CN107192970A - 一种磁共振成像系统的阵列梯度线圈驱动装置 - Google Patents

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魏树峰
王铮
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Abstract

一种磁共振成像系统的阵列梯度线圈驱动装置，包括谱仪控制台(205)、梯度功率放大器(202)、梯度磁场控制器(203)和数据存储器(204)。所述的谱仪控制台(205)和数据存储器(204)的输入端连接，数据存储器(204)的输出端连接梯度磁场控制器(203)的输入端；数据存储器(204)用来保存阵列梯度线圈的电流大小和方向数据，并向梯度磁场控制器(203)输出每个线圈驱动电压数据：梯度磁场控制器(203)将电压数据转换成驱动电压信号，输出到梯度功率放大器(202)；梯度功率放大器(202)驱动阵列梯度线圈(201)，产生所需要的梯度磁场。

Description

一种磁共振成像系统的阵列梯度线圈驱动装置
技术领域
本发明涉及一种磁共振成像(MRI)系统的阵列梯度线圈的驱动装置。
背景技术
磁共振成像系统工作时，将人体置于一个强的静磁场中，通过向人体发射射频脉冲使人体部分区域的原子核受到激发。射频场撤除后，这些被激发的原子核辐射出射频信号由天线接收。当在这一过程中加入梯度磁场后，便可以通过射频信号获得人体的空间分布信息，从而重建出人体的二维或三维图像。
磁共振成像系统工作时，通常如图1所示，将人体放入磁体101中，梯度线圈(包含匀场线圈)102产生一个线性度良好的梯度磁场，该梯度磁场叠加在主磁场上，对信号进行空间编码。同时，该梯度线圈还对主磁场的不均匀性进行校正。射频线圈103对人体照射，激发人体成像区域的原子核，谱仪系统106运行脉冲序列，控制各子系统的工作，并采集磁共振信号进行图像重建。其中，匀场电源105用于向匀场线圈提供驱动电流，控制匀场线圈所产生磁场的幅度。
一般地，磁共振成像设备中的梯度系统是由梯度线圈，梯度功率放大器和相应的控制和冷却装置构成，现代磁共振成像要求梯度系统的性能非常高，目前梯度系统中梯度磁场的强度可以达到40—60mT/m，梯度磁场的切换率达到150—200T/m/s。由于对成像回波时间的要求，扩散成像的要求，以及多核成像的要求等，对未来梯度磁场强度和切换率要求越来越高。然而现有的梯度磁场产生方法对于提高梯度磁场强度和切换率存在很大的问题，目前的梯度系统中，梯度线圈多采用线圈对产生三个方向的梯度磁场，线圈的结构均为多绕组线圈，为容纳人体的进入，线圈均具有较大的尺寸，储能很高。若为了增大梯度磁场，有效的方法是增加梯度线圈的匝数，或者是增加梯度线圈的电流。增大匝数会增加线圈的感抗，从而与提高切换率矛盾。为克服感抗的影响，一般都采用提高梯度功率放大器输出电压的手段来增大梯度磁场的切换率，目前，梯度功率放大器的输出电压和电流达到了3000V/900A的水平，增大线圈的电流会带来严重的发热问题，提高梯度功率放大器的输出电压使得线圈的绝缘问题的解决更加困难，因为绝缘和散热是相互矛盾的工艺问题。更严重的问题是，在现有技术下，若增大梯度磁场的强度和切换率，可能会使局部梯度磁场的变化率(dB/dt)超出标准，引起对人的刺激等不良反应。为此，人们采用了其他一些办法，比如增加一个小的梯度线圈，插入到标准梯度线圈中，可以有效解决这个问题，不过小的梯度线圈的使用受到一定的限制，比如只能进行局部的成像，使用也不方便。
阵列梯度线圈可解决上述问题，分布在梯度线圈电流面上的梯度线圈阵列，根据成像的要求，通过调节各线圈的电流大小和方向，改变梯度线圈所产生的磁场空间分布，产生满足特定成像所需要的梯度磁场，在不改变梯度线圈绕组分布的前提下，改变梯度磁场的空间分布。由于阵列梯度线圈中包含大量的线圈，每个线圈的电流大小和方向都存在不一致的可能，因此，驱动阵列梯度线圈的方法则与传统的梯度线圈的方法完全不同。
发明内容
本发明提出一种磁共振成像系统阵列梯度线圈驱动装置。本发明的阵列梯度线圈驱动装置可以独立调整各个线圈的电流大小和方向，使得阵列梯度线圈的性能变得灵活。
本发明梯度磁场驱动装置的结构如下：
所述的阵列梯度线圈驱动装置，包括谱仪控制台、梯度功率放大器、梯度磁场控制器和数据存储器。所述的谱仪控制台和数据存储器的输入端连接，数据存储器的输出端连接梯度磁场控制器的输入端，梯度磁场控制器的输出端连接梯度功率放大器的输入端，梯度功率放大器的输出端和阵列梯度线圈连接。谱仪控制台的输出端也和梯度磁场控制器输入端的连接，输出标准梯度脉冲波形信号至梯度磁场控制器，数据存储器用来存储阵列梯度线圈的电流大小和方向数据，并向梯度磁场控制器输出每个线圈驱动电压数据。梯度磁场控制器将电压数据转换成驱动电压，并输出到梯度功率放大器。梯度功率放大器驱动阵列梯度线圈，产生所需要的梯度磁场。
梯度功率放大器包含有多个相互独立的功率单元，每个功率单元的输入端分别连接梯度磁场控制器输出端，梯度磁场控制器输出端控制信号接口的数量与梯度功率放大器中的功率单元的数量相同，梯度磁场控制器输出的每一路控制信号接口与梯度功率放大器中的每一个功率单元相连，各功率单元的控制信号相互独立。阵列梯度线圈由并列的多个线圈组成，由梯度功率放大器驱动。阵列梯度线圈的每一个线圈与梯度功率放大器的每一个功率单元的输出端相连，因此，分别改变各个功率单元的电流大小和方向，便可分别调整阵列梯度线圈的每一个线圈的电流大小和方向。梯度磁场控制器的控制参数：线圈电流大小和方向，则由与梯度磁场控制器相连的数据存储器提供。其中，所述的谱仪控制台输出标准梯度脉冲波形至梯度磁场控制器，同时，数据存储器通过接口将所保存的阵列梯度线圈的线圈电流大小和方向的数据传递到梯度磁场控制器中，梯度磁场控制器根据数据存储器中的数据和谱仪控制台传送的脉冲信号，解算出每个阵列线圈的控制电压，并将控制电压信号输出到梯度功率放大器的功率单元，用以驱动阵列梯度线圈，产生梯度磁场。
所述的数据存储器包括一个与外部的数据接口，一个内部数据缓存器，以及与梯度磁场控制器的接口。所述的外部的数据接口与谱仪控制台或者上位机连接，从谱仪控制台或者上位机获取阵列梯度线圈中各线圈的电流大小和方向的数据；所述的内部数据缓存器保存阵列梯度线圈中各线圈的电流大小和方向数据；所述与梯度磁场控制器的接口包括控制信号线和数据线，梯度磁场控制器通过控制信号线向数据存储器发出查询指令，若数据存储器的数据已经加载完成，则向梯度磁场控制器返回使能信号，梯度磁场控制器则通过数据线获得数据存储器中的电流大小和方向的数据。
所述的梯度磁场控制器的输入端和谱仪控制台的输出端连接，接收谱仪控制台发出的脉冲信号。梯度磁场控制器主要包含多路信号放大电路、数字增益控制电路和数据锁存器。其中，信号放大电路用来产生阵列梯度线圈的驱动电压，数字增益控制电路连接在信号放大电路的反馈控制端，用来调节信号放大电路的增益，数据锁存器的输入与数据存储器的输出连接，用来锁存数据存储器输出的电压控制数据，数据锁存器将锁存的电压控制数据输出到数字增益控制电路，控制数字增益控制电路的实际增益。因此，梯度磁场控制器可以根据获取的阵列梯度线圈每个线圈的电流大小和方向数据，控制每一路信号放大电路的增益和输出极性。从谱仪控制台传递过来的脉冲信号为每路信号放大电路的输入信号，所述信号放大电路最终输出模拟电压信号到所连接的功率放大器。显然，梯度磁场控制器包含的信号放大电路的数量，必须大于等于与其相连的功率放大器的数量，因此，每个与其相连的功率放大器都可以得到一个电压信号，梯度磁场控制器的信号放大电路相互独立，均可以单独控制其增益和输出极性。
梯度磁场控制器的信号放大电路的增益和极性控制中，包括有数据锁存器和数字增益控制电路，数据锁存器可将获得的电流大小和方向数据锁存，并根据锁存的数据控制数字增益控制电路的增益，数字增益控制电路接入到信号放大电路的增益控制电路，从而控制信号放大电路的增益。
阵列梯度线圈的梯度磁场是由梯度线圈阵列中各个线圈所产生磁场合成的。由于阵列梯度线圈的线圈由梯度功率放大器中的功率单元驱动，每一个线圈对应一个功率单元，多个功率单元相互独立，因此阵列梯度线圈中每个线圈的电流大小和方向可以独立调节。阵列梯度线圈每一个线圈的一组电流大小和方向参数对应一个梯度磁场的空间分布，因此，阵列梯度线圈每个线圈在梯度功率放大器的功率单元驱动下，其产生的磁场在成像区合成为所需要的梯度磁场。
阵列梯度线圈各线圈的电流大小和方向可以不相同，因此，改变每个线圈的电流大小和方向，则会改变所合成的梯度磁场的空间分布。
本发明的阵列梯度线圈驱动装置，可以通过如网格化的目标场方法，计算获得不同的梯度磁场空间分布所对应的各线圈的电流大小和方向，形成包含这些电流大小和方向的数据，将这些数据存储在数据存储器中。磁共振系统扫描时，根据所需要扫描的部位和序列对应的梯度磁场的空间分布，调出对应的电流大小和方向数据，用这些数据来控制梯度线圈阵列中各线圈的电流大小和方向，获得所需的梯度磁场。
由于梯度磁场在成像区域内有特定的分布要求，比如其分布在一个方向上有较好的线性，对于超导磁共振成像系统，一般要求在50cm球形区域内非线性不超过5％。同时，在成像区域内要求梯度磁场有一定的强度，比如30mT/m。并且，梯度系统工作在脉冲状态，因此需要梯度磁场有一定的切换率，比如150T/m/s。其中，梯度磁场的空间分布是由线圈的分布决定的，若线圈的分布固定，每个线圈通过的电流也相同，则该线圈所产生的梯度磁场的空间分布则固定不变，仅仅是其强度随电流的大小改变，切换率随驱动电压和爬升时间的变化而改变。
因此，本发明阵列梯度线圈的驱动装置不再是传统的梯度线圈的单一脉冲信号的驱动，需要预先确定每个线圈的电流大小和方向，形成一组数据，通过该组数据来控制每一路驱动信号的大小和方向，从而保证每个线圈有独立的电流调节能力。基于该驱动方法的阵列梯度线圈的驱动装置包括有存储每个线圈电流大小和方向数据的数据存储器，产生每个线圈驱动信号的梯度磁场控制器等。
本发明的阵列梯度线圈驱动装置的工作原理和工作过程如下：
谱仪控制台输出标准梯度脉冲波形至梯度磁场控制器，同时谱仪控制台或者上位机将每个阵列线圈的电流大小和方向数据，通过接口加载到数据存储器。梯度磁场控制器接收谱仪控制台发出的控制信号，并通过控制信号获取数据存储器的状态。当数据存储器完成数据的加载后，梯度磁场控制器从数据存储器获取阵列梯度线圈中每个线圈的电流大小和方向数据，用该数据来调节梯度磁场控制器中每个信号放大电路的增益和输出极性。谱仪控制台输出的标准梯度脉冲波形作为每路信号放大电路的输入信号。如此，梯度磁场控制器根据上述输入信号和电流大小和方向数据，解算出每个线圈所连接的梯度功率放大器功率单元的控制电压，并输出相应的模拟控制信号至梯度功率放大器的功率单元，使得阵列梯度线圈的每个线圈能够获得所需要的电流大小和极性。梯度磁场控制器输出的每一路控制信号对应一组线圈的电流参数，因此梯度磁场控制器输出的每一路控制信号都与梯度功率放大器中的每个小功率单元的输入端连接，控制每个单元的电流输出，实现对每个线圈的电流调节。
梯度功率放大器由直流供电电源和多个功率单元组成，多个功率单元由一个或多个直流供电电源驱动。
本发明装置可以实现对阵列梯度线圈中的每个小线圈电流的单独控制，这样，在形成梯度磁场时，阵列梯度线圈就可以有极大的灵活性，在保持阵列线圈结构不变的前提下，仅通过改变每个小线圈电流的大小和方向，便可以形成特定的梯度磁场。该装置具有极大的优越性。
附图说明
图1现有的磁共振成像系统的结构示意图，图中：101磁体，102射频线圈，103梯度放大器，104谱仪系统；
图2本发明驱动装置结构框图，图中：201阵列梯度线圈，202梯度功率放大器，203梯度磁场控制器，204数据存储器，205谱仪控制台；
图3为本发明驱动装置的工作过程；
图4为本发明驱动装置的数据存储器结构框图；
图5为本发明驱动装置的梯度磁场控制器的框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明阵列梯度线圈驱动装置包括谱仪控制台205、梯度功率放大器202、梯度磁场控制器203和数据存储器204。所述的谱仪控制台205和数据存储器204的输入端及梯度磁场控制器203的输入端连接，数据存储器204的输出端连接梯度磁场控制器203的输入端。数据存储器204用来保存阵列梯度线圈的电流大小和方向数据，并向梯度磁场控制器203输出每个线圈驱动电压数据。梯度磁场控制器203将电压数据转换成驱动电压信号，输出到梯度功率放大器202。梯度功率放大器202驱动阵列梯度线圈201，产生所需要的梯度磁场，如图2所示。
所述的梯度功率放大器202包含有多个相互独立的功率单元，每个功率单元的输入端分别连接梯度磁场控制器203的输出端，梯度磁场控制器203输出端控制信号接口的数量与梯度功率放大器中的功率单元的数量相同，梯度磁场控制器203输出的每一路控制信号接口与梯度功率放大器202中的每一个功率单元相连，各功率单元的控制信号相互独立。阵列梯度线圈201由并列的多个线圈组成，由梯度功率放大器202驱动。阵列梯度线圈201的每一个线圈与梯度功率放大器202的每一个功率单元的输出端相连，因此，分别改变梯度功率放大器202各个功率单元的电流大小和方向，便可分别调整阵列梯度线圈201的每一个线圈的电流大小和方向。
阵列梯度线圈201产生的梯度磁场由梯度线圈阵列所有线圈产生的磁场合成形成。梯度磁场控制器203控制梯度功率放大器202中每个功率单元的电流，梯度磁场控制器203的控制参数：线圈电流大小和方向，则由与梯度磁场控制器203相连的数据存储器204产生。其中，所述的谱仪控制台205的输出端和梯度磁场控制器203的输入端连接，输出标准梯度脉冲波形信号至梯度磁场控制器203。同时，数据存储器204通过接口将所保存的阵列梯度线圈的各线圈电流大小和方向的数据传递到梯度磁场控制器203中，梯度磁场控制器203根据数据存储器204中的数据和谱仪控制台传送的脉冲信号，解算出每个线圈的控制电压，并将控制电压信号输出到梯度功率放大器202的功率单元，用以驱动阵列梯度线圈201，产生梯度磁场。
数据存储器204存储有不同梯度磁场空间分布所对应的梯度线圈阵列201中每个线圈的电流参数，因此，本发明可以调用数据存储器204中存储的不同参数，实现在不改变梯度线圈结构的前提下，改变梯度线圈所产生磁场的空间分布的功能。
如图3所示，谱仪控制台205的输出端和梯度磁场控制器203的输入端连接，输出标准梯度脉冲波形信号至梯度磁场控制器203，同时谱仪控制台205或者上位机将阵列梯度线圈中每个线圈的电流大小和方向数据，通过接口加载到数据存储器204；梯度磁场控制器203通过控制信号线获取数据存储器204的状态，当数据存储器204完成数据的加载后，梯度磁场控制器203从数据存储器204获取每个阵列线圈的电流大小和方向数据，该数据用来调节梯度磁场控制器203中每个信号放大电路的增益和输出极性。谱仪控制台205输出的标准梯度脉冲波形信号作为每路信号放大电路的输入信号，梯度磁场控制器203根据上述信号和数据，解算出每个线圈所连接的功率放大器202每个功率单元的控制电压，并输出相应的模拟控制电压给、功率放大器的功率单元，使得每个线圈能够获得所需要的电流大小和极性。
图4所示为数据存储器结构的实施例。所述的数据存储器204包括一个与外部的数据接口，一个内部数据缓存器，以及与梯度磁场控制器的接口。与外部的数据接口可以是RS232/IEE488接口，也可以是usb接口。与外部的数据接口与上位机或者谱仪控制台连接，从上位机或者谱仪控制台获取阵列梯度线圈201中每个线圈的电流大小和方向的数据。内部数据缓存器保存阵列梯度线圈201中每个线圈的电流大小和方向的数据。与梯度磁场控制器202的接口则包括控制信号线和数据线，梯度磁场控制器203通过控制信号线，向数据存储器204发出查询指令，若数据存储器204的数据已经加载完成，则向梯度磁场控制器203返回使能信号，梯度磁场控制器203则通过数据线获得数据存储器204中的电流大小和方向的数据。
图5所示为所述梯度磁场控制器203的实施例。梯度磁场控制器203主要包含多路信号放大电路、数字增益控制电路和数据锁存器。其中，信号放大电路用来产生阵列梯度线圈的驱动电压，数字增益控制电路连接在信号放大电路的反馈控制端，用来调节信号放大电路的增益，数据锁存器的输入与数据存储器的输出连接，用来锁存数据存储器输出的电压控制数据，数据锁存器将锁存的电压控制数据输出到数字增益控制电路，控制数字增益控制电路的实际增益。因此，梯度磁场控制器203就可以根据获取的阵列梯度线圈201的每个电流大小和方向的数据，控制每一路信号放大电路的增益和输出极性。从谱仪控制台205传递过来的脉冲信号作为每路信号放大电路的输入信号，梯度磁场控制器203的信号放大电路将最终输出模拟电压信号到所连接的功率放大器。显然，梯度磁场控制器包含的信号放大电路的数量，必须大于等于与其相连的功率放大器的数量，因此，每个与其相连的梯度功率放大器202的功率单元都可以得到一个电压信号，梯度磁场控制器203的信号放大电路相互独立，均可以单独控制其增益和输出极性。

Claims (5)

1.一种磁共振成像系统的阵列梯度线圈驱动装置，其特征在于：所述的阵列梯度线圈驱动装置包括谱仪控制台(205)、梯度功率放大器(202)、梯度磁场控制器(203)和数据存储器(204)；所述的谱仪控制台(205)和数据存储器(204)的输入端及梯度磁场控制器的输入端连接连接，输出标准梯度脉冲波形信号至梯度磁场控制器；数据存储器(204)的输出端连接梯度磁场控制器(203)的输入端；数据存储器(204)用来保存阵列梯度线圈的电流大小和方向数据，并向梯度磁场控制器(203)输出每个线圈驱动电压数据：梯度磁场控制器(203)将电压数据转换成驱动电压信号，输出到梯度功率放大器(202)；梯度功率放大器(202)驱动阵列梯度线圈(201)，产生所需要的梯度磁场。
2.如权利要求1所述的阵列梯度线圈驱动装置，其特征在于：所述的梯度功率放大器(202)包含有多个相互独立的功率单元，每个功率单元的输入端分别连接梯度磁场控制器(203)的输出端；梯度磁场控制器(203)输出端控制信号接口的数量与梯度功率放大器中的功率单元的数量相同；梯度磁场控制器(203)输出的每一路控制信号接口与梯度功率放大器(202)的每一个功率单元相连，各功率单元的控制信号相互独立；阵列梯度线圈(201)由并列的多个线圈组成，由梯度功率放大器(202)驱动；阵列梯度线圈(201)的每一个线圈与梯度功率放大器(202)的每一个功率单元的输出端相连，分别改变梯度功率放大器(202)各个功率单元的电流大小和方向，便能够分别调整阵列梯度线圈(201)的每一个线圈的电流大小和方向。
3.如权利要求1所述的阵列梯度线圈驱动装置，其特征在于：所述的梯度磁场控制器(203)包含多路信号放大电路、数字增益控制电路和数据锁存器；所述的信号放大电路用来产生阵列梯度线圈的驱动电压；数字增益控制电路连接在信号放大电路的反馈控制端，用来调节信号放大电路的增益；数据锁存器的输入与数据存储器的输出连接，用来锁存数据存储器输出的电压控制数据；数据锁存器将锁存的电压控制数据输出到数字增益控制电路，控制数字增益控制电路的实际增益；梯度磁场控制器(203)的信号放大电路输出模拟电压信号到所连接的功率放大器；梯度磁场控制器(203)包含的信号放大电路的数量大于等于与其相连的功率放大器的数量，所述的信号放大电路相互独立，能够单独控制其增益和输出极性。
4.如权利要求1所述的阵列梯度线圈驱动装置，其特征在于：所述的数据存储器(204)包括一个与外部的数据接口，一个内部数据缓存器，以及与梯度磁场控制器的接口；与外部的数据接口与上位机或者谱仪控制台连接，从上位机或者谱仪控制台获取阵列梯度线圈(201)中每个线圈的电流大小和方向的数据；内部数据缓存器保存阵列梯度线圈(201)中每个的电流大小和方向的数据；与梯度磁场控制器(203)的接口则包括控制信号线和数据线，梯度磁场控制器(203)通过控制信号线，向数据存储器(204)发出查询指令，若数据存储器(204)的数据已经加载完成，则向梯度磁场控制器(203)返回使能信号，梯度磁场控制器(203)通过数据线获得数据存储器(204)中的电流大小和方向的数据。
5.如权利要求1所述的梯度线圈驱动方法，其特征在于：所述的谱仪控制台(205)或者上位机将阵列梯度线圈(201)中每个线圈的电流大小和方向数据，通过接口加载到数据存储器(204)；梯度磁场控制器(203)通过控制信号线获取数据存储器(204)的状态；当数据存储器(204)完成数据的加载后，梯度磁场控制器(203)从数据存储器(204)获取每个阵列线圈的电流大小和方向数据，用来调节梯度磁场控制器(203)中每个信号放大电路的增益和输出极性；谱仪控制台(205)输出的标准梯度脉冲波形作为每路信号放大电路的输入信号，梯度磁场控制器(203)根据上述信号和数据，解算出阵列梯度线圈(201)每个线圈所连接的功率放大器每个功率单元的控制电压，并输出相应的模拟控制电压给功率放大器(202)的功率单元，使得每个线圈能够获得所需要的电流大小和极性。
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