CN107202968B - 一种用于磁共振成像的多路匀场电流源及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于磁共振成像的多路匀场电流源及其运行方法，涉及磁共振成像领域，包括恒流源电流模块、数模转换模块、电流传感器模块和控制器模块，其中，控制器通过SPI总线与数模转换器连接，数模转换器与恒流源电流模块连接，恒流源电流模块与电流传感器模块连接，电流传感器模块通过I2C总线与控制器连接。本发明使用大功率达林顿管扩展运放的输出能力，运放与主功率输出级使用不同的电源，使得系统使用更加灵活，在所面向的感性负载且其等效串联电阻值非常低的情况下，适当降低功率级的电源电压会显著降低达林顿管的压力。每一路电流源模块配有一块电流传感器芯片进行电流监测，从而通过PID控制对电流误差进行反馈修正，从而达到匀场的目的。

Description

一种用于磁共振成像的多路匀场电流源及其运行方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像领域，尤其涉及一种用于磁共振成像的多路匀场电流源。

背景技术

磁共振匀场技术旨在消除磁场不均匀性，对提高成像质量有着重要意义。有源匀场技术是在磁体的工作腔内装有匀场线圈，匀场线圈是由若干个铜线圈阵列组成，它们有规律地分布在圆柱形匀场线圈支架的表面。这些线圈的大小、形状、位置不一，需要各自相应的外界恒流源供电，以产生所需要的修正磁场。现有技术中匀场线圈的供电方式是单个线圈对应单路电源，于是多个匀场线圈就需要多个独立电流源为之供电。

现有技术中匀场线圈的供电方式是单个线圈对应单路电源，于是多个匀场线圈就需要多个独立电流源为之供电。在实际操作过程中工作量较大。本发明研究的电流源阵列所支持的匀场线圈有别于传统的高阶球面谐波分解的线圈阵列，而是通过传统圆柱筒状外表面放置独立线圈来灵活地产生高度复杂的磁场分布。对于本发明目前所使用的48路独立线圈阵列，因此就需要48个独立匀场电流源来为之供电。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于磁共振成像的多路匀场电流源，使得可通过软件界面来分别对每一路的电源进行电流设置输出，提高匀场效率。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何通过系统级设计，灵活地产生高度复杂的磁场分布。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于磁共振成像的多路匀场电流源，包括恒流源电流模块、数模转换模块、电流传感器模块和控制器模块，其中，所述控制器模块通过SPI总线与所述数模转换器连接，所述数模转换器与所述恒流源电流模块连接，所述恒流源电流模块与所述电流传感器模块连接，所述电流传感器模块通过I2C总线与所述控制器模块连接，所述恒流源电流模块通过所述控制器模块闭环控制多路的数模转换模块和多路的电流传感器模块。

进一步地，所述恒流源电流模块包括运放、三极管和保护电容。

进一步地，所述恒流源电流模块的电路结构为：所述运放的正输入端接电阻R1和电阻R2，所述运放的负输入端接电阻R3和电阻R4，所述电阻R1接电阻Rs1的一端，所述电阻R2接偏置电压Vbias，电容C4与所述电阻R2并联，所述电阻R4接地，电容C3与所述电阻R3并联,所述电阻R3接所述电阻Rs1的另一端；所述运放的输出端接所述三极管的基极，所述三极管的发射极接电源Vdd，所述三极管的集电极接所述电阻Rs1和电容C5，所述电容C5接地；所述电阻Rs1的另一端接电阻R6、二极管的负极和负载输出端Out，所述二极管的正极接电阻R5、系统地端和负载地端GND，电容C1连接所述电阻R5和电阻R6。

进一步地，所述三极管为达令顿管。

进一步地，所述控制器模块包括单片机单元和输入单元。

进一步地，所述输入单元为按键。

进一步地，所述单片机单元包括第一单片机和第二单片机，所述第一单片机和第二单片机组合驱动所述恒流源电流模块。

进一步地，所述恒流源电流模块为48组，所述第一单片机驱动第0-29组，所述第二单片机驱动第30-47组。

进一步地，所述控制器模块通过电流传感器模块进行PID控制对电流误差进行反馈修正。

本发明还提供了一种使用所述的用于磁共振成像的多路匀场电流源的运行方法，包括以下步骤：

步骤1、系统启动时，单片机对周边设备进行初始化工作，清屏，将DAC四通道全部归零，配置电流传感器；

步骤2、初始化完成后，单片机进入主循环，扫描按键并根据按键事件与系统状态决定要显示出的内容；所述按键被配置为能够打断执行并进入设定电流状态，每个所述按键在不同系统状态下处于不同的功能模式；

步骤3、设定好电流后，系统会再次进入主循环，根据设定的电流进行检测反馈和重新调整输出，误差检测与控制采用PID控制器进行调节。

本发明所述的技术方案是基于传统Howland电路提出的一种新的电路结构，输出范围在0～500mA的线性压控恒流电路单元，改进的Howland电路设计对电流输出能力有了明显的提升。

本发明提出的改进结构使用大功率达林顿管扩展运放的输出能力，解决了运放输出能力限制所带来的系统设计限制。与此同时，运放与主功率输出级使用不同的电源，使得系统使用更加灵活方便，对于所面向的感性负载且其等效串联电阻值非常低的情况下，适当降低功率级的电源电压会显著降低达林顿管的压力，降低发热，增加可靠性。

在信号反馈过程中，增加了采样电阻进行反馈，避免了在经典结构中由于电阻R4需要与其他电阻匹配所带来的输出限制，并且使用差分反馈信号使得该电路的输入输出对应关系中不再有达林顿管的直流放大倍数这一严重影响系统输出精度的参数，更加提升了系统的精度以及可靠性。

恒流源模块单元由运放芯片、三极管、保护电容等部分组成。

本发明所述系统一共有48个线圈需要驱动，由于一片MSP430单片机最多只能驱动30路电流模块，因此需要用两片单片机同时控制48路Howland电流源模块进行输出。系统硬件架构由三片稳压电源芯片分别控制16路电流输出，每一路电流源模块配有一块电流传感器芯片对其进行电流监测，从而通过PID控制对电流误差进行反馈修正。

本发明又设计了由MSP430单片机控制多路输出的系统架构，并且由经典数字PID控制器进行闭环控制。最后整个系统的每个模块能够分别快速而精准地达到所设定的电流输出值，从而达到匀场的目的。

为了能够让电流源快速精准达到需要的电流值，好的软件算法同样重要。由于系统硬件上存在着电流传感器，整套系统有能力进行闭环控制。对于此电源设计，采用经典数字PID控制器已经能完全满足要求。

系统启动时，单片机对周边设备进行初始化工作，清屏，将DAC四通道全部归零，配置电流传感器。初始化工作完成后，单片机进入主循环，扫描按键并根据按键事件与系统状态决定要显示出的内容。按键可以打断执行并进入设定电流状态，由于只有两个按键，因此每个按键在不同系统状态下处于不同的功能模式，我们人性化地将功能合理安排，防止按错键的情况发生。设定好电流后，系统会再次进入主循环，根据设定的电流进行从理论设定到实际检测反馈到重新调整输出等一系列流程，误差检测与控制采用PI控制器进行调节。由于I2C接驳多个设备，因此我们并没有设定系统中断，仅有一个每秒钟闪烁LED一次的定时器中断用以指示系统是否正常运行。

整个系统的每个模块能够分别快速而精准地达到所设定的电流输出值，从而达到匀场的目的。改造电路的电流输出能力大幅提升，500mA电流长时间工作已经较为稳定。电流输出精度可达0.1％，符合磁共振匀场所需的电流精度要求。同时，输出电流基本在5秒内稳定。一个单片机控制全部电流源模块，可以分别对某一个或几个输出值进行微调，使得对磁场的修正可以快速精确地达到设定值，提升自动化程度。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的改进的恒流源电路图；

图2是本发明的一个较佳实施例的恒流源模块单元电路图；

图3是本发明的一个较佳实施例的主系统硬件架构示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的闭环PID控制流程图。

具体实施方式

本发明所述的用于磁共振成像的多路匀场电流源的一种较佳实施例包括恒流源电流模块、数模转换模块、电流传感器模块和控制器模块，其中，所述单片机通过SPI总线与所述数模转换器连接，所述数模转换器与所述恒流源电流模块连接，所述恒流源电流模块与所述电流传感器模块连接，所述电流传感器模块通过I2C总线与所述单片机连接。所述恒流源电流模块包括运放、三极管和保护电容。

所述恒流源电流模块的电路结构为：所述运放的正输入端接电阻R1(10KΩ)和电阻R2(100KΩ)，所述运放的负输入端接电阻R3(10KΩ)和电阻R4(100KΩ)，所述电阻R1接电阻Rs1的一端，所述电阻R2接偏置电压Vbias，电容C4(0.1μF)与所述电阻R2并联，所述电阻R4接地，电容C3(0.1μF)与所述电阻R3并联,所述电阻R3接所述电阻Rs1的另一端；所述运放的输出端接所述三极管的基极，所述三极管的发射极接电源Vdd，所述三极管的集电极接所述电阻Rs1和电容C5(100μF)，所述电容C5接地；所述电阻Rs1的另一端接电阻R6、二极管(1N4007)的负极和负载输出端Out，所述二极管的正极接电阻R5、系统地端和负载地端GND，电容C1(0.1μF)连接所述电阻R5(10Ω)和电阻R6(10Ω)。

所述三极管为达令顿管(TIP122)。所述控制器模块包括单片机单元和输入单元。所述输入单元为按键。所述单片机单元包括第一单片机和第二单片机，所述第一单片机和第二单片机组合驱动所述恒流源。所述恒流源电流模块为48组，所述第一单片机驱动第0-29组，所述第二单片机驱动第30-47组。所述控制器模块通过电流传感器模块进行PID控制对电流误差进行反馈修正。

本发明还提供了一种使用所述的用于磁共振成像的多路匀场电流源的运行方法，包括以下步骤：

步骤1、系统启动时，单片机对周边设备进行初始化工作，清屏，将DAC四通道全部归零，配置电流传感器；

步骤2、初始化完成后，单片机进入主循环，扫描按键并根据按键事件与系统状态决定要显示出的内容；所述按键被配置为能够打断执行并进入设定电流状态，每个所述按键在不同系统状态下处于不同的功能模式；

步骤3、设定好电流后，系统会再次进入主循环，根据设定的电流进行检测反馈和重新调整输出，误差检测与控制采用PID控制器进行调节。

本发明基于传统Howland电路提出一种新的电路结构，设计了输出范围在0～500mA的线性压控恒流电路单元，如图1所示，改进的Howland电路设计对电流输出能力有了明显的提升。

本发明提出的改进结构使用大功率达林顿管扩展运放的输出能力，解决了运放输出能力限制所带来的系统设计限制。与此同时，运放与主功率输出级使用不同的电源，使得系统使用更加灵活方便，对于所面向的感性负载且其等效串联电阻值非常低的情况下，适当降低功率级的电源电压会显著降低达林顿管的压力，降低发热，增加可靠性。

在信号反馈过程中，增加了采样电阻进行反馈，避免了在经典结构中由于电阻R4需要与其他电阻匹配所带来的输出限制，并且使用差分反馈信号使得该电路的输入输出对应关系中不再有达林顿管的直流放大倍数这一严重影响系统输出精度的参数，更加提升了系统的精度以及可靠性。

恒流源模块单元如图2所示，由运放芯片、NPN三极管、保护电容等部分组成。

本发明所述系统一共有48个线圈需要驱动，由于一片MSP430单片机最多只能驱动30路电流模块，因此需要用两片单片机同时控制48路Howland电流源模块进行输出。系统硬件架构设计如图3所示，由三片稳压电源芯片分别控制16路电流输出，每一路电流源模块配有一块电流传感器芯片对其进行电流监测，从而通过PID控制对电流误差进行反馈修正。

如图4所示，本发明又设计了由MSP430单片机控制多路输出的系统架构，并且由经典数字PID控制器进行闭环控制。最后整个系统的每个模块能够分别快速而精准地达到所设定的电流输出值，从而达到匀场的目的。

为了能够让电流源快速精准达到需要的电流值，好的软件算法同样重要。由于系统硬件上存在着电流传感器，整套系统有能力进行闭环控制。对于此电源设计，采用经典数字PID控制器已经能完全满足要求。PID控制器的原理图如图4所示。

系统启动时，单片机对周边设备进行初始化工作，清屏，将DAC四通道全部归零，配置电流传感器。初始化工作完成后，单片机进入主循环，扫描按键并根据按键事件与系统状态决定要显示出的内容。按键可以打断执行并进入设定电流状态，由于只有两个按键，因此每个按键在不同系统状态下处于不同的功能模式，我们人性化地将功能合理安排，防止按错键的情况发生。设定好电流后，系统会再次进入主循环，根据设定的电流进行从理论设定到实际检测反馈到重新调整输出等一系列流程，误差检测与控制采用PI控制器进行调节。由于I2C接驳多个设备，因此我们并没有设定系统中断，仅有一个每秒钟闪烁LED一次的定时器中断用以指示系统是否正常运行。

整个系统的每个模块能够分别快速而精准地达到所设定的电流输出值，从而达到匀场的目的。改造电路的电流输出能力大幅提升，500mA电流长时间工作已经较为稳定。电流输出精度可达0.1％，符合磁共振匀场所需的电流精度要求。同时，输出电流基本在5秒内稳定。一个单片机控制全部电流源模块，可以分别对某一个或几个输出值进行微调，使得对磁场的修正可以快速精确地达到设定值，提升自动化程度。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于磁共振成像的多路匀场电流源，其特征在于，包括恒流源电流模块、数模转换模块、电流传感器模块和控制器模块，其中，所述控制器模块通过SPI总线与所述数模转换模块连接，所述数模转换模块与所述恒流源电流模块连接，所述恒流源电流模块与所述电流传感器模块连接，所述电流传感器模块通过I2C总线与所述控制器模块连接，所述恒流源电流模块通过所述控制器模块闭环控制多路的数模转换模块和多路的电流传感器模块；

所述恒流源电流模块包括运放、三极管和保护电容；

所述恒流源电流模块的电路结构为：所述运放的正输入端接电阻R1和电阻R2，所述运放的负输入端接电阻R3和电阻R4，所述电阻R1接电阻Rs1的一端，所述电阻R2接偏置电压Vbias，电容C4与所述电阻R2并联，所述电阻R4接地，电容C3与所述电阻R3并联,所述电阻R3接所述电阻Rs1的另一端；所述运放的输出端接所述三极管的基极，所述三极管的发射极接电源Vdd，所述三极管的集电极接所述电阻Rs1的所述另一端和电容C5，所述电容C5接地；所述电阻Rs1的所述一端接电阻R6、二极管的负极和负载输出端Out，所述二极管的正极接电阻R5、系统地端和负载地端GND，电容C1连接所述电阻R5和电阻R6。

2.如权利要求1所述的用于磁共振成像的多路匀场电流源，其特征在于，所述三极管为达令顿管。

3.如权利要求1所述的用于磁共振成像的多路匀场电流源，其特征在于，所述控制器模块包括单片机单元和输入单元。

4.如权利要求3所述的用于磁共振成像的多路匀场电流源，其特征在于，所述输入单元为按键。

5.如权利要求3所述的用于磁共振成像的多路匀场电流源，其特征在于，所述单片机单元包括第一单片机和第二单片机，所述第一单片机和第二单片机组合驱动所述恒流源电流模块。

6.如权利要求5所述的用于磁共振成像的多路匀场电流源，其特征在于，所述恒流源电流模块为48组，所述第一单片机驱动第0-29组，所述第二单片机驱动第30-47组。

7.如权利要求1所述的用于磁共振成像的多路匀场电流源，其特征在于，所述控制器模块通过所述电流传感器模块进行PID控制对电流误差进行反馈修正。

8.一种使用如权利要求4所述的用于磁共振成像的多路匀场电流源的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、所述用于磁共振成像的多路匀场电流源启动时，所述单片机单元对周边设备进行初始化工作，清屏，将数模转换模块四通道全部归零，配置电流传感器模块；

步骤2、初始化完成后，所述单片机单元进入主循环，扫描按键并根据按键事件与所述用于磁共振成像的多路匀场电流源状态决定要显示出的内容；所述按键被配置为能够打断执行并进入设定电流状态，每个所述按键在不同状态下处于不同的功能模式；

步骤3、设定好电流后，所述单片机单元会再次进入主循环，根据设定的电流进行检测反馈和重新调整输出，误差检测与控制采用PID控制器进行调节。