DE102012102728A1

DE102012102728A1 - Gradientenverstärkersystem

Info

Publication number: DE102012102728A1
Application number: DE102012102728A
Authority: DE
Inventors: Rixin Lai; Juan Antonio Sabate; Song Chi; Luis Jose Garces; Juan Manuel Rivas Davila; Wesley Michael Skeffington
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2012-10-04
Also published as: JP2012213618A; JP6018392B2; US20120249145A1; US8502539B2

Abstract

Es wird ein Gradientenverstärkersystem vorgestellt. Eine Ausführungsform eines Gradientenverstärkersystems umfasst eine Leistungsstufe, die eine Vielzahl von Brückenverstärkern aufweist, wobei jeder der Vielzahl von Brückenverstärkern bei einer ersten Schaltfrequenz betrieben wird. Das Gradientenverstärkersystem umfasst ferner eine Gradientenspule, die an einen Ausgang der Leistungsstufe angeschlossen und so konfiguriert ist, dass sie ein Magnetfeld erzeugt, das proportional zu einem Spulenstromsignal ist, das von der Leistungsstufe geliefert wird. Zusätzlich umfasst das Gradientenverstärkersystem eine Steuerstufe, die an einen Eingang der Leistungsstufe gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie ein impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal auf der Grundlage des Spulenstromsignals und eines Referenzstromsignals generiert, wobei das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal bei einer zweiten Schaltfrequenz generiert wird, wenn eine zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate unterhalb eines festgelegten Schwellenwerts und eine zum Referenzstromsignal gehörende Amplitudenhöhe über einem festgelegten Pegel liegt. Ferner ist die Steuerstufe so konfiguriert, dass sie das generierte impulsbreitenmodulierte Gate-Signal auf die Leistungsstufe anwendet, um eine Betriebsfrequenz von jedem der Vielzahl von Brückenverstärkern von der ersten Schaltfrequenz zu der zweiten Schaltfrequenz hin zu verändern.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Magnetresonanzbildgebungs(MRI)-Systeme und insbesondere auf ein Gradientenverstärkersystem, welches für die Verwendung in MRI-Systemen angepasst ist.
In nur wenigen Jahrzehnten hat die Verwendung von Magnetresonanzbildgebungs(MRI)-Scannern enorm zugenommen. MRI-Scans werden zunehmend verwendet, um die Diagnose von Multipler Sklerose, Hirntumoren, Bänderrissen, Tendinitis, Krebs, Schlaganfällen, u.ä. zu unterstützen. Wie bekannt ist, handelt es sich bei MRI um eine nichtinvasive medizinische Untersuchung, die Medizinern bei der Diagnostizierung und Behandlung von verschiedenen medizinischen Leiden hilft. Der verstärkte Kontrast, der durch einen MRI-Scan zwischen unterschiedlichen Weichgeweben des Körpers erzeugt wird, ermöglicht es Ärzten, die verschiedenen Körperteile besser einzuschätzen und das Vorhandensein bestimmter Krankheiten festzustellen, welche mit anderen Bildgebungsverfahren wie Röntgen, Ultraschall oder Computertomographie (CT) nicht adäquat beurteilt werden können.
Ein konventionelles MRI-System stellt typischerweise ein homogenes Magnetfeld her, das im Allgemeinen entlang einer Zentralachse des Objekts verläuft, an dem die MRI-Prozedur durchgeführt wird. Das homogene Magnetfeld wirkt auf das gyromagnetische Material des abzubildenden Objekts ein, was durch die Ausrichtung der Kernspins in den Atomen und Molekülen geschieht, aus denen das Körpergewebe besteht. Zum Beispiel sind in medizinischen Anwendungen die Kernspins entlang der Richtung des Magnetfelds ausgerichtet. Wenn die Orientierung der Kernspins aus der Ausrichtung am Magnetfeld gestört wird, versuchen die Kerne ihre Spins wieder an dem Feld auszurichten. Die Störung der Ausrichtung der Kernspins wird typischerweise durch die Anwendung von Radiofrequenz(HF)-Impulsen verursacht, die auf die Larmor-Frequenz des Materials von Interesse eingestellt sind. Während des Neuausrichtungsvorgangs präzedieren die Kerne um ihre Achsen und senden elektromagnetische Signale aus, die durch eine oder mehrere HF-Detektorspulen erkannt werden können, die auf oder um das Objekt herum angeordnet sind.
Die Frequenz des Magnetresonanz(MR)-Signals, welches von einem gegebenen präzedierenden Kern ausgesendet wird, hängt von der Stärke des Magnetfelds an der Position des Kerns ab. Es ist möglich, zwischen Signalen zu unterscheiden, die von unterschiedlichen Stellen innerhalb des Objekts stammen, indem Kodierung – typischerweise Phasen- und Frequenz-Kodierung – verwendet wird, die von den Gradientenspulen erzeugt wird, welche die Gradientenfelder auf das Hauptmagnetfeld anwenden. Ein typisches MRI-System umfasst drei Gradientenspulen zur Erzeugung von entsprechenden Feldern entlang der X-, Y- und Z-Achse. Die Steuerung der Gradientenspulen ermöglicht die Ausrichtung der Achsen zum Zwecke der Kodierung von Positionen innerhalb des Objekts sowie der Auswahl einer gewünschten “Schicht” für die Bildgebung.
Des Weiteren erzeugen diese Gradientenspulen typischerweise zusätzliche Magnetfelder, die über das primäre Magnetfeld gelegt werden, um die Lokalisierung von Bildschichten zu ermöglichen sowie um eine Phasenkodierung und Frequenzkodierung zu liefern. Diese Kodierung ermöglicht die Identifizierung des Ursprungs der Resonanzsignale während der Bildrekonstruktion. Die Bildqualität und Auflösung hängt in erheblichem Maße davon ab, in welchem Maße die angewendeten Felder kontrolliert werden können. Um schnellere Bildgebungsfrequenzen zu erreichen, werden die Gradientenfelder typischerweise bei Frequenzen von mehreren kHz modifiziert. Die Steuerung der Gradientenspulen wird im Allgemeinen gemäß zuvor festgelegten Protokollen oder Sequenzen durchgeführt, die als Impulssequenzbeschreibungen bezeichnet werden, wodurch in einem medizinischen Kontext viele Typen von Gewebe abgebildet und von anderen Geweben unterschieden werden können, oder in anderen Anwendungen verschiedene interessierende Merkmale abgebildet werden können.
Typischerweise wird eine Gradientenspule bei einer Stromstärke von ungefähr 500 Ampere und einer Spannung, die in einem Bereich von ungefähr 1000 Volt bis ungefähr 2000 Volt liegt, betrieben. Daher ist es wünschenswert, einen Gradientenverstärker zu liefern, der so konfiguriert ist, dass er die Gradientenspulen mit den gewünschten Strom- und Spannungspegeln versorgt. In bestimmten Ausführungsformen handelt es sich bei dem Gradientenverstärker um einen Leistungsverstärker.
Bei früheren Implementierungen von Gradientenverstärkern wurden lineare Verstärker verwendet, die eine hohe Wiedergabetreue gewährleisteten. Allerdings wird die Verwendung dieser Verstärker angesichts der aktuellen Energiepegelanforderungen untauglich, da ein Bedarf an höheren Spannungs- und Stromstärken besteht. Bei den heutigen Techniken werden Hybridsysteme verwendet, bei denen lineare Verstärker mit Schaltleistungsstufen kombiniert werden. Bei solchen Systemen werden parallele Brücken oder übereinandergestapelte Brücken verwendet, um die Systemanforderungen zu erfüllen, und es werden typischerweise Leistungshalbleiterbauelemente eingesetzt. Allerdings hat bei dem konventionellen Gradientenverstärkersystem jede der Brücken eine andere Gleichstrom-Zwischenkreisspannung sowie unterschiedliche Steuerspannungen, wodurch es ungünstigerweise zu unterschiedlichen Schaltfrequenzen für jede der Brücken kommt. Da jede der Brücken bei unterschiedlichen Schaltfrequenzen mit unterschiedlichen Gleichstrom-Zwischenkreisspannungen betrieben wird, kommt es in dem Gradientenverstärkersystem zu erheblichen Stromverlusten. Außerdem steigen die Stromverluste, wenn eine niedrige Spannung in der Gradientenspule gewünscht wird. Zusätzlich sind die Stromverluste ungleichmäßig auf die Brücken verteilt, und die Belastung auf jeder Brücke ist ebenfalls unterschiedlich, wodurch der Gradientenverstärker einer intensiven Wärmespannung ausgesetzt wird.
Es ist daher wünschenswert, eine Bauweise für das Gradientenverstärkersystem zu entwickeln, durch welche Stromverluste reduziert werden. Insbesondere ist es wünschenswert, die Bauweise einer Steuerstufen- und einer Leistungsstufenarchitektur in dem Gradientenverstärkersystem zu entwickeln, durch welche mittels Schaltungstopologien und Steuermechanismen hohe Leistung und hohe Wiedergabetreue bei reduzierten Stromverlusten und Kosten geliefert werden.
KURZBESCHREIBUNG
Kurz gesagt wird gemäß einem Aspekt der Technik ein Gradientenverstärkersystem vorgestellt. Das Gradientenverstärkersystem umfasst eine Leistungsstufe, welche eine Vielzahl von Brückenverstärkern umfasst, wobei jeder der Vielzahl von Brückenverstärkern bei einer ersten Schaltfrequenz betrieben wird. Das Gradientenverstärkersystem umfasst ferner eine Gradientenspule, die an einen Ausgang der Leistungsstufe angeschlossen und so konfiguriert ist, dass sie ein Magnetfeld erzeugt, das proportional zu einem Spulenstromsignal ist, welches von der Leistungsstufe geliefert wird. Zusätzlich umfasst das Gradientenverstärkersystem eine Steuerstufe, die an einen Eingang der Leistungsstufe gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie ein impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal auf der Grundlage des Spulenstromsignals und eines Referenzstromsignals generiert, wobei das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal bei einer zweiten Schaltfrequenz generiert wird, wenn die zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate unterhalb eines festgelegten Schwellenwerts liegt und eine zum Referenzstromsignal gehörende Amplitudenhöhe über einem festgelegten Pegel liegt. Ferner ist die Steuerstufe so konfiguriert, dass sie das generierte impulsbreitenmodulierte Gate-Signal auf die Leistungsstufe anwendet, um eine Betriebsfrequenz jeder der Vielzahl von Brückenverstärkern von der ersten Schaltfrequenz zu der zweiten Schaltfrequenz hin zu verändern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Technik wird ein Verfahren zur Steuerung eines Gradientenverstärkersystems vorgestellt. Das Verfahren umfasst den Empfang eines Spulenstromsignals von einem Ausgang einer Leistungsstufe, welche eine Vielzahl von Brückenverstärkern umfasst, die bei einer ersten Schaltfrequenz betrieben werden. Das Verfahren umfasst außerdem auch den Empfang eines Referenzstromsignals zur Steuerung eines Magnetfelds in einer Gradientenspule. Das Verfahren umfasst ferner die Generierung eines impulsbreitenmodulierten Gate-Signals auf der Grundlage des Spulenstromsignals und des Referenzstromsignals, wobei das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal bei einer zweiten Schaltfrequenz generiert wird, wenn eine Anstiegsrate, die zum Referenzstromsignal gehört, unterhalb eines festgelegten Schwellenwerts liegt, und eine Amplitudenhöhe, welche zum Referenzstromsignal gehört, über einem festgelegten Pegel liegt. Das Verfahren umfasst auch die Anwendung des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals auf die Leistungsstufe, um eine Betriebsfrequenz von jedem der Vielzahl von Brückenverstärkern von der ersten Schaltfrequenz zu der zweiten Schaltfrequenz hin zu verändern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Technik wird eine Steuerstufe zur Steuerung eines Gradientenverstärkersystems vorgestellt. Die Steuerstufe umfasst einen Befehlsgeber, der so konfiguriert ist, dass er ein Spannungsbefehlssignal auf der Grundlage eines Spulenstromsignals und eines Referenzstromsignals generiert. Zusätzlich umfasst die Steuerstufe einen Analysator, der so konfiguriert ist, dass er eine zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate und Amplitudenhöhe bestimmt. Die Steuerstufe umfasst auch einen Impulsbreitenmodulator, der an den Befehlsgeber und den Analysator gekoppelt und so konfiguriert ist, dass er das Spannungsbefehlssignal auf der Grundlage der zum Referenzstromsignal gehörenden Anstiegsrate und Amplitudenhöhe moduliert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Technik wird ein System zur Magnetresonanzbildgebung vorgestellt. Das System umfasst einen Scannersteuerschaltkreis, der zur Erfassung von Bilddaten konfiguriert ist. Der Scannersteuerschaltkreis umfasst ferner eine Gradientenspule, die so konfiguriert ist, dass sie Magnetfelder zur Lokalisierung der Bildgebungsdaten erzeugt. Der Scannersteuerschaltkreis umfasst auch ein Gradientenverstärkersystem, welches an die Gradientenspule gekoppelt und so konfiguriert ist, dass es ein Spulenstromsignal an die Gradientenspule liefert. Ferner umfasst das Gradientenverstärkersystem eine Leistungsstufe, die eine Vielzahl von Brückenverstärkern umfasst, wobei jeder der Vielzahl von Brückenverstärkern bei einer ersten Schaltfrequenz betrieben wird. Der Gradientenverstärker umfasst auch eine Steuerstufe, die an einen Eingang der Leistungsstufe gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie ein impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal auf der Grundlage des Spulenstromsignals und eines Referenzstromsignals generiert, wobei das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal bei einer zweiten Schaltfrequenz generiert wird, wenn eine zu dem Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate unterhalb eines festgelegten Schwellenwertes liegt, und eine zu dem Referenzstromsignal gehörende Amplitudenhöhe über einem festgelegten Pegel liegt. Ferner ist die Steuerstufe so konfiguriert, dass sie das generierte impulsbreitenmodulierte Gate-Signal auf die Leistungsstufe anwendet, um eine Betriebsfrequenz jeder der Vielzahl von Brückenverstärkern von der ersten Schaltfrequenz zu der zweiten Schaltfrequenz hin zu verändern. Das System umfasst auch den Systemsteuerschaltkreis, der sich in operativer Verbindung mit dem Scannersteuerschaltkreis befindet und für die Verarbeitung der erfassten Bilddaten konfiguriert ist.
ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung können besser nachvollzogen werden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die dazugehörigen Zeichnungen gelesen wird, in welchen dieselben Zeichen durchgängig dieselben Bauteile bezeichnen, wobei gilt:
1 ist eine Diagrammillustration eines Gradientenverstärkersystems gemäß Aspekten der vorliegenden Technik;
2 ist eine Diagrammillustration einer exemplarischen Steuerstufe und einer Leistungsstufe des Gradientenverstärkersystems aus 1 gemäß Aspekten der vorliegenden Technik;
3 ist eine Blockdiagrammdarstellung der Steuerstufe aus 2 gemäß Aspekten der vorliegenden Technik;
4 ist eine schematische Darstellung der Leistungsstufe aus 2 gemäß Aspekten der vorliegenden Technik;
5 ist eine graphische Darstellung einer Ausgangsspannung der Leistungsstufe aus 4 gemäß Aspekten der vorliegenden Technik;
6 ist eine graphische Darstellung einer Ausgangsspannung der Leistungsstufe aus 4 bei unterschiedlichen Schaltfrequenzen und einem variierenden Referenzstromsignal gemäß Aspekten der vorliegenden Technik;
7 ist ein Flussdiagramm, in welchem ein Verfahren zur Steuerung des Gradientenverstärkersystems gemäß Aspekten der vorliegenden Technik illustriert wird; und
8 ist ein Blockdiagramm, in welchem ein Magnetresonanzbildgebungs(MRI)-System illustriert wird, bei dem das Gradientenverstärkersystem aus 1 gemäß Aspekten der vorliegenden Technik zum Einsatz kommt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wie im Folgenden detailliert beschrieben werden wird, werden verschiedene Ausführungsformen eines exemplarischen Gradientenverstärkersystems zur Verwendung bei Magnetresonanzbildgebungs(MRI)-Systemen sowie Verfahren zur Steuerung des Gradientenverstärkersystems vorgestellt. Durch Anwendung der im Folgenden beschriebenen Verfahren und des Gradientenverstärkersystems können Stromverluste und Wärmespannung in MRI-Systemen wesentlich reduziert werden. Bei einigen konventionellen Systemen werden unterschiedliche Spannungen und unterschiedliche Frequenzen verwendet, wobei sich die Spannungen und Frequenzen sich unter bestimmten Bedingungen verändern. In einem Beispiel wird das System bei einer einzigen Frequenz betrieben, und unter bestimmten Bedingungen wird die Frequenz verändert, um Verlusten entgegenzuwirken.
Kommt man nun zu den Zeichnungen und betrachtet 1, so sieht man eine Diagrammillustration eines exemplarischen Gradientenverstärkersystems 100 zur Verwendung in einem MRI-System gemäß Aspekten der vorliegenden Technik. Das Gradientenverstärkersystem 100 wird in Diagrammform mitsamt einer Steuerstufe 102, einer Leistungsstufe 104 und einer Gradientenspule 112 illustriert. Die Funktionsweise jeder Komponente wird unter Verweis auf 1–8 detaillierter beschrieben werden. So wie der Begriff “Leistungsstufe” hier verwendet wird, bezieht er sich auf einen Leistungsverstärker zur Generierung einer Stromstärke, welche in einem Beispiel einen Wert hat, der in einem Bereich von ungefähr 0 Ampere bis ungefähr 500 Ampere liegt, und eine Spannung hat, deren Wert in einem Bereich von ungefähr 0 Volt bis ungefähr 2000 Volt liegt, so dass die Gradientenspule 112 in einem gewünschten Bereich betrieben werden kann. In einer Ausführungsform kann die Leistungsstufe 104 ein Stromstärke generieren, die einen Wert von über 500 Ampere und eine Spannung mit einem Wert von über 2000 Volt hat. Ebenso wird der Begriff “Steuerstufe” verwendet, um einen Regler/Prozessor zu bezeichnen, der so konfiguriert ist, dass er eine Amplitudenhöhe und eine Frequenz eines Spannungssignals, welches an die Gradientenspule 112 geliefert wird, steuert oder reguliert.
Wie bekannt sein wird, umfasst ein MRI-System typischerweise eine oder mehrere Gradientenspulen, wie beispielsweise die Gradientenspule 112, wobei jede Gradientenspule 112 durch eine dazugehörige Leistungsstufe 104 betrieben wird. Die Gradientenspulen 112 werden typischerweise verwendet, um ein primäres Magnetfeld des MRI-Systems zu verändern, indem Gradientenfelder bei Frequenzen wie beispielsweise von bis zu mehreren Kilohertz erzeugt werden, um eine schnelle Bildgebung zu ermöglichen. Typische Induktivitätspegel in der Gradientenspule 112 können in einem Beispiel in einem Bereich von ungefähr Hunderten von µH bis ungefähr 1 mH liegen. Auch können typische Spannungspegel in der Gradientenspule 112 in einem Beispiel in einem Bereich von ungefähr 1000 Volt bis ungefähr 2000 Volt liegen, während die Stromstärkepegel in der Gradientenspule 112 in einem Bereich von ungefähr 0 Ampere bis ungefähr 500 Ampere liegen können. Obwohl sich die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen auf MRI-System-Anwendungen beziehen, ist die Verwendung der vorliegenden Techniken auch in anderen Anwendungen vorgesehen, welche den Einsatz hoher Spannung und hoher Stromstärken bei einer sehr hohen Wiedergabetreue beinhalten.
In einer zurzeit in Betracht gezogenen Konfiguration ist die Gradientenspule 112 an einen Ausgang der Leistungsstufe 104 angeschlossen. Zusätzlich ist die Gradientenspule 112 zur Erzeugung eines Magnetfeldes konfiguriert, das proportional zu einem Spulenstromsignal 114 ist, welches von der Leistungsstufe 104 empfangen wird. So wie der Begriff “Spulenstromsignal” hier verwendet wird, bezieht er sich auf eine Stromstärke, welche von der Leistungsstufe 104 an die Gradientenspule 112 geliefert wird, um ein gewünschtes Magnetfeld in der Gradientenspule 112 zu induzieren.
Ferner umfasst die Leistungsstufe 104 eine Vielzahl von Brückenverstärkern. Insbesondere umfasst die Leistungsstufe 104 in einer zurzeit in Betracht gezogenen Konfiguration einen ersten Brückenverstärker 106, einen zweiten Brückenverstärker 108 und einen dritten Brückenverstärker 110, die in Serie geschaltet sind. Obwohl die vorliegende Ausführungsform der Leistungsstufe 104 unter Verweis auf die drei Brückenverstärker 106, 108, 110 beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, dass die Leistungsstufe 104 andere Anzahlen von Brückenverstärkern in der Leistungsstufe 104 umfassen kann. Außerdem kann es sich in einer Ausführungsform bei jedem Brückenverstärker um einen Vollbrückenverstärker mit einem linken Abschnitt und einem rechten Abschnitt handeln, wie in 4 gezeigt wird. Zusätzlich kann jeder Brückenverstärker eine Gleichstrom-Spannungsquelle und ein Transistormodul (nicht gezeigt) umfassen, was unter Verweis auf 4. detaillierter beschrieben werden wird.
Außerdem wird in diesem abgebildeten Beispiel einen Eingang der Leistungsstufe 104 an einen Ausgang der Steuerstufe 102 angeschlossen. Die Steuerstufe 102 steuert den Betrieb der Leistungsstufe 104 durch die Übermittlung der notwendigen Steuersignale an die Leistungsstufe 104. Insbesondere überträgt die Steuerstufe 102 impulsbreitenmodulierte Gate-Signale 116, 118, 120 an die Leistungsstufe 104, was der Steuerung einer Betriebsfrequenz von jedem der Brückenverstärker 106, 108, 110 dient. Wie der Begriff “Betriebsfrequenz” hier verwendet wird, soll er sich auf eine Frequenz beziehen, die zum EIN- und AUSSCHALTEN der Brückenverstärker verwendet wird. In einer Ausführungsform gibt es eine einzige Schaltbetriebsfrequenz. Durch eine geeignete Schaltung der Brückenverstärker 106, 108, 110 zwischen dem EIN- und AUS-Status werden verschiedene Zwischenspannungen und kombinierte Spannungen bei einem Ausgang der Leistungsstufe 104 erzielt. Gemäß einer Ausführungsform kann die Frequenz der Impulsbreitenmodulation unter bestimmten Bedingungen wie Problemen in Bezug auf Thermik, Anstiegsrate und/oder Amplitude durch den Regler verändert werden, um die Systemleistung zu regulieren.
In der Ausführungsform, die in 1 illustriert wird, empfängt die Steuerstufe 102 ein Referenzstromsignal 124 und das Spulenstromsignal 114 als Eingang. Insbesondere kann das Referenzstromsignal 124 von einer externen Quelle, wie beispielsweise einem Hostcomputer (nicht in 1 gezeigt) empfangen werden. Das Referenzstromsignal 124 wird zur Generierung des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals verwendet. Danach wird das generierte impulsbreitenmodulierte Gate-Signal verwendet, um das Gradientenmagnetfeld in der Gradientenspule 112 zu steuern. Im Besonderen wird in einer Ausführungsform das Gradientenmagnetfeld beruhend auf einer zum Referenzstromsignal 124 gehörenden Anstiegsrate und Amplitudenhöhe gesteuert. Der Begriff “Anstiegsrate” bezieht sich auf eine Rate, bei welcher sich die Amplitude des Referenzstromsignals 124 in Bezug auf die Zeit verändert.
Zusätzlich wird das Spulenstromsignal 114 als ein Feedbacksignal von dem Ausgang der Leistungsstufe 104 an die Steuerstufe 102 geliefert, um einen stabilen Betrieb des Gradientenverstärkersystems 100 zu ermöglichen. Im Besonderen wird das Feedbacksignal (Spulenstromsignal) 114 zur Stabilisierung der Energie verwendet, welche an die Gradientenspule 112 geliefert wird. Zu diesem Zweck ist in einer Ausführungsform ein Stromfühler 122 an einem Knotenpunkt angeordnet, welcher den Ausgang der Leistungsstufe 104 mit der Gradientenspule 112 verbindet. Der Stromfühler 122 erkennt das Spulenstromsignal 114 und übermittelt das erkannte Spulenstromsignal 114 als Feedbacksignal an die Steuerstufe 102.
2 ist eine Diagrammdarstellung einer Ausführungsform 200 des exemplarischen Gradientenverstärkersystems 100 aus 1. Insbesondere umfasst das Gradientenverstärkersystem 200 eine Steuerstufe 202 und eine Leistungsstufe, wie die Leistungsstufe 104 aus 1.
In einer Ausführungsform umfasst die Steuerstufe 202 einen Komparator 222 (d.h. eine Differenzbildungsschaltung, der (die) an einen Eingang einer Proportional-Integral(PI)-Steuereinheit 224 angeschlossen ist. Der Komparator 222 identifiziert durch Vergleich des Feedbackspulenstromsignals 114 mit dem Referenzstromsignal 124 ein Fehlerstromsignal 246. Das Fehlerstromsignal 246 kann eine Abweichung des Spulenstromsignals 114 vom Referenzstromsignal 124 angeben. Es ist wünschenswert, die Abweichung des Spulenstromsignals 114 zu reduzieren, um die Stabilität beziehungsweise den stabilen Betrieb des Gradientenverstärkersystems 200 beizubehalten. Das so generierte Fehlerstromsignal 246 wird an den Eingang der PI-Steuereinheit 224 geliefert. Des Weiteren generiert die PI-Steuereinheit 224 eine zu dem Fehlerstromsignal 246 gehörende PI-Spannung 236. Zusätzlich kann die PI-Steuereinheit 224 dabei helfen, das Fehlerstromsignal 246 progressiv zu minimieren, wodurch das Einschwingverhalten des Systems 200 verbessert wird.
Gemäß Aspekten der vorliegenden Technik umfasst die Steuerstufe 202 ferner ein erstes Vorwärtsschub-Subsystem 226. Das erste Vorwärtsschub-Subsystem 226 bestimmt einen Induktivitäts-Spannungsabfall 238 in der Gradientenspule 112. Die Steuerstufe 202 umfasst auch ein zweites Vorwärtsschub-Subsystem 228. Das zweite Vorwärtsschub-Subsystem 228 bestimmt einen resistiven Spannungsabfall 240 in der Gradientenspule 112. In einer Ausführungsform kann die Kombination des ersten Vorwärtsschub-Subsystems 226 und des zweiten Vorwärtsschub-Subsystems 228 als eine Spulenmodelleinheit dargestellt werden. Die Spulenmodelleinheit kann in der Steuerstufe 202 verwendet werden, um die induktiven und resistiven Spannungsabfälle 238, 240 in der Gradientenspule 112 zu bestimmen.
Zusätzlich umfasst in einer Ausführungsform die Steuerstufe 202 eine Summierungseinheit 230, welche die an einem Eingang empfangene PI-Spannung 236, induktive Spannung 238 und Widerstandsspannung 240 summiert und ein Spannungsbefehlssignal V_cmd 242 an einen Ausgang der Summierungseinheit 230 liefert. Ferner wird das Spannungsbefehlssignal V_cmd 242 an eine Divisionseinheit 232 geliefert, welche das Spannungsbefehlssignal V_cmd 242 beruhend auf einer Anzahl von Brückenverstärkern in der Leistungsstufe 104 dividiert. Wenn zum Beispiel die Leistungsstufe 104 drei Brückenverstärker umfasst, wie beispielsweise die Brückenverstärker 106, 108, 110, wird das Spannungsbefehlssignal V_cmd 242 in drei gleich große Teile aufgeteilt. Entsprechend wird ein Drittel des Spannungsbefehlssignals V_cmd 242 auf jeden der Brückenverstärker 106, 108, 110 in der Leistungsstufe 104 angewendet.
Des Weiteren wird gemäß Aspekten der vorliegenden Technik eine Einheit des dividierten Spannungsbefehlssignals V_cmd 242 entsprechend einem Impulsbreitemodulationsschema moduliert, um ein impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal 248 zu generieren. Das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal 248 wird bei einer Frequenz generiert, die auf einer Anstiegsrate und einer Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 124 beruht. Insbesondere kann in einer Ausführungsform das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal 248 bei einer ersten Schaltfrequenz generiert werden, wenn die Anstiegsrate des Referenzstromsignals 124 über einem festgelegten Schwellenwert liegt. Allerdings kann das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal 248 auch bei einer ersten Schaltfrequenz generiert werden, wenn die Anstiegsrate des Referenzstromsignals 124 unterhalb des festgelegten Schwellenwerts liegt, sofern die Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 124 unterhalb eines festgelegten Pegels liegt.
Auf eine ähnliche Weise kann das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal 248 bei einer zweiten Schaltfrequenz generiert werden, wenn die zum Referenzstromsignal 124 gehörenden Anstiegsrate unterhalb des festgelegten Schwellenwerts und die Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 124 über dem festgelegten Pegel liegt. In einer Ausführungsform wird die zweite Schaltfrequenz bei einem Wert beibehalten, der geringer ist als ein Wert der ersten Schaltfrequenz, um die Stromverluste und Wärmespannung im System 200 zu reduzieren. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Steuerlogikmodul (nicht in 2 gezeigt), welches vorprogrammierte Befehle/Codes aufweist, zur Generierung des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals 248 gemäß eines Impulsbreitemodulationsschemas verwendet werden.
Weiterhin Bezug nehmend auf 2 wird nachfolgend das generierte impulsbreitenmodulierte Gate-Signal 248 über die jeweils dazugehörigen Pfade 216, 218, 220 separat auf jeden Brückenverstärker angewendet. Das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal 248 wird zur Steuerung einer Betriebsfrequenz jedes der Brückenverstärker 106, 108, 110 verwendet. Da gemäß exemplarischen Aspekten der vorliegenden Technik ein im Wesentlichen gleiches impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal 248 auf jeden Brückenverstärker angewendet wird, wird jeder der Brückenverstärker 106, 108, 110 zu jeder Zeit bei einer im Wesentlichen gleichen Frequenz betrieben. Um ein Beispiel zu geben, verändert sich die Betriebsfrequenz jedes der Brückenverstärker 106, 108, 110 von einer höheren ersten Schaltfrequenz zu einer niedrigeren zweiten Schaltfrequenz, wenn die Brückenverstärker 106, 108, 110 anfangs bei einer höheren ersten Schaltfrequenz betrieben werden und ein impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal mit einer niedrigeren zweiten Schaltfrequenz auf die Leistungsstufe 104 angewendet wird. Diese Veränderung der Schaltfrequenz trägt zu einer siginifikanten Reduktion von Leitungsverlusten und Schaltverlusten im System 200 bei.
Zusätzlich zum Betrieb der Brückenverstärker bei im Wesentlichen gleichen Schaltfrequenzen sind auch die an die Brückenverstärker gekoppelten Gleichspannungsquellen (siehe 4) so konfiguriert, dass sie eine im Wesentlichen gleiche Gleichspannung an einen dazugehörigen Brückenverstärker liefern. Diese Versorgung der Brückenverstärker mit im Wesentlichen gleichen Spannungen resultiert in einer gleichmäßigen Verteilung der Stromverluste im System 200. Da im Wesentlichen gleiche Brückenverstärker und Gleichspannungsquellen verwendet werden, werden Einschränkungen im Bezug auf Bauweise und Herstellung erheblich reduziert. Somit fallen die Kosten für die Konstruktion und Herstellung des Systems 200 ebenfalls deutlich geringer aus.
Was nun 3 anbelangt, wird eine Blockdiagrammdarstellung 300 einer Ausführungsform der Steuerstufe 202 aus 2 abgebildet. In einer zurzeit in Betracht gezogenen Konfiguration umfasst die Steuerstufe 300 einen Befehlsgeber 304, einen Analysator 306 und einen Impulsbreitenmodulator 308. Der Befehlsgeber 304 kann in einer Ausführungsform eine Kombination von Untereinheiten, wie die Komparatoreinheit 222, die PI-Steuereinheit 224, das erster Vorwärtsschub-Subsystem 226, das zweite Vorwärtsschub-Subsystem 228 und die Summierungseinheit 230 aus 2, umfassen.
Gemäß Aspekten der vorliegenden Technik empfängt der Befehlsgeber 304 ein Spulenstromsignal 310 und ein Referenzstromsignal 312 an einem Eingang. Des Weiteren generiert der Befehlsgeber 304 ein Spannungsbefehlssignal 314 an einem Ausgang. Insbesondere generiert der Befehlsgeber 304 das Spannungsbefehlssignal 314 auf der Grundlage des empfangenen Spulenstromsignals 310 und Referenzstromsignals 312. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Befehlsgeber 304 einen Prozessor (nicht in 3 gezeigt) umfassen, der Befehle speichert, um die Generierung des Spannungsbefehlssignals 314 auf der Grundlage des Spulenstromsignals 310 und des Referenzstromsignals 312 zu unterstützen. Außerdem kann das generierte Spannungsbefehlssignal 314 an den Impulsbreitenmodulator 308 übermittelt werden. Der Impulsbreitenmodulator 308 ist so konfiguriert, dass er das Spannungsbefehlssignal 314 gemäß eines festgelegten Impulsbreitemodulationsschemas moduliert.
Der Analysator 306 empfängt das Referenzstromsignal 312 und bestimmt eine zu dem Referenzstromsignal 312 gehörende Anstiegsrate und Amplitudenhöhe. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Analysator 306 einen Prozessor (nicht in 3 gezeigt) umfassen, der die Befehle speichert, um die Bestimmung der zum Referenzstromsignal 312 gehörenden Anstiegsrate und Amplitudenhöhe zu erleichtern. Des Weiteren können in bestimmten Ausführungsformen die Anstiegsrate und die Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 312 gleichzeitig mit der Generierung des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals festgelegt werden. Alternativ können die Anstiegsrate und die Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 312 auch vor oder nach der Generierung des Spannungsbefehlssignals 314 festgelegt werden. Auch werden Information 316, die zur festgelegten Anstiegsrate und der Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 312 gehören, an den Impulsbreitenmodulator 308 übermittelt. Zusätzlich wird das Spannungsbefehlssignal 314 auch als Eingang an den Impulsbreitenmodulator 308 geliefert.
Des Weiteren generiert der Impulsbreitenmodulator 308 ein impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal 318. Genauer gesagt ist der Impulsbreitenmodulator 308 so konfiguriert, dass er das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal 318 bei einer Frequenz generiert, die auf den Informationen 316 zur Anstiegsrate und Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 312 beruht. Im Besonderen kann das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal 318 bei einer ersten Schaltfrequenz generiert werden, wenn die Anstiegsrate des Referenzstromsignals 312 über einem festgelegten Schwellenwert liegt. Zusätzlich kann das impulsbreitenmodulierte Signal 318 auch bei der ersten Schaltfrequenz generiert werden, wenn die Anstiegsrate des Referenzsignals unter dem Schwellenwert liegt und die Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 312 unterhalb eines festgelegten Pegels liegt.
Alternativ kann das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal 318 bei einer zweiten Schaltfrequenz generiert werden, wenn die Anstiegsrate des Referenzsignals unterhalb des Schwellenwerts und die Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 312 über dem festgelegten Pegel liegt. Es sei darauf hingewiesen, dass in bestimmten Ausführungsformen die zweite Schaltfrequenz geringer als die erste Schaltfrequenz ist, so dass Stromverluste und Wärmespannung im Gradientenverstärkersystem 200 (siehe 2) reduziert werden. Wenn zum Beispiel eine niedrige Spannung in der Gradientenspule, wie der Gradientenspule 112 (siehe 2), gewünscht wird, wird die Betriebsfrequenz jedes Brückenverstärkers, wie beispielsweise der Brückenverstärker 106, 108, 110 (siehe 2), von einer höheren ersten Schaltfrequenz zu einer niedrigeren zweiten Schaltfrequenz verändert. Diese Veränderung der Betriebsfrequenz von jedem der Brückenverstärker ermöglicht eine erhebliche Reduzierung von Schaltverlusten und Leitungsverlusten im Gradientenverstärkersystem 200.
4 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform 400 einer Leistungsstufe 440, wie der Leistungsstufe 104 (siehe 1), die so konfiguriert ist, dass sie eine Gradientenspule 408, wie beispielsweise die Gradientenspule 112 (siehe 1), gemäß Aspekten der vorliegenden Technik antreibt. In einer zurzeit in Betracht gezogenen Konfiguration umfasst die Leistungsstufe 440 drei Brückenverstärker 402, 404, 406, die in Serie geschaltet sind. In einer Ausführungsform können diese Brückenverstärker 402, 404, 406 den Brückenverstärkern 102, 104, 106 aus 1 entsprechen. Die Brückenverstärker 402, 404, 406 sind ferner in Serie mit der Gradientenspule 408 verbunden. Außerdem haben die Brückenverstärker 402, 404, 406 in einer Ausführungsform im Wesentlichen gleiche Topologien. Eine erste Gleichspannungsquelle 410 ist über den ersten Brückenverstärker 402 gekoppelt, eine zweite Gleichspannungsquelle 412 ist über den zweiten Brückenverstärker 404 gekoppelt und eine dritte Gleichspannungsquelle 414 ist über den dritten Brückenverstärker 406 gekoppelt. Jede der Gleichspannungsquellen 410, 412, 414 ist so konfiguriert, dass sie eine im Wesentlichen gleiche Gleichspannung über den dazugehörigen Brückenverstärker liefert. Um ein Beispiel zu geben, liefert jede der Gleichspannungsquellen 410, 412, 414 eine Gleichspannung von ungefähr 800 Volt an den dazugehörigen Brückenverstärker, wenn es wünschenswert ist, eine Gleichspannung von ungefähr 800 Volt zu liefern.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Technik umfasst der erste Brückenverstärker 402 in einer Ausführungsform Transistormodule 416, 418, 420, 422. Bei diesen Transistormodulen kann es sich um einen beliebigen geeigneten Typ von Halbleiterschaltgerät, wie beispielsweise Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) u. ä., handeln. Insbesondere sind die Transistormodule 416 und 422 in Serie geschaltet, so dass sie einen ersten Abschnitt oder linken Abschnitt des ersten Brückenverstärkers 402 bilden. Ebenso sind Transistormodule 418 und 420 in Serie geschaltet, so dass sie einen zweiten Abschnitt oder rechten Abschnitt des Brückenverstärkers 402 bilden. Der erste und zweite Abschnitt des ersten Brückenverstärkers 402 sind parallel geschaltet. Es sei darauf hingewiesen, dass ein beliebiger der Abschnitte konfiguriert sein kann, um als ein Eingang zu fungieren, während der andere Abschnitt konfiguriert sein kann, um als Ausgang des ersten Brückenverstärkers 402 zu fungieren. Ebenso umfasst der zweite Brückenverstärker 404 einen ersten Abschnitt, welcher Transistormodule 424 und 430 aufweist, und einen zweiten Abschnitt, welcher mit Transistormodulen 426 und 428 ausgestattet ist. Ferner umfasst der dritte Brückenverstärker 406 einen ersten Abschnitt, welcher Transistormodule 432 und 438 aufweist, und einen zweiten Abschnitt, welcher Transistormodule 434 und 436 aufweist.
Ferner sind die Transistormodule in jedem der Brückenverstärker 402, 404, 406 so konfiguriert, dass sie auf der Grundlage des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals, welches von der Steuerstufe geliefert wird, EIN- und AUSGESCHALTET werden können, wie in 2 abgebildet. Um ein Beispiel zu geben, wird in dem ersten Brückenverstärker 402 während eines Zeitraums T₁ ein impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal auf einen Basisanschluss der Transistormodule 416 und 422 angewendet. Insbesondere werden die Transistormodule 416 und 422 des linken Abschnitts während des Zeitraums T₁ in einen AN-Zustand geschaltet, während die Transistormodule 418, 420 des rechten Abschnitts in einem AUS-Zustand verbleiben. Ebenso wird das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal während eines nachfolgenden Zeitraums T₂ auf einen Basisanschluss der Transistormodule 418 und 420 angewendet. So werden während des Zeitraums T₂ die Transistormodule 418 und 420 des rechten Abschnitts in einen AN-Zustand geschaltet, während die Transistormodule 416 und 422 des linken Abschnitts in einen AUS-Zustand geschaltet werden. Da jeder Abschnitt des ersten Brückenverstärkers 402 während eines entsprechenden Zeitraums/Arbeitszyklus EIN- und AUSGESCHALTET wird, ist die Ausgangsspannung des ersten Brückenverstärkers 402 ein moduliertes Ausgangsspannungssignal.
Da zusätzlich jeder Brückenverstärker mindestens zwei Abschnitte umfasst und jeder Abschnitt während eines entsprechenden Zeitraums/Arbeitszyklus leitfähig ist, entspricht die Frequenz des modulierten Ausgangsspannungssignals an jedem Brückenverstärker mindestens zweimal der Frequenz des angewendeten impulsbreitenmodulierten Gate-Signals. Folglich entspricht die Frequenz des Gesamtausgangsspannungssignals am Ausgang der Leistungsstufe 440 einem Produkt der Frequenz des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals und mindestens der doppelten Anzahl von Brückenverstärkern in der Leistungsstufe 440. Um ein Beispiel zu geben, umfasst in der Ausführungsform, die in 4 abgebildet ist, die Leistungsstufe 440 drei Brückenverstärker. Folglich entspricht die Frequenz des Gesamtausgangsspannungssignals am Ausgang der Leistungsstufe 440 einem Produkt der Frequenz des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals und der doppelten Anzahl von Brückenverstärkern, welche im vorliegenden Beispiel sechs beträgt. Zum leichteren Verständnis wird die Frequenz des Ausgangsspannungsignals in 5 und 6 graphisch dargestellt.
Da außerdem die Brückenverstärker 402, 404, 406 in Serie geschaltet sind, entspricht die Gesamtausgangsspannung der Leistungsstufe 440 einer Summe der Gleichspannungen, welche von jeder der Gleichspannungsquellen 410, 412, 414 geliefert werden. Um ein Beispiel zu geben, kann sich die Gesamtausgangsspannung der Leistungsstufe 440 von ungefähr –2400 Volt bis ungefähr +2400 Volt in der Leistungsstufe 440 bewegen, wenn es wünschenswert ist, dass jede Gleichspannungsquelle eine Gleichspannung von ungefähr 800 Volt an einen dazugehörigen Brückenverstärker liefert. Da alle Brückenverstärker 402, 404, 406 so konfiguriert sind, dass sie im Wesentlichen gleiche Transistormodule benutzen, die bei im Wesentlichen gleichen Gleichspannungen betrieben werden, können die Konstruktions- und Herstellungskosten des Gradientenverstärkersystems 100 (siehe 1) deutlich reduziert werden, ohne die Leistung des Systems 100 zu beeinträchtigen.
Was nun 5 anbelangt, wird eine graphische Darstellung 500 einer Ausgangsspannung einer Leistungsstufe, wie beispielsweise der Leistungsstufe 440 (siehe 4), gemäß Aspekten der vorliegenden Technik illustriert. Insbesondere illustriert 5 in graphischer Form das Verhältnis zwischen einem Trägersignal und Ausgangsspannungen in den drei Brückenverstärkern 402 (HV1), 404 (HV2), 406 (HV3) aus 4. Liniendarstellung 502 stellt die Trägerwellenform/das Signal dar, welches in einem Impulsbreiten-Modulationsschema zur Generierung des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals verwendet wird. Des Weiteren stellt Liniendarstellung 504 das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal dar, das auf den linken Abschnitt des ersten Brückenverstärkers 402 angewendet wird. Ebenso stellt Liniendarstellung 506 das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal mit einer festgelegten Zeitverzögerung dar, die auf den rechten Abschnitt des ersten Brückenverstärkers 402 angewendet wird. Außerdem gibt Liniendarstellung 508 eine Ausgangsspannung des ersten Brückenverstärkers 402 an. Die Ausgangsspannung des ersten Brückenverstärkers 402 ist eine modulierte Ausgangsspannung, wie durch Liniendarstellung 508 angegeben. Insbesondere wird das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal zu dem linken Abschnitt und den rechten Abschnitt des ersten Brückenverstärkers 402 geleitet, um die modulierte Ausgangsspannung 508 an dem Ausgang des ersten Brückenverstärkers 402 beizubehalten.
Ebenso stellen Liniendarstellungen 510 und 518 jeweils die Trägerwellenformen/Signale dar, die zu dem zweiten und dritten Brückenverstärker 404 (HV2) und 406 (HV3) gehören. Ferner stellen Liniendarstellungen 512 und 520 jeweils die impulsbreitenmodulierten Gate-Signale dar, die auf die linken Abschnitte des zweiten und dritten Brückenverstärkers 404 und 406 angewendet werden. Liniendarstellungen 514 und 522 stellen jeweils die impulsbreitenmodulierten Gate-Signale dar, die auf die rechten Abschnitte des zweiten und dritten Brückenverstärkers 404 und 406 angewendet werden. Außerdem stellen Liniendarstellungen 516 und 524 jeweils Ausgangsspannungen im zweiten und dritten Brückenverstärker 404, 406 dar. Da zusätzlich die Brückenverstärker 402, 404, 406 in Serie geschaltet sind, wird die Gesamtausgangsspannung der Leistungsstufe 440 (siehe 4), welche durch Liniendarstellung 526 dargestellt wird, erzielt, indem die einzelnen Ausgangsspannungen in jedem der Brückenverstärker 402, 404, 406, die durch Liniendarstellungen 508, 516, 524 dargestellt werden, addiert werden. Gemäß Aspekten der vorliegenden Technik wird das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal so auf die Brückenverstärker 402, 404, 406 angewendet, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt nur ein Brückenverstärker in der Leistungsstufe ein Ausgangsspannung generiert. Die Zeitsteuerung des an jeden Brückenverstärker ausgegebenen impulsbreitenmodulierten Gate-Signals wird durch die Steuerlogik gesteuert, die in einer Steuerstufe, wie der Steuerstufe 202 (siehe 2), implementiert ist.
Wie zuvor unter Verweis auf 4 festgestellt, umfasst jeder Brückenverstärker zusätzlich mindestens zwei Abschnitte. Ferner leitet jeder Abschnitt im Brückenverstärker in einem Zeitraum T₁, beruhend auf einem dazugehörigen impulsbreitenmodulierten Gate-Signal. Da beide Abschnitte in jedem Brückenverstärker im Zeitraum T₁ leitend sind, entspricht die Frequenz am Ausgang jedes Brückenverstärkers der doppelten Frequenz des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals. Somit entspricht die Frequenz der Gesamtausgangsspannung am Ausgang der Leistungsstufe einem Mehrfachen der Frequenz des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals und mindestens der doppelten Anzahl von Brückenverstärkern 402, 404, 406, welche in der Leistungsstufe enthalten sind, wie in Liniendarstellung 526 gezeigt. Um ein Beispiel zu geben, kann die Frequenz f_total des Gesamtausgangsspannungssignals wie folgt dargestellt werden, wenn die Frequenz des impulsbreitenmodulierten Signals f_pwm ist und drei Brückenverstärker in der Leistungsstufe verwendet werden: f_total = 6·f_pwm (1)
6 ist eine graphische Darstellung 600 einer Ausgangsspannung einer Leistungsstufe, wie beispielsweise der Leistungsstufe 440 (siehe 4), gemäß Aspekten der vorliegenden Technik bei unterschiedlichen Schaltfrequenzen und einem variierenden Referenzstromsignal. Liniendarstellungen 602, 612, 622 stellen Trägerwellenformen/Signale mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen dar. Ferner stellt Liniendarstellung 606 ein impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal dar, welches auf einen linken Abschnitt des ersten Brückenverstärkers 402 (siehe 4) angewendet wird, während Liniendarstellung 608 das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal darstellt, welches auf einen rechten Abschnitt des ersten Brückenverstärkers 402 angewendet wird. Gemäß exemplarischen Aspekten der vorliegenden Technik werden die impulsbreitenmodulierten Gate-Signale in unterschiedlichen Zeiträumen auf jeden Abschnitt des ersten Brückenverstärkers 402 angewendet, so dass die Ausgangsspannung über dem erster Brückenverstärker 402 nur erreicht wird, wenn eines der zwei impulsbreitenmodulierten Gate-Signale 606, 608 sich in einem hohen Zustand oder AN-Zustand befindet. Die Ausgangsspannung über dem ersten Brückenverstärker 402 wird im Allgemeinen durch Liniendarstellung 610 repräsentiert. Ferner stellen Liniendarstellungen 614 und 624 jeweils die impulsbreitenmodulierten Gate-Signale dar, die auf die linken Abschnitte des zweiten und dritten Brückenverstärkers 404 und 406 angewendet werden. Außerdem stellen Liniendarstellungen 616 und 626 jeweils die impulsbreitenmodulierten Gate-Signale dar, die auf die rechten Abschnitte des zweiten und dritten Brückenverstärkers 404 und 406 angewendet werden. Des Weiteren stellen Liniendarstellungen 620 und 630 jeweils Ausgangsspannungen im zweiten und dritten Brückenverstärker 404 und 406 dar. Wie zuvor unter Verweis auf 5 festgestellt, wird die Gesamtausgangsspannung 632 der Leistungsstufe durch Addieren der einzelnen Ausgangsspannungen 610, 620, 630 in jedem der Brückenverstärker 402, 404, und 406 erreicht, da die Brückenverstärker in Serie geschaltet sind.
Weiterhin Bezug nehmend auf 6, liegt die Amplitudenhöhe eines Referenzstromsignals 634 während des Zeitraums T₁ 638 unterhalb eines festgelegten Pegels 636, wobei die Anstiegsrate ebenfalls unterhalb eines festgelegten Schwellenwerts liegt. Somit kann während des Zeitraums T₁ jeder der Brückenverstärker 402, 404, 406 bei einer ersten Schaltfrequenz f₁ betrieben werden. In einer Ausführungsform kann ungeachtet der Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 634 jeder der Brückenverstärker 402, 404, 406 auch bei der ersten Schaltfrequenz f₁ betrieben werden, wenn die Anstiegsrate des Referenzstromsignals 634 über dem festgelegten Schwellenwert liegt.
Wie ebenfalls in 6 dargestellt wird, erreicht das Referenzstromsignal 634 während eines Zeitraums T₂ 640 einen flachen oberen Abschnitt. Es sei darauf hingewiesen, dass für eine Dauer dieses flachen oberen Abschnitts des Referenzstromsignals 634 die Anstiegsrate des Referenzstromsignals 634 unterhalb des festgelegten Schwellenwerts liegt und die Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 634 größer oder gleich dem festgelegten Pegel 636 ist. Somit schaltet das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal während dieses Zeitraums T₂ 640 die Betriebsfrequenz von jedem der Brückenverstärker 402, 404, 406 von der ersten Schaltfrequenz f₁ zu der zweiten Schaltfrequenz f₂. Diese Veränderung der Betriebsfrequenz jeder der Brückenverstärker von der ersten Schaltfrequenz f₁ zu der zweiten Schaltfrequenz f₂ reduziert wesentlich die Stromverluste in dem Gradientenverstärkersystem, wie dem Gradientenverstärkersystem 100 (siehe 1). Insbesondere werden die Stromverluste während des Zeitraums T₂ 640 reduziert, da eine niedrige Spannung in der Gradientenspule erforderlich ist, um ein gewünschtes Magnetfeld zu erzeugen.
Was nun FIG. anbelangt 7, wird ein Flussdiagramm 700 abgebildet, das ein Verfahren zur Steuerung eines Gradientenverstärkersystems, wie beispielsweise des Gradientenverstärkersystems 100 aus 1, gemäß Aspekten der vorliegenden Technik illustriert. Zum besseren Verständnis der vorliegenden Technik wird das Verfahren unter Verweis auf die Komponenten aus 3 beschrieben. Das Verfahren beginnt bei einem Schritt 702, wobei ein Spulenstromsignal wie das Spulenstromsignal 310 (siehe 3) und ein Referenzstromsignal wie das Referenzstromsignal 312 (siehe 3) vom Gradientenverstärkersystem empfangen werden. Insbesondere empfängt der Befehlsgeber 304 (siehe 3) in der Steuerstufe 300 das Referenzstromsignal 312 und das Spulenstromsignal 310. Das Spulenstromsignal 310 wird als Feedback-Stromstärkesignal von einem Knotenpunkt empfangen, der einen Ausgang einer Leistungsstufe mit einer Gradientenspule (siehe 2) verbindet. Wie zuvor angemerkt, kann das Referenzstromsignal 312 ferner von einer externen Quelle empfangen werden und wird zur Steuerung des Magnetfelds über die Gradientenspule 312 (siehe 2) eingesetzt.
Nachfolgend generiert in Schritt 704 der Befehlsgeber 304 ein Spannungsbefehlssignal 314 auf der Grundlage des empfangenen Spulenstromsignals 310 und des Referenzstromsignals 312. Außerdem empfängt in Schritt 706 der Analysator 306 in der Steuerstufe 300 das Referenzstromsignal 312 und bestimmt eine zum Referenzstromsignal 312 gehörende Anstiegsrate und Amplitudenhöhe. Die Anstiegsrate und die Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 312 können sich in Abhängigkeit von der Spannung oder dem Magnetfeld verändern, welche in der Gradientenspule 112 gewünscht sind. Außerdem können, wie zuvor angemerkt, die Anstiegsrate und die Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 312 gleichzeitig mit der Generierung des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals festgelegt werden. Alternativ können die Anstiegsrate und die Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 312 auch vor oder nach der Generierung des Spannungsbefehlssignals 314 festgelegt werden.
Außerdem verifiziert der Impulsbreitenmodulator 308 in Schritt 708, ob die Anstiegsrate unterhalb eines festgelegten Schwellenwerts liegt. Sofern festgestellt wird, dass die Anstiegsrate des Referenzstromsignals 312 unterhalb des festgelegten Schwellenwerts liegt, wird insbesondere in Schritt 708 eine weitere Überprüfung ausgeführt, um zu überprüfen, ob die Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 312 größer als ein festgelegter Pegel ist, wie in Schritt 710 angegeben. Sofern festgestellt wird, dass die Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 312 größer als der festgelegte Pegel ist, wird in Schritt 710 ein impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal bei einer zweiten Schaltfrequenz generiert, wie in Schritt 712 abgebildet. Allerdings wird in Schritt 710 ein impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal bei einer ersten Schaltfrequenz generiert, wie dies in Schritt 714 angegeben wird, sofern festgestellt wird, dass die Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 312 niedriger als der festgelegte Pegel ist.
Wiederum Bezug nehmend auf Schritt 708, wird das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal bei der ersten Schaltfrequenz generiert, wenn festgestellt wird, dass die Anstiegsrate des Referenzstromsignals 312 größer als der festgelegte Schwellenwert ist, wie in Schritt 714 dargestellt. Nach der Generierung des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals bei entweder der ersten Schaltfrequenz (Schritt 714) oder der zweiten Schaltfrequenz (Schritt 712) wendet die Steuerstufe 300 das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal auf jeden der Brückenverstärker an, wie in Schritt 716 abgebildet. Außerdem ist in bestimmten Ausführungsformen der Impulsbreitenmodulator 308 in der Steuerstufe 300 so konfiguriert, dass er die Schritte 708–716 ausführt.
Auf der Grundlage der Anstiegsrate und der Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 312 kann das angewendete impulsbreitenmodulierte Gate-Signal die Betriebsfrequenz von jedem der Brückenverstärker verändern. Durch die Veränderung der Betriebsfrequenz gemäß der Anstiegsrate und der Amplitudenhöhe des Referenzstromsignals 312 können Stromverluste und Wärmespannung im Gradientenverstärkersystem deutlich reduziert werden.
8 ist ein Blockdiagramm 800, in dem ein MRI-System illustriert wird, welches das exemplarische Gradientenverstärkersystem 100 (siehe 1) gemäß Aspekten der vorliegenden Technik umfasst. Das MRI-System 800 wird in Diagrammform mitsamt einem Scanner 802, Scannersteuerschaltkreis 804 und Systemsteuerschaltkreis 806 illustriert. Obwohl das MRI-System 800 einen beliebigen geeigneten MRI-Scanner oder Detektor umfassen kann, umfasst das System in der illustrierten Ausführungsform einen Ganzkörperscanner, der eine Patientenöffnung 808 aufweist, in welcher ein Tisch 810 positioniert werden kann, um einen Patienten 812 oder ein beliebiges geeignetes Objekt in eine gewünschte Position für die Abtastung zu bringen. Der Scanner 802 kann eines beliebigen geeigneten Typs von Leistungsklassifizierung sein, wozu auch Scanner gehören, die zwischen 0,5 Tesla-Leistung bis 3 Tesla-Leistung und höher liegen.
Zusätzlich kann der Scanner 802 eine Serie von dazugehörigen Spulen zur Erzeugung von kontrollierten Magnetfeldern, zur Generierung von Radiofrequenz(HF)-Anregeimpulsen und zur Erkennung von Emissionen von gyromagnetischem Material innerhalb des Körpers des Patienten 812 in Reaktion auf solche Impulse umfassen. In der Diagrammansicht aus 8 kann eine primäre Magnetspule 814 zur Generierung eines primären Magnetfelds bereitgestellt werden, welches im Allgemeinen an der Patientenöffnung 808 ausgerichtet ist. Eine Serie von Gradientenspulen 816, 818, 820 kann zur Generierung von kontrollierten Magnetgradientenfeldern während der Untersuchungssequenzen zu einer Spulenanordnung zusammengefasst werden. Eine Radiofrequenz(HF)-Spule 822 kann zur Generierung von Radiofrequenzimpulsen zum Zwecke der Anregung des gyromagnetischen Materials bereitgestellt werden. In der Ausführungsform, die in 8 illustriert wird, dient die HF-Spule 822 als eine Empfangsspule. So kann die HF-Spule 822 in einem passiven und aktiven Modus jeweils zum Empfang von Emissionen von dem gyromagnetischen Material und zur Anwendung der HF-Anregeimpulse mit einem Ansteuerungs- und Empfangsschaltkreis verbunden werden. Alternativ können verschiedene Konfigurationen von Empfangsspulen getrennt von der HF-Spule 822 bereitgestellt werden. Solche Spulen können Strukturen umfassen, die speziell auf Zielanatomien angepasst sind, wie beispielsweise Kopfspulenanordnungen, und so weiter. Außerdem können Empfangsspulen in einer beliebigen geeigneten physischen Konfiguration bereitgestellt werden, wozu Phased-Array-Spulen, usw. gehören.
In einer zurzeit in Betracht gezogenen Konfiguration können die Gradientenspulen 816, 818, 820 unterschiedliche physische Konfigurationen haben, welche an andere Funktionen im MRI-System 800 angepasst sind. Die Spulen 816, 818, 820 umfassen leitfähige Drähte, Stangen oder Platten, die gewunden oder geschnitten werden, so dass sie eine Spulenstruktur bilden, welche bei Anwendung von Steuerimpulsen wie im Folgenden beschrieben ein Gradientenfeld generiert. Die Platzierung der Spulen 816, 818, 820 innerhalb der Gradientenspulenanordnung kann in einigen unterschiedlichen Reihenfolgen erfolgen. In einer Ausführungsform kann eine Z-Achsenspule an einer innersten Position positioniert werden, und kann im Allgemeinen als eine solenoidartige Struktur gebildet werden, welche einen relativ geringen Einfluss auf das HF-Magnetfeld hat. So handelt es sich bei der Gradientenspule 820 in der illustrierten Ausführungsformdie um eine Z-Achsen-Selenoidspule, während es sich bei den Spulen 816 und 818 jeweils um Y-Achsen und X-Achsenspulen handelt.
Die Spulen des Scanners 802 können durch eine externe Beschaltung gesteuert werden, um gewünschte Felder und Impulse zu generieren und Signale vom gyromagnetischen Material auf eine kontrollierte Weise zu lesen. Es sei darauf hingewiesen, dass wenn das Material, das typischerweise in Geweben des Patienten gebunden ist, dem Primärfeld ausgesetzt wird, sich die individuellen magnetischen Momente der paramagnetischen Kerne im Gewebe teilweise an dem Feld ausrichten. Obwohl ein magnetisches Nettomoment in der Richtung des Polarisierungsfelds erzeugt wird, haben sich die zufällig ausgerichteten Komponenten des Moments in einer senkrechten Ebene im Allgemeinen gegenseitig auf. Während einer Untersuchungssequenz wird ein HF-Impuls bei oder nahe einer Larmor-Frequenz des Materials von Interesse generiert, was in der Rotation des ausgerichteten Netto-Moments resultiert, so dass ein transversales magnetisches Nettomoment erzeugt wird. Dieses transversale magnetische Moment präzediert um die Hauptmagnetfeldrichtung, wobei HF-Signale emittiert werden, die vom Scanner 802 erkannt und zur Rekonstruktion des gewünschten Bildes verarbeitet werden.
Des Weiteren können die Gradientenspulen 816, 818, 820 so konfiguriert werden, dass sie die Generierung von präzise kontrollierten Magnetfeldern ermöglichen, deren Stärken über ein zuvor definiertes Sichtfeld variieren, typischerweise mit positiver und negativer Polarität. Wenn jede Spule mit bekannter elektrischer Stromstärke versorgt wird, wird der resultierende Magnetfeldgradient über das Primärfeld gelegt und erzeugt eine gewünschte lineare Variation in der Z-Achsen-Komponente der Magnetfeldstärke im Sichtfeld. Das Feld variiert linear in einer Richtung, ist aber in den anderen beiden Richtungen homogen. Die drei Spulen 816, 818, 820 weisen gemeinsame orthogonale Achsen für die Richtung ihrer Variation auf, wodurch mit einer geeigneten Kombination der drei Gradientenspulen 816, 818, 820 ein linearer Feldgradient in einer beliebigen Richtung erzeugt werden kann.
Außerdem führen die gepulsten Gradientenfelder verschiedene Funktionen aus, die für den Bildgebungsprozess wesentlich sind. Einige dieser Funktionen sind Schichtauswahl, Frequenzkodierung und Phasenkodierung. Diese Funktionen können entlang der X-Achse, Y-Achse und Z-Achse des ursprünglichen Koordinatensystems oder entlang anderer Achsen angewendet werden, die durch Kombinationen von gepulsten Stromstärken festgelegt werden, welche auf die individuellen Feldspulen angewendet werden.
Außerdem wird durch den Schichtauswahlgradient eine abzubildende Schicht aus Gewebe oder ein anatomischet Abschnitt im Körper des Patienten bestimmt. Das Schichtauswahl-Gradientenfeld kann gleichzeitig mit einem frequenzselektiven HF-Impuls angewendet werden, um ein bekanntes Volumen von Spins innerhalb einer gewünschten Schicht anzuregen, die bei derselben Frequenz präzedieren. Die Schichtdicke wird durch die Bandbreite der HF-Impulse und die Gradientenstärke im Sichtfeld festgelegt.
Der Frequenzkodierungsgradient ist auch als Auslesegradient bekannt und wird gewöhnlich in einer Richtung angewendet, die senkrecht zum Schichtauswahlgradienten verläuft. Im Allgemeinen wird der Frequenzkodierungsgradient vor und während der Formierung des Magnetresonanz(MR)-Echosignals angewendet, welches von der HF-Anregung hervorgerufen wird. Spins des gyromagnetischen Materials, welches unter dem Einfluss dieses Gradienten steht, werden gemäß ihrer räumlichen Position entlang dem Gradientenfeld frequenzkodiert. Durch Fourier-Transformation können erfasste Signale analysiert werden, um deren Position in der ausgewählten Schicht mittels Frequenzkodierung zu identifizieren.
Schließlich wird der Phasenkodierungsgradient im Allgemeinen vor dem Auslesegradient und nach dem Schichtauswahlgradient angewendet. Die Lokalisierung der Spins in dem gyromagnetischen Material in Phasenkodierungsrichtung kann durch sequenzielle Induktion von Variationen der Phase der präzedierenden Protonen des Materials erreicht werden, wobei geringfügig unterschiedliche Gradientenamplituden verwendet werden, die während der Datenerfassungssequenz sequenziell angewendet werden. Der Phasenkodierungsgradient erlaubt die Erzeugung von Phasenunterschieden zwischen den Spins des Materials gemäß deren Position in der Phasenkodierungsrichtung.
Zusätzlich ist eine große Anzahl von Variationen für die Impulssequenzen denkbar, wobei die weiter oben beschriebenen exemplarischen Gradientenimpuls-Funktionen sowie andere, hier nicht explizit beschriebene Gradientenimpuls-Funktionen angewendet werden können. Außerdem können Anpassungen der Impulssequenzen vorgenommen werden, um sowohl die ausgewählte Schicht als auch die Frequenz- und Phasenkodierungen auf geeignete Weise auszurichten, um die Anregung des gewünschten Materials zu erreichen und die sich ergebenden MR-Signale verarbeiten zu können.
Die Spulen des Scanners 802 werden durch einen Scannersteuerschaltkreis 804 gesteuert, um das gewünschte Magnetfeld und die HF-Impuse zu generieren. In der Diagrammansicht aus 8 umfasst der Steuerschaltkreis 804 somit einen Regelkreis 826 zur Steuerung der während der Untersuchungen angewendeten Impulssequenzen und zur Verarbeitung der empfangen Signale. Der Regelkreis 826 kann eine beliebige geeignete programmierbare Logik-Vorrichtung umfassen, wie beispielsweise eine ZVE oder einen digitalen Signalprozessor eines Universal- oder anwendungsspezifischen Computers. Außerdem ist der Regelkreis 826 kommunikativ an einen Speicherschaltkreis 828 gekoppelt, wie beispielsweise eine volatile und nicht-volatile Speichervorrichtung zur Speicherung von physikalischen und logischen Achsen-Konfigurationsparametern, Untersuchungsimpulssequenzbeschreibungen, erfassten Bilddaten, Programmierroutinen und so weiter, die während der vom Scanner implementierten Untersuchungssequenzen verwendet werden.
Die Schnittstelle zwischen dem Regelkreis 826 und den Spulen des Scanners 802 wird durch den Verstärkungs- und Steuerschaltkreis 830 und durch den Übetragungsund Empfangsschnittstellen-Schaltkreis 832 gesteuert. Der Verstärkungs- und Steuerschaltkreis 830 umfasst Verstärker für jede Gradientenfeldspule, so dass in Reaktion auf Steuersignale vom Regelkreis 826 ein Antriebsstroms an die Feldspulen geliefert werden kann. In bestimmten Ausführungsformen kann das MRI-System 800 ein exemplarisches Gradientenverstärkersystem 854, wie das Gradientenverstärkersystem 100 aus 1, umfassen. Das Gradientenverstärkersystem 854 kann in einer Ausführungsform operativ an den Steuerschaltkreis 804 gekoppelt sein. Allerdings kann in bestimmten anderen Ausführungsformen der Steuerschaltkreis 804 das Gradientenverstärkersystem 854 umfassen. Der Übertragungs-/Empfangs(T/R)-Schnittstellen-Schaltkreis 832 umfasst zusätzlich einen Verstärkerschaltkreis zum Antrieb der HF-Spule 822. Außerdem kann in den Fällen, in denen die HF-Spule 822 sowohl zur Aussendung von HF-Anregeimpulsen als auch zum Empfang von MR-Signalen dient, der T/R-Schnittstelle-Schaltkreis 832 typischerweise eine Schaltvorrichtung zur Umschaltung der HF-Spule 822 zwischen aktivem oder Übetragungsmodus und passivem oder Empfangsmodus umfassen. Eine Energieversorgung, die in 8 allgemein durch Referenzziffer 824 gekennzeichnet wird, wird zur Versorgung des primären Magnets 814 mit Strom bereitgestellt. Schließlich kann der Steuerschaltkreis 804 Schnittstellen-Komponenten 834 zum Austausch von Konfigurations- und Bilddaten mit dem Systemsteuerschaltkreis 806 umfassen. Es sei darauf hingewiesen, dass obwohl in der vorliegenden Beschreibung auf ein Bildgebungssystem mit horizontaler zylindrischer Öffnung verwiesen wird, bei welchem eine supraleitende primäre Feldmagnetanordnung zum Einsatz kommt, die vorliegende Technik auch bei verschiedenen anderen Konfigurationen verwendet werden kann, wie beispielsweise Scannern, bei denen vertikale Felder eingesetzt werden, die von supraleitenden Magneten, Permanent-Magneten, Elektromagneten oder Kombinationen von diesen Mitteln erzeugt werden.
Der Systemsteuerschaltkreis 806 kann eine große Auswahl von Geräten zur Ermöglichung der Schnittstelle zwischen einem Bediener oder Radiologen und dem Scanner 802 über den Scannersteuerschaltkreis 804 umfassen. In der illustrierten Ausführungsform wird beispielsweise ein Bedienerregler 836 in Form einer Computer-Workstation bereitgestellt, bei der ein Universal- oder anwendungsspezifischer Computer zum Einsatz kommt. Die Workstation 836 umfasst typischerweise auch den Speicherschaltkreis zur Speicherung von Untersuchungsimpulssequenzbeschreibungen, Untersuchungsprotokollen, Bediener- und Patientendaten, Bilddaten sowohl in roher als auch verarbeiteter Form, usw. Ferner kann die Workstation 836 verschiedene Schnittstellen und Peripherie-Treiber zum Empfang und Austausch von Daten mit lokalen und entfernten Geräten umfassen. In der illustrierten Ausführungsform umfassen solche Vorrichtungen eine konventionelle Computertastatur 838 und eine alternative Eingabevorrichtung wie beispielsweise eine Maus 840. Ein Drucker 842 kann zur Generierung eines Hard-Copy-Ausgangs von Dokumenten und Bildern bereitgestellt werden, die aus den erfassten Daten rekonstruiert wurden. Außerdem kann ein Computermonitor 844 zur Ermöglichung der Bedienerschnittstelle bereitgestellt werden. Zusätzlich kann das System 800 verschiedene lokale und entfernte Bildzugriffs- und Untersuchungssteuergeräte umfassen, die in 8 allgemein durch die Referenzziffer 852 bezeichnet werden. Solche Geräte können Bildarchivierungs- und Kommunikationssysteme (PACS), Teleradiologie-Systeme, u. ä. umfassen.
Die oben beschriebenen Verfahren und Systeme unterstützen die Reduktion von Stromverlusten in einem Gradientenverstärkersystem. Außerdem können die Stromverluste gleichmäßig auf die Brückenverstärker verteilt werden, da jeder der Brückenverstärker in der Leistungsstufe bei im Wesentlichen gleichen Schaltfrequenzen und Gleichspannungen betrieben wird. Da im Wesentlichen gleiche Gleichspannungsquellen und Brückenverstärker zum Einsatz kommen, werden zudem auch Entwicklungs- und Herstellungskosten des Gradientenverstärkersystems wesentlich reduziert.
Obwohl hier nur einige bestimmte Merkmale der Erfindung illustriert und beschrieben worden sind, werden auf diesem Gebiet fachkundigen Personen zahlreiche Modifikationen und Veränderungen einfallen. Es sei daher darauf hingewiesen, dass die angehängten Patentansprüche sämtliche solche Modifikationen und Veränderungen einschließen sollen, die der Wesensart der Erfindung entsprechen.
Es wird ein Gradientenverstärkersystem vorgestellt. Eine Ausführungsform eines Gradientenverstärkersystems umfasst eine Leistungsstufe, die eine Vielzahl von Brückenverstärkern aufweist, wobei jeder der Vielzahl von Brückenverstärkern bei einer ersten Schaltfrequenz betrieben wird. Das Gradientenverstärkersystem umfasst ferner eine Gradientenspule, die an einen Ausgang der Leistungsstufe angeschlossen und so konfiguriert ist, dass sie ein Magnetfeld erzeugt, das proportional zu einem Spulenstromsignal ist, das von der Leistungsstufe geliefert wird. Zusätzlich umfasst das Gradientenverstärkersystem eine Steuerstufe, die an einen Eingang der Leistungsstufe angeschlossen und so konfiguriert ist, dass sie ein impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal auf der Grundlage des Spulenstromsignals und eines Referenzstromsignals generiert, wobei das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal bei einer zweiten Schaltfrequenz generiert wird, wenn eine zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate unterhalb eines festgelegten Schwellenwerts und eine zum Referenzstromsignal gehörende Amplitudenhöhe über einem festgelegten Pegel liegt. Ferner ist die Steuerstufe so konfiguriert, dass sie das generierte impulsbreitenmodulierte Gate-Signal zu die Leistungsstufe gibt, um eine Betriebsfrequenz von jedem der Vielzahl von Brückenverstärkern von der ersten Schaltfrequenz zu der zweiten Schaltfrequenz hin zu verändern.
Bezugszeichenliste

100: Gradientenverstärkersystem
102: Steuerstufe
104: Leistungsstufe
106: erster Brückenverstärker
108: zweiter Brückenverstärker
110: dritter Brückenverstärker
112: Gradientenspule
114: Spulenstromsignal
116: impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal
118: impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal
120: impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal
122: Stromfühler
124: Referenzstromsignal
200: Gradientenverstärkersystem
202: Steuerstufe
216: erster Pfad
218: zweiter Pfad
220: dritter Pfad
222: Komparator
224: Proportional-Integral-Steuereinheit
226: erstes Vorwärtsschub-Subsystem
228: zweites Vorwärtsschub-Subsystem
230: Summingseinheit
232: Divisionseinheit
236: Proportional-Integral-Spannung
238: induktiver Spannungsabfall
240: resistiver Spannungsabfall
242: Spannungsbefehlssignal
246: Fehlerstromsignal
248: impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal
300: Steuerstufe
304: Befehlsgeber
306: Analysator
308: Impulsbreitenmodulator
310: Spulenstromsignal
312: Referenzstromsignal
314: Spannungsbefehlssignal
316: Anstiegsraten- und Ampltiudenpegelinformationen
318: impulsbreitenmoduliertes Gate-Signal
400: an eine Gradientenspule gekoppelte Leistungsstufe
402: erster Brückenverstärker
404: zweiter Brückenverstärker
406: dritter Brückenverstärker
408: Gradientenspule
410: erste Spannungsquelle
412: zweite Spannungsquelle
414: dritte Spannungsquelle
416–438: Transistormodule
440: Leistungsstufe
500: graphische Darstellung einer Ausgangsspannung einer Leistungsstufe
502: Trägerwellenform/Signal
504: Gate-Signal für einen linken Abschnitt
506: Gate-Signal für einen rechten Abschnitt
508: Ausgangsspannung eines ersten Brückenverstärkers
510: Trägerwellenform/Signal
512: Gate-Signal für einen linken Abschnitt
514: Gate-Signal für einen rechten Abschnitt
516: Ausgangsspannung eines zweiten Brückenverstärkers
518: Trägerwellenform/Signal
520: Gate-Signal für einen linken Abschnitt
522: Gate-Signal für einen rechten Abschnitt
524: Ausgangsspannung eines dritten Brückenverstärkers
526: Gesamtausgangsspannung in der Leistungsstufe
600: graphische Darstellung einer Ausgangsspannung einer Leistungsstufe
602: Trägerwellenform/Signal
606: Gate-Signal für einen linken Abschnitt
608: Gate-Signal für einen rechten Abschnitt
610: Ausgangsspannung eines ersten Brückenverstärkers
612: Trägerwellenform/Signal
614: Gate-Signal für einen linken Abschnitt
616: Gate-Signal für einen rechten Abschnitt
620: Ausgangsspannung eines zweiten Brückenverstärkers
622: Trägerwellenform/Signal
624: Gate-Signal für einen linken Abschnitt
626: Gate-Signal für einen rechten Abschnitt
630: Ausgangsspannung eines dritten Brückenverstärkers
632: Gesamtausgangsspannung in der Leistungsstufe
634: Referenzstromsignal
636: festgelegter Pegel
638: Zeitraum T₁
640: Zeitraum T₂
700: Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Steuerung eines Gradientverstärkersystems illustriert
702–716: Schritte zur Durchführung des Verfahrens zur Steuerung des Gradientenverstärkersystems
800: MRI-System
802: Scanner
804: Scannersteuerschaltkreis
806: Systemsteuerschaltkreis
808: Patientenöffnung
810: Tisch
812: Patient oder Objekt
814: primäre Magnetspule
816: Gradientenspule
818: Gradientenspule
820: Gradientenspule
822: HF-Spule
824: Energieversorgung
826: Regelkreis
828: Speicherschaltkreis
830: Verstärkungs- und Steuerschaltkreis
832: Übetragungs-/Empfangs(T/R)-Schnittstellen-Schaltkreis
834: Schnittstellen-Komponenten
836: Bedienerregler
838: Computertastatur
840: Maus
842: Drucker
844: Computermonitor
852: Lokale und entfernte Bildzugriffs- und Untersuchungssteuervorrichtungen
854: Gradientenverstärkersystem

Claims

Gradientenverstärkersystem, das aufweist: eine Leistungsstufe, welche mehrere Brückenverstärker umfasst, wobei jeder der Brückenverstärker bei einer ersten Schaltfrequenz betrieben wird; eine Gradientenspule, die an einen Ausgang der Leistungsstufe gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie ein Magnetfeld erzeugt, das proportional zu einem Spulenstromsignal ist, das von der Leistungsstufe geliefert wird; eine Steuerstufe, die an einen Eingang der Leistungsstufe gekoppelt und konfiguriert ist zur: die Generierung eines impulsbreitenmodulierten Gate-Signals auf der Grundlage des Spulenstromsignals und eines Referenzstromsignals, wobei das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal bei einer zweiten Schaltfrequenz generiert wird, sofern: eine zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate unterhalb eines festgelegten Schwellenwerts liegt; und eine zum Referenzstromsignal gehörende Amplitudenhöhe über einem festgelegten Pegel liegt; und das Anlegen des generierten impulsbreitenmodulierten Gate-Signals an die Leistungsstufe, um eine Betriebsfrequenz von jedem der Vielzahl von Brückenverstärkern von der ersten Schaltfrequenz zu der zweiten Schaltfrequenz zu verändern.
Gradientenverstärkersystem gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerstufe so konfiguriert ist, dass sie das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal bei einer ersten Schaltfrequenz generiert, wenn die zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate über dem festgelegt Schwellenwert liegt.
Gradientenverstärkersystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerstufe so konfiguriert ist, dass sie das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal bei der ersten Schaltfrequenz generiert, sofern: die zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate unterhalb des festgelegten Schwellenwerts liegt; und die zum Referenzstromsignal gehörende Amplitudenhöhe unterhalb des festgelegten Pegels liegt.
Gradientenverstärkersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Schaltfrequenz niedriger als die erste Schaltfrequenz ist.
Gradientenverstärkersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Brückenverstärker in der Leistungsstufe mindestens einen ersten Brückenverstärker, einen zweiten Brückenverstärker und einen dritten Brückenverstärker umfassen, die in Serie geschaltet sind.
Gradientenverstärkersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder der Brückenverstärker in der Leistungsstufe betriebsmäßig mit einer dazugehörigen Gleichstromspannungsquelle gekoppelt ist, um an dem Ausgang der Leistungsstufe ein Spannungssignal zu generieren.
Gradientenverstärkersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leistungsstufe so konfiguriert ist, dass sie das Spannungssignal durch Modulierung eines Gleichstromspannungssignals generieren kann, das von jedem der Brückenverstärker auf der Grundlage des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals empfangen wird, das an einen dazugehörigen Brückenverstärker gegeben wird, bevor das Spannungssignal an die Gradientenspule geliefert wird.
Gradientenverstärkersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Spannungssignal bei einer Frequenz moduliert wird, die einem aus einem Vielfachen der ersten Schaltfrequenz und der zweiten Schaltfrequenz und mindestens der doppelten Anzahl von Brückenverstärkern in der Leistungsstufe entspricht.
Gradientenverstärkersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner einen Stromfühler umfassend, der an die Gradientenspule gekoppelt und konfiguriert ist für: die Erkennung des Spulenstromsignals an der Gradientenspule; und die Übermittlung des erkannten Spulenstromsignals an die Steuerstufe.
Gradientenverstärkersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerstufe umfasst: einen Befehlsgeber, der zur Generierung eines Spannungsbefehlssignals auf der Grundlage des Spulenstromsignals und des Referenzstromsignals konfiguriert ist; einen Analysator, der zur Bestimmung der zum Referenzstromsignal gehörenden Anstiegsrate und Amplitudenhöhe konfiguriert ist; und einen Impulsbreitenmodulator, der an den Befehlsgeber und den Analysator gekoppelt und so konfiguriert ist, dass er das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal durch Modulierung des Spannungsbefehlssignals auf der Grundlage der zum Referenzstromsignal gehörenden Anstiegsrate und Amplitudenhöhe generiert.
Verfahren zur Steuerung eines Gradientenverstärkersystems, wobei das Verfahren umfasst: den Empfang eines Spulenstromsignals von einem Ausgang einer Leistungsstufe, welche mehrere Brückenverstärker umfasst, die bei einer ersten Schaltfrequenz betrieben werden; den Empfang eines Referenzstromsignals zur Steuerung eines Magnetfelds in einer Gradientenspule; die Generierung eines impulsbreitenmodulierten Gate-Signals auf der Grundlage des Spulenstromsignals und des Referenzstromsignals, wobei das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal bei einer zweiten Schaltfrequenz generiert wird, wenn: eine zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate unterhalb eines festgelegten Schwellenwertes liegt; und eine zum Referenzstromsignal gehörende Amplitudenhöhe über einem festgelegten Pegel liegt; und die Zuleitung des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals zu der Leistungsstufe, um eine Betriebsfrequenz von jedem der Brückenverstärkern von der ersten Schaltfrequenz zu der zweiten Schaltfrequenz zu verändern.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei der Empfang des Spulenstromsignals die Erkennung des Spulenstromsignals an einem Knotenpunkt umfasst, welcher den Ausgang der Leistungsstufe mit der Gradientenspule verbindet.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, ferner die Generierung des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals bei der ersten Schaltfrequenz umfassend, wenn: die zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate unterhalb des festgelegten Schwellenwerts liegt; und die zum Referenzstromsignal gehörende Amplitudenhöhe unterhalb des festgelegten Pegels liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner die Generierung des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals bei der ersten Schaltfrequenz umfassend, wenn die zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate über dem festgelegten Schwellenwert liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Generierung des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals umfasst: die Identifizierung eines Fehlerstromsignals durch Vergleich des Spulenstromsignals mit dem Referenzstromsignal, wobei das Fehlerstromsignal eine Abweichung des Spulenstromsignals vom Referenzstromsignal angibt; die Generierung einer zum Fehlerstromsignal gehörenden Proportional-Integral-Spannung; die Bestimmung mindestens einer induktiven Spannung und einer resistiven Spannung in der Gradientenspule; und die Generierung des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals beruhend auf mindestens der Proportional-Integral-Spannung, der induktiven Spannung und der resistiven Spannung in der Gradientenspule.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Generierung des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals ferner umfasst: die Summierung mindestens der Proportional-Integral-Spannung, der induktiven Spannung und der resistiven Spannung zur Generierung eines Spannungsbefehlssignals; die Division des Spannungsbefehlssignals beruhend auf einer Anzahl von Brückenverstärkern in der Leistungsstufe; und die Modulierung des dividierten Spannungsbefehlssignals beruhend auf einem Impulsbreite-Modulationsschema zur Generierung des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, ferner den Betrieb von jedem der Vielzahl von Brückenverstärkern bei der ersten Schaltfrequenz umfassend, wenn mindestens einer der folgenden Umstände zutrifft: die zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate liegt über dem festgelegten Schwellenwert; und die zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate liegt unterhalb des festgelegten Schwellenwerts, wobei die zum Referenzstromsignal gehörende Amplitudenhöhe unterhalb des festgelegten Pegels liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, ferner den Betrieb der Brückenverstärker bei der zweiten Schaltfrequenz umfasend, wenn: die zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate unterhalb des Schwellenwertes liegt; und die zum Referenzstromsignal gehörende Amplitudenhöhe über dem festgelegten Pegel liegt.
Steuerstufe zur Steuerung eines Gradientenverstärkersystems, wobei die Steuerstufe umfasst: einen Befehlsgeber, der so konfiguriert ist, dass er ein Spannungsbefehlssignal beruhend auf einem Spulenstromsignal und einem Referenzstromsignal generiert; einen Analysator, der so konfiguriert ist, dass er eine zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate und Amplitudenhöhe bestimmt; und einen Impulsbreitenmodulator, der an den Befehlsgeber und den Analysator gekoppelt und so konfiguriert ist, dass er das Spannungsbefehlssignal auf der Grundlage der zum Referenzstromsignal gehörenden Anstiegsrate und Amplitudenhöhe moduliert.
Steuerstufe gemäß Anspruch 19, ferner so konfiguriert, dass sie das Spannungsbefehlssignal zur Generierung eines impulsbreitenmodulierten Gate-Signals bei einer ersten Schaltfrequenz moduliert, wenn die zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate unterhalb eines festgelegten Schwellenwerts liegt und die zum Referenzstromsignal gehörende Amplitudenhöhe unterhalb eines festgelegten Pegels liegt.
Steuerstufe gemäß Anspruch 19 oder 20, ferner so konfiguriert, dass sie das Spannungsbefehlssignal zur Generierung eines impulsbreitenmodulierten Gate-Signals bei einer ersten Schaltfrequenz moduliert, wenn die zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate über einem Schwellenwert liegt.
Steuerstufe gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, ferner so konfiguriert, dass sie das Spannungsbefehlssignal zur Generierung des impulsbreitenmodulierten Gate-Signals bei einer zweiten Schaltfrequenz moduliert, wenn die zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate unterhalb des festgelegten Schwellenwerts liegt und die zum Referenzstromsignal gehörende Amplitudenhöhe über dem festgelegten Pegel liegt.
Steuerstufe gemäß einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei der Befehlsgeber ferner umfasst: eine Differentialeinheit konfiguriert für: den Empfang des Spulenstromsignals und des Referenzstromsignals; die Generierung eines Fehlerstromsignals durch Vergleich des Spulenstromsignals mit dem Referenzstromsignal; eine Proportional-Integral-Steuereinheit, die mit der Differentialeinheit gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie eine zum Fehlerstromsignal gehörende Proportional-Integral-Spannung generiert; eine Spulenmodelleinheit, die so konfiguriert ist, dass sie mindestens eine induktive Spannung und eine resistive Spannung in einer Gradientenspule auf der Grundlage des Referenzstromsignals generiert; und eine Summierungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie das Spannungsbefehlssignal durch Kombination von mindestens der Proportional-Integral Spannung, der induktiven Spannung und der resistiven Sspannung generiert.
Steuerstufe gemäß einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei die Summierungseinheit ferner eine Divisionseinheit umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie das Spannungsbefehlssignal beruhend auf einer Anzahl von Brückenverstärkern in dem Gradientenverstärkersystem dividiert.
System zur Magnetresonanzbildgebung, umfassend: einen Scannersteuerschaltkreis, der zur Erfassung von Bilddaten konfiguriert ist, wobei der Scannersteuerschaltkreis umfasst: eine Gradientenspule, die für die Erzeugung von Magnetfeldern zur Lokalisierung der Bildgebungsdaten konfiguriert ist; ein Gradientenverstärkersystem, das an die Gradientenspule gekoppelt und so konfiguriert ist, dass es ein Spulenstromsignal an die Gradientenspule liefert, wobei das Gradientenverstärkersystem umfasst: eine Leistungsstufe, welche eine Vielzahl von Brückenverstärkern umfasst, wobei jeder der Vielzahl von Brückenverstärkern bei einer ersten Schaltfrequenz betrieben wird; eine Steuerstufe, welche an einen Eingangsanschluss der Leistungsstufe gekoppelt und konfiguriert ist für: die Generierung eines impulsbreitenmodulierten Gate-Signals auf der Grundlage des Spulenstromsignals und eines Referenzstromsignals, wobei das impulsbreitenmodulierte Gate-Signal bei einer zweiten Schaltfrequenz generiert wird, wenn: eine zum Referenzstromsignal gehörende Anstiegsrate unterhalb eines festgelegten Schwellenwerts liegt; eine zum Referenzstromsignal gehörende Amplitudenhöhe über einem festgelegten Pegel liegt; die Anwendung des generierten impulsbreitenmodulierten Gate-Signals auf die Leistungsstufe, um eine Betriebsfrequenz von jedem der Vielzahl von Brückenverstärkern von der ersten Schaltfrequenz zu der zweiten Schaltfrequenz zu verändern; und einen Systemsteuerschaltkreis, der sich in einer operativer Verbindung mit dem Scannersteuerschaltkreis befindet und zur Verarbeitung der erfassten Bilddaten konfiguriert ist.