CC BY
39
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УЧЕБНЫМ ЯМР-ТОМОГРАФОМ
А.Н. Серегин
Научный руководитель - д.ф.-м.н., профессор Ю.И. Неронов
Приводится краткое описание разработанной системы управления учебным ЯМР-томографом. Описаны ее основные части, их назначение и принципы их взаимодействия между собой.
Введение
Использование явления ядерного магнитного резонанса как средства для магнитного «внутривидения» было предложено в заявке на изобретение в 1960 году [1]. На этом принципе разработаны ЯМР-томографы, которые являются наиболее дорогими приборами медицинской диагностики. Лучшие из них укомплектованы сверхпроводящими магнитами и изготавливаются рядом зарубежных фирм. Из-за высокой стоимости их число в России значительно уступает требованиям современного здравоохранения, и стоит задача о заполнении этого рынка отечественными приборами. ЯМР-томограммы медицинского назначения могут содержать артефакты, которые не имеют анатомического объяснения. Они связаны с физическими особенностями данного метода, такими как, например, проявление на изображениях химического сдвига в экранировании протонов. Для научной проработки таких явлений достаточно использовать малогабаритные ЯМР-томографы [2]. Как раз такой томограф находится на кафедре измерительных технологий и компьютерной томографии ИТМО, однако из-за морально устаревшего программного обеспечения и устройства управления не представляется возможным проводить достаточно сложные эксперименты. Поэтому была поставлена задача - создать новую современную систему управления, с помощью которой можно было бы повысить функциональность кафедрального ЯМР-томографа. Разработка этой системы ведется автором с 2005 года, к этому времени процесс создания СУ вошел в завершающую стадию [3]. В данной работе были полностью решены все проблемы, которые не удалось решить в предыдущие годы.
Содержание работы
Работа любого ЯМР-томографа основана на выполнении следующих действий [4].
1. Подача импульсов возбуждения на резонансную индуктивность. Это необходимо для поворота векторов намагниченности протонов, что и вызывает ядерный магнитный резонанс. Ширина импульсов должна быть порядка сотни микросекунд, временной промежуток между импульсами необходимо выдерживать постоянным с высокой точностью.
2. Подача линейных градиентов магнитного поля. Это необходимо для выполнения частотно-фазового кодирования радиочастотного сигнала. Линейные градиенты формируются специальными катушками. Однако для управления ими необходимы высокочастотные импульсы шириной порядка нескольких миллисекунд. Эти импульсы должны подаваться синхронно с запускающими импульсами. Для получения двухмерного изображения объекта, без выделения отдельных слоев, достаточно двух градиентов - фазового и частотного. Следовательно, имеется необходимость подачи высокочастотных импульсов одновременно по трем каналам (рис. 1).
3. Считывание частотных и фазовых характеристик ЯМР-сигнала. Кодированный радиочастотный сигнал необходимо получить, оцифровать и декодировать, получив изображение исследуемого объекта. При этом оцифровка должна идти с частотой дискретизации 44100 Гц.
В результате проведенной работы была спроектирована и макетирована система управления учебным томографом, соответствующая техническому заданию. Система разделена на две части: внешний блок, присоединяющийся к персональному компьютеру при помощи ИББ-кабеля, и программное обеспечение, установленное на этот персональных компьютер.
Рис. 1. Схема импульсов Внешний блок
Внешний блок имеет один двухканальный вход для сигнала с томографа, 3 входа для программирования микроконтроллеров, 3 выхода на катушки для запускающего импульса и градиентных полей, а также USB выход для передачи параметров импульсов вводимых пользователем, а также для передачи оцифрованных данных на персональный компьютер.
Внешний блок содержит три микроконтроллера, которые общаются между собой посредством протокола SPI (Serial Peripheral Interface). Один из контроллеров управляет четырехканальным цифро-аналоговым преобразователем, при помощи двух встроенных таймеров отсчитывает интервалы между импульсами и выставляет их. Второй контроллер управляет аналого-цифровым преобразователем, подавая на него сигналы границ выборки, выбора канала, а также побитно считывая оцифрованный сигнал. Третий контроллер является основным - он управляет другими двумя контроллерами, получает команды с персонального компьютера и передает обратно оцифрованный сигнал. Связь с компьютером через USB осуществляется при помощи специальной микросхемы-переходника USB-UART от компании FTDI [5]. Вместе с этой микросхемой фирмой-разработчиком поставляется драйвер и специальная библиотека функций, которые позволяют работать с USB-портом на скоростях, позволяющих передавать оцифрованный сигнал в реальном времени.
Плата питается от сети переменного тока 220 вольт. С помощью трансформатора это напряжение преобразуется в три отдельных источника питания: +5 вольт для питания цифровой части устройства, ±12 вольт для питания выходных операционных усилителей, и гальванически развязанное от других источников +5 вольт для питания аналоговой части АЦП. На печатной плате предусмотрены зазоры общей шины питания для гальванической развязки питания цифровой и аналоговой частей АЦП, а также гальванической развязки преобразователя USB-UART. Этим обеспечивается защита слабых аналоговых сигналов от работающих цифровых устройств.
Программное обеспечение
При помощи программного обеспечения пользователь управляет градиентами, запускающим импульсом, а также получает результаты измерений посредством графического интерфейса (UI). На рис. 2 представлен его внешний вид с пояснениями.
Программное обеспечение было разработано на языке С++ при помощи библиотек пакета Borland C++ Builder версии 6.0 [6]. Этот пакет был выбран из-за того, что он приспособлен для наиболее легкого и быстрого создания приложений, использующих windows-окна. Программу условно можно разделить на 3 части: графический интерфейс, блок связи с внешним устройством, блок обработки данных.
Рис. 2. Графический интерфейс
Блок связи с внешним устройством представляет собой отдельный программный поток, опрашивающий USB-порт на наличие переданных данных, когда считанный за заданное пользователем время сигнал получен, поток генерирует Win-сообщение, которое перехватывает обработчик сообщений, находящийся в основном потоке программы. По этому сообщению происходит прорисовка сигнала, расчет спектра и изображения, после чего на внешний блок подается команда старта следующей последовательности импульсов.
Всего внешнее устройство понимает только 2 команды: код «2», означающий, что надо запускать импульсы с текущими значениями, и код «8», после которого следуют 8 значений длительностей, которые программа берет из полей ввода, расположенных в нижней части окна приложения (Timings). Если пользователь изменил хотя бы одно из значений, в контроллер будет передан массив из всех переменных.
В блок обработки данных входят три функции: отрисовки сигнала, расчета и отображения спектра мощности, а также расчета и отрисовки изображения.
Функция отрисовки изображения преобразует однобайтовые данные в 16-ти разрядные двухбайтовые из расчета, что нечетные байты - старшие, а четные - младшие, при этом единица в старшем разряде обозначает знак «минус». Затем рисует по точкам сигнал, учитывая выбранный масштаб.
Спектр мощности рассчитываем при помощи одномерного Фурье-преобразования, используя сигнал из правого и левого канала как мнимую и действительную часть функции. При этом расчет ведется по области сигнала, где располагается полезный сигнал с томографа. В окне его границы указаны красными линиями.
Расчет изображения ведется посредством серии математических преобразований: двойного Фурье-преобразования, вычисления среднего арифметического и интерполяции. Картинка рисуется в специальном окне попиксельно.
Заключение
В работе была поставлена задача создания системы управления учебным ЯМР-томографом для последующего использования ее в учебно-образовательных, а также в исследовательских целях. В дальнейшем планируется добавить возможность получения трехмерных изображений. Предполагается, что данная разработка поможет в исследовании различных особенностей ядерного магнитного резонанса, а также их влияния на получаемое изображение объекта.
Литература
1. Иванов В.А. Способ определения внутреннего строения материальных объектов. Авторское свидетельство 1112266, приоритет от 1960 г. // Бюллетень изобретений. 1984. № 33.
2. Неронов Ю.И., Иванов В.К. Разработка мини-ЯМР-томографа для учебных и научно-исследовательских целей. // Научное приборостроение. 2006. Т. 16. №2. С. 97
3. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 26. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. С. 51.
4. Неронов Ю.И., Гарайбех Зияд. Ядерный магнитный резонанс в томографии и в спектральных исследованиях тканей головного мозга. СПб: СПбГУ ИТМО, 2003. 105 с.
5. http://www.ftdichip.com/Drivers/D2XX.htm
6. Kent Reisdorph, Ken Henderson. Borland C++ Builder in 21 days. Sams Publishing, 1997. 703 с.
