控制器、驱动单元、梯度线圈装置和磁共振成像设备的制造方法

文档序号:10768013阅读:585来源:国知局
控制器、驱动单元、梯度线圈装置和磁共振成像设备的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种控制器、驱动单元、梯度线圈装置和磁共振成像设备。所述控制器包括:前馈单元,连接到外部,前馈单元被构造为从外部接收参考电流,并根据接收的参考电流产生前馈电压;反馈单元,连接到负载,反馈单元被构造为从负载接收负载电流,并根据接收的负载电流产生反馈电压;控制电压产生单元,连接到前馈单元和反馈单元,控制电压产生单元被构造为接收前馈电压和反馈电压,并根据接收的前馈电压和反馈电压产生控制电压,其中,前馈单元由模拟元件构成。因此,可以显著地减小由前馈单元导致的延迟。
【专利说明】
控制器、驱动单元、梯度线圈装置和磁共振成像设备
技术领域
[0001] 本实用新型设及控制器、驱动单元、梯度线圈装置和磁共振成像设备。
【背景技术】
[0002] 磁共振成像(MRI)设备通常包括产生梯度磁场的梯度线圈装置。梯度线圈装置包 括根据从外部接收的参考电流来产生驱动电压的驱动单元、W及接收驱动电压并根据驱动 电压来产生梯度磁场的梯度线圈。为了根据参考电流来产生驱动电压,当前的驱动单元包 括根据参考电流来产生控制电压的控制器和根据控制电压来产生驱动电压的放大器。因为 梯度线圈的电学特性非常复杂,所W要求控制器能够对放大器进行精确地控制。为此,现有 的控制器采用了数字电路。然而,采用数字电路的控制器需要包括首先对参考电流进行模 数(A/D)转换,并在对数字信号进行处理之后进行数模(D/A)转换,W得到作为模拟信号的 控制电压,因此,采用数字电路的控制器需要单独的A/D转换电路和D/A转换电路,导致其成 本很高。此外,因为需要A/D转换和D/A转换,所W当调节参考电流W实现对放大器进行精确 控制时,从参考电流的改变的时间点到控制电压的改变的时间点之间存在着延迟,从而导 致无法及时地通过梯度线圈得到期望的梯度磁场。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型的示例性实施例的目的在于克服现有技术中的上述的和/或其他的问 题。因此,本实用新型的示例性实施例提供了一种可W显著地减小由前馈单元导致的延迟 的控制器、驱动单元、梯度线圈装置和磁共振成像设备。
[0004] 根据示例性实施例,提供了一种控制器,所述控制器包括:前馈单元,连接到外部, 前馈单元被构造为从外部接收参考电流,并根据接收的参考电流产生前馈电压;反馈单元, 连接到负载,反馈单元被构造为从负载接收负载电流,并根据接收的负载电流产生反馈电 压;控制电压产生单元,连接到前馈单元和反馈单元,控制电压产生单元被构造为接收前馈 电压和反馈电压,并根据接收的前馈电压和反馈电压产生控制电压,其中,前馈单元由模拟 元件构成。
[0005] 根据示例性实施例,提供了 一种驱动单元,其特征在于,所述驱动单元包括:如上 所述的控制器,连接到外部,W根据从外部接收的参考电流产生控制电压;放大器,连接到 控制器,放大器被构造为接收控制电压,并根据接收的控制电压向负载提供驱动电压。
[0006] 根据示例性实施例,提供了一种梯度线圈装置,所述梯度线圈装置包括:如上所述 的驱动单元,连接到外部,并被构造为根据从外部接收的参考电流来产生驱动电压;梯度线 圈,连接到驱动单元,并被构造为根据从驱动单元接收的驱动电压产生梯度磁场。
[0007] 根据示例性实施例,提供了一种磁共振成像设备,其特征在于,所述磁共振成像设 备包括如上所述的梯度线圈装置。
[0008] 通过下面的详细描述、附图W及权利要求,其他特征和方面会变得清楚。
【附图说明】
[0009]通过结合附图对于本实用新型的示例性实施例进行描述,可W更好地理解本实用 新型,在附图中:
[0010]图1是示出根据示例性实施例的梯度线圈装置的示意性框图;
[0011 ]图視示出根据示例性实施例的控制器的示意性框图;
[0012]图視示出根据示例性实施例的前馈单元的电路图;
[0013] 图4是示出根据示例性实施例的梯度线圈的等效电路图;
[0014] 图5是示出根据示例性实施例的波形图。
【具体实施方式】
[0015] W下将描述本实用新型的【具体实施方式】,需要指出的是,在运些实施方式的具体 描述过程中,为了进行简明扼要的描述,本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均 作详尽的描述。应当可W理解的是,在任意一种实施方式的实际实施过程中,正如在任意一 个工程项目或者设计项目的过程中,为了实现开发者的具体目标,为了满足系统相关的或 者商业相关的限制,常常会做出各种各样的具体决策,而运也会从一种实施方式到另一种 实施方式之间发生改变。此外,还可W理解的是,虽然运种开发过程中所作出的努力可能是 复杂并且冗长的,然而对于与本实用新型公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言, 在本公开掲露的技术内容的基础上进行的一些设计,制造或者生产等变更只是常规的技术 手段,不应当理解为本公开的内容不充分。
[0016] 除非另作定义,权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本实 用新型所属技术领域内具有一般技能的人±所理解的通常意义。本实用新型专利申请说明 书W及权利要求书中使用的"第一"、"第二"W及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者 重要性,而只是用来区分不同的组成部分。"一个"或者"一"等类似词语并不表示数量限制, 而是表示存在至少一个。"包括"或者"包含"等类似的词语意指出现在"包括"或者"包含"前 面的元件或者物件涵盖出现在"包括"或者"包含"后面列举的元件或者物件及其等同元件, 并不排除其他元件或者物件。"连接"或者"相连"等类似的词语并非限定于物理的或者机械 的连接,也不限于是直接的还是间接的连接。
[0017]图1是示出根据示例性实施例的梯度线圈装置的示意性框图。
[001引如图1中所示,根据示例性实施例的地图线圈装置可W包括驱动单元100和梯度线 圈 300。
[0019] 驱动单元100可W连接到外部,W从外部接收参考电流Iref。驱动单元100可W根 据参考电流Iref来产生驱动电压Vd。
[0020] 在一个示例性实施例中,驱动单元100可W包括控制器110和放大器130。
[0021] 控制器110可W连接到外部,W从外部接收的参考电流Iref。控制器110可W根据 接收的参考电流Iref来产生控制电压Vc。
[0022] 放大器130可W连接到控制器110, W接收控制电压Vc。放大器130可W根据接收的 控制电压Vc向负载(梯度线圈300)提供驱动电压Vd。
[0023] 梯度线圈300可W连接到驱动单元100,从而接收由驱动单元100产生的驱动电压。 驱动线圈300可W根据接收的驱动电压Vd来产生梯度磁场。
[0024] 根据示例性实施例的梯度线圈装置可W包括在磁共振成像设备中,W用于产生磁 共振成像所需的梯度磁场。
[0025] 图2是示出根据示例性实施例的控制器110的示意性框图。
[00%]如图2中所示,根据示例性实施例的控制器110可W包括前馈单元111、反馈单元 113和控制电压产生单元115。
[0027]前馈单元111可W连接到外部,W从外部接收参考电流Iref。前馈单元111可W根 据接收的参考电流Iref产生前馈电压Vff。如将在下面进行详细描述的,前馈单元111可W 由模拟元件构成。
[00%]反馈单元113可W连接到负载。运里,负载可W为梯度线圈300。反馈单元113可W 从作为负载的梯度线圈300接收在梯度线圈300中流动的负载电流Icoil。反馈单元113可W 根据接收的负载电流I coil产生反馈电压V扣。
[0029] 在一个示例性实施例中,反馈单元113可W第一加法器S1和比例积分单元PI。
[0030] 第一加法器S1可W连接到外部和负载。第一加法器S1可W接收参考电流Iref和负 载电流Icoil,并可W根据接收的参考电流Iref和负载电流Icoil产生第一加法器输出。
[0031] 比例积分单元PI可W连接到第一加法器S1。比例积分单元PI可W接收第一加法器 输出,并可W根据第一加法器输出产生反馈电压Vfb。
[0032] 控制电压产生单元115可W连接到前馈单元111和反馈单元113。控制电压产生单 元115可W接收前馈电压Vff和反馈电压Vfb,并可W根据接收的前馈电压Vff和反馈电压 V化产生控制电压Vc。
[0033] 在一个示例性实施例中,控制电压产生单元115可W包括第二加法器S2和脉冲宽 度调制单元PWM。
[0034] 第二加法器S2可W连接到前馈单元111和反馈单元113, W接收前馈电压Vff和反 馈电压V扎。第二加法器S2可W根据接收的前馈电压Vff和反馈电压V扎产生第二加法器输 出。
[0035] 脉冲宽度调制单元PWM可W连接到第二加法器S2,W接收第二加法器输出。脉冲宽 度调制单元PWM可W根据第二加法器输出产生经脉冲宽度调制的控制电压Vc。
[0036] 图3是示出根据示例性实施例的前馈单元111的电路图。
[0037] 如图3中所示,前馈单元111可W包括诸如电阻器R1-R4、电容器C1-C4、运算放大器 P1-P2的模拟元件。
[0038] 第一电阻器R1的第一端可W连接到外部,W接收参考电流Iref。
[0039] 第一电容器Cl的第一端可W连接到第一电阻器R1的第一端,第一电容器Cl的第二 端可W连接到第一电阻器R1的第二端。
[0040] 第二电阻器R2的第一端可W连接到第一电阻器R1的第二端。
[0041] 第二电容器C2的第一端可W连接到第二电阻器R2的第一端,第二电容器C2的第二 端可W连接到第二电阻器R2的第二端。
[0042] 第一运算放大器P1的负输入端可W连接到第一电阻器R1的第二端,第一运算放大 器P1的正输入端可W连接到地,第一运算放大器P1的输出端可W连接到第二电阻器R2的第 -*玉山 一綱。
[0043] 第Ξ电阻器R3的第一端可w连接到第一运算放大器PI的输出端。
[0044] 第Ξ电容器C3的第一端可W连接到第Ξ电阻器R3的第一端,第Ξ电容器C3的第二 端可W连接到第Ξ电阻器R3的第二端。
[0045] 第四电阻器R4的第一端可W连接到第Ξ电阻器R3的第二端。
[0046] 第四电容器C4的第一端可W连接到第四电阻器R4的第一端,第四电容器C4的第二 端可W连接到第四电阻器R4的第二端。
[0047] 第二运算放大器P2的负输入端可W连接到第Ξ电阻器R3的第二端,第二运算放大 器P2的正输入端可W连接到地,第二运算放大器P2的输出端可W连接到第四电阻器R4的第 二端和控制电压产生单元115, W将前馈电压Vff提供到控制电压产生单元。
[0048] 如上所述,根据示例性实施例的前馈单元111可W由模拟元件构成。下面将参照图 4来描述前馈单元111的各元件。图4是示出根据示例性实施例的梯度线圈300的等效电路 图,运样的等效电路图中各个单元的参数可W根据实际测得的线圈阻抗随频率的变化曲线 通过曲线拟合的方法得到。
[0049] 如图4中所示,梯度线圈300可W等效为由四个电阻单元(31、1?2、1?、1?扣)和四个电 感器1^、1^2、1^3、1^1(3构成的电路。
[0050] 具体地讲,第一电阻单元(R1)与第一电感单元L1串联连接,第二电阻单元(R2)与 第二电感单元L2串联连接,第Ξ电阻单元(R3)与第Ξ电感单元L3串联连接,串联连接的第 一电阻单元(R1)和第一电感单元L1、第二电阻单元(R2)和第二电感单元L2、第Ξ电阻单元 (R3)和第Ξ电感单元L3W及第四电感单元Ldc并联连接,并然后与第四电阻单元Rdc串联连 接。
[0051] 如此,根据示例性实施例的前馈单元111的第一电阻器至第Ξ电阻器R1、R2、R3的 电阻值可W分别设置为等于梯度线圈300的等效电路图的第一电阻单元至第Ξ电阻单元 (R1、R2、R3)的电阻值。因此,在本说明书中采用相同的附图标记来表示前馈单元111的第一 电阻器至第Ξ电阻器和梯度线圈300的等效电路图的第一电阻单元至第Ξ电阻单元。
[0052] 梯度线圈300的阻抗随频率的变化可W用如下拉氏方程来拟合:
[0化3]
[0054]在满足条件:R3>>Ri2、L3<<Li2、Li2<<1的情况下,式(1)与图4有如下对应关 系:
[0化引通常,磁共振设备所使用的线圈的电感小于0.0(^,所^。2<<1很容易满足。
[0059] 在做曲线拟合W得到图4参数的过程中,需设置限定条件R3>>Ri2、L3<<^2,W 便式(2)和(3)成立。由于图4中可调参数很多,限定条件R3>>Ri2、L3<<Li2很容易满足。
[0060] 为了用图3实现式(1)的功能,图3中运放的外围元器件参数可W从图4得到。即,第 一电阻器R1、第Ξ电阻器R3、第四电阻器R4的电阻值可W相等,即:
[0061 ] 化=化=尺4
[0062] 第一电阻器R1、第Ξ电阻器R3、第四电阻器R4的电阻值取值范围可W在几 kQ~几 十kQ之间,例如,可W为lOkQ。
[0063] 第二电阻器R2的电阻值可W为:
[0064] R2 = Ra · Ri
[0(?日]第一电容器至第四电容器Cl、C2、C3、C4的电容值可W分别为:
[0066]
[0067]图5是示出根据示例性实施例的波形图。
[006引如图5中所示,控制器110的前馈单元111由模拟元件组成,所W可W仅对输入的作 为模拟信号的参考电流Iref进行模拟信号转换(Iref-Vff)从而得到作为模拟信号的控制 电压Vc,W实现对于放大器130的控制并进而实现对于梯度线圈300的控制。
[0069] 根据示例性实施例,因为根据示例性实施例的前馈单元不包括A/D转换单元和D/A 转换单元,所W显著地减小了由前馈单元导致的延迟。
[0070] 另外,在现有的数字控制方法中,将式(1)经过Z变换后得到与数字采样频率相匹 配的离散方程,再用数字电路计算离散方程,W实时地得到式(1)中Z(s)的值。该方法需要 使用高速A/D、D/A转换忍片、复杂的离散方程计算忍片及电路,导致整个控制单元庞大而需 要一个单独的控制器。运样的控制器是控制放大器130的,所W需要许多连线W实现控制。 根据示例性实施例的模拟电路实现了上述控制器的功能,该模拟电路可W嵌入被控制的放 大器电路中,从而省略了两者之间的控制连线。
[0071] 与现有的W数字电路的方式实现的控制器相比,根据示例性实施例的模拟前馈单 元的成本更低。
[0072] 上面已经描述了一些示例性实施例。然而,应该理解的是,可W做出各种修改。例 如,如果所描述的技术W不同的顺序执行和/或如果所描述的系统、架构、设备或电路中的 组件W不同方式被组合和/或被另外的组件或其等同物替代或补充,则可W实现合适的结 果。相应地,其他实施方式也落入权利要求的保护范围内。
【主权项】
1. 一种控制器,其特征在于,所述控制器包括: 前馈单元,连接到外部,前馈单元被构造为从外部接收参考电流,并根据接收的参考电 流产生前馈电压; 反馈单元,连接到负载,反馈单元被构造为从负载接收负载电流,并根据接收的负载电 流产生反馈电压; 控制电压产生单元,连接到前馈单元和反馈单元,控制电压产生单元被构造为接收前 馈电压和反馈电压,并根据接收的前馈电压和反馈电压产生控制电压, 其中,前馈单元由模拟元件构成。2. 如权利要求1所述的控制器,其特征在于,前馈单元包括: 第一电阻器,第一电阻器的第一端连接到外部,以接收参考电流; 第一电容器,第一电容器的第一端连接到第一电阻器的第一端,第一电容器的第二端 连接到第一电阻器的第二端; 第二电阻器,第二电阻器的第一端连接到第一电阻器的第二端; 第二电容器,第二电容器的第一端连接到第二电阻器的第一端,第二电容器的第二端 连接到第二电阻器的第二端; 第一运算放大器,第一运算放大器的负输入端连接到第一电阻器的第二端,第一运算 放大器的正输入端连接到地,第一运算放大器的输出端连接到第二电阻器的第二端; 第三电阻器,第三电阻器的第一端连接到第一运算放大器的输出端; 第三电容器,第三电容器的第一端连接到第三电阻器的第一端,第三电容器的第二端 连接到第三电阻器的第二端; 第四电阻器,第四电阻器的第一端连接到第三电阻器的第二端; 第四电容器,第四电容器的第一端连接到第四电阻器的第一端,第四电容器的第二端 连接到第四电阻器的第二端; 第二运算放大器,第二运算放大器的负输入端连接到第三电阻器的第二端,第二运算 放大器的正输入端连接到地,第二运算放大器的输出端连接到第四电阻器的第二端和控制 电压产生单元,以将前馈电压提供到控制电压产生单元。3. 如权利要求2所述的控制器,其特征在于,当负载为磁共振成像设备的梯度线圈时, 梯度线圈等效为由第一电阻单元至第四电阻单元和第一电感单元至第四电感单元构成的 电路,其中, 第一电阻单元与第一电感单元串联连接,第二电阻单元与第二电感单元串联连接,第 三电阻单元与第三电感单元串联连接,串联连接的第一电阻单元和第一电感单元、第二电 阻单元和第二电感单元、第三电阻单元和第三电感单元以及第四电感单元并联连接,并与 第四电阻单元串联连接; 梯度线圈的等效电路可以由如下拉氏方程来拟合时,前馈单元的第一电阻器至第四电阻器以及第一电容器至第四电容器满足: Rl = R3 = R4; R2 = Ra · Rl ;其中,R1是第一电阻器和第一电阻单元的电阻值,R2是第二电阻器和第二电阻单元的电 阻值,R3是第三电阻器和第三电阻单元的电阻值,R4是第四电阻器的电阻值,Rdc是第四电阻 单元的电阻值,C 1是第一电容器的电容值、C2是第二电容器的电容值、C3是第三电容器的电 容值、C 4是第四电容器的电容值,L1是第一电感单元的电感值、L2是第二电感单元的电感值、 L3是第三电感单元的电感值、Ldc是第四电感单元的电感值,且:R3> >Rl2; L3<<Ll2; Ll2<<l〇4.如权利要求1所述的控制器,其特征在于,反馈单元包括: 第一加法器,连接到外部和负载,第一加法器被构造为从外部接收参考电流和从负载 接收负载电流,并根据接收的参考电流和负载电流产生第一加法器输出; 比例积分单元,连接到第一加法器,比例积分单元被构造为接收第一加法器输出,并根 据第一加法器输出产生反馈电压。5. 如权利要求1所述的控制器,其特征在于,控制电压产生单元包括: 第二加法器,连接到前馈单元和反馈单元,第二加法器被构造为接收前馈电压和反馈 电压,并根据接收的前馈电压和反馈电压产生第二加法器输出; 脉冲宽度调制单元,连接到第二加法器,脉冲宽度调制单元被构造为接收第二加法器 输出,并根据第二加法器输出产生经脉冲宽度调制的控制电压。6. -种驱动单元,其特征在于,所述驱动单元包括: 如权利要求1至权利要求5中任意一项权利要求所述的控制器,连接到外部,以根据从 外部接收的参考电流产生控制电压; 放大器,连接到控制器,放大器被构造为接收控制电压,并根据接收的控制电压向负载 提供驱动电压。7. -种梯度线圈装置,其特征在于,所述梯度线圈装置包括: 如权利要求6至所述的驱动单元,连接到外部,并被构造为根据从外部接收的参考电流 来产生驱动电压; 梯度线圈,连接到驱动单元,并被构造为根据从驱动单元接收的驱动电压产生梯度磁 场。8. -种磁共振成像设备,其特征在于,所述磁共振成像设备包括如权利要求7所述的梯 度线圈装置。
【文档编号】G01R33/385GK205450235SQ201521086167
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年12月23日
【发明人】顾虹, 曹珍恩
【申请人】通用电气公司
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