专利名称：具有多个输出电压电平的精确mri梯度放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及诊断成像领域。具体地，涉及用于驱动磁共振成像扫描仪中的磁场梯度线圈的受控电源，并将特别参考其描述本发明。但是，一般地说，本发明涉及用于各种应用的精确受控电源。
在磁共振成像系统中，通常是通过在主磁芯内产生磁场梯度来执行空间编码的。这些梯度是通过一组磁场梯度线圈而形成的。通常，提供梯度线圈是用于在x、y和z方向中的每一方向上形成独立的磁场梯度。
磁共振成像技术如回波平面成像使用高场强，即高频的磁场梯度波形。此外，磁场梯度的梯度转换速率、波形、幅度和其它参数对于不同类型的成像序列变化很大。因此，磁场梯度线圈电源应在大电压(例如，峰值电压为100伏或更高)、大电流(例如，几百安培)以及高频(例如，每秒几百个周期)高转换速率下提供任意功率波形。而且，该电源应能够在双极性电压(4象限操作)下提供或吸收电流。
通常，脉宽调制开关放大器被用在磁场梯度电源中。通过在大约40kHz频率下振荡的载波信号触发的脉宽调制控制信号以载波信号频率转换开关电源，以提供脉宽调制功率给梯度线圈。通过梯度线圈所固有的低通滤波特性消除了在载波频率下的功率振荡。半桥和全桥脉宽调制放大器都已被采用。
这些放大器包括晶体管元件，它们应满足严格的电压、电流和速度(频率)要求。例如，这些晶体管应具有超过提供给梯度线圈的最大电压的最大额定电压，以及超过载波频率的最大额定频率。
这种开关放大器的另一个缺点是，它们不管所提供的功率值而在满电压(正或负)和零电压之间转换，这是由于功率是由脉冲的占空比来控制的，而不是由幅度控制的。在满电压和零电压之间的高频转换会带来谐波失真、大的纹波电流、梯度线圈内的大量热量和射频干扰等问题，这些可降低磁共振成像系统中其它元件的性能。
本发明的目的是要提供一种改进了的设备和方法，其克服了上面提到的局限和其它问题。
根据一个方面，公开了一种用于驱动磁共振成像设备的磁场梯度线圈的受控电源。多个开关功率调节器以串联形式电连接，用以提供功率给该梯度线圈。控制电路提供相位错开的脉宽调制控制信号给开关功率调节器。
根据另一个方面，提供了一种提供受控功率给磁共振成像设备的磁场梯度线圈的方法。产生相位错开的脉宽调制控制信号。产生多个开关功率输出。通过相位错开的脉宽调制控制信号中的一个转换每个开关功率输出。串联组合该开关功率输出。提供串联组合的开关功率输出给梯度线圈。
根据又一个方面，公开了一种用于将受控功率提供给磁共振成像设备的磁场梯度线圈的设备。提供用于产生相位错开的脉宽调制控制信号的装置。提供用于产生多个开关功率输出的装置，通过相位错开的脉宽调制控制信号中的一个转换该多个开关功率输出中的每一个。提供用于串联组合该开关功率输出的装置。提供用于提供串联组合的开关功率输出给梯度线圈的装置。
一个优点是减小功率放大器的高速晶体管上的电压负载。
另一个优点是可获得更高频率的功率输出而不会相应地增加开关频率。
又一个优点是减小谐波失真和纹波电流。
在阅读接下来的对优选实施例的详细描述的基础上，许多其它的优点和好处对本领域的普通技术人员都将变得很明显。
本发明可采用各种元件和元件的设置方式，并采用各种过程操作和过程操作的设置方式。附图仅是为了说明优选的实施例而并不应解释为是对本发明的限制。
图1示出了应用多级磁场梯度放大器的磁共振成像设备。
图2示出了图1所示成像设备中的一个磁场梯度放大器的电路。
图3示出了图1所示成像设备中的一个磁场梯度控制器的电路。
图4用图解法示出了图2和3所示的磁场梯度电源的低输出电压开关操作。
图5用图解法示出了图2和3所示的磁场梯度电源的中间输出电压开关操作。
图6用图解法示出了图2和3所示的磁场梯度电源的中间输出电压开关操作，其中的输出电压高于图5中的输出电压。
图7用图解法示出了图2和3所示的磁场梯度电源的高输出电压开关操作。
参考图1，磁共振成像扫描仪10包括圆柱形主磁体12，优选地，该主磁体12是超导的且是低温遮蔽的(cryoshrouded)。主磁体12限定出一磁芯14，在该磁芯14内部放有用于成像的患者或其它成像对象。主磁体12产生沿磁芯14纵轴的在空间和时间上恒定且均匀的主磁场。代替超导磁体，可以使用非超导磁体。此外，代替已说明的水平圆柱形主磁体12，还可以采用垂直磁体、开口磁体或其它类型的主磁体。
磁场梯度线圈16在磁芯14内产生磁场梯度，用于在空间上编码磁共振信号且用于产生磁化损坏(magnetization-spoiling)场梯度或类似情况。优选地，磁场梯度线圈16包括被构成在三个正交方向上产生磁场梯度的线圈，该三个正交方向包括与主磁场平行的纵轴方向。
整体射频线圈组件18产生用于激励磁共振的射频脉冲。该射频线圈组件18还用于检测磁共振信号。任选地，还包括附加的局部射频线圈或定相射频线圈阵列(图中未示出)，以用于激励和/或检测磁芯14内局部区域的磁共振。
梯度脉冲放大器20提供受控电流给磁场梯度线圈16以产生选定的磁场梯度。磁场梯度控制器22控制梯度脉冲放大器20。优选地，三个正交方向的梯度线圈(即，相互配合产生横向x和y方向梯度的线圈对，以及产生纵向z方向梯度的梯度线圈)的每一个都具有对应的梯度脉冲放大器20和磁场梯度控制器22，使得可以在x、y和z方向上产生独立的磁场梯度。
优选为数字式的射频发射机24提供射频脉冲或脉冲群给射频线圈组件18以产生选定的磁共振激励。也耦合到射频线圈组件18上的射频接收机26接收磁共振信号。如果提供了超过一个的射频线圈(如局部线圈或定相线圈阵列)，则可任意选用不同的线圈来用于磁共振激励和检测操作。
为了获得对象的磁共振成像数据，该对象被放在磁芯14的内部，优选地在主磁场的等角点或接近该等角点。序列控制器30和梯度控制器22以及射频发射机24相通信以在对象中产生选定的暂态或稳态磁共振结构，以在空间上对该磁共振进行编码，用以有选择性地损坏磁共振，或者产生对象的选定磁共振信号特征。产生的磁共振信号由射频接收机26检测，并被存储在k空间存储器34中。通过重建处理器36重建该成像数据，以产生被存储在图像存储器38中的图像表示。在一个合适的实施例中，重建处理器36执行傅立叶逆变换重建。
通过图像信号处理器40处理得到的结果图像表示，显示在用户界面42上，该用户界面优选地是个人计算机、工作站或其它类型的计算机。除了产生视频图像，还可以通过打印机驱动器处理该图像表示，并在计算机网络或因特网或类似网络上打印、传输该图像表示。优选地，用户界面42还允许放射学家或其它操作员与磁共振序列控制器30相通信以选择磁共振成像序列、修改成像序列、执行成像序列等。
参考图2，单独的梯度脉冲放大器201控制梯度线圈161。该梯度线圈161是图1中所示的梯度线圈16中的一个，而该梯度脉冲放大器201是图1中所示的梯度脉冲放大器20中的一个。典型地，梯度线圈161是在x方向、y方向或纵向z方向上产生选定的磁场梯度的一对梯度线圈中的一个。
梯度脉冲放大器201包括四个开关功率调节器50、52、54、56，它们分别接收相位错开的脉宽调制控制信号A、B、C、D。在所说明的实施例中，每个开关功率调节器50、52、54、56是调节电压Vin的半桥放大器。每个调节器50、52、54、56包括两个高速场效应晶体管60、62。晶体管60的栅极直接接收脉宽调制控制信号A、B、C、D，而反相器64插入在脉宽调制控制信号A、B、C、D和晶体管62的栅极之间。因此，晶体管60、62起到双稳态开关的作用。
在高压状态下，晶体管60导通而晶体管62不导通。这样将电压Vin施加在不导通的晶体管62上。在低压状态下，晶体管60不导通而晶体管62导通。在晶体管62上得到输出。四个开关功率调节器50、52、54、56的输出串联连接(注意，功率调节器52的下部输出端与功率调节器54的上部输出端连接，如通过连接点S所表示的)。
因此，串联连接的功率调节器50、52、54、56根据脉宽调制控制信号A、B、C、D的状态共同产生五个电压电平中的一个0V、Vin、2Vin、3Vin或4Vin。串联连接的功率调节器50、52、54、56共同提供Vin的电压分辨率，其是电压的最大输出电压4Vin的四分之一。
双极电路70接收串联连接的功率调节器50、52、54、56的输出。在所说明的实施例中，双极电路70是全桥放大器，其包括两对绝缘栅双极晶体管72、74。双极电路70以选定极性将串联连接的功率调节器50、52、54、56的输出施加给磁场梯度线圈161。
具体地，分别施加给晶体管72、74的输入P、N选择极性。如果输入P施加到处于导通状态的晶体管72上而输入N施加到处于不导通状态的晶体管74上，则提供第一极性。如果输入P施加到处于不导通状态的晶体管72上而输入N施加到处于导通状态的晶体管74上，则提供与第一极性相反的第二极性。优选地，电表76测量流过磁场梯度线圈161的电流。
在放大器201中，通过与功率调节器50、52、54、56分开的双极电路70提供极性选择。如稍后将讨论的，这种设置方式具有一定优点。但是，也可以考虑将极性选择与功率调节器50、52、54、56结合起来，例如通过用全桥功率调节器来代替半桥功率调节器50、52、54、56。
参考图3，通过磁场梯度控制器221产生脉宽调制控制信号A、B、C、D。该磁场梯度控制器221是图1中所示的梯度控制器22中的一个，并且与图2中的梯度脉冲放大器201和梯度线圈161相关联。
交流载波信号80限定出脉宽调制控制信号A、B、C、D的频率。在一个合适的实施例中，该交流载波信号80以40kHz振荡。相移电路82、84、86分别将该交流载波信号80的相位移相90°、180°和270°。该载波信号80被输入到脉宽调制器90，而相移电路82、84、86的输出被输入到脉宽调制器92、94、96。每个脉宽调制器90、92、94、96产生具有由输入载波信号限定的频率和相位的脉冲串。该脉冲串是脉宽调制控制信号A、B、C、D，所以控制信号A、B、C、D的相位错开90°间隔。
反馈控制器100比较设定点102与测量梯度线圈161中电流的电表76的输出。由控制器100根据比较结果产生的控制信号被输入到脉宽调制器90、92、94、96，并控制控制信号A、B、C、D的脉冲的脉冲宽度。典型地，根据成像序列所要求的所需磁场梯度通过序列控制器30(参见图1)提供设定点102。应理解的是，设定点102可动态地改变，例如随着磁场梯度的旋转而改变。此外，除梯度线圈电流以外的其它反馈信号可以被用于控制，如梯度线圈电压或通过梯度线圈161产生的磁场梯度的测量特性。
继续参考图2-3，并进一步参考图4-7，描述梯度控制器221和梯度放大器201的操作。在图4-7中每一个的下部，示出了脉宽调制控制信号A、B、C、D。在图4-7中每一个的上部，在0到4Vin的范围内画出由串联连接的开关功率调节器50、52、54、56提供给双极电路70的输出电压。在图4-7中的每一个中，示出交流载波信号80的周期Tcarrier。对于40kHz的载波频率，Tcarrier＝0.025ms。图4-7中的每一个进一步包括表示出该交流载波信号80的相位的横坐标。
图4示出了反馈控制器100产生对应于短脉冲宽度的控制信号的工作过程。具体地，图4中脉宽调制控制信号A、B、C、D的占空比小于25％。由于相位错开90°(即，载波周期Tcarrier的25％)，所以四个控制信号A、B、C、D的脉冲在时间上不会重叠。因此，输出电压110离散地在零伏和Vin之间变化。
应注意到，输出电压110的周期是载波周期Tcarrier的四分之一。因此，输出电压110的频率是载波频率的四倍。这是相位错开的结果。通过磁场梯度线圈161的固有低通滤波作用滤除了输出电压110中的高频成分。
图5示出了反馈控制器100产生对应于占空比在25％和50％之间的脉冲宽度的控制信号的工作过程。在这种情况下，存在脉宽调制控制信号A、B、C、D中的两个同时接通的区域。也就是说，存在有两个脉冲在时间上重叠的区域。此外，始终控制信号A、B、C、D中至少有一个在产生脉冲。结果，输出电压120离散地在Vin和2Vin之间变化。如图4中所示，频率是载波频率的四倍。
图6示出了反馈控制器100产生对应于占空比在50％和75％之间的脉冲宽度的控制信号的工作过程。在这种情况下，在任意给定的时刻，控制信号A、B、C、D中有两个或三个同时接通。也就是说，两个或三个脉冲在任意给定的时刻重叠。结果，输出电压130离散地在2Vin和3Vin之间变化。如图4和5中所示，频率是载波频率的四倍。
图7示出了反馈控制器100产生对应于占空比在75％和100％之间的脉冲宽度的控制信号的工作过程。在这种情况下，在任意给定的时刻，控制信号A、B、C、D中有三个或四个同时接通。也就是说，三个或四个脉冲在任意给定的时刻重叠。结果，输出电压140离散地在3Vin和4Vin之间变化。如图4-6中所示，频率是载波频率的四倍。
如图5-7中说明的，梯度控制器221和梯度放大器201的其中一个优点是，对于较高的所需输出电压(即，超过最大电压4Vin的四分之一的电压)，输出电压不会降到零伏。同样，如图4-6中说明的，对于较低的电压(即，低于最大电压4Vin的四分之三的电压)，输出电压不会升高到最大电压4Vin。实际上，对于任意给定的电压，瞬间变化的只是最大电压的四分之一，这样提供了改进的瞬时电压分辨率。
梯度控制器221和梯度放大器201的另一个优点是，对于给定的开关频率，也就是说对于给定的载波频率，输出功率的开关频率是载波频率的四倍。这使得能够在不使用更高速度的电子设备的情况下更精确地适应梯度的旋转。
在梯度放大器201中，高速场效应晶体管60、62从不承受超过最大电压Vin，该最大电压Vin是相当于4Vin的额定输出电压幅度Vrated的四分之一。因此，可以利用规定具有减小的最大工作电压的高速场效应晶体管60、62来构成开关电压调节器50、52、54、56，其中上述减小的最大工作电压超过Vin但充分低于Vrated。
相反，双极电路70的绝缘栅双极晶体管72、74承受提供给梯度线圈161的满电压幅度Vrated。但是，晶体管72、74不需要高频切换。因此，优选地，晶体管72、74被选择用于具有减小的速度要求的大功率操作中。具体地，可以利用规定具有额定频率的晶体管72、74来构成双极电路70，其中该额定频率基本上低于脉宽调制控制信号A、B、C、D的载波频率。
利用分开的双极电路70而不是将极性选择结合到功率调节器中的又一个优点是减小了电路的复杂性。例如，所说明的半桥功率调节器50、52、54、56与包含极性选择的类似电路(如全桥调节器)相比包括很少的元件。
尽管说明了具有四个开关电压调节器50、52、54、56的梯度控制器221和梯度放大器201，但本领域的技术人员可以很容易地增加或减少电压调节器级。对于N个开关电压调节器，相位错开值被优选地选为360°/N。输出功率频率是载波频率的N倍。电压分辨率是由电压调节器级的数量N划分的额定电压Vrated，也就是说，电压分辨率是Vrated/N。
如果通过包括额外的电压调节器来扩展梯度放大器201，其中额外的电压调节器的每一个都可调节输入电压Vin，则每个额外的电压调节器都增加了可被施加到梯度线圈161上的最大电压。例如，每个都调节输入电压Vin的六个电压调节器可输出的最大电压为6Vin，其电压分辨率为Vin。由于高速场效应晶体管60、62的每个都调节最大电压Vin，所以增加更多的电压调节器不会影响对高速晶体管60、62的选择。实际上，对于不工作在高速下的放大器201的四个晶体管70、72而言，可能需要对其进行修改，以适应当增加了更多的电压调节器级时所产生的更高的最大电压。
可供选择的，当通过降低由每个电压调节器调节的电压而增加调节器级时也可以得到额定电压。在这种情况下，随着调节器级的增加电压分辨率也增加了，并且高速场效应晶体管60、62处理更低的最大电压。
已经参考优选实施例描述了本发明。很明显的是，在阅读和理解前面的详细描述的基础上将做出各种修改和变化。本发明就是要打算包括落入在所附的权利要求和其等效内容的范围内的所有这些修改和变化。
权利要求
1.一种用于驱动磁共振成像设备(10)的磁场梯度线圈(161)的受控电源，该电源包括以串联形式电连接的多个开关功率调节器(50、52、54、56)，用以提供功率给该梯度线圈(161)；和控制电路(221)，该控制电路提供相位错开的脉宽调制控制信号(A、B、C、D)给开关功率调节器(50、52、54、56)。
2.如权利要求1中所述的电源，其中控制电路(221)包括相移电路(82、84、86)，每个相移电路都将不同的选定的相移引入交流载波信号(80)以限定出相位错开的交流载波信号；和脉宽调制电路(90、92、94、96)，每个脉宽调制电路都接收其中一个相位错开的交流载波信号，并产生具有由所接收的相位错开的交流载波信号所选定的频率和相位的脉冲串(A、B、C、D)。
3.如权利要求2中所述的电源，其中控制电路(221)进一步包括反馈控制器(100)，其与脉宽调制电路(90、92、94、96)相通信以根据设定点(102)和来自磁场梯度线圈(161)的反馈信号来控制脉冲串(A、B、C、D)中各个脉冲的脉冲宽度。
4.如权利要求1中所述的电源，其中，控制电路(221)包括控制器(100)，该控制器计算脉宽调制控制信号(A、B、C、D)的脉冲宽度，该计算得到的脉冲宽度控制提供给梯度线圈(161)的功率。
5.如权利要求1中所述的电源，其中，多个开关功率调节器(50、52、54、56)包括N个开关功率调节器(50、52、54、56)，并且控制电路(221)输出相位错开360°/N的N个相位错开的脉宽调制控制信号(A、B、C、D)。
6.如权利要求1中所述的电源，其中，有四个开关功率调节器(50、52、54、56)，并且控制电路(221)输出相位错开90°的四个相位错开的脉宽调制控制信号(A、B、C、D)。
7.如权利要求1中所述的电源，其中，每个相位错开的脉宽调制控制信号(A、B、C、D)具有相同的占空比。
8.如权利要求1中所述的电源，其中，每个开关功率调节器(50、52、54、56)包括半桥放大器。
9.如权利要求1中所述的电源，其中，每个开关功率调节器(50、52、54、56)包括高速场效应晶体管(60、62)。
10.如权利要求1中所述的电源，其中，开关功率调节器(50、52、54、56)的总数为N，并且每个开关功率调节器(50、52、54、56)都包括额定电压低于Vrated并高于Vrated/N的高速场效应晶体管(60、62)，其中Vrated是提供给梯度线圈(161)的最大电压幅度。
11.如权利要求1中所述的电源，进一步包括双极电路(70)，该双极电路接收来自串联连接的开关功率调节器(50、52、54、56)的功率，并以选定极性将功率提供给梯度线圈(161)。
12.如权利要求11中所述的电源，其中，控制电路(221)包括输出相位错开的载波信号的定时电路(80、82、84、86)；输出脉宽参数的脉宽电路(100)；和脉宽调制器(90、92、94、96)，其输出具有根据相位错开的载波信号而确定的相位和与脉宽参数对应的脉冲宽度的脉宽调制控制信号(A、B、C、D)。
13.如权利要求12中所述的电源，其中，脉宽调制器(90、92、94、96)包括多个脉宽调制器(90、92、94、96)，每个都接收其中一个相位错开的载波信号并输出其中一个脉宽调制控制信号(A、B、C、D)。
14.如权利要求12中所述的电源，其中，脉宽电路(100)根据测量得到的梯度线圈(161)的工作参数计算脉宽参数。
15.如权利要求11中所述的电源，其中，双极电路(70)包括全桥电路。
16.如权利要求11中所述的电源，其中，双极电路(70)包括绝缘栅双极晶体管(72、74)。
17.如权利要求11中所述的电源，其中，双极电路(70)包括额定频率基本上低于脉宽调制控制信号(A、B、C、D)的频率的晶体管(72、74)。
18.一种提供受控功率给磁共振成像设备(10)的磁场梯度线圈(161)的方法，该方法包括产生相位错开的脉宽调制控制信号(A、B、C、D)；产生多个开关功率输出，通过相位错开的脉宽调制控制信号(A、B、C、D)中之一来转换该多个开关功率输出中的每一个；串联组合该开关功率输出；并且提供串联组合的开关功率输出给梯度线圈(161)。
19.如权利要求18中所述的方法，其中，相位错开的脉宽调制控制信号(A、B、C、D)的产生包括通过选定的相移对载波信号(80)进行相移；根据载波信号(80)触发具有选定脉冲宽度的电脉冲；和对于多个相移中的每一个重复该相移和触发步骤。
20.如权利要求19中所述的方法，其中，多个相移中的每一个都是基本相移的整数倍。
21.如权利要求20中所述的方法，其中，基本相移是360°/N，其中N是相位错开的脉宽调制控制信号(A、B、C、D)的总数。
22.如权利要求18中所述的方法，进一步包括根据所需的磁场梯度选择相位错开的脉宽调制控制信号(A、B、C、D)的占空比。
23.如权利要求18中所述的方法，其中，将串联组合的开关功率输出提供给梯度线圈(161)的步骤包括以选定的极性将串联组合的开关功率输出提供给梯度线圈。
24.一种用于将受控功率提供给磁共振成像设备(10)的磁场梯度线圈(161)的设备，该设备包括用于产生相位错开的脉宽调制控制信号(A、B、C、D)的装置(221)；用于产生多个开关功率输出的装置(50、52、54、56)，通过相位错开的脉宽调制控制信号(A、B、C、D)中之一来转换该多个开关功率输出中的每一个；用于串联组合该开关功率输出的装置(S)；和用于提供串联组合的开关功率输出给梯度线圈(161)的装置(70)。
全文摘要
受控电源(20
文档编号G01R33/385GK1745315SQ200480003381
公开日2006年3月8日 申请日期2004年1月22日 优先权日2003年2月3日
发明者D·T·特拉比克, T·R·麦布赖德 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司