超導磁共振主磁體勵磁測控系統設計與開發

余相泉，朱建明

(中國計量大學 信息工程學院 生物醫學工程研究所，杭州 310018)

超導磁共振主磁體勵磁測控系統設計與開發

余相泉，朱建明

(中國計量大學 信息工程學院 生物醫學工程研究所，杭州 310018)

醫用超導磁共振主磁體在勵磁過程中出現的交流損耗和傳導漏熱等情況，是超導磁體失超的根本原因；為了控制和保證勵磁過程的穩定性、可靠性和安全性，開發和完善勵磁的測控系統就顯得格外重要；設計并開發了基于LabVIEW平臺的超導磁共振主磁體勵磁測控系統；系統數據通過在虛擬儀器平臺上調用動態鏈接庫文件(DLL)，控制泰克公司KE2700系列集成式采集卡采集得到；傳感器選擇根據相應功能需要配置；操作臺儀器控制、數據采集程序和人機界面由LabVIEW編寫；搭配保護電路，保護超導線圈，降低失超損失；實現數據采集、參數控制、失超保護、勻場測試等功能。系統滿足設計開發目的，平臺搭建穩定可靠；功能相對完善，具體操作簡易，交互界面友好，后期修改和功能擴展靈活；經工程實際運行測試驗證，提高了研究和工作效率，達到設計要求，有實際應用價值。

勵磁系統；數據采集；LabVIEW；動態鏈接庫；失超保護

0 引言

近幾十年來，超導磁體憑借其無損耗的獨特性和優越性使超導技術得到快速的發展和廣泛的推廣[1]。在我國礦產資源漸漸匱乏的情況下，超導設備磁體憑借其高磁場強度、高圖像信噪比和將近95%的高能量返回率[2]等一系列優點，超越永磁型磁體成為醫用磁共振成像磁體的主流。超導磁共振結構復雜，超導線圈對液氦浸泡的低溫環境要求特殊。在外加電源供電勵磁的過程中，外界一系列的特殊情況會導致磁體線圈溫度超過超導臨界溫度，失超情況隨之而來。在目前工程實際中，超導磁體勵磁過程的穩定性和安全性問題依然突出。因此，設計超導磁共振主磁體勵磁測控系統就有一定的實際應用價值。針對測試數據的準確性、實時性和超導磁體的復雜性，系統多通道監測實時數據、保護電路控制磁體失超。

本文采用NI公司的圖形化編程語言LabVIEW作為開發平臺，設計數據采集與測量控制程序。LabVIEW軟件憑借各式各樣的圖形化功能函數、高效的編程方式、前面板和程序框圖的“雙顯示”及應用、安裝程序等，在數據采集和儀器控制方面有其獨特的優勢，能有效實現采集數據的分析、處理和顯示，滿足功能設計需求[3]。

DLL是動態鏈接庫文件，在Windows環境下，通過程序共享實現對特定函數和代碼的加載，執行相應任務。DLL的使用可以輕松實現程序的模塊化，彼此相互獨立；并且通過調用相關函數以便內存的高效利用，加載速度快。

1 系統組成及工作原理

磁共振成像系統是現代醫療的一類檢查與診斷設備，其利用氫原子核在高磁場下受射頻脈沖影響產生的共振現象形成圖像。超導型磁共振設備復雜度高于永磁型設備，其復雜的制冷系統和特殊的多層絕熱真空結構均是永磁型不具備的，其中制冷系統包括冷頭、壓縮機和水冷機組三部分，用于建立并維持4.2 K超導環境。在實際應用中，由于結構限制和傳導漏熱等多種因素，液氦吸收熱量導致低溫環境破壞，會引起失超。

本文針對超導型磁共振設備的特殊性，以1.5 T圓筒型超導磁共振為例，設計與開發超導勵磁測控系統，主要包括：測量模塊、儀器控制、保護電路和操作臺等，系統組成如圖1所示。測量模塊部分主要由各種傳感器、數據采集卡和驅動程序組成，通過相應的采集數據，實時監測液氦容器壁待測位置溫度、磁體圓筒內部磁場強度和液氦高度位置信息；儀器控制程序設計于LabVIEW平臺，數據流內容由測試模塊采集的數據經過設計的公式程序計算而來，通過程序框圖和前面板實現數據采集類型、參數的實時控制和數據波形界面顯示；失超保護部分由超導開關和保護電阻組成，超導開關在加熱系統工作下會產生電阻變化，由于超導開關電阻大小的變化，保護電路分別形成由外加電源和超導線圈組成的充磁回路、由超導開關和超導線圈組成的超導回路，其中超導線圈吸收能量保證勵磁過程穩定，而在超導線圈失超情況下，保護電阻吸收能量，升溫散熱以保證超導線圈安全，降低損失。

圖1 系統組成框圖

數據采集卡為泰克公司的KE2700系列，其適用于電阻、電流、電壓測量等一系列的工程實際應用，操作人員可以在LabVIEW平臺上利用設計開發的系統DLL文件輕松的實現儀器控制與工程測量。針對非常規的多點低溫測量，利用其20通道多路復用器差分模塊和各種RTD內置算法，輕松創建低溫測試系統，實現多通道數據實時監視，無需中斷便可快速查看通道數據，搭配應急保護算法，智能判斷數據準確性和正確性并可以通過LabVIEW錯誤簇迅速、精準的反饋給開發和操作人員。

2 系統硬件構成

2.1 低溫測量

超導磁共振依靠獨特的制冷系統維持超導環境，其中液氦循環結構如圖2所示，低溫測量硬件組成為：

1)分別安裝2支CernoxTM電阻傳感器于制冷機一級和二級冷頭(圖2中①和③)兩個位置。由于連接液氦容器，冷頭溫度應接近液氦溫度4.2 K。CernoxTM最低溫度限制為100 mK，全量程溫度范圍內靈敏度良好；4.2 K環境下的熱響應時間僅為1.5毫秒，反應快速；較低的磁阻抗適應高磁場環境，測量誤差小；封裝形式穩固，適用于該處特殊的溫度測量環境。開發人員采集電阻數據，根據對應傳感器公式計算溫度信息。

2)分別安裝4支鉑電阻溫度計PT100于冷頭連接處、頸管連接處、50 K冷屏和孔管(圖2中②④⑤⑥)四個位置，必要時可以配上加熱設備，用以維持限定溫度。鉑電阻在標準測量范圍內阻值的溫度曲線符合標準工業變化曲線，可被用于14 K環境下，價格便宜，安裝簡單，適合此處高測量重復率的溫度測量。開發人員采集電阻數據，根據對于傳感器公式計算溫度信息。

圖2 超導磁體液氦循環結構示意圖

3)分別安裝3支TMI-CCS碳電阻于主磁體液氦容器壁的上中下三端。液氦并不會充滿液氦容器，往往最上端的碳電阻并不會浸泡在液氦之中。碳電阻受磁場、壓力等外界因素影響小，由石墨顆粒制成，放置于磁體內部，適用于此處液氦溫區的溫度測量。碳電阻有著較高的靈敏度，并且由于尺寸小，安裝便利，適合前期實驗測試和固定密封狀況下使用。

傳感器、溫度計、碳電阻測量連接方式為最簡單的兩線制，為消除測試引線的電壓下跌和接觸電阻等影響因素而導致的測量誤差，測試電路需在工作溫度范圍內進行二次校準，提前測得外界影響電阻R1，因此傳感器電阻值R0為：

R0=R-R1

(1)

其中:R為2700采集卡獲取的電阻信號數據。根據測試所得電阻值計算溫度數據，其中碳電阻電阻溫度曲線參數公式為：

(2)

其中:R為碳電阻阻值，T(R)為碳電阻溫度，K1、K2、K3為碳電阻系數，以碳電阻為例，根據其M010003型號碳電阻系數文本文件標定，其值分別為3.742、258.701和-43.425，具有負的電阻系數，且曲線光滑。

2.2 磁性測量

超導線圈由超導線經過特殊的方式繞制而成，并通上電流產生磁場，一般以中心一定區域范圍內磁場強度達到要求并誤差控制在合理范圍內為合格標準。

安裝一只HGCA-3020低溫軸向霍爾傳感器于自主設計的測試架上，置于圓筒中心位置，并配上LakeShore425高斯計，必要時可以搭配手持式便攜高斯計。

高斯計測量量程為150 mG至250 kG，勵磁過程中，利用校零過后的探頭，采用直流測量模式，測試中心磁場。如中心磁場達到設計要求，利用霍爾傳感器測試中心具體位置場強和均勻區域。

HGCA-3020霍爾傳感器采用酚醛樹脂封裝，最低工作環境為1.5 K，4 K時磁場靈敏度變化參數僅為-0.7%；測試空間為半徑250 mm的球形面，共12條測試線，每條測試線包含22個測試點，共242個測試點；測試架傳感器固定點可以螺旋轉動，各個測試點隨著固定點的移動逐一測試；僅采用一只霍爾傳感器是為控制相對誤差，并利用測試點數據絕對信息計算磁場均勻性，一般均勻磁場不均勻度不超過10 ppm。

2.3 液氦液位監測

安裝液氦液位監測設備于液氦容器內。其由超導線制成，利用液氦液面高低導致淹沒部位多少，而產生的電阻變化測得液氦液位信息，其有效長度為600 mm。利用四線測量連接方式測電阻，一端接電源通電流，另一端測電壓。通過轉換和計算，在操作臺界面顯示液氦液位百分比信息。

3 軟件部分

3.1 軟件結構設計

LabVIEW作為一種圖形化編程語言，其程序運行為線程模式，利用高亮執行可以直觀查看程序運行進度及數據的走向。通過創建功能子VI規范化程序框圖，并清晰化系統框圖為儀器控制與通信、數據采集與處理、數據顯示與儲存這3個主要的模塊。

儀器控制與通信模塊通過在程序框圖中調用動態鏈接庫文件實現操作臺對采集設備的控制；通過串口通信實現操作臺與采集設備的通信。數據采集與處理模塊通過多線程的并行程序框圖同步采集包括不同參數的多種監測數據，放置于循環中判斷人機界面參數變化以提高程序效率；每一種測量數據創建了用于緩存數據的相應隊列，利用隊列狀態機的多生產者-多消費者構架(DEMO)實現生產者事件結構讀入、消費者事件結構讀出；根據采集到的原始數據和相應的計算公式，設計數據轉換子vi，計算出目標數據。數據顯示與儲存模塊通過將Waveform Chart函數放置于循環結構中，完成實時顯示；前面板具有人性化的交互界面，包含三端溫度顯示圖、液氦液位信息圖、冷頭溫度儀表圖、報警指示燈及一些參數控制框；利用Open/Create/Replace File.vi和Write to Text File Function.vi創建和寫入數據文本文件，以便操作人員查看和保存數據；系統通過LabVIEW平臺提供的數據庫連接工具包(Database Connectivity Toolkit)連接本地或遠程數據庫。

3.2 數據通信

虛擬儀器軟件結構(virtual instrument software architecture，VISA)是LabVIEW平臺上用于控制儀器I/O的應用編程接口[4]，可實現儀器與操作臺包括COM、GPIB、USB在內的多種接口的通信，無需詳細了解復雜的通信協議，便可在程序框圖之上輕松實現相應驅動程序的設計。

本系統操作臺通過COM串口與滿足RS232協議的KE2700實現數據通訊，調用“VISA Configure Serial Port VI”、“VISA Write Function”、“ VISA Read Function”等VISA函數庫中的子VI對接口進行初始化配置、寫入控制指令、讀出返回數據，其中波特率9600bps、數據位8 bits 。

3.3 儀器配置與測試

在LabVIEW平臺上對KE2700進行系統配置以完成數據采集任務。如圖3所示，測試連接方式為兩線，利用設計的子vi搭建數據采集程序框圖，通過調用“KE2700初始化”、“KE2700通道設置”、“KE2700測量配置”、“KE2700觸發啟動”、“KE2700啟動”、“KE2700多點讀取”及一些串口函數，選擇數據通道為212、213、214三個，選擇測量功能為2-Wire Resistance，選擇數據最大范圍為10000，選擇觸發源為Immediate，選擇觸發個數和采樣個數分別為1和3，控制KE2700儀器參數及采集方式以滿足設計要求，并置KE2700 Read Multi-Point.vi于循環結構之中，設置采樣循環時間，不斷讀取串口傳來的采集數據， 最后保存至文本文件，完成測試任務。

圖3 KE2700初始化配置簡要示意圖

3.4 動態鏈接庫

配置LabVIEW平臺的Call LibraryFunc-tion節點以完成對開發的DLL庫函數的調用，通過“Configure…”打開配置屬性對話框，選擇鏈接庫位置路徑及文件名、鏈接庫功能函數、功能函數輸入輸出數據變量名及類型等。

如圖4所示為KE2700系列采集卡初始化函數內部程序框圖，利用配置節點完成創建函數圖形化輸入輸出類型及相關操作，并在保證程序安全的情況下，選擇以滿足多線程的“run in any Thread”方式調用鏈接庫函數“KE2700 InitWithOptions”。

圖4 KE2700初始化函數內部程序框圖

4 失超保護

磁體失超即線圈由超導體變成常導體，往往伴隨著環境溫度變化，并對超導線圈產生一定程度的破壞。因此，系統通過采集的實時溫度數據監測系統狀態，并建立失超保護機制，降低失超可能性和損失成本。失超保護系統組成框圖和電路簡要示意圖如圖5～6所示。

圖5 失超保護系統組成框圖

圖6 失超保護電路簡要示意圖

主線圈、超導開關和保護電阻以并聯的連接方式置于液氦容器內。超導開關由超導線制作而成，加熱系統工作，超導開關電阻上升，形成主線圈和外接電源的充磁循環回路，階段性提升電流用于步驟充磁；加熱系統停止工作，超導開關超導，拔掉外接電源，形成主線圈和超導開關的無電阻循環回路。主線圈配加熱系統同樣用于改變其電阻保護超導線圈。系統失超時，儲存在無電阻循環回路中的能量由保護電阻發熱釋放，導致溫度升高，同時液氦揮發，帶走熱量，保護超導線圈。

5 測試結果與分析

本系統在工程實際中經過72小時的連續測試，數據采集間隔為1秒，串口通道選擇為COM1，標定文本文件根據磁體和傳感器手動選取。系統測試顯示界面如圖7所示，三端溫度和冷屏等處溫度實現實時顯示，且波形顯示良好，若溫度超過預定范圍，報警指示燈提示；液氦容器液位信息顯示準確；失超保護電路正常配備，失超保護指示燈未提示，失超保護未啟動；采集數據后臺以文本文件保存至本地，以備數據查詢和分析。

圖7 測試實現顯示界面

測試結果顯示該系統滿足勵磁過程的測控要求。三端溫度均浮動于4.2 K上下，擺動范圍合理，且數據準確。勵磁穩定后，通過鐵片補償，測試架范圍內磁場達到設計要求場強，并且均勻穩定。因此，本文系統不僅僅滿足勵磁測控要求，在勻場測試和磁共振工作狀態下依然適用并且有效。

6 結語

本文設計基于LabVIEW平臺的超導磁共振主磁體勵磁測控系統，采用隊列狀態機的多生產者-多消費者構架(DEMO)，調用動態鏈接數據庫(DLL)文件控制KE2700完成數據采集任務，保證了勵磁系統穩定性、可靠性和安全性。該系統多線程和模塊化的結構設計易于后期修改和功能擴展，全面并且準確的傳感器和測試點選擇為越來越多的超高場磁共振設備的勵磁過程提供了測控系統的設計基礎和參考。

[1] 金建勛, 等. 高溫超導體及其強電應用技術[M]. 北京：冶金工業出版社，2009.

[2] 楊志達, 韓偉實, 周 杰. 基于LabVIEW的超導磁體數采與測控系統研究[J]. 超導技術, 2007,35(6):3512-514,519.

[3] 侯國屏, 王 坤, 葉齊鑫. LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2005：1-4.

[4] 蔣 薇, 張曉波, 等. 基于LabVIEW的儀器通信技術研究[J]. 計算機測量與控制，2013,21(4):1030-1032.

Design and Development of a Magnetic Field Ramping Control and Measurement System for Superconducting MRI

Yu Xiangquan, Zhu Jianming

(Department of Biomedical Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

AC loss and conduction heat leakage are the main cause of magnetic quench during magnetic field ramping for superconducting MRI systems. In order to maintain the stability and safety of field ramping process, it is important to have a well-designed field ramping control and measurement system. In this study, a field ramping control and measurement system was designed and developed using the LabVIEW platform. System data were acquired through using dynamic linked library, DLL-controlled Tektronix KE2700 system. The selection of transducers was based on required system functionality and specification. System control platform, data acquisition program and user interface (UI) was developed on workstation using LabVIEW with easy modification of acquisition parameters through UI. Quench protection resistance can protect the superconducting coil from loss of energy, and loss of superconductivity. System met the design requirement, and the established platform was stable and reliable, with relatively complete functionality. System is easy to operate, with user-friendly interface, and easy for future expansion and debugging. After detailed engineering test and practice, it was shown that the system design and application requirement can be met, and system design goals were achieved. With its improved efficiency, this study has great value in actual application for superconducting magnets.

magnet field ramping system; data acquisition; LabVIEW; DLL-dynamic linked library; superconducting loss protection

2016-11-21；

2017-01-05。

余相泉(1994-)，男，浙江省衢州市人，碩士研究生，主要從事磁共振系統測試、圖像重建方向的研究。

朱建明(1963-)，男，教授，碩士，博士研究生導師，主要從事磁共振系統及醫學物理方向的研究。

1671-4598(2017)05-0007-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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