Модуль управления ЯМР-томографом Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 543.422.27

Ю. И. Неронов МОДУЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ЯМР-ТОМОГРАФОМ

Описан модуль ввода—вывода, используемый для получения изображений на ЯМР-томографе. Программа управления, написанная на языке С++, обеспечивает через интерфейс формирование запускающих импульсов резонансной частоты, подачу импульсных градиентов магнитного поля, реализует суммирование ЯМР-сигналов и последовательное обращение к фурье-преобразованию с выводом изображений на монитор для оценки их качества. Программа обеспечивает последовательное суммирование томограмм для снижения шумового фона и повышения контраста изображений.

Ключевые слова: ЯМР-томография, модуль ввода—вывода.

Для управления ЯМР-томографом был изготовлен модуль ввода—вывода для аналоговых и цифровых сигналов и разработано программное обеспечение, что позволило расширить возможности ЯМР-томографа, предназначенного для учебных и научно-исследовательских целей [1, 2]. Причем авторами была поставлена цель разработать модуль с использованием минимального числа доступных интегральных микросхем. ЯМР-томографом управляют с помощью персонального компьютера PENTIUM II (процессор INTEL CELERON с частотой S00 МГц), который был выбран из-за наличия шины ISA. В компьютерах последних выпусков не используются шины ISA, а имеющиеся в них шины PSI требуют для организации ввода—вывода внешних сигналов специальных процессорных устройств и программного обеспечения, специализированного под выбранный процессор.

Исследования на ЯМР-томографе живых тканей требуют множества вариантов импульсных последовательностей для накопления изображений с разным контрастом. Шина ISA позволяет реализовать накопление изображений с любым вариантом импульсных последовательностей. При этом, если используется язык программирования С++, возможна быстрая корректировка программного обеспечения.

Для регистрации внешних сигналов была использована стандартная звуковая карта Sound Blaster Creative Labs VIBRA 16c, версия DSP 4.1З. Эта карта имеет два независимых линейных входа и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления. При ее использовании обеспечивается оцифровка двух входных сигналов с частотой выборки 44 кГц при разрядности 16 бит на выборку. Материнская плата ПК имеет мост VIA Tech VT82C686 PCI-ISA с одной шиной ISA, в которой размещена звуковая карта. Передача данных из буфера платы в оперативную память осуществляется как прямым чтением из регистров, так и в режиме прямого доступа в память.

Вторая плата управления (вывода) была изготовлена автором и включает дешифратор адреса, программируемые порты ввода—вывода, цифро-аналоговые преобразователи, операционные усилители и усилители тока. Причем интегральные микросхемы этой платы питаются от шины ISA. Сама плата расположена в корпусе персонального компьютера Pentium II и закреплена с помощью четырех стоек непосредственно на звуковой карте Sound Blaster VIBRA 16C. В итоге для подключения данного устройства ввода—вывода к ПК потребовалась лишь одна шина.

Схема дешифратора адреса (рис. 1) собрана на основе преобразователя двоичного кода Зх8 в 8-разрядный унитарный код с использованием микросхемы КР15ЗЗИД7. Эта микросхема содержит входную логику. Предварительная дешифровка адреса реализована на основе двух схем ЗИ-НЕ микросхемы КР15ЗЗЛА4. Третья схема ЗИ-НЕ этой микросхемы

использована для сброса в исходное состояние интерфейсов КМ 1821ВВ 55 при включении компьютера. Обмен данными производится по 8-разрядной буферированной шине. Для усиления по мощности сигналов шины данных при чтении и записи использован 8-разрядный двунаправленный драйвер с тремя состояниями KP1533АП6. К выходу микросхемы КР1533ИД7 можно подключить до 8 интерфейсов КМ1821ВВ55 (программируемый 3-регистровый 8-разрядный цифровой порт ввода—вывода данных). В модуле использованы адреса от 300h до на рис. 1 показано соединение лишь для одной такой микросхемы (КМ1821ВВ55) с использованием адресов 31 СИ—3

ISA шина

Цепь N

DATA 0 A 9

DATA 1 A8

DATA 2 A7

DATA 3 A 6

DATA 4 A 5

DATA 5 A4

DATA 6 A3

DATA 7 A 2

A 0 A 31

A 1 A 30

A 2 A 29

A 3 A 28

A 4 A 27

A 5 A 26

A 6 A 25

A 7 A 24

A 8 A 23

A 9 A 22

WE B13

ED B14

AEN All

+5 В В 29

GND B31

А2 1

A3_I

A4_3

АЕН 4

ill

+ 5В

AD Y0 <{

Al Y1 с

A2 Y2 (J

Y3 с

& Y4 С

ОЁ1 YS {

ОЁ2 Y6 С

E3 ИД7 Y7 с

|l5_.300h-303h 104h - 307h J3^308h - 30Bh Ш^ЗОСЬ-ЗОГЬ ffi^310h-313h U0^314h-318h (^7318Ь-31ВЬ l^^lCh- 31Fh

2.2 K

3— +5 В

A5

A6

A7 13

Fk"

1/3 ЛА4

ЗИ-НЕ

А 8 A9

&

1/3 JIA4

ЗИ-НЕ

ПП 1533 Q0

Dl АПб Q1

n? Q2

D3 Q3

П4 Q4

Г* Q5

П6 Q6

DT V

[>ОЕ

т

31CK-31FK

Ï+5B 47 к

Сброс при включении

Т+5В

i

10 мк

9 &

10 V-

Н

11 из

J1A4

.L

ЗИ-НЕ

34

33

32

31

30

29

28

27

DO Dl D2 D3 D4 D5 D6 D7

35

ES

BBSS

ЮР

РАО РА1 РА2 РАЗ РА4 PAS PAG PA7

PBO PB1 PB2 РВЗ PB4 PB 5 PB 6 PB7

PCO PCI PC2 РСЗ РС4 PCS РСб РС7

4 3 2 1

40 39 38 37 18

19

20 21 22

23

24

25 14

iL 16 17 13 12 11 10

Рис. 1

Обращение к необходимому устройству на плате и реализация его функций осуществляются с участием сигналов управления шины: IOR (команда чтения из устройства), IOW (команда записи в устройство) и AEN. Сигнал AEN используется для отключения процессора и других устройств от канала для проведения цикла ПДП. Когда сигнал AEN активен (высокий), контроллер ПДП использует шину адреса, шину данных, а также линии чтения и записи (см., например: Кулешов С. В. ISA шина IBM компьютера. 2000. <http://exos.fromru.com>).

Управление ЯМР-томографом заключается в последовательной подаче импульсов тока в катушки Gx, Gy, Gz, что обеспечивает кодирование исследуемого пространства по трем направлениям. Для этого используется схема преобразования программных цифровых последовательностей в импульсы тока (рис. 2).

В качестве ЦАП была использована 10-разрядная микросхема ЦАП К572ПА1. Два операционных усилителя микросхемы КР574УД2Б использовались для преобразования однопо-лярного выходного аналогового сигнала ЦАП в двухполярный выходной, поскольку кодирование пространства обеспечивается периодическим уменьшением тока с изменением знака. В качестве усилителя тока использована микросхема L2724, которая позволяет обеспечивать на выходе ток ±1 А при работе в непрерывном режиме. Для создания импульсных градиентов

по другим направлениям были использованы аналогичные ЦАП, подключенные к другим выходам КМ1821ВВ55.

34 33 32 31 30 29 28 27

DO D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

9 АО

8 А1

36 jWE

ED

6, )CS

35 RS

ЮР

РАО РА1 РАЗ РАЗ РА4 PAS РА6 РА7

ВВ55

_I_

3 10

2 9

1 8

40 7

39 6

38 5

37 4

РВО РБ1 FB2 РВЗ РВ4 РВЕ РВ6 РВ7

РСО РС1 РС2 РСЗ РС4 РС5 РС6 РС7

11

18

19

20 21 22

23

24

25

14

15

16 17 13 12 11 10

D2 K572

D3 ПА1

D4

D5

D6 D7 ЦАП

D8

D9

D1

DO

Рис. 2

С помощью резистора R1 устанавливают масштаб томографического изображения для одного из трех направлений области исследования. Резистор r2 используется для компенсации соответствующего линейного статического градиента магнитного поля, которое обычно присутствует в магнитной системе томографа.

В устройстве реализована схема управления током для изменения величины индукции магнитного поля, что позволяет обеспечивать резонансные условия при температурном дрейфе индукции при накоплении томограмм в памяти ПК. При накоплении томограмм необходимы импульсы запуска радиочастотных резонансных импульсов. Представленная схема (рис. 2) в этом случае также приемлема, поскольку радиочастотные импульсы формируются с помощью периодически открываемых диодных ключей, управляемых импульсами тока.

При запуске программы на шину адреса последовательно выставляется один из адресов устройства, после чего на шину данных выводится значение, передаваемое в порт при операции записи. При этом устройство должно распознавать адрес с помощью дешифратора и выдавать на выход с шины данных установленное в программе значение. Чтобы исключить операцию ввода—вывода из порта при совпадении адреса во время проведения операции прямого доступа в память (например, при обращении к дискам), проверяется состояние сигнала AEN. При обращении ПК к томографу сигнал AEN должен иметь (рис. 1) низкий логический уровень. Отметим, что в устройстве можно применять микросхемы ТТЛ и ТТЛШ серий 555, 1533, 1556 и 556. Возможно также использовать микросхемы серии 580, например КР580ВВ55. Из импортных микросхем можно использовать 74ALS и 74LS.

Выходы шины ISA имеют нагрузочную способность для подключения 2—3 входов микросхем серии 555, при большем их количестве необходимо применять буферные элементы (типа 580ВА86, 580ВА87, 555АП6 и другие). Дешифратор адреса (рис. 1) позволяет применять

до 8 микросхем типа КМ1821ВВ55. Поскольку к каждому интерфейсу КМ 1821ВВ 55 можно подключить три АЦП, то описываемый модуль ввода—вывода позволяет управлять током на 24 выходах.

Блок-схема разработанного томографа была представлена ранее в работах [1, 2]. После модернизации и использования процессора с частотой 800 МГц скорость двойного фурье-преобразования для формирования изображений увеличилась более чем в два раза.

На рис. 3 представлен вид экрана монитора ПК, на котором можно запускать и контролировать процесс накопления томографических изображений.

T9Q | 55 мкс T18Q 91 икс ТЕ 6 и с TR 470 мс TG 4 nc N 64 п256

Рис. 3

При запуске процесса накопления изображения на экран монитора выводятся результаты оцифровки: две составляющих ЯМР-сигнала (действительные и мнимые части). Верхними цифрами (рис. 3) показаны следующие последовательные операции: 1 — подача на образец 90-градусного импульса резонансного возбуждения; 2 — подключение градиентного импульса фазового кодирования; 3 — снятие импульса фазового кодирования; 4 — подача на образец 180-градусного импульса возбуждения; 5 — подключение градиентного импульса частотного кодирования; 6 — начало выборки числового материала (строк для заполнения действительных и мнимых матриц); 7 — завершение выборки числового материала; 8 — снятие градиентного импульса частотного кодирования. Третий градиентный импульс, используемый для выделения толщины слоя, включается в момент времени 3 и снимается в момент времени 5. Нижняя строка цифр используется оператором для корректировки параметров импульсной последовательности.

После каждой серии импульсов возбуждения ЯМР-сигнала и его кодировки импульсными градиентами запускается программа фурье-преобразования, и полученный спектр мощности высвечивается в правой нижней части монитора.

После накопления строк всей матрицы появляется томограмма исследуемого объекта. Как правило, используется матрица размером 64x64. На рис. 3 представлены томограммы,

которые накоплены при размещении в центре магнитной системы шайбы из капралона с десятью отверстиями. Шайба помещена в цилиндрический сосуд, заполненный водой. Вода окружает деталь и заполняет десять отверстий шайбы, темный тон указывает на наличие в зоне регистрации источников ЯМР-сигнала от протонов воды. Нижнее изображение шайбы содержит шумовой фон, поскольку является результатом накопления одной томограммы за 30 с. Результат последовательного суммирования нескольких изображений представлен в верхней части рис. 3. По достижении удовлетворительного качества изображения оператор останавливает процедуру накопления сигналов.

В целом модуль управления является достаточно универсальным и может использоваться для автоматизации устройств начиная от учебных лабораторных стендов до сложных научно-исследовательских комплексов.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 05.08.01304.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванов В. К., Неронов Ю. И., Иванов В. А. Мини-ЯМР-томограф кафедры измерительных технологий и компьютерной томографии // Науч.-технич. вестн. СПбГУ ИТМО. 2001. № 3. С. 201—204.

2. Неронов Ю. И., Иванов В. К. Разработка мини ЯМР томографа для учебных и научно-исследовательских целей // Научное приборостроение. 2006. Т. 16, № 2. C. 51—56.

3. Руководство по архитектуре IPM PC AT / Ж. К. Голенкова, А. В. Заболоцкий, М. Л. Мархасин и др. / Под. ред. М. Л. Мархасина. Минск: ООО „Консул", 1992. 949 с.

Сведения об авторе

Юрий Ильич Неронов — Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, E-mail: [email protected]

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

измерительных технологий 24.05.07 г.

и компьютерной томографии