CN103261907A - 用于mri梯度线圈电源的在数字域中的状态空间反馈控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于调节从多桥PWM功率放大器到MRI梯度线圈的电流供应的在数字域中工作的状态空间反馈控制器。PI控制器包括积分部（用于对所需要的电流与所测量的梯度线圈电流之间的差值进行积分）和随后的控制P的系统，该控制P的系统包括延迟补偿器/稳定器和设备。该延迟补偿器/稳定器包括多通道反馈回路，凭借多通道反馈回路，其数字输出信号一方面经由延迟模块并且另一方面经由滤波器单元被反馈，由此该滤波器单元对分别针对梯度线圈电压和放大器逆变器单元的输出电流的梯度线圈输出滤波器的传递函数进行建模。在该设备中，对梯度线圈传递函数进行建模的滤波器单元串联连接到用于延迟梯度线圈电流的测量值的延迟链。

Description

用于MRI梯度线圈电源的在数字域中的状态空间反馈控制器

技术领域

本发明涉及一种用于操作MRI（磁共振成像）梯度磁体系统的方法和数字放大器系统，该MRI（磁共振成像）梯度磁体系统用于产生梯度磁场，特别是用于对MR（磁共振）弛豫信号进行空间编码。

背景技术

在MRI系统或MR扫描器中，检查对象（通常是患者）被暴露于均匀的主磁场（B₀场），从而使检查对象中的核子的磁矩趋于以所有核子的平行于B₀场的特定净磁化而围绕所施加的B₀场的轴线旋转（拉莫尔旋进）。旋进的速率称为拉莫尔频率，其取决于有关的核子的特定物理特性（即它们的旋磁比）以及所施加B₀场的强度。旋磁比是磁矩与核子自旋之间的比率。

通过发送凭借RF发射天线产生的正交于B₀场的RF激励脉冲（B₁场），并且匹配所关注的核子的拉莫尔频率，核子的自旋被激发并使其达到一定相位（bring into phase），并且获得它们的净磁化从B₀场的方向的偏转，从而产生与净磁化的纵向分量有关的横向分量。

在RF激励脉冲终止之后，净磁化的纵向分量和横向分量的弛豫过程开始，直到净磁化返回其均衡状态。通过MR/RF接收天线来检测由横向弛豫过程发射的MR驰豫信号。

接收的MR驰豫信号是时基振幅信号，它被傅立叶变换为频基MR频谱信号，并被处理以产生检查对象中所关注核子的MR图像。为了获得检查对象内的片或体积的空间选择以及从所关注片或体积发射出去的所接收MR驰豫信号的空间编码，梯度磁场被叠加在B₀场上，该梯度磁场与B₀场具有相同的方向，但是具有在正交的x方向、y方向和z方向的梯度。由于拉莫尔频率取决于被施加到核子上的磁场的强度，所以核子的拉莫尔频率沿着总的被叠加的B₀场的梯度减小并且随着总的被叠加的B₀场的梯度的减小而减小（反之亦然），从而通过适当地调节所发射的RF激励脉冲的频率（以及通过相应地调节MR/RF接收天线的谐振频率），并且通过相应地控制梯度磁场，可以获得对沿着x、y和z方向的每个梯度的特定位置处的片中的核子的选择，并由此整体上获得对象特定体元中的核子的选择。

为了产生梯度磁场，设置了包括以线圈（梯度线圈）形式的若干梯度磁体的梯度磁体系统，通常通过用于产生供应到梯度线圈的电流的梯度放大器系统来操作梯度磁体系统。通常，这样的梯度线圈电流具有一定的波形，该波形必须由梯度放大器系统非常精确地产生。所述波形是例如梯形脉冲，该梯形脉冲具有例如大约40毫秒的脉冲时间，脉冲的上升和下降时间都为例如约0.2毫秒，且具有大概几百A至约1000A的振幅。这些电流脉冲必须准确地控制具有仅几毫安或更小的偏移，以便确保产生高质量、高空间分辨率和精度的MRI图像。

WO2010/004492公开了一种用于产生和控制操作这样的梯度磁体系统的电输出功率的具有前馈和反馈控制的数字放大器。基本上，这样的数字放大器包括输入端，该输入端用于接收数字输入信号，该数字输入信号表示该放大器模拟输出信号的电流曲线的期望形状，由该放大器驱动梯度磁体系统的模拟输出信号。所述放大器包括前馈和反馈控制器，以便确定和补偿输入信号和输出信号之间的误差信号。前馈控制器读取输入信号，并基于该系统的模型尽可能精确地预测输出信号。接着在模拟域中，从测量的模拟输出信号中减去预测的输出信号，并把所得的模拟功率差别电流转换到数字域中，以提供反馈信号，然后将反馈信号与该前馈信号结合。这样就得到了所确定的输出信号的数字表示，现在从期望的数字输入信号中减去所确定的输出信号，从而得到误差信号，该误差信号被馈送给数字控制器，该数字控制器用于提供适当的控制信号至调制器以对该误差信号进行计数。调制器把控制信号转换成PWM信号，PWM信号被提供给功率转换器，功率转换器产生用于驱动该梯度磁体系统的模拟输出信号。

发明内容

由于对用于操作梯度磁体系统的电流脉冲的上述精度要求，已知的梯度放大器系统或多或少以模拟的方式控制，因为数字控制固有地遭受数字离散化噪声和某些数字化影响。已证明的是，当产期望的梯度磁电流时，尤其是A/D转换器和PWM调制器的有限分辨率，以及数字控制器的有限处理速度可能导致严重的偏差和再现性问题。

通常，本发明的一个根本目的是提供一种方法和一种数字放大器系统，该方法和系统用于基于全数字控制来操作MRI梯度磁体系统，而不会引起上述或其它问题，相反以比已知分辨率精确得多地满足如上所述的精度要求。

本发明的另一个根本目的是提供一种方法和一种数字放大器系统，该方法和系统用于以高精确度和相对低的成本，并且基于相对便宜和标准的慢的现有功率部件，来操作MRI梯度磁体系统。

这些目的中的至少一个通过根据权利要求1的方法，以及根据权利要求2的数字放大器系统来完成。

本发明所提供的控制概念具有非常高的干扰抑制性，从而最大化地抑制上述数字化影响，因此标准数字部件（例如现有的A/D转换器）可以用于实现数字控制器。

此外，本发明能够实现一种方法和一种数字放大器系统，该方法和系统用于基于高精度控制概念及其相关设计算法，来操作MRI梯度磁体系统，从而针对全数字控制也满足上述要求。

根据本发明的解决方案的另一个优点是，对于提出的状态空间控制方法，不需要前馈控制以便增加带宽。因此，根据本发明的状态空间控制器理念对于变化的系统参数更加鲁棒，并且比标准控制器概念（比如PID控制器）具有更高的干扰抑制性。

所有这些使得能够使用全数字控制器，并且由此使能利用成本经济的标准数字部件来操作MRI梯度磁体系统的全数字放大器系统。此外，上述实现了更好的输出电流再现性，得到MRI系统的更好的图像质量。

从属权利要求公开了本发明的有利实施方案。

应当认识到，本发明的特征允许以任何组合方式组合，而不脱离如由所附权利要求限定的本发明的范围。

根据参考附图给出的下面的本发明的优选和示例性实施例的描述，本发明的其它细节、特征和优点将变得清楚。

附图说明

图1示出了MR成像系统或扫描器的基本部件；

图2示出了MRI梯度磁体系统的示意图；

图3示出了用于操作MRI梯度磁体系统的梯度线圈的放大器系统的总体拓扑结构；

图4示出了根据本发明的数控梯度放大器系统的一个实施例的示意性架构；

图5示出了根据本发明的梯度放大器系统的数字控制器的一个实施例的示意性功能结构；

图6示出了根据图5的控制器响应于第一输入信号的输出信号；

图7示出了根据图5的控制器响应于第二输入信号的输出信号；

图8示出了根据图6的电流形状的放大图；以及

图9示出了根据图5的控制器结构的所有系统状态的瞬态响应。

具体实施方式

图1示出了包括检查体积的磁共振成像系统或磁共振扫描器的基本部件，待成像对象被放置在该检查体积中。该系统包括主磁体系统1，主磁体系统1用于在z方向上产生基本均匀和稳定的主磁场B₀，以使待成像对象中的核自旋对准。RF/MR发射/接收天线装置2被设置用于发送RF信号以产生RF磁交变场B₁从而激励核磁共振，并被设置用于从待成像对象的有关核子接收随后的MR驰豫信号。对于从所激励核子发射出去的所接收MR弛豫信号的空间选择和空间编码，该系统还包括具有多个梯度磁场线圈3、4、5的梯度磁体系统，通过该梯度磁体系统，如上所述地产生分别在正交的x、y和z方向上的梯度磁场。

此外，磁共振成像系统或磁共振扫描器包括控制单元10，控制单元10在RF传输期间控制RF发送单元12以产生RF信号，该RF信号经由RF发送/接收电路13被馈送到RF天线装置2。所接收的MR驰豫信号经由RF发送/接收电路13被馈送到放大器和解调器单元14，并由处理单元15处理，以在显示单元16上产生检查对象的MR图像。此外，在MR信号接收期间，控制单元10产生控制信号发送到放大器系统11，放大器系统11用于产生尤其是输出电流形式的电输出功率，用于操作各个梯度磁场线圈3、4、5，以便如通常已知的那样在显示单元16上待成像的检查对象内选择期望的片或体积。

上述和下面的原理和考虑适用于轴向（水平）MRI系统的情况以及垂直（开放）系统的情况，在轴向（水平）MRI系统中患者或另一检查对象沿轴向被引导穿过圆柱形或管状的检查空间，在垂直（开放）系统中该系统具有在C型臂结构的上端和下端之间的检查空间。

图2更详细地示出了用于磁共振成像系统或磁共振扫描器的MRI梯度磁体系统的梯度磁场线圈3、4、5的布置的示意图。

为了在x方向上产生位置相关的或梯度的磁场，第一梯度磁场线圈3中的每一个沿着检查对象7的两侧设置。为了在y方向上产生位置相关的或梯度的磁场，第二梯度磁场线圈4中的每一个设置在检查对象7的上方和下方。最后，第三梯度磁场线圈5围绕该检查对象设置，并且在z方向上位移，用于在z方向上产生位置相关的或梯度的磁场。RF/MR发送/接收天线装置2也示意性地在图2中示出。

图3示出了梯度放大器系统的主功率级的示例性总体拓扑结构，该梯度放大器系统用于通过驱动流过梯度线圈的梯度线圈电流i_GC来操作梯度磁体系统MRI的第一至第三梯度线圈（GC）3、4、5中的每一个（梯度线圈输出滤波器在该图中未示出）。所述功率级包括优选三个（或更多）的串联连接的全桥，也称为第一、第二以及第三逆变器A、B、C，用于分别产生第一输出电压U_A、第二输出电压U_B和第三输出电压U_C。每个全桥包括四个功率开关ps，每个功率开关可以由若干并联连接的IGBT来提供，由于成本的原因IGBT是优选的。进一步优选使用已知的IGBT半桥或全桥模块M（包括四个IGBT中的两个）以及甚至栅极驱动器电子设备，以便进一步减少成本。

每一全桥的电源电压U_S（例如600V）都具有浮动的电势。可替代地，可以仅使用一个电源电压，其采用智能控制方法来装载所有全桥的电容器C。

每个全桥或逆变器A、B、C可根据功率开关ps的开关位置，产生三个输出电压电平（+U_S，0，-U_S）。因此，该串联连接的三个全桥可以传输七种不同的电压电平。通过这样的拓扑结构，能获得两个实质优点。一方面，可以通过低压功率开关ps产生高输出电压，从而可以减少功率开关ps造成的成本。另一方面，由于相比于单个全桥放大器具有大量的离散电压电平，电流纹波将更小，减轻对梯度线圈输出滤波器的要求，并增加电流再现性。

为了满足用于操作梯度磁体系统的放大器系统的上述要求，已证明的是，对主功率级以及对用于梯度线圈的放大器系统的输出电流的闭环控制是必要的，并且全数字控制是尤其有利的。图4示出了用于第一至第三梯度线圈（GC）3、4、5中的每一个的根据本发明的这种数控梯度放大器系统的实施例的示意性架构。

它包括功率级，例如如图3所示的三个（或更多）逆变器A、B、C，在图4中它们以逆变器单元Inv的简化形式表示。在逆变器单元Inv的输出端处，梯度线圈输出滤波器F被示意性地示出具有两个串联电感L_f和一个并联电容器C_f。（第一至第三中的一个的）梯度线圈GC本身是以它的等效电路形式被表示的，即串联的电感L和欧姆电阻器R。此外，梯度放大器系统包括：第一电流传感器，其用于感应逆变器单元Inv的输出电流i_C；第二电流传感器，其用于感应流经梯度线圈GC的梯度线圈电流i_GC；以及电压传感器，其用于感应梯度线圈GC两端的梯度线圈电压u_C。

逆变器单元Inv的输出电流i_C（逆变器电流）、梯度线圈电压u_C和梯度线圈电流i_GC被分别提供到第一、第二和第三低噪声运算放大器OP1、OP2、OP3的输入端，这些运算放大器用于在模拟域中对其进行放大。运算放大器OP1、OP2、OP3的输出端子连接有高分辨率模数转换器A/D的输入端，该模数转换器A/D还接收来自参考电流源Ref的参考电流I_ref。

模数转换器A/D的数字化输出值被提供给数字控制器Con的输入端，数字控制器Con基于数字硬件工作，例如是完全在数字域中的数字信号处理器（DSP）或现场可编程门阵列（FPGA）。

控制器Con的输出控制信号u被提供到PWM调制器PWM的输入端，PWM调制器PWM用于将控制器Con的输出控制信号u转换为合适的开关信号ss。最后，这些开关信号ss被提供给逆变器单元Inv，在图3的例子中被提供给逆变器A、B、C的功率开关ps，用于通过逆变器A、B、C对电源电压U_S进行切换，使得在逆变器单元Inv的输出端产生PWM电压，从而通过相关的梯度线圈GC来驱动具有如上所述的一定波形和振幅的期望的梯度线圈电流i_GC。

这样的数字控制系统并且尤其全数字控制器Con的优点是具有更高的灵活性、较短的开发时间，特别是使能了用于新系统架构的复杂控制技术这一事实。该最后一个优点是特别重要的，因为其将用于降低整个梯度放大器系统的成本，这对于这样的新系统是非常重要的。因为能够使用更便宜的功率电子元件的事实，所以能够实现成本降低，更便宜的功率电子元件的缺点可以采用更复杂的数字控制算法来补偿。

当实现这样的全数字控制系统时遇到的主要问题是从模拟域到数字域的转变以及从数字域到模拟域的转变。这些问题的主要原因是模数转换器A/D的有限的值分辨率、数字控制器Con的有限的处理速度（时间分辨率）、以及PWM调制器PWM的有限的时间分辨率，所有这些具有以下结果：期望的梯度线圈电流i_GC不能以如上所述的所需精度来再现。

通常，可使用两个不同的控制器概念来在数字域中实现这样的控制系统，即PID控制器和状态空间控制器。已证明的是，状态空间控制器概念相比于PID控制器概念关于以下方面具有许多优点：抑制了上述有限的分辨率，以及特别是在系统参数偏离它们的标称值的情况下相对于控制响应的改变的鲁棒性。相关的状态空间PI控制器的控制结构和功能模块在图5中示意性地示出。

通常的部件是积分部G_I和控制P的系统G_PSYS。控制P的系统G_PSYS包括延迟补偿器/稳定器G_STAB和设备G_PLANT。

延迟补偿器/稳定器G_STAB包含延迟模块z^-1、z^-2、z^-3，它们分别表示一个、两个和三个时钟周期的计算延迟。此外，延迟补偿器/稳定器G_STAB包括控制器Con的输出控制信号u的控制因子K_U1、K_U2、K_U3（分别用于一个、两个和三个时钟周期的计算延迟），还包括分别用于梯度线圈电压u_C和逆变器单元Inv的输出电流i_C（参见图4）的控制因子K_UC和K_IC。最后，延迟补偿器/稳定器G_STAB包括梯度线圈输出滤波器F（参见图4）的传递函数G_UC和G_IC（分别针对梯度线圈电压u_C和逆变器单元Inv的输出电流i_C），还包括用于梯度线圈电流i_GC的控制因子K_GC。

设备G_PLANT包括传递函数G_GC，其串联连接至加上附加滤波的A/D转换器A/D的梯度线圈电流i_GC的测量值的具有20μs的规则延迟链。

测量值u_C和i_C的特征在于延迟等于计算延迟。因此，没有附加的延迟链用于这些测量值。

在积分部G_I中，对作为参考电流I_ref和梯度线圈电流i_GC之间差值的控制偏差进行积分。此外，从积分部G_I的输出减去经由控制因子K_GC馈送的梯度线圈电流i_GC。在设备G_PLANT的输出端得到梯度线圈电流i_GC，在设备G_PLANT的输入端施加被延迟一个时钟周期z^-1的控制器Con的输出值u。

被延迟一个时钟周期z^-1的控制器Con的数字输出值u，还经由传递函数G_UC和控制因子K_UC以及经由传递函数G_IC和控制因子K_IC被反馈。最后，控制器Con的输出值u被延迟一个、两个和三个时钟周期z^-1、z^-2、z^-3，而且每个延迟的输出值u也分别经由相关的控制因子K_U1、K_U2、K_U3被反馈。

图5示出了这样的反馈状态空间控制器的参数，特别是上述的控制因子和传递函数可以用已知的方法来设计，已知的方法例如是极点配置法等。

优选的是，极点被选择为实数，以便确保闭环控制响应中没有过冲。绝对值小于1的极点将保证控制器的稳定性。极点越接近0，控制响应将越快。例如0.15的极点通常导致足够高的控制器带宽，同时还保证防备控制器参数从其标称值的改变的最大鲁棒性。

图6示出了用于5A振幅的阶跃输入参考电流I_ref的所得到的状态空间控制器的时域模拟。控制响应是非常快的。它耗时约40μs（始于第一控制反应）以到达梯度线圈放大器电流i_GC的最终值的63％。存在轻微的过冲/下冲（over/undershooting），这产生自针对控制器设计所做的近似值。这些是由纯延迟建模的测量值和由两个整数延迟值的加权和来建模的非整数延迟的平均值。

然而，这并不是关键的，因为如果实际上相关的斜坡变化电流（rampcurrent）I_ref作为输入被施加至该控制器，则过冲/下冲甚至更低，如图7针对500A的斜坡变化电流所示的。控制响应（梯度线圈放大器电流i_GC）的非理想情况难以注意到。

图8示出了图6所示的控制响应的关键区域中的放大图。它显示了，过冲/下冲期间的最大控制偏差只有约1.4A（0.3％）。i_GC的相应稳定特性完全满足对梯度放大器的稳定要求S。

最后，针对500A的斜坡变化电流，在图9中描绘出所有系统状态（包括梯度线圈电流i_GC以及输出滤波器F的状态u_C和i_C）的瞬态响应。在该示例中，电容器C_f处的电压u_C（参见图4）相当于低通滤波后的PWM电压。最大电压u_C约为±1300V，并且被需要以将梯度线圈电流i_GC在约0.2ms内从0驱动到约500A。由于在逆变器单元Inv的输出端处的LC滤波器F的近乎完美的控制器阻尼，不能观察到以谐振频率的振荡。

虽然已经在附图和前面的说明书中详细地说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述应当被认为是说明性的或示例性的，而不是限制性的，并且本发明并不局限于所公开的实施例。对于本领域技术人员来说在不脱离如所附权利要求所限定的本发明基本原理的情况下，可以对上文描述的本发明实施例进行修改，例如关于天线元件本身、它们的形状和数量以及相对于彼此的排列，以便针对具有基本不同的旋磁比的核子来得到至少基本相同视场的上述结果。

通过研究附图、说明书和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，可以理解和实现对于所公开的实施例的修改。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”或“一种”不排除多个或多种。单个单元可以实现权利要求中记载的若干项功能。在相互不同从属权利要求中记载的某些措施的事实不表示这些措施的组合不能用来获利。权利要求中的任何附图标记不应当被理解为限制权利要求的范围。

Claims (7)

1.一种用于操作MRI梯度磁体系统的方法，所述方法通过驱动梯度线圈电流穿过所述梯度磁体系统的梯度线圈来产生梯度磁场，其中，所述梯度线圈电流由控制器控制，所述控制器以数字域中的状态空间反馈控制器的形式实现并产生数字输出值，凭借所述数字输出值来产生脉宽调制电压以用于驱动所述梯度线圈电流以预定的波形穿过所述梯度线圈。

2.一种数字放大器系统，用于操作MRI梯度磁体系统以通过驱动梯度线圈电流穿过所述梯度磁体系统的梯度线圈（GC）来产生梯度磁场，其中，所述放大器系统包括用于控制所述梯度线圈电流的数字控制器（Con），所述数字控制器（Con）以数字域中的状态空间反馈控制器的形式实现，以用于产生数字输出值（u），凭借所述数字输出值（u）来产生脉宽调制电压，以用于驱动所述梯度线圈电流以预定的波形穿过所述梯度线圈。

3.根据权利要求1所述的数字放大器系统，

其中，所述控制器（Con）包括用于对控制偏差进行积分的积分部（G_I），所述控制偏差以所述梯度线圈电流和参考电流之间的差值的形式产生。

4.根据权利要求3所述的数字放大器系统，

其中，所述控制器（Con）包括延迟补偿器（G_STAB），以用于从积分后的控制偏差产生所述数字输出值（u）。

5.根据权利要求4所述的数字放大器系统，

其中，所述延迟补偿器（G_STAB）包括反馈回路，凭借所述反馈回路，所述数字输出值（u）被反馈并延迟了至少一个时钟周期、至少两个时钟周期和至少三个时钟周期然后被从所述数字输出值（u）中减去。

6.根据权利要求4所述的数字放大器系统，

其中，所述延迟补偿器（G_STAB）包括反馈回路，凭借所述反馈回路，所述数字输出值（u）经由梯度线圈输出滤波器（F）针对梯度线圈电压（u_C）和输出电流（i_C）的传递函数（G_UC、G_IC）被反馈，然后被从所述数字输出值（u）中减去。

7.根据权利要求3所述的数字放大器系统，

其中所述控制器（Con）包括传递函数（G_GC），所述传递函数（G_GC）串联至用于A/D转换器（A/D）的所述梯度线圈电流（i_GC）的测量值的延迟链，凭借所述传递函数和所述延迟链两者，从所述数字输出值（u）产生所述梯度线圈电流。

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