DE10216493A1 - Process for controlling amplifiers with inductive loads - Google Patents
Process for controlling amplifiers with inductive loadsInfo
- Publication number
- DE10216493A1 DE10216493A1 DE2002116493 DE10216493A DE10216493A1 DE 10216493 A1 DE10216493 A1 DE 10216493A1 DE 2002116493 DE2002116493 DE 2002116493 DE 10216493 A DE10216493 A DE 10216493A DE 10216493 A1 DE10216493 A1 DE 10216493A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- current
- amplifier
- coil
- voltage
- gradient
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
- G01R33/385—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using gradient magnetic field coils
- G01R33/3852—Gradient amplifiers; means for controlling the application of a gradient magnetic field to the sample, e.g. a gradient signal synthesizer
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung von Stromquellen, wie sie in Geräten der kernmagnetischen Resonanz (NMR) eingesetzt werden, um unter Verwendung von Magnetspulen gepulste magnetische Feldgradienten bereitzustellen. Sie bezieht sich gleichermaßen auf Meßmethoden zur Bestimmung von Diffusionskoeffizienten und Geschwindigkeiten (PFG NMR-Spektroskopie), auf bildgebende NMR-Verfahren (MRI) sowie auf Kombinationen dieser Meßverfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung von Diffusionskoeffizienten und Geschwindigkeiten. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren wird charakterisiert, indem solche Führungsfunktionen verwendet werden, die die Spannung über der Spule zu jeder Zeit kleiner als die Betriebsgleichspannung des Verstärkers halten, wodurch der Verstärker nicht übersteuert wird und dadurch die Ströme zur Beaufschlagung der Gradientenspulen den Führungsfunktionen proportional folgen.The invention relates to a method for controlling current sources, such as those used in nuclear magnetic resonance (NMR) devices, in order to provide pulsed magnetic field gradients using magnetic coils. It relates equally to measurement methods for determining diffusion coefficients and speeds (PFG NMR spectroscopy), to imaging NMR methods (MRI) and to combinations of these measurement methods for the spatially resolved determination of diffusion coefficients and speeds. DOLLAR A The method according to the invention is characterized in that such guide functions are used which keep the voltage across the coil lower than the operational DC voltage of the amplifier at all times, as a result of which the amplifier is not overloaded and the currents for acting on the gradient coils follow the guide functions proportionally.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung von Stromquellen, wie sie in Geräten der kernmagnetischen Resonanz (NMR) eingesetzt werden, um unter Verwendung von Magnetspulen gepulste magnetische Feldgradienten bereitzustellen. Sie bezieht sich gleichermaßen auf Meßmethoden zur Bestimmung von Diffusionskoeffizienten und Geschwindigkeiten (PFG NMR-Spektroskopie), auf bildgebende NMR-Verfahren (MRI) sowie auf Kombinationen dieser Meßverfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung von Diffusionskoeffizienten und Geschwindigkeiten. The invention relates to a method for controlling current sources, as in Nuclear magnetic resonance (NMR) devices are used to measure Use of magnetic coils to provide pulsed magnetic field gradients. It also relates to measurement methods for determining Diffusion coefficients and velocities (PFG NMR spectroscopy) on imaging NMR method (MRI) and combinations of these measurement methods for spatially resolved determination of diffusion coefficients and velocities.
Um für NMR-Geräte gepulste magnetische Feldgradienten g(t) bereitzustellen,
werden geeignet angeordnete Spulensysteme, sog. Gradientenspulen, von Strömen
durchflossen, welche in ihrer Stärke und Dauer entsprechend den gerade
verwendeten Meßgegebenheiten (Pulssequenz) steuerbar sein müssen. Aufgabe solcher
Anordnungen ist es, die Larmorfrequenz ω gezielt durch einen vom Ort abhängigen
magnetischen Fluß B ortsabhängig werden zu lassen:
ω(r, t) = -γB(r, t) = -γ[B0 + rg(t)], (1)
wobei γ das gyromagnetische Verhältnis bezeichnet. B(r, t) wird hierbei als die
Summe aus einem konstanten, zeitunabhängigen, homogenen Anteil B0 und dem
Skalarprodukt aus einem konstanten, zeitabhängigen, ortsunabhängigen
magnetischen Feldgradienten g(t) des Magnetflusses mit dem Ortsvektor r aufgefaßt.
Entsprechend dem BIOT-SAVARTschen Gesetz ist der generierte magnetische
Feldgradient g(t) proportional zum Strom i(t), der durch das Spulensystem fließt.
Deshalb bietet es sich an, den Strom i(t) in seiner Amplitude von der Pulssequenz
steuern zu lassen. Wird statt dessen die an die Spule angelegte Spannung
kontrolliert, kommt es zu Schwierigkeiten, da der Zusammenhang zwischen Spannung
uL(t) und Strom i(t) an einer Induktivität durch die erste Ableitung des Stromes
nach der Zeit di(t)/dt gegeben ist. Der Zusammenhang zwischen der Spannung
uL(t) und dem magnetischen Feldgradienten g(t) ist deshalb nicht proportional.
Aus diesem Grund werden die Leistungsverstärker, die den durch die Spulen
fließenden Strom bereitstellen, in der Regel als Stromquellen betrieben.
In order to provide pulsed magnetic field gradients g (t) for NMR devices, suitably arranged coil systems, so-called gradient coils, are traversed by currents, the strength and duration of which must be controllable in accordance with the measurement conditions (pulse sequence) currently used. The task of such arrangements is to make the Larmor frequency ω specifically dependent on the location by a location-dependent magnetic flux B:
ω (r, t) = -γB (r, t) = -γ [B 0 + rg (t)], (1)
where γ denotes the gyromagnetic ratio. B (r, t) is understood here as the sum of a constant, time-independent, homogeneous component B 0 and the scalar product of a constant, time-dependent, location-independent magnetic field gradient g (t) of the magnetic flux with the location vector r. According to BIOT-SAVART's law, the generated magnetic field gradient g (t) is proportional to the current i (t) that flows through the coil system. It is therefore advisable to have the amplitude of the current i (t) controlled by the pulse sequence. If instead the voltage applied to the coil is checked, difficulties arise because the relationship between voltage u L (t) and current i (t) on an inductor is caused by the first derivative of the current after the time di (t) / dt given is. The relationship between the voltage u L (t) and the magnetic field gradient g (t) is therefore not proportional. For this reason, the power amplifiers that provide the current flowing through the coils are usually operated as current sources.
Ein Leistungsverstärker als Stromquelle stellt einen Regelkreis dar. Hierbei ist die
am Verstärker anliegende Eingangsspannung u(t) die Führungsgröße, der Strom
i(t) durch die Spule (Regelstrecke) die Regelgröße und die über die Spule
anliegende Ausgangsspannung uL(t) des Leistungsverstärkers die Stellgröße. Mit dem
Leistungsverstärker (Steller) wird uL(t) nachgeführt, bis die Regelabweichung
zwischen Regelgröße i(t) und Führungsgröße u(t) Null wird. Das
Übertragungsverhalten des Reglers kann durch die Beziehung
beschrieben werden, wobei v den Stromübertragungsfaktor des als Stromquelle
betriebenen Leistungsverstärkers darstellt. Auf diese Weise kann die Proportionalität
zwischen dem magnetischen Feldgradienten g(t) und der steuernden Spannung u(t)
über den durch die Spule fließenden Strom i(t) grundsätzlich gesichert werden.
Kritisch für den Betrieb solcher Stromquellen an induktiven Lasten sind schnelle,
im Extremfall sprungartige Änderungen der Führungsgröße, das heißt der
steuernden Spannung u(t). Anhand eines Einschaltvorganges soll das diskutiert werden.
Analoges gilt für jede beliebige sprunghafte Änderung der Führungsgröße u(t),
insbesondere aber für Abschaltvorgänge. Wird für die Führungsgröße der Stromquelle
eine Sprungfunktion mit
gewählt, so würde sich, eine ideale Stromquelle angenommen, für t ≥ 0 sofort der
Strom I einstellen. Das ergibt sich direkt durch Einsetzen von Gl. (3) in Gl. (2).
Betrachtet man jedoch den tatsächlichen Zusammenhang von Spannung uL(t) und
Strom i(t) an einer Gradientenspule
mit RL als deren ohmschen Anteil an der Impedanz und deren Induktivität L, so
wird deutlich, daß im Extremfall eines Stromsprunges eine unendlich hohe
Spannung uL(t) notwendig wäre, um sofort den gewünschten Strom I zu erreichen. Die
Spannung uL(t) ist aber in natürlicher Weise von der zur Verfügung stehenden
Betriebsgleichspannung UB des Verstärkers begrenzt. Der tatsächliche Stromverlauf
durch die Spule ist deshalb
wobei τL = L/RL die Zeitkonstante der Induktivität bezeichnet. Die
Zeitintervalle der einzelnen Funktionenstücke ergeben sich aus der physikalisch begründeten
Bedingung, daß i(t) immer stetig ist (Stetigkeitsbedingung). Die erste Ableitung
von Gl. (5) nach der Zeit ist
A power amplifier as a current source represents a control loop. Here, the input voltage u (t) present at the amplifier is the reference variable, the current i (t) through the coil (controlled system) is the controlled variable and the output voltage u L (t) across the coil Power amplifier the manipulated variable. The power amplifier (actuator) tracks u L (t) until the control deviation between controlled variable i (t) and reference variable u (t) becomes zero. The transmission behavior of the controller can be determined by the relationship
are described, where v represents the current transfer factor of the power amplifier operated as a current source. In this way, the proportionality between the magnetic field gradient g (t) and the controlling voltage u (t) can basically be ensured via the current i (t) flowing through the coil. Critical for the operation of such current sources on inductive loads are rapid, in extreme cases sudden changes in the command variable, that is, the controlling voltage u (t). This will be discussed using a switch-on process. The same applies to any sudden change in the command variable u (t), but in particular for switch-off processes. If a step function is used for the reference variable of the current source
If an ideal current source were selected, the current I would immediately set for t ≥ 0. This results directly from the insertion of Eq. (3) in Eq. (2). However, if we consider the actual relationship between voltage u L (t) and current i (t) on a gradient coil
with R L as its ohmic part in the impedance and its inductance L, it becomes clear that in the extreme case of a jump in current an infinitely high voltage u L (t) would be necessary in order to immediately reach the desired current I. However, the voltage u L (t) is naturally limited by the available operating DC voltage U B of the amplifier. The actual current flow through the coil is therefore
where τ L = L / R L denotes the time constant of the inductance. The time intervals of the individual function pieces result from the physically based condition that i (t) is always continuous (continuity condition). The first derivative of Eq. (5) according to time
Hierbei ist
der Anfangsanstieg des Stromes, der ausschließlich
durch die Betriebsgleichspannung UB und die Induktivität L festgesetzt ist.
Werden Gl. (5) und (6) in Gl. (4) eingesetzt, ergibt sich die Spannung uL(t) über der
Spule zu
Gl. (7) zeigt unmittelbar, daß über der Spule bis zum Erreichen des Nennstromes
I die Betriebsgleichspannung UB des Verstärkers anliegt. Für diese Zeit gerät das
geregelte System außerhalb des Regelbereiches, der Verstärker wird übersteuert.
Dies gilt solange, bis bei anwachsendem Strom i(t) die Bedingung
uL(t) ≤ UB (8)
wieder erfüllt ist.
Here is
the initial increase in the current, which is determined exclusively by the operating DC voltage U B and the inductance L. Eq. (5) and (6) in Eq. (4) used, the voltage u L (t) across the coil results
Eq. (7) shows immediately that the DC operating voltage U B of the amplifier is present across the coil until the nominal current I is reached. During this time, the controlled system goes outside the control range and the amplifier is overdriven. This applies until the condition increases with current i (t)
u L (t) ≤ U B (8)
is fulfilled again.
Diese Betriebssituation ist insofern kritisch, als daß während dieser Zeit, eben weil das System ungeregelt ist, unvermeidbare Störgrößen, die der Betriebsgleichspannung UB überlagert sind, auf die Spannung uL(t) durchgreifen können. Diese periodischen und nichtperiodischen Störgrößen übertragen sich direkt auf den magnetischen Feldgradienten g(t), was wegen Gl. (1) zu einer Beeinträchtigung des NMR-Experimentes führt. This operating situation is critical insofar as during this time, precisely because the system is unregulated, unavoidable disturbance variables which are superimposed on the operating DC voltage U B can reach through to the voltage u L (t). These periodic and non-periodic disturbances are transferred directly to the magnetic field gradient g (t), which is due to Eq. (1) leads to an impairment of the NMR experiment.
Eine Lösung für das Problem besteht darin, für die Steuerung der
Leistungsverstärker stetige Funktionen zu verwenden, welche die Bedingung nach Gl. (8)
nicht verletzen. Möglich für solche Funktionen sind zum Beispiel Sinushalbwellen
oder Rampen (lineare Funktionen), wie sie bekannt sind aus:
[1] W. S. Price, K. Hayamizu, H. Ide, and Y. Arata, J. Magn. Reson. 139, 205
(1999)
[2] W. S. Price, and P. W. Kuchel, J. Magn. Reson. 94, 133 (1991).
One solution to the problem is to use continuous functions for the control of the power amplifiers, which fulfill the condition according to Eq. (8) do not hurt. Such functions are possible, for example, sine half-waves or ramps (linear functions), as they are known from:
[1] WS Price, K. Hayamizu, H. Ide, and Y. Arata, J. Magn. Reson. 139, 205 (1999)
[2] WS Price, and PW Kuchel, J. Magn. Reson. 94, 133 (1991).
In [2] werden unterschiedliche Funktionen zur Formung von Gradientenimpulsen vorgeschlagen und auf ihre Eigenschaften hin untersucht. Darunter sind lineare, Sinus- und Exponentialfunktionen. Für diese Funktionen werden die Abweichungen bei ihrer numerischen Auswertung gegenüber der (idealen) Rechteckform ermittelt und Möglichkeiten vorgeschlagen, diese Abweichungen bei der Interpretation von PFG NMR-Diffusionsexperimenten zu berücksichtigen. Vor- bzw. Nachteile der einzelnen Funktionen bezüglich ihrer gerätetechnischen Realisierung werden nicht diskutiert. In [2] different functions for the formation of gradient pulses are described proposed and examined for their properties. Among them are linear, Sine and exponential functions. For these functions, the deviations in their numerical evaluation compared to the (ideal) rectangular shape and suggested ways of interpreting these variations PFG NMR diffusion experiments to be considered. Advantages and disadvantages of individual functions with regard to their technical implementation are not discussed.
Erst in [1] wird der störende Einfluß rechteckförmiger Gradientenimpulse auf das PFG NMR-Experiment festgestellt und zur Abhilfe eine Formung der Gradienten mit einer Sinushalbwelle vorgeschlagen. It is only in [1] that the disturbing influence of rectangular gradient pulses on the PFG NMR experiment found and a remedy a gradient formation proposed with a sine half wave.
Die Beeinflussung des Spinsystems während eines NMR-Experimentes durch gepulste magnetische Feldgradienten g(t) nimmt mit deren Dauer und Amplitude zu. Es liegt auf der Hand, daß bei einer gegebenen maximalen Amplitude und gleicher Zeitdauer die Wirkung eines Gradientenimpulses mit der Form einer Sinushalbwelle kleiner ist als die eines entsprechenden Rechteckimpulses. Dieser Umstand wird auch in [1] festgestellt. Da sowohl die maximale Amplitude (durch die konkrete gerätetechnische Ausstattung) als auch die für den Gradientenimpuls zur Verfügung stehende Zeit (durch das Verhalten des Spinsystems selber) oft ausgeschöpft sind, wäre eine Annäherung an die Rechteckform des Gradientenimpulses so weit als möglich von wesentlichem Gewinn. Anderenfalls wird gerätetechnisches Potential verschenkt, wie es z. B. bei der Verwendung von Sinusfunktionen nach [1] der Fall ist. Influencing the spin system during an NMR experiment pulsed magnetic field gradients g (t) increase with their duration and amplitude. It is obvious that at a given maximum amplitude and the like Duration of the effect of a gradient pulse with the shape of a Sine half-wave is smaller than that of a corresponding square-wave pulse. This condition is also found in [1]. Since both the maximum amplitude (by the concrete equipment) as well as for the gradient pulse Available time (due to the behavior of the spin system itself) often are exhausted, would be an approximation to the rectangular shape of the gradient pulse as much as possible of substantial gain. Otherwise, device technology Wasted potential, as z. B. when using sine functions according to [1] the case is.
Als möglicher Vertreter der Führungsfunktion soll ein sinusförmiger Impuls der
Länge δ mit einem Scheitelstrom ≙
betrachtet und diskutiert werden. Wird ≙ nach noch zu findenden Kriterien
geeignet gewählt, ergibt sich der Strom durch Einsetzen in Gl. (2) zu
A possible representative of the management function is a sinusoidal pulse of length δ with a peak current ≙
be considered and discussed. If ≙ is selected appropriately according to the criteria still to be found, the current is obtained by inserting it into Eq. (2) too
Die Ableitung wird damit
The derivation is thus
Analog zu Gl. 6 ist hierbei k
S|i = π ≙/δ der Anfangsanstieg des Stromes, der durch
die Sinusfunktion hervorgerufen wird. Wieder ergibt sich durch Einsetzen von (10)
und (11) in Gl. (4) unter Verwendung von RL = L/τL und L = UB/ki die Spannung
uL(t) über der Spule:
Analogous to Eq. 6 here is k S | i = π ≙ / δ the initial increase in the current caused by the sine function. Again, by inserting (10) and (11) into Eq. (4) using R L = L / τ L and L = U B / k i the voltage u L (t) across the coil:
Aus der Bedingung, daß die Stellgröße uL(t) stets kleiner als die oder maximal
gleich der Betriebsspannung UB sein muß (siehe Gl. 8), folgt damit:
From the condition that the manipulated variable u L (t) must always be smaller than or at most equal to the operating voltage U B (see Eq. 8), it follows:
Wird Gl. (13) für kleine Zeiten (0 ≤ πt << δ) bis zur ersten Ordnung entwickelt,
ergibt sich
If Eq. (13) developed for short times (0 ≤ πt << δ) up to the first order
Daraus ist ersichtlich, daß der Anfangsanstieg des Stromes bei der Sinusfunktion von vornherein kleiner gewählt werden muß als bei der Funktion nach Gl. (5). Die Flanke des durch den Sinus geformten Pulses ist deshalb immer flacher als die durch die Sprungfunktion hervorgerufene. Das bisher Genannte gilt in noch viel stärkerem Maße für lineare Rampen, da dort ein zu Gl. (1, 4) äquivalenter Ausdruck als exakte Lösung entsteht. Beide Funktionen sind daher zur Führung, also zur Steuerung von Gradientenstromimpulsen, nicht optimal. From this it can be seen that the initial increase in current with the sine function must be chosen smaller from the outset than with the function according to Eq. (5). The flank of the pulse shaped by the sine is therefore always flatter than the one caused by the jump function. The previously mentioned still applies in to a much greater extent for linear ramps, since there a to Eq. (1, 4) equivalent Expression emerges as an exact solution. Both functions are therefore for leadership, So to control gradient current pulses, not optimal.
Ziel der Erfindung ist es, unter allen experimentellen und gerätetechnischen Gegebenheiten Stromquellen für die Gradientenstromimpulse optimal anzusteuern. Das heißt zum einen, daß der Regelbereich der Leistungsverstärker nicht verlassen werden soll, die Spannung über der Spule muß also immer kleiner als die Betriebsgleichspannung sein (siehe Gl. 8). Auf der anderen Seite sollen aber Verluste in der Wirkung auf das Spinsystem, die durch ungeeignete steuernde Funktionen entstehen, vermieden werden. The aim of the invention is among all experimental and technical equipment To optimally control current sources for the gradient current pulses. On the one hand, this means that the control range of the power amplifiers does not leave should be, the voltage across the coil must always be less than that DC operating voltage (see Eq. 8). On the other hand, there are supposed to be losses in the effect on the spin system caused by unsuitable controlling functions arise, be avoided.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb im Auffinden von Funktionen, welche die Mängel der beschriebenen Sinus-, Rampen- und Sprungfunktion nicht aufweisen. Als besonderes Kriterium ist dabei das Verhalten der Anfangsanstiege der Funktionen wichtig. Insbesondere darf die Bedingung nach Gl. (8) nicht verletzt werden. The object of the invention is therefore to find functions which the shortcomings of the described sine, ramp and step function are not exhibit. The behavior of the initial increases is a special criterion Functions important. In particular, the condition according to Eq. (8) not injured become.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch das im Anspruch 1 dargestellte Verfahren
gelöst und durch die Ansprüche 2 bis 5 weiter günstig ausgestaltet. Grundgedanke
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, zur Führung eine Funktion zu wählen, die
sicherstellt, daß bei jeder Änderung des gewünschten Stromes uL(t) < UB ist, was,
wie unten gezeigt wird, nur durch Führungsfunktionen realisiert werden kann, die
Funktionen nach Gl. (5) im mathematischen Sinne ähnlich sind. Diese Bedingung,
bezogen auf das hier diskutierte Einschaltverhalten, wird durch die Funktion
erfüllt, wobei τ hier eine vorzugebende Zeitkonstante mit der Bedingung τ > τL
ist. Da die Größen UB, RL und v festliegen, stellt der Bruch in der zweiten Zeile
von Gl. (15) einen fixen numerischen Wert dar. I, neben τ der zweite freie Wert
in Gl. (15), ist der Zielwert des Stromes. Mit Gl. (2) ergibt sich der Strom durch
die Spule zu
According to the invention, the object is achieved by the method shown in claim 1 and further developed by claims 2 to 5. The basic idea of the method according to the invention is to choose a function for guiding which ensures that with every change in the desired current u L (t) <U B , which, as shown below, can only be realized by guiding functions, the functions according to Eq. (5) are similar in the mathematical sense. This condition, based on the switch-on behavior discussed here, is determined by the function
fulfilled, where τ is a time constant to be specified with the condition τ> τ L. Since the sizes U B , R L and v are fixed, the fraction in the second line of Eq. (15) represents a fixed numerical value. I, next to τ the second free value in Eq. (15), is the target value of the current. With Eq. (2) The current through the coil results in
Wird diese Funktion in Gl. (4) eingesetzt, ergibt sich folgender Zusammenhang für
uL(t):
If this function in Eq. (4), the following relationship results for u L (t):
Da die Funktion aus der zweiten Zeile von Gl. (17) streng monoton ist, gilt wegen
womit bewiesen ist, daß alle Funktionen nach Gl. (15) mit τ > τL die Bedingung
nach Gl. (8) zu keiner Zeit verletzen können.
Since the function from the second line of Eq. (17) is strictly monotonous because of
which proves that all functions according to Eq. (15) with τ> τ L the condition according to Eq. (8) cannot hurt at any time.
Überraschend wurde gefunden, daß es möglich ist, sich mit der Führungsgröße u(t) nach Gl. (15) der durch die Induktivität und den ohmschen Widerstand der Gradientenspule gegebenen Funktion nach Gl. (5) durch τ → τL beliebig anzunähern. Im Grenzübergang für τ = τL erreicht man den durch Gl. (5) vorgegebenen theoretisch schnellsten Stromanstieg. Gl. (17) geht in diesem Fall in Gl. (7) über, womit Gl. (8) gerade noch nicht verletzt wird. Damit existiert keine Funktion, die einen schnelleren Anstieg als die in Gl. (15) vorgeschlagene Funktion realisieren kann. Surprisingly, it was found that it is possible to deal with the command variable u (t) according to Eq. (15) the function given by the inductance and the ohmic resistance of the gradient coil according to Eq. (5) can be arbitrarily approximated by τ → τ L. In the border crossing for τ = τ L one reaches that by Eq. (5) The theoretically fastest current increase. Eq. (17) in this case goes into Eq. (7) about what Eq. (8) is just not injured. There is therefore no function that increases faster than that in Eq. (15) can implement the proposed function.
Die vorgeschlagene Lösung zeichnet sich durch weitere Vorteile aus:
- 1. Die in Gl. (15) verwendeten Größen sind unmittelbar und eindeutig mit dem
durch das Experiment vorgegebenen Gradientenstrom I bzw. mit
gerätetechnischen Parametern verknüpft. D. h. mit
- - v, dem Stromwandlerfaktor des Leistungsverstärkers,
- - UB, der Betriebsgleichspannung des Leistungsverstärkers,
- - RL, dem ohmschen Widerstand der Gradientenspule und
- - τ, der gewählten Zeitkonstante, die größer als die Spulenzeitkonstante τL sein muß.
- 2. Es existiert nur ein einziger Parameter (I), der durch die Pulssequenz im NMR-Experiment kontrolliert werden muß.
- 3. Mit Gl. (16) ist i(t) als tatsächlicher Stromverlauf durch die Spule sowohl analytisch als auch numerisch exakt bekannt. Dadurch wird die Interpretation und Auswertung der NMR-Experimente sicherer und einfacher.
- 1. The in Eq. (15) The quantities used are directly and unambiguously linked to the gradient current I specified by the experiment or to technical device parameters. I.e. With
- - v, the current transformer factor of the power amplifier,
- - U B , the DC operating voltage of the power amplifier,
- - R L , the ohmic resistance of the gradient coil and
- - τ, the selected time constant, which must be greater than the coil time constant τ L.
- 2. There is only one parameter (I) that must be controlled by the pulse sequence in the NMR experiment.
- 3. With Eq. (16) i (t) is known as the actual current profile through the coil, both analytically and numerically. This makes the interpretation and evaluation of the NMR experiments safer and easier.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Ausführungsbeispiel
erläutert. Um einen vollständigen Gradientenstromimpuls i(t) der nominalen Länge
δ zu formen, werden drei Teilfunktionen zu folgender Führungsgröße stetig
zusammengesetzt,
wobei τ ≥ τL gelten muß. Für UB → ∞ geht Gl. (19) in Gl. (3) über, was der
idealen Stromquelle entspricht. Gleiches gilt für τ = 0 unter der Annahme
ohmscher Lasten. An einem realen NMR-System, bestehend aus einer Gradientenspule
mit RL = 1,39 Ω und τL = 165 µs sowie einer Leistungsverstärkerkombination mit
UB = 300 V und v = 10 A/V, wird die Funktion nach Gl. (19) mit Erfolg
eingesetzt. Die Zeitkonstante τ wurde zu 200 µs gewählt. Für einen Strom von I = 60 A
sind die Resultate graphisch dargestellt: Abb. 1 stellt sowohl den durch die Spule
fließenden Strom i(t) (-) als auch die mit dem Faktor multiplizierte
Führungsfunktion u(t) (...) entsprechend Gl. (19) dar. Neben einem zeitlichen Offset, der
durch das Phasenverhalten der Leistungsverstärker bedingt ist, zeigen beide
Funktionen augenscheinlich wenig Unterschied. Zu dessen näherer Untersuchung ist auf
Abb. 2 die Differenz (...) zwischen beiden Funktionen aus Abb. 1 gebildet worden.
Wird diese Differenz entsprechend
zeitlich gemittelt, ergibt sich für den Mittelwert dieser Differenz i(t) nach Gl. (20)
der in Abb. 2 (-) dargestellte Verlauf. Offensichtlich verschwindet dieser
Mittelwert der Differenz beider Funktionen nach dem Abklingen des Impulses bei
t = 530 µs. Tatsächlich sind deswegen der Spulenstrom i(t) und die mit v
multiplizierte Führungsfunktion u(t) bis auf den zeitlichen Offset weitestgehend identisch.
Dieses Resultat rechtfertigt die obige Aussage, daß die Funktion des
Gradientenstromes i(t) analytisch und numerisch zur Verfügung steht.
The method according to the invention is explained below in an exemplary embodiment. In order to form a complete gradient current pulse i (t) of the nominal length δ, three subfunctions are continuously combined to form the following reference variable,
where τ ≥ τ L must hold. For U B → ∞ Eq. (19) in Eq. (3) about what corresponds to the ideal power source. The same applies to τ = 0 assuming ohmic loads. In a real NMR system, consisting of a gradient coil with R L = 1.39 Ω and τ L = 165 µs and a power amplifier combination with U B = 300 V and v = 10 A / V, the function according to Eq. (19) successfully used. The time constant τ was chosen to be 200 µs. The results for a current of I = 60 A are shown graphically: Fig. 1 shows both the current i (t) (-) flowing through the coil and the guide function u (t) (...) multiplied by the factor Eq. (19). In addition to a time offset, which is due to the phase behavior of the power amplifier, both functions apparently show little difference. In order to examine it more closely, the difference (...) between the two functions from Fig. 1 has been formed in Fig. 2. This difference will be appropriate
Averaged over time, the average of this difference is i (t) according to Eq. (20) the course shown in Fig. 2 (-). Obviously, this mean value of the difference between the two functions disappears after the pulse has subsided at t = 530 µs. In fact, therefore, the coil current i (t) and the guide function u (t) multiplied by v are largely identical except for the time offset. This result justifies the above statement that the function of the gradient current i (t) is available analytically and numerically.
Die Anwendung von gepulsten Feldgradienten in der hier vorgeschlagenen Form
hat gegenüber den bisher üblichen rechteckförmigen Feldgradienten den Vorteil
einer sehr guten Reproduzierbarkeit der Feldgradienten innerhalb der Pulssequenz,
da uL(t) niemals die Betriebsspannung UB überschreiten kann. Auf der anderen
Seite werden dennoch die dargestellten Nachteile von sinusförmigen Feldgradienten
vermieden. Diese Reproduzierbarkeit in Verbindung mit der maximalen
Ausbeutung der durch die gerätetechnische Ausstattung erlaubten Gradientenintensität
bietet bei der Anwendung in Pulssequenzen der Bildgebung und der PFG NMR
gleichermaßen folgende wesentliche Vorteile:
- 1. Die Gradientenimpulse (und damit ihre Wirkung auf das NMR-Signal) sind identisch bei wiederholter Ausführung der gleichen Messung. Dadurch wird die Reproduzierbarkeit von PFG NMR- und MRI-Messungen mit starken Feldgradientenimpulsen verbessert, wodurch sich intensitätsschwache NMR- Signale problemlos akkumulieren lassen.
- 2. Die Wartung und der Betrieb der NMR-Anlage vereinfacht sich, da aufwendige Einmessungen und Kontrollen von Preemphasis-Parametern zur Beeinflussung von Gradientenformen, die dem rechteckigen Idealfall nahekommen sollen, entfallen. Überdies ist das Ergebnis von Gradienten mit Preemphasis in keinem Fall besser als von Gradienten, die durch die erfindungsgemäßen Funktionen zur Verfügung gestellt werden.
- 3. Durch die Ausnutzung der gerätetechnisch maximal zur Verfügung stehenden Gradientenintensität ergibt sich für die PFG NMR die Möglichkeit, bei sonst gleicher Ausstattung kleinere Verschiebungen beobachten zu können. Für bildgebende Verfahren ermöglicht das eine bessere Ortsauflösung.
- 4. Die Auswertung wird sicherer und vereinfacht sich, da die steuernde Funktion und damit die Gradientenform bekannt sind.
- 1. The gradient pulses (and thus their effect on the NMR signal) are identical when the same measurement is carried out repeatedly. This improves the reproducibility of PFG NMR and MRI measurements with strong field gradient pulses, which means that low-intensity NMR signals can be easily accumulated.
- 2. The maintenance and operation of the NMR system is simplified since complex measurements and checks of pre-emphasis parameters for influencing gradient shapes, which should come close to the rectangular ideal case, are eliminated. In addition, the result of gradients with preemphasis is in no case better than gradients that are made available by the functions according to the invention.
- 3. By using the maximum gradient intensity available in terms of device technology, the PFG NMR has the possibility of being able to observe smaller shifts with otherwise the same equipment. This enables better spatial resolution for imaging processes.
- 4. The evaluation becomes more reliable and simplified since the controlling function and thus the gradient shape are known.
Claims (5)
mit τL < τ charakterisiert wird. 5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the course of a gradient current pulse by functions according to the equation
is characterized with τ L <τ.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2002116493 DE10216493A1 (en) | 2002-04-13 | 2002-04-13 | Process for controlling amplifiers with inductive loads |
PCT/EP2003/003687 WO2003087863A1 (en) | 2002-04-13 | 2003-04-09 | Method for controlling amplifiers for inductive loads |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2002116493 DE10216493A1 (en) | 2002-04-13 | 2002-04-13 | Process for controlling amplifiers with inductive loads |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10216493A1 true DE10216493A1 (en) | 2003-10-30 |
Family
ID=28685037
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2002116493 Ceased DE10216493A1 (en) | 2002-04-13 | 2002-04-13 | Process for controlling amplifiers with inductive loads |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10216493A1 (en) |
WO (1) | WO2003087863A1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3530637A1 (en) * | 1985-08-28 | 1987-03-12 | Philips Patentverwaltung | CIRCUIT ARRANGEMENT WITH A LOAD CONNECTED TO THE OUTPUT OF AN AMPLIFIER |
DE3808995A1 (en) * | 1987-03-18 | 1988-09-29 | Toshiba Kawasaki Kk | METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING THE CHARACTERISTICS OF GRADIENT MAGNETIC FIELDS IN A MAGNETIC RESONANCE IMAGING DEVICE |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4698591A (en) * | 1986-01-03 | 1987-10-06 | General Electric Company | Method for magnetic field gradient eddy current compensation |
US5017871A (en) * | 1989-09-14 | 1991-05-21 | General Electric Company | Gradient current speed-up circuit for high-speed NMR imaging system |
JP3515205B2 (en) * | 1995-03-15 | 2004-04-05 | 株式会社東芝 | Gradient magnetic field generator for magnetic resonance diagnostic equipment |
DE19639719C1 (en) * | 1996-09-26 | 1998-04-09 | Siemens Ag | Control signal generation for gradient power supply |
-
2002
- 2002-04-13 DE DE2002116493 patent/DE10216493A1/en not_active Ceased
-
2003
- 2003-04-09 WO PCT/EP2003/003687 patent/WO2003087863A1/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3530637A1 (en) * | 1985-08-28 | 1987-03-12 | Philips Patentverwaltung | CIRCUIT ARRANGEMENT WITH A LOAD CONNECTED TO THE OUTPUT OF AN AMPLIFIER |
DE3808995A1 (en) * | 1987-03-18 | 1988-09-29 | Toshiba Kawasaki Kk | METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING THE CHARACTERISTICS OF GRADIENT MAGNETIC FIELDS IN A MAGNETIC RESONANCE IMAGING DEVICE |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Price, W.S., Kuchel, P.W.: Effect of Nonrectangu- lar Field Gradient Pulses in the Stejskal and Tanner (Diffusion) Pulse Sequence. In: Journal of Magnetic Resonance, 1991, Vol. 94, S. 133-139 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2003087863A1 (en) | 2003-10-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE19955117C2 (en) | Method for operating a magnetic resonance tomography device | |
DE4140586C2 (en) | Method and control device for controlling the current through a magnetic coil | |
DE60009656T2 (en) | AMPLIFIER CIRCUIT | |
DE69207223T2 (en) | Device for measuring currents | |
EP1065512B1 (en) | Actively screened superconducting magnet arrangement with compensation of field disturbances | |
EP2136217B1 (en) | Electricity sensor assembly for measuring currents in a primary conductor | |
WO2000007033A1 (en) | Method for evaluating signals of magnetoresistive sensors | |
EP1065513B1 (en) | Active shielded superconductive magnet with compensation of field disturbance | |
DE3508332A1 (en) | METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING PARTICULARLY HOMOGENEOUS MAGNETIC FIELDS | |
EP0945736A2 (en) | Magnetometer | |
DE10241966A1 (en) | Superconducting magnet arrangement and method | |
DE19937065C1 (en) | Magnetic resonance tomography apparatus | |
EP0693756A1 (en) | Method and device for driving an electromagnetic consumer | |
EP3667351A1 (en) | Method for charging an hts shim device and magnetic arrangement | |
DE10216493A1 (en) | Process for controlling amplifiers with inductive loads | |
EP1182462A2 (en) | Dimensioning of a magnet arrangement with an additional current carrying coil system | |
DE102011085171B3 (en) | Control device with differential control in a magnetically coupling coil system for a current-controlled, the field coils of a magnetic resonance tomograph supplying amplifier | |
DE102022115271B3 (en) | Magnetic field generator for a magnetic-inductive flowmeter, method for operating such, magnetic-inductive flowmeter and method for operating such | |
DE102004020978B4 (en) | Inductive proximity sensor and method for signal extraction in an inductive proximity sensor | |
DE1438234C (en) | Arrangement for monitoring the level of currents in circuits | |
WO1998048245A2 (en) | Sensor device for inductive displacement measurement of switching contacts of electromagnetic switchgear and electromagnetic switchgear with a sensor device for inductive displacement measurement | |
DE10143856C1 (en) | Method and device for guiding at least one tool | |
EP3252480B1 (en) | Measuring device and method for measuring current | |
DE2653943A1 (en) | Analogue inductive converter system for length or angle measurements - operates using inductance coil with movable core whose permeability continuously varies | |
DE102013204298A1 (en) | Current sensor according to the compensation principle and method for operating such a current sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection |