CN107112969B

CN107112969B - 用于双陷波纹波滤波的方法和设备

Info

Publication number: CN107112969B
Application number: CN201580072029.3A
Authority: CN
Inventors: T.麦克法兰; M.弗里曼; M.维扎; D.林克
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2021-08-17
Anticipated expiration: 2035-12-21
Also published as: US20180026602A1; US9893705B2; WO2016109276A1; US10141909B2; CN107112969A; US20160191010A1

Abstract

一种设备包含：自耦变压器；第一带阻滤波器；以及储能电路，与第一带阻滤波器串联连接在自耦变压器的第一与第二绕组之间。储能电路的电感器充当自耦变压器的异相第三绕组。

Description

用于双陷波纹波滤波的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年12月31日提交的美国专利申请14/587443的优先权，通过引用将其整体结合到本文中。

背景技术

本发明的实施例一般涉及功率电子器件。具体实施例涉及用于对于从梯度功率放大器(其用于磁共振成像(MRI)系统中)所输出的电压进行滤波的设备和方法。

一般来说，由MRI系统所产生的图像的质量将受到其电子组件的可重复性和保真度的影响。具体来说，梯度子系统功率放大器强烈地影响采用其体素化（voxellated）(在相等大小和共同取向的体积段中扫描)扫描体积的保真度。功率放大器纹波或振荡能够使体素大小和取向的预期均匀性降级。

相应地，MRI系统提供有用于响应于电子组件、例如梯度子系统功率放大器的性能的偏差而校正图像的设备。一种这样的设备是纹波消除滤波器，其被提供以降低通过脉宽调制梯度功率供应所引起的在梯度线圈处所产生的切换噪声。通常，纹波消除滤波器设计成消除单个基频附近的噪声，其通过其中安装了滤波器的MRI系统的脉宽调制(PWM)切换频率来驱动。在MRI系统可工作在多个PWM切换频率的任何的情况下，则安装多个纹波消除滤波器。

鉴于以上所述，期望提供用于有效实现多陷波纹波消除滤波器(其在能够工作在多个PWM切换频率的MRI系统中是可使用的)的设备和方法。这类设备和方法一般还可有利于PWM功率供应的输出进行滤波。

发明内容

本发明的实施例提供一种设备，其包含：自耦变压器；带阻滤波器；以及储能电路，其与带阻滤波器串联连接在自耦变压器的第一与第二绕组之间。储能电路的电感器充当自耦变压器的异相第三绕组。相应地，该设备可提供跨自耦变压器的双陷波纹波消除滤波器。

其他实施例提供一种设备，其包含：自耦变压器，其具有第一、第二和第三绕组，其可在操作上串联连接在更高与更低电位输入端子之间，其中第二绕组异相连接到第一和第三绕组；带阻滤波器，其串联连接在自耦变压器的第二与第三绕组之间；第一调谐电容器，其跨自耦变压器的第二绕组并联连接；以及输出端子，其在操作上连接在第一与第二绕组之间以及在第二与第三绕组之间。

其他实施例实现一种方法，其包含：将自耦变压器的第一、第二和第三绕组跨脉宽调制功率供应的端子串联连接，其中绕组中的一个与其他绕组异相；将第一调谐电容器跨自耦变压器的异相绕组连接；将带阻滤波器串联连接在自耦变压器的异相绕组与其他绕组中的一个之间；以及将负载跨带阻滤波器和第一调谐电容器连接，使得带阻滤波器、第一调谐电容器和异相绕组提供脉宽调制功率供应与负载之间的双陷波纹波消除滤波器。

附图说明

从阅读以下参照附图的非限制性实施例的描述，将会更好地理解本发明，附图包括：

图1示意示出其中实现本发明的实施例的示范磁共振成像(MRI)系统。

图2示意示出图1的示范MRI系统中使用的梯度功率放大器和纹波消除滤波器。

图3以图形方式示出按照本发明的实施例的由双陷波纹波消除滤波器所提供的双陷波频率抑制图像。

图4示意示出按照本发明的实施例的双陷波纹波消除滤波器。

具体实施方式

下面将详细参照本发明的示范实施例，在附图中图示其示例。在可能的情况下，附图中通篇使用的相同参考字符表示相同或相似部件而无需重复描述。虽然针对MRI系统中使用的梯度放大器和梯度线圈来描述本发明的示范实施例，但是本发明的实施例一般也可适用于与脉宽调制(PWM)功率供应一起使用。

如本文所使用的，术语“基本上”、“一般”和“大约”指示相对于适合于实现组件或组合件的功能目的的理想预期条件的可合理实现的制造和组装容差之内的条件。

图1示出配置供与本发明的实施例一起使用的示范磁共振成像(MRI)系统10的主要组件。该系统的操作从操作员控制台12来控制，操作员控制台12包含键盘或其他输入装置13、控制面板14和显示屏幕16。输入装置13能够包含鼠标、操纵杆、键盘、轨迹球、触摸激活屏幕、光棒、语音控制或者任何类似或等效输入装置，并且可用于交互式几何规定。控制台12经过链路18与单独计算机系统20进行通信，其使操作员能够控制显示屏幕16上的图像的产生和显示。计算机系统20包含多个模块，其经过底板20a彼此通信。计算机系统20的模块包含图像处理器模块22、CPU模块24和存储器模块26，其可包含用于存储图像数据阵列的帧缓冲器。计算机系统20链接到存档媒体装置、永久或备份存储器存储装置或网络以供图像数据和程序的存储，并且经过高速信号链路34与单独MRI系统控制32进行通信。计算机系统20和MRI系统控制32共同形成“MRI控制器”33。按照本发明的实施例和方面，MRI控制器33配置成实现用于例如通过实现示范算法(其在以下进一步论述)对水、脂肪和硅胶单独成像的方法。

MRI系统控制32包含通过底板32a连接在一起的模块集合。这些包含CPU模块36以及脉冲发生器模块38。CPU模块36经过串行链路40来连接到操作员控制台12。正是经过链路40，MRI系统控制32从操作员接收指示将要执行的扫描序列的命令。CPU模块36操作系统组件以执行预期扫描序列，并且产生指示所产生RF脉冲的定时、强度和形状以及数据获取窗口的定时和长度的数据。CPU模块36连接到若干组件，其由MRI控制器33来操作，包含脉冲发生器模块38(其控制梯度放大器42，下面进一步论述)、生理获取控制器(“PAC”)44和扫描室接口电路46。

CPU模块36从生理获取控制器44接收患者数据，生理获取控制器44接收来自连接到患者的多个不同传感器的信号，例如来自附连到患者的电极的ECG信号。并且最后，CPU模块36从扫描室接口电路46接收来自各种传感器的与磁体系统和患者的条件关联的信号。也正是经过扫描室接口电路46，MRI控制器33命令患者定位系统48将患者或客户C移动到预期位置以供扫描。

脉冲发生器模块38操作梯度放大器42，以实现扫描期间所产生的梯度脉冲的预期定时和形状。由脉冲发生器模块38所产生的梯度波形施加到具有Gx、Gy和Gz放大器的梯度放大器系统42。每个梯度放大器激发梯度线圈组合件(一般表示为50)中的对应物理梯度线圈x、y或z，以产生用于对所获取信号进行空间编码的磁场梯度。梯度线圈组合件50形成磁体组合件52的组成部分，磁体组合件52还包含偏振磁体54(其在操作中提供均质纵向磁场B0)和全身RF线圈56(其在操作中提供与B0一般垂直的横向磁场B1)。在本发明的实施例中，RF线圈56是多通道线圈。MRI系统控制32中的收发器模块58产生脉冲，其由RF放大器60来放大，并且由发射/接收开关62来耦合到RF线圈56。由患者中的所激发核子所发射的所得到的信号可由相同RF线圈56来感测，并且经过发射/接收开关62来耦合到前置放大器64。所放大的MR信号在收发器58的接收器部分中解调、滤波和数字化。发射/接收开关62通过来自脉冲发生器模块32的信号来控制，以便在发射模式期间将RF放大器60电连接到线圈56，并且在接收模式期间将前置放大器64连接到线圈56。发射/接收开关62还能够使单独RF线圈(例如表面线圈)能够用于发射模式或者接收模式中。

在多通道RF线圈56拾取（pick up）从目标的激发所产生的RF信号之后，收发器模块58数字化这些信号。MRI控制器33然后通过傅立叶变换来处理数字化信号，以产生k空间数据，其然后经由MRI系统控制32来传递给存储器模块66或者其他计算机可读媒体。“计算机可读媒体”可包含例如被配置使得电、光或磁状态可按照由常规计算机可感知和可再现的方式来固定的结构：例如，打印到纸张或者在屏幕上显示的文本或图像、光盘或者其他光存储媒体；“闪速”存储器、EEPROM、SDRAM或其他电存储媒体；软盘或其他磁盘、磁带或其他磁存储媒体。

在计算机可读媒体66中获取了原始k空间数据阵列时，扫描是完成的。这个原始k空间数据重新排列为待重构的每个图像的单独k空间数据阵列，以及这些的每个输入到阵列处理器68，其进行操作以便将数据傅立叶变换为图像数据阵列。这个图像数据经过串行链路34传送给计算机系统20，其中将它存储在存储器中。响应于从操作员控制台12所接收的命令，这个图像数据可以以长期存储被存档，或者它可由图像处理器22进一步处理，以及传送给操作员控制台12并且在显示器16上呈现。

如上所述，在MRI系统10用于MRI扫描的操作期间，脉冲发生器模块38经由梯度放大器系统42将梯度波形施加到梯度线圈组合件50。梯度波形驱动对应梯度线圈，以便局部调整由磁体组合件52所包封的扫描体积的磁化。具体来说，梯度波形提供磁化的频率编码、相位编码和层面（slice）选择梯度，以便定义磁体组合件52内的MRI实验的特定感兴趣区域。

梯度放大器系统42包含三个梯度放大器，每个梯度轴(X, Y, Z)一个。图2示意示出作为多个H桥电路202.1、202.2、…202.n的堆叠的拓扑所形成的梯度放大器200。堆叠的H桥202由IGBT 204来组成，IGBT 204由PWM控制器205按照脉宽调制算法(其折衷IGBT和桥交织方案的切换和传导损耗)来驱动。一般来说，脉宽调制(PWM)是按照编程计划表来接通和关断所选IGBT、以便产生从DC功率供应到负载的时间平均电压的过程。对于其装置接通的PWM计划表的一小部分定义为那个装置的占空比。装置接通和关断所在的频率定义为控制器的PWM切换频率Fsw。虽然在一些计划表中(例如当PWM用来模拟AC时)，接通和关断脉冲时间的时长可跨计划表改变，IGBT切换所在的切换频率保持为恒定，即，IGBT能够仅在Fsw的整数倍改变状态。堆叠H桥202以实现所要求的最大输出电压，以及在某些实施例中，交织其PWM计划表以使输出滤波要求为最小。

如所述，MRI系统10的成像性能能够受到梯度子系统功率放大器200的可重复性和保真度的影响。因此，除了交织PWM计划表之外，在实施例中，纹波消除滤波器206还跨堆叠的H桥202的输出端子连接，以便减轻梯度放大器200对成像性能的任何影响。梯度放大器200经由纹波消除滤波器206来驱动其梯度线圈x、y或z(50x.y.z)。纹波消除滤波器206配置成监测脉宽调制(PWM)控制器205的输出频率，并且消除在PWM频率的谐频从堆叠的H桥202所产生的切换噪声。

图3以图形方式示出按照本发明的实施例的由纹波消除滤波器206所提供的双陷波频率抑制图像300。在所描绘的实施例中，频率抑制图像300包含第一和第二陷波302、304，其指示经过滤波器的信号的特别强的衰减。纹波消除滤波器206的输出(供应给梯度线圈50的电流)一般等于对纹波消除滤波器206的输入(桥电流)乘以频率抑制图像300。通过将陷波302、304叠加到PWM切换噪声的基频上，纹波消除滤波器206能够按照如由MRI控制系统32的操作所选的频率编码、相位编码和层面选择梯度波形向梯度线圈50提供清洁功率供应。

图4示意示出按照本发明的实施例的双陷波纹波消除滤波器206的组件。纹波消除滤波器206包含更高和更低电位输入端子402、403以及更高和更低电位输出端子404、405，更高和更低电位滤波器腿406、408能够通过其在操作上连接在梯度功率放大器200与梯度线圈50之间。纹波消除滤波器206还包含自耦扼流圈变压器410和梯形滤波器412，其跨滤波器腿406、408与负载梯形（ladder）414并联连接。

在所描绘的实施例中，扼流圈变压器410包含第一绕组416，其使其高端连接到更高电位输入端子402，并且使其低端连接成为更高电位滤波器腿406进行馈送。变压器410还包含第二或滤波器绕组418，其使其低端连接到更高电位滤波器腿406，并且使其高端连接成分接（tap）梯形滤波器412。变压器410还包含第三绕组420，其使其低端连接到更低电位输入端子403，并且使其高端连接到更低电位滤波器腿408。

梯形滤波器412与负载梯形414并联连接在更高与更低电位滤波器腿406、408之间。梯形滤波器412包含第一调谐电容器422、调谐电感器424和第二调谐电容器426。梯形滤波器组件的值被选择，使得梯形滤波器412将影响如图3所示的频率抑制图像300的双陷波302、304。例如，第一调谐电容器422和调谐电感器424的值能够选择成定义带阻滤波器频率，以及滤波器绕组418和第二调谐电容器426的值能够相对于第一和第二绕组416、420、第一调谐电容器422和调谐电感器424来选择，以定义带通滤波器频率，其匹配并且部分消除带阻滤波器频率，由此将双陷波302、304定义为带通滤波器的边带。

有利地，双陷波纹波消除滤波器206能够配置成通过将带通和带阻阶跃（step）添加到梯形滤波器412上来提供频率抑制图像300中的附加陷波。

本发明的一个方面在于，滤波器绕组418与第一和第三绕组416、420的耦合变更储能电路的频率响应，其将会以别的方式通过与第二调谐电容器426并联的滤波器绕组418来形成。

在实施例中，负载梯形414包含电阻器428和电容器430，其并联布置，并且使其值选择成在更高和更低电位输出端子404、405以及中心输出端子431(其能够接地，以平衡梯度线圈50)之间来分配电压。

本发明的实施例提供一种设备，其包含：自耦变压器；第一带阻滤波器；以及储能电路，其与带阻滤波器串联连接在自耦变压器的第一与第二绕组之间。储能电路的电感器充当自耦变压器的异相第三绕组。相应地，该设备可提供跨自耦变压器的双陷波纹波消除滤波器。该设备还可包含跨异相第三绕组和带阻滤波器并联连接的电阻器和电容器的负载梯形，以及负载梯形可分接以用于高、低和中心输出。负载梯形的电容可小于带阻滤波器和储能电路的电容。自耦变压器绕组可具有比带阻滤波器的电感要小的电感。自耦变压器的异相绕组可具有比其他绕组要大的电感。自耦变压器的异相绕组可具有比其他绕组要小的电感。自耦变压器的异相绕组可具有比带阻滤波器的电感要大的电感。自耦变压器的异相绕组可具有比带阻滤波器的电感要小的电感。自耦变压器绕组可具有比带阻滤波器的电感要大的电感。该设备还可包含至少一个附加带阻滤波器，其与第一带阻滤波器并联连接。

其他实施例提供一种设备，其包含：自耦变压器，其具有第一、第二和第三绕组，其可在操作上串联连接在更高与更低电位输入端子之间，其中第二绕组异相连接到第一和第三绕组；第一带阻滤波器，其串联连接在自耦变压器的第二与第三绕组之间；第一调谐电容器，其跨自耦变压器的第二绕组并联连接；以及输出端子，其在操作上连接在第一与第二绕组之间以及在第二与第三绕组之间。该设备还可包含跨输出端子连接的电阻器和电容器的负载梯形；其中负载梯形可分接以用于高、低和中心输出。负载梯形的电容可小于带阻滤波器和第一调谐电容器的电容。自耦变压器绕组可具有比带阻滤波器的电感要小的电感。自耦变压器的异相绕组可具有比其他绕组要大的电感。自耦变压器的异相绕组可具有比其他绕组要小的电感。自耦变压器的异相绕组可具有比带阻滤波器的电感要大的电感。自耦变压器的异相绕组可具有比带阻滤波器的电感要小的电感。自耦变压器绕组可具有比带阻滤波器的电感要大的电感。该设备还可包含至少一个附加带阻滤波器，其并联连接到第一带阻滤波器。

其他实施例实现一种方法，其包含：将自耦变压器的第一、第二和第三绕组跨脉宽调制功率供应的端子串联连接，其中绕组中的一个与其他绕组异相；将第一调谐电容器跨自耦变压器的异相绕组连接；将第一带阻滤波器串联连接在自耦变压器的异相绕组与其他绕组中的一个之间；以及将负载跨带阻滤波器和第一调谐电容器连接，使得带阻滤波器、第一调谐电容器和异相绕组提供脉宽调制功率供应与负载之间的双陷波纹波消除滤波器。该方法还可包含将至少一个附加带阻滤波器并联连接到第一带阻滤波器，其中至少一个附加带阻滤波器为纹波消除提供至少一个附加陷波。

将理解，上面描述意图为说明性的，而不是限制性的。例如，可以将上述的实施例（和/或其方面）彼此组合使用。另外，可以作出许多修改，以使特别的情形或材料适应于本发明的教导，而不背离其范围。虽然本文中所描述的材料的尺寸和类型意图定义本发明的参数，但它们决不是限制性的，而是示范性的实施例。在审查上面描述时，许多其他实施例对于本领域的那些技术人员将是显而易见的。因此，应参考所附权利要求连同这类权利要求所被赋予的等同物的全部范围来确定本发明的范围。在所附权权利要求中，术语“包含”和“其中”用作相应术语“包括”和“其中”的易懂英语等同物。此外，在下面权利要求中，诸如“第一”、“第二”、“第三”、“上”、“下”、“底部”、“顶部”等术语只用作标记，而不是意图对其对象强加数字或位置要求。此外，下面的权利要求的限制没有以方法加功能格式来书写并且不意图基于35 U.S.C.§ 112第六段来解释，除非并且直到这类权利要求限制确切地使用后面是缺乏进一步结构的功能陈述的短语“用于…的部件”。

本书面描述使用包含最佳模式的示例来公开本发明的若干实施例，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明的实施例，包含制作和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定并且可包含本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有没有不同于权利要求的文字语言的结构元素，或者如果它们包含具有与权利要求的文字语言的无实质差异的等效结构元素，则它们意图处于权利要求的范围之内。

如本文所使用的，以单数陈述或以单词“一”或“一个”进行的元素或步骤应理解为不排除多个元素或步骤，除非另有明确规定这种排除。此外，对本发明的“一个实施例”的提及不意图解释为排除也包含所述特性的附加实施例的存在。此外，除非明确相反地规定，否则，“包括”、“包含”或“具有”具有特定属性的元素或多个元素的实施例可包含不具有那个属性的附加的这类元素。

由于可在上述设备或方法中进行某些变化而不脱离本文中涉及的本发明的精神和范围，因此，意图的是，在附图中示出的或上面描述的所有主题应只理解为图示本文中的本发明概念的示例，并且不应视为限制本发明。

Claims

1.一种用于双陷波纹波滤波的设备，包括：

自耦变压器；

第一带阻滤波器；以及

储能电路，其与所述第一带阻滤波器串联连接在所述自耦变压器的第一与第二绕组之间；

其中所述储能电路的电感器充当所述自耦变压器的异相第三绕组；

其中所述第一带阻滤波器部分通过所述电感器限定。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述设备提供跨所述自耦变压器的双陷波纹波消除滤波器。

3.如权利要求2所述的设备，还包括：

跨所述异相第三绕组和所述第一带阻滤波器并联连接的电阻器和电容器的负载梯形；

其中所述负载梯形被分接以用于高、低和中心输出。

4.如权利要求3所述的设备，其中，所述负载梯形的电容小于所述第一带阻滤波器和所述储能电路的电容。

5.如权利要求2所述的设备，其中，所述自耦变压器中的第一绕组和第二绕组具有比所述第一带阻滤波器的电感要小的电感。

6.如权利要求2所述的设备，其中，所述自耦变压器的所述异相第三绕组具有比所述第一绕组和所述第二绕组的电感要大的电感。

7.如权利要求2所述的设备，其中，所述自耦变压器的所述异相第三绕组具有比所述第一绕组和所述第二绕组的电感要小的电感。

8.如权利要求2所述的设备，其中，所述自耦变压器的所述异相第三绕组具有比所述第一带阻滤波器的电感要大的电感。

9.如权利要求2所述的设备，其中，所述自耦变压器的所述异相第三绕组具有比所述第一带阻滤波器的电感要小的电感。

10.如权利要求2所述的设备，其中，所述自耦变压器中的第一绕组和第二绕组具有比所述第一带阻滤波器的电感要大的电感。

11.如权利要求1所述的设备，还包括至少一个附加带阻滤波器，其与所述第一带阻滤波器并联连接。

12.一种用于双陷波纹波滤波的设备，包括：

自耦变压器，具有第一绕组、第二绕组和第三绕组，其在操作上串联连接在更高电位输入端子与更低电位输入端子之间，其中所述第二绕组异相连接到所述第一和第三绕组；

第一带阻滤波器，其串联连接在所述自耦变压器的所述第二与第三绕组之间；

第一调谐电容器，其跨所述自耦变压器的所述第二绕组并联连接；以及

输出端子，其在操作上连接在所述第一与第二绕组之间以及在所述第二与第三绕组之间。

13.如权利要求12所述的设备，还包括至少一个附加带阻滤波器，其并联连接到所述第一带阻滤波器。

14.如权利要求12所述的设备，还包括：

跨所述输出端子连接的电阻器和电容器的负载梯形；

其中所述负载梯形被分接以用于高、低和中心输出。

15.如权利要求12所述的设备，其中，所述自耦变压器中的第一绕组和第二绕组具有比所述第一带阻滤波器的电感要小的电感。

16.如权利要求12所述的设备，其中，所述自耦变压器的异相绕组具有比所述第一绕组和所述第三绕组的电感要大的电感。

17.如权利要求12所述的设备，其中，所述自耦变压器的异相绕组具有比所述第一带阻滤波器的电感要大的电感。

18.如权利要求12所述的设备，其中，所述自耦变压器中的第一绕组和第二绕组具有比所述第一带阻滤波器的电感要大的电感。

19.一种用于双陷波纹波滤波的方法，包括：

将自耦变压器的第一绕组、第二绕组和第三绕组跨脉宽调制功率供应的端子串联连接，其中所述第一绕组、所述第二绕组和所述第三绕组中的一个绕组与另外两个绕组异相；

将第一调谐电容器跨所述自耦变压器的异相绕组连接；

将第一带阻滤波器串联连接在所述自耦变压器的所述异相绕组与所述另外两个绕组中的一个之间；以及

将负载跨所述第一带阻滤波器和所述第一调谐电容器连接；

其中所述第一带阻滤波器、所述第一调谐电容器和异相绕组提供所述脉宽调制功率供应与所述负载之间的双陷波纹波消除滤波器。

20.如权利要求19所述的方法，还包括将至少一个附加带阻滤波器并联连接到所述第一带阻滤波器，其中所述至少一个附加带阻滤波器为纹波消除提供至少一个附加陷波。