CN100490739C - 永磁磁共振成像系统磁体恒温控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种永磁磁共振成像系统磁体恒温控制装置，具有交流温度控制电路，温度控制器的信号输入端接有温度传感器，温度控制器的调节输出端通过交流执行器接至交流电加热体的交流供电回路中，还具有由温度传感器、温度控制器、直流电源及直流电加热体构成的直流温度控制电路，其中所述温度控制器的调节输出端通过直流加热执行器接至直流电加热体的直流供电回路中，温度控制器的报警输出端通过交流加热执行器接至交流电加热体的交流供电回路中；在温度传感器的信号输出端、直流电加热体以及交流电加热体的电源接线端分别设有滤波器；所述温度控器中存有温度控制程序。本发明提高了永磁型磁体的热稳定性，并具有高的控制精度及性能/价格比。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型医学影像设备，具体地说是一种永磁磁共振成像系统磁体恒温控制装置及方法。
背景技术
磁共振成像(MRI，Magnetic Resonance Imaging)是根据生物体磁性核(氢核)在磁场中的表现特性成像的高新技术，广范地应用于临床医学影像领域，是目前医学影像领域中最先进、最昂贵的诊断设备之一。
永磁型磁共振成像系统由永磁型磁体子系统、梯度子系统、射频子系统、计算机和图像处理子系统等组成，其中永磁型磁体是磁共振成像系统的关键部件，它的性能直接关系到系统的信噪比，因而在一定程度上决定着图像的质量。
永磁型磁体在成像空间内产生一均匀静磁场，通常称为主磁场，其磁场强度用B0表示(单位为特斯拉，用字母T表示)。评价永磁型磁体的性能指标主要有四项：主磁场强度、磁场均匀性、稳定性和有效孔径。永磁型磁体是由强磁性材料钕铁硼及其它材料构成的。由于钕铁硼的温度系数较大即对温度变化非常敏感，使其磁场的热稳定性变差，磁共振成像系统的中心频率漂移而影响磁共振成像系统的正常扫描。
在这一系统中，各控制参数的整定是非常重要的，参数设置的好坏，直接影响到控制系统的性能指标，即控制精度。如果参数设置的不好，造成系统发散振荡或等幅振荡，磁体的中心频率ω0(ω0＝γB0，其中γ为磁旋比，氢质子1H磁旋比为42.56MHz/T)也会随着磁体温度的振荡在不断地变化，影响图像的质量。
为了提高永磁型磁体的热稳定性，通常通过配置永磁型磁体的恒温控制系统来解决这一问题，现有技术中采用交流加热，虽然可以保证永磁型磁体在恒温下工作，但交流加热时其交变电流产生了电磁场，同样对磁共振系统造成了影响，同时由于被控对象是个约13吨或者20吨重的永磁型磁体，滞后时间较长，不能用常规的自整定方法获取恒温控制系统中PID的控制参数Kp，Ti和Td的范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可快速加热且提高永磁型磁体的热稳定性，从而使磁共振成像系统正常进行扫描，使图像质量满足医疗诊断的要求的永磁磁共振成像系统磁体恒温控制装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明永磁磁共振成像系统磁体恒温控制装置具有交流温度控制电路，温度控制器的信号输入端接有温度传感器，温度控制器的调节输出端通过交流执行器接至交流电加热体的交流供电回路中，其特征在于：还具有由温度传感器、温度控制器、直流电源及直流电加热体构成的直流温度控制电路，其中所述温度控制器的调节输出端通过直流加热执行器接至直流电加热体的直流供电回路中，温度控制器的报警输出端通过交流加热执行器接至交流电加热体的交流供电回路中；在温度传感器的信号输出端、直流电加热体以及交流电加热体的电源接线端分别设有滤波器；所述温度控器中存有温度控制程序。
所述直流电加热体为直流硅胶加热片；所述交流电加热体为交流电热电缆；所述直流执行器为固态继电器，交流执行器为交流接触器；所述温度传感器为铂热电阻温度传感器；所述设于温度传感器信号输出端、直流电加热体以及交流电加热体电源接线端的滤波器分别为信号馈通滤波器、直流电源馈通滤波器以及交流电源馈通滤波器；在所述永磁型磁体的表面设有保温材料。
本发明永磁磁共振成像系统磁体恒温控制方法，在磁共振成像系统扫描时，交流电加热体不工作，只有直流电加热体工作，磁共振成像系统不扫描时，在不同温度下采用交、直流同时加热或直流单独加热并自动转换的方式，其按温度控制程序的控制过程如下：
a.首先系统上电，程序初始化，在温度控制器中设置各控制参数；
b.温度控制器通过温度传感器输入的信号测量永磁型磁体的温度；
c.判断检测到的永磁型磁体温度是否低于交流加热限值；
d.上述过程c判断如为是，则温度控制器的报警输出端输出报警信号，通过交流及直流执行器使交流电加热体及直流电加热体在温度控制器的控制下按PID方式同时加热；
e.上述过程c判断如为否，则温度控制器的报警输出端停止报警输出，停止交流加热，按PID方式控制直流加热；
f.判断永磁型磁体的温度是否高于目标设定值？
g.上述过程g判断结果如为是，则停止直流加热，否则转至过程b。
其中在上述过程a中设置各控制参数时，比例系数Kp为1～10，积分时间常数Ti为1～100秒，微分时间常数Td为1～100秒；上述比例系数Kp、积分时间常数Ti以及微分时间常数Td最好为1、off、off；在上述控制过程中还可采用人工调节输出补偿的方法来调整积分系数。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.提高了永磁型磁体的热稳定性。由于本发明装置采用交、直流加热并自动转换的方式，通过交流加热使磁体温度快速地加热到预期的目标值；通过直流加热使磁共振成像系统扫描工作时更加安全及大大减弱了因交变电流产生的电磁场对磁共振图像的影响，同时，选择了较低的直流加热功率来维持永磁型磁体的热平衡，减小了系统的过冲，使扫描时磁共振成像系统中心频率的偏移量减小为原来的50％以下，从而明显提高了图像质量；
2.控制精度高。由于本发明方法采用PID过程控制，通过调节控制参数实现永磁型磁体的自怛温功能，使永磁型磁体的温度变化控制在±0.05℃范围内；
3.性能/价格比高。本发明虽然在现有交流加热的基础上增设了直流加热部分，成本有所增加，但性能却明显改进。
附图说明
图1为本发明磁体恒温控制装置的工作原理框图；
图2为本发明磁体恒温控制装置的电气原理图；
图3为本发明磁体恒温控制方法的流程图；
图4为本发明磁体恒温控制方法的实施例中参数设定的流程图。
具体实施方式
实施例1
本发明是为提高永磁磁共振成像系统中永磁磁场的热稳定性而设计的，其恒温的自动控制通过闭环方式实现，工作原理如图1所示，目标设定值r(t)减去测量值y(t)，得到偏差e(t)，偏差e(t)就是PID过程调节器的输入量，PID过程调节器的控制量u(t)如公式(1)所示：
u(t)＝Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Td×de(t)/dt] (1)
其中：Kp为比例系数；
Ti为积分时间常数；
Td为微分时间常数；
选取适当的Kp，Ti和Td使调节器的控制量u(t)控制固态继电器的占空比，从而控制电加热体的输出功率，使永磁型磁体控制精度在±0.05℃之内。
基于以上控制原理，本发明装置中采用两路温度控制电路，分别用于检测和控制永磁型磁体上极头和下极头的温度，如图2所示，该两路温度控制电路的结构完全相同，分别具有第1、2温度传感器TE1、TE2(本实施例中均采用铂电阻温度传感器)、第1、2温度控制器TC1、TC2(本实施例均采用SR50系列高性能PID过程调节器，)及交、直流电加热体，本实施例中直流电加热体采用两组直流硅胶加热片(每组为两片)，即第1、2组直流硅胶加热片EH1、EH2用导热硅胶分别粘贴在永磁型磁体的两个立柱上，其中第1组的两片粘贴在上部，第2组的两片粘贴在下部；交流电加热体采用两根交流电热电缆，即第1、2交流电热电缆EH3、EH4，用导热硅胶分别粘贴在上极头和下极头的侧表面；两个温度传感器，即第1、2温度传感器TE1、TE2分别安装在永磁型磁体的上极头及下极头的中间位置；温度控制电路中的其他各元件组装在不锈钢机箱中，并安装在磁体室和设备室之间的传导板上，在整个永磁型磁体的外表面还粘贴有导热系数非常低的保温材料，以减少环境温度对永磁型磁体的影响并提高控制精度。
该装置的电气结构以第1温度控制器TC1所在的控制电路为例说明如下：第1温度控制器TC1的信号输入端与第1温度传感器TE1相连，第1温度控制器TC1的调节输出端通过直流加热执行器(本实施例采用第1固态继电器SSR1)接至第1组直流硅胶加热片EH1的直流供电回路中，第1温度控制器TC1的报警输出端通过交流加热执行器(本实施例采用第1交流接触器KM1)接至第1交流电热电缆EH3的交流供电回路中；在第1温度传感器TE1的信号输出端、第1组直流硅胶加热片EH1以及第1交流电热电缆EH3的电源接线端分别设有第1～3信号馈通滤波器FL1～FL3、第1～2直流电源馈通滤波器FL7～8以及第1～2交流电源馈通滤波器FL11～12；第1温度控制器TC1的电源输入端接至交流工作电源；所述温度控器中存有温度控制程序。
SR50系列高性能PID过程调节器，测量精度为测量范围的0.25％，显示位数为四位，由于测量范围设定为0℃～50℃，因此，测量值的显示值在0.00℃～50.00℃内，小数点后面可以显示两位数字，极大地方便了现场工作人员的匀场工作，同时，也提高了主磁场的匀均性。
本发明方法如图3所示，在永磁磁共振成像系统中，磁共振成像系统扫描时，交流电加热体不工作，只有直流电加热体工作，磁共振成像系统不扫描时，在不同温度下采用交、直流同时加热或直流单独加热并自动转换的方式，其按温度控制程序的控制过程如下：
a.首先系统上电，程序初始化，在温度控制器中设置各控制参数；
b.温度控制器通过温度传感器输入的信号测量永磁型磁体的温度；
c.判断检测到的永磁型磁体温度是否低于交流加热限值；
d.上述过程c判断如为是，则温度控制器的报警输出端输出报警信号，通过交流加热执行器及直流加热执行器使交流电加热体按位式(开关量)控制加热，同时直流电加热体在温度控制器的控制下按PID方式加热；
e.上述过程c判断如为否，则温度控制器的报警输出端停止报警输出，停止交流加热；
f.判断永磁型磁体的温度是否高于目标设定值？
g.上述过程g判断结果如为是，则停止直流加热，否则转至过程b。
在上述控制过程中还可采用人工调节输出补偿的方法来调整积分系数Ti。
在上述过程a中设置各控制参数设定过程如图4所示：
S1：设定预期控制的目标值；
S2：设定交流加热限值；
S3：设定直流加热的控制参数比例带P值，其设定范围为0.1～999.9％FS，在这个装置中选择范围为0.1～1，步长为0.1，本发明为Kp＝1～10；
S4：设定直流加热的控制参数积分时间，其设定范围为1～6000秒，在这个装置中选择范围为1～100秒，步长为10秒，本发明为Ti＝1～100秒；
S5：设定直流加热的控制参数微分时间，其设定范围为1～3600秒，在这个装置中选择范围为1～100秒，步长为10秒，本发明为Td＝1～～100秒；
S6：设定直流加热的控制参数人工调节输出补偿，其设定范围为-50～+50，克服系统静差；
S7：设定测量值下限，本实施例设定值为0℃；
S8：设定测量值上限，本实施例设定值为50℃；
S9：测量值单位设定，本实施例选择摄氏度；
S10：铂电阻量程选择，本实施例选择“Pt5”，其测量范围为0～50℃，使得温控表显示的测量值小数点后面有二位；
S11：采样周期设定，其范围在4～20ms，本实施例设定4ms；
S12：输出正、反作用设置，本发明由于是加热控制，因此，本实施例设定为反作用方式；
S13：交流加热输出类型设定，本实施例设定为测量值和设定值的下限绝对值输出，也就是说，当测量值低于交流加热限值时，输出为ON，当测量值高于交流加热限值时，输出为OFF；
S14：交流加热控制回差设定，设定范围为0.2％～10％FS，其中FS是满量程；
S15：设定值和调整参数锁定，为禁止非相关人员修改设定值和调整参数。
本发明的控制原理如图1所示，交流加热限值r’(t)高于测量值y(t)时，r’(t)减去测量值y(t)，得到偏差e’(t)，偏差e’(t)温度控制器中位式控制调节(即开关量调节)的输入量，当偏差e’(t)>0时，即测量值y(t)低于交流加热限值时，该系统交流和直流同时加热，使磁体的温度快速逼近目标值，直到温度达到交流加热限值后，交流输出自动停止加热，直流继续加热到目标设定值；如果e’(t)≤0，即测量值达到了交流加热限值，则交流加热体自动停止加热，系统按PID控制方式对直流加热进行控制，直到检测温度达到在过程S1中设定预期控制的目标值。
由于被控对象是个约13吨或者20吨重的永磁型磁体，滞后时间较长，不能用常规的自整定方法获取Kp，Ti和Td参数。根据申请者在实践中的经验，在本实施例中过程S3～5的Kp设定值在1～10范围，Ti设定值在1～10秒，Td设定值在1～10秒，本实施例中该三个参数依次分别为1、off、off，使该系统响应时间最短、稳定性最好。经测试，第一种型号的永磁磁共振成像系统磁体中心频率的偏移量从原±1000Hz减小为±400Hz(该第一种型号的永磁磁共振成像系统的磁体中心频率为9.7888×106Hz)；第二种型号的永磁磁共振成像系统磁体中心频率的偏移量从原±1200Hz减小为±500Hz(该第二种型号的永磁磁共振成像系统的磁体中心频率为1.4896×107Hz)；
本实施例中过程S1设定预期控制的目标值为32℃；过程S2设定交流加热限值为31.5℃；为避免交流接触器误动作和频繁动作，温控控制器在过程S14中设置了0.2％的回差，相当于0.1℃；过程S11采样周期设定为4ms。
如果磁体温度稳定后其测量值稍微高于或低于设定值时，通过人工调节输出补偿Mr值来克服系统静差，使控制系统的控制精度达到±0.05℃之内，人工调节输出补偿Mr的调整百分比在-50～+50范围内，默认值为0。
实施例2
与实施例1的不同之处在于，在本实施例中过程S3～5的Kp、Ti、Td设定参数依次分别为10、100秒、100秒，经试验，该系统响应时间较短、稳定性较好。经测试，第一种型号的永磁磁共振成像系统的磁体中心频率的偏移量从原±1500Hz减小为±700Hz；第二种型号的永磁磁共振成像系统磁体中心频率的偏移量从原±2200Hz减小为±1100Hz。
在实际的匀场中，如果在+Z6～+Z1(磁场作用区域内的相对物理位置标定，共有-Z6～+Z6十三个区域)范围内的磁场强度值大于磁体中心频率值，则要增加上极头第1温度控制器TC1的Mr值；如果在+Z6～+Z1范围内的磁场强度值小于磁体中心频率值，则要减小上极头第1温度控制器TC1的Mr值；如果在-Z6～-Z1范围内的磁场强度值大于磁体中心频率值，则要增加下极头第2温度控制器TC2的Mr值；如果在-Z6～-Z1范围内的磁场强度值小于磁体中心频率值，则要减小下极头第2温度控制器TC2的Mr值。通过调节人工调节输出补偿Mr的值来减少+Z6～+Z1和-Z6～-z1之间的差值，不仅提高了控制系统的精度，也达到了节省匀场磁片的目的。
本发明保留原有交流加热的目的是为了使磁体温度快速地加热到预期的目标值；增设直流加热的目的是考虑到磁共振成像系统扫描工作时的安全问题和消除因交变电流产生的磁场对磁共振图像的影响。
Claims (10)
1.一种永磁磁共振成像系统磁体恒温控制装置，具有交流温度控制电路，温度控制器的信号输入端接有温度传感器，温度控制器的第1调节输出端通过交流执行器接至交流电加热体的交流供电回路中，其特征在于：还具有由所述温度传感器、所述温度控制器、直流电源及直流电加热体构成的直流温度控制电路，其中所述温度控制器的第2调节输出端通过直流加热执行器接至直流电加热体的直流供电回路中，温度控制器的报警输出端通过交流加热执行器接至交流电加热体的交流供电回路中；在温度传感器的信号输出端、直流电加热体以及交流电加热体的电源接线端分别设有滤波器；所述温度控制器中存有温度控制程序；上述交流温度控制电路及直流温度控制电路各为结构完全相同的两路，分别用于检测和控制永磁型磁体上极头和下极头的温度。
2.按权利要求1所述的永磁磁共振成像系统磁体恒温控制装置，其特征在于：所述直流电加热体为直流硅胶加热片；所述交流电加热体为交流电热电缆。
3.按权利要求1所述的永磁磁共振成像系统磁体恒温控制装置，其特征在于：所述直流执行器为固态继电器，交流执行器为交流接触器。
4.按权利要求1所述的永磁磁共振成像系统磁体恒温控制装置，其特征在于：所述温度传感器为铂热电阻温度传感器。
5.按权利要求1所述的永磁磁共振成像系统磁体恒温控制装置，其特征在于：所述设于温度传感器信号输出端、直流电加热体以及交流电加热体电源接线端的滤波器分别为信号馈通滤波器、直流电源馈通滤波器以及交流电源馈通滤波器。
6.按权利要求1所述的永磁磁共振成像系统磁体恒温控制装置，其特征在于：在所述永磁型磁体的表面设有保温材料。
7.一种永磁磁共振成像系统磁体恒温控制方法，其特征在于：
磁共振成像系统扫描时，交流电加热体不工作，只有直流电加热体工作，磁共振成像系统不扫描时，在不同温度下采用交、直流同时加热或直流单独加热并自动转换的方式，其按温度控制程序的控制过程如下：
a.首先系统上电，程序初始化，在温度控制器中设置各控制参数；
b.温度控制器通过温度传感器输入的信号测量永磁型磁体的温度；
c.判断检测到的永磁型磁体温度是否低于交流加热限值；
d.上述过程c判断如为是，则温度控制器的报警输出端输出报警信号，通过交流加热执行器及直流加热执行器使交流电加热体按位式控制加热，同时直流电加热体在温度控制器的控制下按PID方式加热；
e.上述过程c判断如为否，则温度控制器的报警输出端停止报警输出，停止交流加热，按PID方式控制直流加热；
f.判断永磁型磁体的温度是否高于目标设定值？
g.上述过程f判断结果如为是，则停止直流加热，否则转至过程b。
8.按权利要求7所述的永磁磁共振成像系统磁体恒温控制方法，其特征在于：其中在上述过程a中设置各控制参数时，比例系数Kp为1～10，积分时间常数Ti为1～100秒、off，微分时间常数Td为1～100秒、off。
9.按权利要求8所述的永磁磁共振成像系统磁体恒温控制方法，其特征在于：上述比例系数Kp、积分时间常数Ti以及微分时间常数Td分别为1、off、off。
10.按权利要求7所述的永磁磁共振成像系统磁体恒温控制方法，其特征在于：在上述控制过程中还可采用人工调节输出补偿的方法来调整积分系数。
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