CN1441259A - 根据产生的热量确定电流调节的线圈系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线圈系统，其包括一个放大器(100)，和一个与该放大器(100)电连接的线圈(200)，此外还包括一个用于调节从该放大器(100)输送到该线圈(200)的电流(I)的电流调节装置(300)，从而在该线圈(200)中至少将预先给定的损耗功率平均转换为热。

Description

根据产生的热量确定电流调节的线圈系统

技术领域

本发明涉及一种线圈系统，其具有一个放大器和至少一个与该放大器电连接的线圈。该线圈系统特别用于磁共振设备中。

背景技术

磁共振技术是一种用于获得受检体体内图像的公知技术。其中，在磁共振设备中，对由基本场磁系统产生的稳定的基本磁场叠加一个由梯度线圈系统产生的快速通断的梯度磁场。此外，该磁共振设备还包括高频系统，该系统将高频信号射入受检体内以激发磁共振信号，并接收所产生的磁共振信号，在该信号基础上生成磁共振图像。

在此，所述基本磁场具有较高的均匀性是磁共振图像质量的决定性因素。基本磁场在磁共振设备成像空间内的非均匀性是导致磁共振图像几何失真的原因，该几何失真与非均匀性成正比。在采用所谓快速脉冲序列，例如回波平面方法(Echoplanarverfahren)时，所述场均匀性尤为重要。

为了改善在成像空间中基本磁场的均匀性，采用了所谓的填隙片(Shim)系统。在此要区分无源和有源填隙片系统。

在无源填隙片系统中，以合适的布局在磁共振设备的检查空间内设置一定数量的铁片。为此，要在设置这些铁片之前测量成像空间中的基本磁场。一个计算程序依据所测得的值来确定合适的铁片数量和布局。例如，在DE 19922652 C2中公开了一种具有用于分别计算填隙铁片数量、强度和位置的特殊方法的无源填隙片系统。

与此相反，在有源填隙片系统中，为了均匀化基本磁场，采用了可加载直流的填隙片线圈。为了驱动该填隙片线圈，需要能提供非常稳定和可重复产生、可调节的直流电的电网设备。当例如为了校正由至少部分置于成像空间中的受检体的磁导率而引起的场失真而使得很高的均匀性非常重要时，还采用有源填隙片系统进行精密的校正。例如在DE 10030142 C1中公开了一种具有用于调节输送给填隙片线圈和/或梯度线圈的电流的特殊调节方法的有源填隙片系统。

此外，特别地，由DE 19511791 C1公开了一种通过对梯度线圈加载补偿电流来校正基本磁场的线性非均匀性，也就是一阶场干扰的方法。其中，所述补偿电流是叠加到产生梯度序列的梯度线圈电流上的恒定电流。这种叠加是基于以下考虑，即，可以用球函数级数展开的系数来描述成像空间中的基本磁场。将不再借助梯度线圈，而借助多个主要分别补偿一个球函数系数的填隙片线圈来平衡较高阶的场非均匀性。在这种方法中，通常采用新的填隙片线圈，从而可以与三个梯度线圈一起来补偿十二个对场均匀性干扰最大的球函数系数。

用于改善基本磁场均匀性的公知方法和系统或者如有源填隙片系统，变换时费用极高，或者如无源填隙片系统其补偿作用要受制于与温度依赖关系。这是因为填隙铁片的磁特性取决于温度，从而使填隙片的状态以及基本磁场均匀性一起随着温度的变化而发生改变。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于改善基本磁场均匀性的合适的系统，其变换时较为简单，并尽可能地与温度无关。

为解决该技术问题，本发明提出了一种线圈系统，其至少包括一个放大器、一个与该放大器电连接的线圈以及电流调节装置，用于调节从放大器传输到线圈的电流，从而在该线圈中，将预先给定的损耗功率至少平均转化为热。

在此，本发明基于以下知识，即，在采用无源填隙铁片时，导致温度变化的主要热量是由于电流通过而在梯度线圈中产生的。根据正好在其中一个所涉及的梯度线圈中流过的序列电流，与这些梯度线圈相邻设置的无源填隙铁片或者发热，或者例如在序列间隔期间重新冷却。已经知道，通过对(梯度)线圈加载附加电流，可以消除对无源填隙铁片的有干扰的温度影响。在此，是这样确定输入到线圈中的附加电流部分的大小的，即，流经该线圈的总电流要与在正常运行期间出现的最高序列电流至少相等。这样，该线圈中通过该总电流引起的电损耗功率也基本上等于此外仅在最大序列电流的情况下出现的损耗功率。

因此，所述线圈也至少在平均时间上辐射出基本恒定的热量。设置于直接环境中的填隙铁片在接通磁共振设备之后紧接着出现的热起动相位之后，就位于尽可能均匀的温度场中。该填隙铁片没有以温度为条件的磁特性变化，并且在实际运行期间总是以实际相同的方法和方式对基本磁场进行补偿。

通过所述附加设置的电流调节装置，以及随之而来的对线圈加载附加电流部分，可以一方面采用与有源填隙片线圈相比花费更少的无源填隙铁片，但另一方面又可以避免在采用该填隙铁片时常出现的所述补偿的温度依赖关系。

对所述有利作用同样有决定意义的是，就在所述线圈自身会产生附加热量，并且该线圈中还会通过所述序列电流产生随时间而定的热量。这样，对于额外的发热，不需要显著的附加元件，例如以单个热元件或单个功率电路的形式。对所述放大器和线圈反正首先要使用现有的元件。由此还可以显著降低实施中所需的费用。此外，由于基本上可以借助现有组件，因此可以方便地对传统线圈系统进行改装。

下面将详细描述根据本发明优选实施方式的线圈系统。

优选的是，输送给所述线圈的电流包含用于在该线圈中产生梯度场强的第一分量。这里所涉及的电流是所谓的以周期性间隔重复的脉冲电流或序列电流。这里将该第一电流分量称为序列电流分量。此外，这里还将输送给所述线圈的第二电流分量称为热电流分量。该热电流分量不是用于产生磁场，而是用于产生热量。其大小是这样确定的，即，所述线圈产生的总热量与预先给定的值一致。

特别是，所述热电流分量没有平均值。例如，可以将其设计为周期性的交流信号，尤其是可以设计为正弦交流信号。对磁共振设备的成像来说，梯度场强在时间上的积分始终是决定性因素。因此，有利的是，该热电流分量对时间的积分至少在序列电流分量不等于零的时间间隔内没有平均值(wegmitteln)。由此，可以避免所不期望的热电流分量对磁场的影响作用。

如果所述热电流分量的频率与特别是在磁共振设备中现有的时钟频率同步，则对于尽可能减小该热电流分量产生磁场的作用来说非常有利。如果热电流分量的频率、尤其是与序列电流分量的开关时钟(Schalttakt)频率互为同步，则对使热电流分量的平均值在序列电流分量的序列持续期间消失尤为有利。

优选的是，设热电流分量在序列电流分量的序列持续期间对时间的积分值为零。这一点应尽可能适用于所有可能的序列持续时间。因此，在磁共振设备运行时可能有不同的序列持续时间。特别是，所述时间积分对最短的序列持续时间也应当取零值。这样，在实际中，由序列电流分量产生的磁场就不会由于热电流分量而受到不利影响。

同样，将序列电流分量与热电流分量在时间上的分开也是可能的。在此，序列电流分量仅在序列间隔时间内取不等于零的值。由此，在实际中，从一开始就可以排除热电流分量对梯度场的干扰影响。如果序列电流分量的周期持续时间小于热时间常量，则这种将该两个电流分量时间去耦就尤为有利。

在优选实施方式中，所述电流调节装置是这样来设计的，即，对应于当前的序列电流分量对热电流分量进行跟踪，从而使得由两个电流分量引起的热功率总和在数量上等于预先给定的值。该预先给定值可以例如表示通过尽可能高的序列电流引起的热功率。

以下方式也具有优点，即，对所涉及的具有可调电流输入的线圈采用磁共振设备的z梯度线圈。基于所述的特殊空间设置，这种z梯度线圈会比x梯度线圈和y梯度线圈产生更多热量。因此，在极为不同的热输入耦合下，只需要为z梯度线圈配备电流调节装置，以便额外加载热电流分量。这会促使减小功率需求以及减小花费。

有利的是，设置用于测取由所述线圈产生的热功率的采集装置。在此，可特别考虑将一个有效功率传感器，或至少一个例如设置在填隙铁片附近的温度传感器用于测取供给所述线圈的总有效功率。然后，借助用该采集装置所获得的信息，可以对热电流分量相应地进行再调节。

为此，特别设置了一个调节回路作为电流调节装置的组成部分。

在另一种变型中，通过以下方式进一步减小热电流分量的干扰影响，即，将所述线圈的导线划分为两个回路部分。如果该线圈包含一根导线，则尤其不成问题。然后，将回路的一半与第一导线部分、另一半与第二导线部分组合在一起。优选方式是将两个如此形成的导线部分设置为双股线，由此使热电流分量不会产生磁场。此外，该双股线设置具有极小的自感，从而也可以输入具有相对较高频率的热电流分量而毫无问题。该频率例如为10MHz。在此，基于更小的趋肤深度(Skintiefe)，较高的热频率会比较低的热频率产生更高的热功率。

优选的是，所述线圈的两个导线部分在其一端相互短接，并在另一端这样连接，即，可以选择由短接的或分离的第二导线端驱动。短接驱动是特别为序列电流分量设置的，而用分离的第二导线端进行驱动则特别是为热电流分量设置的。一个与此相关的例子是包括一个调谐到热电流分量频率的带阻滤波器、一个调谐到相同频率的带通滤波器以及一个差动变压器的适当的线路布置。

附图说明

下面结合附图进一步说明所述线圈系统的优选但决非仅限于此的实施方式。为清楚起见，该附图没有按比例实施，并概略示出了一些特征。其中，分别示出了：

图1为具有用于调节输送给线圈电流的电流调节装置的线圈系统；

图2为输送给线圈的电流分量的时间曲线图；

图3为图1中概略所示的电流调节装置的实施例；

图4为具有所属线路布置的线圈的两个回路的实施例。

图1至4中的相应部分具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了具有放大器100、线圈200和电流调节装置300的线圈系统10。该线圈系统10尤其是指未示出的磁共振设备的梯度线圈系统。借助放大器100将电流I输送给尤其是梯度线圈的线圈200。放大器100一起输出序列电流分量IS以及热电流分量IH，它们是通过将在放大器100输入端的未放大电流分量IS′或IH′进行放大而得到的。

以循环序列信号形式存在的、并与磁共振设备的常用要求相应的序列电流分量IS在通过线圈200时产生一(梯度)磁场。

磁共振设备的成像精确度主要取决于在图1中未示出的基本磁场的均匀性。有许多公知的用于补偿基本磁场非均匀性的方法。例如，采用有源或无源的填隙片系统。其中，由于可以简单实现，由大量填隙铁片500构成的无源填隙片系统比有源填隙片系统更好。但是，填隙铁片500磁特性的温度依赖性会产生不利的影响，因为要根据填隙铁片500的温度达到不同的补偿度。

为了避免该不利效果，在图1的线圈系统10中除了序列电流分量IS之外还设置了额外的热电流分量IH。借助电流调节装置300这样匹配该热电流分量，即，由线圈200产生的热功率的平均值 dQ/dt等于预先给定的最小值，并在整个运行期间实际保持恒定。因此，在传统的线圈系统中，主要通过设置为直接相邻的线圈200的可变热辐射而造成填隙铁片500的不利的温度变化。序列电流分量IS根据运行状态具有不同的电流强度，并可通过更长或更短的序列间隔识别出来。因此，还是会经受由该序列电流分量IS导致的散热变化。

与当前序列电流分量IS匹配的热电流分量IH可以促使填隙铁片500提高到与传统线圈系统相比平均更高、但基本上恒定的温度。只要在接通磁共振设备之后达到热平衡状态，就可以非常精确地补偿基本磁场的非均匀性。

电流调节装置300根据以下原理工作。如果电流序列分量IS具有最大可能的功率，则热电流分量IH的功率在某种程度上就可以调节为零。如果序列电流分量IS具有相对较低的功率平均值，则经再调节的热电流分量会在线圈200产生必要的热附加功率。不存在过载的危险，因为两个电流分量IS和IH产生的电功率损耗总量基本上等于所允许的最大电流序列分量IS单独导致的功率损耗，并且它通常还小于线圈200的所允许的最高持续功率。由于热电流分量IH的存在，可以达到热平衡状态而尤其没有热偏移(Auf-und Abdrift)。这样，用于补偿的填隙铁片500只需被设计用于该热起振(thermisch eingeschwungen)状态。

由于所述原因，期望线圈200中的热电流分量IH产生热作用。与此相反，应当尽可能避免产生磁场的作用以及序列电流分量IS产生的梯度场的影响。磁共振设备的成像始终取决于梯度场场强的时间积分。因此，有利的是，热电流分量IH是具有无穷小(verschwindene)的时间平均值的信号形式。上述方式的合适信号形式例是一种正弦交流电流信号。

图2中示出了序列电流分量IH的时间曲线(至少是示意性的)以及两个可能的热电流分量IH1和IH2的时间曲线。分别描绘出电流I关于时间t的曲线。序列电流分量IS是接通的脉冲信号，具有开关时钟持续时间TS1，由序列持续时间TS2和序列间隔TS3组成。序列电流分量IS只在序列持续时间TS2内取不等于零的、对产生磁场至关重要的值。因此，由热电流分量IH所产生的干扰影响尤其不应在序列持续时间TS2内出现。

在序列持续时间TS2内，第一合适的热电流分量IH1的平均值为零。其中，所采用的正弦信号既与序列持续时间TS2又与开关时钟持续时间TS1同步，从而分别满足所述的平均值无穷小的条件。尤其是这样选择第一热电流分量IH1的热频率f0，即，序列持续时间TS2是热电流分量IH的周期持续时间TH的整数倍时间。此外，热频率f0至少要足够大，以保证热电流分量IH在序列持续时间TS2内无均值(Wegmitteln)。根据对热附加功率的需求，可以在序列间隔时间TS3内增加如图2所示的热电流分量IH的振幅。

合适的热电流分量的另一可选实施方式IH2在序列持续时间TS2内具有为零的电流值。由此可自动避免所有干扰影响。对于该实施形式，仅在序列间隔时间TS3内设置热加载电流(Heizbestromung)。如果热时间常量大于开关时钟持续时间TS1，则这一点尤为可能。在这种情况下，在将该热加载电流重新应用到序列间隔时间TS3中之前，在序列持续时间TS2内不会有显著的冷却。在该实施形式中，在线圈200中转化为热量的损耗功率的平均值，也就是在开关时钟持续时间TS1上的平均值也是这样测得的，即，填隙铁片500没有显著的温度变化。

图3示出了电流调节装置300的具体实施方式。它包括具有有效功率传感器303、调节器301、加权元件(Wichtungselement)302以及求和元件305的调节回路310。有效功率传感器303测取在线圈200中通过两个电流分量IS和IH引起的、并转化为热量的损耗功率。在调节器301中，将由该有效功率传感器303确定的值与预先给定的恒定额定值进行比较。该比较结果确定加权元件302中交流信号304的权重。加权元件302的输出是未经放大的热电流分量IH′，在求和元件305中，将其与未经放大的序列电流分量IS′进行叠加。将这样形成的和信号在放大器100中进行放大之后输入到线圈200中。调节回路310测取序列电流分量IS的变化，并一直对热电流分量IH进行调节，直到又产生预先给定的有效功率值为止。

也可以在图3中未示出的填隙铁片500附近至少设置温度传感器来代替有效功率传感器303。这样，作为调节器301的输入量的不是有效功率，而是填隙铁片500的温度。

图4示出了另一线圈系统20。如果在图1和2中所描述的对热电流分量IH引起的磁场产生作用的抑制不足，则作为附加措施，可以将用于线圈201的绕组的导体210分为两部分。导体210通常设计为导线。通过将一个回路划分为两半，可以方便地获得两个导线部件220和230，它们分别在端点221和231电短接并接地。但是线圈201的单边接地不是必须的。具有两边都不接地的线圈的实施方式同样是可以的。

两个导线部件220和230分别在其两个导线端222和232，与设置于放大器100和线圈201之间的接线装置(Beschaltungsmittel)400相连接。该接线装置包括一设计为串联振荡电路的带通滤波器410、设计为并联振荡电路的带阻滤波器420以及差动变压器430。带通滤波器410和带阻滤波器420分别调谐到热频率f0。在包含带通滤波器410的分支上，将传送热电流分量IH，而在包含带阻滤波器420的另一分支上，传送的则是序列电流分量IS。

该两个分支是这样与差动变压器430相连接的，即，将序列电流分量IS输送给线圈201，就好象两个导线端222和232短接一样；而将热电流分量IH数送给线圈201，则好象将两个导线端222和232分开一样。

对于设计为与地对称的热频率f0信号的热电流分量IH，有具有双股线的双导体设置的实施方式。也就是说，会出现双线加热。这一方面可以抑制不期望的反射，另一方面由于其极小的自感，也可以赋予信号相对高的热频率f0。在两个导线部分220和230设置为具有很高自屏蔽的双股线的情况下，则热电流分量IH也可以是直流信号。

对于序列电流分量IS，与完全是单导线的设置相比根本没有区别，从而可以产生期望的梯度场。因此，具有远离热频率f0的频率的信号分量，尤其是序列电流分量IS的所有频率分量，会通过带阻滤波器420导向未详细标出的差动变压器430的中间抽头。然后，电流分为两个相等的部分，从而可以补偿差动变压器中的通量。由此，在序列电流分量IS很大的情况下也可以避免差动变压器430中的饱和危险。此外，沿差动变压器430的次级线圈不会出现电压降，从而两个导线端222和232都具有和所述中间抽头相等的电位。由此，对线圈201的驱动就好象其是仅用一个导线整体构成的一样。

也可以采用其它频率选择组件来代替图4所示的谐振回路410和420。无论如何，这些组件都可以实现对两个导线部分220和230的自动、且根据电流分量而不同的驱动方式。这尤其是可以保证持续地，而且首先是实现没有干扰的换向过程。此外，也可以将差动变压器430本身设计为谐振回路。

Claims (16)

1.一种线圈系统，至少包括：

a)一个放大器(100)，

b)一个与该放大器(100)电连接的线圈(200)，以及

c)电流调节装置(300)，用于调节从该放大器(100)输送到该线圈(200)的电流(I)，从而在该线圈(200)中至少将预先给定的损耗功率平均转换为热。

2.根据权利要求1所述的线圈系统，其中，输送到所述线圈(200)的电流(I)是由序列电流分量(IS)和热电流分量(IS)组成的。

3.根据权利要求2所述的线圈系统，其中，所述热电流分量(IH)没有平均值。

4.根据权利要求2或3所述的线圈系统，其中，所述热电流分量(IH)的频率(f0)与所述序列电流分量(IS)的开关时钟互为同步。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的线圈系统，其中，所述热电流分量(IH)在所述序列电流分量(IS)的序列持续时间(TS2)上的时间积分等于零。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的线圈系统，其中，所述热电流分量(IH)仅在所述序列电流分量(IS)的序列间隔时间(TS3)内不等于零。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的线圈系统，其中，所述电流调节装置(300)用于将所述热电流分量(IH)在所述线圈(200)中产生的热功率与所述序列电流分量(IS)在所述线圈(200)中产生的热功率进行变量匹配。

8.根据以上权利要求中任一项所述的线圈系统，其中，所述线圈(200)是磁共振设备的z梯度线圈。

9.根据以上权利要求中任一项所述的线圈系统，其中，所述电流调节装置(300)包括采集装置(303)，用于测取所述线圈(200)产生的热量。

10.根据权利要求9所述的线圈系统，其中，所述采集装置包括一个有效功率传感器(303)。

11.根据权利要求9或10所述的线圈系统，其中，所述采集装置包括一个温度传感器。

12.根据以上权利要求中任一项所述的线圈系统，其中，所述电流调节装置(300)包括用于电流调节的调节回路(310)。

13.根据以上权利要求中任一项所述的线圈系统，其中，所述线圈(201)包括两个导线部分(220，230)。

14.根据权利要求13所述的线圈系统，其中，所述两个导线部分(220，230)设置为双股线。

15.根据权利要求13或14所述的线圈系统，其中，所述两个导线部分(220，230)分别在其第一导线端(221，231)短接。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的线圈系统，其中，所述两个导线部分(220，230)分别在其第二导线端(222，232)具有接线装置(400)，用于短接或独立地驱动该两个导线端(222，232)。

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