一种MRI设备主磁体均匀度检测分析装置及其方法与流程

本发明属于磁共振成像领域，具体设计了一种mri设备主磁体均匀度检测分析装置，为磁共振主磁体的匀场工作提供设计参考。

背景技术：

在磁共振成像设备中，主磁体的作用是提供静态磁场b0，较为常见的主磁体包括永磁式、线圈式以及超导式，不论采用何种形式的主磁体，由于制作工艺误差以及周围环境等因素的影响，主磁体产生的实际静磁场相较于理论设计存在一定误差，并不是理想的均匀磁场。静磁场的均匀度与磁共振图像的质量密切相关，因此磁共振成像中对静磁场的均匀度有严格要求，通常以ppm(partspermillion)为单位对静磁场均匀度进行衡量。

改善均匀度问题的方法称之为匀场，存在无源匀场和有源匀场两种方法。对于无源匀场，通常采用在主磁体上贴加磁性材料的方法。有源匀场通常采用设计匀场线圈的方法来实现目的。在有源匀场中，球谐函数法是一种能够实现高质量匀场的重要的匀场线圈设计方法，该方法的核心思想在于，将实际磁场(bz)拆分为主磁体(b0)和多级匀场线圈磁场的叠加，由于球谐函数中各项式的正交性，各级匀场线圈之间的磁场相互独立，即改变某级匀场线圈的电流时，不会对其他级数的匀场线圈产生影响。通过合理调整各级匀场线圈所施加的电流，最终得到具有高均匀度的主磁场。

实际上，整个静态磁场空间中，只有一部分区域用于磁共振成像，我们称之为有效区域dsv。因此对于匀场设计，我们只需考虑有效区域中的磁场均匀性。通常情况下，磁场均匀度的检测需要将普通高斯计与固定夹具结合使用，逐点测量磁场强度，这种方法需要多次调整高斯计与夹具的位置，并频繁记录数据，操作过程比较复杂。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术存在的缺陷，提供一种mri设备主磁体均匀度检测分析装置及其方法，以期能有效检测mri设备主磁体的均匀性，为匀场线圈的设计提供参考指标。

本发明为实现上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种mri设备主磁体均匀度检测分析装置的特点是由磁场分析模块驱动m个磁场检测探头；所述磁场分析模块包括：单片机、ad转换电路、信号调理电路、电源电路、探头控制电路、控制键盘以及液晶屏；

所述探头控制电路包括：数据选择器muxs、两个锁存器l1和l2、反相译码器；

任意第i个磁场检测探头包括：n个霍尔元件以及两个数据选择器muxa_i和muxb_i；

所述n个霍尔元件呈j行k列排布，且行间距为p，列间距为q，n＝j×k；任意第j行霍尔元件的vcc端与数据选择器muxa_i的第j通道并联连接，j＝1,2,3···j；任意第k列霍尔元件输出端与数据选择器muxb_i的第k通道并联连接，k＝1,2,3···k；

数据选择器muxa_i的共用端com接入所述电源电路的基准电压vref；

数据选择器muxb_i的共用端com与所述数据选择器muxs的第i个通道端相连；

数据选择器muxa_i和muxb_i的使能端en与反相译码器的输出端yi相连；

数据选择器muxa_i的通道选择输入端s0，s1···sn与锁存器l1的输出端q0，q1···qn相连；数据选择器muxb_i的通道选择输入端s0，s1···sn与锁存器l2的输出端q0，q1···qn相连；

所述控制键盘获取球形有效区域中采样平面的个数m以及第i采样平面的半径ri并传递给所述单片机；

所述单片机通过自身i/o引脚控制反相译码器u1的地址选择输入端a0，a1···an，使得反相译码器u1的输出端yi输出高电平给所述第i个磁场检测探头中的数据选择器muxa_i和muxb_i的使能端en；

所述单片机根据行间距p、列间距q判断所述第i个磁场检测探头中第j行第k列的霍尔元件与第i个磁场检测探头的中心距离是否小于等于半径ri，若是，则所述单片机通过锁存器l1控制数据选择器muxa_i的通道选择输入端s0，s1···sn，使得数据选择器muxa_i的第j通道导通，从而预选第j行霍尔元件，同时，所述单片机通过锁存器l2控制数据选择器muxb_i的通道选择输入端s0，s1···sn，使得数据选择器muxb_i的第k通道导通，从而预选第k列霍尔元件，最终使得第j行第k列霍尔元件被选中，否则，判断下一个霍尔元件，直到j>j，且k>k为止；

第j行第k列霍尔元件在基准电压vref的作用下输出电压信号uijk并传递给数据选择器muxb_i的第k通道，由数据选择器muxb_i的共用端com将所述输出电压信号uijk传递给数据选择器muxs的第i通道；

所述数据选择器muxs的共用端com将所述输出电压信号uijk传递给信号调理电路用于进行滤波和电流放大处理后，得到处理后的电压信号u′ijk并传递给ad转换电路；

由所述ad转换电路将所述处理后的电压信号u′ijk转化为数字量的电压信号u″ijk并传递给单片机，从而使得所述单片机能根据所述数字量的电压信号u″ijk得到第i个磁场检测探头中第j行第k列的霍尔元件所处位置的磁场强度bijk，进而得到第i个磁场检测探头中j行k列的霍尔元件所处位置的磁场强度{bijk|j＝1,2,…,j；k＝1,2,…,k}，最终得到m个磁场检测探头中所有霍尔元件所处位置的磁场强度{bijk|i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,j；k＝1,2,…,k}；

所述单片机根据磁场强度{bijk|i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,j；k＝1,2,…,k}进行磁场均匀度计算，得到球形有效区域内磁场均匀度值并传递给液晶屏进行显示。

本发明一种mri设备主磁体均匀度检测分析方法的特点是应用于由磁场分析模块和m个磁场检测探头所组成的检测分析装置中，其中，任意第i个磁场检测探头包括：n个呈j行k列排布的霍尔元件，且排布的行间距为p，列间距为q；所述分析方法是按如下步骤进行：

步骤1、设置球形有效区域中的采样平面个数m；并初始化i＝1；

步骤2、获取预设的第i采样平面半径ri；

步骤3、初始化j＝1；

步骤4、初始化k＝1；

步骤5、所述磁场分析模块根据行间距p、列间距q判断所述第i个磁场检测探头中第j行第k列的霍尔元件与第i个磁场检测探头的中心距离是否小于等于半径ri，若是，则获取第j行第k列霍尔元件的输出电压信号uijk并进行滤波、放大和ad转换处理，得到数字量的电压信号u″ijk，从而根据根据所述数字量的电压信号u″ijk得到第i个磁场检测探头中第j行第k列的霍尔元件所处位置的磁场强度bijk，否则，将k+1赋值给k后，判断k>k是否成立，若成立，则表示得到第i个磁场检测探头中第j行k列的霍尔元件所处位置的磁场强度{bijk|k＝1,2,…,k}，并执行步骤6；否则，返回步骤5执行；

步骤6、将j+1赋值给j后，判断j>j是否成立，若成立，则表示得到第i个磁场检测探头中j行k列的霍尔元件所处位置的磁场强度{bijk|j＝1,2,…,j；k＝1,2,…,k}，并执行步骤7；否则，返回步骤4；

步骤7、将i+1赋值给i后，判断i>m是否成立，若成立，则表示m个磁场检测探头中所有霍尔元件所处位置的磁场强度{bijk|i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,j；k＝1,2,…,k}，并执行步骤8；否则，返回步骤2执行；

步骤8、所述磁场分析模块根据磁场强度{bijk|i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,j；k＝1,2,…,k}进行磁场均匀度计算，得到球形有效区域内磁场均匀度值。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

1、本发明利用单个磁场分析模块驱动多个磁场检测探头，每个磁场检测探头内的霍尔元件呈矩阵排布，能够测量mri主磁体有效区域内位于不同平面的多个采样点的磁场强度，从而提高了mri主磁体均匀度检测的效率。

2、本发明中，不同采样点的测量是通过协调霍尔元件的工作时序来实现的，无需频繁移动磁场检测探头，提高了mri设备主磁体均匀度检测的精度，降低了mri设备主磁体均匀度检测的繁琐程度。

3、本发明依据预设的采样平面参数，自动进行有效区域内磁场强度的检测、存储以及磁场均匀度的分析计算，整个过程无需人为操作，简化了磁场均匀度检测操作流程。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明磁场检测探头中霍尔元件与数据选择器的电路连接图；

图3为本发明m个磁场检测探头与探头控制电路的电路连接图；

图4为本发明霍尔元件呈8行7列的磁场检测探头结构示意图；

图5为本发明霍尔元件呈8行7列的磁场检测探头中，霍尔元件和数据选择器的布置示意图；

图6为本发明固定装置中定位板的结构示意图，且定位板厚度为l4；

图7为本发明固定装置中底板和刻度滑轨的安装主视图；

图8为本发明固定装置中底板和刻度滑轨的安装俯视图；

图9为本发明用于直径70mm球形有效区域的磁场均匀度检测时的流程图。

具体实施方式

本实施例中，参照图1，一种mri设备主磁体均匀度检测分析装置是由磁场分析模块驱动m个磁场检测探头；磁场分析模块包括：单片机、ad转换电路、信号调理电路、电源电路、探头控制电路、控制键盘以及液晶屏。

电源电路为单片机、ad转换电路、信号调理电路、控制键盘以及液晶屏提供5v和3.3v电压源，为ad转换电路和m个磁场检测探头提供精准的5v基准电压。

参照图2，任意第i个磁场检测探头包括：n个霍尔元件以及两个数据选择器muxa_i和muxb_i；

n个霍尔元件呈j行k列排布，且行间距为p，列间距为q，n＝j×k；任意第j行霍尔元件的vcc端与数据选择器muxa_i的第j通道并联连接，j＝1,2,3···j，例如第1个磁场检测探头中第2行霍尔元件的电源端vcc并接数据选择器muxa_1的第2通道端；任意第k列霍尔元件输出端与数据选择器muxb_i的第k通道并联连接，k＝1,2,3···k，例如第1个磁场检测探头中第3列霍尔元件的输出端out并接数据选择器muxb_1的第3通道端；

参照图3，探头控制电路包括：数据选择器muxs、两个锁存器l1和l2、反相译码器u1；

数据选择器muxa_i的共用端com接入电源电路的5v基准电压；

数据选择器muxb_i的共用端com与数据选择器muxs的第i个通道端相连，例如数据选择器muxs的第2通道端连接探头2中数据选择器muxb_2的共用端com；

数据选择器muxa_i和muxb_i的使能端en与反相译码器u1的输出端yi相连，例如反相译码器u1的输出端y2连接磁场检测探头2中数据选择muxa_2和muxb_2的使能端en；

数据选择器muxa_i的通道选择输入端s0，s1···sn与锁存器l1的输出端q0，q1···qn相连，例如锁存器l1的输出端q0连接数据选择器muxa_1、muxa_2···muxa_m的通道选择输入端s0；数据选择器muxb_i的通道选择输入端s0，s1···sn与锁存器l2的输出端q0，q1···qn相连，例如锁存器l2的输出端q0并联连接数据选择器muxb_1、muxb_2···muxb_m的通道选择输入端s0；

控制键盘获取球形有效区域中采样平面的个数m以及第i采样平面的半径ri并传递给单片机；

单片机通过自身i/o引脚控制反相译码器u1的地址选择输入端a0，a1···an，使得反相译码器u1的输出端yi输出高电平给第i个磁场检测探头中的数据选择器muxa_i和muxb_i的使能端en，以使第i个磁场检测探头处于工作状态，而其他的磁场检测探头被关闭，例如单片机控制反相译码器u1的输出端y2向第2个磁场检测探头中的数据选择器muxa_2和muxb_2的使能端en输出高电平，使第2个磁场检测探头处于工作状态，而其他磁场检测探头被关闭；

单片机根据行间距p、列间距q判断第i个磁场检测探头中第j行第k列的霍尔元件与第i个磁场检测探头的中心距离是否小于等于半径ri，若是，则单片机通过锁存器l1控制数据选择器muxa_i的通道选择输入端s0，s1···sn，使得数据选择器muxa_i的第j通道导通，从而预选第j行霍尔元件，同时，单片机通过锁存器l2控制数据选择器muxb_i的通道选择输入端s0，s1···sn，使得数据选择器muxb_i的第k通道导通，从而预选第k列霍尔元件，最终使得第j行第k列霍尔元件被选中，否则，判断下一个霍尔元件，直到j>j，且k>k为止；

第j行第k列霍尔元件在5v基准电压的作用下输出电压信号ui,j,k并传递给数据选择器muxb_i的第k通道，由数据选择器muxb_i的共用端com将输出电压信号ui,j,k传递给数据选择器muxs的第i通道，例如处于工作状态的第2个磁场检测探头中，第3行第4列的霍尔元件被选中，该霍尔元件输出的电压信号u2,3,4传递给数据选择器muxb_2的第3第通道，由数据选择器muxb_2的共用端com将输出电压信号u2,3,4传递给数据选择器muxs的第2通道；

数据选择器muxs的共用端com将输出电压信号ui,j,k传递给信号调理电路用于进行滤波和电流放大处理后，得到处理后的电压信号u′i,j,k并传递给ad转换电路；

由ad转换电路将处理后的电压信号u′i,j,k转化为数字量的电压信号u″i,j,k并传递给单片机，从而使得单片机能根据数字量的电压信号u″i,j,k得到第i个磁场检测探头中第j行第k列的霍尔元件所处位置的磁场强度bi,j,k，进而得到第i个磁场检测探头中j行k列的霍尔元件所处位置的磁场强度{bi,j,k|j＝1,2,…,j；k＝1,2,…,k}，最终得到m个磁场检测探头中所有霍尔元件所处位置的磁场强度{bi,j,k|i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,j；k＝1,2,…,k}；

单片机根据磁场强度{bi,j,k|i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,j；k＝1,2,…,k}进行磁场均匀度计算，得到球形有效区域内磁场均匀度值并传递给液晶屏进行显示。

具体实施中，磁场检测探头使用专用的固定装置在三维空间中进行定位。

固定装置由底板、刻度滑轨和定位板三部分组成，均用无磁材料制成。底板为扁平的长方体，长为m1、宽为n1、高度为l1，用于支撑固定装置中的其他部件；刻度滑轨为t型结构，翼板长为m2、宽为n2、高度为l2，肋板长为m3、宽为n3、高度为l3；定位板主体长为m4，宽为n4，厚度为l4，定位板上排布有e个孔径d的定位孔，构成每行孔数f，每列孔数g的矩形，满足e＝f×g，定位板下端为与t型刻度导轨相配合的一对c型极靴，每个极靴的两侧均有用于插入旋钮螺钉的螺孔。

固定装置的使用方法为：将两条刻度导轨平行安装在水平放置的底板上，将定位板下端的c型极靴嵌入底板与刻度导轨翼板之间形成的空隙，使定位板可在平行刻度导轨的方向上滑动。通过刻度导轨上所标的刻度值确定滑动的距离后，旋紧c型极靴两侧的旋钮螺钉，固定定位板。通过无磁螺钉、磁场检测探头上的螺孔、定位板上的定位孔，将磁场检测探头固定在定位板上。通过滑动定位板调整水平位置，通过变更与探头螺孔相连的定位孔改变垂直和纵向位置，即可调整矩阵式磁场探头在三维空间内的位置。刻度导轨上可安置多个定位板，同时定位多个磁场检测探头。

本发明中，磁场分析模块驱动的磁场检测探头数量m、磁场检测探头内霍尔元件数量n、霍尔元件的行数j、霍尔元件的列数k、霍尔元件的行间距p、霍尔元件的列间距q、基板长度m0、基板宽度n0、基板厚度l0、螺孔水平间距d1、螺孔纵向间距d2均取决于所测量mri设备主磁体的有效区域的形状和大小以及磁场检测探头内选用的霍尔元件尺寸。

固定装置中，底板、刻度导轨以及定位板的尺寸均取决于主磁场体的结构和尺寸、有效区域的形状和大小。

假设主磁体为永磁体，磁极间距为180mm，主磁场方向沿水平方向，有效区域为直径70mm的球体。

磁场检测探头内选用型号为oh49e的高精度霍尔元件。

u1选择74hc138d型号3线转8线反相译码器。

各磁场检测探头中的数据选择器muxa、muxb以及探头控制电路中的数据选择器muxs均选用cd74hc4067型号16通道数据选择器。

锁存器l1、l2选用74hc573型号8位锁存器。

为便于磁场检测探头在纵向和垂直方向上的位置调整，磁场检测探头中螺孔水平间距d1应与螺孔纵向间距d2相等，定位板中定位孔的水平间距定位孔的水平间距和纵向间距相等，均为d，d应小于磁场检测探头基板中螺孔的水平间距d1和纵向间距d2，且d1和d2可被d整除。

参照图4，磁场检测探头内的霍尔元件呈8行7列排布，即单个磁场检测探头内包含56个霍尔元件，行间距p为7mm，列间距q为8mm，基板长度m0为120mm，宽度n0为120mm，基板厚度l0为2mm，螺孔水平间距d1为100mm，螺孔纵向间距d2为100mm。基于上述参数，螺孔半径r选为1mm。

参照图5，为霍尔元件呈8行7列的磁场检测探头中霍尔元件和数据选择器的布置示意图。

参照图6，定位板长度m4为400mm，宽度n4为200mm，定位孔半径r与磁场检测探头基板螺孔尺寸相同，即r为1mm，d为25mm。c型极靴的尺寸，s0为30mm，s1为20mm，s2为8mm，t0为10mm，t1为3mm，t2为2mm。通过计算可以得出c型极靴之间的中心距离为380mm。

参照图7，为底板和刻度导轨的安装主视图。底板长度m1为400mm，高度l1为5mm，滑动导轨翼板宽度m2为19mm，翼板高度l2为3mm，肋板宽度m3为8mm，肋板高度l3为2mm。

参照图8，为底板和刻度导轨的安装俯视图。底板宽度n1、刻度导轨翼板长度n2、刻度导轨肋板长度n3相同，均为180mm，刻度导轨的中心间距c与定位板c型极靴的中心间距相同，为380mm。

参照图9，本实施例中，一种mri设备主磁体均匀度检测分析装置用于直径70mm球形有效区域的磁场均匀度检测流程图，该mri设备主磁体均匀度检测分析方法步骤如下：

步骤1、设置球形有效区域中的采样平面个数为7；并初始化i＝1；

步骤2、获取第i采样平面的半径ri，采样平面的半径为预设值，本例中r1＝5mm，r2＝15

mm，r3＝25mm，r4＝35mm，r5＝25mm，r6＝15mm，r7＝5mm；

步骤3、初始化j＝1；

步骤4、初始化k＝1；

步骤5、磁场分析模块通过单片机内部算法程序根据行间距p＝7mm、列间距q＝8mm判断第i个磁场检测探头中第j行第k列的霍尔元件hj_k与第i个磁场检测探头的中心距离是否小于等于半径ri，若是，则第i个磁场检测探头中的数据选择器muxa_i第j通道端导通，向第j行霍尔元件的电源端vcc提供5v基准电压源，数据选择muxb_i第k通道端导通，第k列霍尔元件的输出端out接入磁场分析模块，选中第j行第k列霍尔元件hj_k处于工作状态，并获取相应的输出电压信号ui,j,k并进行滤波、放大和ad转换处理，得到数字量的电压信号u″i,j,k，从而根据数字量的电压信号u″i,j,k得到第i个磁场检测探头中第j行第k列的霍尔元件hj_k所处位置的磁场强度bi,j,k，否则，将k+1赋值给k后，判断k>7是否成立，若成立，则表示已得到第i个磁场检测探头中位于采样平面内的第j行霍尔元件所处位置的磁场强度{bi,j,k|k＝1,2,…,7}，并执行步骤6；否则，返回步骤5执行；

步骤6、将j+1赋值给j后，判断j>8是否成立，若成立，则表示得到第i采样平面内所有采样点的磁场强度{bi,j,k|j＝1,2,…,8；k＝1,2,…,7}，并执行步骤7；否则，返回步骤4；

步骤7、将i+1赋值给i后，判断i>7是否成立，若成立，则表示已得到7个采样平面内所有采样点的磁场强度{bi,j,k|i＝1,2,…,7；j＝1,2,…,8；k＝1,2,…,7}，并执行步骤8；否则，返回步骤2执行；

步骤8、磁场分析模块根据磁场强度{bi,j,k|i＝1,2,…,7；j＝1,2,…,8；k＝1,2,…,7}进行磁场均匀度计算，得到球形有效区域内磁场均匀度值，磁场均匀度的计算如式(1)所示；

式(1)中，bmax为有效区域内磁场强度最大值，bmin为有效区域内磁场强度非零最小值，bavg为有效区域内磁场强度的平均值，由式(2)计算得出：