CN109980743B - 用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统及控制方法 - Google Patents

用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统及控制方法，所述控制系统包括电源、预极化线圈、充电保护电路、自举升压电路和桥式对称驱动电路，所述充电保护电路和自举升压电路串联并与所述电源形成回路，所述桥式对称驱动电路包括与所述电容器组并联的四个IGBT开关管，四个IGBT开关管构成对称的全桥结构以实现所述预极化线圈电流的开通和关断，所述预极化线圈连接于四个IGBT开关管之间。本发明中通过在所述桥式对称驱动电路关断时所述预极化线圈的自感电流向所述电容器组充电，使得所述电容器组产生远高于所述电源电压的电势并作用在所述预极化线圈上，从而使所述预极化线圈的电流下降速率不断增加，实现了所述预极化线圈电流的快速关断。

Description

用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及到低场核磁共振技术领域，尤其涉及一种用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统及控制方法。
背景技术
磁共振成像系统(MRI)具有良好的软组织分辨能力，被广泛应用于生物、医学等领域，成为临床诊断的有力手段。
目前常见的高场磁共振成像系统(MRI)一直追求更高的主磁场强度B0场强，但这种方案面临着成本昂贵，以及对硬件要求苛刻等困难，同时还存在特殊病人不适用的问题；与之相比，极低场磁共振成像系统的B0场强低，具有结构简单、成本低廉等优势，而且现有实验还表明，与高场相比较，极低场下不同软组织(如肿瘤或正常组织) 的对比度显著增大，且极低场图像对金属不敏感，无磁化率伪影。但是由于主磁场B0 的强度降低数个量级，极低场磁共振成像系统(ULF MRI)面临着信噪比低的问题，除了采用高灵敏度的磁探测传感器取代法拉第线圈用于ULF MRI信号检测之外，另外采取的措施是使用空心线圈在成像准备阶段产生数百mT量级的预极化场(Bp)来提高初始信号的强度，在测量时再迅速将该预极化场(Bp)撤离。通常情况下，由于预极化线圈(Bp线圈)自感的作用，线圈里的电流关断具有一个从大到小逐渐减弱的过程，如果该过程持续时间与成像对象(如生物组织、四肢等)的纵向弛豫时间可比，就会干扰极低场磁共振成像系统测试的B0场和成像梯度场，从而影响成像效果。
同时，如图1所示，现有预极化线圈的驱动电路结构在预极化线圈完全关断后，通过预极化线圈的电流是两个IGBT开关管的漏电流之和，该漏电流还会干扰后续磁共振的测量，影响检测精度；而且现有结构中也无法产生负的预极化电流，若电源接反时还会引起电解电容充电极性错误而可能发生爆炸或损坏IGBT开关管的危险。
因此，必须设计一种能够驱动预极化线圈(Bp线圈)的大电流驱动电路，且确保在需要撤销预极化磁场(Bp)时可以在极短时间内关断预极化电流的控制系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统和控制方法，用于控制预极化线圈的电流，实现预极化线圈的大电流驱动，并能够实现驱动电流的快速关断，满足低场核磁共振对预极化磁场的要求。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统，包括电源、预极化线圈、充电保护电路、自举升压电路和桥式对称驱动电路，所述充电保护电路和所述自举升压电路串联并与所述电源形成一个回路，所述充电保护电路包括并联连接的充电电阻和第五IGBT开关管，所述自举升压电路包括串联连接的功率二极管和电容器组，所述桥式对称驱动电路包括串联连接并设于所述电容器组两端的第一IGBT开关管和第三IGBT开关管，以及串联连接并设于所述电容器组两端的第二 IGBT开关管和第四IGBT开关管，所述第一IGBT开关管、所述第二IGBT开关管、所述第三IGBT开关管和所述第四IGBT开关管构成对称的全桥结构，所述预极化线圈一端连接于所述第一IGBT开关管和所述第三IGBT开关管之间，所述预极化线圈另一端连接于所述第二IGBT开关管和所述第四IGBT开关管之间。
优选地，所述电容器组两端并联设有用于释放所述电容器组内储存电荷的泄放电阻。
优选地，所述第一IGBT开关管、所述第二IGBT开关管、所述第三IGBT开关管和所述第四IGBT开关管的开通和关断通过PWM方式进行控制。
一种用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制方法，采用了上述的用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统，所述方法包括以下步骤：
S100、将所述电源接入电路，所述电源通过所述充电电阻流经所述功率二极管向所述电容器组充电，当所述电容器组电压超过设定值时，打开所述第五IGBT开关管，使所述电源与主电路接通，所述电容器组的充电电流i1为：
Figure BDA0002028895950000021
式(1)中，R为充电电阻的电阻值，U0是电源的电压，C是电容器组的总电容，t1为电容器组的充电时间；
S200、开通所述第一IGBT开关管和所述第四IGBT开关管，同时保持所述第二IGBT开关管和所述第三IGBT开关管处于关闭状态，所述电源的电流依次通过所述第五IGBT 开关管、所述功率二极管、所述第一IGBT开关管、所述预极化线圈和所述第四IGBT开关管返回至电源形成回路，此时所述预极化线圈的电流i2变化规律为：
Figure BDA0002028895950000031
由式(2)可知
Figure BDA0002028895950000032
其中μD是功率二极管的导通压降，R0是所述预极化线圈的电阻值，L是所述预极化线圈的电感值，t为所述步骤S200开始后的通电时间；
S300、关断所述第一IGBT开关管和所述第四IGBT开关管，所述预极化线圈内的电感电流依次通过所述第二IGBT开关管的续流二极管、所述电容器组、所述第三IGBT开关管的续流二极管并返回至所述预极化线圈形成回路，此时所述电容器组的电压变化规律为：
Figure BDA0002028895950000033
由式(4)可知，若所述预极化线圈的稳态预极化电流为i0，所述电容器组的初始电压为μ0，则所述电容器组的电压为：
Figure BDA0002028895950000034
式(5)中，μ(t3)≥0，频率
Figure BDA0002028895950000035
电压幅值
Figure BDA0002028895950000036
同理，此时所述预极化线圈的电流i3变化率为：
Figure BDA0002028895950000037
式(6)中，i3(t3)≥0，
Figure BDA0002028895950000038
电流幅值
Figure BDA0002028895950000039
优选地，在所述步骤S200中开通所述第二IGBT开关管和所述第三IGBT开关管，保持所述第一IGBT开关管和所述第四IGBT开关管处于关闭状态，则所述步骤S300 中需要关断的是所述第二IGBT开关管和所述第三IGBT开关管，此时所述电源的电流依次通过所述第五IGBT开关管、所述功率二极管、所述第二IGBT开关管、所述预极化线圈和所述第三IGBT开关管形成回路。
与现有技术比较，本发明具有以下的有益技术效果：
(1)本发明通过所述电容器组收集关断阶段所述预极化线圈的储存电荷，使所述电容器组产生高于所述电源的供电电压，从而加快所述预极化线圈的电流下降速度；
(2)本发明采用所述桥式开关驱动电路，可以灵活地控制四个IGBT开关管的开通和关断，从而灵活控制所述预极化线圈的电流大小和方向，适合低场核磁共振在屏蔽室环境下进行感应涡流补偿的主动控制；
(3)本发明采用对称的所述桥式开关驱动电路，当所述预极化线圈的电流完全关断后，由于桥式驱动电路的对称性，所述IGBT开关管的漏电流不会经过所述预极化线圈，从而不存在所述预极化线圈关断后的漏电流和残留磁场问题；
(4)本发明中采用所述充电保护电路，能够有效防止所述电源接入瞬间因所述电容器组充电电流过大而产生的电弧现象，甚至损坏电源；
(5)本发明中的所述功率二极管具有防插反保护的作用，当电源的极性接反时，由于所述功率二极管处于反向截止状态，有效保护了电路中的部件不会被损坏；
(6)本发明可通过所述电容器两端并联设置的所述泄放电阻，能够及时泄放所述电容器组内储存的电荷，保证电路在不工作情况下的使用安全。
附图说明
图1是现有的预极化线圈的驱动电路原理图，
图2是本发明用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统结构示意图，
图3是图2中所述IGBT开关管关断阶段的等效电路图，
图4是本发明的电路实测电流和电压波形图，
图5是本发明的实测电流关断波形图。
图中：1.电源，2.预极化线圈，3.充电保护电路，31.充电电阻，32.第五IGBT开关管，4.自举升压电路，41.功率二极管，42.电容器组，43.泄放电阻，5.驱动电路，51.第一IGBT开关管，52.第二IGBT开关管，53.第三IGBT开关管，54.第四IGBT开关管。
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的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图2所示，一种用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统，包括电源1、预极化线圈2、充电保护电路3、自举升压电路4和桥式开关驱动电路，所述充电保护电路3和所述自举升压电路4串联并与所述电源1形成一个回路，所述充电保护电路3包括并联连接的充电电阻31和第五IGBT开关管32，所述自举升压电路4包括串联连接的功率二极管41和电容器组42，所述桥式开关驱动电路包括串联连接并设于所述电容器组42两端的第一IGBT开关管51和第三IGBT开关管53，以及串联连接并设于所述电容器组42两端的第二IGBT开关管52和第四IGBT开关管54，所述第一IGBT开关管51、所述第二IGBT开关管52、所述第三IGBT开关管53和所述第四IGBT开关管 54构成对称的全桥结构，所述预极化线圈2一端连接于所述第一IGBT开关管51和所述第三IGBT开关管53之间，所述预极化线圈2另一端连接于所述第二IGBT开关管 52和所述第四IGBT开关管54之间。
本实施例中，所述电源1接入电路后通过所述充电电阻31充电给所述电容器组42，当所述电容器组42充电电压达到设定值后，开通所述第五IGBT开关管32使后续电路与所述电源1连通，然后通过控制构成对称全桥结构的四个所述IGBT开关管实现所述预极化线圈2的电流开通和关断；当所述桥式开关驱动电路关断时，由于所述功率二极管41处于反向截至状态，此时所述预极化线圈2内的电流只能通过所述桥式开关驱动电路续流而反向向所述电容器组42充电，使得所述电容器组42产生远高于所述电源1 电压的电势并作用在所述预极化线圈2上，从而促使所述预极化线圈2的电流下降速率不断增加，实现了所述预极化线圈2电流的快速关断。
如图2所示，所述电容器组42两端并联设有用于释放所述电容器组42内储存电荷的泄放电阻43。由于所述电容器组42在关断阶段会储存所述预极化线圈2内的电荷从而维持高电压，可使所述桥式开关驱动电路开通时，所述预极化线圈2的电流上升速度随之大幅提升，本实施例中，对于所述预极化线圈2的电流上升率没有特殊要求，故根据操作安全需要，在所述电容器组42的两端并联设有一个所述泄放电阻43，以便在电路不工作的情况下，用于及时泄放所述电容器组42内所储存的电荷，为防止放电速度过快，所述泄放电阻43的阻值较大。
如图2所示，所述第一IGBT开关管51、所述第二IGBT开关管52、所述第三IGBT开关管53和所述第四IGBT开关管54的开通和关断通过PWM(脉冲宽度调制)方式进行控制。本实施例中，通过对第一IGBT开关管51、所述第二IGBT开关管52、所述第三IGBT 开关管53和所述第四IGBT开关管54接入PWM方波，采用PWM(脉冲宽度调制)方式控制所述第一IGBT开关管51、所述第二IGBT开关管52、所述第三IGBT开关管53和所述第四IGBT开关管54的开通和关断，所述预极化线圈2能够产生幅值小于U0/R0的任意大小和不同方向的极化电流，同时只要保持所述第一IGBT开关管51、所述第二IGBT开关管52、所述第三IGBT开关管53和所述第四IGBT开关管54处于完全关断状态，即可实现所述预极化线圈2电流的快速关断。
如图2、图3所示，一种用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制方法，采用了上述用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统，所述方法包括以下步骤：
S100、将所述电源接入电路，所述电源通过所述充电电阻流经所述功率二极管向所述电容器组充电，当所述电容器组电压超过设定值时，打开所述第五IGBT开关管，使所述电源与主电路接通，所述电容器组的充电电流i1为：
Figure BDA0002028895950000061
式(1)中，R为充电电阻的电阻值，U0为电源的电压，C为电容器组的总电容，t1为电容器组的充电时间；
本实施例中，如图2所示，在所述步骤S100中所有IGBT开关管均处于截止关闭状态，当所述电源1接入电路后，所述电源1的电流则通过所述充电电阻31经所述功率二极管41向所述电容器组42充电，由式(1)可知，此时最大充电电流i1＝U0/R，充电时间常数为RC，当所述电容器组42的电压超过设定值时，即可开通所述第五IGBT 开关管32使所述电源1与主电路连通。通过所述充电电阻31对所述电容器组42充电，有效防止了所述电源1在接入瞬间因所述电容器组42的充电电流过大而产生电弧或者出现损坏电源的现象；
S200、开通所述第一IGBT开关管和所述第四IGBT开关管，同时保持所述第二IGBT开关管和所述第三IGBT开关管处于关闭状态，所述电源的电流依次通过所述第五IGBT 开关管、所述功率二极管、所述第一IGBT开关管、所述预极化线圈和所述第四IGBT开关管返回至电源形成回路，此时所述预极化线圈的电流变化规律为：
Figure BDA0002028895950000071
由式(2)可知
Figure BDA0002028895950000072
其中，μD为功率二极管的导通压降，R0为所述预极化线圈的电阻值，L为所述预极化线圈的电感值，t2为所述步骤S200开始后的通电时间；
本实施例中，如图2所示，在所述步骤S200中，由于所述IGBT开关管开通时的电阻很小，可以认为所述电源1的电压等于所述预极化线圈2上的电压，由式(3)可知，所述预极化线圈的稳态电流为(U0-μD)/R0，通过控制所述桥式开关驱动电路，进而控制所述预极化线圈2内的电流大小，实现低场核磁共振的预极化线圈的大电流驱动。
S300、关断所述第一IGBT开关管和所述第四IGBT开关管，所述预极化线圈内的电感电流依次通过所述第二IGBT开关管的续流二极管、所述电容器组、所述第三IGBT开关管的续流二极管并返回至所述预极化线圈形成回路，此时所述电容器组的电压变化规律为：
Figure BDA0002028895950000073
式(4)中，t3是所述步骤S300开始后时间，i3是从所述步骤S300开始后的所述预极化线圈的电流，由式(4)可知，若所述预极化线圈的稳态预极化电流为i0，所述电容器组的初始电压为μ0，则所述电容器组的电压变化规律为：
Figure BDA0002028895950000081
式(5)中，μ(t3)≥0，
Figure BDA0002028895950000082
电压幅值
Figure BDA0002028895950000083
则此时所述预极化线圈的电流i3变化率为：
Figure BDA0002028895950000084
式(6)中，
Figure BDA0002028895950000085
电流幅值
Figure BDA0002028895950000086
本实施例中，如图2、图3所示，在所述步骤S300中，所述桥式开关驱动电路中的四个IGBT开关管均处于截止关闭状态，由于所述预极化线圈2的电感作用，所述预极化线圈2内的电流依次通过所述第一IGBT开关管51的续流二极管、所述电容器组 42、所述第四IGBT开关管54的续流二极管并返回至所述预极化线圈2形成回路。由式(5)可以看出，由于所述预极化线圈2的电感电流反向向所述电容器组42充电，促使了所述电容器组42两端的电压以近似正弦规律上升，通过所述电容器组42两端电压的升高从而加快了所述预极化线圈2内的电流下降速率，由式(6)可以看出，所述预极化线圈2内的电流以余弦规律从最大值下降到零，其电流的下降速率是逐渐增大的，实现了所述预极化线圈电流在极短时间内的快速关断。本实施例中，由于所述预极化线圈2的直流电阻R0很小，则可以认为1-ζ2≈1，由式(5)和式(6)可知，为了减小电流的关断时间，可以通过增大频率ω来实现，当所述预极化线圈2的电感L确定之后，则通过减小所述电容器组42的电容量C的值来增大频率ω，考虑到电压幅值Aμ也随之提升，故需要从所述电容器组42的电容耐压和容量等参数，以及电流的关断时间和电源电压的限制等方面来综合考虑频率值ω和电压幅值Aμ。
如图2所示，在所述步骤S200中开通所述第二IGBT开关管52和所述第三IGBT 开关管53，保持所述第一IGBT开关管51和所述第四IGBT开关管54处于关闭状态，则所述步骤S300中需要关断的是所述第二IGBT开关管52和所述第三IGBT开关管53，此时所述电源的电流依次通过所述第五IGBT开关管32、所述功率二极管41、所述第二IGBT开关管52、所述预极化线圈2和所述第三IGBT开关管53形成回路。本实施例中，在所述步骤S200中，开通的所述IGBT开关管可以是所述第一IGBT开关管51 和所述第四IGBT开关管54，也可以是所述第二IGBT开关管52和所述第三IGBT开关管53，由于所开通的所述IGBT开关管不同，实现了所述预极化线圈2上的电流方向发生变化，即在所述步骤S200中，若开通所述第一IGBT开关管51和所述第四IGBT开关管54时，所述预极化线圈2上的电流方向为正向；则开通所述第二IGBT开关管52 和所述第三IGBT开关管53时，所述预极化线圈2上的电流方向为负向，这一点有利于便捷地更换低场核磁共振的预极化磁场的方向，同时本实施例中还可以通过PWM方式控制所述第一IGBT开关管51、所述第二IGBT开关管52、所述第三IGBT开关管53 和所述第四IGBT开关管54的栅极电压来控制所述预极化线圈2上的电流大小。
为了进一步说明本发明的技术效果，下面将本发明用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统及其控制方法应用于实际当中进行测试，其测试条件如下：
直流电源电压U0＝210V，预极化线圈自感L＝23.7mH，电容器组由三只相同的电容量C′＝5600uF的电容串联组成，所述电容器组42两端并联有所述泄放电阻43，所述预极化线圈2电流i0＝150A时的开通和关断测试进行了两次，图4为测得的所述预极化线圈的电流和电压波形图，图5为第二次关断瞬间电流局部放大曲线图，从图4和图 5中可以明显看出，所述预极化线圈2的电流从稳态150A到完全关断是一条近似余弦的下降曲线，其关断时间小于8ms，而且在所述自举升压电路3的作用，所述电容器组 42两端的最高电压达到了578V，进而实现了本发明中所述预极化线圈2中电流的快速关断。由图4的电压曲线还可以看出，由于所述电容器组42两端并联的所述泄放电阻 43，使得所述预极化线圈2的电压在所述直流电源电流关断后以指数规律逐渐下降到所述直流电源的电压，大大提升了本发明用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统的操作安全性。
需要说明的是，本发明中所述电源为直流电源或是通过交流电变换而来的直流电源。
以上对本发明所提供的用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统及控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统，其特征在于，包括电源(1)、预极化线圈(2)、充电保护电路(3)、自举升压电路(4)和桥式开关驱动电路，所述充电保护电路(3)和所述自举升压电路(4)串联并与所述电源(1)形成一个回路，所述充电保护电路(3)包括并联连接的充电电阻(31)和第五IGBT开关管(32)，所述自举升压电路(4)包括串联连接的功率二极管(41)和电容器组(42)，所述桥式开关驱动电路包括串联连接并设于所述电容器组(42)两端的第一IGBT开关管(51)和第三IGBT开关管(53)，以及串联连接并设于所述电容器组(42)两端的第二IGBT开关管(52)和第四IGBT开关管(54)，所述第一IGBT开关管(51)、所述第二IGBT开关管(52)、所述第三IGBT开关管(53)和所述第四IGBT开关管(54)构成对称的全桥结构，所述预极化线圈(2)一端连接于所述第一IGBT开关管(51)和所述第三IGBT开关管(53)之间，所述预极化线圈(2)另一端连接于所述第二IGBT开关管(52)和所述第四IGBT开关管(54)之间，所述用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统通过如下方法进行控制：
S100、将所述电源接入电路，所述电源通过所述充电电阻流经所述功率二极管向所述电容器组充电，当所述电容器组电压超过设定值时，打开所述第五IGBT开关管，所述电容器组的充电电流i1为：
Figure FDA0002696391450000011
式(1)中，R为充电电阻的电阻值，U0是电源的电压，C是电容器组的总电容，t1为电容器组的充电时间；
S200、开通所述第一IGBT开关管和所述第四IGBT开关管，同时保持所述第二IGBT开关管和所述第三IGBT开关管处于关闭状态，所述电源的电流依次通过所述第五IGBT开关管、所述功率二极管、所述第一IGBT开关管、所述预极化线圈和所述第四IGBT开关管返回至电源形成回路，此时所述预极化线圈的电流i2变化规律为：
Figure FDA0002696391450000012
由式(2)可知
Figure FDA0002696391450000021
其中μD是功率二极管的导通压降，R0是所述预极化线圈的电阻值，L是所述预极化线圈的电感值，t2为所述步骤S200开始后的通电时间；
S300、关断所述第一IGBT开关管和所述第四IGBT开关管，所述预极化线圈内的电感电流依次通过所述第二IGBT开关管的续流二极管、所述电容器组、所述第三IGBT开关管的续流二极管并返回至所述预极化线圈形成回路，此时所述电容器组的电压变化规律为：
Figure FDA0002696391450000022
式(4)中，t3是所述步骤S300开始后时间，i3是从所述步骤S300开始后的所述预极化线圈的电流，由式(4)可知，若所述预极化线圈的稳态预极化电流为
Figure FDA0002696391450000029
所述电容器组的初始电压为μ0，则所述电容器组的电压为：
Figure FDA0002696391450000023
式(5)中，μ(t3)≥0，
Figure FDA0002696391450000024
电压幅值
Figure FDA0002696391450000025
同理，此时所述预极化线圈的电流i3变化率为：
Figure FDA0002696391450000026
式(6)中，
Figure FDA00026963914500000210
Figure FDA0002696391450000027
电流幅值
Figure FDA0002696391450000028
2.如权利要求1所述的用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统，其特征在于，所述电容器组(42)两端并联设有用于释放所述电容器组(42)内储存电荷的泄放电阻(43)。
3.如权利要求2所述的用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统，其特征在于，所述第一IGBT开关管(51)、所述第二IGBT开关管(52)、所述第三IGBT开关管(53)和所述第四IGBT开关管(54)的开通和关断通过PWM方式进行控制。
4.如权利要求3所述的用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统，其特征在于，在所述步骤S200中开通所述第二IGBT开关管和所述第三IGBT开关管，保持所述第一IGBT开关管和所述第四IGBT开关管处于关闭状态，则所述步骤S300中需要关断的是所述第二IGBT开关管和所述第三IGBT开关管，此时所述电源的电流依次通过所述第五IGBT开关管、所述功率二极管、所述第二IGBT开关管、所述预极化线圈和所述第三IGBT开关管形成回路。
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