CC BY
31
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УЧЕБНЫМ ЯМР-ТОМОГРАФОМ
А.Н. Серегин
Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор Ю.И. Неронов
Приводится краткое описание разработанной системы управления учебным ЯМР-томографом. Описаны ее основные части, их назначение, принципы их взаимодействия ме^ду собой, а также перспективы ее использования.
Введение
Работа любого ЯМР томографа основана на подаче импульсов возбуждения на резонансную индуктивность, подаче линейных градиентов магнитного поля, считывании частотных и фазовых характеристиках ЯМР сигнала. Для обеспечения работы всего вышеперечисленного необходима специально разработанная система управления томографом, которая бы связывала ЭВМ с программным обеспечением, обрабатывающим получаемую с томографа информацию, и аппаратуру томографа.
Была поставлена задача создания системы управления томографом, включающей в себя:
a) устройство подачи импульсов;
b) драйвер устройства подачи импульсов;
c) интерфейс;
d) аппарат оцифровки;
e) аппарат математической обработки оцифрованных данных.
Такая система позволяет работать лишь с учебным мини-томографом. Далее приводится краткое описание принципов работы перечисленных частей системы.
Устройство подачи импульсов
Для поворота векторов намагниченности протонов необходимо подать на катушку 2 высокочастотных импульса, а для подачи градиентов необходимы импульсы строго определенной длительности (рис. 1). Для генерации всех этих импульсов используется специальное устройство, «мозгом» которого является микроконтроллер ATTiny 2313 семейства AVR [1]. Именно он позволяет создавать импульсы строго определенной длительности, значения которой он считывает по каналу RS-232. В устройстве задействовано 3 канала вывода: первый - для запускающих 90° и 180° импульсов, второй - для фазового градиента, третий - для частотного градиента. Для получения напряжения различной величины, что необходимо для фазового градиента, используется 2-канальный ЦАП AD5302 совместно с операционными усилителями. При помощи операционного усилителя ADM 8829 положительное напряжение со стабилизатора преобразуется в отрицательное. Источником питания в устройстве является батарейка 3V. Устройство может работать в двух режимах. Для переключения между режимами используется перемычка.
Рабочий режим. В этом режиме микроконтроллер ожидает прерывания от COM-порта и начинает выдавать импульсные последовательности только по команде с компьютера. Устройство использует 2 команды: «Загрузка значений длительностей» и «Выдача последовательности». Этот режим используется при штатной работе системы и является основным.
Тестовый режим. Микроконтроллер постоянно выводит последовательности строго определенной длины. Этот режим используется для отладки работы устройства, а также для подтверждения работоспособности.
Рис. 1. Схемаимпульсов Драйвер устройства подачи импульсов
Для передачи команд и значений длин импульсов используется драйвер «в стиле NT», откомпилированный при помощи пакета DDK под систему Windows XP. В драйвере обрабатываются три IOCTL-запроса: на передачу команд «Загрузка значений длительностей», «Выдача последовательности» и закрытия COM-порта [2]. Из-за своей архитектуры драйвер работает только под 32-разрядной системой Windows XP и 2003 Server.
Интерфейс
Интерфейс программы представляет собой три окна для вывода графической информации (сигнала с томографа, спектра мощности и декодированного изображения), поля для ввода значений длительности импульсов и кнопки начала/остановки работы (рис. 2). Работа возможна в двух режимах: с накоплением (когда каждое последующее изображение суммируется с предыдущим, тем самым улучшая качество) и без накопления. Для переключения режимов используется элемент ComboBox («Флажок»). В меню «Options» можно менять более тонкие настройки, такие как масштаб выводимого в окно (1) сигнала, увеличение времени считывания, переход в режим нескольких эхо-сигналов.
Ж Study Tomograph я
I Fte Options Help 1 ftinniil T лтппгдт
t/ Mf V V Cu иЧ/Ч А/Ч гнал /Л (1) v/хгчА (3)
Power Spectrum 1 фу Спекар -СопЫ- |Г Slop ]| Г Accumulation
Drawirg Oiaw | Erase |
Timings Т90:[5Г~ T180:[iocT t: |e T1 :[8 Т2:[те (4)
Time; 57rns Number of accumulation; Some data:
Рис. 2. Интерфейс программы
Аппарат оцифровки
Сигнал, приходящий с томографа, оцифровывается при помощи звуковой карты. Программа управляет ей через API-функции. Оцифрованные данные разделяются на блоки по 0.15 с, которые сразу после занесения в специально выделенный буфер масштабируются и выводятся в окно (1), после чего эти данные проходят через аппарат математической обработки, результаты которой выводятся в окна (2) и (3).
Аппарат математической обработки оцифрованных данных
Для получения спектра мощности сигнала используется одномерное преобразование Фурье. Изображение получается посредством двухмерного преобразования Фурье с последующей интерполяцией оцифрованных данных.
Заключение
Приведенная система далека от системы управления настоящим томографом. Однако при ряде «надстроек» и усовершенствований можно заметно приблизить это приложение к стандарту, принятому во всем мире. К подобным усовершенствованиям можно отнести:
• переход к USB соединению, что позволит увеличить напряжение и убрать из схемы батарейку;
• увеличение числа каналов, что позволит выставить как необходимые градиенты z-координаты и смещения, так и многочисленные градиенты, необходимые для полноценного томографа;
• переход к встроенному АЦП, что позволит избавиться от случайной задержки, которую создает операционная система, а также от необходимости применения звуковой платы.
Литература
1. Евстифеев A.B. Микроконтроллеры AVR семейства Classic фирмы «ATMEL». М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2002.
2. Солдатов В.П. Программирование драйверов Windows. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: ООО «Бином-Пресс», 2004.
