ITRM970486A1 - Sistema attivo per la compensazione di campi magnetici di disturbo particolarmente adatti per l'uso su tomografi per risonanza magnetica - Google Patents

Description

Sistema attivo per la compensazione di campi magnetici di disturbo particolarmente adatti per l’uso su tomografi per Risonanza Magnetica Nucleare.

Il sistema in oggetto ha lo scopo di attenuare il campo magnetico di disturbo, quasi statico o lentamente variabile (banda in frequenza <100Hz), che può interessare tomografi per RMN prossimi a masse metalliche in movimento, linee elettriche in DC o AC, etc. che ne può compromettere il corretto funzionamento.

I tomografi di nuova generazione (active shield) caratterizzati da un campo magnetico disperso molto basso e da sequenza di acquisizione -molto rapide, risultano essere sensibili alle variazioni di campo magnetico esterno che se si verificassero durante le fasi di acquisizione , potrebbero comportare delle alterazioni alle immagini.

Attualmente non esistono sonde di campo magnetico di uso comune che riescano a rilevare piccole variazioni di B , dell’ordine dei decimi di m Gauss, in presenza di un campo di fondo molto alto , dell’ordine di 15.000 Gauss, quale quello generato da un tomografo per RMN.

Questa limitazione tecnologico costruttiva delle sonde di campo B non ha permesso di far uso dei classici sistemi di compensazione in loop chiuso in grado di agire direttamente sul disturbo di macchina e che rappresentano lo stato dell'arte per sistemi di compensazione attiva di campi magnetici per altre applicazioni.

Le variazioni del campo magnetico B rispetto ad un valore di fondo ( costituito ad esempio dal campo magnetico terrestre) , possono rappresentare un problema per tutte quelle apparecchiature scientifiche e io medicali che invece hanno bisogno di essere immerse in un campo costante per funzionare correttamente. Attualmente la soluzione di tali problematiche è costituita da sistemi passivi di schermatura con materiati ferromagnetici e da sistemi attivi di compensazione del disturbo.

Nei sistemi passivi ,tra la fonte del disturbo e l apparecchiatura da proteggere , si frappone uno schermo di materiale ferromagnetico che ha la funzione di convogliare al suo interno le linee di flusso del campo magnetico indesiderato diradandole nel volume da proteggere. Per l’attenuazione delle variazioni di B che interessano tomografi RMN, questo tipo di soluzione presenta dei seri inconvenienti. I livelli di attenuazione necessari a rendere il disturbo non dannoso per la macchina possono essere ottenuti, con spessori accettabili, solo utilizzando materiali ad elevata permeabilità ad esempio mumetal o permalloy, che oltre ad essere costosi presentano bassi livelli di saturazione. Tali materiali inseriti nell’elevato campo magnetico disperso del tomografo, possono saturare e diventare praticamente trasparenti ai disturbi da schermare.

Nei sistemi attivi di compensazione il campo magnetico di disturbo viene attenuato per mezzo di un campo uguale e contrario generato da opportune bobine poste in configurazione di Helmoutz.

Esistono attualmente sul mercato sistemi di compensazione utilizzati per l’attenuazione del campo magnetico di disturbo sui microscopi elettronici e altre apparecchiature di laboratorio.

In tali applicazioni ,che sono caratterizzate da un basso valore di campo magnetico di macchina disperso, la sonda di rilevazione del campo di disturbo può essere posizionata nelle immediate vicinanze dell’elemento sensibile dell’apparecchiatura di cui si vuole assicurare il corretto funzionamento. Tale posizionamento della sonda consente l’utilizzo del classico schema di controllo in retroazione con una notevole semplificazione del funzionamento e della fase di messa a punto del sistema. Lo stesso tipo di soluzione non può essere utilizzata per i tomografi RMN perché non sono attualmente disponibili sonde di campo magnetico capaci di rilevare variazioni dell’ordine di milliGauss su un campo disperso di fondo dell’ordine di diecimila Gauss. Per superare questa limitazione si è scelto , pertanto, di posizionare la sonda ad una distanza dal magnete tale da avere valori di campo di fondo compatibili con la sensibilità richiesta del sensore.

I sistemi di compensazione attualmente in commercio , inoltre , utilizzano, per la generazione del campo di correzione , delle bobine poste agli spigoli delle stanza che contiene l’apparecchiatura da schermare. Questa disposizione è, ancora una volta efficace, nel caso di sistemi di compensazione per apparecchiature che non hanno un elevato campo magnetico disperso ,ma non può essere sempre utilizzata nel caso dei tomografi RMN. Il campo magnetico generato all’interno di questi sistemi diagnostici deve essere confinato all’interno di un volume controllato ,per ragioni di sicurezza delle persone e delle apparecchiature , ciò comporta in molti casi la necessità di predisporre adeguati schermi in materiale ferromagnetico sulle pareti della sala esami. In presenza di tali schermature , se le bobine di correzione del campo magnetico fossero poste negli spigoli della stanza , nelle immediate vicinanze del materiale ferrromagnetico , il flusso di campo B sarebbe convogliato nel materiale ad alta permeabilità magnetica con una significativa distorsione del campo di correzione.

Il sistema oggetto della presente invenzione è completamente automatico ed effettua la compensazione del campo magnetico esterno con un controllo a loop aperto attraverso una curva di correzione definita in fase di taratura.

Il principio di funzionamento del sistema di cui alla presente è il seguente : a fronte di un campo B noise di disturbo letto da una sonda di campo magnetico, posizionata ad una opportuna distanza dal magnete , il sistema genera automaticamente, secondo una funzione di trasferimento (B noise=>I corr) ,una corrente Icorr (t) che circola nelle bobine di correzione, montate in configurazione di Helmoutz, in modo tale da annullare il disturbo che si ha sul tomografo (Btom).

Quanto detto comporta che la correzione non viene fatta acquisendo direttamente il valore del campo B noise che viene poi correlato, in fase di taratura del sistema, agli effetti che il campo di disturbo di macchina (Btom) ha sulla stessa in termini di variazione della frequenza di risonanza.

Il sistema di cui alla presente invenzione è particolarmente adatto per la compensazione delle variazioni di campo magnetico anche triassiali su tomografi per Risonanza Magnetica Nucleare.

Ha una struttura modulare che permette il passaggio da una configurazione monoassiale ad una biassiale o triassiale. E’ inoltre dotato di un sistema di interfacciamento a PC via RS 232 che ne permette l'uso anche come sistema per il monitoraggio dei campi magnetici.

Il sistema di cui alla presente invenzione risulta essere sostanzialmente costituito da :

una unità di rilevazione

una unità di controllo

una bobina di correzione.

L’unità di rilevazione è costituita da una sonda tipo Fluxgate ed uno stadio di preamplificazione ed ha lo scopo di fornire alla unità di controllo sole le variazioni di campo rispetto ad un valore di fondo, dovuto al campo magnetico terrestre e al campo disperso del tomografo. La sonda può essere di tipo mono, bi o triassiale a seconda della tipologia di disturbo ed è in grado di rilevare un valore di campo B assoluto, ossia campo di fondo disturbo.

Lo stadio di preamplificazione ha lo scopo di estrarre ed amplificare le sole variazioni di campo B rispetto al campo di fondo e, allo scopo, è dotato di un regolatore offset per la definizione del valore di campo di fondo.

All’uscita di questo blocco si ha il campo di disturbo B noise che in fase di taratura viene correlato al disturbo di macchina.

Il blocco di controllo è l’unità intelligente in grado di fornire , a fronte del segnale di uscita dal blocco di rilevazione, una corrente che circola nelle bobine di correzione per la generazione del controcampo. La caratteristica di trasferimento Bnoise=>I corr viene definita in sede di taratura e approntamento del sistema di ausilio di software dedicato e memorizzata in una memoria non volatile presente all’interno della unità stessa.

Da un punto di vista hardware tale unità di controllo , alimentata a 220 V ac, consta di un convertitore analogico digitale (ADC), di un processore di segnale a microcomputer (DSP), di un convertitore digitale analogico (DAC) e di uno stadio di potenza ; il sistema è modulare e può essere equipaggiato con moduli di correzione da 1 a 3 a seconda che il disturbo da attenuare sia mono ,bi o triassiale.

Le bobine di correzione hanno lo scopo di generare , percorse dalla corrente di uscita dall’unità di controllo , il controcampo magnetico. Esse vengono disposte in configurazione di Helmoutz lungo gli assi del tomografo secondo i quali bisogna diminuire il disturbo ; si possono quindi avere da un minimo di una coppia di bobine ad un massimo di tre coppie disposte lungo tre assi X,Y e Z della macchina ; la posizione così come il numero di spire delle bobine vengono definite di volta in volta sulla base delle caratteristiche del disturbo da attenuare.

Il sistema di cui alla presente invenzione da ora in avanti sinteticamente individuato per brevità dalla sigla DIAMAGS, verrà ora descritto con riferimento ad una forma realizzativa preferita ma non limitativa dell’invenzione illustrata nei disegni allegati in cui :

La fig.l mostra lo schema blocchi del sistema di cui alla presente invenzione.

La fig.2 mostra uno schema delle caratteristiche di trasferimento Bnoise => Icorr

La fig. 3 mostra- una configurazione di principio di un sistema monoassiale di cui alla presente invenzione

La fig.4 mostra uno schema preferito del preamplificatore del sensore La fig. 5 mostra lo schema circuitale del preamplificatore

Le Fig. 6 e 7 mostrano gli schemi circuitali rispettivamente della sezione di elaborazione e processo dei segnali acquisiti

La fig. 8 mostra la schema circuitale preferito del convertitore digitale analogico.

La fig.9 mostra lo schema preferito del alimentatore.

Con riferimento a dette figure ed in particolare alla fig.l che mostra lo schema a blocchi del sistema , l’unità di rilevazione comprende una sonda di tipo Fluxgate ed uno stadio di preamplificazione ed ha lo scopo di fornire all’unità di controllo , a fronte del valore di campo assoluto (Bfondo+ Bnoise ) rilevato dalla sonda, solo le rilevazioni di campo (Bnoise) rispetto ad un valore di fondo (B fondo), dovuto al campo magnetico terrestre e al campo disperso del tomografo.

La sonda in una configurazione preferita ha le seguenti caratteristiche : larghezza di banda : 0÷3k Hz

range di misura : ±250 μ T

impedenza di uscita : <1Ω

accuratezza di calibrazione : ±0.5 %

rumore interno : 4-6pTrms/VHz ad 1Hz

scaling : 40mV/pT

errore di offset : ±12nT

La sonda può essere di tipo mono, bi o triassiale a sceconda della tipologia di disturbo e quindi della configurazione del sistema.

Il preamplificatore , collegato in cascata alla sonda ,ha lo scopo di “estrarre” ed amplificare le sole variazioni di campo Bnoise rispetto al campo di fondo ed è dotato di un regolatore di offset per la definizione di un valore di tensione di riferimento legato al valore di campo di fondo. La regolazione dell’offeset viene effettuata in fase di calibrazione del sistema.

La figura 4 riporta lo schema circuitale del preamplificatore e si possono evidenziare le interfaccia verso l’esterno : da un lato l’uscita della sonda fluxgate di tipo seriale RS232 e dall’altro l’uscita verso l’apparato oggetto della presente invenzione anch’essa di tipo RS232.

Il preamplificatore è dotato di un amplificatore a guadagno variabile che , a fronte del valore massimo di campo in ingresso selezionato, genera una tensione di 5VDC di ingresso allo stadio di conversione analogico-digitale del DIAMAGS :

La connessione preamplificatore -DIAMAGS si realizza mediante un cavo schermato multipolare RS232 sia per Γ alimentazione che per i segnali.

Come precedentemente accennato, l’unità di controllo e monitoraggio DIAMAG rappresenta una sezione basilare sia per innovazione che per importanza del sistema di cui alla presente invenzione. L’unità di controllo e monitoraggio DIAMAGS visibile nello. schema a blocchi di cui alla figura 1 è una unità intelligente in grado di fornire , a fronte del segnale Bnobc in uscita dal blocco di rilevazione, una corrente di correzione Icorr che circola nelle bobine di correzione per la generazione del controcampo di compensazione. La correzione viene effetuata sulla base della caratteristica di trasferimento Bnoise=>Icorr mostrata nella figura 2 allegata, definita in sede di taratura e memorizzata in una memoria non volatile presente all’interno della unità stessa.

L’unità è inoltre interfacciabile al PC via RS232 sia per le operazioni di taratura che di monitoraggio del disturbo mediante un software appositamente studiato e realizzato dalla titolare del brevetto.

L’unità di controllo e monitoraggio è caratterizzata da una architettura modulare per configurazioni, mono , bi o triassiali ; infatti tutto l’hardware di acquisizione , monitoraggio e controllo relativo ad un asse è presente su una sola scheda che si collega su bus alla mother board che equipaggia l’apparato. La modularità dell’apparato dà la possibiltà di realizzare strutture ridondanti ad alta affidabiltà.

L’apparato può essere alimentato a 220 o a 100V e dispone delle seguenti interfacce :

porta seriale con attacco Cannon 9PIN di comunicazione con l’unità di rilevazione ;

cavo di alimentazione tripolare di sezione 1,5mmq ;

porta seriale 9 Pin Sub D Miniature di comunicazione con PC, due uscite analogiche con connettore di tipo BNC per il monitoraggio del segnale in ingresso all’unità a monte e a valle dello stadio di preamplificazione ;

morsetti per l’alimentazione della bobina di correzione e di errore.

Tre display a LED di cui due per l’indicazione in percentuale del segnale in uscita dal blocco di rilevazione e della corrente di correzione e l’altro per la misura della corrente che circola nelle bobine di correzione.

L’unità di controllo e monitoraggio è costituita dai seguenti blocchi e/o sezioni

=>preamplifcatore

=>computer

=>alimentatore

Il preamplificatore il cui schema è mostrato nella figura 5 adatta l’impedenza e rende il segnale in uscita dal blocco di rilevazione compatibile con lo stadio di conversiona ADC da un lato si può notare la connessione RS232 con la sonda di rilevazione e dall’altro l’uscita del segnale adattato verso il convertitore ADC della sezione computer. Sono inoltre presenti due uscite BNC monitor per la visualizzazione del segnale rilevato a monte ed a valle di questo stadio.

Nelle figure 6 e 7 sono riportati gli schemi circuitali della sezione computer di elaborazione e processo dei segnali acquisiti, il cui compito e quello di leggere i valori analogici in ingresso, covertirli in segnali digitali e, riferendosi alla curva di taratura, definire i comandi di uscita in forma numerica. La conversione ADC viene effettuata dal blocco DMG/ADC/3.1. la cui uscita viene processata dal microcomputer DMG/MATN/3.1 il quale , sulla base delle informazioni contenute nelle EEROM, che vengono programmate e memorizzate in fase di taratura della macchina, definisce le varie attuazioni digitali che vanno poi in ingresso al blocco successivo ; di questa sezione fanno inoltre parte sia il blocco di visualizzazione , microcomputer DMG/VIS/3.1. ed interfaccia Visual che l’interfaccia RS232 perso il PC

Nella fig. 8 è riportato lo schema circuitale della sezione DAC che rappresenta il circuito di attuazione che riceve i comandi digitali dalla sezione precedente, li converte in segnali analogici amplificandoli per alimentare le bobine di correzione. La sezione comprende lo stadio di pilotaggio di un altra bobina (bobina errore) che può essere utilizzata nella operazioni di taratura o di caratterizzazione del magnete. L’uscita della bobina di correzione può essere gestita automaticamente dal sistema durante le fasi di compensazione sia manualmente interfacciando il sistema al PC durante le fasi di taratura. L’uscita della bobina di errore può invece essere utilizzata manualmente attraverso una delle procedure del software di taratura del sistema.

Lo schema circuitale di questa sezione è riportato nella fig.8

Nella figura 9 è riportato lo schema circuitale relativo alla sezione alimentazione questa sezione provvede a fornire le alimentazioni sia alla sezione digitale (+ 5V) che a quella analogica (± 15V) partendo dalla tensione di rete (220 V/110Vac 50/60 Hz).

Nella fig. 3 è riportata la configurazione di principio di un sistema DIAMAGS monoassiale con evidenza dei blocchi fondamentali e lo schema di inserzione delle bobine sul tomografo.

Le bobine di correzione , percorse dalla corrente di uscita dall’unità di controllo Diamags, generano il controcampo magnetico di compensazione del disturbo. Esse vengono disposte in configurazione di Helmoutz lungo gli assi del tomografo secondo i quali bisogna diminuire il disturbo ; si possono quindi avere da un minimo di una coppia di bobine ad un massimo di tre coppie disposte lungo tre assi X,Y e Z della macchina ; la posizione così come il numero di spire delle bobine vengono definite di volta in volta sulla base delle caratteristiche del disturbo da attenuare. E’ evidente che alla base del corretto funzionamento del sistema ed al fine di sfruttare a pieno tutte le sue potenzialità è indispensabile che la taratura sia eseguita correttamente. Con la taratura si vuole raggiungere l’obbiettivo di definire la curva di correzione (o matrice storica) che verrà poi richiamata automaticamente dal sistema per generare , a fronte di un disturbo

Bnoi»e in uscita dalla unità di rilevazione una corrente Icorr : Non potendo rilevare direttamente il disturbo che caratterizza il magnete , dal momento che non esistono in commercio sonde di campo B in grado di rilevare campi di piccola entità (dell’ordine di 15.000 Gauss) si è correlato il disturbo letto dalla sonda posta ad una opportuna distanza dal magnete, agli effetti che la variazione di campo B provoca sulla macchina in termini di drift della frequenza di risonanza. Questo comporta la rilevazione simultanea , per un certo periodo, sia della variazione della frequenza di risonanza del tomografo sia della variazione di campo B, osservata quest’ultima, attraverso l’unità di rilevazione la cui posizione viene definita in fase di site audit.

Gli steps che caratterizzano la procedura di taratura sono i seguenti : regolazione dell’offset dell’unità di rilevazione ;

correlazione del disturbo letto dalla unità di rilevazione (BnoUc) al drift della frequenza di risonanza del magnete ;

caratterizzazione del sistema costituito da magnete e bobine di correzione ;

definizione e memorizzazione della curva di correzione BnoisE=> Icorr. Le operazioni di taratura suddette vengono effettuate in maniera guidata collegando l’unità Diamags ad un PC attraverso la porta seriale RS232 e utilizzando un software dedicato messo a punto dalla titolare stessa del brevetto.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1.) Sistema attivo per la compensazione di campi magnetici di disturbo particolarmente adatti per l’uso su tomografi per Risonanza Magnetica Nucleare caratterizzato dal fatto che a fronte di un campo B noise di disturbo letto da una sonda di campo magnetico, posizionata ad una opportuna distanza dal magnete , il sistema genera automaticamente, secondo una funzione di trasferimento (B noise=>I corr) ,una corrente Icorr (t) che circola nelle bobine di correzione, montate in configurazione di Hemoutz, in modo tale da annullare il disturbo che si ha sul tomografo (Btom) . 2.) Sistema secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto di essere costituito da : una unità di rilevazione, una unità di controllo e monitoraggio e taratura, bobine di correzione. 3.) Sistema secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che l’unità di rilevazione è costituita da una sonda tipo fluxgate ed uno stadio di preamplificazione collegato in cascata alla sonda per prelevare e amplificare le variazioni dì campo Bnois rispetto al campo di fondo ;detto preamplificatore essendo dotato di un regolatore offset per la definizione di un valore di tensione di riferimento legato al valore di campo di fondo Ja regolazione dell’offset essendo effettuata in fase di calibrazione del sistema ; detto preamplificatore essendo inoltre dotato di un amplificatore a guadagno variabile che a fronte del valore massimo di campo in ingresso selezionato genera una tensione di 5 VDC di ingresso allo stadio di conversione analogico digitale. 4.) Sistema secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che, lunità di controllo e monitoraggio è una unità intelligente in grado di fornire , a fronte del segnale Bnoise in uscita dal blocco di rilevazione, una corrente di correzione Icorr che circola nelle bobine di correzione per la generazione del controcampo di compensazione ;la correzione essendo effettuata sulla base della caratteristica di trasferimento BnoiK=>Icorr, definita in sede di taratura e memorizzata in una memoria non volatile presente all’interno della unità stessa ; detta unità di controllo e monitoraggio essendo caratterizzata da una architettura modulare per configurazioni, mono , bi o triassiali e dispone delle seguenti interfacce :porta seriale con attacco Cannon 9PEN di comunicazione con l’unità di rilevazione ;cavo di alimentazione tripolare di sezione l,5mmq ; porta seriale 9 Pin Sub D Miniature di comunicazione con PC, due uscite analogiche con connettore di tipo BNC per il monitoraggio del segnale in ingresso all’unità a monte e a valle dello stadio di preamplificazione ;morsetti per l’alimentazione della bobina di correzione e di errore ;tre display a LED di cui due per l’indicazione in percentuale del segnale in uscita dal blocco di rilevazione e della corrente di correzione e l’altro per la misura della corrente che circola nelle bobine di correzione. 5.) Sistema secondo la rivendicazione precedente caratterizzata dal fatto che l’unità di controllo e monitoraggio è costituita da un preamplificatore che adatta l’impedenza e rende il segnale in uscita dal blocco di rilevazione compatibile con lo stadio di rilevazione ADC ;una sezione computer che ha il compito di leggere i valori analogici in ingresso, convertirli in segnali digitali e riferendosi alla curva di taratura e definire i comandi in uscita in forma numerica ;una sezione DAC che rappresenta il circuito di attuazione che riceve i comandi digitali dalla sezione precedente, li converte in segnali analogici amplificandoli per alimentare le bobine di correzione ;una sezione alimentazione che fornisce l’alimentazione sia alla sezione digitale che quella analogica. 6.) Sistema secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che la taratura è effettuata secondo i seguenti steps: regolazione dell’offset dell’unità di rilevazione ;correlazione del disturbo letto dalla unità di rilevazione (Bnoise) al drift della frequenza di risonanza del magnete ;caratterizzazione del sistema costituito da magnete e bobine di correzione {definizione e memorizzazione della curva di Correzione Bnoise=> Icorr. 7.) Sistema secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che le operazioni di taratura suddette vengono effettuate in maniera guidata collegando l’unità Diamags ad un PC attraverso la porta seriale RS232 e utilizzando un software dedicato messo a punto dalla titolare stessa del brevetto.