CN102947720B - 梯度线圈电源和磁共振成像系统 - Google Patents

梯度线圈电源和磁共振成像系统 Download PDF

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Abstract

用于磁共振成像系统（800）的梯度线圈电源（100、812）包括：至少两个H桥电路（104、106、108、200、202、204、206）；其中H桥电路串联连接；其中H桥电路中的每个当处于第一切换状态（200）中时供应第一极性的电压；其中当H桥处于第二切换状态（202）中时，每个H桥电路供应第二极性的电压；其中每个H桥电路当处于第三切换状态（204）中时不供应电压；其中每个H桥电路当处于第四切换状态（206）中时不供应电压；以及用于控制H桥电路的切换的控制器（814），其中控制器被配置为：接收（600、700）梯度脉冲序列（818），创建（602、702）用于控制H桥电路中的每个的切换的切换计划，其中切换计划包括通过在第一切换状态和第二切换状态之间交替来控制梯度线圈电源的电压输出，其中切换计划还包括在第三切换状态或第四切换状态中操作（710）从H桥电路选择的至少一个H桥电路以作为切换计划的部分来冷却H桥电路，执行（604、704）切换计划。

Description

梯度线圈电源和磁共振成像系统
技术领域
本发明涉及磁共振成像，特别是涉及用于磁共振成像系统的磁场梯度线圈的电源。
发明背景
在磁共振成像（MRI）中，梯度放大器一般用于为三个磁场梯度线圈提供电流以提供对位于磁场中的原子自旋的3维空间编码。
这些梯度放大器一般以高峰值功率（对于现今的样品来说为几个100kW直到2MW）和所产生的电流波形的高精度为特征。由使用脉冲宽度调制（PWM）的串联连接的全桥组成的电路被用于构建梯度放大器。
这一电路拓扑被已知有几个名称，例如“堆叠H桥”、“级联H桥”或“级联多单元转换器”。现有技术的梯度放大器是由具有固态开关的一系列H桥组成的切换模式放大器。
电力电子中的基本电路是典型的开关单元（canonical switching cell）。一般使用理想的开关来讨论规范开关单元。然而，更实际的实施方式是使用具有反向并联二极管的绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为开关。
规范开关单元用于控制功率流，并由此控制两个系统之间的能量的交换。操作两个开关，使得负载被连接到电压源的正端子或负端子。以一定方式操作开关，使得在任何时间闭合这些开关中的恰好一个。闭合两个开关被禁止，因为这将在电压源两端产生短路，并由此可能引起不受限制的电流流动；断开两个开关将阻止来自电流源的电流正确流动，可能引起不受限制的电压升高。两个触发信号控制这两个开关的状态，使得当触发信号是1时，开关闭合，而当触发信号等于0时，则开关断开。由于上面所讨论的约束，这两个触发信号是彼此的逻辑反转。注意，这是非常通常的和概念上的电路：根据电压V和电流I的极性，功率流可以处于任一方向。
两个IGBT开关的组合被定义为相支路（phase leg）；这个名称的起源是三个这些电路对构造三相电压源逆变器来说是必要的，三相电压源逆变器目前是驱动中等功率（大约100W到1MW）感应电动机的优选的电路。
单个相桥臂被使用的最常见的方式是通过使用脉冲宽度调制（PWM）来控制两个所连接的系统之间的功率流。PWM的最简单的示例是，其中两个门信号显示在时间上重复的模式。第一门信号在间隔δTk期间被接通并传导，而第二门信号在互补间隔(1-δ)Tk期间被接通，其中Tk表示重复间隔。时间间隔δTk也可被表示为在PWM周期的一个时间段门被打开的时间的百分比。
对于磁共振成像系统，在第一切换状态和第二切换状态之间以例如20kHz的固定频率切换H桥。在这两个切换状态的每个中花费的时间确定了时间平均输出电压。IGBT部分地开关损耗（例如50%）且部分地是传导损耗（也是50%）。IGBT被连续地切换。需要切换频率的最小值来实现某个带宽。
在J.Sabatze等人的“High-Power High-Fidelity Switching AmplifierDriving Gradient Coils for MRI Systems”（35th Annual IEEE Power ElectronicsSpecialists Conference，2004，第261-266页）中公开了一种控制梯度线圈电源中的H桥以减少开关损耗的方法。在该论文中，被供应了800V的两个高电压桥未被脉冲调制，而且只在超过400V被需要时提供电压。当不在使用中时，它们保持在空转模型（freewheeling model）中，而不输出电压。
发明概述
本发明在独立权利要求中提供了一种梯度线圈电源、一种操作梯度线圈电源的方法、一种计算机程序产品和一种磁共振成像系统。在从属权利要求中给出了实施例。
对H桥电路作为梯度线圈功率供应的部分能够提供多少功率或多少RMS电流的限制是由它能够耗散的热量来确定的。以固定速率对H桥进行切换导致在H桥电路中的固定开关损耗。即使H桥电路仅供应低的时间平均电压，开关损耗也将与当H桥供应接近于其最大值的时间平均电压时的情况相同。技术问题因此是增加由H桥或梯度线圈电源提供的RMS电流。本发明的实施例可以实现在梯度放大器中的开关损耗的减小和/或交换开关损耗用于传导性耗散。在一些实施例中，这可通过改变H桥的切换的方法来实现。在一些实施例中，通常通过在第一切换模式和第二切换模式之间切换来操作H桥电路。这对应于操作H桥电路的正常脉冲宽度调制方法。然而，也可以将H桥切换到可替代的操作模式，在该操作模式中，H桥的电压源只传导电流而不提供电压。可以使H桥电路保持在该状态中以冷却。如果这是利用梯度线圈电源中的各个H桥电路来完成的，则能够降低H桥电路的总操作温度。这允许了由梯度线圈电源供应增加的RMS电流。
磁共振图像（MRI）数据在本文被定义为在磁共振成像扫描期间通过磁共振装置的天线所记录的由原子自旋发射的射频信号的度量。磁共振成像（MRI）图像在本文被定义为对磁共振数据内包含的解剖学数据的重建的二维或三维可视化。
如本文使用的计算机可读存储介质是可以存储由计算设备的处理器可执行的指令的任何存储介质。计算机可读存储介质可以是计算机可读的非暂态存储介质。计算机可读存储介质也可以是有形计算机可读介质。在一些实施例中，计算机可读存储介质也可以能够存储能够由计算设备的处理器访问的数据。计算机可读存储介质的示例包括但不限于：软盘、磁性硬盘驱动器、固态硬盘、闪存、USB拇指驱动器、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、光盘、磁光盘、和处理器的寄存器文件。光盘的示例包括紧致盘（CD）和数字通用盘（DVD），例如CD-ROM盘、CD-RW盘、CD-R盘、DVD-ROM盘、DVD-RW盘或DVD-R盘。术语“计算机可读存储介质”也指能够由计算机设备经由网络或通信链路访问的各种类型的记录介质。例如，可通过调制解调器、通过互联网、或通过局域网来检索数据。
计算机存储器是计算机可读存储介质的示例。计算机存储器是处理器可直接访问的任何存储器。计算机存储器的示例包括但不限于：RAM存储器、寄存器和寄存器文件。
计算机存储装置是计算机可读存储介质的示例。计算机存储装置是任何非易失性计算机可读存储介质。计算机存储装置的示例包括但不限于：硬盘驱动器、USB拇指驱动器、软盘驱动器、智能卡、DVD、CD-ROM和固态硬盘驱动器。在一些实施例中，计算机存储装置也可以是计算机存储器，或反之亦然。
如本文使用的“处理器”包括能够执行程序或机器可执行指令的电子部件。对“处理器”的提及应被解释为可能包含多于一个处理器。术语“处理器”也应被解释为可能指计算设备的集合或网络，每个计算设备包括处理器。很多程序使它们的指令由多个处理器执行，该多个处理器可以在同一计算设备内或可以甚至分布在多个计算设备中。
如本文使用的“H桥”包括具有电压源和四个开关元件的电路，该四个开关元件用于连接电压源与H桥电路的输出。该开关元件允许H桥电路所输出的电压的极性被切换。
在一个方面，本发明提供了用于磁共振成像系统的梯度线圈电源。梯度线圈电源是被配置为向磁共振成像梯度线圈的线圈提供电压的电源。在提到磁共振成像梯度线圈的线圈时，应当理解的是，线圈实际上包括多个线圈。典型地，三组线圈用于在三个方向上产生磁场梯度。这些方向常常彼此正交。
梯度线圈电源包括至少两个H桥电路。H桥电路串联连接。当在第一切换状态中时，每个H桥电路供应第一极性的电压。当H桥在第二切换状态中时，每个H桥电路供应第二极性的电压。当在第三切换状态中时，每个H桥电路不供应电压。当在第四切换状态中时，每个H桥电路不供应电压。当在第三切换状态和第四切换状态中时，H桥电路能够传导电流。
H桥电路包括电压源和四个开关元件，开关元件允许电压源连接到正向偏置或反向偏置的H桥电路的输出端。本质上，H桥电路用于以正向或反向偏压方式连接电压源。由磁共振成像梯度线圈产生的磁场取决于流经梯度线圈的电流。通过在各种状态之间切换H桥电路，可以控制穿过梯度线圈的电流。这具有控制由梯度线圈产生的磁场的效果。
梯度线圈电源还包括用于控制H桥电路的切换的控制器。本质上，控制器控制每个H桥电路处于该四个状态的哪个中。控制器被配置为接收梯度脉冲序列。本文使用的梯度脉冲序列是激励磁共振成像梯度线圈的时间相关计划。例如，梯度脉冲序列可以是根据时间的流经梯度线圈的特定电流。类似地，也可以依照磁共振成像梯度线圈所产生的磁场来写梯度脉冲序列。控制器还被配置为创建用于控制每个H桥电路中的切换单元的切换的切换计划。本质上，切换计划是用于根据时间控制每个H桥电路处于四个切换状态的哪个中的计划。
在一些实施例中，控制器可以包括用于接收梯度脉冲序列的接收装置。在一些实施例中，控制器可以包括用于创建控制每个H桥电路的切换的切换计划的切换计划创建装置。
切换计划包括用于通过在第一切换状态和第二切换状态之间交替来控制梯度线圈电源的输出的指令。切换计划还包括在第三切换状态或第四切换状态中操作从H桥电路选择的至少一个H桥电路以作为切换计划中用于冷却H桥电路的部分。在正常操作期间，在第一状态和第二状态之间切换H桥电路。这允许控制由梯度线圈电源供应到梯度线圈的电流。
H桥电路在操作期间具有两种类型的损耗机制。第一种是传导损耗。这些是类似于当电流穿过每个H桥电路的开关元件时的正常欧姆损耗的损耗。此外，当开关元件被从一个状态改变到其它状态时，存在额外的损耗。通过将H桥电路置于第三状态或第四状态中持续预定量的时间，电流仅仅通过第三状态或第四状态中的H桥电路被传导，并且没有额外的开关损耗。这是有利的，因为H桥电路可以被有效地冷却。
在另一实施例中，切换计划还包括在第一切换状态和第二切换状态之间以改变的频率切换H桥电路。在该实施例中，由H桥电路产生的波形是改变的。这是有利的，因为H桥电路的切换频率可以适应于波形要求。对于一些脉冲序列，脉冲序列的实际波形不是关键的，但电流的积分是关键的。例如，通过以改变的频率切换H桥电路，可以降低频率以维持电流的积分。这允许以较低的频率操作H桥电路，并且也允许H桥电路变得更冷。这可以允许由H桥电路供应额外的电流。
还可以将切换计划还包括在第一切换状态和第二切换状态之间以改变的频率切换H桥电路的实施例作为单独的方法来执行。也就是说，可以在不在第三或第四切换状态中操作从H桥电路选择的至少一个H桥电路以作为切换计划中用于冷却H桥电路的部分的情况下，执行该方法。对切换计划还包括在第一切换状态和第二切换状态之间以改变的频率切换H桥电路的实施例的执行有利的是独自执行，因为这减少了个体的H桥电路中的开关损耗。
在另一实施例中，控制器还被配置为改变频率以最小化H桥电路中的开关损耗并增大能够由H桥电路传导的最大均方根电流。本质上，可以通过降低H桥电路被切换的频率来减少开关损耗。如果控制器能够接收梯度脉冲序列并且然后改动它，使得它在磁共振成像期间具有相同的效果但是以较慢的切换速率，则将减小开关损耗。这可以允许H桥电路在它们变得过热之前供应更多的电力。在一些实施例中，控制器可以包括用于改变频率以最小化H桥电路中的开关损耗的频率改变装置。
还可以将控制器还被配置为改变频率以最小化H桥电路中的开关损耗并增加能够由H桥电路传导的最大均方根电流的实施例作为单独的方法来执行。也就是说，可以在不在第三或第四切换状态中操作从H桥电路选择的至少一个H桥电路以作为切换计划中用于冷却H桥电路的部分的情况下，执行该方法。对控制器还被配置为改变频率以最小化H桥电路中的开关损耗并增加能够由H桥电路传导的最大均方根电流的实施的例执行有利的是独自执行，因为这减少了个体的H桥电路中的开关损耗。
在另一实施例中，控制器还被配置为确定梯度脉冲序列的最小带宽。切换计划还包括调节高于最小阈值的改变的频率。最小阈值是为了获得最小带宽的最小频率。在该实施例中，最小带宽是使脉冲序列对磁性自旋有等同影响所必需的带宽。限制带宽的影响等同于将梯度脉冲序列分解成傅立叶分量，并且然后去除高于截止频率的那些分量。这当然影响了波形并且使得急剧转变变得更平缓。然而，如果截止频率足够高，则这将对很多梯度脉冲序列没有影响。在一些实施例中，控制器可以包括用于确定梯度脉冲序列的最小带宽的带宽确定装置。
可以将控制器还被配置为确定梯度脉冲序列的最小带宽的实施例作为单独的方法来执行。也就是说，可以在不在第三或第四切换状态中操作从H桥电路选择的至少一个H桥电路以作为切换计划中用于冷却H桥电路的部分的情况下，执行该方法。对控制器还被配置为确定梯度脉冲序列的最小带宽的实施例的执行有利的是独自执行，因为这减少了个体的H桥电路中的开关损耗。
在另一实施例中，脉冲序列指定具有梯形形状的时间相关电流。梯形形状指定恒定电流被指定的时间段。例如，电流可以以斜坡方式升高，然后被维持在稳定水平，并且然后再次根据时间而降低。还可以使恒定电流等同于该稳定水平。切换计划还包括减小在该时间段期间的改变的频率。这是有利的，因为当恒定电流被指定时，穿过梯度线圈的电压和电流在该时间段期间不改变。该实施例具有改变的频率被减小的优点。这减少了开关损耗并允许H桥冷却。
关于梯度线圈脉冲序列的一些观察：
-MR中的几乎所有的波形都以梯形为基础。
-对大部分梯形的最重要的要求是梯度区域的精确性和可再现性。准确的形状不是什么问题。
-读出的梯度的形状是重要的。
-在梯形的平坦部分期间，放大器只需要输送低电压。
-很多斜率位于与放大器的最大电压相对应的最大转换速率处。
在该实施例中，思想是减小开关损耗，以便允许更高的传导损耗，即，增加（RMS）电流。这可以针对梯度波形的某些部分执行。这可以通过将由控制器控制的具有多种操作模式的放大器来实施。
还可以将脉冲序列指定具有梯形形状的时间相关电流的实施例作为单独的方法来执行。也就是说，可以在不在第三或第四切换状态中操作从H桥电路选择的至少一个H桥电路以作为切换计划中用于冷却H桥电路的部分的情况下，执行该方法。对脉冲序列指定具有梯形形状的时间相关电流的实施例的执行有利的是独自执行，因为这减少了个体的H桥电路中的开关损耗。
在另一实施例中，切换计划还包括将H桥电路固定在第一切换状态或第二切换状态中持续一段时间。在第一和第二状态之间切换本领域中目前使用的H桥电路。一般，指定占空比。该占空比具有某个最小值或最大值。相反，在该实施例中，将特定的H桥电路固定在第一切换状态或第二切换状态中一段时间。然后H桥电路能够不断地供应电压，并且没有开关损耗。这也意味着H桥电路能够供应较大范围的电压。这是因为电压的一部分由于本领域当前状态中的H桥电路的最小或最大占空比而损失。
切换计划还包括将H桥电路中的一个到多达除了一个之外的全部设置到第一切换状态或第二切换状态持续一段固定的时间段。可以以改变的频率切换其余的H桥电路。切换计划还包括在第一切换状态和第二切换状态之间以改变的频率切换其余的H桥电路。固定的时间段比改变的频率的时间段更长。该实施例具有允许比起当所有H桥电路被切换时的情况更大的电压范围。这是归因于之前提到的最大和/或最小占空比。
还可以将切换计划还包括将H桥电路固定在第一或第二切换状态中持续一段时间的实施例作为单独的方法来执行。也就是说，可以在不在第三或第四切换状态中操作从H桥电路选择的至少一个H桥电路以作为切换计划中用于冷却H桥电路的部分的情况下，执行该方法。对切换计划还包括将H桥电路固定在第一或第二切换状态中持续一段时间的实施例的执行有利的是独自执行，因为这减少了个体的H桥电路中的开关损耗。
在另一实施例中，第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元和第四开关单元是IGBT开关单元。
在另一实施例中，每个H桥包括电压源。每个H桥还包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元和第四开关单元。可以使用固态或机械的开关单元。然而，一般使用固态或基于晶体管的开关单元。当H桥处于第一切换状态中时，第一开关单元和第四开关单元闭合，而第二开关单元和第三开关单元断开。当H桥处于第二切换状态中时，第二开关单元和第三开关单元闭合，而第二开关单元和第三开关单元断开。当H桥电路处于第三切换状态中时，第三开关单元和第四开关单元断开，而第一开关单元和第二开关单元闭合。当H桥电路处于第四切换状态中时，第三开关单元和第四开关单元闭合，而第一开关单元和第二开关单元断开。
在另一实施例中，每个H桥电路具有第一输出端和第二输出端。每个开关单元具有第一连接端和第二连接端。第一开关单元的H桥的第一连接端连接到H桥电路的第一输出端。第一开关单元的第二连接端连接到第二开关单元的第一连接端。第二开关单元的第二连接端连接到H桥电路的第二输出端。第三开关单元的第一连接端连接到H桥电路的第一输出端。第三开关单元的第二连接端连接到第四开关单元的第一连接端。第四开关单元的第二连接端连接到第二输出端。每个电压源包括第一电压输出端和第二电压输出端。第一电压输出端连接到第一开关单元的第二连接端。第二电压输出端连接到第三开关单元的第二输出端。
在另一方面，本发明提供了一种操作用于磁共振成像系统的梯度线圈电源的方法。该梯度线圈电源包括至少两个H桥电路。H桥电路被串联连接。每个H桥电路当处于第一切换状态中时供应第一极性的电压，其中当H桥处于第二切换状态中时，每个H桥电路供应第二极性的电压。每个H桥电路当处于第三切换状态中时不供应电压。每个H桥电路当处于第四切换状态中时不供应电压。该方法包括接收梯度脉冲序列的步骤。
该方法还包括创建用于控制对每个H桥电路中的开关单元的切换的切换计划的步骤。切换计划包括通过在第一切换状态和第二切换状态之间交替来控制梯度线圈电源的电压输出。切换计划还包括在第三切换状态或第四切换状态中操作从H桥电路选择的至少一个H桥电路以作为切换计划中用于冷却该H桥电路的部分。该方法还包括执行该切换计划的步骤。该方法的优点之前已经讨论了。
在另一实施例中，切换计划还包括在第一切换状态和第二切换状态之间以改变的频率切换H桥电路。
在另一方面中，本发明提供了包括机器可执行指令的计算机程序产品，所述机器可执行指令用于由用于磁共振成像系统的梯度线圈电源的控制单元的处理器执行。计算机程序产品例如可以是存储在计算机可读存储介质上的指令。梯度线圈电源包括至少两个H桥电路。H桥电路被串联连接。每个H桥电路当处于第一切换状态中时供应第一极性的电压，其中当H桥处于第二切换状态中时，每个H桥电路供应第二极性的电压。每个H桥电路当处于第三切换状态中时不供应电压。每个H桥电路当处于第四切换状态中时不供应电压。虽然应当注意的是，在第三切换状态和第四切换状态中，H桥电路能够传导电流。也就是说，第三切换状态和第四切换状态不是断开的。机器可执行指令使处理器执行接收梯度脉冲序列的步骤。
机器可执行指令还使处理器执行创建用于控制对每个H桥电路中的开关单元的切换的切换计划的步骤。切换计划包括通过在第一切换状态和第二切换状态之间交替来控制梯度线圈电源的电压输出。切换计划还包括在第三切换状态或第四切换状态中操作从H桥电路选择的至少一个H桥电路以作为切换计划中用于冷却该H桥电路的部分。机器可执行指令还使处理器执行实施切换计划的步骤。该机器可执行指令的优点之前已经讨论了。
在另一方面中，本发明提供了一种磁共振成像系统。磁共振成像系统包括磁共振成像磁体。磁共振成像磁体用于调准磁体的成像区内的可极化核子自旋。磁共振成像系统还包括用于获取磁共振数据的射频系统。射频系统被配置为连接到射频天线。在一些实施例中，射频系统可以包括用于连接到射频天线的射频天线连接装置。射频系统使用射频传输来操纵成像区内的磁性自旋的取向。射频系统还通过与获取磁共振数据的装置相同的核子来测量无线电发射。磁共振成像系统还包括根据本发明的实施例的梯度线圈电源。磁场梯度线圈电源被配置为向磁场梯度线圈供应电流。磁共振成像系统还包括磁场梯度线圈。磁共振成像系统还包括磁场梯度线圈。磁共振成像系统还包括被配置为根据磁共振数据构造图像并且被配置为控制磁共振成像系统的操作的计算机系统。计算机系统被配置为使用磁共振数据来产生受检者的磁共振图像。
附图的简要说明
在下文中，将通过仅示例的方式并且参考附图来描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出梯度线圈电源的示意图；
图2示出在不同的切换状态中的H桥电路的示意图；
图3示出脉冲宽度相比H桥电路的电压输出的曲线；
图4示出说明可以如何通过将一个或多个Ｈ桥电路锁定到第一状态或第二状态中来增大最大电压的图；
图5说明以较低的切换频率操作H桥的益处；
图6示出说明根据本发明的实施例的方法的方框图；
图7示出说明根据本发明的实施例的另一方法的方框图；以及
图8示出根据本发明的实施例的磁共振成像系统。
实施例的详细描述
这些附图中相似地编号的元件是等同的元件或执行相同的功能。前面讨论的元件将不一定在后面的附图中被讨论，如果功能是相当的。
图1示出根据本发明的实施例的梯度线圈电源100的示意图。在图1所示的实施例中，未示出用于执行对H桥电路的控制的电路。类似地，仅示出单个电压源。对于磁共振成像系统，一般对应三个不同的正交方向将存在一个电压源。梯度线圈电源被示为具有到达梯度线圈的两个输出端或连接端102。在到达梯度线圈的连接端102之间是三个H桥电路104、106、108。存在第一H桥电路104、第二H桥电路106和第三Ｈ桥电路108。H桥电路104、106、108中的每个具有第一输出端110、114、118和第二输出端112、116、120。三个H桥电路104、106、108被示为串联连接。第一H桥电路110的第一输出端连接到到达梯度线圈的连接端102之一。第一H桥电路112的第二输出端连接到第二H桥电路114的第一输出端。第二H桥电路116的第二输出端连接到第三H桥电路118的第一输出端。第三H桥电路120的第二输出端连接到梯度线圈的另一连接端102。
标注了第一H桥电路104的部件。第一H桥电路104包括电压源122、第一开关单元124、第二开关单元126、第三开关单元128和第四开关单元130。电压源122和开关单元124、126、128、130中的每个具有第一连接端和第二连接端。第一开关单元的第一连接端132连接到第一H桥电路104的第一输出端110。第一开关单元124的第一连接端134连接到第二开关单元126的第一连接端136。第二开关单元126的第二连接端138连接到第一H桥电路104的第二输出端122。第三开关单元128的第一连接端140连接到第一H桥电路104的第一输出端110。第三开关单元128的第二连接端142连接到第四开关单元130的第一连接端144。第二开关单元130的第二连接端146连接到第一H桥电路104的第二输出端112。电压源122的第一输出端148连接到第一开关单元124的第二连接端134。电压源122的第二输出端150连接到第三开关单元128的第二连接端142。在这个电路图中可看到，开关单元124、126、128、130允许电压源122以任一极性连接到第一H桥电路104的第一输出端110和第二输出端114。也可以使用开关单元124、126、128、130来使第一H桥电路104的第一输出端110和第二输出端112短路。第二H桥电路106和第三H桥电路108具有与第一H桥电路104的那些部件类同的部件。当存在两个或更多个H桥电路时，本发明的实施例是可适用的。图1中的实施例示出三个H桥电路104、106、108。然而，本发明不限于仅仅三个H桥电路的例子。本发明可适用于串联连接的较小和较大链路的H桥电路。
图2示出在不同的切换状态中的H桥电路的示意图。H桥电路200处于第一切换状态中。H桥电路202处于第二切换状态中。H桥电路204处于第三切换状态中。并且H桥电路206处于第四切换状态中。对于H桥电路200，可以看到，第一开关单元124和第四开关单元130闭合，而第二开关单元126和第三开关单元128断开。可以看到，对于开关单元202，第一开关单元124和第四开关单元130断开。第二开关单元126和第三开关单元128闭合。对于标注为200和202的开关单元，可以看到，电压源122连接到H桥电路200、202中的每个的输出端。然而，在每种情况中反转由H桥电路200、202输出的电压的极性。
对于H桥电路204和206，电压源122从H桥电路的输出端断开。例如在处于第三切换状态的H桥电路204中，第一开关单元124和第二开关单元126闭合。第三开关单元128和第四开关单元130断开。这具有断开电压源122的效果。类似地，对于处于第四切换状态206中的H桥电路，第三开关单元128和第四开关单元130闭合，而第一开关单元124和第二开关单元126断开。这也具有从H桥电路206的输出端断开电压源122的效果。
可以在不将电压源122连接到H桥电路的输出端的两个不同的状态中使用开关：开关124和开关126闭合（且开关128和开关130断开）的第三切换状态204，以及开关128和开关130闭合（且开关124和开关126断开）的第四切换状态206。在这两个切换状态204、206的任一个中，H桥电路不输送电压。它只允许传递电流。H桥可以以相当低的频率在这些模式之间切换，或针对一个梯度梯形将H桥设置在一个切换状态中，而针对下一梯形将H桥设置在另一切换状态中。在第三切换状态204和第四切换状态之间切换特定的H桥允许热量在所有开关之间传播。
第三切换状态204和第四切换状态206对应于H桥的“无电压”状态。第一切换状态200和第二切换状态202对应于H桥的“电压”状态。当H桥被固定在“无电压”状态中时，不存在开关损耗。在具有三个桥的放大器的情况下，它们中的两个可以处于“无电压”状态中，而第三个处于“电压”状态中。处于“电压”状态的桥可以是循环变动的。
图3示出脉冲宽度300相比H桥电路的电压输出302的曲线。在第一切换状态200和第二切换状态202之间切换H桥电路。脉冲宽度300被给定为在第一切换状态200中花费的占空比的百分数。作为电压轴中的“HV”标记指示H桥的电压源的电压输出。例如，0.9HV是H桥电路的电压的90%。电压302是由H桥电路输出的时间平均电压。在图3中可以看到，如果脉冲宽度被限制到10%和90%之间，则电压的范围只能在-0.9HV和0.9HV之间。
图3说明了当H桥电路在第一切换状态和第二切换状态之间振荡时H桥电路的电压输出如何被限制。如果H桥电路能够被锁定到第一切换状态或第二切换状态中，则电压的范围可以在-1HV和1HV之间。
图4示出说明了可以如何通过将一个或多个Ｈ桥电路锁定到第一状态或第二状态中来增大最大电压的图。在图4中，被标记为402的access示出能够由串联的三个H桥电路的链路产生的电压范围或时间平均电压范围。对于这个示例，假定需要以范围在10%和90%之间的脉冲宽度或占空比来操作H桥电路。被标记为404的条示出可以由在第一状态和第二状态之间振荡的三个H桥电路产生的时间平均电压402的范围。第二条406示出当能够将H桥电路中的一个或两个锁定到第一状态和第二状态中时可获得的电压范围。在该示例中，我们看到，条404的范围在-0.27HV和2.7HV之间。对于条406，电压的范围在-2.9HV和2.9HV之间。作为结果，我们看到，将H桥电路中的一个或两个锁定到第一状态或第二状态中允许更大的电压范围。而且，当将H桥电路锁定到特定的状态中时，没有开关损耗。这意味着在开关单元中存在较少的能量损耗并且也有较少的发热。
很多斜率接近于最大电压。在该情况下，可以将3个桥中的2个设置在第一切换状态或第二切换状态之一中。以某个脉冲宽度“切换”第3个桥，以输送在–0.9HV和0.9HV之间的电压。被固定在“电压”状态中的桥不具有开关损耗。
作为示例：可以将第一H桥固定在特定的“电压”状态，特定的“电压”状态即图2的第一切换状态200或第二切换状态202。可以将第二切换状态设置在“无电压”模式，“无电压”模式即图2的第三切换状态204和第四切换状态206。可以在第一切换状态200和第二切换状态202之间以定义的脉冲宽度切换第三H桥电路。以某个脉冲宽度切换，该三个桥能够在低开关损耗的情况下产生在-1.9HV和1.9HV之间的电压。可以通过循环地交替哪些H桥电路被固定在“电压”状态、“无电压”状态中以及在第一切换状态200和第二切换状态202之间切换哪个H桥电路，来增大能够由该电路供应的最大RMS电流。能够增大RMS电流，这是因为H桥被交替地加热和冷却，这导致更低的工作温度。当H桥电路处于“无电压”状态中时，能够进一步在第三切换状态204和第四切换状态206之间切换该H桥。该方法的优点是总电压较高。两个桥产生电压HV，而第三个桥具有0.9HV的最大电压。总电压是2.9HV。在切换所有桥的“现状”情况下，最大输出电压是2.7HV。
图5说明了以较低的切换频率操作H桥的益处。图5示出三个图500、510、520。在这三个图的每个中，y轴被标记为502。y轴502示出归因于开关504损耗和传导506损耗的能量损耗的百分比。对于固态H桥电路，存在最大热额定值。100%的最大损耗将表示产生了H桥电路的固态开关单元正确地起作用所允许的最大热量的损耗。在该示例中，图500示出由于开关504和传导506所致的损耗相等的示例。在本发明的实施例中，减小了开关速率。这具有使梯度线圈中产生的电流较不准确地遵循梯度脉冲序列的效果，但在很多情况下，用于梯度线圈的脉冲序列仍然正确地起作用。在图510中，减小了切换开关速率，所以开关损耗从50%减小到10%。在图510中所示的示例中，意味着功率损耗是最大可能的功率损耗的60%。这意味着，可以增大能够由H桥电路传导的最大电流。在图520中，我们能够看到，增大电流，从而传导损耗增大到85%，并且开关损耗增大到15%。这说明了以减小的频率操作H桥电路的益处。以较低的频率减小H桥电路的效果具有从所产生的梯度电流波形去除较高的谐波的效果。对于很多商用梯度线圈电源，以25kHz的频率切换它们。开关损耗与执行切换的速率成正比。例如，如果切换频率从25kHz减小到10kHz，则开关损耗将减小到它们先前的损耗的40%。
对扩散梯度的主要要求是固定的梯度区域。不存在对波形的精度/平直度等的高要求。这对于例如相位编码梯度、压碎器梯度（crusher gradient）也是如此。
这意味着，放大器不需要在扫描的这些阶段期间输送高带宽，这允许低的切换频率。可以甚至在空闲状态中切换一些H桥。空闲状态是其中H桥未被积极切换，即，H桥被固定在“电压”或“无电压”状态中。
图6示出说明根据本发明的实施例的方法的方框图。该方法可用于对控制器或计算机进行编程。例如，为了创建包含用于执行该方法的指令的计算机可读存储介质。在步骤600中，接收梯度脉冲序列。在步骤602中，创建切换计划。切换计划是用于操作包括梯度线圈电源的H桥电路的各个开关单元的计划。在步骤604中，执行切换计划。
控制器也可以位于梯度线圈电源中。当该控制器接收具有特定波形的所请求的波形时，它可以执行“在运行中的”切换计划以逼近该波形。
图7示出说明根据本发明的实施例的方法的另一实施例的方框图。同样，利用图7，该方法可以由控制器实施，或它也可被实施为计算机程序产品或计算机可读存储介质。在步骤700中，接收梯度脉冲序列。在步骤702中，创建切换计划。在步骤704中，执行切换计划。在切换计划被执行之后，各个块示出可在该方法的执行期间执行的各个动作。可以在各个操作模式之间切换H桥电路。例如在步骤706中，在第一状态和第二状态之间切换H桥电路。在切换计划的部分期间，在恒定电流被指定的时间段期间在第一状态和第二状态之间减小切换频率708。
在特定的切换计划期间，可以由一个或多个H桥电路执行各个不同的动作。例如在步骤710中，在第三切换模式或第四切换模式中操作至少一个H桥。在切换计划702的执行期间可能的另一操作模式是在切换计划的创建期间确定脉冲序列的最小带宽712。然后在步骤714中，以改变的频率在第一状态和第二状态之间切换H桥，以获得该最小带宽。在步骤716中，说明了不同设置的操作。在步骤716中，将除了一个H桥以外的所有H桥切换到第一状态或第二状态中。在步骤718中，以改变的频率在第一状态和第二状态之间切换其余的H桥。
图7所示的方法也可以分成独立的方法。步骤700、702、704、706和708可以是一种方法。步骤700、702、704和710可以是另一种方法。步骤700、702、704、712和714可以是又一种方法。步骤700、702、704、716和718可以是又一种方法。通过组合这四种方法中的任意两种或任意三种来产生另外的方法。
图8示出根据本发明的实施例的磁共振成像系统800。磁共振成像系统包括磁体802。磁体802具有成像区804，到达成像区804的磁场明显足够均匀以执行磁共振成像。受检者806停留在受检者支撑物808上。磁场梯度线圈810被示为在磁体802的孔内。梯度线圈810连接到梯度线圈电源812。梯度线圈电源被示为具有能够控制H桥电路的操作的处理器814。在该图中没有示出H桥电路。
梯度线圈电源812还包括处理器814可访问的存储器816。在该示例中，存储器包含梯度线圈脉冲序列818和计算机程序产品820。计算机程序产品820具有能够解析梯度线圈脉冲序列818并且产生切换计划的软件模块。可以在存储器816内产生并且存储切换计划，也可以在处理器814的存储器内存储切换计划，或可以在运行中产生切换计划。也可以在运行中创建切换计划，并且可以使用电流监测器来监测供应到磁场梯度线圈810的电流。在该情况下，可以动态地计算或调整切换计划。
还示出了射频天线822。可以存在用于接收和发射磁共振成像信号的单个天线，或可以存在分离的发射线圈和接收线圈。射频天线822被示为连接到收发机824。可以存在分离的发送设备和接收设备，或可以使用单个收发机824。
梯度线圈电源812和收发机824被示为连接到计算机系统826的硬件接口828。在该情况下，计算机系统826控制磁共振成像系统的操作和功能。计算机826具有处理器80、计算机存储装置834、计算机存储器836和用户接口832。用户接口832允许操作员操作磁共振成像系统800，并且也允许磁共振成像系统显示或渲染磁共振数据。
计算机存储装置834可以包含使用磁共振成像系统800获取的磁共振数据838。也存储在存储装置834中的可以是一个或多个磁共振图像840。根据磁共振图像数据838重建这些图像。也存储在该存储装置834中的可以是一个或多个脉冲序列842。脉冲序列是用于获取磁共振数据838的指令。在存储器836内的是用于控制磁共振成像系统的操作的指令。例如，可以有用于控制并操作磁共振成像系统800的磁共振系统控制模块844。还可以有用于将磁共振图像数据838重建成磁共振图像840的软件。图像重建模块846用于重建磁共振图像840。在存储器836中还可以有用于控制梯度线圈电源812的软件。例如，可以有梯度线圈电源控制模块848。可以由梯度线圈电源814中的处理器和/或计算机826中的处理器830执行用于控制梯度线圈电源812的操作的功能。
虽然在附图和前述描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述应被认为是例示性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
根据对附图、本公开和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时能够理解并做出对所公开的实施例的其它变化。在权利要求中，词“包括”并不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一个”或“一种”不排除多个或多种。单个处理器或其它单元可以实现在权利要求中列举的几个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中列举某些措施的事实并不表示不能使用这些措施的组合来获得改进。计算机程序可以存储/分布在适当的介质（例如与其它硬件一起或作为其它硬件部分被提供的光学存储介质或固态介质）上，但也可以分布在其它形式中（例如经由互联网或其它有线电信网络或无线电信网络）。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
附图标记列表
100梯度线圈电源
102到梯度线圈的连接
104第一H桥电路
106第二H桥电路
108第三H桥电路
110第一H桥电路的第一输出端
112第一H桥电路的第二输出端
114第二H桥电路的第一输出端
116第二H桥电路的第二输出端
118第三H桥电路的第一输出端
120第三H桥电路的第二输出端
122电压源
124第一开关单元
126第二开关单元
128第三开关单元
130第四开关单元
132第一开关单元的第一输出端
134第一开关单元的第二输出端
136第二开关单元的第一输出端
138第二开关单元的第二输出端
140第三开关单元的第一输出端
142第三开关单元的第二输出端
144第四开关单元的第一输出端
146第四开关单元的第二输出端
148电压源的第一输出端
150电压源的第二输出端
200第一切换状态中的H桥电路
202第二切换状态中的H桥电路
204第三切换状态中的H桥电路
206第四切换状态中的H桥电路
800磁共振成像系统
802磁体
804成像区
806受检者
808受检者支撑物
810磁场梯度线圈
812梯度线圈电源
814处理器
816存储器
818梯度线圈脉冲序列
820计算机程序产品
822射频天线
824收发机
826计算机
828硬件接口
830处理器
832用户接口
834存储装置
836存储器
838磁共振数据
840磁共振图像
842脉冲序列
844磁共振系统控制模块
846图像重建模块
848梯度线圈电源控制模块

Claims (14)

1.一种用于磁共振成像系统(800)的梯度线圈电源(100、812)，包括：
-至少两个H桥电路(104、106、108、200、202、204、206)；其中，所述H桥电路串联连接；其中，当每一个所述H桥电路处于第一切换状态(200)中时，每一个所述H桥电路供应第一极性的电压；其中，当H桥处于第二切换状态(202)中时，每一个所述H桥电路供应第二极性的电压；其中，当每一个H桥电路处于第三切换状态(204)中时，所述每一个H桥电路不供应电压；其中，当每一个H桥电路处于第四切换状态(206)中时，所述每一个H桥电路不供应电压；并且，在所述第三开关状态和所述第四开关状态中通过所述H桥电路传导预定时间量的电流，以及
-控制器(814)，其用于控制对所述H桥电路的切换，其中，所述控制器被配置为：
-接收(600、700)梯度脉冲序列(818)，
-创建(602、702)切换计划，所述切换计划用于控制对每一个所述H桥电路的切换，其中，所述切换计划包括通过在所述第一切换状态和所述第二切换状态之间交替来控制所述梯度线圈电源的电压输出，其中，所述切换计划还包括在所述第三切换状态或所述第四切换状态中操作(710)从所述H桥电路中选择的至少一个H桥电路以作为所述切换计划中用于冷却所述H桥电路的部分，
-执行(604、704)所述切换计划。
2.如权利要求1所述的梯度线圈电源，其中，所述切换计划还包括在所述第一切换状态和所述第二切换状态之间以改变的频率对所述H桥电路进行切换(718)。
3.如权利要求2所述的梯度线圈电源，其中，所述控制器还被配置为改变所述频率以最小化所述H桥电路中的开关损耗并且增大能够由所述H桥电路传导的最大均方根电流。
4.如权利要求2或3所述的梯度线圈电源，其中，所述控制器还被配置为确定(712)所述脉冲序列的最小带宽，并且其中，所述切换计划还包括调整(714)高于最小阈值的所述改变的频率，其中，所述最小阈值是获得所述最小带宽的最小频率。
5.如权利要求2或3中的任一项所述的梯度线圈电源，其中，所述脉冲序列指定了具有梯形形状的时间相关电流，其中，所述梯形形状指定了恒定电流被指定的时间段，并且其中，所述切换计划还包括减小(708)在所述时间段期间的所述改变的频率。
6.如权利要求2或3中的任一项所述的梯度线圈电源，其中，所述切换计划还包括将所述H桥电路固定(716)在所述第一切换状态或所述第二切换状态中一时间段。
7.如权利要求2或3中的任一项所述的梯度线圈电源，其中，所述切换计划还包括将所述H桥电路中的至少一个H桥电路设置(716)在所述第一切换状态或所述第二切换状态中一固定的时间段，其中，所述切换计划还包括在所述第一切换状态和所述第二切换状态之间以改变的频率对其余的H桥电路进行切换(718)，并且其中，所述固定的时间段比所述改变的频率的时间段长。
8.如权利要求2或3中的任一项所述的梯度线圈电源，其中每一个H桥包括电压源(122)、第一开关单元(124)、第二开关单元(126)、第三开关单元(128)和第四开关单元(130)；其中，在所述第一切换状态(200)中，所述第一开关单元和所述第四开关单元闭合，而所述第二开关单元和所述第三开关单元断开；其中，当所述第二开关单元和所述第三开关单元闭合而第一开关单元和所述第四开关单元断开时，所述H桥电路处于所述第二切换状态(202)中；其中，当所述第三开关单元和所述第四开关单元断开而所述第一开关单元和所述第二开关单元闭合时，所述H桥电路处于所述第三切换状态(204)中；其中，当所述第三开关单元和所述第四开关单元闭合而所述第一开关和所述第二开关单元断开时，所述H桥电路位于所述第四切换状态(206)中。
9.如权利要求2或3中的任一项所述的梯度线圈电源，其中，所述第一开关单元、所述第二开关单元、所述第三开关单元和所述第四开关单元是IGBT开关单元。
10.如权利要求9所述的梯度线圈电源，其中，每一个所述H桥电路具有第一输出端(110、114、118)和第二输出端(112、116、120)；其中，每一个开关单元具有第一连接端(132、136、140、144)和第二连接端(134、138、142、146)；其中，所述第一开关单元的所述第一连接端(132)连接到所述H桥电路的所述第一输出端；其中，所述第一开关单元的所述第二连接端(134)连接到所述第二开关单元的所述第一连接端(136)；其中，所述第二开关单元的所述第二连接端(138)连接到所述H桥电路的所述第二输出端；其中，所述第三开关单元的所述第一连接端(140)连接到所述H桥电路的所述第一输出端；其中，所述第三开关单元的所述第二连接端(142)连接到所述第四开关单元的所述第一连接端(144)；其中，所述第四开关单元的所述第二连接端(146)连接到所述第二输出端；其中，每一个电压源包括第一电压输出端(148)和第二电压输出端(150)；其中，所述第一电压输出端连接到所述第一开关单元的所述第二连接端；并且其中，所述第二电压输出端连接到所述第三开关单元的所述第二输出端。
11.一种操作用于磁共振成像系统(800)的梯度线圈电源(100、812)的方法；其中，所述梯度线圈电源包括至少两个H桥电路(104、106、108、200、202、204、206)；其中，所述H桥电路串联连接；其中，当每一个所述H桥电路处于第一切换状态(200)中时，每一个所述H桥电路供应第一极性的电压；其中，当所述H桥处于第二切换状态(202)中时，每一个所述H桥电路供应第二极性的电压；其中，当每一个H桥电路处于第三切换状态(204)中时，每一个所述H桥电路不供应电压；其中，当每一个H桥电路处于第四切换状态(206)中时，每一个所述H桥电路不供应电压；并且，在所述第三开关状态和所述第四开关状态中通过所述H桥电路传导预定时间量的电流，并且其中，所述方法包括下列步骤：
-接收(600、700)梯度脉冲序列，
-创建(602、702)切换计划，所述切换计划用于控制对每一个所述H桥电路中的开关单元的切换，其中，所述切换计划包括通过在所述第一切换状态和所述第二切换状态之间交替来控制所述梯度线圈电源的电压输出，其中，所述切换计划还包括在所述第三切换状态或所述第四切换状态中操作(710)从所述H桥电路中选择的至少一个H桥电路以作为所述切换计划中用于冷却所述H桥电路的部分，
-执行(604、704)所述切换计划。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述切换计划还包括在所述第一切换状态和所述第二切换状态之间以改变的频率对所述H桥电路进行切换(718)。
13.一种操作用于磁共振成像系统(800)的梯度线圈电源(100、812)的装置；其中，所述梯度线圈电源包括至少两个H桥电路(104、106、108、200、202、204、206)；其中，所述H桥电路串联连接；其中，当每一个所述H桥电路处于第一切换状态(200)中时，每一个所述H桥电路供应第一极性的电压；其中，当所述H桥处于第二切换状态(202)中时，每一个所述H桥电路供应第二极性的电压；其中，当每一个H桥电路处于第三切换状态(204)中时，每一个所述H桥电路不供应电压；其中，当每一个H桥电路处于第四切换状态(206)中时，每一个所述H桥电路不供应电压；并且，在所述第三开关状态和所述第四开关状态中通过所述H桥电路传导预定时间量的电流，并且其中，所述装置包括：
-用于接收(600、700)梯度脉冲序列的模块，
-用于创建(602、702)切换计划的模块，所述切换计划用于控制对每一个所述H桥电路中的开关单元的切换，其中，所述切换计划包括通过在所述第一切换状态和所述第二切换状态之间交替来控制所述梯度线圈电源的电压输出，其中，所述切换计划还包括在所述第三切换状态或所述第四切换状态中操作(710)从所述H桥电路中选择的至少一个H桥电路，作为所述切换计划中的用于冷却所述H桥电路的部分，
-用于执行(604、704)所述切换计划的模块。
14.一种磁共振成像系统(800)，包括：
-磁共振成像磁体(802)；
-磁场梯度线圈(810)；
-射频系统(824)，其用于获取磁共振数据，其中，所述射频系统被配置为连接到射频天线(822)；
-根据权利要求1-10中的任一项所述的梯度线圈电源(100、812)，其中，所述磁场梯度线圈电源被配置为向所述磁场梯度线圈供应电流；以及
-计算机系统，其被配置为利用磁共振数据(838)构建图像(840)并且控制所述磁共振成像系统的操作。
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