【毕业设计】万东i_magnate 1.5t超导核磁共振线圈识别系统的研制

题目万东I_MAGNATE15T超导核磁共振线圈识别系统的研制摘要磁共振成像是利用原子核氢核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种成像技术。超导磁共振与永磁磁共振在射频线圈方面有着很大差别，超导磁共振的接收线圈有多种，其工作形态，发射功率都有很大差别，在使用前需要对其识别。华润万东医疗装备股份有限公司生产的I_MAGNATE15T超导磁共振拥有自主知识产权，产品配备了自主研发的多通道谱仪，序列调试PKSPECI软件，射频放大器，及线圈识别系统。在华润万东核磁事业部实习期间内，在学习和了解了磁共振各部分功能与结构后，参与了线圈识别系统的电路板焊接和测试工作，安装使用后能达到预期目标，实现了超导线圈的通道选择功能。关键词超导磁共振；射频线圈；线圈识别ABSTRACTMRIMAGNETICRESONANCEIMAGINGMAKESUSEOFTHEPROPERTYOFMRTOIMAGENUCLEIOFATOMSINSIDETHEBODYTHEREISABIGDIFFERENCEINTHERFCOILSBETWEENSUPERCONDUCTINGMRIANDMAGNETMRI,THERECEIVINGCOILSOFSUPERCONDUCTINGMRIHASAVARIETYOFSHAPEANDTRANSMITPOWERSOTHERECEIVINGCOILSSHOULDBEIDENTIFIEDBEFOREUSINGTHEIMAGNATE15TSUPERCONDUCTINGMRIISAPRODUCTOFCHINARESOURCESWANDONGMEDICALEQUIPMENTCOLTDWITHINDEPENDENTKNOWLEDGECOPYRIGHTITISEQUIPPEDWITHASELFDEVELOPEDMULTICHANNELSPECTROMETER,PKSPECITMSOFTWARE,RFAMPLIFIERANDTHECOILRECOGNITIONSYSTEMTHISSTUDYFOCUSESONTHESTUDYOFSUPERCONDUCTINGCOILIDENTIFICATIONSYSTEMOFWANDONGIMAGNATE15TMRITHECOILSCOULDBEIDENTIFIEDBYADDRESSENCODEDWITH5DIGITSBASEDONTHIS,THECOILIDENTIFICATIONSYSTEMACHIEVEDTHEIMAGINGFEATUREOFTHEWIDERANGEANDMULTIPLEXCHANNELSELECTIONKEYWORDSSUPERCONDUCTINGMAGNETICRESONANCERFCOILCOILIDENTIFICATION目录第一章绪论11研究的目的和意义12磁共振的发展与国内外超导磁共振现状121磁共振的发展122国内外超导磁共振现状23课题研究内容3第二章万东I_MAGNATE15T超导核磁系统41万东I_MAGNATE15T超导磁共振成像系统的构成42万东I_MAGNATE15T超导射频线圈521正交头部线圈522头颈联合相控阵线圈523体部正交线圈524体部相控阵线圈525全脊柱相控阵线圈526表面柔软线圈63线圈工作状态6第三章万东I_MAGNATE15T超导线圈识别系统71超导线圈识别系统的构成72单片机主控板电路图83单片机线圈识别显示程序94线圈识别系统样机制作105测试结果116结论15第四章论文总结与展望161论文总结162展望16参考文献17致谢19附录A20第1章绪论1研究的目的和意义经过半个多世纪的深入研究，核磁共振已经发展成为被广泛应用于工业、农业、化工、生物科技和医疗等诸多领域的综合性学科。其中，在医疗应用中的核磁共振成像技术发展尤为显著。在当今医疗领域，磁共振成像的图像与CT图像非常相似，二者都是“数字图像”，并以不同灰度显示不同结构的解剖和病理的断面图像1。与CT一样，磁共振成像也几乎适用于全身各系统的不同疾病，例如肿瘤、炎症、创伤、退行性病变，以及各种先天性疾。就核磁共振而言，对颅脑、脊椎和脊髓病的显示优于CT。它还有高于CT数倍的软组织分辨能力，敏感地检出组织成份中水含量的变化，因而常比CT更有效和更早地发现病变。MRI能清楚、全面地显示心腔、心肌、心包及心内其它细小结构，是诊断各种心脏病以及心功能检查的可靠方法2。与CT相比，它具有无放射线损害，无骨性伪影，能多方面、多参数成像，有高度的软组织分辨能力，不需使用对比剂即可显示血管结构等独特的优点。它可以使CT显示不出来的病变显影，是医学影像领域中的又一重大发展。2磁共振的发展与国内外超导磁共振现状21磁共振的发展1946年，美国斯坦福大学的物理学家布罗克与哈佛大学的物理学家伯塞尔在实验中发现了核磁共振现象3。1971年，美国纽约州立大学的雷蒙德达马蒂安第一次提出用磁共振波仪来检查人体正常组织和癌变组织，为磁共振技术在医学领域中的应用揭开了新的篇章。1973年，美国纽约州立大学的劳特布尔提出了利用磁场与射频相结合的方法获得磁共振图像技术的设想，并利用此技术得到了二维磁共振图像。1974年，英国诺丁汉大学物理系教授彼得曼斯菲尔德又更进一步验证并改进了这种方法，发现了不均匀磁场的快速变化可以使得上述方法更快地描绘出物体内部结构的图像4。此外，他也证明了可以用显微镜数学方法来分析并获得数据，为利用计算机快速绘图奠定了基础。1980年，美国科学家迪恩发现了更优越的二维傅立叶变换成像方法，使得核磁共振技术走上了商业开发的道路。在杰出科学家劳特布尔和曼斯菲尔德研究成果的基础上，医学上第一台核磁共振成像仪，在20世纪80年代初诞生5。后来，为了防止人们把这种技术错误的理解为核技术，科学家将核磁共振成像技术的“核”字去掉，将其称为“磁共振成像技术”，英文的缩写是“MRI”6。磁共振成像技术最突出的优点就是能够在对身体无损害的情况下，快速有效的获得患者身体内部结构的高精确度三维图像。利用这种技术，可以诊断先前所无法诊断的疾病，尤其是关于脊髓和大脑的病变7。磁共振技术可以准确地定位患者需要手术的部位，特别是在进行大脑手术时，就更加离不开这种定位手段了。正因为它可以对患者体内病变的情况进行更准确地跟踪，从而奠定了更好的治疗脑部疾病的基础8。正因为磁共振成像对被试者几乎没有福射的影响，所以越来越受到研究人员、医生、及病患的欢迎。然而，磁共振成像的检测费用相对于其它检测手段来说还是比较昂贵的，主要原因是受到磁共振设备，尤其是高场磁共振设备价格的影响。同时其成像的核心技术也大都被海外知名厂商所控制9。因此，研发国内拥有自主知识产权的高场磁共振成像仪（超导核磁共振），对于国内磁共振成像技术的研究和发展具有非常重要及深远的意义。22国内外超导磁共振现状目前在全世界医疗领域中MRI设备已作为必备的诊断和辅助治疗的工具之一，每年进行MRI检查已达到上亿人次10。近几年超高磁场MRI系统发展十分迅速，目前最新超高场7T全身MRI系统用于临床的申请在2005年1月已被美国FDA批准，7TMRI机早在全球开始陆续装机并投入临床测试与应用，94TMRI系统目前在美国芝加哥通过FDA无明显危险许可证11。早在2004年RSNA会上以3T为代表超高磁场MRI机系统现已成为成熟的临床与科研应用的双重平台12。国外的三大公司GE、PHILIPS、SIEMENS在中国的医疗领域占据了很大的市场，它们的核磁共振产品技术的发展十分迅速，现已具备高扫描速度、高组织对比度、高信噪比图像等优点，以PHILIPS为例，如图11所示为PHILIPSACHIEVA30TTX超导核磁共振，是业内唯一的30T多源磁共振，无论从成像清晰度还是成像时间上都跨出了很大一步，为世界核磁的发展开辟出了一条新路13。图11PHILIPSACHIEVA30TTX超导核磁共振如图12所示为美时医疗的开放复合型磁共振，克服了永磁的笨重和超导的封闭两大弊端，为介入式磁共振开辟了新的道路14。图12美时医疗的开放复合型磁共振国内华润万东医疗装备股份有限公司（以下简称万东）作为医疗领域市场中领军公司，核磁共振产品在国内外占据了很大的份额，其生产的I_MAGNATE15T超导磁共振配备了自主研发的多通道谱仪，序列调试PKSPECI软件等15。虽然已交付使用，但是其系统稳定性，成像功能较国外公司产品相比仍有很大差距。因此发展国内自主知识产权超导磁共振，打破海外公司的垄断，任务艰巨，具有深远意义。3课题研究内容本课题就万东I_MAGNATE15T超导磁共振的线圈识别问题进行讨论研究。利用5位地址识别码对超导线圈进行编码控制，通过主机发出驱动命令和通道选择命令，实现线圈工作状态和多通道线圈的选择控制，配合步进床完成选择成像，同时为线圈工作提供了安全保障。第2章万东I_MAGNATE15T超导核磁系统1万东I_MAGNATE15T超导磁共振成像系统的构成图21所示为万东I_MAGNATE15T超导磁共振，采用了自主研发的多通道谱仪，序列调试PKSPECI软件，射频放大器及线圈识别系统。图21万东I_MAGNATE15T超导磁共振如图22所示其主要由谱仪系统（频率源、数模转换、输入输出、模数转换）、梯度系统（梯度功放、梯度线圈）、计算机系统、磁体系统及射频系统（射频功放、RF开关、前置放大器、二级放大器、射频线圈）所组成。图22万东I_MAGNATE15T超导磁共振成像系统构成图2万东I_MAGNATE15T超导射频线圈射频线圈是MRI系统的一个重要组成部分。其功能是发射射频脉冲、接受MRI信号，是MRI系统成像的一个重要环节。射频线圈根据结构及检查目的的不同可分为正交头部线圈，正交体部线圈，正交膝、踝关节线圈，头颈联合相控阵线圈，体部相控阵线圈，全脊柱相控阵线圈，表面柔软线圈，以及乳腺、直肠内、宫腔内专用线圈等。一般来讲，正交线圈用于提供头颅、体部等较深度的磁共振信号，表面柔软线圈多用于局部的MRI检查，而相控阵线圈是由多个表面线圈共同组成，可提供相关部位更精细的MRI检查1620。21正交头部线圈该线圈既是发射线圈，又是接收线圈，可提供比体线圈更高的信噪比SNR，其结构多为笼式结构，利用其可进行等深度信号的采集，除主要用于头部MRI成像外，还可用于四肢大范围病变组织的成像，如胫、腓骨及尺、桡骨等的MRI检查。22头颈联合相控阵线圈除适用于头颅、颈部软组织MRI检查外，主要用于头颈部血管的MRI检查。23体部正交线圈多直接做在磁体腔内，是发射接收线圈，与表面线圈联用时也可只做发射线圈用。主要用于大视野成像及等深度信号采集，用于体部MRI检查和体部大血管的MRI检查。24体部相控阵线圈由多个线圈组合而成，主要通过多线圈多通道采集MRI信号，从而提高图像的SNR，进而提高体部MRI检查的图像质量。25全脊柱相控阵线圈也是多个线圈的联合体，主要用于脊柱颈、胸、腰各段的MRI检查，能清晰显示脊柱各骨组织结构、椎管及其周围软组织的解剖结构。26表面柔软线圈用于身体的有限区域的MRI成像，可利用结构上的特点，使线圈尽量贴近受检部位，提高图像质量。为进一步提高乳房、盆腔MRI图像的SNR和清晰度，对相应部位MRI检查采用相应的专用线圈是非常必要的。3线圈工作状态ACTIVE收发共用SURFACEP表面线圈有内置前放（单接收线圈）SURFACENP表面线圈无内置前放（单接收线圈）BODY体线圈（发射线圈作为收发共用使用）PHASEARRAY相控阵线圈内置前放）2123由此可见，由于线圈种类不同，其不同工作状态下的功率也不同，因此需加以区别，以免造成线圈烧坏等危险。第3章万东I_MAGNATE15T超导线圈识别系统1超导线圈识别系统的构成图31超导线圈识别系统结构图发射线圈射频开关8通道谱仪线圈识别电路收发共用线圈H1通道接收单接收线圈（内置前放）S1、2、4、8通道线圈PIN驱动脉冲二放220KW射频功放收发共用线圈显示屏温度监测主控计算机单接收线圈（无内置前放）S1、2、4、8通道一放开关1发射线圈收发共用B1通道HSB一放开关2一放开关3一放开关4一放开关5一放开关6一放开关7一放开关8二放2二放2二放2二放2二放2二放2二放2如图31所示，插入线圈后，由线圈识别电路识别出线圈种类，判断出类型线圈，然后发出指令给前放开关，另外一组信号给射频开关，用来区别发射线圈还是收发共用线圈，并由显示屏显示。2单片机主控板电路图图32单片机主控板电路图如图32所示由DB9地址口得到五个高低电平（默认接地为低电平，其余为高电平），经过74LS244总线驱动器进入到单片机芯片，经程序识别和运算后上传主机，然后接收主机命令（线圈部位命令），再发出命令射频开关命令、线圈单元命令、通道开关命令。3单片机线圈识别显示程序开始初始化清屏指针赋值写第一行字符指针赋值写第二行字符结束图33单片机线圈识别显示主程序1流程图其主要显示内容如下1CTL为线圈名称；3为线圈的第三个部位；SURFACEP为线圈类型1单片机线圈识别显示程序详见附录ACTL3SURFACEP4线圈识别系统样机制作图34万东I_MAGNATE15T超导核磁共振线圈识别系统图34所示为万东I_MAGNATE15T超导核磁共振线圈识别系统实体机，由单片机主控板，LCD显示器，驱动电源和各个接头构成。5测试结果图353通道肩线圈（无内置前放）1）SHOULDERCOILSURFACENP3通道肩线圈（无内置前放）图35所示为3通道肩线圈（无内置前放）工作时显示结果，线圈命令如下线圈单元命令1单元2单元3单元4单元5单元6单元7单元8单元11100000通道开关命令1通道2通道3通道4通道5通道6通道7通道8通道00011111线圈单元命令1单元、2单元、3单元开，通道开关命令1单元、2单元、3单元开。图36鸟笼头线圈收发共用（内置前放）2）HEADCOILACTIVE鸟笼头线圈收发共用（内置前放）图36所示为鸟笼头线圈收发共用模式（内置前放）工作显示结果，线圈命令如下线圈单元命令1单元2单元3单元4单元5单元6单元7单元8单元00000000通道开关命令1通道2通道3通道4通道5通道6通道7通道8通道11111111线圈单元全部关闭，通道开关也全部关闭。图374通道乳腺线圈（无内置前放）3）BREASTCOILSURFACENP4通道乳腺线圈（无内置前放）图37所示为4通道乳腺线圈（无内置前放）工作显示结果，其线圈命令为线圈单元命令1单元2单元3单元4单元5单元6单元7单元8单元11110000通道开关命令1通道2通道3通道4通道5通道6通道7通道8通道00001111线圈单元1、2、3、4工作，通道开关1、2、3、4开放。图384通道颈线圈（无内置前放）4）NECKCOILSURFACENP4通道颈线圈（无内置前放）图38所示为4通道颈线圈（无内置前放）工作显示结果，其线圈命令如下线圈单元命令1单元2单元3单元4单元5单元6单元7单元8单元11110000通道开关命令1通道2通道3通道4通道5通道6通道7通道8通道00001111线圈单元命令1、2、3、4工作，通道开关1、2、3、4开放。5）CTLCOILSURFACENP8通道CTL线圈（无内置前放）线圈单元命令单元线圈部位1单元2单元3单元4单元5单元6单元7单元8单元111100000201110000300111000通道开关命令显示方式注由于线圈故障未能及时修复，特将工作效果如上所示当8通道CTL线圈（无内置前放）工作时随着成像部位的改变，线圈单元命令和通道开关命令也随之而改变，在步进床配合下实现选择成像。6结论万东I_MAGNATE15T超导核磁共振线圈识别系统利用5位地址识别码对不同的超导线圈进行编码识别，通过对通道开关和线圈单元控制，解决了多通道线圈的选择成像问题，并且在不同种类的超导线圈工作时提供了安全保障。通道线圈部位1通道2通道3通道4通道5通道6通道7通道8通道100011111210001111311000111CTLCOIL1SURFACENPCTLCOIL2SURFACENPCTLCOIL3SURFACENP第四章论文总结与展望1论文总结毕业设计是在教学过程的最后阶段采用的一种总结性的实践教学环节。通过毕业设计总结，能够综合应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、严格的技术及基本能力的训练。此次论文经过了以下几个阶段第一阶段分析阶段1）熟悉课题设计任务下达后，首先了解课题的名称、课题来源、课题范围、提供的原始数据、要求达到的技术指标。2）收集资料围绕课题，收集有关资料，调查有关文献及技术参数，收集有关数据，并对有关资料和数据进行归纳分析。3）可行性分析在熟悉课题和收集了足够的资料和数据的基础上，对课题进行可行性分析，得出几个初步方案，经过反复比较、论证，最后得出一个可行方案。第二阶段设计阶段划分模块，并逐一解决。了解超导的基本原理，熟悉各种线圈的工作过程，针对对象提出方案，研究讨论，确定方案。第三阶段实施阶段方案确定后开始按照设计好的电路图进行焊接，并连接各部分配件，装配后进行测试。2展望这次毕业论文培养了我运用所学理论知识和技能，以及掌握设计教学课题的思想和方法，树立严肃认真工作作风和调查研究、查阅技术文献、资料、手册及编写技术文献的能力。同时在生产实践中所涉及的一些实践问题，又促使我带着疑问积极地探索，另外动手能力又得到了大幅提升，激起了我对超导磁共振的强烈求知欲，使我从理论到实际实现了良好的过渡，学以致用。在华润万东核磁事业部从最基础的入手逐步了解并掌握超导磁共振各个部分，为国内超导核磁共振的崛起做出贡献，打破国外的垄断。参考文献1赵喜平核磁共振成像M第一版北京高等教育出版社，200428312ARFKENGBANDWEBERHJMATHEMATICALMETHODSFORPHYSICISTSM5THEDITIONSANDIEGOACADEMICPRESS200438503MARCHALG，MICHIELSJ，BOSMANH，VANNECKEPCONTRASTENHANCEDMRAOFTHEBRAINJCOMPUTASSISTTOMOGR,2009,33260784谢南柱世界核磁发展J世界医疗器械杂志，2010，21404085任仙，现代科技革命与医学影像学的发展J科技创新杂志,2009,270112216李强MRI系统中射频信号接收机的数字化研究与实现D东北大学，200520317俎栋林，核磁共振成像学M第一版北京高等教育出版社，200417388李向阳，一种定位系统射频发射前端设计与实现D电子科技大学，201017399贺强，宋晓宇MRI驻波谐振器原理和开正交鸟笼型线圈J中国医学物理杂志，2002，29（3）113210张金鹏，高频无线收发电路的研究与设计D郑州大学，2011264511王洪，林庆德永磁型MRI技术探讨J中国医疗器械杂志，2001，252727412蒋瑾，付凯磁共振成像技术现状J实用医院临床杂志，2006，432818213康立丽，余晓锷MRI图像信噪比影响因素分析J放射学实践，2007，16640414李刚，陈瑞娟，郝丽玲，林凌磁场方式电阻抗成像的研究现状与发展J中国医学物理学杂志，2010，2721788179215王秀彬，胡振民磁共振成像相阵控线圈及并行成像技术J医疗卫生装备，2005，266192016张丽君核磁共振技术的进展J医疗卫生装备，2000，24222422717AKUMAR,DWELTI,RRERNSTNMRFOURIERZEUGMATOGRAPHYJCOMPUTASSISTTOMOGR,2010,1811698318赵喜平磁共振成像系统的原理及应用M第二版北京北京科学出版社，200110511219DONALDGMITCHELLMRI原理宋英儒译M第五版北京人民卫生出版社，200420224120朱东铭，曾晓庄，王金淮,磁共振成像中的部分数据重建J中国图像图形学报，2006，31433834121张平寅磁共振成像技术探讨J医疗卫生装备2005，222193022CHANDRASEKHARANKESAVADAS,KANNATHSANTHOSH,BEJOYTHOMAS,ARUNKUMARGUPTA,TIRURRAMANKAPILAMOORTHY,NARENDRABODHEY,HIMAPENDHARKER,SATYANARAYANAPATROJSIGNALCHANGESINCORTICALLAMINARNECROSISEVIDENCEFROMSUSCEPTIBILITYWEIGHTEDMAGNETICRESONANCEIMAGING2009,22522923SPIROSSGOUROS,STEFANOSERI,KALYANNATARAJANTHECLINICALVALUEOFELECTROENCEPHALOGRAM/MAGNETICRESONANCEIMAGINGCOREGISTRATIONANDTHREEDIMENSIONALRECONSTRUCTIONINTHESURGICALTREATMENTOFEPILEPTOGENICLESIONSJSIGNALCHANGESINCORTICALLAMINARNECROSISEVIDENCEFROMSUSCEPTIBILITYWEIGHTEDMAGNETICRESONANCEIMAGING2009,2251344致谢四年的本科生生活即将划上句号，对于期间帮助过我的人，我的心中充满了感激。首先，要感谢华润万东医疗装备股份有限公司核磁共振产业部的李培经理以及核磁事业部的工程师们，特别是徐雷，谷军旗，王守乔和霍筝等人，他们以丰富的专业知识、敏锐的领域洞察力和严谨的研究态度给我留下了深刻的印象，同时也为课题的顺利进行提供了积极鼓励和卓有成效的帮助。还要感谢我的导师王学政副教授，从论文的选题、构思、写作、修改到定稿都得到了王老师的耐心指导和严格把关，使我在科研认知能力和实践能力方面取得了很大进步。王老师严谨的治学态度、求实的工作作风、平易近人的处世风范都深深影响了我，使我不断进取。感谢所有教育过我的老师们，是他们给予了我无私的帮助和指导。今后，我唯有以努力学习和工作来报答他们无私的关怀。再次向辛勤培育我成长的母校、导师和领导们致以由衷的感谢附录AINCLUDEINCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTSBITLCD_RSP30SBITLCD_RWP31SBITLCD_ENP32UCHARCODEDIS1“TYPEACTIVE“UCHARCODEDIS2“TYPESURFACENP“UCHARCODEDIS3“TYPEPHASEARRAY“UCHARCODEDIS4“TYPESURFACEP“UCHARCODEDIS5“TYPEEMPTY“UCHARCODEDIS01“NAMEEMPTY“/6364UCHARCODEDIS02“NAMEBODYCOIL“/0102UCHARCODEDIS03“NAMETMJCOIL“/0304UCHARCODEDIS04“NAMELSPINE“/0506UCHARCODEDIS05“NAMEFLEXBODY“/0708UCHARCODEDIS06“NAMESPECHEAD“/0910UCHARCODEDIS07“NAMERESSURFAC“/111219205152UCHARCODEDIS08“NAMECSPINE“/1314UCHARCODEDIS09“NAMECSPINE“/1516UCHARCODEDIS10“NAMEHEADCOIL“/3334UCHARCODEDIS11“NAMEKNEECOIL“/1718UCHARCODEDIS12“NAMESHOULDER“/232429303132UCHARCODEDIS13“NAMEGP5COIL“/2122UCHARCODEDIS14“NAMERESACTIVE“/252641425758UCHARCODEDIS15“NAMECTLCOIL“/2728UCHARCOD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