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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-08-01 09:09
為了評估射頻場引起的植入物周圍組織的熱效應，多數(shù)情況下需要進行植入物電磁建模和虛擬人體仿真[5]。電磁模型準確與否直接影響最終的評價結果，因此，需要在體外體模中對電磁模型進行驗證。而體外的電磁模型驗證需要相應的射頻測試環(huán)境。
雖然ISO/TS 10974[6]和ASTM F2182[7]允許使用磁共振整機設備作為射頻測試環(huán)境，但由于磁共振整機設備同時具有強磁環(huán)境，試驗操作不便，而且當序列掃描采用射頻勻場策略時，會偏離圓極化[8-9]，給測試環(huán)境電場驗證帶來很大的困難。因此，在射頻熱效應評估中，最好采用單獨的射頻發(fā)生系統(tǒng)構建測試環(huán)境。
目前，構建射頻測試環(huán)境有2種策略：①選用Zurich Med Tech公司的商用MITS系統(tǒng)；②自行定制開發(fā)。采用商用系統(tǒng)的優(yōu)勢是方便快捷，但價格昂貴，無法滿足定制化需求，二次開發(fā)困難?？紤]到個性化的研究需求和成本因素，本研究選擇第2種策略，即自行定制開發(fā)。
考慮到射頻測試環(huán)境應同時具備射頻場發(fā)生、電磁場量測和電磁探棒定位3種主要功能，本研究構建了由射頻發(fā)生系統(tǒng)、電磁場量測系統(tǒng)和機械臂定位系統(tǒng)構成的硬件環(huán)境，并使用基于Python的軟件開發(fā)平臺構建了自動化控制軟件環(huán)境，實現(xiàn)了高精度、自動化的集成測試環(huán)境構建。
1、總體方案設計
本研究的主要目的是構建用于植入物電磁模型驗證的測試環(huán)境，根據(jù)ISO/TS 10974[6]的要求，模型驗證需要將被測植入物置于明確定義的、具有重復性的輻射電磁場測試環(huán)境中，通過比對測試環(huán)境中的測量結果和仿真結果的一致性，來驗證植入物電磁模型。
基于以上測試需求，測試環(huán)境至少應包含3套基本的硬件系統(tǒng)：①射頻場發(fā)生系統(tǒng)，用于產生測試所需的電磁場；②電磁場量測系統(tǒng)，用于電磁場的測量和標定；③電磁探棒定位系統(tǒng)，用于調節(jié)測量點的空間位置。
除了硬件系統(tǒng)，軟件環(huán)境的構建也至關重要。各硬件系統(tǒng)通過局域網(wǎng)（local area network，LAN）連接至PC上位機，由上位機軟件統(tǒng)一對其進行控制，實現(xiàn)射頻場控制、機械臂運行控制和電磁量測控制等功能，從而形成三位一體的集成測試環(huán)境。測試系統(tǒng)總體設計框架如圖1所示。
圖1 測試系統(tǒng)總體設計框架
Fig.1 Test system design framework
2、硬件環(huán)境構建
2.1 硬件環(huán)境構成
為構建射頻場發(fā)生系統(tǒng)的硬件環(huán)境，本研究選用由鑫高益公司定制開發(fā)的RF15型號的射頻發(fā)生系統(tǒng)，用于在射頻線圈中產生64 MHz的射頻場。選用SPEAG公司的EASY4電磁量測系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供開放的TCP/IP協(xié)議連接至上位機。由于電磁場的空間分布較為復雜，電磁探棒的位置精度直接關系到測量結果的準確性，因此需要引入高精度的定位系統(tǒng)?？紤]到目標區(qū)域的范圍及操作靈活性，選用史陶比爾公司的TX2系列工業(yè)機器臂進行電磁探棒的定位，具有高可靠性和良好的抗電磁干擾能力，重復定位精度為±0.03mm。
上述3套系統(tǒng)通過LAN與PC上位機建立連接，形成整體硬件環(huán)境。
2.2 工作環(huán)境坐標系轉換
在硬件環(huán)境的構建中，要實現(xiàn)電磁探棒高精度定位，關鍵環(huán)節(jié)是工作環(huán)境坐標系的轉換，即將基于射頻線圈的坐標系轉換到機械臂坐標系。
本研究選用射頻線圈頂部圈口上的3個定位柱（ P1、P2、P3）作為坐標系轉換的基準點（見圖2(a)），由于已知射頻線圈的孔徑和高度，僅需確定P1、P2、P3共圓的圓平面，射頻線圈的三維模型即可在機械臂坐標系中建立起來，這樣射頻線圈內部的任意目標點都可轉換到機械臂坐標系中。
具體計算過程如下：
1）求P1,P2,P3共圓的圓心O：令圓心O坐標為（x0，y0，z0），P1坐標為（x1，y1，z1），P2坐標為（x2，y2，z2），P3坐標為（x3，y3，z3），由空間三點P1、P2、P3確定的平面記為平面a，圓半徑記為，則圓心O為：
2）計算平面a法向量Vn：
3）定義機械臂坐標系xO'y平面法向量為V'n。
4）定義點集V0、V1：
其中，R坐標為 (r,0,0)。
5）將圓心O平移至機械臂坐標原點O'。
6）根據(jù)KABSCH的算法V0、V1[10]，計算點集 ~的旋轉矩陣：
7）計算最終坐標轉換結果：射頻線圈坐標系中的坐標記為K0，轉換到機械臂坐標系中的坐標記為K1，則
上述坐標轉換過程如圖2(b)所示，其中步驟①展示的是確定O、Vn和V'n，步驟②展示的是將圓心O平移至機械臂坐標原點O'，步驟③展示的是通過旋轉矩陣進行坐標變換。同理，也可將機械臂坐標系中的坐標轉回到射頻線圈坐標系。
圖2 坐標轉換示意
Fig.2 Coordinate transformation diagram
3、軟件環(huán)境構建
根據(jù)測試需求，與硬件環(huán)境相對應，軟件模塊主要包括射頻發(fā)生模塊、電磁場量測模塊和機械臂控制模塊（見圖3），分別用來實現(xiàn)射頻場控制、射頻場量測和機械臂運行控制三大功能。軟件環(huán)境的構建是將以上3個模塊集成在一個軟件平臺，形成用于射頻場熱效應評估的集成測試環(huán)境，統(tǒng)一進行測試流程的自動化管理和控制。
圖3 軟件模塊設計
Fig.3 The framework of software module design
本研究采用基于Python的軟件開發(fā)平臺進行軟件環(huán)境的構建。Python是一種開源語言，相關庫資源豐富，開發(fā)便捷高效。圖4是基于Python開發(fā)平臺構建的自動化控制軟件界面。
圖4 軟件界面設計
Fig.4 Software interface design
4、測試驗證與結果分析
為了對構建的測試環(huán)境進行驗證，將仿真電場與測試環(huán)境中實測電場進行了比對分析。
4.1 電場實測
按照圖1所示搭建測試環(huán)境。射頻發(fā)生系統(tǒng)的射頻線圈內部放置一個圓形體模，體模中液體為鹽水[電導率(0.47±10%) S/m]，鹽水中心與線圈中心對齊，鹽水體模直徑為44 cm，高度為20cm。開啟射頻發(fā)生系統(tǒng)，產生射頻環(huán)境，機械臂夾持電場量測探棒到達體模中指定位置，便可直接讀取該位點處的電場值。
4.2 電場仿真
使 用 時 域 有 限 差 分（ finite-difference time-domain，F(xiàn)DTD）算法進行射頻線圈內電磁場的仿真。仿真中采用與實際射頻線圈同樣結構和尺寸的16腿的高通鳥籠線圈（見圖5）。
鹽水體模的尺寸參數(shù)與實際測試環(huán)境中的體模保持一致。鹽水電導率設置為0.47 S/m，相對介電常數(shù)設置為78。網(wǎng)格大小設置為2 mm，邊界條件設置為吸收邊界。線圈使用64 MHz正弦信號作為激勵信號，調節(jié)線圈上的電容值，使其在64 MHz的頻率下諧振。
4.3 實測電場與仿真電場比對
從仿真結果中提取體模中心層面上的電場，其分布如圖6(a)所示。為了驗證測試環(huán)境中實際電場與仿真的一致性，選取體模中心層面，半徑分別為r=16 cm和r=8 cm的圓環(huán)上的24個點作為校準點，使用電場量測探棒對校準點處的電場進行實測，同時也提取上述位點的仿真電場。
圖5 高通鳥籠線圈
Fig.5 High-pass birdcage coil
由于仿真中很難直接將激勵源大小設置成與實際測試環(huán)境完全一致，為了在同一尺度下對仿真電場值和實測電場值進行比對，需要對其進行歸一化處理。選取r=16 cm，標號為1的校準點的數(shù)據(jù)，計算仿真電場值與實測電場值之間的比例因子，將所有點位的仿真電場值按照上述比例因子進行縮放，結果如圖6(b)所示。從圖中可以看出，仿真電場與實測電場的數(shù)值具有良好的一致性。經分析，24個校準點的仿真與實測電場值之間的最大偏差為11.97%，最小偏差為0%，平均偏差為5.85%。
圖6 仿真和實測數(shù)據(jù)對比
Fig.6 Comparison of the simulated and measured data
5、結論
本研究采用機械臂定位技術和基于Python的軟件開發(fā)平臺，完成了高精度自動化的集成射頻測試環(huán)境構建工作。本測試環(huán)境形成的電場與計算機仿真得到的電場可實現(xiàn)良好匹配，為植入物射頻熱效應評估奠定了良好的基礎。同時，本研究也為希望采用定制化開發(fā)路線進行射頻測試環(huán)境構建的企業(yè)和研究機構提供了清晰的技術路線，填補了國內該領域的空白。
目前，本研究僅提出了64 MHz（1.5 T）射頻環(huán)境的構建方案，針對3T磁共振設備及其對應的128 MHz射頻環(huán)境等熱點問題將在后續(xù)研究中持續(xù)開展。
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【文章來源】中國醫(yī)療器械雜志研究與論著 2024年 48卷 第3期
來源：Internet
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