CN106226714A - 一种梯度放大器、控制方法及成像设备 - Google Patents

一种梯度放大器、控制方法及成像设备 Download PDF

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CN106226714A CN201610784582.6A CN201610784582A CN106226714A CN 106226714 A CN106226714 A CN 106226714A CN 201610784582 A CN201610784582 A CN 201610784582A CN 106226714 A CN106226714 A CN 106226714A
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Abstract

本发明提供一种梯度放大器、控制方法及成像设备，控制器输出脉冲信号给所述功率放大电路中的开关管，以控制开关管的导通和关断；功率放大电路将输入电源进行功率变换后提供驱动电流给核磁共振成像设备中的线圈；功率放大电路包括并联的双H桥，分别为第一H桥和第二H桥，第一H桥和第二H桥的结构相同；功率放大电路输出的驱动所述第一H桥中开关管的脉冲信号与驱动第二H桥中开关管的脉冲信号相位差90度；滤波电路将功率放大电路输出的驱动电流滤波后输出给线圈；差模电感组滤除所述驱动电流中的差模噪声；共模电感组滤除所述驱动电流中的共模噪声。能够降低功率开关管在通断过程中产生的高频电磁干扰，提高梯度放大器输出的电流的质量。

Description

一种梯度放大器、控制方法及成像设备
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种梯度放大器、控制方法及成像设备。
背景技术
随着国民经济的发展和现代化技术的进步，核磁共振成像(MRI，MagneticResonance Imaging)已经成为临床影像检查的重要手段，梯度放大器作为核磁共振成像设备的重要组成部分，其作用是为梯度线圈提供电流驱动，以产生成像所需要的梯度磁场。为了获得高质量的图像，要求梯度放大器能够对线圈提供精度高、变化快的电流脉冲，其典型的输出波形为梯形。
目前的各类梯度放大器，其中的功率开关管大部分工作在硬开关模式，即功率开关管在导通和关断的过程中，都伴随着较大的高频电磁干扰。
发明内容
为了解决现有技术中存在的以上技术问题，本发明提供一种梯度放大器、控制方法及成像设备，能够降低功率开关管在通断过程中产生的高频电磁干扰，提高梯度放大器输出的电流的质量。
本发明实施例提供一种梯度放大器，应用于核磁共振成像设备，包括：控制器、功率放大电路和滤波电路；
所述控制器，用于输出脉冲信号给所述功率放大电路中的开关管，以控制所述开关管的导通和关断；
所述功率放大电路，用于将输入电源进行功率变换后提供驱动电流给核磁共振成像设备中的线圈；
所述功率放大电路包括并联的双H桥，分别为第一H桥和第二H桥，所述第一H桥和第二H桥的结构相同；所述功率放大电路输出的驱动所述第一H桥中开关管的脉冲信号与驱动所述第二H桥中开关管的脉冲信号相位差为90度；
所述滤波电路，用于将所述功率放大电路输出的驱动电流进行滤波后输出给所述线圈；
所述滤波电路包括差模电感组、共模电感组和滤波电容；
所述差模电感组，用于滤除所述驱动电流中的差模噪声；
所述共模电感组，用于滤除所述驱动电流中的共模噪声。
优选地，所述差模电感组包括第一差模电感组和第二差模电感组；所述共模电感组包括第一共模电感组和第二共模电感组；
所述第一H桥对应所述第一差模电感组和第一共模电感组，所述第二H桥对应第二差模电感组和第二共模电感组；
所述第一差模电感组包括：第一差模电感和第二差模电感；所述第一共模电感组包括：第一共模电感和第二共模电感；
所述第一差模电感和第二差模电感耦合，所述第一共模电感和第二共模电感耦合；
所述第一H桥的第一输出端依次通过所述第一差模电感、所述第一共模电感、所述线圈、所述第二共模电感和第二差模电感连接所述第一H桥的第二输出端；
所述第二差模电感组包括：第三差模电感和第四差模电感；所述第二共模电感组包括：第三共模电感和第四共模电感；
所述第三差模电感和第四差模电感耦合，所述第三共模电感和第四共模电感耦合；
所述第一差模电感组与第一共模电感组的连接关系与所述第二差模电感与第二共模电感组的连接关系相同。
优选地，所述第一H桥的第一输出端依次通过所述第一差模电感、所述第一共模电感、所述线圈、所述第二共模电感和第二差模电感连接所述第一H桥的第二输出端，具体为：
所述第一差模电感的同名端连接第一H桥的第一输出端，所述第一差模电感的异名端连接所述第一共模电感的同名端，所述第一共模电感的异名端连接所述第二共模电感的异名端，所述第二共模电感的同名端连接所述第二差模电感的同名端，所述第二差模电感的异名端连接所述第一H桥的第二输出端。
优选地，所述滤波电容包括：第一滤波电容和第二滤波电容；
所述第一滤波电容和第二滤波电容串联后并联在所述线圈的两端；
所述第一滤波电容和第二滤波电容的公共端接地。
优选地，所述第一H桥包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
所述第一开关管和第二开关管串联后并联在所述输入电源的正极和负极之间；
所述第三开关管和第四开关管串联后并联在所述输入电源的正极和负极之间；
所述第一开关管和第二开关管的公共端作为所述第一H桥的第一输出端；
所述第三开关管和第四开关管的公共端作为所述第一H桥的第二输出端；
所述第一开关管和第二开关管的驱动脉冲信号的相位相反，所述第三开关管和第四开关管的驱动脉冲信号的相位相反，所述第一开关管和第四开关管的驱动脉冲信号的相位相差180度。
优选地，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为IGBT管或MOSFET管。
本发明实施例还提供一种梯度放大器的控制方法，应用于控制所述的梯度放大器工作，包括以下步骤：
输出第一组脉冲信号控制第一H桥的开关管的导通和关断；
输出第二组脉冲信号控制第二H桥的开关管的导通和关断；
所述第一组脉冲信号和第二组脉冲信号中驱动相同位置的开关管的脉冲信号的相位差为90度。
本发明实施例还提供一种核磁共振成像设备，包括所述的梯度放大器，还包括线圈；
所述梯度放大器，用于为所述线圈提供驱动电流；
所述线圈，用于产生核磁共振成像的磁场。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
由于并联的双H桥中的开关管均工作在硬开关模式，因此第一H桥和第二H桥输出的驱动电流均存在高频电磁干扰信号，而本发明提供的滤波电路既包括差模电感组，又包括共模电感组，既可以滤除驱动电流中包含的差模噪声，又可以滤除驱动电流中的共模噪声。另外，电容可以滤除驱动电流中的共模噪声。经过本实施例提供的滤波电路滤除干扰信号后，提供给线圈的驱动电流更精确，从而保证核磁共振的成像效果。另外，本实施例中控制两个H桥的相位相差90度，可以保证最终加载在线圈上的驱动电流的频率翻倍，从而实现为线圈提供较高频率的电流信号。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的梯度放大器的实施例一示意图；
图2为本发明提供的梯度放大器的电路图；
图3为图2中功率放大电路和滤波电路的等效变形图；
图4为本发明提供的共模噪声的路径示意图；
图5为本发明提供的差模噪声的路径示意图；
图6为占空比为50％时主要节点对应的时序图；
图7为占空比为60％时主要节点对应的时序图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，该图为本发明提供的梯度放大器的实施例一示意图。
本实施例提供的梯度放大器，应用于核磁共振成像设备，包括：控制器100、功率放大电路(包括并联的第一H桥200和第二H桥300)和滤波电路400；
所述控制器100，用于输出脉冲信号给所述功率放大电路中的开关管，以控制所述开关管的导通和关断；
需要说明的是，控制器100可以由微处理器或DSP等芯片来实现，可以直接输出脉冲信号。
所述功率放大电路，用于将输入电源进行功率变换后提供驱动电流给核磁共振成像设备中的线圈；
所述功率放大电路包括并联的双H桥，分别为第一H桥200和第二H桥300，所述第一H桥200和第二H桥300的结构相同；
所述功率放大电路输出的驱动所述第一H桥中开关管的脉冲信号与驱动所述第二H桥中开关管的脉冲信号相位差为90度；
驱动两个H桥中开关管的脉冲信号的相位差90度，可以使加载在线圈上的驱动信号的频率翻倍。
所述滤波电路400，用于将所述功率放大电路输出的驱动电流进行滤波后输出给所述线圈500；
所述线圈500可以为接收线圈，也可以为发射线圈。
所述滤波电路400包括差模电感组、共模电感组和滤波电容；
所述差模电感组，用于滤除所述驱动电流中的差模噪声；
所述共模电感组，用于滤除所述驱动电流中的共模噪声。
需要说明的是，由于并联的双H桥中的开关管均工作在硬开关模式，因此第一H桥和第二H桥输出的驱动电流均存在高频电磁干扰信号，而本发明提供的滤波电路既包括差模电感组，又包括共模电感组，既可以滤除驱动电流中包含的差模噪声，又可以滤除驱动电流中的共模噪声。另外，电容可以滤除驱动电流中的共模噪声。经过本实施例提供的滤波电路滤除干扰信号后，提供给线圈的驱动电流更精确，从而保证核磁共振的成像效果。另外，本实施例中控制两个H桥的相位相差90度，可以保证最终加载在线圈上的驱动电流的频率翻倍，从而实现为线圈提供较高频率的电流信号。
梯度放大器的具体拓扑可以参见图2和图3所示，其中图3是图2中功率放大电路和滤波电路的等效变形图。
下面将结合图3对本发明提供的梯度放大器进行详细的介绍。
本实施例中以H桥中的开关管为NMOS管为例来介绍，可以理解的是，开关管除了使用MOSFET管以外，还可以使用IGBT管。
由于第一H桥和第二H桥的结构完全相同，下面仅以第一H桥为例进行介绍。
其中，第一H桥包括两个桥臂，第一桥臂包括第一开关管V1和第二开关管V2，第二桥臂包括第三开关管V3和第四开关管V4。根据同一个桥臂上的两个开关管不能同时导通的原则，驱动V1的脉冲信号A和V2的脉冲信号B的相位相反，即V1导通时，V2关断；驱动V3的脉冲信号C和V4的脉冲信号D的相位相反，即V3导通时，V4关断。并且，驱动V1的脉冲信号A和V4的脉冲信号D的相位相差180度。
其中，A和B的相位相反指的是，A为高电平时，B为低电平；A为低电平时，B为高电平。
P1为第一H桥的第一输出端，N1为第一H桥的第二输出端。
当V1和V4导通，V2和V3关断时，输出的驱动电流为一种极性，如果定义为正向。相反地，当V1和V4关断，V2和V3导通时，驱动的驱动电流为负向。可以理解的是，所谓的正向和负向是相对概念，也可以反过来设置。
其中，所述差模电感组包括第一差模电感组和第二差模电感组；所述共模电感组包括第一共模电感组和第二共模电感组；
所述第一H桥对应所述第一差模电感组和第一共模电感组，所述第二H桥对应第二差模电感组和第二共模电感组；
所述第一差模电感组包括：第一差模电感L1和第二差模电感L3；所述第一共模电感组包括：第一共模电感L2和第二共模电感L4；
所述第一差模电感L1和第二差模电感L3耦合，所述第一共模电感L2和第二共模电感L4耦合；
从图3中可以看出，所述第一H桥的第一输出端P1依次通过所述第一差模电感L1、所述第一共模电感L2、所述线圈500、所述第二共模电感L4和第二差模电感L3连接所述第一H桥的第二输出端N1，具体为：
所述第一差模电感L1的同名端连接第一H桥的第一输出端P1，所述第一差模电感L1的异名端连接所述第一共模电感L2的同名端，所述第一共模电感L2的异名端连接所述第二共模电感L4的异名端，所述第二共模电感L4的同名端连接所述第二差模电感L3的同名端，所述第二差模电感L3的异名端连接所述第一H桥的第二输出端N1。
所述第二差模电感组包括：第三差模电感L11和第四差模电感L33；所述第二共模电感组包括：第三共模电感L22和第四共模电感L44；
所述第三差模电感L11和第四差模电感L33耦合，所述第三共模电感L22和第四共模电感L44耦合；
所述第一差模电感组与第一共模电感组的连接关系与所述第二差模电感与第二共模电感组的连接关系相同。即从图3可以看出，第二H桥的第一输出端P2依次通过所述第三差模电感L11、所述第三共模电感L22、所述线圈500、所述第四共模电感L44和第四差模电感L33连接所述第二H桥的第二输出端N2。
需要说明的是，第一H桥和第二H桥共用滤波电容。
所述滤波电容包括：第一滤波电容C1和第二滤波电容C2；
所述第一滤波电容C1和第二滤波电容C2串联后并联在所述线圈500的两端；
所述第一滤波电容C1和第二滤波电容C2的公共端接地。
下面结合附图描述本发明提供的滤波电路的工作原理，如图4和图5所示，其中图4为共模噪声的路径。图5为差模噪声的路径，由于L1和L3之间是耦合的，因此，差模噪声可以通过L1到达L3。
滤波电路用于消除双H桥中开关管开关时产生的差模高频谐波和共模高频谐波。
以第一H桥为例，当P1和N1的输出信号(混有共模噪声和差模噪声)经过滤波电路时，会将其产生的共模噪声信号通过L2、L4、C1和C2进行共模滤波，如图4所示。
同时，P1和N1的输出信号也会将差模噪声信号通过L1和L3进行差模滤波，如图5所示。
并且，通过电感和电容构成的LC谐振电路，使得线圈上形成有效输出的同时，具有很小的纹波电流。
下面结合附图介绍梯度放大器的工作原理。
参见图6，该图为本发明提供的H桥输出信号占空比为50％时的时序图。
其中，P1、N1、P2和N2的占空比均为50％。
这样，从图6中可以看出，P1相和N1相的输出信号没有电压差，两者相减为0。并且，P2相和N2相的输出信号没有电压差，两者相减为0。进而在线圈上没有形成有效的输出。
下面结合图7介绍在线圈上形成有效输出的情况。
参见图7，该图为本发明提供的H桥输出信号占空比为60％时的时序图。
当P1、N1、P2和N2的占空比均为60％时，从图7可以看出，P1减去N1的波形如图中的P1-N1所示，P2减去N2的波形如图中的P2-N2所示。
而最终在线圈上形成的有效输出为(P1-N1)+(P2-N2)。如图6中的output所示。
需要说明的是，以上仅是以占空比为50％和60％举例进行说明，可以理解的是，占空比取其他值也可以，本实施例中不对占空比进行限制，可以根据实际需要来选取，即占空比是可调的。
基于以上实施例提供的梯度放大器，本发明还提供一种梯度放大器的控制方法。
本实施例提供的梯度放大器的控制方法，应用于控制所述的梯度放大器工作，包括以下步骤：
输出第一组脉冲信号控制第一H桥的开关管的导通和关断；
输出第二组脉冲信号控制第二H桥的开关管的导通和关断；
所述第一组脉冲信号和第二组脉冲信号中驱动相同位置的开关管的脉冲信号的相位差为90度。
另外本发明实施例还提供一种核磁共振成像设备，包括所述的梯度放大器，还包括线圈；
所述梯度放大器，用于为所述线圈提供驱动电流；
所述线圈，用于产生核磁共振成像的磁场。
需要说明的是，所述线圈可以为发射线圈，也可以为接收线圈。一般该线圈有多个，例如包括头部线圈、肩部线圈等。患者不同的部位对应不同的线圈，例如需要拍摄患者头部的图像，控制头部线圈打开工作即可。
本实施例提供的核磁共振成像设备经过滤波电路滤除干扰信号后，线圈的驱动电流更精确，从而保证核磁共振的成像效果。另外，本实施例中控制两个H桥的相位相差90度，可以保证最终加载在线圈上的驱动电流的频率翻倍，从而实现为线圈提供较高频率的电流信号。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种梯度放大器，其特征在于，应用于核磁共振成像设备，包括：控制器、功率放大电路和滤波电路；
所述控制器，用于输出脉冲信号给所述功率放大电路中的开关管，以控制所述开关管的导通和关断；
所述功率放大电路，用于将输入电源进行功率变换后提供驱动电流给核磁共振成像设备中的线圈；
所述功率放大电路包括并联的双H桥，分别为第一H桥和第二H桥，所述第一H桥和第二H桥的结构相同；所述功率放大电路输出的驱动所述第一H桥中开关管的脉冲信号与驱动所述第二H桥中开关管的脉冲信号相位差为90度；
所述滤波电路，用于将所述功率放大电路输出的驱动电流进行滤波后输出给所述线圈；
所述滤波电路包括差模电感组、共模电感组和滤波电容；
所述差模电感组，用于滤除所述驱动电流中的差模噪声；
所述共模电感组，用于滤除所述驱动电流中的共模噪声。
2.根据权利要求1所述的梯度放大器，其特征在于，所述差模电感组包括第一差模电感组和第二差模电感组；所述共模电感组包括第一共模电感组和第二共模电感组；
所述第一H桥对应所述第一差模电感组和第一共模电感组，所述第二H桥对应第二差模电感组和第二共模电感组；
所述第一差模电感组包括：第一差模电感和第二差模电感；所述第一共模电感组包括：第一共模电感和第二共模电感；
所述第一差模电感和第二差模电感耦合，所述第一共模电感和第二共模电感耦合；
所述第一H桥的第一输出端依次通过所述第一差模电感、所述第一共模电感、所述线圈、所述第二共模电感和第二差模电感连接所述第一H桥的第二输出端；
所述第二差模电感组包括：第三差模电感和第四差模电感；所述第二共模电感组包括：第三共模电感和第四共模电感；
所述第三差模电感和第四差模电感耦合，所述第三共模电感和第四共模电感耦合；
所述第一差模电感组与第一共模电感组的连接关系与所述第二差模电感与第二共模电感组的连接关系相同。
3.根据权利要求2所述的梯度放大器，其特征在于，所述第一H桥的第一输出端依次通过所述第一差模电感、所述第一共模电感、所述线圈、所述第二共模电感和第二差模电感连接所述第一H桥的第二输出端，具体为：
所述第一差模电感的同名端连接第一H桥的第一输出端，所述第一差模电感的异名端连接所述第一共模电感的同名端，所述第一共模电感的异名端连接所述第二共模电感的异名端，所述第二共模电感的同名端连接所述第二差模电感的同名端，所述第二差模电感的异名端连接所述第一H桥的第二输出端。
4.根据权利要求1所述的梯度放大器，其特征在于，所述滤波电容包括：第一滤波电容和第二滤波电容；
所述第一滤波电容和第二滤波电容串联后并联在所述线圈的两端；
所述第一滤波电容和第二滤波电容的公共端接地。
5.根据权利要求1-4任一项所述的梯度放大器，其特征在于，所述第一H桥包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
所述第一开关管和第二开关管串联后并联在所述输入电源的正极和负极之间；
所述第三开关管和第四开关管串联后并联在所述输入电源的正极和负极之间；
所述第一开关管和第二开关管的公共端作为所述第一H桥的第一输出端；
所述第三开关管和第四开关管的公共端作为所述第一H桥的第二输出端；
所述第一开关管和第二开关管的驱动脉冲信号的相位相反，所述第三开关管和第四开关管的驱动脉冲信号的相位相反，所述第一开关管和第四开关管的驱动脉冲信号的相位相差180度。
6.根据权利要求5所述的梯度放大器，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为IGBT管或MOSFET管。
7.一种梯度放大器的控制方法，其特征在于，应用于控制权利要求1-5任一项所述的梯度放大器工作，包括以下步骤：
输出第一组脉冲信号控制第一H桥的开关管的导通和关断；
输出第二组脉冲信号控制第二H桥的开关管的导通和关断；
所述第一组脉冲信号和第二组脉冲信号中驱动相同位置的开关管的脉冲信号的相位差为90度。
8.一种核磁共振成像设备，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的梯度放大器，还包括线圈；
所述梯度放大器，用于为所述线圈提供驱动电流；
所述线圈，用于产生核磁共振成像的磁场。
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