CN111337866A - 一种开关电源及磁共振成像系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种开关电源及磁共振成像系统。该开关电源用于给射频线圈控制装置供电，所述射频线圈控制装置用于控制磁共振成像系统的射频放大器输出的射频功率流向，且开关电源包括第一功率单元，第二功率单元以及空芯变压器，第二功率单元与第一功率单元通过空芯变压器电性耦合，其中，开关电源被配置工作在预设频率，且预设频率的倍频在磁共振成像系统的接收带宽之外。

Description

一种开关电源及磁共振成像系统
技术领域
本发明涉及磁共振成像系统，尤其涉及一种磁共振成像系统中的开关电源。
背景技术
通常地，磁共振成像系统包括射频线圈组件，射频放大器，射频线圈控制装置以及开关电源，射频线圈控制装置可以控制射频放大器输出的射频功率的输出流向，以控制选择射频发射线圈的具体类型和/或射频接收线圈的具体类型，开关电源与射频线圈控制装置连接，以用于给射频线圈控制装置供电。而开关电源与射频线圈控制装置通常都设置在具有强磁场的扫描室中，开关电源中通常设置有变压器，如果所述变压器具有磁性则无法工作在强磁场的环境中。
此外，尽管通过开关电源给射频线圈控制装置供电的效率较高，然而其会产生较大的噪声，相应的在磁场中产生较大的电磁干扰，因此会影响磁共振图像的精度。
发明内容
本发明提供一种开关电源以及磁共振成像系统。
本发明的示例性实施例提供了一种开关电源，该开关电源用于给射频线圈控制装置供电，所述射频线圈控制装置用于控制磁共振成像系统的射频放大器输出的射频功率流向，且所述开关电源包括第一功率单元和第二功率单元以及空芯变压器，所述第二功率单元与所述第一功率单元通过所述空芯变压器电性耦合，其中，所述开关电源被配置工作在预设频率，且所述预设频率的倍频在所述磁共振成像系统的接收带宽之外。
本发明的示例性实施例还提供了一种磁共振成像系统，该磁共振成像系统包括射频线圈组件，射频放大器，射频线圈控制装置以及开关电源，所述射频线圈组件包括射频发射线圈和射频接收线圈，所述射频放大器用于输出射频功率以激励射频线圈组件产生射频信号，所述射频线圈控制装置用于控制所述射频功率的输出流向，以控制选择所述射频发射线圈的类型和/或所述射频接收线圈的类型，所述开关电源与所述射频线圈控制装置连接，并被配置用于给所述射频线圈控制装置供电，且所述开关电源包括第一功率单元和第二功率单元以及空芯变压器，所述第二功率单元与所述第一功率单元通过所述空芯变压器电性耦合，其中，所述开关电源被配置工作在预设频率，且所述预设频率的倍频在磁共振成像系统的接收带宽之外。
通过下面的详细描述、附图以及权利要求，其他特征和方面会变得清楚。
附图说明
通过结合附图对于本发明的示例性实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1是根据本发明一些实施例的磁共振成像系统的示意图；
图2是根据图1所示的磁共振成像系统的射频线圈控制装置的示意图；
图3是根据图1所示的磁共振成像系统中的开关电源的示意图；以及
图4是根据图3所示的开关电源中的变压器的示意图。
具体实施方式
以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。
除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。
在一些实施例中，在磁共振成像系统(MRI)中，开关电源可被配置给用于控制射频放大器输出的射频功率流向的射频线圈控制装置供电，以控制选择射频发射线圈的具体类型和/或射频接收线圈的具体类型。需要指出的是，从本领域或者相关领域普通技术人员的角度来看，这样的描述不应当理解为只将本发明限制在给射频线圈控制装置供电或磁共振成像系统中，实际上，这里描述的开关电源可以被合理地应用到其他相关的场合，例如，通信，医疗，以及焊接等等。
图1示出了根据本发明一个实施例的磁共振成像系统的框图。如图1所示，磁共振成像系统10包括主磁体12，梯度系统13、射频系统14和控制系统17。主磁体12中空部分形成扫描腔11，用于承载被检测对象16(例如人体)的承载床15能够进入扫描腔11，以对该被检测对象16进行磁共振成像。主磁体12产生的静磁场B0使得处于扫描腔11中的被检测对象16产生纵向宏观磁化矢量。
梯度系统13包括分别在不同方向(例如人体的上下、左右、前后方向，对应于重建坐标的Z轴、X轴和Y轴)上布置的梯度线圈以及梯度控制器(未示出)，梯度控制器用于向梯度线圈发射梯度脉冲，以线性地在静磁场上叠加梯度场，实现对磁共振信号的空间定位，使得产生任一层面或体积的磁共振图像。
射频系统14包括射频线圈组件40，射频放大器45，射频线圈控制装置43以及开关电源44。射频线圈组件40可以包括射频发射线圈41和射频接收线圈42，射频发射线圈41包括体线圈和头线圈等，射频接收线圈42包括体线圈，头线圈和表面线圈等。
射频放大器45用于输出射频功率以激励射频线圈组件40产生射频信号，例如，可以向射频发射线圈41发射射频激发脉冲，以激发被检测对象的纵向磁化矢量发生翻转，从而产生横向磁化矢量，在射频激发脉冲结束后，该横向磁化矢量以固定的角频率绕外磁场进行螺旋状的衰减，以产生自由感应衰减信号，射频接收线圈42通过采集、分析自由感应衰减信号可产生用于对被检测对象进行成像的磁共振信号。
射频线圈控制装置43可以用于控制射频功率的输出流向，以控制选择射频发射线圈41的具体类型和/或射频接收线圈42的具体类型。开关电源44与射频线圈控制装置43连接，并被配置用于给射频线圈控制装置43供电。在一些实施例中，射频线圈控制装置43可以控制在体线圈和头线圈中选择一个作为射频发射线圈，且所述被选择的线圈也可以作为射频接收线圈。在一些实施例中，射频线圈控制装置43可以控制在体线圈和头线圈中选择一个作为射频发射线圈，并不能控制选择射频接收线圈的具体类型。在一些实施例中，射频线圈控制装置43包括开关，当所述开关导通时，所述射频功率流向体线圈，以控制体线圈工作，当所述开关关断时，所述射频功率流向头线圈，以控制头线圈工作。在一些实施例中，射频发射线圈并不限于本申请中提到的体线圈和头线圈，也可以包括其他各种适宜的线圈类型，射频接收线圈也并不限于本申请中提到的体线圈，头线圈和表面线圈，也可以包括其他各种适宜的线圈类型。
控制系统17一方面用于产生脉冲控制序列，该脉冲控制序列经序列发生器18发送至射频放大器45和梯度控制器等，以使得射频放大器45和梯度控制器等分别执行该脉冲控制序列中的射频时序和梯度时序，并在时序的特定时段采集磁共振信号。控制系统17另一方面用于基于采集的磁共振信号进行图像重构。
图2示出了图1所示的磁共振成像系统10中的射频线圈控制装置43的示意图。如图2所示，射频线圈控制装置43包括控制开关27，半桥电路30，以及电压转换装置50。
在一些实施例中，电压转换装置50被配置用于通过端子21接收第一驱动信号，并可以将第一驱动信号转换成第一控制信号。在一些实施例中，电压转换装置50的第一端与开关电源44连接。在一些实施例中，电压转换装置50包括光电耦合器。
在一些实施例中，射频线圈控制装置43进一步包括缓冲单元55，缓冲单元55被配置用于通过端子22接收第二驱动信号，并可以对第二驱动信号进行缓冲以生成第二控制信号。
在一些实施例中，半桥电路30包括串联的第一开关31和第二开关32，第一开关31的驱动端(即栅极)与电压转换装置50的第二端连接，以接收所述第一控制信号，第一开关31的漏极与高压电源25连接，第一开关31的源极与第二开关32的漏极以及电压转换装置50的第三端连接，第二开关32的驱动端(即栅极)与缓冲单元55连接，以接收所述第二控制信号，第二开关32的源极与恒流源26连接。在一些实施例中，第一开关31和第二开关32可以是任何合适的固态半导体开关器件，例如，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor,IGBTs)和金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semi-ConductorField Effect Transistors，MOSFETs)。
在一些实施例中，控制开关27连接于第一开关31和第二开关32之间的连接点23，并被配置用于基于第一开关31和第二开关32的导通和关断以控制射频功率的输出流向。在一些非限制性实施例中，控制开关27可以为二极管，当第一开关31导通而第二开关32关断时，控制开关27反向截止，没有电流流过控制开关27，当第一开关31关断第二开关32导通时，电流会通过控制开关27流向第二开关32以及电流源26，即相当于控制开关27导通。在一些实施例中，控制开关27的其它非限制性实例包括晶体管、门极换流晶闸管、场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管、静态感应晶体管、静态感应晶闸管或其组合。
在一些实施例中，可以通过控制第一驱动信号和第二驱动信号，以控制第一开关31和第二开关32的导通和关断，例如，当第一驱动信号为高电平且第二驱动信号为低电平时，第一开关31导通且第二开关32关断，当第一驱动信号为低电平且第二驱动信号为高电平时，第一开关31关断且第二开关32导通。在一些实施例中，当第一开关31或第二开关32的栅极电压比源极电压高15V时，第一开关31或第二开关32才可以导通，因此，第一驱动信号和第二驱动信号通常为15V，然而由于第二开关31的源极(即连接点23)处的电压是浮动变化的，第一开关31的栅极电压不一定比源极电压高15V，导致第一开关31不一定导通，因此，需要提供一种开关电源给开关转换装置50供电，以使得开关转换装置50输出的电压(即第二端和第三端之间的电压)等于开关电源44所提供的电压(例如，15V)。
图3示出了图1所示的磁共振成像系统10中的开关电源44的示意图，图4示出了如图3所示的开关电源44中的空芯变压器130的示意图。如图3所示，开关电源44包括第一功率单元110，第二功率单元120和空芯变压器130，第二功率单元120与第一功率单元110通过空芯变压器130电性耦合，其中，开关电源44被配置工作在预设频率，且所述预设频率的倍频在磁共振成像系统的接收带宽之外。在一些实施例中，所述预设频率为1.4MHz。
在一些实施例中，通过设置将开关电源44工作在预设频率，可以使得开关电源的噪声在磁共振成像系统的接收带宽之外，也就是说，开关电源产生的噪声并不能被磁共振成像系统所接收到，也就不会对最后的磁共振图像产生干扰。
在一些实施例中，空芯变压器130包括非磁芯、第一绕组131和与第一绕组磁性耦合的第二绕组132，且进一步如图4所示，第一绕组131和第二绕组132并排地绕在非磁芯133上。在一些实施例中，第一绕组131和第二绕组132紧密地绕在一起以增加空芯变压器130的耦合系数。
在一些实施例中，第一功率单元110包括功率放大器111和第一电容112。在一些实施例中，功率放大器111被配置用于对输入信号进行功率放大，功率放大器111的输入端101用于接收输入信号，功率放大器111的第一端105与电源102连接，且第一电容112以及空芯变压器130的第一绕组131串联于功率放大器111的第二端106和第三端107之间。在一些实施例中，所述输入信号为同步时钟信号，且所述输入信号工作在所述预设频率，例如，1.4MHz。在一些实施例中，第一电容112被配置用于滤除功率放大器111输出的被放大的信号中的直流分量，以输出第一信号给第一绕组131。
在一些实施例中，第二功率单元120包括第二电容121和整流单元122。在一些实施例中，第二电容121与空芯变压器130的第二绕组132连接，并被配置用于滤除第二绕组132输出的第二信号中的直流分量。在一些实施例中，整流单元122与第二电容121连接，并被配置用于将所述第二信号中的交流分量转换成直流输出信号。在一些实施例中，整流单元122由二极管器件构成。
在一些实施例中，第二功率单元120进一步包括与整流器122并联连接的输出电容150，其具有低通滤波器的功能，以滤除经整流器122产生的直流电压中的波动信号。可以理解的是，在其他实施例中，第二功率单元120也可以在具体实施时省去该输出电容150。
在一些实施例中，第二功率单元120可以经由两个输出端口141和142输出调节后的直流电压(V0)，以将其作用到射频线圈控制装置中。在一些实施例中，直流电压(V0)被提供给电压转换装置50(如图2所示)的第一端。
在一些实施例中，开关电源44进一步包括旁路单元140，旁路单元140连接在第一绕组131和第二绕组132之间，并且旁路单元140被配置用于旁路由于第一绕组131和第二绕组132紧密放置造成的共模电流的干扰。在一些实施例中，旁路单元140包括旁路电容。
本申请中提出的开关电源，一方面采用空芯变压器，可以解决传统的磁芯无法在强磁场环境中工作的问题，给射频线圈控制装置提供高效的隔离式的电压电源，另一方面，通过将开关电源设置工作在预设频率，使得所述预设频率的倍频在磁共振成像系统的接收带宽之外，以避免开关电源产生的噪声对磁共振图像的精度产生干扰。
上面已经描述了一些示例性实施例，然而，应该理解的是，可以做出各种修改。例如，如果所描述的技术以不同的顺序执行和/或如果所描述的系统、架构、设备或电路中的组件以不同方式被组合和/或被另外的组件或其等同物替代或补充，则可以实现合适的结果。相应地，其他实施方式也落入权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种开关电源，其用于给射频线圈控制装置供电，所述射频线圈控制装置用于控制磁共振成像系统的射频放大器输出的射频功率流向，且所述开关电源包括：
第一功率单元和第二功率单元；以及
空芯变压器，所述第二功率单元与所述第一功率单元通过所述空芯变压器电性耦合；
其中，所述开关电源被配置工作在预设频率，且所述预设频率的倍频在所述磁共振成像系统的接收带宽之外。
2.如权利要求1所述的开关电源，其中，所述空芯变压器包括非磁芯、第一绕组和与所述第一绕组磁性耦合的第二绕组，且所述第一绕组和所述第二绕组并排地绕在非磁芯上。
3.如权利要求2所述的开关电源，其进一步包括旁路单元，所述旁路单元连接在所述第一绕组和所述第二绕组之间。
4.如权利要求2所述的开关电源，其中，所述第一功率单元包括：
功率放大器，用于对输入信号进行功率放大；以及
第一电容，其与所述功率放大器连接，并用于滤除所述被放大的信号中的直流分量以输出第一信号给所述第一绕组。
5.如权利要求4所述的开关电源，其中，所述输入信号工作在所述预设频率。
6.如权利要求4所述的开关电源，其中，所述第二功率单元包括：
第二电容，其与所述第二绕组连接，并用于滤除所述第二绕组输出的第二信号中的直流分量；以及
整流单元，其与所述第二电容连接，并用于将所述第二信号中的交流分量转换成直流输出信号。
7.如权利要求1所述的开关电源，其中，所述预设频率为1.4MHz。
8.一种磁共振成像系统，其包括：
射频线圈组件，其包括射频发射线圈和射频接收线圈；
射频放大器，用于输出射频功率以激励所述射频线圈组件产生射频信号；
射频线圈控制装置，其用于控制所述射频功率的输出流向，以控制选择所述射频发射线圈的具体类型和/或所述射频接收线圈的具体类型；以及
如权利要求1-7任一项所述的开关电源，其与所述射频线圈控制装置连接，并被配置用于给所述射频线圈控制装置供电。
9.如权利要求8所述的磁共振成像系统，其中，所述射频线圈控制装置包括：控制开关，其被配置用于控制所述射频功率的输出流向；
半桥电路，其包括串联的第一开关和第二开关，且所述第一开关和所述第二开关的连接点与所述控制开关连接；以及
电压转换装置，其与所述第一开关的驱动端和所述开关电源连接，并被配置用于将第一驱动信号转换成第一控制信号以控制所述第一开关。
10.如权利要求9所述的磁共振成像系统，其中，所述射频线圈控制装置进一步包括缓冲单元，其与所述第二开关的驱动端连接，并被配置用于对第二驱动信号进行缓冲以控制所述第二开关。
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