Imagens de fontes magnéticas usando um sistema multicanal de sensores magneto-resistivos

Autor: Juan Alberto Leyva Cruz
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2005
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPUniversidade de São PauloUSP.
Druh dokumentu: Doctoral Thesis
Popis: Apresenta-se o desenho, construção e caracterização de uma plataforma experimental para a obtenção de imagens magnéticas bidimensionais (2D) geradas pela distribuição não uniforme em gel de vaselina de micro-partículas magnéticas (magnetita- Fe3O4), acomodadas em fantomas magnéticos de geometrias irregulares. A instrumentação é basicamente formada por um arranjo multicanal de 12-sensores magnetorresistivos de última geração (modelo HMC 1001/1002 da Honeywell), os quais convertem os sinais magnéticos, a serem medidas, em voltagens diferenciais, que posteriormente passam-se pela etapa de condicionamento analógico multisinais, e adquiridos por uma placa de aquisição PCI de 16 canais simples, e geradas pelas fontes magnéticas (fantomas) as quais eram posicionadas acima de uma tabua porta-fantoma a qual era acionada por um sistema de posicionamento x-y, utilizando-se dois motores de passo controlados via porta paralela. A obtenção e processamento das imagens de forma automática foi levado acabo por médio da ferramenta computacional SmaGimFM v1.0 (grupo de scripts escritos pelo autor, em LABVIEW v8.1 e Matlab v7.3). A montagem experimental foi desenhada para realizar o scan numa área de ate (20x18) cm2. O sistema consegue medir campos na ordem de poucos nano-teslas (10-9 T). Foi demostrado experimentalmente que: a detectibilidade do sistema está na ordem de 100 pT/?Hz; a resolução, o menor valor da indução magnética detectada e a resolução espacial dos sensores foi aproximadamente de (3±1) nT e (3.0± 0.1) mm, respectivamente, este último obtido para uma distancia sensor-fonte média de (6.0± 0.1) mm. O nível de ruído ambiental médio foi corroborado experimentalmente no valor de 10 nT. O fator de Calibração para todos os sensores alimentados com 8V, foi aproximadamente de 10-6 T/V, confirmando o valor da sensibilidade nominal oferecida pelo vendedor no data-sheet dos sensores. Os multisinais sempre foram pré-processadas para a remoção dos offset, e posteriormente era realizadas uma interpolação bi-cúbica, para gerar imagens magnéticas com uma alta resolução espacial da ordem de (256x256) pixels. A funções de transferência da modulação e espalhamento pontual do sistema foram estudados e os sensores foram espaçados e fixados de acordo com os resultados destes estudos. Nesta tese todas as imagens cruas foram geradas pelo mapeamento da resposta do sistema multicanal de magnetômetros a pequenas distancias e geradas pela presença de micropartículas de magnetita (Fe3O4) não tratada termicamente e dispersada em oitos fantomas planares com geometrias complexas e chamados como: PhMão; PhNum; PhLines; PhCinco; PhTrês; PhCircle; PhQuadSmall e PhQuadBig. As imagens magnéticas de cada um destes fantomas é apresentada. A cada experimento, estes fantomas eram magnetizados pela ação de um pulso magnético uniforme no volume dos fantomas, com um valor aproximadamente de 81.6 mT, e produzido por um sistema de bobinas par de Helmholtz. Para fazer o registro experimental das imagens magnéticas, os fantomas foram posicionados a uma altura fixa em relação aos sensores, e movidos numa direção de scan, assim nos detectores observávamos as voltagens gerados pela variação no campo remanente devido às diferentes concentrações de micro-partículas magnéticas magnetizadas foram medidos e controlados por um computador pessoal. Usando as imagens cruas (imagens ruidosas e borradas) e outras informações a priori, foram obtidas as imagens reconstruídas das fontes do campo magnético, tais como, a distribuição de partículas ferrimagnéticas no interior dos fantomas, a qual é relacionada com a susceptibilidade magnética das amostras. Encontrar as imagens das fontes magnéticas, é resolver o problema magnético associado, e nosso trabalho estas restaurações foram realizadas usando-se os seguintes algoritmos numéricos de deconvolução, filtragem espacial de Wiener e Fourier, o filtragem Pseudo-inversa, o método do gradiente conjugado e os procedimentos de regularização de Tikhonov e Decomposição de Valores singulares truncados, dentre outros. Estes procedimentos foram implementados e testados. As imagens reconstruídas das fontes magnéticas de quatro fantomas são apresentadas. Estas técnicas foram programadas computacionalmente por médio de um conjunto de scripts chamados de SmaGimFM v1.0, estes foram escritos nos linguagens computacionais MATLAB® desde a MathWorks Inc.; e LABVIEW desde a National Instruments Inc. Estes resultados preliminares mostram que o sistema de imagens apresenta potencial para ser aplicada em estudos na área da Física Médica, onde imagens com moderada para alta resolução espacial e baixa amplitude da indução magnética são exigidas. Contudo, podemos afirmar que à distância sensor-fonte é crítica e afeta a resolução das imagens. O sistema é capaz de registrar imagens na ordem de 10-9 T, e sua elevada resolução espacial indica que pode ser testada como uma nova técnica biomagnética para gerar imagens em 2D de partículas magnéticas dentro de objetos, na região do campo próximo, para futuras aplicações médicas
We have designed and build a magnetic imaging system for obtaining experimental noisy and blurred magnetic images from distribution of ferromagnetic tracers (magnetite Fe3O4). The main part of the magnetic imaging system was formed by a linear array composed of 12-magnetoresistive sensors from Honeywell Inc. (HMC 1001). These sensors are microcircuits with a configuration of wheatstone-bridge and convert magnetic fields into differential voltage, which after pass for the multichannel signal stage can be to measure magnetic signals about of 10-9 T. The system is capable of scanning planar samples with dimensions up to (16x18) cm square. A full experimental characterization of the magnetic imaging system was carried out. The calibration factor for all sensor supplied by 8 V, was approximately 10-6 T/V, confirming the data sheet nominal properties from the vendor. The spatial resolution and the resolution of the magnetic imaging system were experimentally confirmed to be 3 mm and 3 nT, respectively. The spectral density noise was about, for the experimental conditions used in these studies. The signals were pre-processed for offset remove and the interpolation for spatial resolution improves and generates images of (256x256) pixels. The point spread and modulation transference functions of multi-sensor system were studied and the sensors were spaced accordingly. In this thesis, all raw images were generated by mapping the response of the magnetoresistive magnetometers multichannel array at short distances due to the presence of uncooked magnetite powder dispersed in eight planar phantoms with complex geometries and called as: PhMão; PhNum; PhLines; PhCinco; PhTrês; PhCircle; PhQuadSmall and PhQuadBig. These phantoms were magnetized by a uniform pulse field of approximately of 81.6 mT produced by a Helmholtz coil system. The samples were moved under the magnetoresistive sensors and the voltages generated by the variation in remanent magnetic field due to different magnetized ferromagnetic particles concentrations were recorded and controlled by a personal computer. Using the experimental noisy and blurred magnetic field images (raw images), and some another, a priori information\'s, the reconstruction of the magnetic field source images, such as, the distribution of ferromagnetic particles inner of the phantoms which are related with magnetic susceptibility, was obtained by various inverse problem solution algorithms\', such as, the spatial Wiener and Fourier filtering, the Pseudo-inverse filtering; the conjugated gradient and Tikhonov and Decomposition of Truncated Singular Values approaches and others. These procedures were implemented by mean of the scripts set called SmaGimFM v1.0, that we developed using the MATLAB® language from MathWorks Inc. A preliminary result shows that this magnetic imaging system join to some deconvolution technique can be considered efficient to be used in functional images of the gastrointestinal tract, where a moderate resolution is required. We can affirm that at a distance sensor-source choose is a critical parameter and affects the resolution of the images; and we can conclude that this magnetic images method can be successfully used to generate planar blurred magnetic images and magnetic field sources images in the near field region at macroscopic level generated by ferromagnetic materials.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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