基于COM通讯的医用磁共振匀场辅助软件的设计以及实现

【作 者】蒋谟文， 陈劲洪

1 宁波鑫高益磁材有限公司，浙江，余姚，315400

2 广东省台山市人民医院设备科，广东，台山，529200

匀场是医用磁共振成像系统安装调试的一个重要的工艺过程。按照匀场方式的不同，主要分为三种。

第一种为通过高精度特斯拉计测量并记录初始场，然后通过数据分析，在磁体的极面上贴矫正磁片。反复进行测量、分析和贴矫正磁片，渐进式叠加填补来达到匀场的目的[1]。这种匀场方式一般在医用磁共振成像系统安装调试或定期的大维护保养中采用。

第二种为使用梯度系统进行一阶线性匀场补偿[6]。这种匀场方式一般在日常检查扫描前进行操作，特别是对于因温度变化引起的永磁体磁场小范围漂移的匀场校正非常有效。

第三种为使用专门的匀场线圈[2-5]，这些匀场线圈分8路、12路或16路甚至更多路包围在磁场周围，通过对这些线圈各路施加一定的直流电流，产生一个矫正磁场来达到匀场补偿的目的。这种匀场方式也叫有源匀场，产生的目标场通常非常均匀，但是也有增加成本和带来噪声干扰的缺点。

在第二种和第三种方式中，一般采用分析回波信号调整电流的大小来进行匀场补偿，不在本文的讨论之列。本文重点讨论在第一种方式中，在计算机和高精度特斯拉计之间通过使用COM接口进行通讯，将高精度特斯拉计锁定的磁场信号直接采集过来，使用软件的方法对采集到的数据进行分析计算，辅助匀场。由于摒弃了原有纯手工的方式，在匀场辅助软件的帮助下，大大提高了匀场方式的效率。

1 模型与算法

1.1 匀场的基本原理

均匀磁场是指，在一定空间内，其磁通密度矢量B的方向处处相同，大小处处相等。假设在某空间内，磁场的磁通密度矢量是B(x，y，z)，如同对信号作傅立叶分析那样，则可将B(x，y，z)分解为一系列线性无关的多项式组合：

式(1)中，系数C均为常数，并随着阶次的增高其值会渐渐趋于0。若能够找到某种产生磁场的方法，其磁通密度矢量可表示为为：

这两种磁场相加，可以抵消掉除C0以外的所有低次项，而高次项在总的磁场值中所占比例可忽略不计。这样在特定空间内的磁场为一常数C0+C '0，这一过程就是匀场[1]、[10]。

任意磁场通过傅立叶变换等，都可以展开成不同分量的磁场的叠加。从这个角度出发，那么磁体匀场就是消除展开方程的不同分量。一般我们抵消到部分的三次项分量时，就已经满足我们医用磁共振对磁场的均匀性要求了。这就是为什么要会提出反向的理论依据。至于这个反向，不是与原磁场反方向磁场将磁场进行抵消，而是我们认为制作一个与分量磁场反向变化的磁场(磁化方向相同，变化相反)，与原磁场进行矢量叠加，这样就将该分量抵消。一般为了好理解就将它说成反向磁场。

如第一种医用磁共振匀场方式中，不管磁场调节用磁片还是铁片，实际上就是通过改变磁力线的分布。反向磁片为什么可以降低磁场，因为磁力线是不相交的，磁场是同性相斥异性相吸。当一个磁化方向与原磁场磁化方向相反的磁片作用到原磁场时，磁场会下降或减小，出现该现象是同性相斥的结果，也就是说磁力线的分布变稀疏了，从而实现了匀场补偿。

1.2 高精度特斯拉计PT2025工作原理

高精度特斯拉计PT2025工作原理主要是利用核磁共振的物理现象，将一个含有自发自收的线圈以及测试样品的探头放置在磁场中，由特斯拉计通过线圈向样品发送一个特定频率和带宽的电磁波，激发探头中的测试样品；停止发送电磁波后，通过采集分析测试样品的磁共振信号来锁定磁场和共振频率[7-8]。

1.3 匀场空间划分

在医用磁共振成像系统匀场的过程中，需要对匀场空间进行划分[10]，一般是以磁体物理中心为中心的一个30-50 cm圆球或者椭球。为了评价该区域的均匀性，对匀场的空间进行了这样的划分:沿着水进行平行，球心所在位置为中心面Z0，上面6个切面，分别是Z平面、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6，下面6个切面分别是-Z1、-Z2、-Z3、-Z4、-Z5、-Z6，一共13个切面[11]，如图1所示。

图1 空间划分13个切面示意图Fig.1 Space divided into 13 sections

每个切面与球面的交线都是一个圆，如图2所示：

图2 每个切面的交线与球面交线示意图Fig.2 Cross lines of sections and sphere

在每个切面所产生的圆上，每30o，测量一个点，这样每个切面上有13个测量点（圆上12个点+圆心1个点），如图3所示。

图3 每个切面交线圆上的采集点示意图Fig.3 Acquiring points on cross line circles of sections

根据以上匀场空间划分，所需测量点的总数为(13层×13点)169点。

1.4 磁场均匀度

磁场均匀性是指在特定容积限度内磁场的同一性，即穿过单位面积的磁力线相同。这里的特定容积通常取一球形或椭球空间[1]。均匀度是均匀性的量化，本文中，磁场的均匀度采用测试区内任意两点之间磁场强度的最大偏差与标称磁场强度之比，如式(3)和式(4)所示。在MRI系统中，静磁场的均匀度是以静磁场强度的10-6作为一个偏差单位定量表示的，习惯上将这样的偏差单位称为ppm。

在式(3)中：

△B(Zn, θ) —— 表示在第Zn层，第θ角上的磁场强度和第Zn层中心点磁场强度的差值；

B(Zn, θ) —— 表示在第Zn层，第θ角上的磁场强度值；

B0Zn—— 表示在第Zn层圆心所在位置的磁场强度值。

在式(4)中：

ρ—— 表示磁场均匀度，单位ppm

Max(△B(Zn, θ)) —— 表示在第Zn层，第θ角上的磁场强度偏差的最大值，这里Zn取值-Z6-Z6，θ取值0o-330o；

Min(△B(Zn, θ)) —— 表示在第Zn层，第θ角上的磁场强度偏差的最小值，这里Zn取值-Z6-Z6，θ取值0o-330o；

B0Z0—— 表示第Z0层的中心点的磁场强度值。

1.5 COM通讯

高精度特斯拉计PT2025测得的数据，通过计算机与PT2025上的RS232接口[7]来进行的，他们之间的连接如图4所示。

图4 计算机和PT2025上的RS232连接示意图Fig.4 Connection between computer and RS232 on PT2025

2 软件实现

2.1 软件工作流程图

软件工作流程如图5所示。由于数据的采集改用软件直接采集，大大方便了匀场的操作。

2.2 软件结构

使用Delphi 3.0/6.0在Windows操作系统环境下编写了匀场辅助软件，其用户界面如图6所示。

如图6所示， 40 cm球形空间经过匀场后，磁场均匀度为15.9 ppm；磁场强度最大点在[-Z4，60o]，最小点在[Z5，240o]，中心频率12.456059 MHz。

软件功能模块划分主要有5大块，如图7所示。

在COM通讯控制过程中，使用了Microsoft的CreateFile、GetCommConfig、SetCommState、SetupComm、GetCommTimeOuts、SetCommTimeOuts、CloseHandle等Win32函数以及事件对象处理，这些函数的使用参考了MSDN[9]。

图5 软件工作流程示意图Fig.5 Software Work fl ow

图6 匀场辅助软件用户界面Fig.6 User interface of assisting shimming software

3 结论

图7 软件功能模块划分示意图Fig.7 Division on software functional module

经过在宁波鑫高益磁材有限公司开放式永磁型磁共振成像系统300多台磁体上匀场调试的实践，应用该辅助匀场软件后，使得匀场工艺时间从原来的每台2个人匀场20天左右，缩短到现在的每台1个人匀场4天，大大提高了匀场效率，具有显著的经济效益。

[1] 冯彦. 医用磁共振成像设备永磁体匀场设计及检测研究[D]. 南方医科大学硕士学位论文, 2008

[2] 武海澄, 刘正敏, 周荷琴. 磁共振成像系统中低阶平板式匀场线圈的设计[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(24): 154-159.

[3] 陈历, 彭承琳, 朱学武. 0.2T开放式永磁型医用核磁共振成像仪有源匀场系统的研制[J]. 生物医学工程学杂志, 2004,21(2):288～291.

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[7] METROLAB Instruments SA, PT2025 NMR TESLAMETER User’s Manual[M],Version 2.0(Revision 1.0), 2003

[8] METROLAB Instruments SA, PT2025 Brochure[M/OL], http://www.metrolab.com/uploads/Document/WEB_CHEMIN_338_1298646921.zip，2011

[9] Microsoft, MSDN Online[M/OL], http://msdn.microsoft.com/zhcn/library/ms123401.aspx, 2011

[10] 许勤, 陈恒, 杨光, 等. 模拟匀场软件的设计与实现[J]. 波谱学杂志, 2011, 18(3): 193-198.

[11] YZB/国0228-2006, 开放式永磁型磁共振成像系统医疗器械注册产品标准[S], SFDA 2008.03.17核准