一种用于磁共振波谱仪的主动匀场电源设计

doi:10.11938/cjmr20233066

一种用于磁共振波谱仪的主动匀场电源设计

刘庭伟¹^,², 彭博文²^,⁴, 徐雅洁^,²^,^#, 王亚², 王峰¹^,², 郁朋²^,³, 杨晓冬^,²^,^*

1.长春理工大学电子信息工程学院，吉林长春 130022

2.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州 215163

3.济南国科医工科技发展有限公司，山东济南 250013

4.中国科学技术大学，安徽合肥 230026

A Design of Active Shimming Power Supply for Magnetic Resonance Spectrometers

LIU Tingwei¹^,², PENG Bowen²^,⁴, XU Yajie^,²^,^#, WANG Ya², WANG Feng¹^,², YU Peng²^,³, YANG Xiaodong^,²^,^*

1. School of Electronic and Information Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China

2. Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology, Chinese Academy of Sciences, Suzhou 215163, China

3. Jinan Guoke Medical Technology Development Co., Ltd., Jinan 250013, China

4. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

通讯作者: #Tel: 15250434900, E-mail:xuyj@sibet.ac.cn;*Tel: 18900616030, E-mail:xiaodong.yang@sibet.ac.cn.

收稿日期: 2023-04-27 网络出版日期: 2023-05-30

基金资助:

中国科学院磁共振技术联盟项目(E0290301); 山东省自然科学基金青年项目(ZR2021QA091)

Corresponding authors: #Tel: 15250434900, E-mail:xuyj@sibet.ac.cn;*Tel: 18900616030, E-mail:xiaodong.yang@sibet.ac.cn.

Received: 2023-04-27 Online: 2023-05-30

摘要

高均匀度磁场是磁共振波谱仪获得高质量谱图以进行化学结构解析和动力学信息获取的重要保证，需要利用高性能匀场电源驱动匀场线圈产生补偿电磁场保证磁场均匀度．高精度、高稳定性匀场电源是提升磁共振波谱仪主动匀场性能、保持匀场效果的关键部件．本文针对磁共振波谱仪多通道主动匀场需求，开发设计了一款高精度、高稳定、多通道主动匀场电源系统．基于负反馈控制，设计带有输出状态监控的匀场电流驱动器（恒流源），搭配MCU控制平台和上位机软件完成软硬件之间控制指令和数据的闭环传输设计，实现数字化恒流输出控制．在R=2.84 Ω，L=25.5 µH匀场线圈负载下，满量程输出响应时间小于18.9 µs，输出纹波峰峰值控制在30 mV，正负电流输出对称性良好，长时间工作最大输出偏差是4.8‰．该电源在采用0.5 T-Halbach构型磁体的磁共振波谱系统中完成匀场实验，驱动一阶匀场线圈完成24.48 ppm（10^-6）到2.72 ppm的磁场均匀度优化．此工作有助于紧凑型磁共振波谱仪系统集成及主动匀场技术相关应用的开展．

关键词： 核磁共振（NMR）; 主动匀场电源; 高精度; 高稳定; 多通道

Abstract

Highly homogeneous magnetic fields in magnetic resonance spectrometers are an important guarantee for improving the quality of spectra for chemical structure analysis and kinetic information. The active shimming process using a shimming power supply to drive a shimming coil to produce a compensating electromagnetic field is an essential way to improve the homogeneity of the magnetic field. The high accuracy and stability of the shimming power supply’s output are crucial indicators for improving the active shimming capability and maintaining the shimming results. The paper develops a high-precision, high-stability, low-ripple active shimming power supply system for magnetic resonance spectrometers, and designs a shimming current driver (constant current source) with output state monitoring based on negative feedback control, coupled with an MCU control platform and host computer system to complete the closed-loop transmission of control commands and data between hardware and software, to achieve digital constant current output control. Under R=2.84 Ω, L=25.5 µH shimming coil load, the full-scale output response time is less than 18.9 µs, the output ripple peak-to-peak control is 30 mV, the positive and negative current output symmetry is good, and the maximum output deviation is 4.8‰ for long time operation. This power supply was used in a nuclear magnetic resonance spectrometer system using 0.5 T-Halbach configuration magnets, and the magnetic field homogeneity was optimised from 24.48 ppm (10^-6) to 2.72 ppm by driving a first-order shimming coil. This work contributes to the integration of compact nuclear magnetic resonance spectrometer systems and the applications related to active shimming.

Keywords： nuclear magnetic resonance; active shimming power supply; high precision; high stability; multi-channel

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本文引用格式

刘庭伟, 彭博文, 徐雅洁, 王亚, 王峰, 郁朋, 杨晓冬. 一种用于磁共振波谱仪的主动匀场电源设计[J]. 波谱学杂志, 2024, 41(2): 117-127 doi:10.11938/cjmr20233066

LIU Tingwei, PENG Bowen, XU Yajie, WANG Ya, WANG Feng, YU Peng, YANG Xiaodong. A Design of Active Shimming Power Supply for Magnetic Resonance Spectrometers[J]. Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2024, 41(2): 117-127 doi:10.11938/cjmr20233066

引言

磁共振波谱检测是一种非侵入、无损伤、非放射性分析技术，在制药、生化分析和食品安全等领域有着广泛的应用^[1⇓-3].磁共振波谱仪基于主磁体的高均匀度磁场，获得分子的化学位移、弛豫信息和交换动力学等信息^[4].不均匀磁场会使得磁共振频谱信号的线宽变大，弛豫衰减变快，从而影响检测分析结果^[5,6].因此，为获得高分辨率的磁共振信号，磁体需要实现极高的磁场均匀性^[7].

主磁场均匀度受环境温度、震动、样品插入等因素影响，需要利用通电线圈（主动匀场线圈）产生补偿磁场，实现对磁场进行ppm（10^-6）量级的精细补偿^[8⇓-10]，从而实现高均匀度磁场分布.磁共振匀场电源是磁共振主动匀场系统的重要组件，用以产生高稳定性、高精度电流驱动匀场线圈，产生精细补偿磁场.高阶补偿磁场分布对应多通道驱动电源^[11,12]，因此匀场电源不仅要求实现高稳定性、高精度小电流输出，进行微弱磁场的补偿，还应满足多通道的需求.高稳定性、高精度电源设计主要受两方面的影响，其一是电源数字控制精度需满足匀场电流调节步长需求，其二是需降低纹波干扰和负载温度变化带来的影响，保证输出时间稳定性.此外，主动匀场的动态匀场应用对电源的输出响应时间也有很高的要求^[13,14].综上，为实现磁共振波谱仪的主磁场精细、快速补偿^[15]，设计一套动态性能良好，高精度、高稳定、多通道匀场电源系统十分关键.

目前对于匀场电源的研究更多的侧重于磁共振成像领域，为满足成像所需的大视场（FOV，Field of View），电流输出范围一般较大，不适用于标准样品管应用的波谱仪系统.如Stockmann等提供了一种用于驱动B₀场匀场阵列线圈的匀场电源驱动模块满足±2.5 A的电流输出^[16]，此类匀场电源输出范围远远大于匀场所需的电流需求（<1 A），在小电流输出工况下会带来控制精度的损失.Zhou等人设计了基于数字控制的匀场电源^[17]，但其滤波器参数较大，增加了电路的体积和硬件成本^[18]，Chen等人基于0.45 T双极型永磁体匀场系统应用，利用现场可编程逻辑门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）驱动16位数模转换器（DAC，Digital to Analog Converter），并采用增强型场效应管完成压控恒流源设计并驱动匀场线圈^[19]，该电源设计针对特定系统，输出参数不易调整.Tan等人提供了一种核磁共振波谱仪匀场电源数据通信模块设计，从软件层面优化匀场电源的控制精度，提高匀场的动态性能，匀场电流的上升时间为50 µs^[7]，Wang等人针对高场核磁共振波谱仪室温匀场电源和场频连锁系统一体化设计做了相关研究^[20].虽然各个相关团队围绕匀场电源做了相关技术的研究与结合，但对于电源输出的精度和稳定性并没有进行详细讨论.

本文针对匀场电源的高精度、高稳定输出展开研究，提出一种用于磁共振波谱仪的主动匀场电源系统设计方案.基于负反馈控制思路进行匀场电流驱动器模拟电路的设计，匀场电流驱动器各输出通道之间相互独立，只需通过简单更改电路板的数量就可完成输出通道的拓展，该设计用于降低电源输出扰动、增加电路的可拓展性，满足多通道匀场需求.搭建微控制器（MCU，Micro Controller Unit）控制平台，建立下位机系统与上位机软件之间的数据、指令闭环传输通道，实现软硬件之间的闭环控制.最后将该匀场电源应用于0.5 T-Halbach磁共振波谱系统，对电源的输出性能进行测试，评估该电源的实用价值.

1 总体设计

1.1 匀场电源系统整体设计

匀场电源主要包括MCU控制平台、DAC电压驱动器、匀场电流驱动器和电流检测模块，以及上位机软件.MCU控制平台作为硬件控制核心部署了下位机系统，解析控制指令，MCU的IO接口提供模块所需时钟和数据，实现对DAC电压驱动器和电流检测模块的控制.DAC电压驱动器完成数模转换，将模拟电压输入到匀场电流驱动器进行低通滤波，利用带有级间电流负反馈的二级运算放大电路实现电压/电流的转换并得到可数字控制的恒流输出.输出的匀场电流流过采样电阻，并利用电流检测模块进行幅值测量，通过过采样的方式转换成数字量传送给下位机，并上传到上位机进行数据的储存和后处理，实现对匀场电流状态监控.基于PyQt编写上位机软件提供用户界面，用于控制参数输入与数据处理并建立与下位机的通信，下发匀场电流控制数字量，接收上传的匀场电流状态数字量，整体上实现了闭环控制，同时预留有匀场算法的软件接口，便于后续算法的集成.匀场电源控制系统框架如图1(a)所示，匀场电源实物如图1(b)所示.

图1

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图1 (a)匀场电源控制系统框架，其中下位机系统部署在MCU控制平台；(b)匀场电源实物图

Fig. 1 (a) Shimming power control system frame, wherein the lower computer system is deployed on the MCU control platform; (b) Physical diagram of shimming power supply

1.2 MCU控制平台设计

MCU控制平台采用STM32F103ZET6芯片部署下位机嵌入式系统，实现对DAC电压驱动器、匀场电流驱动器、电流检测模块以及电源相关外设的控制.晶体管-晶体管逻辑电平（TTL，Transistor Transistor Logic）转通用串行总线（USB，Universal Serial Bus），实现MCU控制平台和电脑主机的通信连接，建立上位机与下位机串行外设接口（SPI，Serial Peripheral Interface）的通讯功能.下位机系统解析上位机数据并触发中断响应，实现对DAC模块输出模拟电压过程的数字控制.同时驱动电流采样模块，提供所需时钟，完成输出端电流状态数据监控，并通过数据端口读取电流采样数据，解析处理后上传上位机进行储存和后处理.MCU嵌入式系统部署框架如图2所示.

图2

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图2 MCU嵌入式系统部署框架

Fig. 2 MCU embedded system deployment framework

1.3 DAC电压驱动器

DAC电压驱动器主要负责将MCU控制平台输出的数字量转化成模拟量，通过16位DAC8552芯片完成数模转换，当同步时钟（$\overline{\mathrm{SYNC}}$）电平状态拉低时，使能输入移位寄存器，并在串行时钟（SCLK）每个下降沿通过数据输入（DIN）将数据写入24位输入移位寄存器，最终输出模拟电压.SCLK采用施密特触发逻辑输入方式，可在5 V供电状态下达到30 MHz的数据传输速率，控制时序如图3所示，图中各时间参数见表1.

图3

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图3 DAC8552控制时序图

Fig. 3 DAC8552 control timing diagram

表1 DAC8552控制时序图时间参数说明

Table 1 Description of the time parameters of DAC8552 control time series diagram

序号	T	名称	时间（最小值）/ns
1	t₁	串行时钟周期	33
2	t₂	串行时钟高峰时段	13
3	t₃	串行时钟低谷时段	13
4	t₄	同步时钟到串行时钟上升沿建立时间	0
5	t₅	数据建立时间	5
6	t₆	数据保留时间	4.5
7	t₇	24^th串行时钟下降沿到同步时钟上升沿建立时间	0
8	t₈	最短同步高电平时间	33
9	t₉	24^th串行时钟下降沿到同步时钟下降沿建立时间	100

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模拟电压信号经过二级放大实现电压的稳定输出.当输出电流范围无法满足匀场需求时，可根据(1)式确定所需输出电压范围，实现电路如图4所示，修改基准电压调整电路所设定的基准电压V_REF，以改变DAC电压驱动器输出电压V_out范围，最终调整恒流输出量程达到合适的匀场电流输出范围.

(1)$V_{\text {out }}=\left(1+\frac{R_{6}}{R_{4}}\right)\left(-\frac{R_{1}}{R_{2}} V_{\mathrm{REF}}+\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}} V_{\mathrm{IN}}\right)$

上式采用的物理符号与图4(a)中的相对应，其中V_out为输出电压，V_REF为基准电压，R₁~R₆为分压电阻，VDD和VEE提供±5 V的电源电压.

图4

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图4 (a) DAC电压驱动器放大电路；(b)基准电压电路，其中U1为电压转换芯片，电源电压VDD=5 V, V_REF为基准电压，C1~C3为滤波电容

Fig. 4 (a) DAC voltage output amplification circuit; (b) Reference voltage circuit, where U1 is the voltage conversion chip, the power supply voltage VDD=5 V, V_REF is the reference voltage, and C1~C3 is the filter capacitor

1.4 匀场电流驱动器

匀场电流驱动器由多个输出通道组成，每个通道可实现独立输出控制，可通过简单的增加电路板数量完成输出通道的拓展，主要用来实现电压/电流转换并恒流输出，每个输出通道由三部分组成，实现电路如图5所示，输入端利用无源低通滤波器滤除实验环境中的高频噪声，避免射频信号以及环境电磁波耦合到放大电路当中，影响匀场过程的稳定性.上限截止频率（f）计算满足(2)式，其中电阻R=R1=1 000 Ω，电容C=C1=0.1 µF，f为1 592 Hz.

(2)$f=\frac{1}{2 \pi R C}$

图5

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图5 匀场电流驱动器运算放大电路，其中电源电压VCC = 15 V，VEE = -15 V

Fig. 5 Shimming current driver operation amplification circuit, where the power supply voltage VCC = 15 V, VEE = -15 V respectively

经过滤波处理的电压量输入到带有电压跟随器的电流反馈电路，一级运放U1A构成电压跟随器，开环输入电阻>10⁶Ω，最大限度的接收经过滤波后的DAC输出的电压量并传输到由U2A二级运算放大电路完成电压/电流转换，实现电流的稳定恒流输出.

其中U1A、U2A在反馈电阻R3的作用下形成闭环结构，构成级间电流并联负反馈，在静态时输入电流与反馈电流数值相等，方向相等，即$i_{\mathrm{f}}=i_{\mathrm{i}}$.输出端产生电流波动时，即可同时产生$\Delta i_{\mathrm{f}}$实现输入端的电流补偿，维持输出端电流的恒定.

1.5 电流检测模块

电流检测模块采用ADC7606模拟/数字转换芯片，主要通过检测与线圈负载串联的电流检测电阻两端的电压值进行差分放大，实现电路如图6所示，并根据检测电阻值计算匀场线圈的电流值，经过模数转换实现匀场电流输出量的实时数据监测.将测量数据交由MCU控制台解析，并将解析后的数据通过串口通信上传到上位机软件进行数据储存和后处理.用户可根据输出端匀场电流变化趋势实时调整匀场策略.

图6

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图6 (a)电流检测模块控制连接示意图；(b)电流检测采样电路，VDD = +15 V，VEE = -15 V，分别为集成运算放大的电源电压

Fig. 6 (a) Current detection module control connection diagram; (b) Current sense sampling circuit, VDD = +15 V and VEE = -15 V are the power supply voltages for the integrated operational amplifier

1.6 上位机软件

上位机是基于PyQt6开发的人机交互软件，内置有串口通讯功能，8个数据通道，电流数据可视化窗口，以及自动匀场功能接口，负责与下位机系统的数据、指令传输，各数据通道实现对匀场电流驱动器各个通道的独立控制，并根据电流数据可视化窗口的电流数据反馈调整匀场策略，达到实时动态匀场的目的.上位机交互界面和软件控制流程分别如图7和8所示.

图7

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图7 上位机交互界面

Fig. 7 Host computer interaction interface

图8

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图8 上位机软件控制流程图

Fig. 8 Flow chart of host computer software control

2 结果与讨论

2.1 阶跃响应与纹波测试

根据实验室现有0.5 T-Halbach构型磁共振波谱仪的匀场需求，调整匀场电源的基准电压电路，修改匀场电源电流输出量程到[-500 mA，+500 mA]，完成满量程阶跃响应测试.测试仪器为普源精电DS1104Zplus示波器，最大采样率达到1 GSa/s.测试选用匀场线圈负载参数为R=2.84 Ω，L=25.5 µH匀场电流满量程输出上升时间为18.9 µs，满量程输出下降时间为18.0 µs，测试结果如图9和10所示，其动态响应迅速，满足动态实时匀场的需求.满量程输出（数字量29 000，模拟量500 mA）纹波峰峰值为30 mV，有效降低了输出端的纹波干扰.

图9

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图9 (a)满量程输出上升时间；(b)满量程输出下降时间

Fig. 9 (a) Full-scale output rise time; (b) Full-scale output fall time

图10

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图10 满量程输出纹波测试

Fig. 10 Full-scale output ripple test

2.2 输出稳定性与精度测试

时间稳定性测试主要考察匀场电源输出电流是否随时间推移而产生输出大小的波动，这直接影响匀场线圈所产生电磁场强度的变化，决定着匀场结果的稳定性和可重复性.针对多个输出量进行2 h输出监控.从图11可以看到，在±500 mA的输出范围内，输出电流正负对称性较好，输出基本满足I=0.017X线性关系，其中X为数字量，I为输出电流对应模拟量，DAC电压驱动器16位数字输出控制下，分辨率可达0.017 mA，分辨率精度为1‰，2 h输出测试下，输出电流最大偏差为±4.8‰，说明该输出具有很高的稳定性，满足长时间匀场实验使用需求，其中最大偏差定义为：

(3)$\sigma=\max \left\{\frac{I_{\min }-I_{\text {avg }}}{I_{\text {avg }}}, \frac{I_{\max }-I_{\text {avg }}}{I_{\text {avg }}}\right\}$

(3)式中σ为最大偏差量化值，I_min、I_max和I_avg分别为2 h测量时段内所监测的最小电流值、最大电流值和平均电流值.

图11

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图11 ±500 mA输出线性度

Fig. 11 ±500 mA output linearity

2.3 应用测试

本实验将匀场电源应用于0.5 T-Halbach磁体构型的磁共振波谱系统进行主动匀场功能性验证，测试样品为采用5 mm标准样品管的CuSO₄溶液，有效匀场区域（DSV，Diameter of Spherical Volume）直径为5 mm.实验仪器整体功能示意图如图12所示.

图12

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图12 (a)实验仪器整体功能示意图，其中LNA（Low Noise Amplifier）为低噪声功率放大器；(b)匀场线圈^[21]

Fig. 12 (a) Schematic diagram of the overall function of the experimental instrument, where LNA represents Low Noise Amplifier; (b) Shimming Coil^[21]

一阶主动匀场过程FID频谱如图13所示.磁体在30 ℃温控下初始场均匀度在24.48 ppm，上位机下发X、Y、Z匀场通道电流控制指令进行一阶主动匀场实验，根据频谱线形变化依次调节X、Y、Z三通道匀场电流的大小，优化磁场均匀度到2.72 ppm，随着均匀场的优化，FID信噪比大大提升，信号分辨率得以提高.

图13

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图13 FID信号频谱优化

Fig. 13 FID signal spectrum optimization

进一步进行了Z0通道补偿测试.Z0匀场电流改变频谱的中心频率，不改变洛伦兹峰线形，因此可以通过改变电流大小测试中心频率的偏移量，评估输出的精度.本实验在数字量[-3 000，3 000]，即对应模拟量[-51 mA，51 mA]范围内，按照500步长改变电流输出大小相邻频谱中心频率按照200±10 Hz的步长产生频率偏移，如图14所示.从结果可以看出，电流输出与频率偏移基本成线性关系.结合图14及其图注数据可以看出，在绝对值相等的正负电流作用下，其所对应的偏移频率的绝对值之间的差距，随着电流的增大而减小.意味着随着电流的增大，其输出正负电流绝对值偏差减小，电流输出正负对称性提高，此结果与图11一致，即大电流输出精度更高，优于小电流输出的情况；另外，±500数字量测试下频谱信噪比有所下降，可能的原因是系统温度不稳定.由于测试系统存在大概5.4 ppm/h的温度稳定性差异，使中心频率发生偏移，造成与射频探头线圈谐振频率的差异，导致信噪比下降.

图14

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图14 Z0通道电流对中心频率偏移测试

Fig. 14 Test of Z0 channel current to center frequency offset

3 结论

本研究提出了一种磁共振匀场电源系统设计方案，在匀场电流输出稳定性和高精度控制方面做了相应的优化提升，搭配MCU控制平台可实现数字控制，控制精度为16数字位，驱动基于负反馈设计的匀场电流驱动器，实现在[-500 mA，500 mA]范围内可数字调节控制的稳定恒流输出，输出电流正负对称性较好，输出基本满足I=0.017X线性关系，输出电流分辨率为0.017 mA，分辨率精度为1‰，在R=2.84 Ω，L=25.5 µH匀场线圈负载下，满量程输出响应时间小于18.9 µs，输出纹波峰峰值控制在30 mV，减少了负载端的输出扰动，满足主动匀场动态响应需求.同时各输出通道之间相互独立，满足多通道拓展的应用需求.在长时间运行作业下表现出良好的输出稳定性，最大输出偏差为4.8‰，保证了匀场实验时间稳定性.该方案设计的上位机软件便于人机交互，同时实现了电源系统数据可视化处理以及对电源系统的实时监控，可应用于磁共振波谱仪主动匀场实验方面.

利益冲突

无

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

毛希安

. 现代核磁共振实用技术及应用[M]. 北京: 科学文献出版社, 2000.