Система электронного управления магнитно-резонансного томографа
МР томограф представляетсобой сложную систему, состоящую из большого числа узлов различного назначенияи размещенную на большой площади. Сказанное относится в первую очередь к МРТ срезистивным магнитом, которые имеют сложную энергетическую установку дляпитания главного магнита и систему водяного охлаждения. Что же касается узловуправления градиентной и РЧ системами, то они примерно одинаковы у всех типовМР томографов.
Учитывая, что выпускаютсявсе три типа томографов, рассмотрим, как наиболее общую, структурную схемусистемы МРТ с резистивным магнитом (рис.1). В отличие от РКТ или УЗ сканеров,где некоторые системы (например, электромеханические узлы сканирования илимеханические датчики) работают автономно, в МРТ все субсистемы, участвующие всборе и обработке информации, работают под управлением ЭВМ. Свои управляющиефункции ЭВМ осуществляет через электронный блок управления – крейт. Отсюда идутаналоговые и цифровые управляющие сигналы и команды в РЧ передатчик и источникипитания градиентных катушек. В этих блоках генерируются сигналы большоймощности и выделяются значительные тепловые потери. Поэтому они оформлены всамостоятельные конструктивные узлы. Источники питания градиентной системы, посуществу, представляют собой усилители мощности и размещены в шкафах в одномпомещении с источником питания главного магнита. Там же находятся и основныеузлы контроля системы охлаждения.
Магнитная система МРТ,которую по аналогии с блоком сканирующего устройства РКТ можно было бы назватьгентри, помещается в специальной комнате, пол, стены и потолок которойобтягиваются тонкой металлической сеткой. Она служит для защиты от помех,проникающих по эфиру от различных источников: станций радио- и телевещания,электротранспорта, местных источников, например мощных аппаратов УВЧ терапии идр. Тем не менее, помехи проникают и вносят искажения в МР-томограммы. И этообъяснимо – РЧ сигналы, получаемые от тканей организма, сравнимы по величине сэлектромагнитными колебаниями, приходящими из эфира и составляют десяткимикровольт. Помехи могут проникать также из электросети. Для их подавления всесиловые токи – источников питания главного магнита, градиентной системы ипередатчика – пропускаются через фильтры. Этой же цели служит применениепредварительного усилителя РЧ сигнала, расположенного в непосредственнойблизости от РЧ катушки для тела. Слабый РЧ сигнал, усиленный до несколькихмилливольт с минимальной примесью помех, поступает в крейт, где дополнительноусиливается.
Системе водяногоохлаждения отводится важная роль. Вода используется для отвода тепла не толькоот катушек главного магнита, но и от нагруженных силовых элементов источниковпитания главного магнита и градиентных систем. Применяют два типа системводяного охлаждения: статическую и динамическую. В статической системе водазакачивается в резервуар, расположенный на высоте 9-го – 10-го этажа, т.е.создается давление около 3 – 4 атм. Резервуар имеет емкость, достаточную дляработы МРТ в течение 1 часа. Динамическая система проще, так как вода подаетсяв систему охлаждения непосредственно из водопроводной сети насосом. Однакостабильность напора воды в ней хуже, а при авариях в водопроводной сети или всистеме охлаждения обследование приходится сразу прерывать.
Как и в системе РКТ, в МРТ применяютдва монитора: цветной общего назначения и полутоновый черно-белый для вывода изображения.Для получения твердой копии изображения применяют различные принтеры –лазерные, тепловые и другие, которые дают черно-белые (или других оттенков)полутоновые изображения.
/> />
Рисунок 1. Структурная схема системыМРТ с резистивным магнитом.
Особенностью системы управляющихкоманд МРТ по сравнению с РКТ и ультразвуковыми сканерами является большойудельный вес аналоговых сигналов. К ним относятся, прежде всего, радиочастотныепосылки (несущие колебания и огибающая) и аналоговые напряжения для управленияградиентной системой, а также некоторые вспомогательные сигналы. Роль цифровыхсигналов в основном сводится к управлению аналоговыми сигналами и формированиювременных интервалов. Разумеется, аналоговый РЧ сигнал, принимаемый антенной,преобразуется в цифровой. В основном все сигналы и данные измерения,передаваемые на исполнительные устройства и в ЭВМ, вырабатываются в крейте,структурная схема которого приведена на рис.2.
Контроллер предназначендля организации обмена данными между крейтом и ЭВМ. Он обеспечивает адресациюблоков крейта, трансляцию данных из ЭВМ, прием оцифрованного МР сигнала впоследовательном коде по двум каналам, преобразование его в параллельный и вводв ЭВМ в режиме прямого доступа к памяти. С целью ускорения преобразования видаизображения в нем могут быть предусмотрены для этого аппаратные средства.Например, сравнительно просто и быстро на аппаратном уровне выполняетсяинверсия изображения «позитив-негатив» с помощью элементов «Исключающее ИЛИ».
Большинство блоков крейтатребует для своего функционирования разнообразных импульсов различной частоты идлительности. Их поставляет программатор импульсов, который, в свою очередь,получает необходимую информацию об этих импульсах от контроллера.
В программаторе уровней спомощью нескольких ЦАП, на которые подаются цифровые коды, формируютсяаналоговые напряжения, предназначенные для задания уровней градиентов, формыогибающей РЧ импульса и ряда других аналоговых сигналов, о которых будетсказано ниже. Так как аналоговых сигналов требуется много, то программаторуровней конструктивно может быть размещен на двух платах.
В радиочастотном блокенаходится задающий генератор радиочастотного возбуждающего сигнала, устройствосмещения радиочастоты, оконечный усилитель МР сигнала и его детектор.
Блок выбора слоя тесносвязан с блоком РЧ, так как в нем формируются необходимые сигналы дляорганизации смещения РЧ частоты и огибающая РЧ импульса.
Хотя индуктивностиградиентных катушек сравнительно невелики (несколько десятков мкГн), при подачеградиентных импульсов с крутыми фронтами в них могут возникать нежелательныепереходные процессы. В блоке коррекции градиентов происходит автоматическоепреобразование прямого фронта напряжения, поступающего от программатораимпульсов, в напряжение с линейным фронтом и оптимальной скоростью нарастания,при которой переходный процесс минимален.
Наконец, в блоке АЦП ифильтров формируется цифровой результат преобразования МР-сигнала. Фильтрыслужат для выбора полосы пропускания, в которой принимается сигнал отвыбранного слоя, т.е. в полосе частоты смещения. Таких блоков в крейте такжеможет быть два (два информационных канала).
Как видим из структурнойсхемы крейта, управляющая электроника МРТ не очень сложна. Во всяком случае, УЗсканер по насыщенности различными управляющими электронными устройствамизначительно превосходит МР томограф. Сложность МРТ заключается в его магнитнойсистеме и программном обеспечении.
Из электронных узлов,обеспечивающих действие системы, наибольший интерес представляют блокирадиочастотной группы. Рассмотрим более подробно задачи, которые она выполняет.Структурная схема, отражающая связь и взаимодействие этой группы блоковизображена на рис.3. Одним из главных требований, предъявляемых к РЧ блоку,является высокая стабильность радиочастоты, что обеспечивается применениемкварцевого задающего генератора, который вырабатывает сигнал с частотой f0, определяемой равенством Лармора. Поэтому смещениеэтой частоты при выборе слоя осуществляется не прямым способом, а путемкосвенных нелинейных преобразований, например смешиванием сигналов частоты f0 и частоты смещения.
Смещенный сигналусиливается по напряжению и по мощности в блоке передатчика, модулируетсяогибающей с заданным законом изменения и поступает на РЧ катушки по общемукоаксиальному фидеру. Соответственно их пространственному расположению парыкатушек называются вертикальной (ВК) и горизонтальной (ГК) Для получениявращающегося магнитного поля в цепях каждой пары катушек имеются фазосдвигающиезвенья, которые создают сдвиг фаз их токов в 90о.
МР сигнал, получаемый оттела, снимается с тех же катушек, которые служат для возбуждения, и поступаетпо двум каналам в предварительный усилитель, расположенный поблизости. В немсигналы каналов объединяются и по общему коаксиальному кабелю приходят наоконечный усилитель МР сигнала. Как было показано, для возбуждения катушек наних подаются большие (сотни вольт) напряжения. Поэтому должны бытьпредусмотрены меры по защите предусилителя МР сигнала от перенапряжений повходу. При приеме сигнала РЧ катушки, имеющие относительно малое входноесопротивление, могут оказывать шунтирующее действие. Для его исключения такжепринимают различные меры – нелинейные элементы, коммутирующие устройства,которые отключают РЧ катушки при приеме МР сигнала.
Объединенный МР сигналдетектируется синхронным детектором, который управляется напряжением задающегогенератора. В синхронном детекторе МР сигнал разделяется на два канала U и V, сигналы которых находятся в квадратуре (сдвинуты по фазе на90о) и, по сути, представляют собой физическое воплощениепредставлений о вращающейся системе координат и ее параметров u и v. Поэтому выбор символов для обозначения каналов не случаен.Далее эти сигналы поступают в два канала АЦП. Применение синхронного детекторапродиктовано очень малой величиной МРС. Как известно из теории радиоприема,синхронный детектор обладает хорошей помехоустойчивостью и избирательностью.
/> />
Рисунок 3. Блоки радиочастотнойгруппы.
Электронные блоки радиочастотнойгруппы конструктивно могут находиться в различных местах. Например, задающийгенератор, устройства смещения частоты, оконечный усилитель МРС и детектормогут находиться в блоке РЧ, формирователи сигналов смещения частоты иогибающей – в блоке выбора слоя. Эти два блока находятся в крейте. Передатчик ипредусилитель МРС являются отдельными самостоятельными блоками.
РЧ катушки. Упрощенные схемы цепей катушек длятела и для головы изображены на рис.4. Катушки для тела, как уже говорилось,образуют две ортогонально расположенные пары – горизонтальную (ГК) и вертикальную(ВК).
Напряжение возбуждения накатушки подается по общему коаксиальному фидеру. Для сдвига фаз токов на 90ов цепи горизонтальной и вертикальной пар включены соответственно индуктивность L1 и емкость С1. Для защиты отперегрузок по напряжению входов предварительного усилителя и устраненияшунтирующего действия передатчика используются встречно-параллельные парыдиодов. При возбуждении катушек через диоды протекают большие токи и ихсопротивления малы. При этом диодные пары, включенные на входах усилителя,играют роль двухсторонних амплитудных ограничителей. Для слабых же МР сигналовдиоды представляют собой большие сопротивления, благодаря чему диодные пары,включенные в цепи катушек за фидером, как бы отключают их от передатчика. Помеха,возникающая на входах усилителя, хотя и уменьшенная диодными ограничителями,все-таки остается слишком большой (0,7 В). Поэтому на практике применяют болеесложные способы подавления помех.
аб /> />
Рисунок 4. РЧ катушки: для тела(а) и головная (б).
Катушка для головынадевается непосредственно на голову пациента и подключается к предварительномуусилителю коротким коаксиальным кабелем с разъемом. Она состоит из двух секций,каждая из которых содержит пару катушек – сигнальную (L1) и компенсирующую (L2). Эти катушки находятся в непосредственной близости друг отдруга и имеют почти стопроцентное сцепление. При возбуждении излучающей системы(катушки для тела) в сигнальной катушке L1 наводится сильная помеха. Для ее компенсации и служиткатушка L2. В ее цепи возникает большой ток,создающий размагничивающее поле для L1 и тем самым компенсирующее помеху. По окончании РЧ импульса сопротивлениедиодной пары становится большим и на слабый МР сигнал катушка L2 не оказывает шунтирующего действия.Этой же цели служит нелинейная индуктивность L3.
Для исследования областиспины применяется отдельная катушка в виде плоской рамки. Переключение входовпредварительного усилителя на тот или иной источник сигнала (антенну)осуществляется с помощью контактного переключателя.
Предварительныйусилитель МР сигналапредназначен для усиления очень слабых РЧ откликов, поэтому к немупредъявляются повышенные требования в части собственных шумов. Это требованиеудовлетворяется, как и в видеоусилителях рентгеновских телевизионных систем,применением во входных каскадах малошумящих полевых транзисторов. Но в отличиеот видеоусилителя предварительный усилитель МРС принимает узкополосный сигнал,поэтому от внешних и внутренних помех можно дополнительно отстроиться с помощьюселективных цепей. Одна из возможных схем предварительного усилителя МРСприведена на рис.5.
/>
Рисунок 5.Предварительный усилитель МР сигнала.
Сигналы от РЧ катушекпоступают на входы 1 и 2 «вертикального» и «горизонтального» каналов. Сильныесигналы (помехи), возникающие при возбуждении катушек, ограничиваютсядвусторонними диодными ограничителями, которые уже были показаны на рис.4. Вкаждом канале сигналы усиливаются повторителем на малошумящем полевом транзисторе(например, КП307) и усилителем напряжения У1, который может быть выполнен на быстродействующемоперационном усилителе. Нагрузкой повторителя служит дроссель L1. Его сопротивление переменному токубудет большим, а сопротивление постоянному – маленьким. Поэтому напряжениезатвор-исток полевого транзистора оказывается практически равным нулю. Крутизнатранзистора будет при этом максимальной.
Для повышениястабильности усиления каждый канал охвачен параллельной отрицательной ОС череземкости С1, С2, С3, а дроссель для повышения устойчивости схемы зашунтированвысокоомным сопротивлением.
Так как сигналы каналовВК и ГК находятся в квадратуре, то при их простом объединении на входесуммирующего усилителя амплитуда результирующего сигнала была бы только в /> раз большеамплитуды одного из них. Во избежание потери усиления их фазы сдвигаютсясоответственно на -45о и +45о с помощью фазосдвигающейцепочки R1, R2, C4,поскольку, как это видно из рис.4, напряжение в канале ГК отстает от напряженияв канале ВК. Таким образом, на входе усилителя они оказываются в одной фазе.Как правило, общее усиление предварительного усилителя составляет около 2000.При этом его выходное напряжение получается равным примерно 40 мВ, чтокосвенным образом свидетельствует об очень малой величине МРС (»20 мкВ).
Передатчиком в МРТ обычно называют многокаскадныйусилитель мощности и модулятор. Особенность его работы заключается в том, чтоон должен развивать большую мощность в течение действия сравнительно короткогоРЧ импульса при достаточно большой скважности (длительность РЧИ составляет 3 –8 мс, а длительность периода повторения обычно не менее 40 мс). Поэтому средняявыходная мощность передатчика сравнительно невелика. Тем не менее, дляповышения надежности в его выходных каскадах применяют мощные высокочастотные транзисторы.В частности, разработчики охотно используют полевые транзисторы с изолированнымзатвором благодаря небольшой мощности, необходимой для их раскачки. Примерпостроения схемы передатчика показан на рис.6.
/> />
Рисунок 6. Передатчик РЧсигнала.
Несущая со смещеннойчастотой непрерывно поступает от РЧ блока. Она не обязательно должна иметьформу гармонического колебания – это может быть и прямоугольное напряжение(меандр). Главное требование, предъявляемое к ней – стабильность частоты иамплитуды. Сигнал огибающей поступает от блока выбора слоя. Несущая усиливаетсядвухтактным усилителем. Его первый каскад на транзисторах VT1, VT2 (резистивный) раскачивает мощный выходной каскад на полевыхтранзисторах с изолированным затвором VT7, VT8. Для согласования входного ивыходного каскадов служат двухтактные эмиттерные повторители на комплементарныхпарах транзисторов VT3, VT4 и VТ5, VT6.
Модуляция осуществляетсяс помощью транзисторов VT9, VT10, которые управляют токомспециального источника питания. Такой способ питания называют «плавающейземлей» или «подземным» источником. При отсутствии РЧИ потенциал точки аравен нулю, поэтому напряжение Uси полевых транзисторов также равнонулю, и ток в цепи РЧ катушек отсутствует. Поступающий от формирователяогибающей сигнал открывает транзисторы VT9, VT10,и потенциал точки а понижается. Это приводит к отпиранию транзисторов VT7, VT8 и возбуждению тока в РЧ катушках. Рассмотренный способмодуляции аналогичен анодной или коллекторной модуляции. Он характеризуетсявысокой линейностью воспроизведения огибающей в широком динамическом диапазоне,но требует большой мощности от модулятора. Для обеспечения пропорциональностимежду управляющим сигналом огибающей и выходным напряжением модулятораусилитель огибающей охватывают глубокой отрицательной ОС по напряжению.
Для работы в выходномкаскаде передатчика подходят мощные полевые транзисторы КП904А, Б смаксимальной мощностью рассеяния 75 Вт и минимальной крутизной около 250 мА/В.При выходном токе 1,4 А, взятом из ранее рассмотренного примера, потребуетсянапряжение Uзи = 1,4/0,25 = 5,6 В. Емкостьзатвор-исток этих транзисторов составляет около 200 пФ. На частоте 5 МГц ихвходной ток будет равен /> » 35 мА, т.е. ток получается достаточно большим. Ноесли бы использовать биполярные транзисторы, он был бы не меньше, а линейностьбыла бы хуже.
Во вторичной цепитрансформатора Т2 включена пара встречно-параллельных диодов. Она, как ианалогичные пары в цепях РЧ катушек, служит для отключения выхода передатчикаво время приема МР сигнала с целью предотвращения его шунтирования сравнительномалым выходным сопротивлением трансформатора.
Рассмотрим теперь болееподробно устройство РЧ блока. Основными его частями являются генераторсмещенной частоты и синхронный детектор МР сигнала. Структурная схемагенератора приведена на рис.7./> />
Рисунок 7. Генератор сигналовсмещенной частоты.
Принцип смещения частотыоснован на тригонометрическом преобразовании
cos(f0±fсм) = cos(f0) cos(fсм) /> sin(f0) sin(fсм),
или (1)
sin(f0± fсм) = sin(f0)cos(fсм) ± cos(f0) sin(fсм).
В тригонометрическихвыражениях (1) для простоты вместо wt условно записаны частоты f.Таким образом, для смещения частоты f0 нужновыполнить операции умножения и сложения двух пар квадратурных гармоническихфункций. Нулевая частота смещения соответствует слою, проходящему через центрмагнита. Для выбора слоя по разные стороны относительно центра в выражениях (1)следует менять знаки при вторых слагаемых. Физически для этого достаточнопроинвертировать функцию sinfсм.Квадратурные сигналы с частотой f0получают с помощью опорногогенератора с частотой 2f0, делителя на 2 и фазосдвигающегоустройства, обеспечивающего сдвиг фаз на 90о. Наиболее простоделение частоты на 2 и сдвиг фаз можно реализовать с помощью цифровых схем. Дляэтого можно использовать быстродействующие элементы типа ЭСЛ(эмиттерно-связанная логика) серий К500 или К1500. Эти микросхемы обладаюттакже достаточно большой выходной мощностью. Деление частоты на 2 выполняетсятриггером, поэтому переменные напряжения частотой f0имеют форму симметричных прямоугольных импульсов (меандра),что важно с точки зрения точности преобразования. Квадратурные сигналы счастотой fсм гармонической формы поставляетспециальное формирующее устройство блока выбора слоя.
Функции перемножения исложения выполняются с помощью аналоговых перемножителей (АП). При этом один изсомножителей является гармонической функцией, а другой — периодической негармонической.Гармонический сигнал с частотой f0+ fсм выделяют на параллельном колебательном контуре, подключаемомк выходам АП и настроенном на частоту f0. Впрочем,затем он может снова стать прямоугольным, если в качестве предварительногоусилителя ПУ и оконечного каскада ОК использовать цифровые микросхемы К500 илиК1500.
В качестве АП можноприменить популярную микросхему К174ПС1. Она представляет собой аналоговыйперемножитель общего применения с предельной частотой 220 МГц. Его выходноенапряжение определяется выражением />, где Км – масштабныйкоэффициент. Электрическая схема этого АП приведена на рис.8.
/> />
Рисунок 8. Аналоговый перемножительК174ПС1.
Регулятор фазыподдерживает точный сдвиг фаз в 90о между квадратурными сигналами счастотой f0. Это достигается применением АП (АП3) и фильтранижних частот, в качестве которого используется интегратор. Выходное напряжениеинтегратора смещает потенциал на выходе фазосдвигающей цепи, котораяпредставляет собой интегрирующую RC-цепь.В результате сдвигается во времени фронт импульса на входе одного изтриггеров-делителей на 2. Регулятор охвачен обратной связью сигналами cosf0и sinf0. Врезультате на выходе АП3 возникает переменное прямоугольное напряжение счастотой 2f0(рис.9). При точном равенстве сдвига фаз 90оэто напряжение будет иметь форму меандра, и поэтому выходное напряжениеинтегратора будет равно нулю.
/> />
Рисунок 9. Напряжение на выходеАП3./> />
Канал синхронного детекторапоказан на рис.10. МР сигнал от предварительного усилителя поступает на входусилителя с управляемым коэффициентом усиления, который выполнен на АП (АП1).Сущность управления усилением состоит в том, что один из входных сигналовпредставляет собой постоянное напряжение, подаваемое от блока программаторауровней. В частности, при возбуждении РЧ катушек, когда на входе этогоусилителя возникает большой сигнал, на управляющем входе на некоторое времяустанавливается нулевой уровень. Это приводит к блокировке усилителя.
Рисунок 10. Синхронныйдетектор МР сигнала.
Первая гармоника сигнала cos(f0+fсм) выделяется на колебательном контуреи детектируется синхронным детектором, который выполнен также на аналоговыхперемножителях. На их сигнальные входы подается один и тот же сигнал cos(f0+fсм), а на опорные входы – квадратурныеопорные сигналы cosf0и sinf0. Спектры выходных сигналов АП2 и АП3 описываютсявыражениями (2.13) и представляют собой биения колебаний. Фильтры нижних частотвыделяют из этих биений низкочастотные составляющие cosfсм и sinfсм, которые несут информацию опараметрах, характеризующих локальные свойства тканей. Эти сигналы усиливаютсяи поступают в каналы U и V аналого-цифровых преобразователей.
Ранее отмечалась высокаяпомехоустойчивость синхронных детекторов. Действительно, если в принимаемомсообщении кроме полезной составляющей с частотой f0+ fсм имеется также помеха с частотой fп, близкой к f0, то, например,первое равенство системы (2.13) будет иметь вид
cos(fп+fсм) ´ сosf0 =/>[cos(f0+fп+fсм) + cos(fп-f0+ fсм)].
Если fп>f0, то fп-f0+ fсм > fсм, и помеха оказывается за пределамиполосы пропускания фильтра.
В режиме тестированиятомогорафа, когда МР сигналы не принимаются, вход усилителя размыкаетсяконтактами реле, которое управляется специальным сигналом «Тест».
Конечным пунктомназначения МР сигнала в усилительном тракте являются АЦП каналов U и V. Перед каждымАЦП устанавливают фильтр НЧ с управляемой полосой пропускания, которая задаетсяв соответствии с частотой смещения. В отличие от УЗ сканеров или цифровых РТСдля цифрового преобразования МР сигнала, в принципе, не требуетсясверхскоростной АЦП. Действительно, МР сигнал (тот, который считывается) длитсяоколо 8 мс. За это время требуется обычно сделать 256 отсчетов. Следовательно,время одного отсчета составляет примерно 30 мкс. Это время преобразования АЦПпоследовательного приближения типа К1113ПВ1, который представляет собойстандартную микросхему, имеющую все необходимое для сопряжения с ЭВМ. К томувремени, когда началась разработка первого российского МР томографа «Образ-1»,эта микросхема уже выпускалась. Тем не менее, разработчики применили АЦП соструктурой К1113ПВ1, но выполненный из нескольких отдельных элементов: регистрпоследовательного приближения (РПП), ЦАП, компаратор. Вероятно, разработчиковне устраивала разрядность К1113ПВ1 – 10, что давало точность преобразования в0,1%. Прииспользовании 12-разрядного РПП типа К155ИР17 точность увеличивается в 4 раза.
Структурная схема одногоканала АЦП с фильтром нижних частот показана на рис.11. Фильтр нижних частотвыполнен в виде двухкаскадного активного фильтра /> />
Рисунок 11. Канал АЦП и фильтраМР сигнала.
с характеристикойБаттерворта, обеспечивающей меньшие частотно-фазовые искажения, чем другиехарактеристики (например, Чебышева). Изменения полосы пропускания фильтраосуществляется коммутацией элементов R, C аналоговым коммутатором.
Передаточнаяхарактеристика одного каскада ФНЧ имеет вид
K(jw)/>= />,
т.е. каскад являетсязвеном второго порядка, а фильтр в целом имеет четвертый порядок. Обычно числополос пропускания фильтра выбирают так, чтобы обеспечить их взаимное перекрытиев диапазоне от –fсм.макс до +fсм.макс.Например, если частота смещения изменяется впределах ± 8 кГцотносительно f0, что соответствует максимальным расстояниямвыбираемого слоя от центра магнита, то максимальная ширина полосы фильтра будетравна 16 кГц. При этом ее удобно изменять с шагом 1 кГц.
С выхода фильтра сигналпоступает на устройство выборки-хранения (УВХ), где запоминается его дискретныйотсчет на время преобразования АЦП. Цифровые данные каналов U и V через мультиплексор контроллера крейта передаются в ЭВМ. Надэтими данными выполняются преобразования Фурье и определяются амплитуды и фазыотдельных гармоник:
/> и />.
Современные средстваэлектроники позволяют уменьшить размеры этого блока и одновременно улучшить егохарактеристики. Можно, например, использовать 12 – 16-разрядныебыстродействующие АЦП зарубежных фирм, а вместо аналоговых фильтров,дискретность и избирательность которых не всегда удовлетворяют разработчиков, — специальные сигнальные процессоры. Например, на базе микросхемы MCS 296 можно построить цифровой фильтрпрактически с любой характеристикой.
Блоки выбора слоя ипрограмматора уровней находятся в стадии непрерывного развития исовершенствования. При их разработке возможно много альтернативных решений, иглавной задачей является выбор оптимальной конфигурации. Для выбора слоянеобходима достаточная точность формирования квадратурных сигналов смещениячастоты f0и огибающей РЧ импульса и в то же время возможностьих плавного регулирования. Поэтому обычно применяют смешанные аналого-цифровыеспособы формирования этих сигналов, например, функции квадратурных сигналов(синус и косинус) и огибающих хранят в ПЗУ, а управление их частотой иамплитудой осуществляют с помощью аналоговых сигналов – уровней.
На рис.12 приведена структурнаясхема устройства формирования сигналов для управления частотой смещения.Формирование этих сигналов осуществляется путем двойного преобразования:сначала аналоговый уровень UF преобразуется с помощью интегратора DA1 в пилообразное напряжение, которое служит тактовой частотойдля счетчика, а затем с помощью ПЗУ и ЦАП формируют функции косинуса и синуса сигналовсмещения. Уровень UF поставляется блокомпрограмматора уровней, где он, в свою очередь, формируется с помощью ЦАП на основецифровых данных, поступающих из ЭВМ.
/>
Для запуска интеграторапо специальной команде размыкается ключ S1 и начинается заряд конденсатора С1. При положительном UF на выходе DA1 будет отрицательное линейно-изменяющееся напряжение (ЛИН),а при отрицательном UF –положительное ЛИН. Сброс интегратора производится с помощью компараторов К1, К2и одновибраторов ОВ1, ОВ2. При этом замыкается ключ S2 ( S3), иконденсатор С2 (С3), предварительно заряженный от источника +Uоп1 (-Uоп1) разряжает конденсатор С1. Таким образом, формируетсяпилообразное напряжение. Его частота определяется формулой
/>, /> = R1C1.
Импульсы одновибраторовтактируют реверсивный счетчик, причем при отрицательном UF, работает ОВ1, и счетчик считает впрямом направлении, а при положительном – ОВ2, и счетчик считает в обратномнаправлении. Его цифровые данные служат младшими адресами для ПЗУ, в которыххранятся функции синуса и косинуса. Эти функции могут иметь группы с различнымифазами. Для выбора группы с требуемой фазой служат дополнительные старшиеразряды адреса, задаваемые извне. На схеме показано два таких разряда, т.е.предполагается, что в ПЗУ имеется 4 группы функций с разными фазами. Такимобразом, каждая группа состоит из 256 отсчетов. Это означает, что примаксимальной частоте смещения 8 кГц частота тактовых импульсов, т.е. частотапилообразного напряжения, будет равна 8×256 = 2048 кГц. Изменение знака UFи реверс счетчика приводят кизменению и знака частоты смешения.
/>
Чтобы лучше понять, какформируются квадратурные функции с частотой смещения, кратко рассмотримустройство и принцип действия так называемого перемножающего ЦАП К572ПА1,который здесь используется (читатели, знакомые с этой микросхемой могутпропустить это описание). Основу микросхемы К572ПА1 составляют резистивнаяматрица R-2R и коммутирующие ключи (рис.13). Благодаря выбору соотношениярезисторов матрицы R-2R ток источника опорного напряжения убываетв 2 раза в резисторах 2R помере приближения к операционному усилителю.
Рисунок 13. ПеремножающийЦАП типа К572ПА1.
Эти токи суммируются врезисторе обратной связи R0. В зависимости от положения ключей S9…S0 ячейки матрицы вносят или не вносят свой вклад в общийвыходной сигнал, который определяется выражением
/>, (2)
где n – разрядность ЦАП, Qi – бит (0 или 1 в зависимости отположения ключа). Величина R0обычно равна R.
Так как ключи,управляющие резистивной матрицей – транзисторы типа КМОП, то полярность опорногонапряжения Uоп может быть любой. Более того, этонапряжение может изменяться одновременно с цифровым кодом. Тогда, как видно изформулы (2), выходное напряжение будет пропорционально произведению числа,эквивалентного цифровому коду, и опорного напряжения. Поэтому ЦАП такого типа называютперемножающим (или умножающим). На его основе можно строить функциональныепреобразователи, например, амплитудные модуляторы и др.
Так как этот ЦАП (как,впрочем, и другие) «не понимает» знака цифрового кода, то величины синусов икосинусов в ПЗУ приходится хранить смещенными на 1, т.е. в виде cosx +1 и sinx +1. В действительности единица означает простополовину максимального числа, хранимого в ПЗУ. Если, например, числа –восьмиразрядные слова, то максимальное число равно 255, а половина его –128(или 10000000 в двоичном коде). В связи с таким представлением функций косинусаи синуса при выводе их в виде напряжений приходится смещать постояннуюсоставляющую. Это делается с помощью сумматоров на операционных усилителях.Таких сумматоров два. Оба они объединяют сигналы и косинуса и синуса. Врезультате получаются квазигармонические квадратурные функции cos(wсмt+j) и sin(wсмt+j). Смещение постоянной составляющей осуществляется двумя способами: уЦАП2 и ЦАП3 — с помощью постоянного напряжения Uоп3, которое их же и питает, а у ЦАП1 и ЦАП4 — импульснымспособом. Он заключается в том, что на вход опорного напряжения (Ref) и на вход соответствующегосумматора подается одно и то же пилообразное напряжение. В ЦАП1 и ЦАП4пилообразный сигнал перемножается с функцией синуса или косинуса и такимобразом получается пилообразное напряжение, модулированное по закону синуса иликосинуса. Операционный усилитель ЦАП инвертирует полярность произведения этихдвух функций.
Преобразования, выполняемыенад функциями цифро-аналоговыми преобразо-вателями и сумматорами, удобнопредставить в виде условной стуктурно-алгоритмической схемы, приведенной нарис.14. В ней учитывается инверсия функций операционными усилителями ЦАП исумматорами. Опорное напряжение Uоп3, подаваемое на сумматоры длякомпенсации постоянных составляющих, условно обозначены как «+1». Пилообразномунапряжению соответствует функция kt.
На рис 15 показано, как происходиткомпенсация постоянной составляющей на выходе ЦАП1, обусловленная смещениемфункции синуса. Эпюры 1, 2, 3 соответствуют напряжению на выходе ЦАП1,пилообразному напряжению на его входе Ref и синусной составляющей на выходе сумматора. Так как среднее за периодзначение пилообразной функции равно половине ее амплитуды, то после НЧфильтрации, которая может быть выполнена в самом сумматоре, амплитуда синусоидына его выходе будет в 2 раза меньше амплитуды функции, хранящейся в ПЗУ.Аналогично обстоит дело и с косинусоидой на выходе второго сумматора.
Таким образом, сигналы навыходах сумматоров условно можно представить в где u1 = /> и u2 = /> .
/>
Рисунок 14.Структурно-алгоритмическая схема получения квадратурных сигналов./> />
Рисунок 15. Компенсацияпостоянной составляющей функции синуса.Из векторных диаграмм,приведенных на рис.16, видно, что векторы напряжений u1 и u2 ортогональны./> />
Рисунок 16. Векторы
Чтобы не утомлятьчитателя, блоки программатора уровней и программатора импульсов рассмотримкратко.
Программатор уровней поставляет постоянные напряжения иотносительно длинные импульсы в различные блоки, большинство из которых ужевстречались. Напомним еще раз, какие это сигналы: прежде всего, градиентныеимпульсы Gx, Gy, Gz; напряжение UF, управляющее частотой смещения;уровень напряжения, определяющий амплитуду огибающей РЧ импульса; напряжение,управляющее коэффициентом усиления МР сигнала и некоторые другие. Уровни иполярность этих сигналов устанавливаются с помощью ЦАП, управляемых цифровымиданными, поступающими из ОЗУ. Данные в ОЗУ засылаются из ЭВМ по мере выполненияпрограммы.
Программатор импульсов отвечает за выполнение команд ЭВМ,передаваемых через контроллер крейта. Как правило, после загрузки команд иданных работа этого блока протекает автономно. Для этого он снабжен собственнымгенератором тактовых импульсов. В блоке имеются ОЗУ длительностей и счетчикинтервалов, ОЗУ команд, счетчик циклов последовательностей, устройствоизменения масштаба времени интервалов (мс/мкс), делители частоты.
При разработке этихблоков обычно используют известные решения и стандартные, хорошозарекомендовавшие себя, микросхемы. Однако на их слишком глубокое внедрениерассчитывать не приходится, так как МР томографы – очень «аналоговые» системы,и кроме того, они не настолько унифицированы, как УЗ сканеры.
Энергетическаяустановка и система охлаждения играют важную роль в работе МР томографа с резистивныммагнитом. В особенно сложных условиях работает источник питания основногомагнита. Он должен вырабатывать ток в сотни ампер при очень высокойстабильности (10-6) и малых пульсациях. Поэтому здесь применяетсядвухконтурное регулирование – в цепи постоянного и переменного тока. Первичнымисточником, разумеется, является трехфазная сеть. Структурная схема источникапитания главного магнита (одна фаза) показана на рис.17.
В качестве датчика токаслужит шунтовое сопротивление Rш, включенное в цепь тока главногомагнита. Падение напряжения на нем является сигналом обратной связи. Этонапряжение поступает на электронный регулятор и на усилитель, где сравниваетсяс напряжениями эталонных источников. При отклонении тока от заданной величиныэлектронный стабилизатор стремится восстановить его прежнее значение. Крометого, на выходе усилителя появляется сигнал рассогласования, которыйвоздействует на дроссель насыщения и изменяет его сопротивление переменномутоку, что тоже способствует стабилизации тока магнита. Подобный способрегулирования нам уже знаком по рентгеновским аппаратам. /> />
Рисунок 17. Источник питанияглавного магнита.
Точность стабилизации вомногом зависит от шунта. Для исключения влияния помех падение напряжения на немдолжно быть достаточно большим – около вольта. Но это означает, что при токемагнита 200 А на шунте будет выделяться мощность около 200 Вт. Сопротивлениешунта при этом должно равняться примерно 0,005 Ом. Понятно, что такая большаямощность приведет к выделению значительного тепла, которое нужно отводить.Универсальным средством для охлаждения силовых узлов в МР томографе срезистивным магнитом является вода. Она охлаждает не только обмотку магнита, нопопутно и радиаторы силовых полупроводниковых приборов электронногостабилизатора и выпрямителя, а также шунт. Для этого шунт делают в видекоробки, через которую протекает проточная вода (см. рис.17). Благодаряинтенсивному охлаждению удается поддерживать постоянство сопротивления шунта.
Кстати, водой охлаждаюттакже шунт, от которого питают корректирующие катушки магнита.
Выпрямительное устройствоосновного магнита строят по схемам, аналогичным выпрямителям для мощныхрентгеновских аппаратов. Отличие состоит в том, что здесь они относительнонизковольтные и более нагруженные, так как работают в непрерывном режиме.Поэтому здесь применяют другие типы вентилей, а трансформатор имеет большиегабариты.
Для сглаживания пульсацийна выходе выпрямителя включают конденсаторы. Емкость конденсаторов обычноподбирают из расчета 1000 мкФ на 1 ампер. Поэтому при токе магнита 200 Атребуется сглаживающая емкость в 200000 мкФ. Эту емкость составляют в видебатареи конденсаторов по 5 – 10 тыс. мкФ. Так как напряжение на входевыпрямителя составляет 210 – 220 В, то габариты конденсаторов и батареиполучаются значительными.
Электронный стабилизатортока обычно строят на транзисторах. Хотя тиристорные стабилизаторы обладаютбольшим КПД, они сильно искажают форму напряжения, которое труднее сглаживать.Но на регулирующих элементах транзисторного стабилизатора выделяются большиепотери мощности. Действительно, если принять падение напряжения на регулятореравным всего 5 В, то при токе магнита 200 А потери мощности будут равны 1000Вт. Если для надежной работы транзистора принять рассеиваемую на нем мощностьравной 30 Вт, то в регуляторе тока придется включить параллельно более 30транзисторов. Их объединяют в группы по 6 – 8 транзисторов, причем каждаягруппа размещается на отдельном радиаторе, охлаждаемом проточной водой. Дляуправления группой используется отдельный буферный усилитель. Структурная схемаэлектронного регулятора тока изображена на рис.18.
/>
Рисунок 18. Электронныйрегулятор тока главного магнита.
Силовые транзисторыстабилизатора объединяются в группы по 5 – 6 транзисторов, которые размещаютсяна общем радиаторе, охлаждаемом водой. В эмиттеры транзисторов включенырезисторы сопротивлением 0,2 – 0,5 Ом для выравнивания протекающих через нихтоков. Буферные усилители тока представляют собой составное включениетранзисторов.
Несмотря на большоеэнергопотребление МРТ с резистивными магнитами имеют и определенныедостоинства. Благодаря стабилизации тока главного магнита и пропорциональностиему тока компенсирующих катушек можно поддерживать высокую степень однородностиосновного поля. Кроме того, уставку величины тока главного магнита можнозадавать по желанию исследователя и тем самым менять условия для снятия томограмм.