DE112016004639T5

DE112016004639T5 - Energiespeicherlösung für ein MR-Bildgebungssystem

Info

Publication number: DE112016004639T5
Application number: DE112016004639.1T
Authority: DE
Inventors: Juan Sabate; Rajendra Naik; Margaret Wiza; Viswanathan Kanakasabai; Michael Rose; Jayanti Ganesh
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2018-08-09
Also published as: WO2017062554A1; CN108471981B; CN108471981A; US20170102441A1; US10067203B2

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft mögliche Implementierungen zur Verwendung von Energiespeicherelementen in Verbindung mit einem MR-Bildgebungssystem. Ebenfalls sind verschiedene zugehörige Steuerungsmechanismen erläutert. In bestimmten Ausführungsformen kann entweder eine Spitzenlastversorgung und/oder eine Energiereserve durch Verwendung der Energiespeicherelemente ermöglicht werden. Bestimmte derartige Implementierungen können die Verwendung von MR-Bildgebungssystemen mit höherer Leistung bei einer bestehenden elektrischen Infrastruktur ermöglichen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 9. Oktober 2015 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 14/879,775 , deren Gesamtheit hierin durch Verweis mit aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft medizinische Bildgebungssysteme und widmet sich insbesondere dem Leistungsbedarf eines Magnetresonanzbildgebungssystems.
Nicht invasive Bildgebungstechnologien ermöglichen die Gewinnung von Bildern der inneren Strukturen oder Merkmale eines Patienten ohne Durchführung eines invasiven Eingriffs an dem Patienten. Insbesondere beruhen derartige nicht invasive Bildgebungstechnologien auf verschiedenen physikalischen Prinzipien, wie etwa der unterschiedlichen Transmission von Röntgenstrahlen durch das abgebildete Volumen oder die gyromagnetischen Eigenschaften von Materialien innerhalb des abgebildeten Volumens, um Daten zu akquirieren und Bilder zu konstruieren oder in sonstiger Weise die beobachteten inneren Merkmale des Patienten darzustellen.
Zum Beispiel basieren Magnetresonanz(MR)-Bildgebungsuntersuchungen allgemein auf den Wechselwirkungen zwischen einem primären Magnetfeld, einem Hochfrequenz(HF)-Magnetfeld und zeitveränderlichen magnetischen Gradientenfeldern mit einem gyromagnetischen Material, das Kernspins aufweist, innerhalb eines interessierenden Objektes, wie etwa eines Patienten. Bestimmte gyromagnetische Materialien, wie beispielsweise Wasserstoffkerne in Wasserstoffmolekülen, weisen charakteristische Verhalten als Reaktion auf externe Magnetfelder auf. Die Präzession von Spins dieser Kerne kann durch Manipulation der Felder beeinflusst werden, um HF-Signale zu erzeugen, die erfasst, verarbeitet und zur Rekonstruktion eines nutzbaren Bildes verwendet werden können.
Die zur Erzeugung von Bildern in MR-Bildgebungssystemen verwendeten Magnetfelder umfassen ein sehr homogenes statisches Magnetfeld, das durch einen Primärmagneten erzeugt wird. Eine Reihe von Gradientenfeldern wird durch einen Satz Gradientenspulen erzeugt, die um das Bildgebungsvolumen, in dem das Objekt platziert wird, herum angeordnet sind. Die Gradientenfelder kodieren Positionen einzelner Flächen- oder Volumenelemente (Pixel oder Voxel) in zwei oder drei Dimensionen. Eine HF-Spule wird verwendet, um ein HF-Magnetfeld zu erzeugen. Dieses HF-Magnetfeld ruft eine Störung in den Spins einiger der gyromagnetischen Kerne gegenüber ihren Gleichgewichtsrichtungen hervor, was die Spins veranlasst, um die Achse ihrer Gleichgewichtsmagnetisierung herum zu präzedieren. Während dieser Präzession werden durch die rotierenden, präzedierenden Kerne HF-Felder emittiert, die entweder durch dieselbe HF-Sendespule oder durch eine oder mehrere gesonderte Spulen erfasst werden. Diese Signale werden verstärkt, gefiltert und digitalisiert. Die digitalisierten Signale werden anschließend unter Verwendung eines oder mehrerer Algorithmen verarbeitet, um ein nutzbares Bild zu rekonstruieren.
MR-Bildgebungsbilder bieten vielfältige Vorteile und können in bestimmten Zusammenhängen mit der Bildgebung, wie beispielsweise bei der Akquisition von Bildern von weichen Geweben in dem menschlichen Körper, besonders nützlich sein. Jedoch können die verschiedenen Komponenten und Subsysteme eines typischen MR-Bildgebungssystems, wie beispielsweise die Gradiententreiber, die HF-Sendekette, der HF-Empfänger und das Patientenbehandlungssystem, beträchtliche, jedoch vorübergehende Leistungsanforderungen an das System stellen. Während zum Beispiel der Systemleistungsbedarf minimal ist, wenn kein Scannvorgang durchgeführt wird, wird der momentane Leistungsbedarf während bestimmter Scannprotokolle extrem hoch, was zur Folge hat, dass hohe Ströme aus dem Wechselstromnetz, das gewöhnlich das System mit Energie versorgt, gezogen werden. Somit können MR-Bildgebungssysteme in der Praxis ein hohes Verhältnis der Spitzenleistung zur mittleren Leistung haben. Die Spitzenleistungsanforderung bestimmt die Größe der Elektroinstallation, und somit ist die vorgesehene Elektroinstallation gewöhnlich im Vergleich zu einer mittleren Last überdimensioniert. Dieses Szenario kann sich in Zukunft verstärken, da die Gradientenleistungsanforderungen bei MR-Bildgebungssystemen mit großer Bohrung, die für neurologische Scanns verwendet werden, wahrscheinlich beträchtlich steigen werden, was dazu führen kann, dass die Spitzenleistungsanforderung während des Scanns um ein Vielfaches ansteigt.
KURZBESCHREIBUNG
In einer Ausführungsform ist eine Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanz(MR)-Bildgebungssystem geschaffen. Gemäß dieser Ausführungsform weist die Leistungsarchitektur auf: einen AC- (Wechselspannungs- bzw. Wechselstrom-) Netzeingang; einen Gleichrichter, der einen AC-Zwischenkreiseingang und einen DC(Gleichspannungs bzw. Gleichstrom)- Zwischenkreisausgang aufweist; mehrere Lasten, die mit dem DC-Zwischenkreisausgang verbunden sind, wobei die Lasten wenigstens eine Hochfrequenzverstärker-Energieversorgung und eine Gradientenverstärker-Energieversorgung aufweisen; und ein oder mehrere Energiespeicherelemente, die mit dem DC-Zwischenkreisausgang zwischen dem Gleichrichter und den mehreren Lasten verbunden sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanz(MR)-Bildgebungssystem geschaffen. Gemäß dieser Ausführungsform weist die Leistungsarchitektur auf: ein Hauptverteilerfeld (MDP, Main Distribution Panel), das eingerichtet ist, um dreiphasige AC-Leistung zu empfangen, und einen AC-Zwischenkreisausgang aufweist; einen Gleichrichter, der eingerichtet ist, um [über] den AC-Zwischenkreis zu empfangen und [über] einen DC-Zwischenkreis auszugeben; mehrere Lasten, die an den DC-Zwischenkreis angeschlossen sind; ein oder mehrere Energiespeicherelemente, die an den AC-Zwischenkreisausgang zwischen dem MDP und dem Gleichrichter angeschlossen sind; und einen isolierten oder nicht isolierten DC/AC-Wandler, der zwischen dem einen oder den mehreren Energiespeicherelementen und dem AC-Zwischenkreisausgang positioniert ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zur Leistungsbereitstellung für Komponenten eines Magnetresonanz-Bildgebungssystems geschaffen. Gemäß diesem Verfahren wird ein Hauptverteilerfeld (MDP) bereitgestellt, das eingerichtet ist, um dreiphasige AC-Leistung als eine Eingabe zu empfangen. Es werden ferner mehrere Lasten bereitgestellt, die wenigstens einen Hochfrequenzverstärker und einen Gradientenverstärker aufweisen. Die mehreren Lasten sind eingerichtet, um DC-Leistung zu empfangen. Es wird ferner ein Gleichrichter bereitgestellt, der zwischen dem MDP und den mehreren Lasten positioniert wird. Der Gleichrichter ist eingerichtet, um eine AC-Eingangsleistung direkt oder indirekt von dem MDP zu empfangen und um eine DC-Ausgangsleistung direkt oder indirekt zu den mehreren Lasten zu liefern. Zusätzlich werden ein oder mehrere Energiespeicherelemente stromabwärts von dem MDP und stromaufwärts von der einen oder den mehreren Lasten bereitgestellt. Das eine oder die mehreren Energiespeicherelemente sind nicht in die Gradientenverstärkerstufe integriert.
Figurenliste
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende Detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Teile überall in den Zeichnungen darstellen, worin zeigen:

1 eine diagrammartige Darstellung einer Ausführungsform eines Magnetresonanz(MR)-Bildgebungssystems, das eingerichtet ist, um Magnetresonanzbilder zu akquirieren, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
2 eine Systemleistungsarchitektur für ein MR-Bildgebungssystem gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
3 in grafischer Weise eine Spitzenlastversorgungsanwendung unter Verwendung von Energiespeicherelementen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
4 eine Implementierung nach dem Stand der Technik, in der ein Energiespeicher an der Gradiententreiberstufe integriert ist;
5 eine erste Ausführungsform, die einen Energiespeicher in einem MR-Bildgebungssystem integriert, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
6 eine zweite Ausführungsform, die einen Energiespeicher in einem MR-Bildgebungssystem integriert, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
7 eine dritte Ausführungsform, die einen Energiespeicher in einem MR-Bildgebungssystem integriert, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
8 eine vierte Ausführungsform, die einen Energiespeicher in einem MR-Bildgebungssystem integriert, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
9 eine fünfte Ausführungsform, die einen Energiespeicher in einem MR-Bildgebungssystem integriert, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
10 eine sechste Ausführungsform, die einen Energiespeicher in einem MR-Bildgebungssystem integriert, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
11 eine siebte Ausführungsform, die einen Energiespeicher in einem MR-Bildgebungssystem integriert, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
12 eine achte Ausführungsform, die einen Energiespeicher in einem MR-Bildgebungssystem integriert, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
13 eine neunte Ausführungsform, die einen Energiespeicher in einem MR-Bildgebungssystem integriert, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
14 eine zehnte Ausführungsform, die einen Energiespeicher in einem MR-Bildgebungssystem integriert, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
15 eine Basisschaltung zur Handhabung der MR-Bildgebungsleistung ohne Energiespeicher;
16 in grafischer Weise verschiedene leistungsprofilbezogene Aspekte der Schaltung nach 15 in Gegenwart einer pulsierenden Last;
17 eine Schaltung, die ein Energiespeicherelement enthält, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung; und
18 in grafischer Weise verschiedene leistungsprofilbezogene Aspekte der Schaltung nach 17 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine oder mehrere spezielle Ausführungsformen sind nachstehend beschrieben. In dem Bemühen, eine konzise Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können gegebenenfalls nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung in der Beschreibung beschrieben sein. Es sollte erkannt werden, dass bei der Entwicklung einer jeden derartigen tatsächlichen Implementierung, wie in jedem Ingenieurs- oder Konstruktionsprojekt, zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um spezielle Ziele der Entwickler, wie etwa die Einhaltung systembezogener und unternehmensbezogener Randbedingungen, zu erreichen, die von einer Implementierung zur anderen variieren können. Außerdem sollte erkannt werden, dass ein derartiger Entwicklungsaufwand zwar komplex und zeitaufwändig sein kann, jedoch für Durchschnittsfachleute mit dem Nutzen dieser Offenbarung nichtsdestoweniger ein routinemäßiges Unterfangen zur Konstruktion, Fertigung und Herstellung darstellen würde.
Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel „ein“, „eine“, „der“, „die“ und „das“ bedeuten, dass es ein oder mehrere der Elemente gibt. Die Ausdrücke „aufweisen“, „enthalten“ und „haben“ sollen im einschließlichen Sinne gemeint sein und bedeuten, dass es außer den aufgeführten Elementen zusätzliche Elemente geben kann. Außerdem sollen jegliche numerische Beispiele in der folgenden Beschreibung nicht beschränkend sein, und somit liegen zusätzliche numerische Werte, Bereiche und Prozentangaben innerhalb des Geltungsbereichs dieser offenbarten Ausführungsformen.
Wie hierin erläutert, sind verschiedene mögliche Implementierungen zur Nutzung von Energiespeicherelementen in Verbindung mit einem MR-Bildgebungssystem offenbart. Ebenso sind verschiedene zugehörige Steuerungsmechanismen erläutert. Wie hierin beschrieben, hilft die Integration derartiger Energiespeicherelemente, die aus dem AC- (Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs-) Netz gezogene Spitzenleistung zu reduzieren. Derartige integrierte Energiespeicherlösungen können einem Krankenhaus ermöglichen, die bestehende Elektroinstallation zu nutzen und sich dabei dennoch für die Verwendung von Hochleistungs-MR-Bildgebungsscannern zu entscheiden, die ansonsten zur Verwendung mit der bestehenden elektrischen Infrastruktur ungeeignet sein könnten. Ferner ist hierin die Verwendung eines integrierten Energiespeichers als Energiereserve zur Unterstützung von Scanns, wenn die AC-Netzspannung nicht zur Verfügung steht (z.B. während eines Ausfalls), beschrieben. In jedem Fall wird die Anforderung an die Elektroinstallation in dem Krankenhaus wesentlich reduziert.
Als eine Einleitung für die oben erwähnten Konzepte umfassen die vorliegend beschriebenen Methoden die Installation eines Magnetresonanz(MR)-Bildgebungssystems, auf dem Bildgebungsroutinen durch einen Benutzer (z.B. einen Radiologen) angestoßen werden. Das MR-Bildgebungssystem kann eine Datenakquisition, Datenkonstruktion, Bildrekonstruktion/-synthese und Bildverarbeitung durchführen. Demgemäß ist unter Bezugnahme auf 1 ein Beispiel eines geeigneten Magnetresonanzbildgebungssystems 10 in schematischer Weise veranschaulicht, wie es einen Scanner 12, eine Scannersteuerschaltung 14 und eine Systemsteuerschaltung 16 enthält. Das System 10 enthält außerdem Fernzugriffs- und -speichersysteme oder -vorrichtungen als Bildarchivierungs- und Kommunikationssysteme (PACS, Picture Archiving and Communication Systems) 18 oder andere Vorrichtungen, wie etwa eine Teleradiologieausrüstung, so dass auf durch das System 10 akquirierte Daten innerhalb oder außerhalb des Standorts zugegriffen werden kann. Während das MR-Bildgebungssystem 10 einen beliebigen geeigneten Scanner oder Detektor enthalten kann, enthält das System 10 in der veranschaulichten Ausführungsform einen Ganzkörperscanner 12 mit einem Gehäuse 20, durch das hindurch eine Bohrung 22 ausgebildet ist. Ein Tisch 24 ist in die Bohrung 22 hinein bewegbar, um einem Patienten 26 zu ermöglichen, zur Abbildung einer ausgewählten Anatomie im Innern des Patienten 26 darin positioniert zu werden. Die ausgewählte Anatomie kann durch eine Kombination aus Patientenpositionierung, gezielter Anregung bestimmter gyromagnetischer Kerne im Inneren des Patienten 26 und durch Verwendung bestimmter Merkmale zum Erhalt von Daten aus den angeregten Kernen, während sie rotieren und präzedieren, wie vorstehend beschrieben, abgebildet werden.
Der Scanner 12 enthält eine Reihe zugehöriger Spulen zur Erzeugung gesteuerter Magnetfelder zur Anregung des gyromagnetischen Materials innerhalb der Anatomie des gerade abgebildeten Objektes. Insbesondere ist eine primäre Magnetspule 28 zur Erzeugung eines primären Magnetfeldes, das im Wesentlichen mit der Bohrung 22 ausgerichtet ist, vorgesehen. Eine Reihe von Gradientenspulen 30, 32 und 34 ermöglichen die Erzeugung gesteuerter magnetischer Gradientenfelder zur Positionskodierung bestimmter der gyromagnetischen Kerne im Inneren des Patienten 26 während Untersuchungssequenzen. Eine Hochfrequenz(HF)-Spule 36 ist vorgesehen und ist eingerichtet, um Hochfrequenzimpulse zur Anregung der bestimmten gyromagnetischen Kerne im Inneren des Patienten zu erzeugen.
Zusätzlich zu den Spulen, die für den Scanner 12 lokal sein können, enthält das System 10 ferner einen gesonderten Satz von Empfangsspulen 38 (z.B. ein phasengesteuertes Spulenarray), das zur Positionierung in der Nähe des (z.B. an dem) Patienten 26 eingerichtet ist. Die Empfangsspulen 38 können eine beliebige Geometrie, einschließlich sowohl geschlossener als auch einseitiger Geometrien, aufweisen. Als ein Beispiel können die Empfangsspulen 38 Hals-/Brust-/Lendenwirbel- (CTL-, Cervical/Thoracic/Lumbar) Spulen, Kopfspulen, einseitige Wirbelsäulenspulen und dergleichen enthalten. Im Allgemeinen werden die Empfangsspulen 38 nahe an dem oder an dem oberen Ende des Patienten 26 platziert, um so die schwachen HF-Signale (schwach in Bezug auf die gesendeten Impulse, die durch die Scannerspulen erzeugt werden) zu empfangen, die durch manche der gyromagnetischen Kerne im Inneren des Patienten 26 erzeugt werden, während diese zu ihrem relaxierten Zustand zurückkehren. Die Empfangsspulen 38 können ausgeschaltet werden, um so die durch die Scannerspulen erzeugten Sendeimpluse nicht zu empfangen oder nicht mit diesen gemeinsam zu schwingen, oder können eingeschaltet werden, um so die HF-Signale, die durch die relaxierenden gyromagnetischen Kerne erzeugt werden, zu empfangen oder gemeinsam mit diesen zu schwingen.
Die verschiedenen Spulen des Systems 10 werden durch eine externe Schaltungsanordnung gesteuert, um das gewünschte Feld und die gewünschten Impulse zu erzeugen und um Emissionen von dem gyromagnetischen Material in einer gesteuerten Weise zu lesen. In der veranschaulichten Ausführungsform stellt eine Hauptenergieversorgung 40 Leistung für die primäre Feldspule 28 bereit. Eine Treiberschaltung 42 ist dazu vorgesehen, die Gradientenfeldspulen 30, 32 und 34 beispielsweise unter Verwendung der Signalformen und Impulssequenzen, wie sie hierin erläutert sind, pulsierend zu betreiben. Eine derartige Schaltung kann eine Verstärkungs- und Steuerschaltungsanordnung zur Zuführung von Strom zu den Spulen, wie dies durch digitalisierte Impulssequenzen definiert ist, die durch die Scannersteuerschaltung 14 ausgegeben werden, enthalten. Eine weitere Steuerschaltung 44 ist zur Regelung eines Betriebs der HF-Spule 36 vorgesehen. Die Schaltung 44 enthält eine Umschaltvorrichtung zum Wechseln zwischen dem aktiven und dem inaktiven Betriebsmodus, in denen die HF-Spule 36 Signale sendet bzw. nicht sendet. Die Schaltung 44 enthält ferner eine Verstärkungsschaltung zur Erzeugung der HF-Impulse. In ähnlicher Weise sind die Empfangsspulen 38 mit einem Schalter 46 verbunden, der in der Lage ist, die Empfangsspulen 38 zwischen Empfangs- und Nichtempfangsmodi umzuschalten, so dass die Empfangsspulen 38 gemeinsam mit den HF-Signalen mitschwingen, die durch relaxierende gyromagnetische Kerne aus dem Inneren des Patienten 26 erzeugt werden, während sie sich in dem Empfangszustand befinden, und sie nicht mit der HF-Energie von den Sendespulen (d.h. der Spule 36) mitschwingen, um so einen unerwünschten Betrieb zu verhindern, während sie sich in dem Nichtempfangszustand befinden. Außerdem ist eine Empfangsschaltung 48 vorgesehen, um die durch die Empfangsspulen 38 erfassten Daten zu empfangen, und sie kann eine oder mehrere Multiplex- und/oder Verstärkungsschaltungen enthalten.
Die Scannersteuerschaltung 14 enthält eine Schnittstellenschaltung 50 zur Ausgabe von Signalen zur Ansteuerung der Gradientenfeldspulen 30, 32, 34 und der HF-Spule 36. Zusätzlich empfängt die Schnittstellenschaltung 50 die Daten, die die Magnetresonanzsignale repräsentieren, die in Untersuchungssequenzen von der Empfangsschaltung 48 und/oder den Empfangsspulen 38 erzeugt werden. Die Schnittstellenschaltung 50 ist mit einer Steuerschaltung 52 betriebsmäßig verbunden. Die Steuerschaltung 52 führt die Befehle zur Ansteuerung der Schaltung 42 und der Schaltung 44 auf der Basis der definierten Protokolle, die über die Systemsteuerschaltung 16 ausgewählt werden, aus. Die Steuerschaltung 52 dient ferner dazu, Zeitsteuerungssignale dem Schalter 46 zuzuführen, um so das Senden und den Empfang von HF-Energie zu synchronisieren. Ferner empfängt die Steuerschaltung 52 die Magnetresonanzsignale, und sie kann eine nachfolgende Verarbeitung durchführen, bevor die Daten zu der Systemsteuerschaltung 16 übertragen werden. Die Scannersteuerschaltung 14 enthält ferner eine oder mehrere Speicherschaltungen 54, die Konfigurationsparameter, Impulssequenzbeschreibungen, Untersuchungsergebnisse und dergleichen während eines Betriebs speichern. Die Speicherschaltungen 54 können in manchen Ausführungsformen Instruktionen zur Implementierung wenigstens eines Teils der hierin beschriebenen Energiespeichersteuertechniken speichern.
Die Schnittstellenschaltung 56 ist mit der Steuerschaltung 52 zum Austausch von Daten zwischen der Scannersteuerschaltung 14 und der Systemsteuerschaltung 16 verbunden. Derartige Daten können die Auswahl der durchzuführenden speziellen Untersuchungssequenzen, Konfigurationsparameter dieser Sequenzen und akquirierte Daten enthalten, die in Rohform oder in verarbeiteter Form von der Scannersteuerschaltung 14 zur nachfolgenden Verarbeitung, Speicherung, Übertragung und Anzeige übermittelt werden können.
Eine Schnittstellenschaltung 58 der Systemsteuerschaltung 16 empfängt Daten von der Scannersteuerschaltung 14 und sendet Daten und Befehle zurück zu der Scannersteuerschaltung 14. Die Schnittstellenschaltung 58 ist mit einer Steuerschaltung 60 gekoppelt, die eine oder mehrere Verarbeitungsschaltungen in einem Mehrzweck- oder anwendungsspezifischen Computer oder einer Workstation enthalten kann. Die Steuerschaltung 60 ist mit einer Speicherschaltung 62 gekoppelt, die Programmiercode für einen Betrieb des MR-Bildgebungssystems 10 und in einigen Konfigurationen die Bilddaten für eine spätere Rekonstruktion, Anzeige und Übertragung speichert. Eine zusätzliche Schnittstellenschaltung 64 kann zum Austausch von Bilddaten, Konfigurationsparametern und dergleichen mit externen Systemkomponenten, wie etwa den Fernzugriffs- und -speichervorrichtungen 18, vorgesehen sein. Schließlich kann die Systemsteuerschaltung 60 verschiedene Peripheriegeräte zur Unterstützung einer Bedienerschnittstelle und zur Erzeugung von Papierkopien rekonstruierter Bilder enthalten. In der veranschaulichten Ausführungsform umfassen diese Peripheriegeräte einen Drucker 66, einen Monitor 68 und eine Benutzerschnittstelle 70, die Vorrichtungen, wie etwa eine Tastatur oder eine Maus, enthält.
Es sollte beachtet werden, dass nach einer Bildakquisition das System 10 einfach die akquirierten Daten für einen späteren lokalen Zugriff und/oder Fernzugriff z.B. in einer Speicherschaltung (z.B. dem Speicher 56, 62) speichern kann. Wenn auf die akquirierten Daten lokal und/oder von der Ferne aus zugegriffen wird, können diese daher durch einen oder mehrere Prozessoren, die in einem anwendungsspezifischen oder Universalzweckcomputer enthalten sind, manipuliert werden.
Während 1 Komponenten und eine Architektur eines verallgemeinerten MR-Bildgebungssystems 10 zeigt, liefert 2 eine detaillierte Beschreibung der Leistungsarchitektur 90 eines derartigen MR-Bildgebungssystems 10. In dem in 2 veranschaulichten Beispiel ist ein Hauptverteilerfeld (MDP, Main Distribution Panel) veranschaulicht, das in diesem Beispiel dreiphasige Leistung mit 415 V empfängt. Von diesem Feld 92 aus können vielfältige Systeme unmittelbar mit Energie versorgt werden, zu denen einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, gehören: ein Kryokühler 96 und verschiedene Subsysteme 98. Ferner ist mit dem dargestellten MDP eine Energieverteilungseinheit PDU (Power Distribution Unit) 100 verbunden, über die andere Komponenten des MR-Bildgebungssystems 10 mit Energie versorgt werden.
In einer Ausführungsform enthält die PDU 100 einen 50/60 Hz-Transformator. Der PDU-Transformator liefert Leistung an die verschiedenen einphasigen Subsystemlasten 102 und dreiphasigen Subsystemlasten 104. Da viele dieser Lasten umkonfiguriert werden können, um eine DC-Eingabe zu empfangen, kann der 50/60 Hz-Transformator der PDU 100 durch eine Hochfrequenz-PDU (HFPDU) ersetzt werden, die ein AC/DC-Wandler ist, der auch die PDU-Funktionalitäten, wie etwa die Bereitstellung einer galvanischen Trennung von einem AC-Netz und einer Erdschlusstrennung, erfüllt.
In Bezug auf diese Lasten, die durch die PDU 100 versorgt werden, sind die größten gewöhnlich der Gradientenverstärker 108 und der HF-Verstärker 110. Der Gradientenverstärker 108 und die HF-Sendekettenlasten entnehmen gepulste Leistung aus dem AC-Netz. Wenn ein Scannvorgang durchgeführt wird, ziehen diese Lasten Leistung in der Größenordnung von mehreren zehn kW für einige Hunderte Millisekunden. Wenn kein Scannbetrieb erfolgt, beträgt die durch diese Lasten entnommene Leistung dagegen weniger als einige Hundert Watt. Das heißt, die diesen Lasten zuzurechnende Entnahme variiert stark abhängig vom Gebrauch.
In diesem Sinne betreffen die vorliegenden Lösungsansätze die Verwendung und Steuerung eines integrierten Energiespeichers in dem Zusammenhang mit einem MR-Bildgebungssystem. Obwohl bestimmte Ausführungsformen, die hierin erläutert sind, in dem Zusammenhang mit den Energiespeicherverbindungen an einem System, das eine Massen-PDU 100 verwendet, beschrieben sein können, sollte erkannt werden, dass derartige Beispiele lediglich dazu vorgesehen sind, die Erläuterung zu erleichtern, und Zusammenhänge mit anderen PDUs ebenfalls von den vorliegenden Lösungsansätzen umfasst sind. Zum Beispiel können die hierin erläuterten Implementierungen auch auf MR-Bildgebungssysteme erweitert werden, die auch eine HFPDU verwenden.
Unter Berücksichtigung der vorstehenden Erläuterung kann ein MR-Bildgebungssystem 10, das mit einem integrierten Energiespeicher eingerichtet ist, wie hierin beschrieben, verschiedene Vorteile bieten. Zum Beispiel kann der in dem MR-Bildgebungssystem 10 integrierte Energiespeicher einem oder beiden der folgenden Zwecke dienen: (1) Spitzenlastversorgung (bei der die dem AC-Netz entnommene Spitzenleistung durch Verwendung des Energiespeichers begrenzt oder reduziert wird) und/oder (2) Energiereserve (wenn ein Ausfall in dem AC-Netz auftritt, unterstützt der Energiespeicher Scannvorgänge ohne Unterbrechung). Außerdem kann der Energiespeicher in einer weiteren Ausführungsform, wenn er zur Spitzenlastversorgung verwendet wird, bevorzugterweise (oder nur) denjenigen Lasten zugeordnet sein, die ein hohes Verhältnis der Spitzenleistung zur mittleren Leistung aufweisen (z.B. der Gradientenverstärkerkette und/oder der HF-Verstärkerkette).
Zusätzlich können Ausführungsformen, die eine Spitzenlastversorgung ermöglichen, einem Krankenhaus ermöglichen, eine bestehende Elektroinstallation (z.B. Verkabelung, einen Verteilertransformator, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS, Uninterrupted Power Supply), Trennschalter, etc.) zu nutzen, obwohl MR-Bildgebungsscanner installiert werden, die höheren Spitzenleistungsbedarf aufweisen. Dies kann auch den Effekt der Quellenimpedanz reduzieren und verhindern, dass die Lastspannung während einer Spitzenleistungsanforderung stark abfällt. Als ein Beispiel veranschaulicht 3 in grafischer Weise ein Beispiel, bei dem ein Energiespeicher (hier ein Ultrakondensator (UC, Ultra Capacitor)) in einer Spitzenlastversorgungsanwendung verwendet wird. Hier ist die Leistung als Funktion der Zeit (P(t)) in der oberen Grafik veranschaulicht, und die Energiespeicherleistung (z.B. die UC-Leistung) ist in der unteren Grafik veranschaulicht, wobei die Zeit (t) entlang der x-Achse von beiden Grafiken veranschaulicht ist. Wenn in diesem Beispiel die Lastleistung 120 höher ist als das, was das AC-Netz zu einem gegebenen Zeitpunkt liefern kann (Netzleistung 124 und Netzleistungsgrenze 122), liefert der UC (untere Grafik) die Leistung (UC-Entladung 130), um die Lastanforderung 120 zu erfüllen. Wenn die Lastanforderung 120 niedrig ist, lädt sich der UC (UC-Ladung 132) von dem AC-Netz wieder auf. Bei der Verwendung in einer derartigen Spitzenlastversorgungsanwendung kann die Energiespeicherlösung ein beliebiges geeignetes Speichermedium, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, eines Ultrakondensators, einer Stützkondensatorbank, einer Batterie (z.B. Lithiumionenbatterie) oder einer Kombination aus Batterie und Kondensatoren, sein.
In Systemen, in denen der Energiespeicher für Reserveleistung verwendet wird, kann es möglich sein, keine gesonderte, externe unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS) einzusetzen. Stattdessen wird der Energiespeicher (wie etwa eine Batteriebank von Blei-Säure-Batterien, Lithiumionen-Batterien, Batterien mit Stützkondensatoren und dergleichen) verwendet, um das Bildgebungssystem in dem Fall, dass die AC-Netzleistung knapp wird, mit Energie zu versorgen.
Unter Berücksichtigung des Vorstehenden kann eine Energiespeicherkomponente (z.B. ein Ultrakondensator, eine Stützkondensatorbank, eine Batterie oder Batteriebank (z.B. Blei-Säure- oder Lithiumionen-Batterien) oder eine Kombination aus Batterie und Kondensatoren) in ein MR-Bildgebungssystem in vielfältigen Konfigurationen integriert werden, von denen bestimmte Beispiele nachfolgend aufgeführt sind.
Um Differenzierungen, die vorgenommen werden können, zu verstehen, kann beachtet werden, dass in anderen Energiespeicherintegrationsmethoden die Energiespeicherkomponente an der Gradiententreiberstufe, wie in 4 veranschaulicht, integriert sein kann. Insbesondere erfolgt die Integration des Energiespeichers 150 in der in 4 veranschaulichten Methode zwischen der Gradientenverstärker-Energieversorgung 166 und dem Gradientenverstärker 108. Diese Konfiguration könnte einen Energiespeicher 150 für jede Gradientenachse (d.h. die x-, y- und z-Achse) oder einen einzigen Energiespeicher 150 mit drei (d.h. x-, y- und z-) DC/DC-Wandlern verwenden, die eine galvanische Trennung bieten, um den Energiespeicher 150 mit dem Eingang des Gradientenverstärkers 108 zu verbinden, womit eine größere Flexibilität einbezogen wird, während sich begrenzte Gewinne bei der Leistungsflexibilität ergeben.
Dies steht im Unterschied zu den vorliegenden Lösungsansätzen, wie nachstehend veranschaulicht, bei denen die jeweiligen Energiespeicherkomponenten stromaufwärts von den jeweiligen Komponentenenergieversorgungen, wie etwa der Gradientenverstärker-Energieversorgung 166, vorgesehen sind. In Bezug auf die hierin erläuterten integrierten Energiespeicherimplementierungen kann erkannt werden, dass mehrere Energiespeicherelemente (oder Typen von Energiespeicherelementen) in einer gegebenen Ausführungsform eingesetzt werden können, obwohl eine derartige Konfiguration der Einfachheit wegen hierin als ein einziger oder aggregierter Energiespeicher dargestellt und erläutert sein kann. Wenn verschiedene Typen von Energiespeicherelementen verwendet werden, können die Energiespeicherelemente alle parallel an den DC-Zwischenkreis angeschlossen sein. In derartigen Implementierungen kann eine individuelle Ladungs-/Entladungssteuerung der Energiespeicherelemente ggf. nicht möglich sein. Alternativ können die Energiespeicherelemente über Wandler an den DC-Zwischenkreis integriert werden. In einer andere Ausführungsform kann eines der Energiespeicherelemente mit dem DC-Zwischenkreis unmittelbar verbunden sein, während ein anderes über einen Wandler an den DC-Zwischenkreis angeschlossen ist.
Unter Verweis auf die 5-14 und die zugehörige Beschreibung beschreiben diese Figuren und Passagen auf einer hohen Ebene vielfältige Ausführungsformen, die bestimmte der vorliegenden Lösungsansätze repräsentieren. Wie erkannt wird, sind diese Beispiele nicht erschöpfend, und andere Ausführungsformen, die mit den vorliegend beschriebenen Lösungsansätzen im Einklang stehen, sind von der vorliegenden Beschreibung umfasst. Ferner sind die vorliegenden Beispiele und Figuren beschrieben, um die Erläuterung zu vereinfachen. Infolgedessen können manche Komponenten und manche Funktionalität gesondert beschrieben sein, um die Erläuterung zu unterstützen. Jedoch sollte verstanden werden, dass in realen Implementierungen derartige gesonderte Komponenten, Schaltungen und/oder Funktionalität in einzelne Komponenten oder Schaltungsanordnungen integriert sein können, um so die Fertigung und die Systemkomplexität zu vereinfachen. Zum Beispiel ist in manchen beschriebenen Ausführungsformen ein Gleichrichter 162 als ein gesonderter Block außerhalb einer HFPDU 160 dargestellt. Jedoch kann der Gleichrichter 162 in einem hergestellten System ein integraler Teil einer HFPDU 160 sein. Ebenso sollte verstanden werden, dass andere Komponenten oder Teile, die als einzelne Blöcke für den Zweck der Erläuterung veranschaulicht sind, in der Praxis kombinierbar sind.
Unter Berücksichtigung des Vorstehenden sind vielfältige anschauliche Beispiele bereitgestellt, um die vorliegenden Lösungsansätze weiter zu veranschaulichen. Zum Beispiel ist, indem auf die 5 und 6 verwiesen wird, in diesen Implementierungen der Energiespeicher 150 unmittelbar mit dem DC-Zwischenkreis verbunden, der durch einen passiven Eingangsgleichrichter 162 (d.h. eine passive Eingangsstufe bzw. Front-End-Stufe) geschaffen ist. Die in den 5 und 6 veranschaulichten Implementierungen können in Zusammenhängen nützlich sein, in denen die AC-Netzimpedanz hoch ist. 5 zeigt eine Implementierung, die eine Massen-PDU 100 verwendet, während 6 die Verwendung einer HFPDU 160 zeigt. In diesen Beispielen ist der Energiespeicher 150 (in 5) zwischen dem Gleichrichter 162 und der stromabwärtigen Gradientenverstärker-Energieversorgung 166, der HF-Verstärker-Energieversorgung 168, der Energieversorgung 170 für die Empfangskette 172 und anderen stromabwärtigen Lasten 176 angeschlossen. In 6 ist der Energiespeicher 150 zwischen dem Gleichrichter 162 und der HFPDU 160 angeschlossen, die wiederum mit den restlichen stromabwärtigen Komponenten verbunden ist.
In Bezug auf die Steuerung des (der) Energiespeicherelemente(s) 150 in den in den 5 und 6 veranschaulichten Konfigurationen entlädt sich der Energiespeicher 150, und er stützt die Lastleistung, wenn eine Spitzenlastleistungsanforderung vorliegt. Der AC-Netzstrom ist in Situationen, in denen die AC-Netzimpedanz hoch ist, aufgrund der hohen Quellenimpedanz mittelbar begrenzt. Nach der Spitzenentladung wird der Energiespeicher 150 durch das AC-Netz geladen. Es kann erwähnt werden, dass die Lade- und Entladeströme in einem derartigen Fall gewöhnlich nicht gesteuert werden.
Unter Verweis auf die 7 und 8 sind Implementierungen dargestellt, in denen der Energiespeicher 150 über einen DC/DC-Wandler 180 (der eine galvanische Trennung bieten kann oder nicht) mit dem DC-Zwischenkreis verbunden, der durch den passiven Gleichrichter 162 (d.h. eine passive Eingangs- bzw. Front-End-Stufe) geschaffen ist. 7 zeigt eine Implementierung, die eine Massen-PDU 100 verwendet, während 8 die Verwendung einer HFPDU 160 zeigt. In diesen Beispielen ist der Energiespeicher 150 (in 7) über den DC/DC-Wandler 180 stromabwärts des Gleichrichters 162 und stromaufwärts von der Gradientenverstärker-Energieversorgung 166, der HF-Verstärker-Energieversorgung 168, der Energieversorgung 170 für die Empfangskette 172 und weiteren stromabwärtigen Lasten 176 angeschlossen. In 8 ist der Energiespeicher 150 über den DC/DC-Wandler 180 stromabwärts des Gleichrichters 162 und stromaufwärts von der HFPDU 160 angeschlossen, die wiederum mit den restlichen stromabwärtigen Komponenten verbunden ist.
In Bezug auf die Steuerung des (der) Energiespeicherelemente(s) 150 in den in den 7 und 8 veranschaulichten Konfigurationen kann der Energiespeicher-DC/DC-Wandler 180, wenn eine Spitzenlastleistungsanforderung vorliegt, gesteuert werden, um Energie aus dem Energiespeicher 150 zu entladen, um eines oder beides der folgenden zu erreichen: (1) indirekt den AC-Netzstrom unter einen bestimmten Wert begrenzen und/oder (2) die Wirkung der Quellenimpedanz (AC-Netzimpedanz) reduzieren und die DC-Zwischenkreisspannung daran zu hindern, unter einen bestimmten Schwellenwert abzufallen. Nach der Spitzenentladung kann der Energiespeicher 150 aus dem AC-Netz über den DC/DC-Wandler 180 geladen werden.
Es kann beachtet werden, dass in Bezug auf die vorstehenden Beispiele bestimmte herkömmliche MR-Bildgebungssysteme einen passiven Eingangsstufen-bzw. Front-End-Stufen-Diodenverstärker (z.B. den passiven Verstärker 162) verwenden. Somit können die Verbindungsoptionen für den Energiespeicher 150, die in Bezug auf die 5-8 beschrieben sind, zur Nachrüstung eines bestehenden MR-Bildgebungssystems unter Verwendung eines passiven Gleichrichters 162 geeignet sein, um ein oder mehrere Energiespeicherelemente 150 aufzunehmen. Im Zusammenhang mit einer derartigen Nachrüstung können die hinzugefügten Energiespeicherkapazitäten, wie hierin erläutert, verwendet werden, um die Spitzenleistung, die aus dem AC-Netz entnommen wird, zu reduzieren und/oder um die Systemfähigkeit, Scannvorgänge mit hoher Leistung zu unterstützen, zu erweitern, womit ermöglicht wird, dass ein neueres oder für höhere Leistung ausgelegtes System durch die bestehende elektrische Infrastruktur unterstützt wird. Während die vorstehenden Beispiele insbesondere als zur Implementierung für eine Art Nachrüstung geeignet erwähnt sind, sollte erkannt werden, dass andere hierin erläuterte Beispiele und Implementierungen zur Verwendung in einer Nachrüstimplementierung, d.h. einer Modifikation einer bestehenden Architektur durch Hinzufügung von Energiespeicher- und/oder Wandlerkomponenten sowie einer Steuerschaltung zu einer bestehenden Leistungsarchitektur, um die durch diese Leistungsarchitektur gebotenen Fähigkeiten zu verbessern, geeignet sein können.
Unter Verweis auf die 9 und 10 ist eine Variante der vorstehenden Lösungsansätze veranschaulicht, in der ein aktives Front-End (eine aktive Eingangsschaltung) (z.B. ein aktiver AC/DC-Wandler) vorgesehen ist. Insbesondere kann das aktive Front-End die Form eines dreiphasigen aktiven Gleichrichters (wie veranschaulicht) oder eines passiven Gleichrichters, gefolgt von einem (isolierten oder nicht isolierten) DC/DC-Wandler, und dergleichen, einnehmen. 9 zeigt eine Implementierung, die eine Massen-PDU 100 verwendet, während 10 die Verwendung eines aktiven Gleichrichters 192 zeigt, der sowohl als ein Gleichrichter als auch als eine HFPDU funktioniert. In diesen beiden Beispielen ist der Energiespeicher 150 stromabwärts des aktiven Verstärkers 190, 192 (d.h. an den DC-Zwischenkreis) und stromaufwärts von der Gradientenverstärker-Energieversorgung 166, der HF-Verstärker-Energieversorgung 168, der Energieversorgung 170 für die Empfangskette 172 und anderen stromabwärtigen Lasten 176 angeschlossen.
In Bezug auf die Steuerung des (der) Energiespeicherelemente(s) 150 in den in den 9 und 10 veranschaulichten Konfigurationen kann der aktive Front-End-Wandler (d.h. der Gleichrichter 190, 192), wenn eine Spitzenlastleistungsanforderung vorliegt, gesteuert werden, um den Strom aus dem AC-Netz unmittelbar zu begrenzen. Der Energiespeicher 150 entlädt sich, um die Lastleistungsanforderung zu unterstützen. Nach der Spitzenentladung kann der Energiespeicher 150 aus dem AC-Netz über den aktiven Front-End-Wandler 190, 192 geladen werden. Die Lade- und Entladeströme für den Energiespeicher 150 werden in einem derartigen Szenario gesteuert.
In einer weiteren aktiven Front-End-Variante, die in den 11 und 12 veranschaulicht ist, ist der Energiespeicher 150 über einen DC/DC-Wandler 180 (der eine galvanische Trennung bieten kann oder nicht) mit dem DC-Zwischenkreis verbunden, der durch einen aktiven AC/DC-Wandler (d.h. einen aktiven Gleichrichter 190, 192) geschaffen ist. 11 zeigt eine Implementierung, die eine Massen-PDU 100 verwendet, während 12 die Verwendung eines aktiven Gleichrichters 192 zeigt, der sowohl als ein Gleichrichter als auch als eine HFPDU funktioniert. In diesen beiden Beispielen ist der Energiespeicher 150 über den DC/DC-Wandler 180 stromabwärts des aktiven Gleichrichters 190, 192 (d.h. an den DC-Zwischenkreis) und stromaufwärts von der Gradientenverstärker-Energieversorgung 166, der HF-Verstärker-Energieversorgung 168, der Energieversorgung 170 für die Empfangskette 172 und anderen stromabwärtigen Lasten 176 angeschlossen.
In Bezug auf die Steuerung des (der) Energiespeicherelemente(s) 150 in den in den 11 und 12 veranschaulichten Konfigurationen wird die Leistung sowohl aus dem AC-Netz als auch aus dem Energiespeicher aktiv gesteuert. Wie in dem Fall der vorherigen Beispiele erläutert, wird der Energiespeicher in gesteuerter Weise entladen, um die Spitzenleistungsanforderung zu erfüllen, und er wird aus dem AC-Netz geladen, wenn die Lastanforderung niedrig ist.
In einer weiteren Implementierung, die in den 13 und 14 veranschaulicht ist, kann der Energiespeicher 150 an die AC-Netzverbindung über einen DC/AC-Wandler 196 (der eine galvanische Trennung bieten kann oder nicht) angeschlossen sein. 13 zeigt eine Implementierung, die eine Massen-PDU 100 und entweder einen passiven Gleichrichter 162 oder einen aktiven Gleichrichter 192 verwendet, während 14 die Verwendung entweder eines passiven oder eines aktiven Verstärkers zeigt, der sowohl als ein Gleichrichter als auch als eine HFPDU 202 funktioniert. In diesen Beispielen ist der Energiespeicher 150 (in 13) über den DC/AC-Wandler 196 stromabwärts der PDU 100 und stromaufwärts des Gleichrichters 162, 192 angeschlossen. In 14 ist der Energiespeicher 150 über den DC/AC-Wandler 196 stromabwärts des MDP 92 und stromaufwärts von dem Gleichrichter / der HFPDU 202 angeschlossen, der/die wiederum mit den restlichen stromabwärtigen Komponenten verbunden ist.
In Bezug auf die Steuerung des (der) Energiespeicherelemente(s) 150 in den in den 13 und 14 veranschaulichten Konfigurationen ist eine Ausführungsform der Steuerung der Energiespeicherspannung beschrieben. In dieser Ausführungsform kann die Methode einem Zusammenhang ähnlich sein, in dem eine Line-Interaktiv-UPS an das AC-Netz angeschlossen ist. Anders als in dem Fall einer Line-Interactive-UPS, die die Last nur dann unterstützt, wenn das AC-Netz einen Ausfall erleidet, erfüllen der Energiespeicher 150 und der Energiespeicherwandler 196 in diesen Beispielen jedoch die Lastanforderung immer, unabhängig von dem Zustand des AC-Netzes.
Mit den vorherigen Beispielen von Konfigurationen des Energiespeichers 150 wird eine detailliertere Erläuterung unter Verwendung einer beispielhaften Konfiguration bereitgestellt. In diesem Beispiel werden die in den 7 und 8 veranschaulichten Konfigurationen des Energiespeichers 150 und des Wandlers 180 simuliert, wobei der Energiespeicher 150 bei einer Gradientenlast 108 integriert ist. Die folgende Erläuterung präsentiert die Simulationsmodelle und -ergebnisse.
In diesem Sinne zeigt 15 einen Bezugsfall (eine Bezugsschaltung 208), bei der eine pulsierende Last 212, wie etwa ein MR-Bildgebungsscanner 10, mit einem dreiphasigen AC-Netz 210 über einen (passiven) Diodenbrückengleichrichter 162 verbunden ist. In diesem Bezugsfall ist kein Energiespeicher integriert. Der Einfachheit wegen wird angenommen, dass die gesamte pulsierende Last 212 unmittelbar an dem Eingangsnetz 210 erscheint. In den begleitenden grafischen Darstellungen ist der Betrieb der Schaltung 208 anhand einer Lastspannung (16, obere Grafik), eines Laststroms (16, mittlere Grafik) und eines Netzstroms (16, untere Grafik) veranschaulicht. Es kann beachtet werden, dass die Gegenwart des Diodengleichrichters 162 eine ungeregelte DC-Zwischenkreisspannung zur Folge hat. Ferner überschreitet der aus dem AC-Netz 210 entnommene Strom 400 A für die gegebene Spitzenleistung, die durch den Gradiententreiber (d.h. die Last 212) aufgenommen wird. Dieser hohe Strom impliziert folglich den Bedarf nach einer größeren Elektroinstallation.
Umgekehrt zeigt 17 (die Schaltungsansicht 220) das System nach 15 mit einem Energiespeicher 150, der über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler 180 an dem DC-Zwischenkreis integriert ist (wie allgemein z.B. in Bezug auf 7 erläutert). In diesem Beispiel ist ein elektrischer Doppelschichtkondensator (EDLC, Electric Double Layer Capacitor, der auch als Ultrakondensator (UC, Ultra Capacitor) bezeichnet wird) als das Energiespeicherelement 150 veranschaulicht, obwohl andere Arten geeigneter Energiespeicherelemente 150 (in anderen Implementierungen) anstelle eines derartigen Ultrakondensators oder zusätzlich zu diesem verwendet werden können. Wie in grafischer Weise in der vorstehenden 3 veranschaulicht, wird die Leistung während einer Pulsperiode unter dem AC-Netz 210 und dem EDLC (z.B. dem Energiespeicher 150) geteilt, und Leistung, die während einer Nicht-Pulsperiode entnommen wird, wird durch den EDLC (z.B. den Energiespeicher 150) zur Wiederaufladung verwendet. Diese Freigabe von Energie von dem EDLC während einer Spitzenlastleistungsdauer hat eine Reduktion der Leistung und folglich des Stroms, die aus dem AC-Netz 210 entnommen werden, zur Folge.
Unter Verwendung eines geeigneten Steuerungsschemas wird der Energiespeicherwandler 180 gesteuert, um während einer Spitzenlastanforderung zu entladen und zu laden, wenn die Lastanforderung niedrig ist. In diesem Beispiel zeigt 18 in grafischer Weise für dasselbe Leistungsprofil, das in 16 erläutert ist, eine Reduktion des AC-seitigen Netzstroms (16 (untere Grafik), 18, mittlere, linke Grafik), wenn ein Energiespeicher 150 verwendet wird. Es kann beachtet werden, dass der AC-Netzstrom in diesem Beispiel durch geeignete Einstellung der Steuerparameter auf 150 begrenzt wird. Es kann ferner beachtet werden, dass, wenn die Belastung an dem AC-Netz reduziert wird, die DC-Zwischenkreisspannung abfällt und schwingt, wenn die Spitzenleistung, die aus dem Netz entnommen wird (siehe 3) ebenfalls deutlich reduziert ist.
Technische Effekte der Erfindung umfassen eine Integration eines Energiespeichers in einem MR-Bildgebungssystem, was Krankenhäusern ermöglicht, MR-Bildgebungssysteme mit hoher Leistung bei einer bestehenden Elektroinstallation zu installieren. Weitere technische Effekte umfassen die Fähigkeit, bestehende MR-Bildgebungsleistungsarchitekturen nachzurüsten, um einen Energiespeicher und eine Steuerschaltung für den „Leistungsabfall“ zu einem bestehenden System hinzuzufügen. Eine derartige Nachrüstung kann die Spitzenleistung und somit den Tarif für Spitzenleistung reduzieren. Zu weiteren technischen Effekten gehört die Beseitigung des Bedarfs nach einer unterbrechungsfreien Stromversorgung für ein MR-Bildgebungssystem, wenn beispielsweise eine Batteriebank ebenfalls in dem MR-Bildgebungssystem integriert ist.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung auszuführen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Geltungsbereich der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Geltungsbereich der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 14879775 [0001]

Claims

Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanz(MR)-Bildgebungssystem, die aufweist: einen AC-Netzeingang; einen Gleichrichter, der einen AC-Zwischenkreiseingang und einen DC-Zwischenkreisausgang aufweist; mehrere Lasten, die mit dem DC-Zwischenkreisausgang verbunden sind, wobei die Lasten wenigstens eine Hochfrequenzverstärker-Energieversorgung und eine Gradientenverstärker-Energieversorgung aufweisen; und ein oder mehrere Energiespeicherelemente, die an den DC-Zwischenkreisausgang zwischen dem Gleichrichter und den mehreren Lasten angeschlossen sind.
Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanzbildgebungssystem nach Anspruch 1, die ferner aufweist: ein Hauptverteilerfeld (MDP), das mit dem AC-Netz verbunden ist; und eine Leistungsverteilungseinheit (PDU), die zwischen dem MDP und dem Gleichrichter positioniert ist.
Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanzbildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei der Gleichrichter ein passiver Gleichrichter ist.
Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanzbildgebungssystem nach Anspruch 1, die ferner aufweist: einen isolierten oder nicht isolierten DC/DC-Wandler, der zwischen dem einen oder den mehreren Energiespeicherelementen und dem DC-Zwischenkreisausgang positioniert ist.
Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanzbildgebungssystem nach Anspruch 1, die ferner aufweist: ein Hauptverteilerfeld (MDP), das mit dem AC-Netz verbunden ist; und eine passive Front-End-HFPDU, die vor den mehreren Lasten positioniert ist.
Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanzbildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei der Gleichrichter ein aktiver Gleichrichter ist.
Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanzbildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Energiespeicherelemente eine/einen oder mehrere von einem Ultrakondensator, einer Stützkondensatorbank, einer Batterie oder Batteriebank oder einer Kombination aus Batterie und Kondensatoren aufweist.
Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanzbildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei die mehreren Lasten ferner eine Energieversorgung für eine HF-Sendekette aufweisen.
Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanzbildgebungssystem nach Anspruch 1, die ferner aufweist: eine Steuerschaltung zur Steuerung einer Entladung und Ladung des einen oder der mehreren Energiespeicherelemente, wobei die Steuerschaltung während der Anwendung einer Impulssequenz durch das MR-Bildgebungssystem Leistung aus dem einen oder den mehreren Energiespeicherelementen leitet und während einer Nicht-Pulsperiode oder, falls die Leistungsanforderung durch die Impulssequenz kleiner ist als die zulässige Spitzenleistung aus dem AC-Zwischenkreiseingang, den Energiespeicher lädt.
Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanzbildgebungssystem nach Anspruch 1, die ferner aufweist: eine Steuerschaltung zur Steuerung einer Entladung und Ladung des einen oder der mehreren Energiespeicherelemente, wobei die Steuerschaltung in dem Fall eines Ausfalls der AC-Leistung Leistung aus dem einen oder den mehreren Energiespeicherelementen leitet.
Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanz(MR)-Bildgebungssystem, die aufweist: ein Hauptverteilerfeld (MDP), das eingerichtet ist, um dreiphasige AC-Leistung zu empfangen, und einen AC-Zwischenkreisausgang aufweist; einen Gleichrichter, der eingerichtet ist, um den AC-Zwischenkreis zu empfangen und um einen DC-Zwischenkreis auszugeben; mehrere Lasten, die an den DC-Zwischenkreis angeschlossen sind; ein oder mehrere Energiespeicherelemente, die an den AC-Zwischenkreisausgang zwischen dem MDP und dem Gleichrichter angeschlossen sind; und einen isolierten oder nicht isolierten DC/AC-Wandler, der zwischen dem einen oder den mehreren Energiespeicherelementen und dem AC-Zwischenkreisausgang positioniert ist.
Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanz(MR)-Bildgebungssystem nach Anspruch 11, wobei die mehreren Lasten eine oder mehrere von einer Hochfrequenzverstärker-Energieversorgung, einer Gradientenverstärker-Energieversorgung oder einer Energieversorgung für eine HF-Sendekette aufweisen.
Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanz(MR)-Bildgebungssystem nach Anspruch 11, die ferner aufweist: eine Leistungsverteilungseinheit (PDU), die zwischen dem MDP und dem Gleichrichter positioniert ist.
Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanzbildgebungssystem nach Anspruch 11, wobei der Gleichrichter ein passiver Gleichrichter ist.
Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanzbildgebungssystem nach Anspruch 11, wobei der Gleichrichter ein aktiver Gleichrichter ist.
Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanz-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, die ferner aufweist: eine Hochfrequenz-Leistungsverteilungseinheit (HFPDU), die zwischen dem MDP und den mehreren Lasten positioniert ist.
Leistungsarchitektur für ein Magnetresonanzbildgebungssystem nach Anspruch 11, wobei das eine oder die mehreren Energiespeicherelemente eine/einen oder mehrere von einem Ultrakondensator, einer Stützkondensatorbank, einer Batterie oder Batteriebank oder einer Kombination aus Batterie und Kondensatoren aufweist.
Verfahren zur Bereitstellung von Leistung für Komponenten eines Magnetresonanz-Bildgebungssystems, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Hauptverteilerfeldes (MDP), das eingerichtet ist, um dreiphasige AC-Leistung als eine Eingabe aufzunehmen; Bereitstellen mehrerer Lasten, die wenigstens einen Hochfrequenzverstärker und einen Gradientenverstärker aufweisen, wobei die mehreren Lasten eingerichtet sind, um DC-Leistung zu empfangen; Bereitstellen eines Gleichrichters, der zwischen dem MDP und den mehreren Lasten positioniert wird, wobei der Gleichrichter eingerichtet ist, um eine AC-Eingangsleistung unmittelbar oder mittelbar von dem MDP zu empfangen und um eine DC-Ausgangsleistung unmittelbar oder mittelbar zu den mehreren Lasten zu liefern; und Bereitstellen eines oder mehrerer Energiespeicherelemente stromabwärts des MDP und stromaufwärts der einen oder mehreren Lasten, wobei das eine oder die mehreren Energiespeicherelemente nicht in die Gradientenverstärkerstufe integriert sind.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das eine oder die mehreren Energiespeicherelemente eingerichtet ist bzw. sind, um DC-Leistung stromabwärts des Verstärkers und stromaufwärts von der einen oder den mehreren Lasten zu liefern.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das eine oder die mehreren Energiespeicherelemente eingerichtet ist bzw. sind, um DC-Leistung zu einem DC/AC-Wandler zu liefern, der AC-Leistung stromabwärts von dem MDP und stromaufwärts von dem Gleichrichter liefert.