基于磁纳米温度测量交变磁场激励系统设计

苏日建，孟得光，杜中州，侯登攀

(郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院，郑州 450000)



基于磁纳米温度测量交变磁场激励系统设计

苏日建，孟得光，杜中州，侯登攀

(郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院，郑州 450000)

磁纳米温度测量方法有望解决肿瘤热疗中无法实现实时准确的温度测量问题．针对磁纳米温度测量方法在实际应用过程中存在的交变磁场均匀性低、信噪比低、负载阻抗较大的问题展开分析．首先通过分析交变磁场激励系统信号链，提出采用亥姆霍兹线圈作为交变磁场发生装置并从理论分析、模拟仿真和实际测量等层面分析并验证其磁场均匀性；其次针对信噪比低的问题提出采用九阶椭圆无源滤波器，分别通过理论分析、数字模拟仿真和实际测量等方面验证信噪比达到100 dB；最后依据阻抗匹配理论，提出利用串联谐振电路解决负载阻抗较大的问题，通过实际测量发现激励磁场强度达到20 Gs；同时为了解决交变磁场激励系统稳定性问题，提出采用串联大功率电阻的方式实时监测激励电流以保证激励磁场的稳定性．

磁纳米粒子；亥姆霍兹线圈；九阶椭圆滤波器；串联谐振

相对于现有的肿瘤癌症治疗手段，如手术切除和放化疗法，肿瘤癌症热疗法不仅减少患者治疗中的痛苦，而且治愈率较高，因此，肿瘤癌症热疗被誉为一种“绿色”疗法[1-2]．然而温度测量问题是阻碍该疗法应用推广的最大瓶颈，其原因是目前现有的温度测量方法无法准确安全的实现人体机体组织细胞温度测量．磁纳米温度测量[3-4]是一种全新的、非侵入式温度测量方法，可以实时准确的测量人体内部细胞温度的同时解决传统温度测量方法需要开腔带来的安全性问题．因此基于磁纳米温度测量的热疗方法有望解决人类面临的最大健康难题—肿瘤癌症，为当今肿瘤癌症根治提供一种全新的治疗手段．

然而基于磁纳米温度测量的肿瘤癌症热疗方法中交变激励磁场对于磁纳米测温起着决定性作用[5]，在实际应用中还存在若干问题，如交变磁场均匀性低、信噪比低、负载阻抗较大等问题，本文针对这些问题设计一套交变磁场激励系统，从理论分析，模拟仿真和实际测量三个方面验证了其可行性．

1 测温原理及系统工作原理

图1 交变磁场激励系统流程框图Fig.1 Flowchart of alternating magnetic field excitation system

图2 硬件结构图Fig.2 The hardware frame

磁纳米温度测量原理是利用磁纳米粒子特有的温度敏感特性，即不同温度下的磁化响应不同，同时利用磁纳米磁化曲线的非线性特性，根据磁纳米在交变磁场激励下的磁化响应的各次谐波幅值实现温度测量．因此磁纳米温度测量系统主要有三大部分组成，即交变磁场激励系统、微弱信号检测系统和软件系统．从目前存在的上述问题，可以发现交变磁场激励系统是解决问题的重要环节，因此需要在详细分析系统工作原理的基础上进行改进设计．

交变磁场激励系统工作原理是首先由计算机控制交流信号源产生一个频率单一、幅值稳定的正弦信号，然后经过功率放大器进行功率放大，通过功率滤波器进行信号调理，最后驱动亥姆霍兹线圈产生激励磁场．同时为了实现交变磁场激励系统的实时的监测，提出在激励回路中串联一个大功率电阻的方式，通过监测电阻的电压信息间接实现激励回路电流的检测，利用反馈控制方法实现系统的稳定性．由系统工作原理可知系统工作流程如图1所示．

根据系统工作原理可以发现交变磁场激励系统主要由交流信号源、功率放大器、功率滤波器和交变磁场发生装置组成．系统硬件结构图，如图2所示．

2 系统设计与实现

2.1 交流信号源

交流信号源，本激励系统采用的是由美国NI公司生产的数据采集卡(DAQ，PXIe-6368)，通过DAQ模拟输出口产生单一特定频率和特定幅值的正弦信号(频率375Hz，幅值为5V)；同时为了检测磁场发生装置的激励电流，这里利用DAQ模拟输入端口来实时采集反馈电阻电压信息，并通过LabVIEW[6]上位机软件实现整个激励系统的实时监测．如图3，为LabVIEW控制软件部分后台程序图，由图可以看出，采用的是模块化编程方式，比较简单直观；图4为LabVIEW用户界面图，用户可以直接对数据采集卡(NI SCB-68A)输出的正弦信号参数进行设定；同时可以通过大功率反馈电阻采集到的电压信号信息的转换计算，实现交变磁场稳定性的实时监测控制．

图3 LabVIEW控制软件部分后台程序图Fig.3 Chart of LabVIEW background procedure

图4 LabVIEW用户界面图Fig.4 LabVIEW user interface

2.2 功率放大器

本激励系统采用AE TECHRON公司生产的工业级功率放大器(AE 7224)，其功放增益较高、失真率较低，温漂较低，输出阻抗较小，能够使信号达到80 dB的信噪比，输出阻抗约为28 mΩ．

2.3 功率滤波器

激励磁场源正弦信号在经功率放大器进行信号放大的过程中，会产生一定的谐波失真并引入其他谐波噪声，容易造成谐波幅值测量误差，并引起较大的温度反演错误，因此需要设计一种滤波器来滤除谐波噪声，提高系统的抗噪声性能．同时为了避免电源谐波的干扰以及中心频率、带宽、阻带内信号衰减率等要求，提出采用九阶椭圆无源滤波器．通过理论分析和推导，仿真模拟和实际测量等3个方面进行了验证，该滤波器基本满足系统的100 dB要求．

(1)

理论分析的模型为滤波器的传递函数，如式(1)，其中xa,xa-1,…,x0和yb,yb-1,…,y0是滤波器网络的相关参数，由此可以求解传递函数的极点和零点．这里利用Filter Solutions滤波器设计工进行仿真[7-8]，可直接得到传递函数及滤波器原理图，如图5、6所示．

根据图6可以得到设计九阶椭圆滤波器的电容、电感元器件的参数．如表1、2所示．

表1 电容参数(单位：μF)

表2 电感参数(单位：mH)

图7 功放信号谐波图Fig.7 Power amplifier signal harmonic wave

根据以上参数表，可以进行九阶椭圆滤波器实物的搭建焊接．在进行元件的选择时，考虑到滤波器中通过的电流较大，峰值可达9 A左右，所以电感线圈选择线径为2 mm的无氧铜漆包线，防止运行过程发热导致滤波性能改变；考虑到电容存在温漂特性，且需要通过大电流，选用大容量、耐高压的聚酯薄膜电容，并且通过电容的并联，来解决大电流问题，减少系统运行时因电容发热带来系统性能的改变．通过实际实验证明，该滤波器能够有效的滤除功率放大器放大信号中的谐波噪声，并且性能比较稳定．滤波效果(实测图)通过图7、8对比可以看出．

图8 滤波器滤波后谐波图Fig.8 Filtered harmonic wave

由滤波器的滤波效果图可以看出，九阶椭圆滤波器能够有效滤除谐波噪声，整体滤波效果比较好，基本达到磁纳米温度测量系统的要求．

2.4 交变磁场发生装置

本文通过查阅大量文献资料并进行理论和仿真对比分析发现螺线管产生的磁场分布为圆柱状，中心磁场为矩形带状；亥姆霍兹线圈产生的磁场分布为球形，球心区域为均匀磁场区域[9-10]；如果螺线管要产生与亥姆霍兹线圈同样的均匀区磁场，螺线管的体积将要做的很大，给实际应用带来困难．同时考虑到磁纳米测温样品的放置位置等问题，最终选择亥姆霍兹线圈为交变磁场发生装置[11]．最后，通过理论分析和软件模拟仿真确定中心磁场的均匀区位置，并根据磁场强度完成亥姆霍兹线圈设计．

亥姆霍兹线圈是电感元件，其感抗值与信号频率有极强的相关性，这将带来负载驱动问题．通过实际测量，当频率为375 Hz时亥姆霍兹线圈的阻抗值为680 Ω，产生20 Gs磁场强度的交变磁场难度巨大．本文提出利用 “串联谐振”解决亥姆霍兹线圈驱动困难的问题．串联谐振的电路原理图，如图9所示，其原理是当频率为谐振频率点时，其电容的容抗与电感的感抗相等，从二端口网络看其呈纯电阻特征．同时考虑到本交变磁场激励系统的激励信号频率为375 Hz，把该频率设置成串联电路的谐振频率，通过实际匹配测量发现当匹配电容值为616.52 nF时电路处于谐振状态，此时阻抗值为20.719 Ω．

此外，考虑到当激励频率为375 Hz、激励电流达到2 A时，匹配电容需要承受的电压高达1 000 V以上，因此提出采用电容的“串联分压，并联分流”方式降低每一个匹配电容的两端电压．配比电容的参数如表3所示．

表3 匹配电容配比参数(单位:μF)

3 仿真与实验

图11 亥姆霍兹线圈磁场仿真图Fig.11 Simulation of helmholtz coil magnetic field

为了验证该系统是否满足设计要求，这里一方面采用瑞典COMSOL公司COMSOL多物理场仿真软件[12-13]的方式对亥姆霍兹线圈磁场进行仿真，仿真结果如图11所示；另一方面采用德国COLIY高斯计进行实际测量，通过对测得数据进行数据拟合，结果如图12所示．

图12 磁场测量数据拟合图Fig.12 Magnetic field measurement data fitting chart

从图11可以看出，亥姆霍兹线圈靠近绕线圈位置的磁场强度较强，但是磁场分布不均匀，在线圈中间部分有很大一块区域磁场分布比较均匀；由磁力线分布可以看出，中心区域磁场的均匀特性比较好，这验证了前面理论分析计算的正确性．同时对激励磁场实验结果进行实际测量，并绘制磁场分布曲线图(图12)，由图12可以看出该激励系统比较稳定，中心位置的磁场均匀性较好，基本满足磁纳米温度测量系统的激励磁场要求．

4 总结展望

通过模拟仿真和实际测量发现交变磁场激励系统能够产生交变激励磁场的磁场强度为20 Gs，信噪比为100 dB，基本实现了设计目标．其主要解决以下四个方面问题：

1)通过分析研究，选择亥姆霍兹线圈作为交变磁场发生装置，解决磁纳米温度测量系统对激励磁场的均匀性低的问题．

2)提出设计九阶椭圆滤波器进行滤波处理，提高信号信噪比．解决了激励磁场信噪比较低的难题．

3)提出利用串联谐振电路解决负载驱动问题．4)提出通过串联大功率反馈电阻的方法来采集激励回路电流信息，间接实现激励系统驱动电流的实时监测，以保证系统的稳定性．

然而本系统还存在一些需改进的方面，如功率滤波器及串联谐振元器件的参数匹配有待进一步提高，亥姆霍兹线圈发热问题等．因此，为了进一步提高温度测量精度，后续的系统还需要在上述方面做进一步的改进和完善．

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责任编辑：高 山

Design of Alternating Magnetic Field Excitation System Based on Magnetic Nanometer Temperature Measurement

SU Rijian,MENG Deguang,DU Zhongzhou,HOU Dengpan

(School of Computer & Communication Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450000, China)

The method of the temperature measurement based on magnetic nanoparticles in hyperthermia is expected to solve the problem that the temperature cannot be measured accurately.This paper analyzes the problems such as low homogeneity of magnetic field,low signal to noise ratio,load impedance in the application of the method of the temperature measurement base magnetic nanoparticles.Firstly,Helmholtz coil is proposed as the excitation part for generating the AC magnetic field by careful analysis of signal chain in the AC magnetic field system from three aspects:theoretical analysis,analogue simulation and actual measurement.Secondly the nine-order elliptic passive filter is designed for solving the problems of low signal-to-noise ratio and the test result meets design requirement that the signal-to-noise is 100 dB.Lastly,according to impedance matching theories,the series resonant circuit is used for solving the impedance mismatch.The test result is that the magnetic field strength is 20 Gs.In the meantime,the sampling resistor,which is a power resister installed in series to the load circuit for monitoring the excitation current of the Helmholtz coils and negative feedback control algorithm,was used to stabilize the exciting magnetic field.

magnetic nanoparticles;Helmholtz; ninth order elliptic filter;series resonance

2017-02-23.

国家自然科学基金项目(61374014)；2016河南省科技攻关项目(162102410077).

苏日建(1970-)，男，博士，教授，主要从事嵌入式系统和智能信息处理的研究.

1008-8423(2017)02-0182-04

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.06.016

TP273.5

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