CN111727378B - 具有可切换电源设备的rf发射系统 - Google Patents

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Abstract

本发明针对一种用于磁共振检查系统的RF发射系统(1)，其中，所述RF发射系统旨在提供对以良好的功率效率在具有不同峰值功率要求的操作模式之间快速切换的问题的解决方案。为此，所述RF发射系统(1)包括：至少一个RF通道(14)，其中，所述RF通道(14)具有RF放大器(3)；至少两个电源设备(4、5)，其中，所述电源设备(4、5)中的每个电源设备被配置为向所述放大器(3)供应电压。所述RF发射系统(1)还包括：DC开关(8)，其被配置为在所述电源设备(4、5)之间切换被供应给所述放大器(3)的所述电压；以及控制器(2)，其被配置为基于传感器数据来切换所述电压。

Description

具有可切换电源设备的RF发射系统
技术领域
本发明涉及的领域是RF发射系统，特别是具有可切换电源设备的RF发射系统，包括这样的具有可切换电源设备的RF发射系统的磁共振检查系统、操作这样的RF发射系统的方法以及包括适于执行该方法的计算机程序代码的计算机程序。
背景技术
发射RF链的总体目标是在遵守技术上和生物学的限制的同时在最短的时间段内生成期望的自旋激励。MRI系统的发射RF链包含若干高功率RF放大器，它们驱动MRI线圈。RF链包括数字RF脉冲生成器、RF放大器、模拟S/R开关以及MRI天线。RF匀场和将RF功率平均分布到线圈中可能需要多通道发射。MRI基于各种化学参数和物理参数提供了广泛的对比机制。这种变化会导致对RF脉冲的非凡要求以激励自旋或达到某些效果。操作要求是在短期应用中具有高功率(大约1ms，1-10kW)，针对连续应用具有低功率(大约几秒，<100W)以及针对中期应用具有中等功率(大约50ms，0.1-1kW)。对于某些应用(例如，酰胺质子转移(APT)加权成像)，操作要求可能会在不到一毫秒的时间内发生变化。仅该短时间范围可用于切换，例如在准备脉冲与成像脉冲之间切换。另外，需要遵守固定的绝对技术限制，例如，针对放大器的最大峰值功率的绝对技术限制或针对最大线圈电流的绝对技术限制。其他参数更加灵活并且取决于RF波形的时间演变，例如，最大可用短期平均RF功率，其取决于脉冲形状和最近施加的RF功率。
为了达到16kW(＝10×1.6kW)的正向功率，必须设置Vds＝50V。在以接近最大RF功率的RF功率使用放大器时，放大器的工作效率很高。其效率＞70％指示有效使用了所提供的DC功率。同时，由于损耗相当低，因此发热和参数漂移非常有限。另一方面，在500W(10×50W)下，效率低于20％。与脉冲串的长脉冲持续时间(大约几秒)的组合对于电容器组和电源来说非常具有挑战性。脉冲期间的电压降可能非常大而导致无法实现期望的包络。如果可以选择Vds＝25V，则效率要高得多。因此，为了在低RF功率下获得最优效率，对电容器组和DC电源的要求会发生变化。然而，由于电容器组的电容相对较大且DC电源的反应时间较慢，因此无法在几毫秒内改变漏极电压。
发明内容
针对一种操作模式优化了现有技术的RF放大器，其结果是，就DC功率和冷却要求而言，其他类型的RF脉冲无法实现或者至少效率会非常低下。某些放大器会提供多种操作模式，但是由于其技术实现方式，切换过程需要花费大约几秒钟甚至几分钟的时间，从而使得无法在前述APT序列中应用模式切换。
本发明的目的是解决以良好的功率效率在具有不同峰值功率要求的操作模式之间快速切换的问题。
根据本发明，该目的通过独立权利要求的主题得以解决。在从属权利要求中描述了本发明的优选实施例。
因此，根据本发明，该目的通过一种用于磁共振检查系统的RF发射系统得以实现，所述RF发射系统包括：
至少一个RF通道，其中，所述RF通道具有RF放大器，
至少两个电源设备，其中，所述电源设备中的每个电源设备被配置为向所述放大器供应电压，
DC开关，其被配置为在所述电源设备之间切换被供应给所述放大器的所述电压，
控制器，其被配置为基于传感器数据来切换所述电压。
本发明的基本思想是对来自两个不同电源设备的至少两个不同电压进行积分并进行智能调整以例如将最优电压切换到RF放大器。本发明使得能够在高漏极电压下以高峰值功率以及在低漏极电压下以低峰值功率操作放大器，其中，在两种操作模式下都实现了高功率效率。
在优选实施例中，至少一个电容器组被连接到电源设备与RF放大器之间的导体路径。为了补偿放大器操作时的电压降，电容器组根据需要向放大器供电。
在优选的实施例中，所述开关、所述电源设备和所述电容器组与多个放大器相关联。这有利于使放大器具有公共电压源。
在另一优选实施例中，所述电源设备被永久地连接到对应的电容器组。
在优选实施例中，所述放大器包括一组FETS。
在另一优选实施例中，所述DC开关是固态开关或机械开关或MEMS开关或真空开关。固态开关是有利的，因为固态开关是快速的并且切换能够在几分之一毫秒内完成。另一优点是固态开关易于实现，因为它能够实现仅在电流为零时进行切换。
在优选实施例中，所述DC开关是切换矩阵。当使用多个电源设备和放大器在短时间内容易地选择电源设备和放大器的期望配置时，切换矩阵是有利的。
在另一优选实施例中，所述开关和/或所述电容器组被定位为靠近所述RF放大器或者被集成到所述放大器中。
在优选实施例中，所述控制器根据RF序列要求基于传感器数据来管理参数。RF序列要求是磁共振检查系统的不同参数的相互作用。
在另一优选实施例中，参数是来自电容器组和/或开关和/或MR序列控制器和/或电源和/或RF放大器的参数。这些参数是强制性的，以确保在技术范围内安全操作以及设置正确的控制器参数(例如，增益)。
在本发明的另一方面中，该目的通过一种磁共振检查系统来实现，所述磁共振检查系统包括上面公开的RF发射系统。
在本发明的另一方面中，该目的通过一种在上述磁共振检查系统中操作本文公开的RF发射系统的实施例的方法来实现。所述方法包括以下步骤：
开始MR检查，
选择MR方法，
开始MR序列，
由所述控制器根据所述RF序列要求来管理参数，
根据所述控制器来切换所述电压，
结束MR序列，
重复流程。
在优选实施例中，一种用于操作RF发射系统的方法还包括以下步骤：
在所述MR序列期间由所述DC开关多次切换所述电压。
由于MRI基于各种化学参数和物理参数提供了广泛的对比机制，因此这种变化会导致对RF脉冲的非凡要求以激励自旋或达到某些效果。因此，根据MR序列和临床要求，在MR序列期间多次切换电压是有利的。
在本发明的另一方面中，该目的通过一种包括计算机程序代码的计算机程序来实现，当所述程序在可编程(微型)计算机上运行时，所述计算机程序代码适于执行上述方法或者用于在上述方法中使用。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得显而易见并且得到阐明。然而，这样的实施例不一定表示本发明的全部范围，因此，在本文中引用权利要求来解读本发明的范围。
在附图中：
图1示出了根据本发明的优选实施例的包括RF发射系统的实施例的磁共振检查系统的部分的示意图。
图2示出了根据本发明的优选实施例的流程图。
附图标记列表
1 RF发射系统
2 控制器
3 RF放大器
4 电源设备
5 电源设备
6 电容器组
7 电容器组
8 开关
9 RF输入通道
10 RF输出通道
11 RF要求信号
12 导体路径
13 导体路径
14 RF频道
15 BIAS控件
具体实施方式
图1示出了根据本发明的优选实施例的包括RF发射系统1的实施例的磁共振检查系统的部分的示意图。RF发射系统1包括放大器3，放大器3被配置为放大输入信号9并且被配置为将经放大的输入信号9输出为输出信号10。RF放大器3的操作属性取决于偏置点Idq静态漏极-源极电流和漏极电压Vds。通过将FETS放在一起可以形成具有16kW正向功率的典型MRI放大器。从电源设备4、5供应DC漏极电压Vds。为了在短时间内实现高能量要求，将电容器组6、7连接到电源4、5与放大器3之间的导体路径12、13。电容器组6、7在RF脉冲结束期间和之后且在下一脉冲开始之前得到充电。通常，其电容大约为100mF。对电容器组6、7和电源4、5的能力优化是强制性的并且对这样的设备的成本产生重大影响。为了实现例如16kW(＝10×1.6kW)正向功率，必须设置(例如)Vds＝50V。在以接近最大RF功率的RF功率使用RF放大器3时，RF放大器3的工作效率很高。该效率能够＞70％，从而指示有效使用了所提供的DC功率。同时，由于损耗相当低，因此发热和参数漂移非常有限。在某些MRI应用中，脉冲可以混合有短持续时间的高功率(例如16kW)与长脉冲持续时间的低功率(500W)。然而，在500W(10×50W)下，效率会非常低(例如低于20％)。与脉冲的长脉冲持续时间(大约几秒)的组合对于电容器组6、7和电源4、5以及放大器和电源的冷却系统来说非常具有挑战性。脉冲期间的电压降或热耗散可能非常大而导致无法实现期望的RF信号包络。如果可以选择不同的较低的漏极电压(例如，Vds＝25V)，则效率要高得多。因此，为了在低RF功率下获得最优效率，对电容器组6、7和DC电源设备4、5的要求会发生变化。因此，在图1中示出了两个不同的电源设备4、5，其中，每个电源设备4、5中的每个电源设备被配置为向RF放大器3供应电压。预见到DC开关8将改变两个电源设备4、5之间的电压。DC开关8也能够是固态开关。容易实现固态开关，因为能够实现固态开关而使得仅在电流为零时才进行切换。固态开关的另一优点是它们速度很快，使得即使在毫秒内的MR序列期间也能够改变电压。当使用多个电源设备4、5时，DC开关8也能够是切换矩阵。在电源设备4、5与DC开关8之间的导体路径12、13中的每条导体路径上连接有电容器组6、7。电容器组6、7存储来自电源设备4、5的电荷。为了补偿RF放大器3操作时的电压降，电容器组6、7根据需要向RF放大器3供电。特别地，电容器组6、7用作用于供应无法由电源设备4、5递送的超额电力的电池。DC开关8和RF放大器3被连接到控制器2。通过改变漏极电压，RF放大器3的增益也会改变。因此，也必须调整RF输入电平和/或偏置点。控制器2根据RF序列要求11来管理来自磁共振检查系统1的个体参数。控制器2适于管理来自DC开关8，电容器组6、7，MR序列控制器，电源设备4、5以及RF放大器3的信息。利用由控制器2分析的信息，能够根据所需的增益设置将电源设备4、5以及电容器组6、7一起切换到RF放大器3。在本发明的实施例中，控制器已经能够预先得到关于RF要求的信息，使得他能够前瞻性地切换电压。本发明的电源设备4、5能够在至少两种操作模式之间快速切换。这使得在准备和信号生成中的功率要求的临床实用的采集序列是不同的(例如，ATP序列是不同的)。在本发明的实施例中，预见到偏置控件15。通过改变Vds，可能有必要改变偏置设置才能回到适当的放大器工作点。该偏置控件实质上是稳定化的电流源或电压源。
图2示出了根据本发明的优选实施例的流程图。该流程图开始于步骤100，根据步骤100，开始MR检查。在步骤110中，选择MR方法；并且在步骤120中，开始MR序列。在MR序列期间，有时需要在短时间内实现高能量要求。为此，在步骤130中，控制器2管理磁共振检查系统的个体参数。该参数能够是由传感器从DC开关8，电容器组6、7，MR序列控制器，电源设备4、5以及根据RF放大器3的状态获得的参数。控制器2根据RF序列要求来管理个体参数，并且在步骤140中利用DC开关8将电源设备4、5之间的电压切换到MR序列期间的最优电压。在本发明的实施例中，也可能多次进行序列内的切换。根据MR序列和临床要求，也能够在MR序列期间多次切换电压。在步骤150中，MR序列结束，并且在步骤160中重复该流程。
虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示例性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。另外，为了清楚起见，可能并不是附图中的所有元件都被提供有附图标记。

Claims (12)

1.一种用于磁共振检查系统的RF发射系统(1)，包括：
至少一个RF通道(14)，其中，所述RF通道(14)具有RF放大器(3)；
所述RF放大器(3)；
至少两个电源设备(4、5)，其中，所述电源设备(4、5)中的每个电源设备被配置为向所述RF放大器(3)供应电压，其中，所述电源设备(4、5)是不同的并且被配置提供不同的电压；
DC开关(8)，其被配置为：在所述电源设备(4、5)之间切换被供应给所述RF放大器(3)的所述电压，将所述RF放大器的操作点在高漏极电压下的高峰值功率与低漏极电压下的低峰值功率之间切换，将导体路径在所述DC开关(8)与所述电源设备(4、5)中的每个电源设备之间切换；
至少一个电容器组(6、7)，其被连接到所述DC开关(8)与所述电源设备(4、5)中的每个电源设备之间的所述导体路径(12、13)中的每条导体路径上；
控制器(2)，其被配置为从所述DC开关和/或电容器组(6、7)和/或MR序列控制器和/或所述电源设备(4、5)和/或所述RF放大器(3)接收表示来自传感器的参数的传感器数据，所述控制器被配置为在MR脉冲序列期间基于传感器数据来切换所述电压。
2.根据权利要求1所述的RF发射系统(1)，其中，所述DC开关(8)、所述电源设备(4、5)和所述电容器组(6、7)与多个RF放大器(3)相关联。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的RF发射系统(1)，其中，每个电源设备(4、5)被永久地连接到对应的电容器组(6、7)。
4.根据权利要求1和2中的任一项所述的RF发射系统(1)，其中，所述RF放大器(3)包括一组FETS。
5.根据权利要求1和2中的任一项所述的RF发射系统(1)，其中，所述DC开关(8)是固态开关或机械开关或MEMS开关或真空开关。
6.根据权利要求1和2中的任一项所述的RF发射系统(1)，其中，所述DC开关(8)是切换矩阵。
7.根据权利要求1至2中的任一项所述的RF发射系统(1)，其中，所述DC开关(8)和/或所述电容器组(6、7)被定位为靠近所述RF放大器(3)或者被集成到所述RF放大器(3)中。
8.根据权利要求1和2中的任一项所述的RF发射系统(1)，其中，所述控制器被配置为根据RF序列要求基于传感器数据来管理所述参数。
9.一种磁共振检查系统，包括根据前述权利要求中的任一项所述的RF发射系统(1)。
10.一种用于操作根据权利要求1所述的RF发射系统(1)的方法，所述方法包括以下步骤：
开始MR序列，
由所述控制器(2)根据RF序列要求基于传感器数据来管理参数，
由所述DC开关(8)根据所述控制器(2)来切换所述电压，
结束所述MR序列，
重复流程。
11.根据权利要求10所述的用于操作RF发射系统(1)的方法，所述方法还包括以下步骤：
在所述MR序列期间由所述DC开关(8)多次切换被提供给所述RF放大器(3)的所述电压。
12.一种包括计算机程序代码的计算机程序产品，所述计算机程序代码当在可编程计算机或可编程微型计算机上运行时适于执行根据权利要求10所述的方法或者用于在根据权利要求10所述的方法中使用。
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