邊緣場成像中多功能調節的機械結構設計

施建龍,薛文東,馮吳俊,陳　忠,孫惠軍,洪永強*

(1.廈門大學航空航天學院，2.廈門大學物理科學與技術學院,福建廈門361005)

邊緣場成像中多功能調節的機械結構設計

施建龍1,薛文東1,馮吳俊1,陳忠2,孫惠軍2,洪永強1*

(1.廈門大學航空航天學院，2.廈門大學物理科學與技術學院,福建廈門361005)

摘要：在邊緣場成像實驗中,支撐樣品運動的機械結構缺少調節環節,運動形式單一,樣品外圍共振線圈采用固定化形式,無法滿足超強磁場周邊不規則梯度場變化的要求．本文在前期研究基礎上提出了一種多功能調節機械結構,該結構具有獨立調節樣品以及共振線圈姿態和位置的功能．在一維邊緣場成像中保證樣品和共振線圈的中心軸線可同時與梯度場中磁場方向平行,并且實現了成像過程中樣品沿著磁場方向升降的方式;在三維邊緣場魔角旋轉成像過程中,可以保證樣品和共振線圈均與磁場方向呈魔角角度,并且在樣品旋轉成像時一旦出現回波信號不好或者無回波的情況,還可以實現樣品的實時性暫停和回轉，以重新獲取樣品在該位置的信號．更重要的是該機械結構在三維成像過程中增加了樣品的升降功能,可以在更高梯度場中獲取樣品更精細的圖像．

關鍵詞：邊緣場成像;機械結構;多功能調節;樣品升降

邊緣場成像區別于傳統磁共振成像，它利用傳統超強磁場周邊的超高梯度場實現了固體材料的磁共振成像[1]．其不僅克服了固體材料弛豫時間短的問題,也因為減少了人工梯度場的使用,大大降低了成像成本．1988年Samoilenko等[2]利用傳統超強磁場周邊的梯度場中的“敏感層面”第一次得到了固體材料的磁共振譜圖．

近年來,邊緣場成像在生物、化學、材料等學科中應用廣泛，2007年Nunes等在固體邊緣場成像中獲取了冰核質子的一維邊緣場磁共振譜圖，使得邊緣場成像進一步體現出在固體材料成像中的優勢．2012年,Tang等[4]將一維邊緣場成像應用到化學固體鋰電池充放電的過程中,得到了固體鋰電池充放電的整個過程圖像,并進行了化學分析．

但是,綜合大量邊緣場成像文獻以及本課題組近幾年所研究邊緣場成像的應用發現:邊緣場成像中支撐樣品運動的機械結構形式單一并且固定,缺乏許多調節功能,無法滿足天然梯度場的不規則性.因此本文在查閱大量文獻以及進行一維邊緣場成像實驗的基礎之上,設計了一種多功能調節的機械結構以解決一維和三維邊緣場成像中樣品運動形式單一、共振線圈固定化結構導致的成像質量問題．

1邊緣場成像機械運動分析

超強磁場周邊的超強梯度場并不均勻,其磁場方向必然不會都是與Z軸平行的．van Landeghem等通過樣品定位的方式描繪了傳統磁共振超強磁場邊緣的超強梯度場的等強度線,其描繪的圖像精度可以達到微米級,圖1是傳統磁體邊緣場圖,很顯然,超強梯度場中磁場方向是雜亂的．

圖1　超強磁場邊緣的超強梯度場方向Fig.1The direction of the gradient at the fringe of the super-conducting magnet

在一維邊緣場成像中,需要使樣品以微米級步進[6]通過梯度場中相應固體材料的“敏感層面”,因此需要樣品和共振線圈的中心軸與磁場方向平行才能保證成像過程中不會發生樣品在“敏感層面”的偏移現象．然而梯度場中磁場方向的不確定性使得這兩者在磁場中需要以微米級運動來進行成像前的姿態調整．目前,許多文獻都提出通過樣品手動水平調節(水平調節是指相對于梯度場中外磁體磁場(B0)方向)的方式來規避磁場方向不定的問題,而共振線圈依舊被固定化為與Z軸方向平行.圖2所示為現存一維邊緣場成像中固定共振線圈,僅有樣品水平調節(圖2(a))和豎直升降運動(圖2(b))的方式．很顯然圖2(b)在成像過程中由于只有樣品如圖2(a)所示的手動水平調節且只能豎直升降的方式會產生樣品待激發層在“敏感層面”的漂移現象．

圖2　現存樣品水平調節和升降運動Fig.2The existed sample level tuning and lifting motion in one-dimension stray field image(ID STRAFI)

在三維邊緣場成像領域,通常采用魔角旋轉(magic angle spinning,MAS)使得樣品到一定角度產生不同維度的梯度場[8]方式解決人工梯度場難度大且成本高的問題,當然這樣便增加了樣品在邊緣梯度場中的運動難度和復雜度．加上超強磁場邊緣的梯度場磁場方向的不確定性,機械結構的設計變得非常困難．圖3所示為現今三維邊緣場成像固定化MAS運動方式,樣品和共振線圈在梯度場中固定與Z軸成魔角角度(54.74°),僅有成像過程中樣品高速不可暫停和回轉的運動方式[9](現今文獻提到的自旋速率只能達到1 Hz[10-12])．并且由于梯度場激發層面大小因素,樣品不能在魔角方向上進行升降,成像時或者犧牲分辨率選擇在低梯度場成像[13],或者只能刻意使用微米級的樣品.

圖3　現存的固定化MAS方式Fig.3The existed 3D STRAFI-MAS

一維和三維的邊緣場成像樣品和共振線圈運動所需要的可調節機械結構一直是邊緣場高分辨率成像的瓶頸．

2方案設計

上述邊緣場成像機械運動分析了現存的一維和三維邊緣場成像運動機械結構的缺陷．理想化的一維邊緣場成像如圖4所示,共振線圈和樣品在邊緣梯度場中同步調節以保證兩者中心軸與磁場B0方向平行重合,兩者之間在水平方向不存在相對運動(相對磁場B0方向水平),同時在成像過程中樣品步進方向要沿著磁場B0方向以防止樣品待激發層相對“敏感層面”發生偏移．

圖4　一維邊緣場期望的水平調節方式Fig.4The expected sample level tuning in 1D STRAFI

期望的三維邊緣場成像如圖5所示．樣品和共振線圈不是固定與Z軸呈魔角54.74°,而是相對磁場B0方向可調,并且旋轉過程中可以實時性暫停甚至回轉，以保證信號質量,同時引入一維邊緣場成像中樣品沿磁場B0方向的升降運動,使得三維邊緣場成像也可以在更高的梯度場下實現整個樣品的三維成像．

圖5　本文所期望達到的三維邊緣場成像樣品在梯度場中的運動方式Fig.5The expected sample motion in the gradient in 3D STRAFI-MAS

3實驗方法

本文實驗磁體平臺是BRUKE 500 MHz超強磁體,中心磁場達到11.7 T,本文提出的三維邊緣場MAS的實驗:1) 通過一維高精度線性升降平臺定位三維成像探頭至“敏感層面”(該層面通過升降平臺綁定高斯計來確定,當確定升降高度后將平臺攜帶的高斯計換成三維成像探頭);2) 通過探頭內部的精細機械結構來調節樣品和共振線圈的姿態來調整與“敏感層面”磁場B0方向之間的夾角為54.75°；3) 共振線圈激勵樣品接收回波信號,當多次接收回波信號后,并且信號達到要求時,再進行旋轉一定微小角度進行激勵和接收,等到旋轉1圈后,將樣品上升一定微小角度,重復上述動作,直到完成整個樣品的激發和信號回收．

（1）金融服務與城鎮化進程不相匹配。社會主義的國家性質與當前的基本國情決定了需要有效整合社會資本與資源保障民生。貴陽市城鎮化發展過程中，需要將教育、醫療、衛生、失業、養老等基礎保障項目列為重點，構建規范性的城鎮住房保障體系，容納更多的城鎮人口。但在實際過程中因政策解讀與操作不到位、資金資源分配失衡等問題，不能有效解決貴陽市城鎮化過程中出現的民生問題。

4機械結構的設計

圖6所示為本文設計的用以實現上述實驗的機械結構示意圖,該結構分為3部分:升降平臺、成像探頭和控制系統．

圖6　整體機械結構設計示意圖Fig.6The overall mechanical structure design sketch

4.1升降平臺的設計與控制

由于磁體邊緣的磁場場強和梯度強度均難獲取,因此本文設計了高精度升降平臺：電機Panasonic AC SERVO MOTOR Model No.MHMJ022G1U，驅動器Panasonic AC SERVO DRIVE Model No.MADKT1507E以及光柵尺Micro-E 1500,升降平臺設計如圖7所示．

圖7　升降平臺Fig.7The lifting platform

該平臺大部分部件采用無磁鋁合金材料實現,交流伺服電機通過1根鋁棒延伸到磁體5高斯線外,另一端連接1個蝸輪蝸桿大減速器至絲杠和自主設計研磨的導軌塊(兩者采用黃銅研磨制作)，將旋轉運動轉換為線性運動．

升降臺中絲杠導軌所用黃銅材料并沒有軸承鋼的強度,為保證導軌的精度,黃銅的相對軟性限制了行程在200 mm以內．由于超強磁場的邊緣需要滿足實驗所需的梯度場集中在其周邊350 mm以內,因此本文設計的平臺通過增加二級手動升降地腳的方式來補足．

4.2成像探頭的設計與控制

成像探頭結構內部的機械結構的精細化、精巧化是本文機械運動的核心．本文實驗用BRUKE磁體內腔為直徑89 mm的通道,本文設計的整個探頭結構圓柱腔體部分外徑不超過73 mm,高度不超過550 mm,并且保證放入探頭的樣品直徑能達到15 mm,如圖8所示．

圖8　探頭透視圖Fig.8The perspective view of the probe

直流電機容器內安裝有4個直流伺服電機作為4種驅動力,并由連接桿連接探頭頭部的機械結構,4個電機由可編程多軸控制器(PMAC，Delta Tau Data Systems,Inc.)控制．傳動結構如圖9所示,4種分離的直流伺服電機驅動力被通過圈套圈的形式用斜齒圓柱齒輪整合到一起,圈與圈之間采用陶瓷軸承固定,每個圈旋轉運動相互獨立,最外圍旋轉圈軸承由固定的圓柱環支架固定,該支架也是同軸線和調諧電容支撐架．

圖9　動力傳遞結構的剖視圖Fig.9The section view of the transmission structure

圖10所示為探頭內部運動核心整體的視圖(為了表述清晰,去掉外殼),該核心為共振線圈和樣品腔的活動結構．由圖10可以看出圖9所示整合的電機驅動力被分離為單獨、不同的運動,分別為X軸運動、Y軸運動、樣品旋轉運動和樣品升降運動．

如圖10,核心部分采用錐齒輪結構,在空間限制以及考慮負載非常小的前提下,盡可能地增大分度圓直徑并減小齒輪的模數來擴大錐齒輪的齒數,以保證運動精度和運動的平穩性．底部標示為Y軸旋轉為整個探頭頭部(圖10所示探頭頭部整體)可以繞豎直方向雙向旋轉提供動力,此處定義為Y軸旋轉;標示為X軸旋轉為通過底部第1層錐齒輪(從下往上第1層,以下同)沿左邊傳遞動力可以使得樣品腔繞水平軸旋轉,此處定義為X軸旋轉，如圖11所示;標示為樣品線性運動為通過底部第2層錐齒輪沿右邊外側傳遞動力到如圖12所示的蝸輪蝸桿方向轉換器，將旋轉運動轉換為升降運動,直接連接樣品并帶動樣品升降(蝸輪蝸桿方向轉換器頭部為自由旋轉平臺,這個旋轉平臺可保證樣品在被帶動旋轉過程中不影響升降運動),此處定義為樣品線性運動，如圖13所示;標示為樣品旋轉為底部第3層錐齒輪沿右邊內側傳遞動力到頭部使得樣品腔能夠繞樣品腔中心軸進行旋轉運動,此處定義為樣品旋轉，如圖14所示;樣品腔、共振線圈以及渦輪蝸桿方向轉換器被固定在X軸旋轉帶動的平臺上,受X軸旋轉動力驅動．以上各個運動不相互干涉,可同時運動也可單獨運動,最終功能都是作用到樣品和共振線圈,對這兩者進行姿態和位置的調整．

圖10　頭部整體三維視圖Fig.10the head internal detail view of the probe

圖11　X軸旋轉運動簡圖Fig.11X-axis motion sketch

圖12　微型蝸輪蝸桿方向轉換器Fig.12The micro turbine worm direction convertor

圖13　樣品升降運動簡圖Fig.13Sample lifting motion sketch

圖14　樣品旋轉運動簡圖Fig.14Sample rotation motion sketch

三維邊緣場MAS成像實驗在該機械結構下運動順序為:首先是梯度場的尋找,通過升降平臺綁定高斯計,尋找磁體邊緣場適合的梯度場,記錄升降高度,替換高斯計為探頭,并且升降探頭中樣品和共振線圈位置到高斯計尋找到的高度,此時控制Y軸旋轉電機,旋轉探頭,間斷發射射頻信號以接收回波信號，判定最終位置；繼而控制X軸旋轉電機,旋轉到與Z軸呈魔角,控制樣品旋轉電機使得樣品緩慢旋轉；同時發射射頻信號,接收回波,判斷信號優劣,在這過程中,微調X軸旋轉電機使角度在與Z軸呈魔角附近微調尋找最佳回波信號位置,完成成像先決條件——水平調整環節.需要注意的是最佳測量位置的定位行進緩慢,但由于PMAC具有可編程性能,因此降低了操作難度,在選取好平面以及角度后,保持平臺高度，鎖住X-Y軸電機(探頭運動終端采用微型鋁制氣缸摩擦鎖死功能)，并記錄平臺高度信號和X-Y軸電機旋轉參數作為數據庫．實驗時結合共振線圈射頻發射回收來控制樣品旋轉電機旋轉,同時在采集高梯度場下樣品激發區的所有數據后,控制線性升降電機對樣品進行升降，使樣品的其他部位進入待激發區，重復上述實驗步驟,完成整個樣品成像．

5結論

本文設計的機械結構很好地解決了現存一維和三維邊緣場成像中還沒有妥善解決的幾個問題:1) 運動機械結構將傳統的水平調節環節分成了X軸和Y軸2種旋轉運動,不僅使水平調節變得更加方便,而且使樣品和線圈同時調節保證了與B0的高度平行性,更重要的是:這種方式的水平調節可以保證三維邊緣場成像中B0和共振線圈之間的魔角能夠準確地達到54.74°;2) 該機械結構優化了MAS速率，使其低于0.1 Hz,通過控制高精度微米級運動的直流伺服電機來實現,同時當接收信號不好時也可以做到實時暫停旋轉甚至回轉在樣品原位置重復發射信號;3) 該結構結合了一維邊緣場成像中的樣品升降運動到三維邊緣場成像中,當所選擇的邊緣場激發層面不足以覆蓋整個樣品的時候,可以通過樣品升降使得需要被測樣品部分進入到激發層面中去,這樣便可以選擇更高的梯度場測量更長的樣品．

致謝感謝福建省高端裝備制造協同中心、半導體光電材料及其高效轉換器協同創新中心對本文研究的幫助．

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Multi-functional Adjustable Mechanical StructureDesigning in Stray Field Imaging

SHI Jianlong1,XUE Wendong1,FENG Wujun1,CHEN Zhong2,SUN Huijun2,HONG Yongqiang1*

(1.School of Aerospace Engineering,Xiamen University,2．College of Physical Science and Technology,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Abstract:In stray field imaging (STRAFI) experiments,mechanical structures which support the sample motion lack the adjustable function．In addition,the form of the sample motion is single,and the resonance coil is immobilized．These shortcomings cannot satisfy the direction of the irregular gradient at the fringe of the superconducting magnet．This paper proposes a multi-functional adjustable mechanical structure based on the research of the STRAFI．This mechanism involves the function to adjust the posture and the position of the sample as well as the resonance coil in STRAFI．It can guarantee the sample and resonance coil to be parallel to the direction of the magnet,and enables the sample to be lifted along the magnet direction when doing one-dimension (1D) STRAFI．In three-dimension (3D) STRAFI magic angle spinning (MAS),the adjustable function can ensure the magic angle between the direction of the magnet and the center of the sample and resonance coil．The mechanism can also achieve the real-time susceptive and tuning back when the echo is poor or even is absent in STRAFI-MAS．Furthermore,this mechanism integrates the lifting function into the 3D STRAFI-MAS,which can measure finer samples in higher-gradient fields in STRAFI.

Key words:stray field image;mechanical structure;multi-functional adjustable;sample lifting

doi：10.6043/j.issn.0438-0479.2016.03.024

收稿日期：2016-01-05錄用日期：2016-02-24

基金項目：國家自然科學基金(21327001)

*通信作者：hongyq@xmu.edu.cn

中圖分類號:TH 122

文獻標志碼：A

文章編號：0438-0479(2016)03-0445-06

引文格式：施建龍,薛文東,馮吳俊，等.邊緣場成像中多功能調節的機械結構設計.廈門大學學報(自然科學版)，2016,55(3)：445-450.

Citation：SHI J L,XUE W D,FENG W J,et al．Multi-functional Adjustable Mechanical Structure Designing in Stray Field Imaging.Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(3)：445-450．(in Chinese)