DE19842033C2 - Gradientenverstärker eines Kernspintomographen und Verfahren zum Regeln eines Gradientenverstärkers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gradientenverstärker eines Kern­ spintomographen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Regeln eines Gradientenverstärkers eines Kernspintomographen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Bei einem Kernspintomographen wird ein magnetischer Feldgra­ dient von einer Gradientenspule erzeugt, die ihrerseits an einen Gradientenverstärker angeschlossen ist. Der Gradienten­ verstärker liefert Spannungen in der Größenordnung von eini­ gen hundert bis einigen tausend Volt, um in der Gradienten­ spule einen genau geregelten Strom hervorzurufen. Dieser Strom schwankt in einer vorgegebenen Stromverlaufskurve zum Beispiel zwischen 0 und 300 A.

Der durch die Gradientenspule fließende Strom muß äußerst ge­ nau geregelt werden. Abweichungen von nur wenigen mA können schon bildwirksame Störungen hervorrufen.

Aus der DE 40 24 160 A1 sind ein Gradienten­ verstärker sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art be­ kannt. Wegen der gerade erwähnten hohen Genauigkeitsanforde­ rungen sind bei diesem Verstärker alle Komponenten auf eine sehr hohe Stabilität und Auflösung ausgelegt, um Signale mit einer Genauigkeit im ppm-Bereich zu erzeugen. Dies erfordert teuere Spezialkomponenten für das gesamte Verstärkersystem und einen aufwendigen Abgleich sowohl bei der Herstellung als auch bei jedem Wartungsvorgang.

In der DE 197 06 756 A1 ist ein Gradientenverstärker für einen Kernspintomographen mit einer Regeleinrichtung beschrieben, wobei die Regeleinrichtung einen Steuereingang für ein digi­ tales Steuerwort aufweist. Mit dem Steuerwort ist eine aktu­ elle Übertragungsfunktion der Regeleinrichtung aus mehreren vorgegebenen Übertragungsfunktionen auswählbar. Dadurch ist der Gradientenverstärker einfach auf unterschiedliche Regler­ kennlinien einstellbar, ohne daß die Umstellung einen manuel­ len Abgleich erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, die genannten Probleme zu vermeiden und einen Gradientenverstärker sowie ein Regel­ verfahren bereitzustellen, mit denen sich die erforderliche Genauigkeit bei möglichst geringem Aufwand erzielen läßt.

Insbesondere soll die Genauigkeit groß genug sein, um Beein­ trächtigungen des vom Kernspintomographen erzeugten Bildes zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Gradientenver­ stärker mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Regel­ verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung. Die Er­ findung ist bei Regelkreisen von Gradientenverstärkern in jeder technischen Realisierung einsetzbar. Insbesondere kön­ nen die einzelnen Komponenten als analoge Schaltungen, als digitale Schaltungen oder als Programmodule eines Prozessors (beispielsweise eines digitalen Signalprozessors DSP) ausge­ bildet sein. Auch Mischformen der genannten Technologien und andere technische Realisierungen sind möglich.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß es ohne Einschränkung der Bildqualität möglich ist, bestimmte Komponenten des Regelkreises des Gradientenverstärkers nur für eine relativ geringe Genauigkeit auszulegen. Dies be­ trifft insbesondere die Endstufe des Gradientenverstärkers und solche Komponenten, die in Richtung des Signalflusses "kurz vor" die Endstufe geschaltet sind.

Dadurch, daß die genannten Komponenten nur auf eine wesent­ lich geringere Genauigkeit als bei bekannten Gradientenver­ stärkern ausgelegt werden müssen, sind erhebliche Einsparun­ gen möglich. Dies gilt für alle oben genannten Technologien zur Realisierung des Regelkreises. Komponenten des Regelkrei­ ses, die als Analogschaltung aufgebaut sind, können höhere Toleranzen aufweisen und sind beim Abgleich weniger kritisch. Digitale Schaltungen benötigen bei geringerer Genauigkeit we­ niger Verbindungsleitungen beziehungsweise geringere Taktra­ ten. Komponenten des Regelkreises, die als Programmodule ei­ nes Prozessors ausgestaltet sind, benötigen weniger Rechen­ leistung. Die durch die Erfindung erzielten Einsparungen sind besonders groß bei modernen Hochleistungs-Gradientenverstär­ kern, die hohe Leistungs- und Genauigkeitsanforderungen er­ füllen müssen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Genauigkeit des Soll­ werts und des Istwerts um mindestens den Faktor 10 höher ist als die Genauigkeit des Stellwerts und/oder des mindestens einen Endstufen-Ansteuersignals und/oder des Ausgangssignals. In bevorzugten Ausführungsformen ist dieser Faktor höher und beträgt mindestens 50 oder mindestens 100 oder mindestens 200. Die erzielbaren Einsparungen sind dann besonders groß.

Vorzugsweise weist die Endstufe und gegebenenfalls eine un­ unterbrochene Kette von Komponenten, die in Signalflußrich­ tung "vor" der Endstufe angeordnet sind, die oben spezifi­ zierte geringere Genauigkeit auf. Mit anderen Worten sind bevorzugt entweder nur die Endstufe oder die Endstufe und der Modulator oder die Endstufe und der Modulator und die Regel­ einrichtung auf die geringere Genauigkeit ausgelegt.

Unter "Genauigkeit" wird hier vorzugsweise die nutzbare Auf­ lösung eines Signals verstanden, also zum Beispiel die Anzahl der unterscheidbaren und stabilen Signalzustände. Die Genau­ igkeit eines Signals kann somit in der Einheit "bit" angege­ ben werden. Dies ist unabhängig davon, ob ein Signalpfad ana­ log oder digital oder durch einen Datenaustausch zwischen Programmodulen realisiert ist. In typischen Gradientenver­ stärkern des Standes der Technik beträgt die Genauigkeit al­ ler Signale der Rückkopplungsschleife ungefähr 18 bit. Das heißt, daß etwa 2¹⁸ = 262144 unterschiedliche Signalpegel aufgelöst werden und im wesentlichen stabil sind.

In bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, die Genauigkeit oder Auflösung des Sollwerts und des Istwerts zwischen 14 bit und 22 bit zu wählen, insbesondere zwischen 16 bit und 20 bit und vorzugsweise ungefähr 18 bit. Das Aus­ gangssignal der Endstufe hat vorzugsweise eine Genauigkeit oder Auflösung zwischen 6 bit und 14 bit, insbesondere zwi­ schen 8 bit und 12 bit. Ferner wird vorzugsweise die Genauig­ keit oder Auflösung des mindestens einen Endstufen-Ansteuer­ signals ebenso wie die des Ausgangssignals der Endstufe fest­ gelegt. In diesem Fall ist es ferner vorteilhaft, auch die Genauigkeit oder Auflösung des Stellwerts ebenso wie die des Ausgangssignals der Endstufe zu wählen.

Vorzugsweise weist die Regeleinrichtung einen Vergleicher zum Ermitteln einer Regeldifferenz und einen Regler zum Ermitteln des Stellwertes auf. Die Genauigkeit oder Auflösung der Re­ geldifferenz wird bevorzugt ebenso wie die des Stellwerts ge­ wählt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in bevorzugten Ausfüh­ rungsformen mit Merkmalen weitergebildet, die den gerade beschriebenen oder in den abhängigen Vorrichtungsansprüchen genannten entsprechen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und mehrere Ausfüh­ rungsalternativen werden nun unter Hinweis auf die schemati­ sche Zeichnung genauer beschrieben. Die (einzige) Figur zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Gradientenverstärkers sowie eine daran angeschlossene Last.

Der Gradientenverstärker weist einen Regelkreis auf, der aus einer Sollwerteinrichtung 10, einer Istwerteinrichtung 12, einer Regeleinrichtung 14, einem Modulator 16 und einer End­ stufe 18 gebildet ist. Die Regeleinrichtung 14 weist ihrer­ seits einen Vergleicher 20 und einen Regler 22 auf. Die End­ stufe 18 ist an eine als vorwiegend induktive Last 24 wirken­ de Gradientenspule angeschlossen. Abgesehen von den Genauig­ keitsanforderungen und Toleranzen der einzelnen Komponenten ist ein Gradientenverstärker gemäß der Figur an sich bekannt.

Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Regelkreis durch analoge Schaltungen aufgebaut. In Ausführungsalternati­ ven werden jedoch Digitalschaltungen verwendet, oder die Kom­ ponenten des Regelkreises sind als Programmodule eines digi­ talen Signalprozessors ausgebildet. Ferner können diese drei Grundtypen beliebig kombiniert werden.

Beim Betrieb des Gradientenverstärkers erzeugt die Sollwert­ einrichtung 10 ein Signal, das den Sollwert SO des durch die Last 24 fließenden Stroms repräsentiert. Der Sollwert SO gibt somit die gewünschte Stromkurvenform des Laststromes an. Die­ se Stromkurvenform kann beispielsweise in einer Speicher­ tabelle der Sollwerteinrichtung 10 enthalten sein.

Die Istwerteinrichtung 12, die beispielsweise einen indukti­ ven Durchsteckwandler oder einen in den Lastkreis geschalte­ ten, niederohmigen Widerstand aufweisen kann, ermittelt den jeweils aktuellen Istwert IW des Stromflusses durch die Last 24 und gibt diesen an die Regeleinrichtung 14 aus.

Die Sollwerteinrichtung 10 und die Istwerteinrichtung 12 wei­ sen je eine Genauigkeit, d. h. eine stabil nutzbare Auflösung, von ungefähr 18 bit auf.

Die Regeleinrichtung 14 erzeugt aus dem Sollwert SO und dem Istwert IW nach einem an sich bekannten Regelverfahren einen Stellwert ST. Dazu bildet der Vergleicher 20 die als Regel­ differenz RD bezeichnete Differenz zwischen dem Sollwert SO und dem Istwert IW. Der Regler 22 bestimmt aus der Regel­ differenz RD nach einer vorgegebenen Übertragungskennlinie den Stellwert ST.

Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Regel­ differenz RD und der Stellwert ST mit einer Genauigkeit von 8 bis 12 bit bestimmt. Der Vergleicher 20 kann mit einer inter­ nen Genauigkeit von 18 bit oder ebenfalls von 8 bis 12 bit arbeiten.

In Ausführungsalternativen, die sich insbesondere für eine Realisierung durch einen digitalen Signalprozessor eignen, ist dagegen vorgesehen, den Stellwert ST unmittelbar aus dem Sollwert SO und dem Istwert IW abzuleiten, ohne daß zunächst eine Regeldifferenz RD gebildet wird. Dazu kann der Signal­ prozessor eine geeignete Formel auswerten.

In weiteren Ausführungsalternativen kann vorgesehen sein, den Stellwert ST mit der hohen Genauigkeit von ungefähr 18 bit zu erzeugen. Dadurch, daß der Modulator 16 und die Endstufe 18 auf eine geringere Genauigkeit ausgelegt sind, werden auch in diesem Fall noch beträchtliche Einsparungen erzielt.

Aus dem Stellwert ST werden von dem Modulator 16 Ansteuer­ signale A_i für die Endstufe 18 erzeugt. Die Endstufe 18 weist in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel eine beispiels­ weise aus der DE 40 24 160 A1 bekannte H-Brückenschaltung mit vier Schaltelementen auf. Entsprechend sind vier Endstufen- Ansteuersignale A₁, A₂, A₃ und A₄ zur getrennten Ansteuerung jedes Schaltelements nach einem an sich bekannten Pulsweiten­ modulationsverfahren vorgesehen. Ein derartiges Verfahren ist beispielhaft ebenfalls in der DE 40 24 160 A1 beschrieben.

In Ausführungsalternativen werden andere Modulationsverfahren und andere Ausgestaltungen der Endstufe 18 eingesetzt. Bei­ spielsweise kann die Endstufe 18 mehrere Endstufenmodule mit je einer H-Brückenschaltung aufweisen, die ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind. In diesem Fall sind entsprechend mehr Endstufen-Ansteuersignale A_i für die einzelnen Schaltelemente der Endstufenmodule vorgesehen.

Die Endstufen-Ansteuersignale A_i weisen eine relativ geringe Genauigkeit von jeweils 8 bis 12 bit auf. Da im hier be­ schriebenen Ausführungsbeispiel jedes Endstufen-Ansteuer­ signal A_i ein binäres Signal mit einer Breite von 1 Bit ist, bezieht sich der Begriff "Genauigkeit" hier auf die zeitliche Auflösung und Stabilität der Signalflanken, das heißt auf die Ein- und Ausschaltzeitpunkte der Schaltelemente in der End­ stufe 18.

Das von der Endstufe 18 erzeugte Ausgangssignal AS, also der durch die Last 24 fließende Strom, hat ebenfalls eine Genau­ igkeit von 8 bis 12 bit. Dadurch können die Leistungshalb­ leiter der Endstufe 18 mit höheren Toleranzen selektiert und abgeglichen werden.

In einem Experiment wurde ein bekannter Gradientenverstärker herangezogen. Dieser Gradientenverstärker war gemäß der Zeichnungsfigur aufgebaut; alle Komponenten waren jedoch auf eine hohe Genauigkeit von etwa 18 bit ausgelegt. Nun wurde die zeitliche Auflösung der Endstufen-Ansteuersignale A_i begrenzt, indem die Schaltflanken dieser Signale durch eine Flip-Flop-Schaltung in ein festes Zeitraster eines 32-MHz- Taktes diskretisiert wurden. Die Schaltfrequenz der puls­ weitenmodulierten Endstufe 18 betrug 100 kHz, so daß nur 320 unterschiedliche Schaltzeitlängen zur Verfügung standen. Un­ ter Berücksichtigung des Spannungsvorzeichens sind dies 640 Möglichkeiten oder 9,3 bit. Trotz dieser Genauigkeitsbe­ schränkung konnten selbst in sehr empfindlichen MR-Experimen­ ten keine bildwirksamen Störungen ermittelt werden.

Wird die Genauigkeit, wie es in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen ist, bei mehreren Komponenten des Regelkreises eingeschränkt, können sich die Einzelfehler der Komponenten auf die jeweils nächste Stufe fortpflanzen. Die Genauigkeit des Ausgangssignals AS ist jedoch bei der in die­ ser Beschreibung angegebenen Auslegung der Einzelkomponenten groß genug, um bildwirksame Fehler auch in diesem Fall zu vermeiden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Stufen ge­ ringerer Genauigkeit eine ungefähr lineare Übertragungskenn­ linie haben.

Claims (8)

1. Gradientenverstärker eines Kernspintomographen, mit:

• - einer Sollwerteinrichtung (10) zum Bereitstellen eines Sollwerts (SO),
• - einer Istwerteinrichtung (12) zum Ermitteln eines Ist­ werts (IW),
• - einer Regeleinrichtung (14) zum Ermitteln eines Stell­ wertes (ST) in Abhängigkeit von dem Sollwert (SO) und dem Istwert (IW),
• - einem Modulator (16) zum Erzeugen mindestens eines End­ stufen-Ansteuersignals (A_i) in Abhängigkeit von dem Stellwert (ST), und
• - einer Endstufe (18) zum Erzeugen eines an einer Last (24) anliegenden Ausgangssignals (AS) in Abhängigkeit von dem mindestens einen Endstufen-Ansteuersignal (A_i),

dadurch gekennzeichnet, daß die Genauigkeit des Sollwerts (SO) und des Istwerts (IW) um mindestens den Faktor 10 höher ist als die Genauigkeit des Stellwerts (ST) und/oder des mindestens einen Endstufen-An­ steuersignals (A_i) und/oder des Ausgangssignals (AS).

2. Gradientenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Genauigkeit des Sollwerts (SO) und des Istwerts (IW) um min­ destens den Faktor 100 höher ist als die Genauigkeit des Stellwerts (ST) und/oder des mindestens einen Endstufen- Ansteuersignals (A_i) und/oder des Ausgangssignals (AS).

3. Gradientenverstärker nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung des Sollwerts (SO) und des Istwerts (IW) zwischen 16 bit und 20 bit, insbesondere ungefähr 18 bit beträgt.

4. Gradientenverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung des Stellwerts (ST) und/oder des mindestens einen Endstufen-Ansteuersignals (A_i) und/oder des Ausgangssignals (AS) zwischen 6 bit und 14 bit, insbesondere zwischen 8 bit und 12 bit beträgt.

5. Gradientenverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (14) einen Vergleicher (20) zum Ermitteln einer Regeldifferenz (RD) aus dem Sollwert (SO) und dem Ist­ wert (IW) und einen Regler (22) zum Ermitteln des Stellwertes (ST) aus der Regeldifferenz (RD) aufweist, und daß die Ge­ nauigkeit der Regeldifferenz (RD) um mindestens den Faktor 10 geringer ist als die Genauigkeit des Sollwerts (SO) und des Istwerts (IW).

6. Verfahren zum Regeln eines Gradientenverstärkers eines Kernspintomographen, mit den Schritten:

• - Bereitstellen eines Sollwerts (SO),
• - Ermitteln eines Istwerts (IW),
• - Ermitteln eines Stellwertes (ST) in Abhängigkeit von dem Sollwert (SO) und dem Istwert (IW),
• - Erzeugen mindestens eines Endstufen-Ansteuersignals (Ai) in Abhängigkeit von dem Stellwert (ST), und
• - Erzeugen eines Ausgangssignals (AS) in Abhängigkeit von dem mindestens einen Endstufen-Ansteuersignal (A_i),

dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert (SO) und der Istwert (IW) mit einer Ge­ nauigkeit ermittelt werden, die um mindestens den Faktor 10 höher ist als die Genauigkeit des Stellwerts (ST) und/oder des mindestens einen Endstufen-Ansteuersignals (A_i) und/oder des Ausgangssignals (AS).

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeldifferenz (RD) durch einen Vergleich des Sollwerts (SO) mit dem Istwert (IW) mit einer Genauigkeit ermittelt wird, die um mindestens den Faktor 10 geringer als die Ge­ nauigkeit des Sollwerts (SO) und des Istwerts (IW) ist, und daß der Stellwert (ST) aus der Regeldifferenz (RD) ermittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradientenverstärker die Merkmale eines der Ansprüche 2 bis 5 aufweist.