一種適用于激光磁共振成像的磁場補償裝置

趙武貽，王慧賢，王 錚，張玉霞，楊文暉

(1.中國科學院電工研究所，北京 100190;2.中國科學院研究生院，北京 100049）

一種適用于激光磁共振成像的磁場補償裝置

趙武貽1，2，王慧賢1，王 錚1，張玉霞1，楊文暉1

(1.中國科學院電工研究所，北京 100190;2.中國科學院研究生院，北京 100049）

提出了一種適用于激光磁共振成像的磁場補償裝置，該裝置可以與磁場循環系統集成在一起，實現對靜止樣品成像。文中首先根據實驗要求對線圈產生的磁場進行了仿真，并制作出了實際的線圈，然后搭建了一種反饋型高精度恒流源，其長期工作時的穩定性優于2×10－4A。該補償裝置可將目標區域的地磁場抵消到100nT以內，基本滿足激光磁共振成像的要求。

激光磁共振成像;亥姆霍茲線圈;恒流源

1 引言

常規磁共振成像采用感應線圈接收磁共振信號，根據法拉第電磁感應定律，成像物體內部磁化強度矢量的運動將在感應線圈兩端產生出感應電動勢，對這些感應電動勢進行一定處理即得到磁共振圖像。由于磁化強度矢量的幅值和運動速度都正比于外加靜磁場場強，所以當靜磁場場強下降時，線圈靈敏度將會受到極大的影響，這也是目前磁共振成像設備越來越追求高場強的原因之一。激光磁共振成像是一種利用光學原子磁強計取代感應線圈進行磁共振信號檢測的新型磁共振成像技術。這種光學原子磁強計具有很高的檢測靈敏度［1］，在靜磁場極低的情況下也可獲得高分辨率圖像，因而大大降低了磁共振成像中磁體的制造維護費用，并在一定程度上克服了磁化率偽影干擾，應用前景較為廣闊。

目前已報道的激光磁共振成像將常規磁共振成像分成了預極化、編碼和檢測三個步驟［2］。成像物體為水，實驗時令水流動起來，首先在一個場強為0.3T的永磁磁體中進行預極化，使水的磁化強度矢量得到了一定程度的增強;接著進入到一個場強3.1mT的磁體中進行空間位置編碼;最后，水流入磁屏蔽區域完成磁共振信號的檢測。這種方法的局限在于必須在不同的位置分別完成預極化、編碼和檢測三個步驟，因而只適用于對流體成像。

為克服激光磁共振成像只能應用于流體的限制，提出一種磁場循環系統。該磁場循環系統將預極化磁場和編碼靜磁場整合在了一起，在同一位置即可完成預極化、編碼和檢測三個步驟，使得靜止的物體同樣可進行激光磁共振成像實驗。如圖1，成像物體置于一個由電磁線圈產生的均勻靜磁場之中，同時外加一個預極化磁場線圈，成像目標的外部還包裹有梯度磁場線圈和射頻線圈。光學原子磁強計放置于成像目標的兩側，組成一個差分結構。

圖1 激光磁共振成像中的磁場循環系統Fig.1 Field cycling system in laser MRI

磁場循環系統中的預極化磁體場強較高，但均勻性和穩定性較差;編碼磁體則需保持常規磁共振成像對于磁體均勻性和穩定性的要求，但其場強大為減弱［3］。成像時首先打開預極化磁場對成像物體進行磁化;然后切斷通入預極化線圈的電流，同時打開編碼靜磁場線圈、射頻激勵線圈和梯度線圈，物體在這些磁場的作用下完成空間位置編碼;最后利用光學原子磁強計檢測磁共振信號。

光學原子磁強計在工作時對周邊磁場有一定的要求，所以檢測前必須先將預極化磁場、編碼磁場關斷，同時對地磁場進行一定程度的補償?？梢酝ㄟ^電磁線圈施加反向磁場來達到補償的目的，這種磁場補償裝置為開放式結構，易于與磁場循環系統集成到一起，并且所加磁場場強可調，因此在激光磁共振成像中采用這種補償方式。

2 補償線圈的仿真和制作

磁場補償裝置由屏蔽線圈和恒流源兩部分組成，實驗要求將補償后的剩余磁場控制在100nT以內。假設在線圈中心很小范圍內的地磁場梯度可以忽略，此時地磁場視為處處相等。

亥姆霍茲線圈是由兩個半徑相同、結構一致的圓形線圈組成的線圈對，兩線圈平行共軸放置，間距等于其半徑。由于亥姆霍茲線圈可在中央空間產生非常均勻的磁場，所以磁屏蔽系統采用了三組亥姆霍茲線圈相互正交放置，分別用來抵消三個方向上的地磁場分量。當三組線圈沿地磁場分量方向嚴格正交擺放時，每組線圈只抵消該方向上的地磁場分量而不會對其他方向上的分量帶來影響。

利用Ansoft公司的電磁場仿真軟件Maxwell進行仿真，以350mm作為亥姆霍茲線圈的半徑和間距，當安匝數為20A時，線圈中心半徑30mm的1/4圓周上的場強分布如圖2所示。由圖可知，線圈中心半徑30mm的1/4圓周上的場強變化小于20nT。

圖2 亥姆霍茲線圈中心半徑30mm的1/4圓周上磁場分布Fig.2 Magnetic field in center of Helmholtz coil

實際加工時線圈骨架采用木質結構，東西、垂直、南北三組骨架的平均直徑分為705mm、775mm和840mm，繞線槽截面積分為4mm×6mm、20mm×8mm、8mm×11mm。繞制時采用直徑為1.2mm的銅線，繞完后三組亥姆霍茲線圈的匝數分為3匝、26匝和 12匝，電阻 0.53Ω、2.47Ω、1.21Ω。

3 恒流源的搭建

對于由電磁線圈組成的磁場補償裝置而言，補償效果的好壞除取決于線圈的設計和制作工藝以外，為線圈供電的恒流源的性能也是非常重要的一個方面。恒流源不僅應具備一定的輸出能力，對其穩定性同樣提出了較高的要求。假設工作過程中線圈的阻抗不變，則裝置的穩定性直接由恒流源決定。

恒流源原理圖如圖3所示，主要包括調整管、運放、采樣電阻和基準電壓幾個組成部分，運放的同相端接基準電壓，采樣電阻兩端的電壓作為負反饋引入到運放的反相端。如果反饋電壓與基準電壓不相等，其差值通過放大后加到場效應管的柵極和源極之間，改變場效應管柵、源間的電壓。由場效應管的轉移特性可知，流過采樣電阻的負載電流隨之改變，直到運放兩個輸入端之間的電壓差為零。理想狀態下，恒流源的輸出電壓僅由基準電壓和采樣電阻決定，而與輸入電壓和負載電阻的變化沒有關系［4］。

圖3中所示調整管采用的是N溝道增強型場效應管IRF3205，IRF3205是一種電壓控制型器件，其輸入電阻非常高，有利于恒流源輸出精度的進一步提高。為了減少場效應管發熱過大帶來的影響，還為每片IRF3205加裝了散熱片和風扇。

恒流源所需基準電壓由LM399提供，其典型輸出值為 6.95V，溫度系數 0.3×10－6℃，動態電阻0.5Ω，電壓穩定系數1ppm/℃。LM399內部包含一個恒溫電路，可將芯片自動加熱控溫至90℃，當環境溫度低于85℃時，可認為芯片溫度沒有變化，從而消除了溫度變化對于基準電壓的影響。

圖3 反饋型恒流源電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of feedback constant current source

采樣電阻的精度和穩定性直接影響恒流源的性能，長期工作時溫升等因素的作用都會使得電阻值發生一定的變化。為了將電阻的變化降至最低，選用RX76型精密線繞電阻。此電阻具有老化小、溫漂小等特點，采樣電阻阻值1Ω，功率3W。運放選用通用型運放OP07，為了消除可能出現的運放自激，還在負載兩端并聯了一個1000μF的大電容。

恒流源供電電源由外接穩壓電源和LM338提供。電網電壓首先經過開關電源穩壓后，再由LM338調整至15V，大大改善了供電電源的波動對恒流源帶來的影響［5］。通過調節 LM399輸出端的電位器控制恒流源輸出電流大小，電位器為WXD2-53型多圈電位器，該電位器可顯示500個刻度，電路中其他部分均采用高精度金屬膜電阻。

4 穩定性測試

恒流源最大輸出為1.5A，利用實驗室現有四位半萬用表Fluke45對恒流源進行測試，在恒流源對應量程范圍內，萬用表可檢測到的最小電壓變化為0.0001A，電流變化 0.001A。測試時，首先預熱30min，然后每隔15min記錄一次萬用表的讀數，負載電流的變化見表1。根據采樣電阻兩端的電壓同樣可算出負載電流的大小，采樣電阻端電壓的變化情況見表2。

以上數據表明，長時間工作時恒流源的波動為2×10－4A，根據補償線圈安匝數計算得到對應的磁場變化為12nT，基本滿足激光磁共振成像實驗要求。

利用中船重工集團公司生產的MS3-5三分量磁通門傳感器進行實際測量，采樣時間為1s，補償前和補償后線圈中心三個方向上10min內的磁場變化情況如圖4所示。通過仔細調節恒流源的輸出，可以將三個方向上的地磁場都抵消到100nT以內。補償前，南北、東西、垂直三個方向上的磁場峰峰值分別為7.7nT、3.9nT和3.6nT，補償后三個方向上的峰峰值變為4.7nT、10.1nT和6.2nT，由此可見波動主要由地磁場本身引起，恒流源引入的磁場變化在可以接受的范圍之內。

表1 負載電流Tab.1 Load current

表2 采樣電阻電壓Tab.2 Voltage of sampling resistance

5 結論

圖4 補償前后線圈中心磁場變化Fig.4 Magnetic field before and after compensation

與傳統磁共振成像技術相比，激光磁共振成像的檢測靈敏度高，可顯著降低設備的體積與制造維護費用，在一些特殊應用領域中具有其獨到優勢。本文提出的磁場補償裝置可將線圈中心地磁場抵消到100nT以內，長時間工作時的穩定性優于2×10－4A，并且易于與磁場循環系統集成在一起。對于其他超低場磁共振成像方法而言，本文設計的磁場補償裝置同樣具有一定的啟發意義。

References）:

［1］Budker D，Romalis M.Optical magnetometry［J］.Nature Physics，2007，3(4）:227-234.

［2］Xu S，Yashchuk V V，Donaldson M H，et al.Magnetic resonance imaging with an optical atomic magnetometer［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences，2006，103(34）:12668-12671.

［3］Macovski A，Conolly S.Novel approaches to low-cost MRI［J］.Magnetic Resonance in Medicine，1993，30(2）:221-230.

［4］陳凱良，竺樹聲 (Chen Kailiang，Zhu Shusheng）.恒流源及其應用電路 (Constant current source and its application circuits）［M］.杭州:浙江科學技術出版社(Hangzhou:Zhejiang Science and Technology Press），1992.

［5］李正剛，楊厚君，林介東，等 (Li Zhenggang，Yang Houjun，Lin Jiedong，et al.）.1A 高穩定度恒流源的試制(Development of 1A high stability constant current power）［J］.現代計量測試 (Modern Measurement and Test），2000，8(5）:42-45.

A magnetic field compensation system for laser MRI

ZHAO Wu-yi1，2，WANG Hui-xian1，WANG Zheng1，ZHANG Yu-xia1，YANG Wen-hui1
(1.Institute of Electrical Engineering，CAS，Beijing 100190，China;2.Graduate University，CAS，Beijing 100049，China）

A magnetic field compensation system has been developed for laser MRI.It can be integrated with the magnetic cycling system，extending the applicability of laser MRI to a stationary sample.According to the requirement of laser MRI，a simulation of the magnetic field has been done and the coils have been built.Then a feedback high precision constant current source has been developed.The results show that the earth magnetic field in the target area can be reduced to below 100nT，and the long term stability is better than 2 ×10－4A.

laser MRI;Helmholtz coil;constant current source

TM153+.5

A

1003-3076(2012）04-0071-04

2011-08-08

國家自然科學基金青年基金資助項目(50807050）

趙武貽 (1983-），男，湖南籍，博士研究生，研究方向為激光磁共振成像;

楊文暉 (1966-），男，湖南籍，正高級工程師，研究方向為電磁成像技術。