ES2251066T3 - Sistema de compensacion activa de las perturbaciones del campo magnetico en la tomografia de resonancia magnetica nuclear. - Google Patents
Sistema de compensacion activa de las perturbaciones del campo magnetico en la tomografia de resonancia magnetica nuclear.Info
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Abstract
EL SISTEMA TIENE EL PROPOSITO DE DISMINUIR LA PERTURBACION DE CAMPO MAGNETICO, CASI ESTATICA O LENTAMENTE VARIABLE (BANDA DE FRECUENCIA < DE 100 HZ) QUE PUEDE AFECTAR A TOMOGRAFOS NMR COLOCADOS CERCA DE MASAS DE METAL EN MOVIMIENTO, CABLES ELECTRICOS, TANTO DE CORRIENTE ALTERNA COMO DE CORRIENTE CONTINUA, ETC Y POR LO TANTO PODRIA COMPROMETER SU FUNCIONAMIENTO APROPIADO; EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS ES EL SIGUIENTE: EN PRESENCIA DE UN CAMPO DE PERTURBACION DE RUIDO B LEIDO POR UNA SONDA DE CAMPO MAGNETICO, COLOCADA A UNA DISTANCIA APROPIADA DEL IMAN, EL SISTEMA GENERA AUTOMATICAMENTE, DE ACUERDO CON UNA FUNCION DE TRANSFERENCIA (RUIDO B->ICORR), UNA CORRIENTE ICORR (T) QUE CIRCULA DENTRO DE LAS BOBINAS DE CORRECCION, MONTADAS DE ACUERDO CON UNA CONFIGURACION DE HELMOUTZ, DE MANERA QUE SE ELIMINEN LAS PERTURBACIONES EN EL TOMOGRAFO (BTOM).
Description
Sistema de compensación activa de las
perturbaciones del campo magnético en la tomografía de resonancia
magnética nuclear.
El sistema tiene el propósito de reducir la
perturbación del campo magnético, casi estática o lentamente
inestable (banda de frecuencia < 100 Hz) que puede interesar a
los tomógrafos de resonancia magnética nuclear (RMN) posicionados
cerca de masas metálicas en movimiento, cables eléctricos, bien CC o
CA, etc. y podría por lo tanto comprometer su correcto
funcionamiento.
Los tomógrafos de nueva generación (blindaje
activo) caracterizados por una secuencia muy lenta del campo
magnético disperso y muy rápida de adquisición son muy sensibles a
los cambios externos de campo magnético que, si se producen durante
las fases de adquisición, podrían causar alteraciones de imagen.
Actualmente no hay sondas de campo magnético comúnmente usadas que
puedan percibir ligeras variaciones de B, del orden de décimas de
Gauss, en presencia de un campo de fondo muy elevado, del orden de
15.000 Gauss, tal como el generado por un tomógrafo de RMN.
Esta limitación técnica y de fabricación de las
sondas de campo B no ha permitido utilizar los sistemas clásicos de
compensación en bucle cerrado que pueden actuar directamente sobre
las perturbaciones de la máquina y que representan el estado de la
técnica para los sistemas activos para la compensación del campo
magnético para otras aplicaciones.
Los cambios en el campo magnético B respecto de
un valor de fondo (representado por ejemplo por el campo magnético
terrestre) pueden representar un problema para todas las máquinas
científicas y/o técnicas que requieren ser sumergidas en un campo
constante para funcionar correctamente. Actualmente, la solución de
este problema es dada por el blindaje pasivo mediante materiales
ferromagnéticos y por sistemas activos para la compensación de las
perturbaciones.
Cuando se usan los sistemas pasivos, se coloca un
blindaje ferromagnético entre la fuente de perturbación y la máquina
que hay que proteger. La función de este blindaje es canalizar en su
seno las líneas de flujo del campo magnético no deseado disipándolas
dentro del volumen que hay que proteger.
Al reducir las variaciones de B que interesan a
los tomógrafos de RMN, esta solución produce serios problemas. Los
niveles de reducción requeridos, a los que las perturbaciones no
son nocivas para la máquina, se pueden obtener con un espesor
aceptable únicamente mediante materiales muy permeables tales como
mumetal o permaleación que a parte de ser costosos, tienen bajos
niveles de saturación. Tales materiales insertados en el campo
magnético altamente disperso del tomógrafo, pueden saturarse y
volverse transparentes a las perturbaciones que hay que
proteger.
proteger.
En los sistemas de compensación activa, las
perturbaciones de campo magnético se reducen mediante un campo igual
y contrario generado por bobinas apropiadas colocadas según la
configuración Helmholtz.
En la actualidad existen sistemas de compensación
usados para reducir el campo magnético de las perturbaciones sobre
los microscopios electrónicos y otros dispositivos de
laboratorio.
En tales aplicaciones, caracterizadas por un
campo magnético poco disperso de la máquina, la sonda que puede
percibir el campo de perturbaciones se puede colocar cerca del
elemento sensible de la máquina que hay que proteger. Tal
posicionamiento de la sonda permite la utilización del esquema
clásico del control de retroacción, simplificando de este modo de
manera notable tanto el funcionamiento de la máquina como la
configuración del sistema. Esta solución no se puede usar para
tomógrafos de RMN, porque actualmente no hay sondas de campo
magnético que puedan percibir variaciones de miliGauss sobre un
campo disperso de fondo de 10.000 Gauss. Con el fin de vencer esta
limitación se ha decidido por lo tanto colocar la sonda a una
distancia del imán que pueda garantizar valores de campo de fondo
compatibles con la sensibilidad requerida del detector.
Los sistemas de compensación actualmente en el
mercado, además, de para generar el campo de corrección, utilizan
bobinas colocadas en los rincones de la sala que contiene la máquina
que hay que proteger. Esto es otra medida efectiva en caso de
sistemas de compensación para máquinas que no tienen un campo
magnético muy disperso, pero no se puede usar siempre en caso de
tomógrafos de MRN. El campo magnético generado en el seno de estos
sistemas de diagnóstico se puede confinar dentro de un volumen
controlado, por razones de seguridad relativas a las personas y las
máquinas, y en muchos casos esto requiere la colocación de blindajes
ferromagnéticos apropiados sobre las paredes de la sala de ensayo.
En presencia de estos blindajes, en caso de colocar las bobinas de
corrección de campo magnético en los rincones de la sala, justo
cerca de los materiales ferromagnéticos, el flujo de campo B sería
transportado en los materiales de alta permeabilidad, con una
distorsión considerable del campo de corrección.
Las actas de la octava reunión anual de los SMRM,
en la página 968, describen un sistema para la compensación de las
inestabilidades del campo magnético externo en MRI que comprende
una sonda de magnetómetro de válvula de flujo instalada a 1,5 m del
centro del campo magnético principal y que funciona en modo de
bloqueo del cero. La señal del magnetómetro controla la corriente de
compensación en una bobina Helmholtz bobinada alrededor del imán. El
campo magnético de la Tierra y el campo marginal del imán MRI en la
posición de la sonda están desviados con una pequeña bobina bobinada
alrededor de la sonda.
El documento
DE-A-195 10 142 representa un
sistema similar en el cual la sonda de válvula de flujo está situada
por encima de la culata superior de un imán MRI abierto en forma de
C y está protegido del campo parásito del imán mediante una bobina
auxiliar. Se proporcionan medios de filtrado para garantizar que la
variación temporal del campo magnético de compensación iguala la
variación temporal de las perturbaciones de campo magnético externo
en el seno del volumen de examen.
El documento
US-A-5278503 describe un sistema de
control en bucle abierto para la cancelación de perturbaciones
externas del campo magnético en el cual las bobinas de inducción se
usan como detectores de campo.
El documento
JP-A-05-300896
describe también un sistema de control en bucle abierto en el cual,
sin embargo, se usa un detector de campo que está activamente
protegido tanto contra el campo marginal del imán MRI como contra el
campo generado por las bobinas de compensación.
La presente invención está definida en la
reivindicación 1. El sistema objeto de la invención es completamente
automático y lleva a cabo la compensación del campo magnético
externo mediante un control en bucle abierto a través de una curva
de corrección definida durante la fase de ajuste.
El principio de funcionamiento de estos sistemas
es el siguiente: en presencia de un campo de ruido B de
perturbaciones leídas por una sonda de campo magnético colocada a
una distancia adecuada del imán, el sistema genera automáticamente,
de acuerdo con una función de transferencia
(Bnoise\RightarrowIcorr), una corriente de Icorr (t) que circula
en la bobina de corrección colocada según la configuración
Helmholtz, para de este modo cancelar las perturbaciones en el
tomógrafo (Btom).
Lo anterior implica que la corrección no se
realiza adquiriendo directamente el valor de campo de ruido B que se
correlaciona más tarde, durante la fase de ajuste con los efectos
que el campo de perturbación de la máquina (Btom) tiene sobre el
mismo en términos de variaciones de la frecuencia de resonancia.
Este sistema está particularmente adaptado para
la compensación de las variaciones de campo magnético, incluso
triaxiales sobre tomógrafos de RMN. Los sistemas tienen una
estructura modular que permite pasar de una configuración monoaxial
a una configuración triaxial. Además, tiene un sistema de interfaz
de ordenador personal mediante
RS 232 que permite que sea usado también como un sistema para controlar campos magnéticos.
RS 232 que permite que sea usado también como un sistema para controlar campos magnéticos.
Tal sistema está esencialmente constituido
por:
- una unidad de percepción,
- una unidad de control,
- una unidad de corrección.
La unidad de percepción está realizada por una
sonda de tipo válvula de flujo y por una etapa de preamplificación,
y está concebida para proporcionar a la unidad de control sólo las
variaciones de campo respecto de un valor de fondo, debidas al
campo magnético terrestre y al campo disperso del tomógrafo. La
sonda puede ser monoaxial o triaxial, de acuerdo con el tipo de
perturbación, y puede percibir un valor de campo B absoluto,
concretamente campo de
fondo + perturbación.
fondo + perturbación.
La fase de preamplificación está concebida para
extraer y amplificar sólo las variaciones de campo B respecto del
campo de fondo y con este fin está equipada con un ajustador de
deriva para la definición del valor de campo de fondo. A la salida
de esta unidad, se encuentra el campo B de perturbaciones que se
ajusta con las perturbaciones de la máquina durante la fase de
ajuste.
La unidad de control es la unidad inteligente que
puede proporcionar respecto de la señal de salida de la unidad de
percepción, una corriente que circula en las bobinas de corrección
para generar el contracampo.
La característica de transferencia Bnoise se
define durante la fase de ajuste cuando el sistema de software
dedicado también está preparado, y se almacena en una memoria no
volátil dentro de la unidad.
El hardware de la unidad de control es alimentado
por una CA de 220V que está compuesta por un convertidor analógico
digital (CAD), un procesador de señal de microordenador (DSP), un
convertidor analógico digital (CAD) y una etapa de energía; el
sistema es modular y puede estar equipado con 1 a 3 módulos de
corrección que, de acuerdo con la prestación que hay que reducir
puede ser, monoaxial, biaxial o triaxial.
Las bobinas de corrección están concebidas para
generar, cuando la corriente de salida de la unidad de control pasa
a través de las mismas, el contracampo magnético. Están colocadas de
acuerdo con la configuración Helmholtz a lo largo de los ejes del
tomógrafo según lo cual las perturbaciones han de reducirse. Por lo
tanto, puede haber desde un mínimo de un par de bobinas hasta un
máximo de tres pares colocadas a lo largo de tres ejes X, Y y Z de
la máquina. Tanto la posición y el número de espiras de las bobinas
se definen de vez en cuando según las características de las
perturbaciones que hay que reducir.
El sistema de la invención, desde ahora
denominado DIAMAGS, será descrito con referencia a una forma
preferida que no es restrictiva de la invención representada en los
dibujos anexos en los cuales:
La figura 1 muestra el esquema de bloques del
sistema de la invención.
La figura 2 muestra un esquema de las
características de transferencia Bnoise\RightarrowIcorr.
La figura 3 muestra una configuración de
principios de un sistema monoaxial de acuerdo con la invención.
La figura 4 muestra un esquema preferido de
preamplificador de detección.
La figura 5 muestra el esquema del circuito del
preamplificador.
La figura 6 y 7 muestra respectivamente los
esquemas del circuito de la sección de elaboración y de las señales
adquiridas.
La figura 8 muestra el esquema preferido del
circuito del convertidor analógico digital.
La figura 9 muestra el esquema preferido del
alimentador.
Con referencia a los dibujos anteriores, y
especialmente a la figura 1 que muestra el esquema de bloques del
sistema. La unidad de percepción que incluye una sonda de válvula de
flujo y una etapa de preamplificación, y está concebida para
proporcionar a la unidad de control, en presencia del valor de campo
absoluto (Bfondo+Bnoise) percibido por la sonda, sólo las
variaciones de campo (Bnoise) respecto del valor de fondo (Bfondo)
debidas al campo magnético terrestre y al campo disperso del
tomógrafo.
La sonda de una configuración preferida tiene las
siguientes características:
| Ancho de banda | 0\div3 kHz |
| Gama de medición | \pm250 u T |
| Impedancia de salida | <1\Omega |
| Precisión de calibrado | \pm0,5% |
| Ruido interno | 4-6pTrms/ Hz a 1 Hz |
| Reducción de escala | 40 mV/\mu T |
| Desfase de error | \pm12nT |
La sonda puede ser monoaxial, biaxial o triaxial
de acuerdo con el tipo de perturbaciones y por lo tanto la
configuración del sistema. El preamplificador conectado en cascada a
la sonda tiene el propósito de "extraer" y amplificar sólo
las variaciones de campo de Bnoise respecto del campo de fondo y
está equipado con un ajustador de desfase para la definición de un
valor de referencia de tensión relativo al valor de campo de fondo.
El ajuste de desfase se lleva a cabo durante la fase de ajuste del
sistema.
La figura 4 muestra el esquema del circuito del
preamplificador y de interfaces externas: por un lado la salida de
la sonda de válvula de flujo de serie RS232 y por otro lado la
salida hacia la máquina de la invención, que es también un
dispositivo RS232.
El preamplificador está equipado con un
amplificador de ganancia variable que, en presencia del valor de
entrada máximo seleccionado genera una tensión de entrada CC de 5V
en la etapa de conversión analógico-digital de
DIAMAGS.
La conexión entre el preamplificador y el DIAMAGS
se realiza mediante un cable blindado multipolar RS232 tanto para la
alimentación como para las señales.
Tal como se ha indicado anteriormente, la unidad
de control y vigilancia de DIAMAGS es una sección fundamental, tanto
por la innovación como por la importancia del sistema de la
invención. La unidad de control y vigilancia de DIAMAGS que se puede
observar en el sistema de bloques en la figura 1 es una unidad
inteligente que puede proporcionar, en presencia del Bnoise de
salida de la unidad de percepción, una corriente de corrección Icorr
para generar el contracampo de compensación. La corrección se
realiza teniendo en cuenta la característica de transferencia
Bnoise\RightarrowIcorr en la figura 2 anexa, definida durante la
fase de ajuste y almacenada en una memoria no volátil en el seno de
la unidad.
La unidad debe, además, conectarse en cascada
mediante un RS232, tanto para el ajuste como para la vigilancia de
la perturbación mediante un software adecuado especialmente
estudiado y llevado a cabo por el inventor de la patente.
La unidad de vigilancia y control está
caracterizada por una estructura modular para configuraciones
monoaxial, biaxial o triaxial. Todo el hardware para la
adquisición, vigilancia y control respecto de un eje está contenido
en una única placa que se puede conectar por bus a la placa madre
de la máquina. La modularidad de la máquina permite crear
estructuras redundantes altamente fiables.
La máquina se puede alimentar con corriente de
220 o 100 V y está equipada con las siguientes interfaces;
- Puerto serie con conexión Cannon de 9 patillas para comunicar con la unidad de percepción;
- Cable de alimentación de tres polos de 1,5 mmq;
- Puerto serie miniatura Sub D de 9 patillas para comunicación PC;
- 2 salidas analógicas con conector BNC para vigilar la señal de entrada a la unidad, antes y después de la etapa de preamplificación;
- Bridas para alimentar tanto las bobinas de corrección como de error;
- 3 LED, dos de los cuales para la indicación de porcentaje de la señal de salida de la unidad de percepción y de la corriente de corrección, mientras que el tercero es para medir la circulación dentro de las bobinas de corrección.
La unidad de vigilancia y control está compuesta
por la siguiente unidad y/o secciones.
- \Rightarrow
- preamplificador
- \Rightarrow
- calculador
- \Rightarrow
- alimentador
El preamplificador cuyo esquema se muestra en la
figura 5 tiene el propósito de adaptar la impedancia y realizar la
señal de salida de la unidad de percepción compatible con la etapa
de conversión ADC. Por una parte, hay que subrayar la conexión RS232
con la sonda de percepción, y por otra parte la salida de la señal
adaptada hacia el convertidor CAD de la sección de calculador.
Igualmente hay dos salidas BNC al monitor para visualizar la señal
percibida antes y después de esta etapa.
Las figuras 6 y 7 muestran los esquemas de
circuito de la sección de calculador concebida para elaborar y
procesar las señales percibidas, cuyo objetivo es leer los valores
analógicos de entrada, convertirlos en señales digitales, y respecto
de la curva de ajuste, definir los controles de salida en forma
numérica. La conversión CAD se lleva a cabo por la unidad
DMG/CAD/3.1, cuya salida es procesada por el microordenador
DMG/MAIN/3.1, que, sobre la base de las informaciones contenidas en
la EEROM, que se programan y almacenan durante la fase de ajuste si
la máquina define las diversas actuaciones digitales que se dan a
continuación en forma de una entrada a la siguiente unidad. Esta
sección está compuesta, además, por la unidad de visualización, el
microordenador DMG/VIS/3.1 y la interfaz visual que es la interfaz
RS232 al ordenador personal.
La figura 8 muestra el esquema del circuito de la
sección CAD que representa el circuito de actuaciones que recibe los
controles digitales de la sección anterior, las convierte en señal
analógica amplificándolas con el fin de alimentar las bobinas
analógicas. La sección incluye la etapa de excitación de otra bobina
(bobina de error) que se puede usar en la fase de ajuste o en la
caracterización del imán. La salida de la bobina de corrección
puede ser manejada, bien automáticamente por el sistema durante las
fases de compensación o manualmente conectándola en cascada con el
ordenador personal durante la fase de ajuste.
La salida de la bobina de error puede sin embargo
usarse manualmente a través de uno de los procedimientos del
software de ajuste del sistema.
El esquema del circuito de esta sección se
muestra en la figura 8.
La figura 9 muestra el esquema del circuito de la
sección de alimentación, que proporciona la alimentación tanto a la
sección digital (+5V) como a la sección analógica (+ 15V) empezando
a partir de las tensiones de red (22V/110V CA 50/60 Hz).
La figura 3 muestra la configuración de un
sistema DIAMAGS monoaxial, que evidencia los bloques fundamentales y
el esquema de inserción de las bobinas en el tomógrafo.
Las bobinas de corrección, atravesadas por la
corriente de salida que viene de la unidad de control DIAMAGS,
generan el contracampo magnético para la compensación de las
perturbaciones. Están colocadas en configuración Helmholtz a lo
largo de los ejes del tomógrafo para el cual las perturbaciones han
de ser reducidas; por lo tanto, es posible tener desde un mínimo de
un par de bobinas hasta un máximo de tres pares de bobinas colocadas
a lo largo de tres ejes X, Y y Z de la máquina. Tanto la posición
como el número de espiras de la bobina se definen de vez en cuando
sobre la base de las características de las perturbaciones que hay
que reducir. Es evidente que para el correcto funcionamiento del
sistema y con el fin de explotar talmente su potencial, es esencial
que el ajuste se realice apropiadamente. La fase de ajuste tiene el
objetivo de definir la curva de corrección (o matriz histórica) que
a continuación será requerida automáticamente por los sistemas con
el fin de generar, en presencia de un perturbación Bnoise en salida
de la unidad de percepción, una corriente Icorr. Puesto que no es
posible percibir directamente la perturbación que caracteriza el
imán, ya que no se pueden encontrar sondas de campo B a la venta que
podrían percibir un pequeño campo (aproximadamente 15.000 Gauss),
las perturbaciones leídas por la sonda colocada a una distancia
apropiada del imán se han relacionado con el efecto que la variación
de campo B produce sobre la máquina en términos de deriva de la
frecuencia de resonancia. Esto implica la percepción simultánea,
durante un cierto periodo, tanto de la variación de la frecuencia de
resonancia del tomógrafo como de la variación del campo B,
observadas por este último, a través de la unidad de percepción cuya
posición está definida durante la auditoría in situ.
Las etapas que caracterizan el procedimiento de
ajuste son las siguientes:
- Ajuste del desfase de la unidad de percepción;
- Correlación de la perturbación leída por la unidad de percepción (Bnoise) con la deriva de resonancia;
- Frecuencia del imán;
- Caracterización del sistema compuesto por el imán y las bobinas de corrección;
- Definición y almacenamiento de la curva de corrección Bnoise\RightarrowIcorr.
Las operaciones de ajuste anteriormente
mencionadas se realizan de acuerdo con un procedimiento guiado,
conectando la unidad DIAMAGS a un ordenador personal a través del
puerto serie RS232 mediante un software dedicado realizado por el
inventor de la patente.
Claims (2)
1. Sistema de control en bucle abierto para la
compensación de perturbaciones de campos magnéticos externas casi
estáticos o lentamente inestables del campo magnético estático
principal de un tomógrafo de resonancia magnética nuclear (RMN),
comprendiendo dicho sistema :
- -
- una unidad de percepción que comprende una sonda de campo magnético y de válvula de flujo dispuesta para ser colocada en un campo magnético parásito del campo magnético principal del tomógrafo de RMN;
- -
- una unidad de control, vigilancia y ajuste, y
- -
- bobinas de corrección dispuestas para ser montadas según una configuración de Helmholtz y para generar un contracampo opuesto al componente de las perturbaciones del campo magnético externo a lo largo de al menos una dirección predeterminada,
en el cual
- -
- dicha sonda de válvula de flujo está dispuesta para percibir un valor de campo absoluto dado por la suma de un valor de campo de fondo, debido al campo magnético terrestre y a dicho campo magnético parásito, y un valor Bnoise de dichas perturbaciones de campo magnético externas,
- -
- comprendiendo dicha unidad de percepción medios para proporcionar a dicha unidad de control, de vigilancia y de ajuste únicamente dicho valor Bnoise de dichas perturbaciones de campo magnético externas, y dicha unidad de percepción comprende con este fin un preamplificador que está conectado en cascada a la sonda de válvula de flujo y está dispuesto para extraer y amplificar únicamente dicho valor Bnoise de dichas perturbaciones de campo magnético externas, y con este fin está equipada con un ajustador de desfase para la definición de un valor de tensión de referencia para dicho valor de campo de fondo, y
- -
- estando dicha unidad de control, vigilancia y ajuste dispuesta para generar automáticamente según la función de transferencia Bnoise\RightarrowIcorr definida durante la fase de ajuste, una corriente Icorr que depende del tiempo proporcionado a dichas bobinas de corrección, para de este modo generar dicho contracampo para anular dicho componente de dichas perturbaciones de campo magnético externas.
2. Sistema de control en bucle abierto según la
reivindicación 1, caracterizado porque dicha unidad de
control, vigilancia y ajuste tiene una estructura modular para una
configuración monoaxial, biaxial o triaxial, y porque dichas bobinas
de corrección comprenden bobinas que van desde un mínimo de un par
de bobinas a un máximo de tres pares de bobinas colocadas a lo largo
de tres ejes x, y, z.
Applications Claiming Priority (2)
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