CN112763954A - 基于双极磁体角动量调节装置及核磁共振成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核磁共振技术领域，具体地说，涉及基于双极磁体角动量调节装置及核磁共振成像方法。其包括磁体摆和设置在磁体摆底部的磁体架，所述磁体摆包括磁体摆环和设置在磁体摆环底部的摆柱。本发明中通过驱动收线盘逆时针转动带动调节绳缠绕在其外部进行收缩，并拉动摆柱收缩进滑套内，实现半径的减小，并且，驱动收线盘反向转动，使调节绳放出，受到弹簧的弹力作用摆柱向远离滑套的方向移动，从而实现了半径的增大，进而通过半径的调节实现角动量的改变，另外电力驱动模块利用PD算法和分配算法大大提高了半径调节的精确度。

Description

基于双极磁体角动量调节装置及核磁共振成像方法

技术领域

本发明涉及核磁共振技术领域，具体地说，涉及基于双极磁体角动量调节装置及核磁共振成像方法。

背景技术

目前，核磁共振成像运用到了很多领域，最为广泛的就是医疗上，核磁共振成像是利用核磁共振原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像，但在使用时角动量的调节都是固定的数据调节，无法根据磁体的情况进行精确的计算和调节，从而大大降低了核磁共振的成像质量。

发明内容

本发明的目的在于提供基于双极磁体角动量调节装置及核磁共振成像方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明目的之一在于，提供了基于双极磁体角动量调节装置，包括磁体摆和设置在磁体摆底部的磁体架，所述磁体摆包括磁体摆环和设置在磁体摆环底部的摆柱，所述磁体架顶部设有转接壳，所述摆柱的外部套设有滑套，所述滑套底部设有与转接壳转动连接的连接球，以将磁体摆环和磁体架连接形成双极磁体，另外，所述连接球为中空结构，连接球顶部和底部均开设有穿孔，所述磁体架底部设有安装壳，所述安装壳的内部位于磁体架的底部设有两个导向轮，其中远离磁体架的导向轮顶部转动连接有收线盘，所述收线盘的一侧设有电力驱动装置，并与其输出轴固定连接，电力驱动装置还包括角动量调节单元，收线盘的外部安装有调节绳，调节绳依次绕过两个导向轮与摆柱固定连接，摆柱的底部还安装有弹簧。

作为本技术方案的进一步改进，所述连接球的内部对称设有两个导向轮，导向轮与连接球转动连接，另外，两个导向轮贴合形成一个圆形通槽，用于对调节绳进行限位。

本发明目的之二在于，提供了基于双极磁体角动量调节的核磁共振成像方法，包括上述中任意一项所述的基于双极磁体角动量调节装置，包括如下方法步骤：

S1、动量建模：根据所述磁体摆环和磁体架之间的旋转半径建立动量模型；

S2、磁体分析：利用建立的动量模型对磁体间的场强进行分析；

S3、动量计算：利用动量模型对场强内的原子核旋转的角动量进行计算，并生成结果报告数据；

S4、动量调节：角动量调节单元根据生成的结果报告数据对原子核旋转的角动量进行相应的调节；

S5、磁矩成像：对原子核旋转的角动量进行磁矩检测，并生成原子核的磁共振图像。

作为本技术方案的进一步改进，所述S1.1中建立的动量模型公式如下：

其中，h为原子核旋转的角动量；T为扰动力矩；r为磁体摆环和磁体架之间的旋转半径；

为角动量变化率；I为双极磁体间的惯性阵。

作为本技术方案的进一步改进，所述双极磁体间的惯性阵的转动角速度和姿态四元素之间的函数表达式如下：

其中，q为惯性阵的姿态四元素；ω为惯性阵的转动角速度。

作为本技术方案的进一步改进，所述S1.2中场强分析算法公式如下：

B₀＝N₀KλfB_maxμ₀；

其中，B₀为双极磁体间的场强；K为退化因子；λ填充因子；B_max为双极磁体间的最大场强；μ₀为磁场迭加值；N₀为迭加层数；f为电流密度。

作为本技术方案的进一步改进，所述S1.4中角动量调节单元包括报告数据接收模块、数据转换模块、命令传输模块和电力驱动模块；所述报告数据接收模块用于接收角动量计算的结果报告数据；所述数据转换模块用于将接收结果报告数据转换成相应的调节电信号；所述命令传输模块用于将调节电信号传输至电力驱动模块，通过电力驱动模块控制电力驱动装置的输出轴进行转动。

作为本技术方案的进一步改进，所述数据转换模块采用数模转换器。

作为本技术方案的进一步改进，所述电力驱动模块还包括角动量调节模块，角动量调节模块用于对驱动的角动量进行计算。

作为本技术方案的进一步改进，所述角动量调节模块中角动量计算采用PD算法，其算法公式如下：

其中，k_p和k_d为PD的控制系数，q_d为惯性阵的姿态四元素的期望值；ω_d惯性阵的转动角速度期望值。

与现有技术相比，本发明的有益效果：通过驱动收线盘逆时针转动带动调节绳缠绕在其外部进行收缩，并拉动摆柱收缩进滑套内，实现半径的减小，并且，驱动收线盘反向转动，使调节绳放出，受到弹簧的弹力作用摆柱向远离滑套的方向移动，从而实现了半径的增大，进而通过半径的调节实现角动量的改变，另外电力驱动模块利用PD算法和分配算法大大提高了半径调节的精确度。

附图说明

图1为实施例1的整体结构示意图；

图2为实施例1的磁体摆结构示意图其一；

图3为实施例1的磁体摆结构示意图其二；

图4为实施例1的磁体架结构示意图；

图5为实施例1的转接壳结构示意图；

图6为实施例1的安装壳结构示意图；

图7为实施例1的双极磁体角动量调节的核磁共振成像方法步骤流程图。

图中各个标号意义为：

100、磁体摆；

110、磁体摆环；111、动量球；112、连接盘；

120、摆柱；

130、滑套；131、连接球；1311、穿孔；1312、导向轮；132、弹簧；

200、磁体架；210、转接壳；

300、安装壳；

310、连接套；320、电力驱动装置；321、收线盘；

400、调节绳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

请参阅图1-图7所示，本实施例目的之一在于，提供了基于双极磁体角动量调节装置，包括磁体摆100和设置在磁体摆100底部的磁体架200，磁体摆100包括磁体摆环110和设置在磁体摆环110底部的摆柱120，磁体摆环110的内部设有连接盘112，连接盘112和摆柱120通过螺栓连接固定，且连接盘112与磁体摆环110之间通过固定柱连接，通过螺栓连接方便后期进行拆卸或者更换，磁体架200顶部设有转接壳210，摆柱120的外部套设有滑套130，滑套130底部设有与转接壳210转动连接的连接球131，以将磁体摆环110和磁体架200连接形成双极磁体，另外，连接球131为中空结构，连接球131顶部和底部均开设有穿孔1311，磁体架200底部设有安装壳300，安装壳300的内部位于磁体架200的底部设有两个导向轮1312，其中远离磁体架200的导向轮1312顶部转动连接有收线盘321，收线盘321的一侧设有电力驱动装置320，并与其输出轴固定连接，电力驱动装置320还包括角动量调节单元，收线盘321的外部安装有调节绳400，调节绳400依次绕过两个导向轮1312与摆柱120固定连接，摆柱120的底部还安装有弹簧132。

本实施例中双极磁体角动量调节装置通过安装孔和螺栓配合安装在核磁共振仪上，本实施例采用连续波核磁共振仪，其包括射频发射器、检测器和放大器、记录仪等；另外磁体摆环110和磁体架200上备有扫描线圈，用它来保证磁铁产生的磁场均匀，并能在一个较窄的范围内连续精确变化；射频发射器用来产生固定频率的电磁辐射波；检测器和放大器用来检测和放大共振信号；记录仪将共振信号绘制成共振图谱，在具体使用时首先将电力驱动装置320接通电源，其中电力驱动装置320优选采用电机，通过其输出轴与收线盘321固定连接，然后利用电力驱动模块进行控制，分为两种情况：其一，若需要减小磁体摆环110旋转半径时，驱动收线盘321逆时针转动带动调节绳400缠绕在其外部进行收缩，并通过导向轮1312进行对调节绳400导向，而后拉动摆柱120收缩进滑套130内，实现半径的减小；其二，若需要增大磁体摆环110旋转半径时，驱动收线盘321反向转动，使调节绳400放出，然后受到弹簧132的弹力作用摆柱120向远离滑套130的方向移动，从而实现了半径的增大，进而通过半径的调节实现角动量的改变，另外电力驱动模块利用PD算法和分配算法大大提高了半径调节的精确度。

进一步的，为了提高磁体摆环110转动时产生的动量，磁体摆环110内部为中空结构，以形成活动空腔，活动空腔内部不规则分布有多个动量球111，使用时在磁体摆环110转动的过程中，离心力作用使活动空腔内的不规则的动量球111全向远离圆心的一侧移动，以提高磁体摆环110外围的重力，进而提高磁体摆环110在转动时产生的动量。

再进一步的，为了降低连接球131绕转接壳210转动时对调节绳400的磨损，连接球131的内部对称设有两个导向轮1312，导向轮1312与连接球131转动连接，另外，两个导向轮1312贴合形成一个圆形通槽，用于对调节绳400进行限位，从而防止调节绳400在连接球131绕转接壳210转动时与转动点接触造成摩擦，以降低摩擦对调节绳400造成的损伤，进而延长其使用寿命，同时通槽对调节绳400限位后，还能起到导向的作用。

具体的，为了便于对磁体架200进行拆卸，安装壳300的顶部还设有连接套310，连接套310与磁体架200螺纹连接，因此在使用时，通过对磁体架200进行转动实现安装，拆卸时反向转动即可，另外安装壳300的底部向外弯折，形成安装板，安装板上开设有多个安装孔，从而通过螺栓与安装孔配合实现对整个装置的安装。

本实施例目的之二在于，提供了基于双极磁体角动量调节的核磁共振成像方法，包括上述中任意一项的基于双极磁体角动量调节装置，包括如下方法步骤：

S1、动量建模：根据磁体摆环110和磁体架200之间的旋转半径建立动量模型；

S2、磁体分析：利用建立的动量模型对磁体间的场强进行分析；

S3、动量计算：利用动量模型对场强内的原子核旋转的角动量进行计算，并生成结果报告数据；

S4、动量调节：角动量调节单元根据生成的结果报告数据对原子核旋转的角动量进行相应的调节；

S5、磁矩成像：对原子核旋转的角动量进行磁矩检测，并生成原子核的磁共振图像。

此外，S1.1中建立的动量模型公式如下：

其中，h为原子核旋转的角动量；T为扰动力矩；r为磁体摆环110和磁体架200之间的旋转半径；

为角动量变化率；I为双极磁体间的惯性阵。

除此之外，双极磁体间的惯性阵的转动角速度和姿态四元素之间的函数表达式如下：

其中，q为惯性阵的姿态四元素；ω为惯性阵的转动角速度。

此外，角动量的结果报告数据中的调节算法采用PD算法，其算法公式如下：

其中，k_p和k_d为PD的控制系数，q_d为惯性阵的姿态四元素的期望值；ω_d惯性阵的转动角速度期望值；通过目前磁体摆环110姿态四元素的角速度和通过和q_d、ω_d进对比得出偏差e_q和e_ω，然后通过e_q和e_ω计算出输出轴的旋转方向和输出力矩T_c，以通过磁体摆环110旋转半径的改变达到预定期望。

另外，通过电力驱动模块分配算法对电力驱动装置320进行控制，其算法公式如下：

其中，Ω_w为磁体摆环110当前的转速；Ω_c为磁体摆环110期望的转速；J_w为磁体摆环110的惯性阵；ΔT为控制周期；R_mb为控制输出力矩的分配矩阵。

进一步的，S1.2中场强分析算法公式如下：

B₀＝N₀KλfB_maxμ₀；

其中，B₀为双极磁体间的场强；K为退化因子；λ填充因子；B_max为双极磁体间的最大场强，其大小随磁体摆环110和磁体架200之间的旋转半径而变化；μ₀为磁场迭加值；N₀为迭加层数；f为电流密度。

再进一步的，S1.4中角动量调节单元包括报告数据接收模块、数据转换模块、命令传输模块和电力驱动模块；报告数据接收模块用于接收角动量计算的结果报告数据；数据转换模块用于将接收结果报告数据转换成相应的调节电信号；命令传输模块用于将调节电信号传输至电力驱动模块，通过电力驱动模块控制电力驱动装置320的输出轴进行转动。

具体的，数据转换模块采用数模转换器，其中，数模转换器脑壳数字寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和基准电压源；用存于数字寄存器的数字量的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为1的位在位权网络上产生与结果报告数据位权成正比的电流值，再由运算放大器对各电流值求和，并转换成电压值。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.基于双极磁体角动量调节装置，包括磁体摆(100)和设置在磁体摆(100)底部的磁体架(200)，所述磁体摆(100)包括磁体摆环(110)和设置在磁体摆环(110)底部的摆柱(120)，其特征在于：所述磁体架(200)顶部设有转接壳(210)，所述摆柱(120)的外部套设有滑套(130)，所述滑套(130)底部设有与转接壳(210)转动连接的连接球(131)，以将磁体摆环(110)和磁体架(200)连接形成双极磁体，另外，所述连接球(131)为中空结构，连接球(131)顶部和底部均开设有穿孔(1311)，所述磁体架(200)底部设有安装壳(300)，所述安装壳(300)的内部位于磁体架(200)的底部设有两个导向轮(1312)，其中远离磁体架(200)的导向轮(1312)顶部转动连接有收线盘(321)，所述收线盘(321)的一侧设有电力驱动装置(320)，并与其输出轴固定连接，电力驱动装置(320)还包括角动量调节单元，收线盘(321)的外部安装有调节绳(400)，调节绳(400)依次绕过两个导向轮(1312)与摆柱(120)固定连接，摆柱(120)的底部还安装有弹簧(132)。

2.根据权利要求1所述的基于双极磁体角动量调节装置，其特征在于：所述连接球(131)的内部对称设有两个导向轮(1312)，导向轮(1312)与连接球(131)转动连接，另外，两个导向轮(1312)贴合形成一个圆形通槽，用于对调节绳(400)进行限位。

3.基于双极磁体角动量调节的核磁共振成像方法，包括权利要求1-2中任意一项所述的基于双极磁体角动量调节装置，其特征在于：包括如下方法步骤：

S1、动量建模：根据所述磁体摆环(110)和磁体架(200)之间的旋转半径建立动量模型；

S2、磁体分析：利用建立的动量模型对磁体间的场强进行分析；

S3、动量计算：利用动量模型对场强内的原子核旋转的角动量进行计算，并生成结果报告数据；

S4、动量调节：角动量调节单元根据生成的结果报告数据对原子核旋转的角动量进行相应的调节；

S5、磁矩成像：对原子核旋转的角动量进行磁矩检测，并生成原子核的磁共振图像。

4.根据权利要求3所述的基于双极磁体角动量调节的核磁共振成像方法，其特征在于：所述S1.1中建立的动量模型公式如下：

其中，h为原子核旋转的角动量；T为扰动力矩；r为磁体摆环(110)和磁体架(200)之间的旋转半径；

为角动量变化率；I为双极磁体间的惯性阵；。

5.根据权利要求4所述的基于双极磁体角动量调节的核磁共振成像方法，其特征在于：所述双极磁体间的惯性阵的转动角速度和姿态四元素之间的函数表达式如下：

其中，q为惯性阵的姿态四元素；ω为惯性阵的转动角速度。

6.根据权利要求4所述的基于双极磁体角动量调节的核磁共振成像方法，其特征在于：所述S1.2中场强分析算法公式如下：

B₀＝N₀KλfB_maxμ₀；

其中，B₀为双极磁体间的场强；K为退化因子；λ填充因子；B_max为双极磁体间的最大场强；μ₀为磁场迭加值；N₀为迭加层数；f为电流密度。

7.根据权利要求4所述的基于双极磁体角动量调节的核磁共振成像方法，其特征在于：所述S1.4中角动量调节单元包括报告数据接收模块、数据转换模块、命令传输模块和电力驱动模块；所述报告数据接收模块用于接收角动量计算的结果报告数据；所述数据转换模块用于将接收结果报告数据转换成相应的调节电信号；所述命令传输模块用于将调节电信号传输至电力驱动模块，通过电力驱动模块控制电力驱动装置(320)的输出轴进行转动。

8.根据权利要求7所述的基于双极磁体角动量调节的核磁共振成像方法，其特征在于：所述数据转换模块采用数模转换器。

9.根据权利要求7所述的基于双极磁体角动量调节的核磁共振成像方法，其特征在于：所述电力驱动模块还包括角动量调节模块，角动量调节模块用于对驱动的角动量进行计算。

10.根据权利要求9所述的基于双极磁体角动量调节的核磁共振成像方法，其特征在于：所述角动量调节模块中角动量计算采用PD算法，其算法公式如下：

其中，k_p和k_d为PD的控制系数，q_d为惯性阵的姿态四元素的期望值；ω_d惯性阵的转动角速度期望值。

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