CN107174247B - 电路装置、磁共振成像设备和其运行方法 - Google Patents

电路装置、磁共振成像设备和其运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电路装置、磁共振成像设备和其运行方法。本发明说明用于对磁共振成像设备进行电流供应的电路装置，电路装置具有射频屏蔽室（3）和至少一个基本场磁体（5）。所述装置此外具有：布置在射频屏蔽室（3）之外的第一电路装置（1），所述第一电路装置从电网电压（UL）中产生中间电路直流电压（UZ），和布置在射频屏蔽室（3）之内的第二电路装置（2），所述第二电路装置从中间电路直流电压（UZ）中产生用于基本场磁体（5）的磁化电流（IM）。本发明此外说明具有按照本发明的电路装置的磁共振成像设备和用于运行磁共振成像设备的方法。该架构使得能够实现用于集成式（固定安装的）模块化磁化电流供应装置的成本高效的解决方案。

Description

电路装置、磁共振成像设备和其运行方法
技术领域
本发明涉及用于对磁共振成像设备进行电流供应的电路装置，具有射频屏蔽室（Hochfrequenzschirmungskabine）和至少一个基本场磁体（Grundfeldmagneten）。本发明也涉及具有用于电流供应的电路装置的磁共振成像设备以及用于运行磁共振成像设备的方法。
背景技术
磁共振成像（磁共振断层摄影术（Magnetresonanztomographie） MRT，也简称MR；也称为核自旋断层摄影术（Kernspintomographie）；英语：MRI代表Magnetic ResonanceImaging（磁共振成像））是成像方法，所述成像方法主要是在医学诊断中被使用，用于表示人体中的组织和器官的结构和功能（Funktion）。所述方法基于核自旋共振的物理原理，并且因此有时也被称作核自旋断层摄影术。例如在维基百科（Wikipedia）中在http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetresonanztomographie下可找到一般性细节。
利用磁共振成像可以产生人体（或者动物体）的切片图像（Schnittbilder），所述切片图像允许评估器官和很多由疾病引起的器官变化。磁共振断层摄影术基于在射频范围中的交变电磁场以及强磁场，其中原子核（大多氢质子）利用所述交变电磁场以及强磁场共振地被激发，其中电信号在接收器电路中被感应。在磁共振成像中，既不产生或使用X射线辐射，也不产生或使用其他电离辐射。用于图像对比度的主要基础构成不同组织类型的不同弛豫时间（Relaxationszeit）。此外，在不同的组织（例如肌肉、骨骼）中的氢原子的不同含量也对图像对比度作出贡献。
为了根据磁共振成像获得图像、也即产生检查对象的磁共振记录，首先患者的身体或者要检查的身体部分遭受尽可能均匀的静态基本磁场，所述基本磁场由磁共振成像设备的磁体系统的基本场磁体产生。在记录磁共振图像期间，将用于空间编码（Ortskodierung）的快速切换的梯度场与所述基本磁场叠加，所述梯度场由磁体系统的梯度线圈产生。此外，定义的场强的射频脉冲利用磁共振成像设备的射频天线被射入到检查体积（Untersuchungsvolumen）中。为此，磁共振成像设备通常具有固定地装入的射频天线、所谓的整体线圈（Ganzkörperspule）。借助于所述射频脉冲，检查对象中的原子被激发，使得所述原子从其平衡位置被偏转了所谓的“激发翻转角（Anregungsflipwinkel）”，所述平衡位置与基本磁场平行地伸展。在“转回（Zurücklenken）”时所产生的磁共振信号由至少一个非位置固定的局部线圈检测，并且被输送用来进一步处理。局部线圈在此尽可能靠近患者地布置，例如放置在患者上。
基本场磁体通常是超导磁体，所述超导磁体需要可调节的电流供应装置（Stromversorgung），利用所述电流供应装置提供用于建立磁场的能量。电子和电气部件同样需要电流供应装置，所述电子和电气部件被安装在磁共振成像设备的基本场磁体处。对于能量高效的和损耗功率低的电流供应使用开关变换器变得困难，因为开关频率的倍数和其混合积（Mischprodukte）可能在MR信号中引起干扰。
由实践已知，对于服务部署（Serviceeinsatz）（斜升(Ramp-up)、斜降（Ramp-down））作为服务工具（Service-Tool）随身携带（mitführen）用于超导磁体的电流供应装置。这引起了物流耗费（logistischen Aufwand）并且需要全面的预先规划。立即的或者甚至自发的部署是不可能的。
用于电流供应的另一可能性在于，设置固定的安装，所述安装类似于移动变体（mobilen Variante）必须安置在磁场的作用范围之外以及对于磁共振成像设备所需要的电磁屏蔽物（Schirmung）（所谓的射频屏蔽室或者HF室）之外。
在两个所描述的实施方式中，整个磁化电流（有时也称作“磁体电流（Magnetstrom）”）必须流经长的线缆，并且部分地流过馈通滤波器（Durchführungsfilter），其中所述磁化电流通常为几百安培。
用于在电磁屏蔽物之内运行的电子和电气部件的电流供应装置通常被安装在屏蔽室之外。电压输送经由多个线路进行，所述线路分别需要馈通滤波器。在部件本身中，大多使用线性调节器或者采用具有相应滤波装置的开关变换器。特别的挑战是使用含铁氧体的电感器件或（铁）磁构件，因为这里可能发生饱和效应、基本磁场的变形和显著的力作用。
发明内容
本发明的任务是，说明用于对磁共振成像设备进行电流供应的电路装置、磁共振成像设备和用于运行磁共振成像设备的方法，它们使得能够简单地对超导基本场磁体进行馈电。
按照本发明，利用独立专利权利要求的电路装置、磁共振成像设备和用于运行磁共振成像设备的方法来解决所提出的任务。在从属权利要求中说明有利的改进方案。
按照本发明，说明由基本上两个功能块组成的电路装置，其中第一功能块布置在HF室之外，并且产生中间电路直流电压（Zwischenkreis-Gleichspannung）。中间电路直流电压经由线缆被输送给具有直流电压变换器的位于HF室中的第二功能块，所述直流电压变换器为基本场磁体提供磁化电流。
也称为DC-DC变换器（英语：DC-DC Converter）的直流电压变换器表示电路，所述电路将在输入端处输送的直流电压转换为具有更高的、更低的或反向的电压水平的直流电压。借助于周期性工作的电子开关和一个或多个能量存储器进行该转变。直流电压变换器属于自换向变流器（Stromrichtern）。在电力工程的范围中，所述直流电压变换器也被称作直流斩波器（Gleichstromsteller）。
按照本发明的架构基于电流供应装置的各个组成部分的功能上的和局部的分离。
可选地，可以规定可替代地使用各个功能块。按照具有最大功率需求的运行状态设计各个功能块，其中假设，不是所有的组件在每个运行状态中必须是激活的（aktiv）。
在对基本场磁体充电（斜升）期间，对于磁化电流供应需要最大功率。其他电气和电子部件在斜升的情况下不被需要。磁化电流供应装置因此是磁共振成像设备的固定安装的组成部分。在磁共振成像设备处于运行中期间，不需要磁化电流供应。其他电气和电子部件可以可选地使用电流供应装置的部分（例如变压器、整流电路、敷设电缆、控制装置和监控装置）。
本发明要求保护用于对磁共振成像设备进行电流供应的电路装置，具有射频屏蔽室和至少一个基本场磁体。所述装置具有：
-布置在射频屏蔽室之外的第一电路装置，所述第一电路装置从电网电压中产生中间电路直流电压，和
-布置在射频屏蔽室之内的第二电路装置，所述第二电路装置从中间电路直流电压中产生用于基本场磁体的磁化电流。
所述架构使得能够实现用于集成式（固定安装的）模块化磁化电流供应装置的成本高效的解决方案。借助于中间电路到基本场磁体的功率传输减少功率损耗。线缆、连接器和滤波器必须针对较小的电流来设计。在不同的运行状态中可选地、可替代地使用各个电气和电子部件降低电路和成本耗费。模块化构造使得能够使系统电流供应灵活地匹配于磁共振成像设备的不同实施方案。
在电路装置的一种改进方案中，电网电压可以是三相交变电压。
在另一实施方案中，第一电路装置以串联的方式具有变压器和三相逆变器。
在一种改进方案中，三相逆变器可以被构造为六脉冲整流器或十二脉冲整流器。
在另一构造中，第二电路装置可以具有电流吸收器（Stromsenke），所述电流吸收器在需要时以调节的方式使基本场磁体进行放电。
在另一扩展方案中，第二电路装置以串联的方式具有输入滤波器、多个并联的第一直流电压变换器和电流/电压测量装置。
在一种改进方案中，第一直流电压变换器可以被构造为具有电压限制的可调节电流源。
在另一扩展方案中，第二电路装置可以具有控制和评估单元，所述控制和评估单元控制电流吸收器、第一直流电压变换器和电流/电压测量装置。
在另一扩展方案中，所述装置具有连接第一和第二电路装置的线缆，所述线缆具有至少一个馈电线（Zuleitung）并且具有至少一个回线（Rückleitung）。
在一种改进方案中，第二电路装置具有由中间电路直流电压馈电的第二直流电压变换器，所述第二直流电压变换器给射频屏蔽室中的电气和电子单元供应电流。
本发明也要求保护磁共振成像设备，所述磁共振成像设备具有用于进行电流供应的按照本发明的电路装置。
此外，本发明要求保护用于运行按照本发明的磁共振成像设备的方法，其中为了对基本场磁体充电，第一直流电压变换器被接通并且第二直流电压变换器被关断。
在所述方法的一种改进方案中，在对基本场磁体充电之后，第一直流电压变换器被关断并且第二直流电压变换器被接通。
附图说明
本发明的其他特点和优点根据示意性附图从多个实施例的随后阐述中变得清楚。
图1示出电流供应装置的框图，和
图2示出电流供应装置的电路图。
具体实施方式
图1示出用于对基本场磁体5馈电的电流供应装置的框图，所述电流供应装置被划分成用于产生中间电路直流电压UZ的第一电路装置1和用于实际上产生磁化电流IM的第二电路装置2。
三相交变电流电网电压UL被输送给变压器6。向低变换的（niedertransformiert）交变电流施加在三相逆变器7上，所述三相逆变器7产生中间电路直流电压UZ。利用馈通滤波器8尤其也减小剩余波纹度。中间电路直流电压UZ具有最大60V的值。变压器6和三相逆变器7位于未屏蔽的技术空间4中。
三相逆变器（整流电路）在最简单的情况中由唯一的整流器、开关式整流器或具有PFC的有源整流器组成。中间电路直流电压UZ在此低于电网电压UL的峰值，但是是具有最高功率需求的输出电压的多倍。电压比可以要么利用变压器6要么利用有源整流器来设定。变压器6或整流器被设计，使得所述变压器或整流器满足对电源部分在电涌（Surge）、绝缘、泄漏等方面的标准要求。
经由电缆9，中间电路直流电压UZ被输送给第二电路装置2的输入滤波器11（在最简单的情况下电容器）。因此，为了对基本场磁体5进行电流供应，仅需要具有馈线和回线的唯一线缆9。线缆9和输入滤波器11根据最大功率需求被设计。电流负荷能力在此相比于外部的磁化电流供应装置可以显著地、将近以中间电路直流电压UZ与磁化电流供应装置的输出电压的比例被降低。特别相比于交变电流输送，直流电压中间电路同样减少干扰和对构件和线缆的（交变的）力作用，所述力作用通过洛伦兹力（Lorenzkraft）引起。
如此滤波的中间电路直流电压UZ现在在多个并联的第一直流电压变换器12中被置于较低的电压水平，以便提供在高度上为大约400A（直至最大600A）的所需要的磁化电流IM，用于对基本场磁体5充电（斜升）。借助于电流/电压测量装置13监控磁化电流IM和输出电压。借助于第二直流电压变换器15可以对其他电气和电子部件进行供应。
输入滤波器11、第一直流电压变换器12、第二直流电压变换器15和电流/电压测量装置位于射频屏蔽室3中，并且是第二电路装置2的部分。
由于相对低的中间电路直流电压UZ，可以以高的时钟频率运行第一直流电压变换器12。在此，无铁氧体的电感器件可以被使用，所述电感器件的功能不被基本磁场影响。第二直流电压变换器15也可以以以下频率被运行，所述频率适合于磁共振成像设备的频率规划并且因此不能引起干扰，其中所述第二直流电压变换器在运行磁共振成像设备期间是激活的。
磁化电流供应装置通过具有电压限制的多个并联的电流源或者利用一个或多个并行的高分辨率的电流源来实施，所述并联的电流源可以以最优的脉冲暂停比（Puls-Pausen-Verhältnis）来运行。从各个模块的构造、接入和断开（Zu-und Wegschalten）中得出DAC的功能。所述架构也可以被应用于针对高功率需求的其他电流供应装置。
图2示出用于磁共振成像设备的电流供应装置的电路图，尤其用于对超导基本场磁体充电的电流供应装置。电流供应装置被分为两个功能块：在未屏蔽的技术空间4中的第一电路装置1，其用于产生中间电路直流电压UZ，和在射频屏蔽室3中的第二电路装置2，其用于产生磁化电流IM。第一电路装置1经由线缆9与第二电路装置2电连接。为了抑制干扰，使用四各绞合芯线，所述芯线成对地短接。
三相交变电流电网电压UL被输送给具有铁芯的变压器6，并且在次级侧经由热磁开关16（作为保险装置）被输送给三相逆变器7。三相逆变器7根据开关16的开关位置是十二脉冲整流器或六脉冲整流器。经由两个馈通滤波器8，在电流流动时尤其也使在输出端处出现的中间电路直流电压UZ摆脱其剩余波纹度。基本上，馈通滤波器8用于抑制进入和来自射频屏蔽室3的线传导（leitungsgebundenen）电磁干扰，其中所述馈通滤波器的屏蔽效果对应于射频屏蔽室3的屏蔽效果。
经由线缆9，中间电路直流电压UZ经由输入滤波器11到达并联的第一直流电压变换器12，所述直流电压变换器12经由电流/电压测量装置提供磁化电流IM。
为了使基本场磁体放电（斜降），使用电流吸收器10，所述电流吸收器10与第一直流电压变换器12的输出端连接。控制和评估单元14控制第一直流电压变换器12和电流吸收器10，并且评估电流/电压测量装置13的测量数据。可替代地，也可以通过电网反馈借助于第一直流电压变换器12和三相逆变器7进行放电。
尽管已经在细节上通过实施例进一步地图解和描述了本发明，但是本发明不被所公开的示例限制，并且可以由本领域技术人员从中导出其他变型方案，而不离开本发明的保护范围。
附图标记列表
1 第一电路装置
2 第二电路装置
3 射频屏蔽室
4 技术空间
5 基本场磁体
6 变压器
7 三相逆变器
8 馈通滤波器
9 具有四个芯线的线缆
10 电流吸收器
11 输入滤波器
12 第一直流电压变换器
13 电流/电压测量装置
14 控制和评估单元
15 第二直流电压变换器
16 开关
IM 磁化电流
UL 电网电压
UZ 中间电路直流电压。

Claims (14)

1.用于对磁共振成像设备进行电流供应的电路装置，具有射频屏蔽室（3）和至少一个基本场磁体（5），其特征在于，
-布置在所述射频屏蔽室（3）之外的第一电路装置（1），所述第一电路装置（1）被构造用于从电网电压（UL）中产生中间电路直流电压（UZ），和
-布置在所述射频屏蔽室（3）之内的第二电路装置（2），所述第二电路装置（2）被构造用以从所述中间电路直流电压（UZ）中产生用于所述基本场磁体（5）的磁化电流（IM），
其中所述第二电路装置（2）以串联的方式具有
-输入滤波器（11），
-多个并联的第一直流电压变换器（12）和
-电流/电压测量装置（13）。
2.按照权利要求1所述的电路装置，其特征在于，
所述电网电压（UL）是交变电压。
3.按照权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，
所述第一电路装置（1）以串联的方式具有
-变压器（6）和
-三相逆变器（7）。
4.按照权利要求3所述的电路装置，其特征在于，
所述三相逆变器（7）被构造为十二脉冲整流器或六脉冲整流器。
5.按照权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于：
-所述第二电路装置（2）的电流吸收器（10），所述电流吸收器（10）被构造用于在需要时使所述基本场磁体（5）放电。
6.按照权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，
所述第一直流电压变换器（12）被构造为具有可选地可调整的电压限制的可调节电流源。
7.按照权利要求5所述的电路装置，其特征在于：
-所述第二电路装置（2）的控制和评估单元（14），所述控制和评估单元（14）被构造用于控制所述电流吸收器（10）、所述第一直流电压变换器（12）和所述电流/电压测量装置（13）。
8.按照权利要求1所述的电路装置，其特征在于：
-所述第二电路装置（2）的控制和评估单元（14），所述控制和评估单元（14）被构造用于控制所述电流吸收器（10）、所述第一直流电压变换器（12）和所述电流/电压测量装置（13）。
9.按照权利要求6所述的电路装置，其特征在于：
-所述第二电路装置（2）的控制和评估单元（14），所述控制和评估单元（14）被构造用于控制所述电流吸收器（10）、所述第一直流电压变换器（12）和所述电流/电压测量装置（13）。
10.按照权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于：
-连接所述第一和所述第二电路装置（1、2）的线缆（9），所述线缆具有至少一个馈电线和至少一个回线。
11.按照权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，
所述第二电路装置（2）具有由所述中间电路直流电压（UZ）馈电的第二直流电压变换器（15），所述第二直流电压变换器被构造用于给在所述射频屏蔽室（3）中的电气和电子单元供应电流。
12.磁共振成像设备，所述磁共振成像设备具有按照上述权利要求之一所述的用于电流供应的电路装置。
13.用于运行按照权利要求12所述的磁共振成像设备的方法，其特征在于，
为了对所述基本场磁体（5）充电，所述第一直流电压变换器（12）被接通，并且第二直流电压变换器（15）被关断，其中所述第二直流电压变换器（15）设置在所述第二电路装置（2）中，所述第二直流电压变换器被构造用于给在所述射频屏蔽室（3）中的电气和电子单元供应电流。
14.按照权利要求13所述的用于运行磁共振成像设备的方法，其特征在于，
在对所述基本场磁体（5）充电之后，所述第一直流电压变换器（12）被关断并且所述第二直流电压变换器（15）被接通。
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