DE19610083B4

DE19610083B4 - Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung für eine Gradientenspule

Info

Publication number: DE19610083B4
Application number: DE1996110083
Authority: DE
Inventors: Kiyomi Mori; Shigehide Zama Kuhara
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-03-15
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2016-03-15
Also published as: DE19610083A1

Abstract

Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung für eine Gradientenspule (21), enthaltend:
a) eine Hauptstromversorgung (20) zum Zuführen eines Stroms zu der Gradientenspule (20);
b) eine Hilfsstromversorgung (22) zum Zuführen eines Stroms zu der Gradientenspule (20); und
c) eine Umschalteinrichtung (31–34) zum Wechseln der Polarität der Hilfsstromversorgung (22) in Bezug auf die Gradientenspule (20), um hierdurch die Richtung eines durch die Gradientenspule (20) erzeugten Gradientenmagnetfelds zu ändern;
gekennzeichnet durch
d) mindestens ein Tiefpaßfilter (23, 24), das mit einem Ende der Gradientenspule (20) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung für eine Gradientenspule nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung für eine Gradientenspule nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der EP 0 429 715 A1 und unabhängig davon auch aus der DE 33 16 722 A1 bekannt.

Eine weitere herkömmliche Anordnung einer Stromversorgung für ein Gradientenmagnetfeld wird im folgenden anhand von 1 der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Bei dieser herkömmlichen Anordnung einer Stromversorgung für ein Gradientenmagnetfeld wird eine Hilfsstromversorgung eingesetzt. Die Schalter SW1 bis SW4 sind in einer Brückenanordnung verbunden. Eine Serienschaltung der Hauptstromversorgung und einer Gradientenspule ist zwischen zwei Punkten jeweils an einem der beiden Zweige der Brücke angeschlossen. Eine Hilfsstromversorgung ist in Serie zu einem Schalter SW5 zwischen den beiden anderen Punkten der Brückenschaltung angeschlossen. Ein Paar Schalter SW1 und SW3 in entgegengesetzten Armen der Brücke wird gleichzeitig an- oder abgeschaltet. Entsprechend wird das andere Paar der Schalter SW2 und SW4 gleichzeitig an- oder abgeschaltet.

Das wahlweise Anschalten eines der Paare der Schalter ermöglicht das beliebige Verändern der Polarität des Stroms, der der Gradientenspule durch die Hilfsstromversorgung zugeführt wird. Der Schalter SW5 wird während des Intervalls angeschaltet, in dem der Strom ansteigt oder abfällt. Die Hilfsstromversorgung unterstützt die Hauptstromversorgung derart, dass ein schneller Anstieg des der Gradientenspule zugeführten Stroms ermöglicht wird.

Bei der echoplanaren Bildgebung ist ein wechselndes Gradientenmagnetfeld erforderlich, dessen Polarität sich schnell ändert. Die Signalform eines Gradientenmagnetfelds wird gemäß einer sinusförmigen Signalform usw. ausgebildet. Zum aufeinanderfolgenden Verändern der Strompolarität ist das schnelle Schalten der Schalter SW1 bis SW4 erforderlich.

Jedoch bewirkt das schnelle Schalten das Auftreten von Umschaltrauschen, wodurch sich der Signal/Rausch-Abstand bei den Magnetresonanz-Bilddaten verschlechtert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung der eingangs genannten Art zu verbessern, um insbesondere eine größere Störungsfreiheit zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung für eine Gradientenspule mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Beispiele für weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Stromversorgung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Anordnung einer herkömmlichen Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung, bei der eine Hilfsstromversorgung für die Ergänzung einer Hauptstromversorgung eingesetzt ist;
2 eine allgemeine Ansicht einer Magnetresonanz-Bildgebungsvorrichtung;
3 eine Anordnung einer Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
4 Stromsignalformen mit linearem Anstieg;
5 den Zustand der Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung in dem Intervall, in dem der Strom gemäß 4 ansteigt;
6A und 6B Stromsignalformen zum Approximieren einer Sinuswelle;
7 einen ersten Zustand der Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung; und
8 einen zweiten Zustand der Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Magnetresonanz-Bildgebungsvorrichtung, die eine Spulenanordnung als Hauptkomponente enthält. Die Spulenanordnung enthält einen zylinderförmigen Raum, in dem ein Teil eines menschlichen Körpers während der Untersuchung aufgenommen ist. Der menschliche Körper 5 wird durch eine Liege 6 gestützt und in das Innere des Raums bewegt.
Ein Magnet 1 für ein statisches Magnetfeld wird mit einem Strom aus einer Stromversorgung 2 versorgt, wodurch ein supraleitender Magnet erregt und im dem Raum ein statisches Magnetfeld erzeugt wird. Dabei ist die Richtung des statischen Magnetfelds in Richtung der Z-Achse eines üblichen X-Y-Z-Koordinatensystems definiert. Eine rechtwinklig zu der Z-Achsenrichtung verlaufende Richtung ist als X-Richtung definiert und eine rechtwinklig zu der X-Z-Ebene verlaufende Richtung als die Y-Richtung definiert.
Einer Gradientenspulenanordnung 3 wird ein Strom durch eine Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung 4 zum Erzeugen von Gradientenfeldern Gx, Gy und Gz zugeführt. Die Stärke des Gradientenfelds Gx variiert linear entlang der X-Richtung, die Stärke von Gy variiert linear entlang der Y-Richtung, und die Stärke von Gz variiert linear entlang der Z-Richtung.
Einem Sendemessfühler 7, der auch als HF-Spule bezeichnet wird, wird ein Hochfrequenzstrom durch einen Sender 8 zugeführt, damit ein hochfrequentes Magnetfeld (ein HF-Impuls) gebildet wird, der beispielsweise die magnetischen Spins von Protonen innerhalb des menschlichen Körpers 5 erregt. Die erregten Magnetspins erzeugen ein Magnetresonanzsignal, das von einem Empfangsmessfühler 9 empfangen und anschließend an einen Empfänger 10 weitergeleitet wird. Beispielsweise kann ein einziger Messfühler als Sendemessfühler 7 und Empfangsmessfühler 9 eingesetzt werden.
Der Empfänger 10 verstärkt und erfasst das Magnetresonanzsignal, das selbst wiederum durch eine Datensammeleinrichtung 12 in digitale Form umgesetzt wird.
Ein Computer 13 rekonstruiert Magnetresonanz-Bilddaten aus den digitalen Signalen, die von der Datensammeleinrichtung 12 ausgegeben werden. Ein typisches Beispiel für die Vorgehensweise bei der Rekonstruktion besteht in der zweidimensionalen Fourier-Transformation. Eine Bildanzeige 15 zeigt visuell ein durch den Computer 13 rekonstruiertes Magnetresonanzbild an. Eine Konsole 14 ist mit dem Computer 13 verbunden.
Ein Systemkontroller 11 steuert sequentiell die Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung 4, den Sender 8, den Empfänger 10 und die Datensammeleinrichtung 12 zum Generieren einer Impulsfolge, beispielsweise einer Spinecho-Impulsfolge.
3 zeigt eine Anordnung einer Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung gemäß der vorgenannten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform umfasst eine Hauptstromversorgung 20 und eine Hilfsstromversorgung 22 zum Bereitstellen einer Hochspannung. Vier Schalter 31 bis 34 sind in einer Brückenanordnung verbunden. Die Hauptstromversorgung 20 und eine Gradientenspule 21 sind in Serie zwischen zwei Punkten der Parallelzweige der Brücke angeschlossen. Die Hilfsstromversorgung 22 ist parallel zu den Parallelzweigen der Brücke über einen Schalter 35 angeschlossen. Ein Kontroller 27 schaltet die Schalter 31 bis 35 an und ab. Ist der Schalter 35 angeschaltet, so führen die Hauptstromversorgung 20 und die Hilfsstromversorgung 22 gemeinsam Strom der Gradientenspule 21 zu. Ist der Schalter 35 abgeschaltet, so führt lediglich die Hauptstromversorgung 20 Strom der Gradientenspule zu.
Auf jeder Seite der Gradientenspule 21 sind Tiefpassfilter 23 und 24 zum Eliminieren des Umschaltrauschens vorgesehen, das dann auftritt, wenn die Schalter 31 bis 34 mit hoher Geschwindigkeit betätigt werden. Die Schalter 25 und 26 sind jeweils parallel zu den Tiefpassfiltern 23 und 26 angeschlossen, und dann, wenn sie angeschaltet sind, bilden sie einen Bypass zum Ausblenden der Filter aus der Stromversorgungsschleife für die Gradientenspule. Sind sie abgeschaltet, so ermöglichen die Schalter 25 und 26 das Einfügen der Tiefpassfilter 23 und 24 in die Stromversorgungsschleife der Gradientenspule.
4 zeigt eine Stromsignalform, wenn die Hilfsstromversorgung 22 zum Erzielen eines linearen Stromanstiegs eingesetzt wird. 5 zeigt den Zustand der Stromversorgung, wenn die Hilfsstromversorgung 22 zum Auslösen eines Stromanstiegs mit nach vorne gerichteter Stromrichtung eingesetzt wird. Damit der Strom linear ansteigt, wird der Schalter 35 fortlaufend für den Einsatz der Hilfsstromversorgung 22 angeschaltet. Damit der Strom in die vorwärts gerichtete Stromrichtung ansteigt, werden die Schalter 31 und 33 der entgegengesetzten Arme der Brücke angeschaltet, und die Schalter 32 und 34 der anderen entgegengesetzten Arme werden abgeschaltet. Damit der Strom in die entgegengesetzte Stromrichtung ansteigt, werden die Schalter 32 und 34 angeschaltet, und die Schalter 31 und 33 werden abgeschaltet.
Erreicht der Strom eine Vorgabeamplitude, so wird der Schalter 35 abgeschaltet. 31 wird angeschaltet, 32 wird abgeschaltet, 33 wird abgeschaltet und 34 wird angeschaltet 31 wird abgeschaltet, 32 wird angeschaltet, 33 wird angeschaltet und 34 wird abgeschaltet), wodurch ein Umschalten in eine unabhängige Versorgung durch die Hauptstromversorgung 20 erfolgt. In diesem Fall ist ein Schalter mit hoher Geschwindigkeit nicht erforderlich. Demnach werden die Schalter 25 und 26 angeschaltet, so dass die Tiefpassfilter 23 und 24 ausgeblendet werden, und die direkte Verbindung zwischen der Hauptstromversorgung 20 und der Gradientenspule 21 wird erhalten.
6A zeigt Stromsignalformen, die gemäß einer Sinuswelle ausgebildet sind. 6B zeigt Stromsignalformen, die gemäß einer Sinuswelle ausgebildet sind und deren Amplitude mit der Zeit zunimmt.
7 zeigt den Zustand (ersten Zustand) der Stromversorgung, wenn Strom aus der Hilfsstromversorgung 22 der Gradientenspule 21 in positiver Richtung zugeführt wird. Die 8 zeigt den Zustand (zweiten Zustand) der Stromversorgung, wenn Strom aus der Hilfsstromversorgung 22 der Gradientenspule 21 in negativer Richtung zugeführt wird. Der in 7 gezeigte erste Zustand wird durch Anschalten der Schalter 31, 33 und 35 erreicht, sowie durch Abschalten der Schalter 32 und 34. Der in 8 gezeigte zweite Zustand wird durch Anschalten der Schalter 32, 34 und 35 erreicht, sowie durch Abschalten der Schalter 31 und 33.
Zum Verändern eines Stroms, beispielsweise mit einer Sinussignalform, ist es erforderlich, den Strom mit hoher Geschwindigkeit zu verändern und seine Signalform auszubilden. Zum Verändern des Stroms mit hoher Geschwindigkeit ist es erforderlich, die Polarität des durch die Hilfsstromversorgung 22 der Gradientenspule 21 zugeführten Strom mit hoher Geschwindigkeit durch Umschalten zwischen dem ersten und zweiten Zustand mit hoher Geschwindigkeit zu invertieren. Zur Ausbildung der Stromsignalform gemäß einer Sinussignalform ist es erforderlich, eine Pulsbreitenmodulation (PWM) durchzuführen. Genauer müssen die Schalter 31, 32, 33 und 34 wechselweise so an- und abgeschaltet werden, dass während einer Zeitdauer ΔT1 die Schalter 31 und 33 angeschaltet und die Schalter 32 und 34 abgeschaltet sind, und umgekehrt, während der nächsten Zeitdauer ΔT2. Beispielsweise wird 1/(ΔT1 + ΔT2) auf den zehnfachen Wert der Ausgangsfrequenz oder einen größeren Wert festgelegt, und ΔT1/ΔT2 wird verändert.
Zum Verändern eines Stroms, beispielsweise mit Sinussignalform, auf diese Art und Weise, ist ein schnelles Umschalten der Schalter 31 bis 34 erforderlich. Ein derartiges schnelles Umschalten erzeugt ein Umschaltrauschen.
Während des Intervalls, in dem die Schalter 31 bis 34 mit hoher Geschwindigkeit zum Erhalten eines Stroms zum Approximieren einer Sinussignalform umgeschaltet werden, sind die Schalter 25 und 26 fortlaufend abgeschaltet, wie in 7 und 8 gezeigt ist. Hierdurch sind die Tiefpassfilter 23 und 24 betriebsgemäß mit der Gradientenspule 21 gekoppelt.
Im Ergebnis wird ein Umschaltrauschen eliminiert. Ferner lassen sich hochfrequente Anteile, die sich aus dem zwischenzeitigen An- und Abschalten des Schalters 35 ergeben, durch die Tiefpassfilter 23 und 24 reduzieren.

Claims

Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung für eine Gradientenspule (21), enthaltend: a) eine Hauptstromversorgung (20) zum Zuführen eines Stroms zu der Gradientenspule (20); b) eine Hilfsstromversorgung (22) zum Zuführen eines Stroms zu der Gradientenspule (20); und c) eine Umschalteinrichtung (31–34) zum Wechseln der Polarität der Hilfsstromversorgung (22) in Bezug auf die Gradientenspule (20), um hierdurch die Richtung eines durch die Gradientenspule (20) erzeugten Gradientenmagnetfelds zu ändern; gekennzeichnet durch d) mindestens ein Tiefpaßfilter (23, 24), das mit einem Ende der Gradientenspule (20) verbunden ist.
Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite der Gradientenspule (20) ein Tiefpaßfilter (23, 24) angeordnet ist.
Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter (23, 24) über einen Schalter (25, 26) überbrückbar ist.
Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsstromversorgung (22) parallel zur Umschalteinrichtung (31–34) über einen weiteren Schalter (35) angeschlossen ist.
Gradientenmagentfeld-Stromversorgung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (27) zum Steuern der Umschalteinrichtung (31–34), des das Tiefpaßfilter (23, 24) jeweils überbrückenden Schalters (25, 26) und des die Hilfsstromversorgung (22) anschließenden Schalters (35).
Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Hilfsstromversorgung (22) anschließende Schalter (35) zum Erzielen eines linearen Stromanstiegs fortlaufend betätigbar ist.
Gradientenmagnetfeld-Stromverorgung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (27) zur Ausbildung einer Sinussignalform für den der Gradientenspule (21) zugeführten Strom eine PWM-Modulation der Signale zum Steuern der Umschaltvorrichtung und des die Hilfsstromversorgung (22) anschließenden Schalters (35) durchführt.
Gradientenmagnetfeld-Stromversorgung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (27) die Umschalteinrichtung (31–34) so betätigt, daß während einer ersten Zeitendauer (ΔT1) das Gradientenfeld mit erster Richtung und während einer zweiten Zeitdauer (ΔT2) das Gradientenmagnetfeld mit zweiter Richtung anliegt, derart, daß das Verhältnis der ersten Zeitdauer (ΔT1) und der zweiten Zeitdauer (ΔT2) veränderbar ist.
Gradientenmagnetfeld-Stromverorgung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der PWM-Modulation durch die Steuereinrichtung (27) der die Überbrückung des Tiefpaßfilters (23, 24) jeweils bewirkende Schalter (25, 26) zum Eliminieren von Umschaltrauschen abgeschaltet ist.