АННОТАЦИЯ 2
СОДЕРЖАНИЕ 4
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ЯМР ТОМОГРАФИИ 8
1.1 ПОНЯТИЕ О МЕТОДЕ ЯМР 8
1.2 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ЯМР-ТОМОГРАФИИ 10
1.2.1 ИМПУЛЬСНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ «СПИНОВОЕ ЭХО» 11
1.2.2 ИМПУЛЬСНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ «ГРАДИЕНТНОГО ЭХО» 12
1.2.3 ЭХО-ПЛАНАРНАЯ ТОМОГРАФИЯ 14
1.3 АППАРАТУРА ГРАДИЕНТНОГО ЯМР 15
1.3.1 РАЗРАБОТКА АППАРАТУРЫ ГРАДИЕНТНОГО ЯМР. ТРЕБОВАНИЯ К
ТЕХНИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ПРИБОРА 15
1.4 ОСНОВНЫЕ БЛОКИ ТОМОГРАФА 16
1.4.1 СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА МРТ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ
ПАТЕНТНОГО ПОИСКА 18
1.5 ПРИМЕНЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ГРАДИЕНТОВ МАГНИТНОГО
ПОЛЯ В МРТ 27
1.5.1 ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ НЕЛИНЕЙНЫХ ГРАДИЕНТОВ
МАГНИТНОГО ПОЛЯ В МРТ 28
1.6 СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЛОКАМИ ГРАДИЕНТА 34
1.6.1 УПРАВЛЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫМИ ГРАДИЕНТАМИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
(РЕЗУЛЬТАТЫ ПАТЕНТНОГО ПОИСКА) 34
2 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ БЛОКОМ ГРАДИЕНТА МАГНИТНОГО ПОЛЯ 40
2.1 СИЛОВАЯ ЧАСТЬ 40
2.1.1 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ IRC540 С
ТОКОВЫМ ДАТЧИКОМ 41
2.1.2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ OP37 43
2.1.3 ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ СИЛОВОЙ ЧАСТИ СХЕМЫ 44
2.1.4 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 46
2.2 ОПИСАНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 47
2.2.1 ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 47
2.2.2 ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ БУФЕР BUF634 50
2.3 ОСНОВНОЙ ФРАГМЕНТ РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ 51
2.3.1 ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕГРАТОРА ОШИБКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ РАБОТЫ
СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 52
2.4 СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И ЗАЩИТЫ. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ, ВХОДЯЩИЕ В СИСТЕМУ КОНТРОЛЯ И ЗАЩИТЫ 55
Описание работы этого фрагмента схемы управления представлено ниже.56
2.4.1 D-ТРИГГЕР SN74HC74D 56
2.4.2 ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ 2И-НЕ НА МИКРОСХЕМЕ 74HC00 58
2.4.3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ N-P-N - ТРАНЗИСТОРЫ
BC846 И P-N-P - ТРАНЗИСТОРЫ BC856 59
2.4.4 СИЛОВОЙ МОП-ТРАНЗИСТОР IRF7307 61
2.4.5 ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И ЗАЩИТЫ. СОСТОЯНИЯ
ТРИГГЕРОВ 63
2.5 ПОЛНАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
БЛОКОМ ГРАДИЕНТА 67
3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ, МОНТАЖ, ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ И НАСТРОЙКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЛОКОМ ГРАДИЕНТА 69
3.1 ПРОВЕРКА РАБОТЫ СОБРАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ,
ВНЕСЕНИЕ КОРРЕКТИРОВОК И ЕЁ НАСТРОЙКА 70
3.1.1 ВНЕСЕНИЕ КОРРЕКТИРОВОК В СХЕМУ 70
3.1.2 ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ СХЕМЫ 71
3.2 ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ДОСТИГНУТЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ БЛОКОМ ГРАДИЕНТА 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 78
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 79
История возникновения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) берёт своё начало ещё с 1944 года, начиная с работ И. Раби, который впервые наблюдал явление ЯМР в молекулярных пучках и получил Нобелевскую премию «за резонансный метод измерений магнитных свойств ядер». Затем в 1952 году две группы американских физиков под руководством Феликса Блоха (Стэнфордский университет) и Эдварда Парселла (Гарвардский университет) получают Нобелевскую премию «за развитие новых для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия». Им удалось наблюдать явление ЯМР в конденсированной фазе. Ф. Блох наблюдал резонансное поглощение на протонах в воде, а Э. Парселл на протонах в парафине. Работы учёных были опубликованы в журнале «Physical Review» одновременно. Из материалов архивов стало также известно, что в 1937-1942 годах Е. К. Завойским велись работы в КГУ по исследованию ЯМР в твёрдых телах [1].
С появлением ЯМР-аппаратуры стало возможным изучение структуры и свойств различных веществ: взаимодействий элементов (получение спектров), измерение времён релаксации, нахождение коэффициентов самодиффузии, также ЯМР исследования получили широкое применение в области медицины и химии. Совершенствование методов ЯМР исследования непосредственно связано с технической частью, а именно, с ЯМР- аппаратурой, что важно для дальнейшего развития ЯМР и увеличения спектра применения данного метода.
Целью данной работы является разработка системы управления блока градиента, что представляет собой одну из частей проектной работы по разработке и изготовлению радиоэлектронных узлов аппаратуры МРТ.
Для реализации общего проекта была сформирована группа студентов из трех человек: Митин М.П., Хисамеев Б.И. и Ускова Е.И.
Проект был разделен, соответственно, на три задачи:
6
1. Расчет и оптимизация градиентных катушек (исполнитель Митин М.П.);
2. Разработка силовой части блока градиента (исполнитель Хисамеев Б. И.);
3. Разработка системы управления (исполнитель Ускова Е.И. - автор настоящей выпускной квалификационной работы).
Представленная бакалаврская работа состоит из трёх разделов, включающих в себя литературный обзор и результаты патентного поиска, разработку принципиальной схемы системы управления блоком градиента магнитного поля, проектирование печатной платы, монтаж, проверку её работоспособности и настройку.
В рамках проектной работы «Проектирование и изготовление радиоэлектронных узлов аппаратуры МРТ» была разработана система управления блоком градиента, и усовершенствована её работа путём внесения корректировок.
Работа схемы была протестирована в режимах эмуляции ошибок. Установлено, что система защиты работает корректно. В частности, выключение схемы (сброс счетчика в состояние 00) после, например, моделирования ситуации с пробоем силового транзистора, осуществляется с задержкой не более 20 мс.
Для достижения необходимой точности формирования импульсов в систему управления введен интегратор ошибки, накапливающий и компенсирующий ошибку. Таким образом, нам удалось реализовать идею с интегратором ошибки, предложенную в работе [22], в схеме блока градиента, не содержащей классического опорного сопротивления, предназначенного в стандартных схемах источников питания для формирования сигнала о величине тока в нагрузке.
