CN106357094B - 一种磁共振电源控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种磁共振电源控制系统及方法。该磁共振电源控制系统包括：控制模块，用于解析磁共振系统采集信号的时间信息，并将解析后的时间信息发送至电源切换模块，所述时间信息包括信号采集时段和非信号采集时段；电源切换模块，用于根据接收的时间信息，在信号采集时段切换至线性电源进行供电，在非信号采集时段切换至开关电源进行供电。本发明实施例可以解决成本高和转换效率低的问题，实现对磁共振系统电源的优化控制。

Description

一种磁共振电源控制系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及电源控制技术，尤其涉及一种磁共振电源控制系统及方法。

背景技术

随着磁共振(MRI，Magnetic Resonance Imaging)技术的发展，磁共振电源供电问题也越来越被关注。通常，对于磁共振系统信号链中任意环节的电子部件(如射频接收机、射频波形小信号发生电路以及时钟分配电路等)、控制部件、射频监控部件以及外围辅助设备(如人机交互类、系统状态监控类等)都要用到大规模数字逻辑电路，如FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)或ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)，大规模数字电路核心电压进行供电的特点是，供电的电压值较低，一般为0.9V～1.2V，供电电流较高，一般从几A量级到几十A不等，而通常商业电源模块提供的标准电压输出一般为15V、12V、6.5V、5V或者3.3V，都远高于单板内部所需的供电电压，因此通过高供电电压产生低供电电压、大供电电流是无法规避的问题。另外，在磁共振系统中，信号接收链路的灵敏度极高，对射频干扰极其敏感，因此在电压转换过程中还需考虑到信号干扰的问题。

现有技术对数字逻辑电路的内部器件进行供电的方案通常有两种：

第一种，采用开关电源进行供电，如此可以提高转换效率，但由于开关电源会产生开关频率及其高次谐波造成干扰，因此需要在电路板内设置局部屏蔽构件以削弱开关频率的干扰，对于MRI这种对射频干扰极端敏感的设备，则需要深度屏蔽，因此甚至要用多层屏蔽。

第二种，采用线性电源进行供电，以避免转换电压时产生的开关频率的高次谐波落在成像的频段内而造成射频干扰。

但是现有技术存在如下缺陷：

对于第一种技术方案，局部屏蔽结构件占用了大量的单板布局空间，限制了集成度的提高，同时结构件的制作伴随着开模和加工费用，提升了成本。

对于第二种技术方案，由于线性电源的输入电流与输出电流大小相当，因此会产生极大的功率浪费。例如，从6.5V的单板输入电源产生0.9V，3A的FPGA核心供电电源。因此，在线性电源处会产生(6.5-0.9)*3＝16.8W的热耗浪费。

发明内容

本发明实施例提供一种磁共振电源控制系统及方法，以解决成本高和转换效率低的问题，实现对磁共振系统电源的优化控制。

第一方面，本发明实施例提供了一种磁共振电源控制系统，包括：

控制模块，用于解析磁共振系统采集信号的时间信息，并将解析后的时间信息发送至电源切换模块，所述时间信息包括信号采集时段和非信号采集时段；

电源切换模块，用于根据接收的时间信息，在信号采集时段切换至线性电源对数字逻辑电路的内部器件进行供电，在非信号采集时段切换至开关电源对数字逻辑电路的内部器件进行供电。

第二方面，本发明实施例还提供了一种磁共振电源控制方法，包括：

解析磁共振系统采集信号的时间信息，所述时间信息包括信号采集时段和非信号采集时段；

根据时间信息，在信号采集时段切换至线性电源对数字逻辑电路的内部器件进行供电，在非信号采集时段切换至开关电源对数字逻辑电路的内部器件进行供电。

本发明实施例通过控制模块将时间信息发送给电源切换模块，再由电源切换模块根据时间信息在信号采集时段切换至线性电源对数字逻辑电路的内部器件进行供电，在非信号采集时段切换至开关电源对数字逻辑电路的内部器件进行供电，如此可充分利用磁共振系统采集时序的特性，并结合线性电源和开关电源的优缺点，既保证了在信号采集时段不产生干扰，又可以将功率总耗降低到最小，由于不需要另外在电路板内设置局部屏蔽构件，也节省了成本，实现了对磁共振系统电源的优化控制。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种磁共振电源控制系统的结构示意图；

图2a为本发明实施例二提供的稀疏回波信号的时序控制效果图；

图2b为本发明实施例二提供的密集回波信号的时序控制效果图；

图3为本发明实施例三提供的一种磁共振电源控制系统的结构示意图；

图4为本发明实施例四提供的一种磁共振电源控制系统的结构示意图；

图5为本发明实施例五提供的一种磁共振电源控制系统的结构示意图；

图6为本发明实施例六提供的一种磁共振电源控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种磁共振电源控制系统的结构示意图，本实施例可适用于对磁共振系统的数字逻辑电路的内部器件进行供电的情况，该系统可通过硬件和/或软件的方式实现。参考图1，本实施例提供的磁共振电源控制系统具体包括：控制模块1，用于解析磁共振系统采集信号的时间信息，并将解析后的时间信息发送至电源切换模块2，所述时间信息包括信号采集时段和非信号采集时段；电源切换模块2，用于根据接收的时间信息，在信号采集时段切换至线性电源对数字逻辑电路的内部器件进行供电，在非信号采集时段切换至开关电源对数字逻辑电路的内部器件进行供电。

其中，磁共振系统需要将发射信号的波形信息以及时间信息分发给各模块，如射频发射模块、射频接收模块、梯度发射模块、图像重建模块以及电源切换模块2等，使得各模块在信号采集时段相互配合工作以完成信号采集和成像。波形信息可以包括射频脉冲的幅度、初始相位、宽度、形状、梯度大小等，时间信息记录了信号采集时间段和非信号采集时间段。对于电源切换模块2，优选可只发送时间信息，使得电源切换模块2在对应时间段进行电源切换即可。

其中，线性电源是先将交流电经过变压器降低电压幅值，再经过整流电路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压。线性电源的优点是具有较高的稳定性，且波纹也很小，没有开关电源具有的干扰和噪声，缺点是调整管功耗较大，发热严重。示例性的，线性电源可以是LDO(low dropout regulator，低压差线性稳压器)。由于绝大多数MR临床序列的信号采集时段在总时段中所占比例较小，因此线性电源的工作时段也较短，不会产生太多的功耗，也无需在结构上做散热考虑，因此将线性电源安排在信号采集时段既不会干扰信号采集又不会产生太多功耗。

其中，开关电源是将交流电先转换成直流电，再将直流电逆变成交流电，再整流输出成所需要的直流电压，主要包括输入电网滤波器、输出整流滤波器、控制电路以及保护电路等。开关电源的优点是转换效率高，理想情况下没有功耗损耗，缺点是有较大的波纹噪声，会产生开关频率干扰。示例性的，开关电源可以是DC-DC(direct current-directcurrent，直流斩波器)。由于非信号采集时段在总时段中所占比例较大，因此开关电源的工作时段较长，使得大大降低了功耗，此时虽然会产生开关频率，但发生在非信号采集时段，所以不会对信号采集产生影响。

本实施例提供的技术方案，通过控制模块1将时间信息发送给电源切换模块2，再由电源切换模块2根据时间信息在信号采集时段切换至线性电源对数字逻辑电路的内部器件进行供电，在非信号采集时段切换至开关电源对数字逻辑电路的内部器件进行供电，如此可充分利用磁共振系统采集时序的特性，并结合线性电源和开关电源的优缺点，既保证了在信号采集时段不产生干扰，又可以将功率总耗降低到最小，由于不需要另外在电路板内设置局部屏蔽构件，也节省了成本，实现了对磁共振系统电源的优化控制。

实施例二

本实施例在实施例一的基础上，优选是对控制模块1进一步优化，所述控制模块1还用于判断非信号采集时段的持续时间是否小于预设阈值，如果是，则将时间信息中的非信号采集时段修改为信号采集时段。

其中，对于不同的病变检测需求，所使用的脉冲序列也不同，不同脉冲序列的时间信息不同，对于采集时间间隔较长(即非信号采集时段的持续时间较长)的脉冲序列，如GRE(Gradient Recalled Echo，梯度回波序列)、SE(Spin Echo，自旋回波序列)，其信号采集较为稀疏，电源切换模块2切有足够的时间在线性电源和开关电源之间切换，因此电源切换模块2可正常进行切换，信号采集时序和电源切换时序一致，稀疏回波信号的时序控制效果图如图2a所示。

而对于采集时间间隔较短(即非信号采集时段的持续时间较短)的脉冲序列，如EPI(Echo Planar Imaging，回波平面成像)序列，其信号采集较为密集，一个回波链对应的一组密集采集窗的总时间一般在几十ms的量级，电源切换模块2的切换速度达不到序列在信号采集时段和非信号采集时段的切换速度，在实际应用时就会造成电源时序与信号采集时序不一致，大大降低使用效果，另外电源切换频率过快也会增大电源切换模块2的使用损耗，减少电源切换模块2的使用寿命。因此，对于序列中非信号采集时段较短的时段可以直接视为信号采集时段，直接采用线性电源对数字逻辑电路的内部器件进行供电而不再进行电源切换，对于密集回波信号的时序控制效果图如图2b所示。

需要说明的是，本实施例中控制模块1修改的时间信息仅用于发送给电源切换模块2实现对电源切换的优化控制，而实际进行信号采集的时间信息是不发生变化的，即各模块如射频发射模块、射频接收模块以及图像重建模块等接收的是没有修改的时间信息。

本实施例提供的技术方案，通过对非信号采集时段的持续时间进行判断，并在非信号采集时段的持续时间是否小于预设阈值时，将时间信息中的非信号采集时段修改为信号采集时段，使得在信号采集较为密集时，电源切换模块2不再频繁切换电源而统一采用线性电源对数字逻辑电路的内部器件进行供电，保证信号采集不受干扰，同时由于采集线完成的时间较短，因此线性电源的供电时间也不会太长，不会消耗太多功耗，实现了对磁共振系统电源的优化控制。

实施例三

图3为本发明实施例三提供的一种磁共振电源控制系统的结构示意图，本实施例在上述各实施例的基础上，优选是将控制模块1进一步优化，参考图3，所述控制模块1具体包括：序列控制单元11，用于将磁共振系统采集信号的时间信息或者修改后的时间信息发送至时序控制单元12；时序控制单元12，用于将接收的时间信息中的信号采集时段和非信号采集时段解析为硬件可读的数字电平信号并发送至电源切换模块2。

具体地，结合图3，序列控制单元11为软件控制部分，连接着时序控制单元12、发射链电路3、图像重建模块4，序列控制单元11掌握着所有的时间信息，它将时间信息或修改后的时间信息发送至时序控制单进行时序控制，并将波形信息直接发送给发射链电路3，发射链电路3自己的数字部分可以解析波形，并最终生成模拟(射频)小信号波形以驱动后续射频功放，在数据采集完毕的时刻，序列控制单元11发出指令让图像重建模块4对原始数据进行傅里叶变换，生成最终图像域的磁共振图像。

进一步，时序控制单元12为硬件控制，连接着外设电路6和接收链电路5，外设电路6和接收链电路5中设置有需要进行时序控制的电源切换模块2，时序控制单元12将序列控制单元11发送的时间信息解析为数字电平信号，并发送给各个电源切换模块2进行电源切换。

实施例四

图4为本发明实施例四提供的一种磁共振电源控制系统的结构示意图，本实施例在上述各实施例的基础上，优选是对电源切换模块2进一步优化，参考图4，所述电源切换模块2包括：

切换控制单元21、驱动单元22、开关电源单元23、线性电源单元24以及防倒灌单元25；所述切换控制单元21，用于接收控制模块1发送的时间信息，并根据时间信息的变化向驱动单元22发送对应的电源切换信号；所述驱动单元22，用于根据电源切换信号控制开关电源单元23和线性电源单元24的开关状态，使得在信号采集时段开启线性电源单元24并关闭开关电源单元23，在非信号采集时段开启开关电源单元23并关闭线性电源单元24；所述开关电源单元23用于为切换控制单元21提供开关电源，所述线性电源单元24用于为切换控制单元21提供线性电源；所述防倒灌单元25，一端与切换控制单元21相连，另一端分别与开关电源单元23和线性电源单元24相连，用于限制电路中电源的供电方向并防止电源倒灌。

其中，切换控制单元21可以是带有大规模逻辑器件的集成电路板，根据具体的电路职能，大规模逻辑器件可以是FPGA、MCU、ASIC，也可以是DDR(Double Data Rate，双倍速内存)存储设备、PLD(Programmable Logic Device，可编程逻辑器件)等。具体地，切换控制单元21根据时序控制单元12传来的数字电平信号，在0和1翻转的时刻向驱动单元22发送电源切换信号。示例性的，时序控制单元12将信号采集时段解析为1，将非信号采集时段解析为0，则当切换控制单元21接收的数字电平信号从1变为0时，向驱动单元22发送切换至开关电源供电的控制信号，当切换控制单元21接收的数字电平信号从0变为1时，向驱动单元22发送切换至线性电源供电的控制信号。

其中，驱动单元22同时控制着开关电源单元23和线性电源单元24，并在接收到开关电源供电的控制信号时开启开关电源单元23，同时关闭线性电源单元24，在接收到线性电源供电的控制信号时开启线性电源单元24，同时关闭开关电源单元23，如此保证仅有一种电源处于工作状态，并可实现在开关电源和线性电源之间的自由切换。

其中，防倒灌单元25设置在开关电源单元23和线性电源单元24之后、切换控制单元21之前，使得供电方向只能是从开关电源/线性电源到切换控制单元21，有效防止电源倒灌。

本实施例提供的技术方案，由切换控制单元21接收时间信息，并通过驱动单元22间接控制开关电源单元23和线性电源单元24的工作状态，使得在信号采集时段为切换控制单元21提供线性电源，在非信号采集时段为切换控制单元21提供开关电源，如此充分利用了磁共振系统采集时序的特性，并结合线性电源和开关电源的优缺点在保证信号采集不受干扰的前提下将功率总耗降低到最小，由于不需要另外在电路板内设置局部屏蔽构件，大大节省了成本，实现了对磁共振系统电源的优化控制。

实施例五

图5为本发明实施例五提供的一种磁共振电源控制系统的结构示意图，本实施例在上述各实施例的基础上，优选是对线性电源单元24进一步优化，参考图5，所述线性电源单元24包括一个或多个线性电源子单元241，且多个所述线性电源子单元241之间相互串联。

优选的，线性电源子单元241可以是线性稳压电源，如LDO，每个LDO都由驱动单元22控制，由于LDO具有稳压性，多个LDO串联可以实现多级的稳压，因此是对输入电源的二级稳压处理，另外由于LDO转换效率较低，设置多级LDO还可分担电压以降低功耗。其中，本实施例中出现的“多个”是指两个或者两个以上。

在上述技术方案的基础上，优选是将防倒灌单进一步优化，参考图5，所述防倒灌单元25包括第一二极管251和第二二极管252，所述第一二极管251与开关电源单元23串接，所述第二二极管252与线性电源单元24串接(即与线性电源子单元241串接)，第一二极管251和第二二极管252相汇后与切换控制单元21相连或第一二极管251和第二二极管252分别与切换控制单元21相连。

具体地，根据二极管的单向导通性，将第一二极管251正极连接开关电源单元23，负极连接切换控制单元21，使得开关电源的供电方向只能由开关电源单元23到切换控制单元21，将第二二极管252正极连接线性电源单元24，负极连接切换控制单元21，使得线性电源的供电方向只能由线性电源单元24到切换控制单元21，避免了开关电源单元23和线性电源单元24之间相互供电的情况，防止电源的倒灌。

其中，图5中只给出了第一二极管251和第二二极管252相汇后与切换控制单元21相连的结构示意图，但本实施例并不仅限于这一种连接方式，可替换的，第一二极管251和第二二极管252还可分别与切换控制单元21相连。

在上述技术方案的基础上，优选是对电源切换模块2进一步优化，参考图5，所述电源切换模块2还包括稳压单元26，分别与开关电源单元23和线性电源单元24相连，用于对外部输入电源进行稳压处理后，再分别输送至开关电源单元23和线性电源单元24。

其中，通常外部输入电源的质量不高，常常伴有干扰，将稳压单元26设置在开关电源单元23和线性电源单元24的前面可以对外部输入电源进行初级稳压处理，主要起到稳压、抑制干扰的作用。

在上述技术方案的基础上，优选是对电源切换模块2进一步优化，参考图5，所述电源切换模块2还包括储能滤波单元27，设置在切换控制单元21和防倒灌单元25之间，用于在开关电源和线性电源相互切换的过程中起到稳压和滤波作用。

其中，由于在线性电源和开关电源之间相互切换的过程中，会有短暂的切换时间(又称为过度时间或跳变时间)，在切换时间内，两种电源工作都不稳定，会有切换毛刺产生，后续电路很有可能会被瞬间毛刺冲击进而失效，而储能滤波单元27可以在切换时间内稳住电压，持续供电并滤掉毛刺，是对输入电源的三级稳压处理。

实施例六

图6为本发明实施例六提供的一种磁共振电源控制方法的流程示意图，本实施例可适用于对磁共振系统的数字逻辑电路进行供电的情况，该方法可通过磁共振电源控制系统来实现，该系统可通过硬件和/或软件的方式实现。参考图6，该方法具体包括：

S610、解析磁共振系统采集信号的时间信息，所述时间信息包括信号采集时段和非信号采集时段。

S620、判断非信号采集时段的持续时间是否小于预设阈值。

S630、如果是，则将时间信息中的非信号采集时段修改为信号采集时段。

S640、根据时间信息，在信号采集时段切换至线性电源对数字逻辑电路的内部器件进行供电，在非信号采集时段切换至开关电源对数字逻辑电路的内部器件进行供电。

本实施例提供的磁共振电源控制方法，与本发明任意实施例所提供的磁共振电源控制系统属于同一发明构思，可应用于本发明任意实施例所提供的磁共振电源控制系统，具备磁共振电源控制系统相应功能模块的有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种磁共振电源控制系统，其特征在于，包括：

控制模块，用于解析磁共振系统采集信号的时间信息，并将解析后的时间信息发送至电源切换模块，所述时间信息包括信号采集时段和非信号采集时段；

电源切换模块，用于根据接收的时间信息，在信号采集时段切换至线性电源对数字逻辑电路的内部器件进行供电，在非信号采集时段切换至开关电源对数字逻辑电路的内部器件进行供电。

2.根据权利要求1所述的磁共振电源控制系统，其特征在于，所述控制模块还用于判断非信号采集时段的持续时间是否小于预设阈值，如果是，则将时间信息中的非信号采集时段修改为信号采集时段。

3.根据权利要求2所述的磁共振电源控制系统，其特征在于，所述控制模块具体包括：

序列控制单元，用于将磁共振系统采集信号的时间信息或者修改后的时间信息发送至时序控制单元；

时序控制单元，用于将接收的时间信息中的信号采集时段和非信号采集时段解析为硬件可读的数字电平信号并发送至电源切换模块。

4.根据权利要求1-3任一项所述的磁共振电源控制系统，其特征在于，所述电源切换模块包括：切换控制单元、驱动单元、开关电源单元、线性电源单元以及防倒灌单元；

所述切换控制单元，用于接收控制模块发送的时间信息，并根据时间信息的变化向驱动单元发送对应的电源切换信号；

所述驱动单元，用于根据电源切换信号控制开关电源单元和线性电源单元的开关状态，使得在信号采集时段开启线性电源单元并关闭开关电源单元，在非信号采集时段开启开关电源单元并关闭线性电源单元；

所述开关电源单元用于为切换控制单元提供开关电源，所述线性电源单元用于为切换控制单元提供线性电源；

所述防倒灌单元，一端与切换控制单元相连，另一端分别与开关电源单元和线性电源单元相连，用于限制电路中电源的供电方向并防止电源倒灌。

5.根据权利要求4所述的磁共振电源控制系统，其特征在于，所述防倒灌单元包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管与开关电源单元串接，所述第二二极管与线性电源单元串接，第一二极管和第二二极管相汇后与切换控制单元相连或第一二极管和第二二极管分别与切换控制单元相连。

6.根据权利要求4所述的磁共振电源控制系统，其特征在于，所述线性电源单元包括一个或多个线性电源子单元，且多个所述线性电源子单元之间相互串联。

7.根据权利要求4所述的磁共振电源控制系统，其特征在于，所述电源切换模块还包括储能滤波单元，设置在切换控制单元和防倒灌单元之间，用于在开关电源和线性电源相互切换的过程中起到稳压和滤波作用。

8.根据权利要求4所述的磁共振电源控制系统，其特征在于，所述电源切换模块还包括稳压单元，分别与开关电源单元和线性电源单元相连，用于对外部输入电源进行稳压处理后，再分别输送至开关电源单元和线性电源单元。