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为解决低场磁共振成像（MRI）中磁场测量系统成本高、操作复杂等问题，研究人员开展了低成本开源磁场检测系统研究。结果显示该系统能高效测量磁场，精度与商业传感器相当。其意义在于推动低场 MRI 发展，降低成本，简化操作流程。
研究背景
磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）自 20 世纪 70 年代问世以来，已成为医学诊断和科研领域的重要工具。随着磁场强度提升、硬件（如功率放大器、天线）和软件（如序列和重建方法）的不断进步，MRI 图像质量显著提高，在工业化国家广泛应用，每年有超过 1 亿人次接受扫描。然而，其高昂的购置、安装和维护成本，使得中低收入国家（LMICs）难以广泛使用这项技术。
为解决这一问题，开发低成本低场强（Low-Field Strength，LFS）MRI 扫描仪成为研究热点。基于 Halbach 阵列的小型永磁体是一种可行方案，已有不同尺寸和场强的原型用于头部、手臂等部位的检查。但由于 Halbach 磁体中大量 NdFeB 磁体存在制造公差，导致实际磁场不均匀性比理想化模拟大得多。因此，精确测量实际磁场并进行磁体匀场（shimming），对提高成像质量至关重要。传统测量系统使用高精度线性驱动和商业霍尔传感器，成本高昂，不利于在培训和原型开发中应用。在此背景下，研究人员开展了相关研究，旨在开发一种低成本、易于搭建的磁场检测系统。
研究机构及研究内容
德国马克斯?普朗克生物控制论研究所、斯图加特大学等机构的研究人员，开发了一种新型低磁场测量系统。该系统基于自主研发的八通道霍尔传感器（使用低成本汽车芯片）和低成本五自由度（5 degrees of freedom，5DoF）机械臂，并通过基于摄像头的运动跟踪技术提高测量精度，所有软件和硬件文件均开源。
关键技术方法
- 霍尔传感器：选用 3D 线性霍尔效应传感器 ALS31300，测量范围为 ±50mT。将其集成在传感器头中，8 个霍尔传感器呈长方体排列，可同时测量 8 个点的磁场。通过 Arduino 框架开发微控制器软件，控制传感器并处理数据。
- 机械臂及运动控制：使用开源机器人 TinkerKitBraccio，对其进行硬件扩展。通过 MATLAB 脚本控制机械臂运动，将所需角度经 USB 串口发送给 Arduino Uno 微控制器，转化为电信号驱动伺服电机。
- 运动跟踪：利用 OpenCV 库和 ArUco 标记进行基于视觉的运动跟踪。在机器人和参考板上设置 ArUco 标记，通过摄像头拍摄，经 Python 程序分析确定机器人位置和姿态。同时安装基于滑动电位器的传感器检测 y-Euler 角，提高定位精度。
研究结果
- 霍尔传感器精度：校准后，霍尔传感器在 z 轴测量的标准偏差（STD）降低 34.1 - 91.2%，x 轴提高 23.6 - 85.0%，y 轴提高 75.6 - 97.9%。但部分传感器在 y 轴校准后与实际磁场偏差仍大于校准系统误差，可能是 y 方向灵敏度降低所致。
- 运动跟踪机器人精度：重复测量实验显示，传感器头在 x 轴偏差最小，y 轴最大。z 轴位置精度受底座角度传感器限制，实际分辨率为 0.2°，对应 FOV 中心定位偏差 ±1.5mm。磁场测量中，z 轴偏差小于 50μT（<0.11% of B0），其余轴偏差较大。
- 参考标准立方机器人精度：使用运动跟踪装置测量，在 100×100×100mm3体积内，x、y、z 方向定位偏差分别为 Δx = 4.5mm，Δy = 1.2mm，Δz = 5.7mm，与原机器人相当，该误差可通过控制系统校正。
- 低场 Halbach 磁体测量：对 45mT 的 Halbach 磁体进行测量，测量系统扫描速度比传统立方机器人快约 6 倍。测量得到的磁场强度与商业霍尔传感器测量值相差约 2mT（≈4.4%），可能是商业传感器绝对值不准确。通过插值处理数据进行匀场，可使磁场均匀性提高 30.2%，若不插值仅提高 14.1%。
- 梯度测量：对 x 梯度进行测量，由于测量值较小，未使用校准参数。测量误差主要受运动跟踪分辨率限制。计算得到的梯度效率比模拟值低约 9.3%，可能是梯度机械装配公差导致。与商业 3T MRI 扫描仪参考测量相比，两者梯度效率相差 19%。
研究结论与讨论
本研究开发的低成本开源磁场检测系统，在低场 MRI 磁体评估中表现出色。该系统成本低（约 100�）、搭建时间短，测量速度快且可靠，有助于 LFS 扫描仪开发中的 B0磁场匀场和自制梯度系统评估，对推动低场 MRI 技术发展、培养相关领域科研人才具有重要意义。
在系统性能方面，霍尔传感器系统在测量中表现出稳健性和可靠性，通过时间平均采样提高了精度，但仍需校准以消除系统误差。定位系统虽使用低成本机械臂，但通过摄像头运动跟踪和自制传感器，能达到与传统立方机器人相当的精度。不过，机械臂的重复性存在一定偏差，y 轴偏差较大，需进一步优化。
在测量结果方面，该系统在 Halbach 磁体和梯度测量中均展现出有效性。与传统系统相比，在 Halbach 磁体测量中扫描速度优势明显，且能为磁体匀场提供有价值的数据。在梯度测量中，虽存在一些误差，但与参考测量结果的差异在可接受范围内，且可通过改进测量方法和优化硬件减少误差。
未来研究可从硬件和软件两方面进行改进。硬件上，采用更先进的机器人硬件，如使用更强大的电机和齿轮提高定位精度，在关节轴上安装编码器进行位置反馈；软件上，改进测量和运动跟踪算法，提高数据处理效率和精度。此外，该系统的部分组件，如运动跟踪技术，可拓展应用于其他领域，如记录患者检查时的运动情况，进一步发挥其价值。
