 对该脉冲信号进行放大以驱动探头线圈，从而完成对样品的激励。磁共振探头接收的 样品产生的信号是肛v 级的弱信号，在脉冲激励信号发射的间隔，由电源、电子线路 等外界因素产生的任何噪声干扰经功率放大器放大后都会严重影响接收信号的质量。 为了有效的防止噪声的干扰，应在无激励信号时将功率放大器关闭，为此设计了门控 电路( 图2 1 左下部分) ，它很好的完成了该功能。 4 性能测试 功率放大器制作完成后，对其测试以检验它的工作特性。 图2 2 、2 3 所示的示波器图形中c i l l 为输入通道的信号，c h 2 为输出通道的信号。 它们的每一格代表的电平幅值均为l v 。 实验中功率放大器的输入信号是频率1 5 i i z 、幅度1 v 的正弦波。图2 2 是输入信 号与输出信号的比较图。由图可见，功率放大器对输入信号的电压放大倍数在4 倍左 右。图2 3 是门控电路关断以后示波器测得的波形图，它说明门控电路无1 t l 输入信 号时功率放大器不工作，符合设计要求。 图2 1射频功率放大器原理图 薯t 呻穗 。 。啦嚣￥ c h 芏1 。0 霸v 图2 2 输入信号与输出信号的比较 2 ，- - - _ _ _ _ 晴_ - _ _ _ _ 崎_ _ _ 啼- u _ - - _ _ _ _ - - - _ _ _ 恻 瓣+ 善一。毂g 酽e 1 2 蓬j 蠢鞲鼙 。 ? ，：一一”：鞭一。， 图2 3门控电路关断时功率放大器的输出波形图 ( 四) 主控电路设计 1 功能 主控电路采用自行设计开发的m p s k 一4 型电路( 如图2 4 ) 。它完成的主要功能有 ( 1 ) 输入信号滤波、放大、解调、a d 转换； ( 2 ) 输出信号频率合成、相位控制、脉冲宽度控制； ( 3 ) 脉冲序列指令存储、执行； ( 4 ) a d 采样数据缓存； ( 5 ) 主控电路与微机间的通讯： ( 6 ) i o 控制。 2 频率合成与相位控制 磁共振激励信号为一矩形脉冲调制的射频信号，由硬件主控电路产生，经功率放 大器放大后送至探头。射频信号的频率要求与共振频率高度一致，同时为实现不同的 磁化矢量偏转角度，射频脉冲的宽度也要能被精确控制。这些都由硬件的激励信号源 完成。而在脉冲宽度控制方面要求较高的精度，为满足磁共振系统对射频信号频率的 高精度要求，射频信号一般都由数字控制振荡器产生。 由于接收的回波信号在处理过程中可能引入直流误差成分，磁共振系统对射频激 励脉冲信号的相位也有一定要求。所以磁共振系统中对同样的激励脉冲序列要做多次 采集( 应为偶数次) ，每次采集称为一次扫描( s c a n ) ，相邻两次扫描相位相反。一 般要求射频信号源至少能输出0 。、9 0 。、1 8 0 0 、2 7 0 。四个相位( 该相位为相对相位) 的射频信号。在一组s c a n 中，激励信号相位的翻转变化称为相位循环( p h a s el o o p ) 。 在主控电路中是通过直接数字合成器( d d s ) 来实现射频激励信号的频率合成与 发射相位的控制的。本电路采用a d 公司的直接数字合成器a d 9 8 5 2 。 图2 4 主控电路原理框图 3 微控制器 主控电路的微控制器选用t t 的数字信号处理芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。采用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的原因是主控电路除要求控制器有较高的指令执行速度外，还可能需 要控制器对a d 采样得到的数据进行初步的处理后再发送到上位微机，以降低对通讯 1 9 速率和微机处理速度的要求。而t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有的数据、程序存储器共享机制， 则使得脉冲序列指令从p c 的下载执行易于实现。 4 二级放大 主控电路中还有一级放大，即第二级放大，且增益在一定范围内可调。电路采用 a d 公司可变增益放大器a d 6 0 3 为主放大芯片，增益调节范围是一1 】d b 3 1 d b 。 5 a d 转换与数字解调 主控电路中的接收信号处理电路采用单路高速a d 转换，取代了传统的双路低速 a d 转换，克服了两路性能不完全相同引起的误差，提高了仪器精度。在信号的解调 部分，采用了数字解调、滤波技术，提高了仪器的信噪比。队上这两种功能，就是通 过采用a d 9 2 2 5 和a d 6 2 2 0 来完成信号的数字化和数字解调的。a d 9 2 2 5 是a d 公司的 高速a i d 转换芯片，1 2 b i t 精度，最高采样速率2 5 m s p s 。a d 6 6 2 0 是a d 公司的数 字解调专用芯片。 二、软件设计 m i c r o s o f tv i s u a lc + + ( 简称v c ) 是基于c c + + 的开发w i n d o w s 应用程序的可视 化开发工具，它可以在用户界面良好的环境中进行开发，还集成了多种有用的工具与 功能，提高了开发效率，鉴于此，本软件采用v c + + 6 0 进行编写。 ( 一) 磁场测量方法介绍 磁场测量常取一定直径的、与磁体中心同心的球形空间( d s v ) 作为测量范围。常 用的d s v 有1 0 、2 0 、3 0 、4 0 和5 0 e r a 等。 在磁场均匀性的测量中，高斯计探头总是在d s v 的表面布置。因此，测量结果只 能代表该d s v 所在空间的磁场状况。那么，在d s v 确定的前提下，如何选取测量点呢 这是磁场均匀性测量的又一问题。目前，测量点的选取有数种方案可供选择，常用的 有7 、9 和l l 平面法等。下面结合图2 5 和图2 6 ，并以5 0c m 的d s v 为例来介绍9 平 面测量法。其他方案与此类似。 图2 5 是9 个测量平面的选取示意图。图示为d s v 的y o z 平面。可以看出，5 号 平面取在坐标原点( 即磁体正中心) ，并垂直于x o z 面；其余8 个平面两两对称地平行 分布于y 轴或5 号平面两边，它们至磁体中心的距离分别为7 7 、1 4 7 、2 0 2 和2 3 8 c m 。 9 个测量平面依次取卜9 的编号。显然，9 号平面靠近检查床( + z 轴方向) 、l 号平面 2 0 远离检查床( z 轴方向) 。9 个测量平面将d s v 划分为若干个薄片。 l 氏 刀一 致1 7 ，+ 17 + 1 -2 0 ：喵8 i | ! 匦 临 要i 一以9 f8 图25 磁场测量平面的选取 图2 6 是9 个测量平面在x o y 面上的投影。显然，在该方向上9 个平面与d b v 的 交线呈现为5 个从小到大的同心圆。高斯计探头就在这些圆周上精确布置。同时看到， 由内向外4 个圆周的半径依次为7 7 、1 4 7 、2 0 2 和2 3 8 c m ，正好分别等于6 9 号( 或 4 一l 号) 平面至磁体中心的距离，且外圆半径就是d s v 之半径( 2 5 c m ) 。上述圆周均被8 等分，等分线与圆周的交点即为测量点。由此可见，这种方案在每个测量平面上选取 8 个点( 每4 5 。取一测量点) ，9 个平面共需测量7 2 个点。 v 庐= 、 i 獠添 ! 燃坳5 爸= ，；a l 点目 ： 2 7 0 0 ( 点，) i 图