专利名称：具有减小的非故意机械运动的磁共振成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁共振成像(MRI)系统，在该系统中，减小了 MRI 系统的非故意机械运动。而且，本发明涉及一种用于操作这种MRI系统的 方法和一种用于控制这种MRI系统的计算机程序。在特定类型的MRI系统的操作过程中，由于MRI系统的非故意机械运 动而引起了问题。在MRI系统中的梯度线圈的切换过程中，产生了洛伦兹 力，其引起了机械振动。在本发明中，关注点是低于100Hz的低频振动， 通常在10-25Hz范围内。例如在开放型MRI系统中，系统的上下部分相对 彼此以10-25Hz的频率运动。这些振动引起了MRI系统的主磁场中材料成 分中的涡电流。这些涡电流穿过电阻性材料并产生热量，该热量使得液态 氦从MRI系统的低温恒温器蒸发。由涡电流造成的液态氦的蒸发常常表示 为"动态汽化"。而且，涡电流产生了变化的磁场，其使得磁共振信号的梯 度编码失真，并最终导致图像质量恶化。涡电流例如是伪影现象的成因。 机械振动及其后果对于开放型MRI系统尤其是问题，开放型MRI系统不仅 更易于受到梯度线圈的内部激发的影响，尤其是在所述的低频范围中，而 且易于受到地板振动的影响。
背景技术：
由国际专利申请WO 2002/46783 Al获知了借助于在MRI系统的梯度 线圈装置与支撑结构之间的中和力来减小声学噪声。为此，在支撑结构与 梯度线圈装置之间提供了有源元件。然而，对于在造成图像质量降低的MRI 系统的特定工作模式的情况下，例如25Hz的工作模式，减小主要的振动位 移的问题并没有给出解决方案。发明内容本发明的目的是提供一种简单可靠的技术，用于以支撑结构减小MRI系统中的非故意机械运动，该支撑结构支撑系统的至少一个元件。
按照本发明，由一种MRI系统来实现这个目的，该MRI系统包括多 个压电致动器，所述多个压电致动器位于MRI系统的至少一个元件与相关 联的支撑表面之间，并且彼此顺序地连接；以及控制单元，适于以减小MRI 系统的非故意机械运动的方式，主动控制所述多个压电致动器的位移。
本发明的目的还通过一种用于操作MRI系统的方法来实现，所述MRI 系统包括多个压电致动器，所述多个压电致动器位于MRI系统的至少一 个元件与相关联的支撑表面之间，并且彼此顺序地连接；以及控制单元， 所述方法包括步骤以减小MRI系统的非故意机械运动的方式，借助于控 制单元主动控制所述多个压电致动器的位移。
本发明的目的还通过一种用于控制MRI系统的计算机程序来实现，所 述MRI系统包括多个压电致动器，所述多个压电致动器位于MRI系统的 至少一个元件与相关联的支撑表面之间，并且彼此顺序地连接；以及控制 单元，用于控制所述多个压电致动器的位移，在计算机中执行的所述计算 机程序包括计算机程序指令，当在计算机中执行所述计算机程序时，所述 计算机程序指令以减小MRI系统的非故意机械运动的方式，主动控制所述 多个压电致动器的位移。因此，可以基于根据本发明的计算机程序的指令 来实现根据本发明所必须的技术效果。这个计算机程序可以存储在载体上， 例如CD-ROM上，或者可以通过互联网或另一个计算机网络获得它。在执 行该计算机程序之前，通过从载体(例如借助于CD-ROM播放器)或者从 互联网读取该计算机程序，来将该计算机程序装入计算机并将其存储在计 算机的存储器中。除了其他元件以外，计算机包括中央处理器单元(CPU)、 总线系统、存储器装置，例如RAM或ROM等、存储装置，例如软盘或硬 盘单元等、以及输入/输出单元。可替换地，本发明的方法可以在硬件中实 现，例如采用一个或多个集成电路。
本发明的核心观念是使用压电致动器，并且以减小MRI系统的非故 意机械运动的方式主动控制这些压电致动器。换句话说，提出了一种主动 振动控制技术，在该技术中使用了压电致动器。压电致动器用于阻尼或减 小MRI系统的低频机械振动。为此，在MRI系统的至少一个元件与支撑表 面之间提供了压电致动器；换句话说，MRI系统的重量由压电致动器承载。压电致动器一方面与MRI系统的至少一个元件顺序地连接，另一方面与支 撑表面相连。压电致动器例如可以连接到MRI系统的支撑结构，例如多个 支架。可替换地，压电致动器可以直接连接到梯度线圈装置或MRI系统的 磁体。依据本发明，可以采用主动控制策略减小MRI系统的非故意内部机械 运动，例如振动。同时可以主动减小由支撑表面的振动(例如MRI系统位 于其上的地板)引起的MRI系统的运动。借助于这个简单可靠的技术，能 够避免测量结果的质量问题。具体地，能够克服MRI系统中的液态氦的动 态汽化问题以及图像质量问题。因为压电致动器固有的刚度，压电致动器的使用是有利的。压电致动 器尤其非常适于MRI系统，因为它们既经受得住高静态磁场，又不产生会 引起图像质量问题的磁场振动。将基于以下的实施例进一步详细阐述本发明的这些方面及其它方面， 在从属权利要求中定义了这些实施例。根据本发明的优选实施例，提出了使用多个弹性元件。这些弹性元件 结合压电致动器用以阻尼或减小MRI系统的低频机械振动。弹性元件以及 协作的压电致动器顺序地设置在MRI系统的至少一个元件与相关联的支撑 表面之间，并以这样的方式彼此调整适应其结果产生的有效刚度在低振 动频率(通常低于100Hz)低或非常低，例如几乎为0，而静态刚度很高以 支撑MRI系统的重量。而且，通过使用弹性元件，能够隔离在较高频率上 的振动。可以控制压电致动器以便以两种不同的方式减小MRI系统的运动。在 第一方式中，根据本发明的优选实施例，借助于控制单元以阻尼系统的非 故意机械运动的方式控制所述多个压电致动器的位移。对控制单元进行相 应的调整。优选地，这是通过基于表示系统的当前机械运动的信号而控制 所述多个压电致动器的位移来实现的。换句话说，通过使用"反馈"或"闭 环"模式来控制压电致动器。借助于至少一个相应的传感器来获得必要的 信号。作为传感器，优选地使用压电传感器。然而，页可以使用其它传感 器类型，例如加速计、应变仪等。这些传感器优选地以这样的方式布置 即，使得可以可靠地确定系统的当前机械运动，例如与当前位置、加速度和/或振动频率有关的信息。传感器的位置极大地取决于所用的传感器的类 型。在本发明的这个实施例中，将反馈信号施加到压电致动器，作为结果，其产生了相应的位移，从而得到了要施加给MRI系统的反馈力。以此方式， 将阻尼引入系统中，由此降低了振动程度。使用MRI系统的响应来控制压电致动器的这个反馈控制策略也能够用 于未知的扰动，例如MRI系统的机械运动随时间改变的情况。使用这个控 制压电致动器的第一方式，可以达到约为4的振动减小系数。在第二方式中，根据本发明的优选实施例，借助于控制单元以抵消系 统的非故意机械运动的方式来控制所述多个压电致动器的位移。对控制单 元进行相应的调整。优选地，这是通过基于表示MRI系统的性能的信号而 控制所述多个压电致动器的位移来实现的。表示系统的性能的信号是一次 性信号，或者是按照规定时间间隔使用的信号，但不是当前信号。换句话 说，通过使用"前馈"或"开环"模式来控制压电致动器，而无需永久的 反馈信号发送。如上所述，表示MRI系统的性能的信号可以与系统的当前机械运动相 关。可以使用同一类传感器。表示MRI系统的性能的信号还可以与表示MRI系统的性能的其它信息相关，例如测量结果的质量。优选地，表示性能的信号可以与必须进行分 析以获得所需信号的图像质量相关。在本发明的这个实施例中，没有将反馈信号施加到压电致动器。替代 为提供启动信号，按照该启动信号，将一个力施加到MRI系统。用这种方 法，以抵消MRI系统的运动的方式，将抵消力引入系统中。这个前馈控制 策略不能用于未知的扰动。然而，这个实施例实现起来更容易且更廉价， 因为不必建立反馈回路。使用控制压电致动器的这个第二方式，可以达到 10以上的振动减小系数。控制压电致动器的两个方式是互补的。然而，如果非故意机械运动随 着时间而改变(频移)，则第一方式是优选的。可以结合这两个方法，以实现所谓的自适应前馈方案，在该方案中， 使用误差信号来调整前馈控制器。这个方法结合了前馈和反馈方案的优点，具有与前馈方案相当的性能，以及反馈方案的针对系统动力学中的变化(例 如由于温度波动造成的变化)的鲁棒性。
借助实例并参考以下实施例和附图，在下文中详细说明本发明的这些方面和其它方面；其中图1显示了MRI扫描器的第一实施例的示意图(侧视图)， 图2显示了MRI扫描器的第一实施例的示意图(顶视图)， 图3显示了该MRI扫描器和根据本发明第一实施例的控制单元的示意性框图，图4显示了对于扫描序列的未控制的动态响应， 图5显示了对于扫描序列的受控制的动态响应， 图6显示了MRJ扫描器的第二实施例的示意图(侧视图)， 图7显示了MRI扫描器的第三实施例的示意图(侧视图)， 图8显示了MRI扫描器的第三实施例的示意图(顶视图)， 图9显示了该MRI扫描器和根据本发明第三实施例的控制单元的示意 性框图。
具体实施方式
图1和2示出了本发明的第一实施例，形式上是高磁场开放式(high field open) (HFO) MRI扫描器1，其具有上梯度线圈装置2和下梯度线圈装置 3，它们借助于柱4彼此相连。MRI扫描器1的共振频率在25Hz附近。通 过切换X梯度线圈，分别由在上侧和下侧围绕Y轴的两个力矩Mgrad负担扫 描器。由四个支架5的形式的支撑结构支撑MRI扫描器1，其包括磁体9、 10和梯度线圈装置2、 3。每一个支架5都与弹性悬挂元件和压电致动器6 顺序地连接。以橡胶底座7的形式提供弹性悬挂元件，其充当振动隔离设 备。当然，其它材料和其它设计也可以用于弹性元件。四个压电致动器6 搁在建筑物地板8上。换句话说，橡胶底座7与协作的压电致动器6的组 合承载着MRI扫描器1的总重量，为此，将压电致动器6选择为足够硬。 橡胶底座7适应于MRI扫描器1的大重量。在本发明的可替换实施例(未示出)中，没有提供支架5。在此情况下，MRI扫描器1搁在压电致动器6 上，而没有中间的支撑结构。
提供了控制单元11，见图3，用于主动控制所述多个压电致动器6的 位移。在图1到3所示的实施例中，实施了 "反馈"或"闭环"控制模式， 在其过程中，以阻尼MRI扫描器1的非故意机械位移的方式来控制四个压 电致动器6。为此，控制单元11对应于表示MRI扫描器1的当前机械位移 的控制信号12来控制这四个压电致动器6的位移。加速计13位于每一个 橡胶底座7的顶部。加速计13向控制单元11发送对应于MRI扫描器1的 当前加速度的信号。根据这些反馈信号，控制单元11控制压电致动器6， 以便将定义的反馈力Fpiez。施加到橡胶底座7，由此降低振动程度，即阻尼 MRI扫描器1。以这样的方式连接压电致动器6: B卩，使得所有致动器6的 运动方向都朝向橡胶底座7。
现在更详细地说明控制单元11的操作。MRI扫描器1以其25Hz工作 模式工作(其它工作模式也是可用的，例如在60Hz， 100Hz等)。借助于经 由信号发生器14施加给该系统的控制序列，来激发MRI扫描器1。结果， 即开关X梯度线圈。同时地板振动31会影响MRI系统1的运动。控制单 元11实施反馈控制回路，该回路包括传感器变换元件15、单入单出(SISO) 控制器16和致动器变换元件17。传感器变换元件15将加速度传感器信号 25变换为单一感测信号26，借助于反相器18使其反相，并作为控制信号 12输入到SISO控制器16。由于SISO控制器16优选地以软件和/或数字电 子设备来实现，传感器变换元件15包括模数转换器功能，以将模拟加速度 传感器信号25转换为单一感测信号26。 SISO控制器16处理控制信号12， 以便经由致动器变换元件17控制压电致动器6。致动器变换元件17将SISO 控制器16的单一输出信号变换为四个独立的控制信号，用于每一个压电致 动器6。为此，致动器变换元件17包括数模转换器功能，以将SISO控制 器16的数字输出信号转换为四个独立的控制信号。四个放大器19连接到 致动器变换元件17，每一个放大器19都连接到一个压电致动器6。为了产 生压电致动器6的预期的位移，由放大器19将控制电压27施加到致动器6。 可替换地，可以使用四个独立的SISO控制器(未示出)，每个控制器用于 一个压电致动器6。因此，实现了多回路SISO控制，在其过程中，每一个所测量的加速度借助于专用SISO控制器16直接与压电致动器6配对。以 此方式，提供了四个独立的控制回路。SISO控制器、传感器变换元件和致 动器变换元件也可以实现为模拟电子设备或数字与模拟电子设备的组合。 借助于压电致动器6所产生的力是有限的。在一个实例中，最大控制
力Fcontroi，max由
F咖W,隨=AXpi咖，max Cm福《 5 ■ 1 0"6 1 106 = 5N
得到，其中，Axpiez。，皿表示压电致动器6的最大位移(例如士5^im)， Cm。unt 表示橡胶底座7的刚度(例如106N/m)。
MRI扫描器1的性能例如可以通过测量场变化28来监测。对于图4和 5，在未施加反馈控制和施加了反馈控制的情况下测量场变化。在图4和5 中，显示了对于扫描序列的动态响应，其使用了仅具有一个SISO控制器 16的控制单元。附图示出了由磁场变化的X梯度线圈产生的脉冲响应。稳 定时间减小了约4倍，最大频率幅度也减小了4倍。加速度级别在25Hz减 小13dB。换句话说，控制单元11通过使反馈力以产生阻尼且不出现共振的 方式工作，解决了共振问题。
图6示出了本发明的第二实施例。再一次显示了 HFOMRI扫描器1， 具有上和下梯度线圈装置2、 3，并使用了相同的反馈控制策略。与上述实 施例相对比，提供了另一类传感器。替代安装在橡胶底座7顶上的加速度 传感器13，提供了四个压电传感器21，其适于感测MRI扫描器1的运动。 这些传感器21中的每一个都顺序地安装在压电致动器6与支架5之间。每 一个支架5都由弹性元件来完成，例如橡胶底座7，位于压电致动器6与地 板8之间。因此，在这个第二实施例中，存在感测压电元件21和激励压电 元件6，由感测压电元件21产生的结果电压可以作为比例信号，用于控制 激励压电元件6。
这两个实施例说明了处理MRI扫描器1的25Hz工作模式的非常鲁棒 的方式。而且，这些实施例在频移的情况下非常有用。这些实施例例如可 以在不同工作模式情况(例如60Hz， 100Hz等)下使用。
图7和8再一次以具有上和下梯度线圈装置2、3的HFO MRI扫描器1 的形式示出了本发明的第三实施例。这个MRI扫描器1的结构基本上与第 一实施例中的相同。然而，提供了另一种控制单元11'，实施压电致动器6的另一种控制策略。在这个实施例中，实施了 "前馈"或"开环"控制模
式，在其过程中，以抵消MRI扫描器1的非故意机械运动的方式来控制四
个压电致动器6。而且，压电致动器6以这样的方式连接即使得两个相邻
致动器的运动方向相对于另外两个致动器的运动方向相反。换句话说，将
致动器6之中的两个安装为使得运动方向朝向地板8，将另两个致动器6安 装为使得运动方向朝向橡胶底座7。以此方式，如果相对于扫描器的非故意 运动的幅度准确地调整致动器的位移幅度，那么压电致动器6就能够有效 地抵消梯度线圈在25Hz的模式激发。
控制单元ll'按照表示MRI扫描器1性能的加速度传感器信号25'，来 控制压电致动器6，该信号是借助于安装在上梯度装置2顶上的加速度传感 器22测量Z方向上的加速度而获得的。在此，在开始主动振动控制之前， 借助于加速计22执行对扫描器的运动的一次性测量。基于这个信号25'， 在一次性设置过程中确定MRI扫描器1的非故意运动的相位，并且相对于 这个所确定的相位调整要借助于压电致动器6产生的反作用力的相位，以 便获得MRI扫描器1的减小的加速度，即减小的运动。换句话说，依据所 测量的信息，获得25Hz的运动，并经由控制单元11'反馈到压电致动器6。 用这种方法，能够避免在共振频率上的扫描器运动的非故意放大。
现在参考图9更详细的说明在一次性设置过程中控制单元ll'的操作。 由经由信号发生器14施加到系统的控制序列来激发MRI扫描器1。现在将 与用于控制X梯度线圈的相同的信号用作压电致动器6的控制信号12'。借 助于极窄带滤波器23对控制信号12'进行滤波，仅剩下在25Hz周围的信号， 其实际上引起了图像问题。接下来，如上所述，在相位控制器24中执行相 位补偿。随后将这个信号输入到四个放大器19中，压电致动器6连接到放 大器19。这些信号之中的两个预先借助于反相器18反相，以便如上所述地 控制两个相邻致动器6的运动方向。
借助于处理单元29执行控制单元11、 ll'的所有或者至少部分功能， 处理单元29适于执行运算和计算测量的输入数据，以及确定和评价结果并 输出数据的所有任务。根据本发明，借助于计算机软件来实现它，该软件 包括计算机指令，当由处理单元执行软件时，所述计算机指令适于执行本 发明方法的步骤。处理单元自身可以包括功能模块或单元，其可以以硬件、软件形式或二者组合的形式来实现。
对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明并不限于前述说明性 实施例的细节，本发明可以体现为其它特定形式，而不会脱离其精神或基 本属性。因此在各个方面都将本实施例认为是说明性的，而不是限制性的， 本发明的范围由所附的权利要求来表明，而不是依据前述的说明，因此意 图将在权利要求的相等意义和范围内的所有变化包含在其中。会更明显的 是词语"包括"不排除其它元件或步骤，词语"一"不排除多个，单个元 件，例如一种计算机系统或另一个单元可以完成权利要求中所述的几个装 置的功能。权利要求中的任何参考标记都不应解释为限制相关权利要求。
参考数字标记
MRI扫描器
上梯度装置 下梯度装置 柱
支架
压电致动器
橡胶底座
地板
磁体
磁体
控制单元
控制信号
加速计传感器
信号发生器
传感器变换元件
SISO控制器
致动器变换元件
反相器
放大器(自由) 压电传感器 加速计 带通滤波器 相位控制器 加速度传感器信号 感测信号 控制电压 场变化 处理单元
(自由) 地板振动
权利要求
1、一种磁共振成像(MRI)系统(1)，包括多个压电致动器(6)，所述多个压电致动器(6)位于所述MRI系统(1)的至少一个元件(2、3、5、9、10)与相关联的支撑表面(8)之间，并且彼此顺序地连接；以及控制单元(11、11’)，适于以减小所述MRI系统(1)的非故意机械运动的方式，主动控制所述多个压电致动器(6)的位移。
2、 如权利要求1所述的MRI系统(1)，还包括多个弹性元件(7)，位 于所述MRI系统(1)的所述至少一个元件(2、 3、 5、 9、 10)与所述多个 压电致动器(6)之间，和/或在所述多个压电致动器(6)与所述相关联的 支撑表面(8)之间，并且与所述压电致动器(6)顺序地连接。
3、 如权利要求1所述的MRI系统(1)，其中，所述控制单元(11)适 于以阻尼所述MRI系统(1)的非故意机械运动的方式，控制所述多个压电 致动器(6)的位移。
4、 如权利要求1所述的MRI系统(1)，包括传感器(13)，用于获得 表示所述MRI系统(1)的当前机械运动的信号，并且其中，所述控制单元(11)适于基于所述信号控制所述多个压电致动器(6)的位移。
5、 如权利要求1所述的MRI系统(1)，其中，所述控制单元(11，) 适于以抵消所述MRI系统(1)的非故意机械运动的方式，控制所述多个压 电致动器(6)的位移。
6、 如权利要求1所述的MRI系统(1)，其中，所述控制单元(11，) 适于基于表示所述MRI系统(1)的性能的信号，来控制所述多个压电致动 器(6)的位移。
7、 一种操作MRI系统(1)的方法，所述MRI系统(1)包括多个压电致动器(6)，所述多个压电致动器(6)位于所述MRI系统(1)的至 少一个元件(2、 3、 5、 9、 10)与相关联的支撑表面(8)之间，并且彼此 顺序地连接；以及控制单元(11、 11')，所述方法包括步骤以减小所述 MRI系统(1)的非故意机械运动的方式，借助于所述控制单元(11、 11') 主动控制所述多个压电致动器(6)的位移。
8、 一种用于控制MRI系统(1)的计算机程序，所述MRI系统包括多 个压电致动器(6)，并且所述多个压电致动器(6)位于所述MRI系统(1) 的至少一个元件(2、 3、 5、 9、 10)与相关联的支撑表面(8)之间，并且 彼此顺序地连接；以及控制单元(11、 11，)，用于控制所述多个压电致动器 (6)的位移，在计算机(29)中执行的所述计算机程序，包括计算机程序 指令，当在所述计算机(29)中执行所述计算机程序时，所述计算机程序 指令用于以减小所述MRI系统的非故意机械运动的方式，主动控制所述多 个压电致动器(6)的位移。
全文摘要
提供了一种具有主动振动控制的磁共振成像(MRI)系统(1)，其中，多个压电致动器(6)位于MRI系统(1)的至少一个元件(2、3、5、9、10)与相关联的支撑表面(8)之间，并彼此顺序地连接；以及控制单元(11、11’)适于以减小MRI系统(1)的非故意机械运动的方式，主动控制所述多个压电致动器(6)的位移。
文档编号G01R33/389GK101506678SQ200780030851
公开日2009年8月12日 申请日期2007年8月20日 优先权日2006年8月22日
发明者E·J·M·扬森, G·Z·安杰利斯, N·B·罗赞 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司