概要
ドイツのシュトゥットガルト大学は、ドイツ有数の工科大学の 1 つです。シュトゥットガルトのスマートセンサー研究所の大学院生であるペトロス・マブリディス氏は、最近、Liquid Instruments の Moku:Pro デバイスを使用して、電圧制御発振器 (VCO) ベースの核磁気共鳴 (NMR) プロトタイプを開発しました。
Moku:Pro Liquid Instruments の最も洗練されたソフトウェア デファインド インストルメンテーションのプラットフォームで、高度な研究と設計向けに調整されています。 FPGA ベースのアーキテクチャにより、Moku:Pro は研究、設計、テストで使用する 14 以上の組み込み機器を提供できます。 マルチインストゥルメントモード (MiM) ユーザーはロスレス相互接続で最大 4 つの機器を同時に組み合わせることができます。
Moku:Pro がサポート Moku クラウド コンパイル (MCC)、カスタム デジタル信号処理アルゴリズムの作成と展開のためのクラウド ベースのサービスです。 MCC ユーザーは、VHDL コードまたは MATLAB、Simulink®、HDLCoder などの他のツールでアルゴリズムを設計し、それを Moku に展開してリアルタイムで実行できます。これにより、ユーザーは Moku:Pro FPGA のパワーを活用してカスタム設計や計測器を作成できるようになります。
課題
NMR は非破壊的な材料イメージング法であり、化学用途での分子構造を正確な測定で調べるために不可欠です。医療画像技術は長年にわたって NMR、すなわち磁気共鳴画像法 (MRI) を使用してきました。 NMR は、がんなどの異常を検出する医学に不可欠です。しかし、NMR 分光計などの NMR ベースの測定機器は高価で、実験室の設置面積が大きいため、多額の資金を提供している研究所や病院以外の施設では利用できません。
従来の方法を使用して、VCO ベースの NMR 技術を研究および評価するには、システム全体を手作りのハードウェアで開発するために多大な時間とリソースが必要になります。 Moku:Pro 機器を導入してこのシステムの一部を実装することにより、ペトロスは代わりに VCO 要素と関連する最適化に重点を置くことができました。
研究者らは将来を見据えて、測定をより迅速に実行し、ツールを小型化し、材料コストを削減することを目指しています。現在、従来のトランシーバー NMR ツールではデッドタイムなしで共鳴を検出できないため、シュトゥットガルト大学の研究者は、VCO ベースの NMR などの代替 NMR 法の有効性の調査を開始しました。
ソリューション
Petros は最初に、図 1 の右下に示されている VCO プリント基板 (PCB) を設計および製造しました。彼は、この VCO を Moku:Pro と並行してフェーズ ロック ループ (PLL) の一部として利用しました。 ロックインアンプ — 位相検出、ローパスフィルタリング、および DC オフセットを実行します — 波形発生器 高精度の周波数基準を提供します。これを構築するために、MiM に機器を導入しました (図 2)。
図 1: Moku:Pro ベースの PLL および VCO PCB ブロック図。 [1]
図 2: マルチ計測モードのデジタル PLL セットアップ (上) とロックイン アンプのブロック図 (下)。 [1]
PLL を調整するために、ペトロスと彼のチームはまず、図 2 のスイッチを開いた状態で Moku:Pro LIA 内で開ループ調整を実行しました。調整が完了すると、スイッチを閉じて発振エラー信号を監視して、実際の電圧調整範囲を決定しました。オシロスコープのプローブは LIA ブロック図内を指すため、ミキサー (図 3) および LIA (図 4) の出力で信号を迅速に分析できるようになりました。
「デジタル機器はプロトタイピングに非常に役立ちます」とペトロスのスーパーバイザーであるミハル・カーン博士は述べています。 「つまり、個別のコンポーネントで設計し、シミュレーションし、PCB を作成して注文するのではなく、デジタルで実行し、スライダーをいくつかいじるだけでうまくいきます。」
図 3: ミキサーの出力におけるオシロスコープの図。個々の信号の周波数の違いを示しています。 [1]
図 4: 同調範囲を確認するための LIA 出力の波形 [1]
連続基準周波数で PLL を調整した後、ペトロスは、パルス NMR を考慮して、急激な周波数変化に耐える PLL の能力を評価しました。これを行うために、彼は Moku:Pro Waveform Generator 相互変調を使用しました。これにより、2 番目のチャンネルが周波数変調されたリファレンスを駆動する方形波を作成します。これにより、ペトロスはすぐにパルス動作で PLL の限界をテストできるようになりました。完成後、ペトロスは Moku:Pro を使用して、振幅ロック ループ (ALL) で設計を最適化しました。
ALL を実装するために、彼はカスタム VHDL コードを開発し、クラウドベースの MCC でコンパイルしました。このカスタム コードは、2 つの期間における VCO の最大振幅を導き出しました。 Moku Cloud Compile を使用して、彼はプログラムを Moku:Pro と並んで Moku:Pro MiM スロットの 1 つにデプロイしました。 PIDコントローラー (図5)。これらの機器を組み合わせることで、外乱によってシステムが望ましい動作点から遠ざかったにもかかわらず、制御誤差をゼロに近づけることができました。 Moku:Pro を使用すると、ユーザーは MiM で 6 つの計測器を同時に利用できるため、チームは PLL と ALL をデジタルで並行して実行することができました (図 XNUMX)。
図 5: PID コントローラーの初期設定。 [1]
図 6: スロット 1 と 2 に PLL、スロット 3 と 4 に ALL を備えた MiM 構成 [1]
図 7 に示すように、電流駆動を提供するために、PID コントローラーの電圧出力が電圧制御電流源に駆動されました。Petros は、Ziegler-Nichols 法と 液体機器の例 PID コントローラーを連続波形 (CW) とパルス動作の両方に合わせて調整します。
図 7: ALL のハードウェア実装。 [1]
PLL と ALL を実装した後、ペトロスは NMR 実験に移りました。図 8 に示すように、彼は VCO PCB を電磁石の中に配置しました。VCO PCB をさらに分析するために、Moku:Pro デジタル フィルター ボックスを簡単に交換して、システムに同調電圧を通過させました。
「それに取り組むのはとても楽しかったです」とペトロス氏は語った。 「リアルタイムで調整するのは簡単でした。」
次に、図 8 に示すように、この信号を復調のために外部 LIA に供給しました。
図 8: NMR 実験のセットアップ。 [1]
結果
シュツットガルト大学の研究者らは、Moku:Pro を使用して VCO PCB の大規模な繰り返しテストを行った結果、VCO ベースの NMR が実現可能であることを証明し、医療画像処理における無数の改善への扉を開きました。 Petros の設計と Moku:Pro の複数の機器機能によって可能になったテストの成功により、VCO の新しい手法である NMR が実証されました。
「Moku:Pro は洗練されたプラットフォームで、事前定義された計測器が付属しているだけでなく、ユーザーがプログラムで拡張することもできます」とペトロス氏は述べています。
ペトロスは、将来のテストの自動化と NMR 実験の高速化のために、Python API を使用してより複雑な MCC アプリケーションを実装する可能性があります。 Petros と彼のチームの結果について詳しくは、Applied Magnetic Resonance で発表された論文をご覧ください。 こちら.
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脚注
[1] P. マブリディス、「VCO ベースの NMR の実装」、論文、2022 年
