DE4326054A1

DE4326054A1 - MRI Gradienten-Treiberstrom-Steuerung unter Verwendung einer vollständig digitalen Steuereinheit

Info

Publication number: DE4326054A1
Application number: DE4326054A
Authority: DE
Inventors: Lawrence E Crooks
Original assignee: University of California
Current assignee: University of California
Priority date: 1992-08-04
Filing date: 1993-08-03
Publication date: 1994-03-10
Also published as: JPH06181905A; US5442290A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine magnetische Resonanz-Abbildung (MRI), die Kernmagne tische Resonanz-Phänomene (NMR) ausnützt. Insbesondere bezieht sie sich auf Treiberschaltungen (und ihre Steuer ung) für Gradientenspulen und andere ähnliche elektromag netische Spulen, die zum Ergänzen des statischen Nenn-Hauptmagnetfelds oder polarisierenden Magnetfelds B_o der typischen MRI-Hauptmagnetstruktur verwendet werden.

Magnetische Resonanzabbildungssysteme sind nun aus einer Anzahl von Quellen kommerziell verfügbar. Es existieren im allgemeinen mehrere dem Fachmann bekannte Techniken. Ei nige beispielhafte MRI-Techniken sind beispielsweise in den erteilten US Patenten 4 297 637, 4 318 043, 4 471 305 und 4 599 565 bekannt gemacht. Der Inhalt dieser erteilten Patente ist hiermit durch den Bezug darauf eingeschlossen.

In allen MRI-Systemen wird eine hauptpolarisierende Mag netstruktur verwendet, um ein im wesentlichen gleichblei bendes homogenes Magnetfeld innerhalb eines Patienten- Bildvolumens entlang einer vorbestimmten Achse (z. B. der z-Achse des gewöhnlichen x, y, z Orthogonal-Koordinaten systems) zu schaffen. Wenn präzise gesteuerte Gradient- Magnetfelder entlang zahlreicher verschiedener Achsen in nerhalb des Bildvolumens überlagert werden, kann die er faßbare NMR-Charakteristik von NNR-Kernen räumlich verschlüsselt werden (in Verbindung mit geeigneten RF (Hochfreguenz)-Nutationspulsen), um RF(Hochfrequenz)-Ant worten hervorzurufen, die verarbeitet werden können, um zweidimensionale Felder von Anzeigepixelwerten zu schaf fen, die zwei- und/oder dreidimensionale Darstellungen von NMR-Kernen innerhalb des Patientenvolumens repräsentieren. Jedoch hängt die Genauigkeit des MRI-Prozesses direkt vom Homogenitätsgrad im statischen Feld und vom Line aritätsgrad in auferlegten Gradientenfeldern entlang der gewählten Achsen ab (wobei das Gradientenfeld eine Kon stante als eine Funktion der Position mit Bezug auf andere orthogonale Achsen innerhalb des Patientenvolumens ist). In dem Maße, in dem diese gewünschten Ziele der statischen Feldhomogenität und der Gradientenfeldlinearität entlang präzise gewählter Achsen nicht erreicht werden können, können Ungenauigkeiten und/oder Artefakte im resultieren den angezeigten Bild erwartet werden. Demzufolge wurde beachtenswerte Anstrengungen unternommen, um entweder diese Ziele oder Korrekturen oder Kompensationen für Verschlechterungen dieser Ziele zu erreichen.

Manche MRI-Systeme besitzen hauptpolarisierende Magnet strukturen, die Permanentmagneten und/oder Eisenelemente in der einschlägigen Hauptmagnet-magnetischen-Schaltung einschließen. Beispielsweise wird ein Hauptmagnet mit re lativ niedrigem Feld und offener Struktur im MRI- Systementwurf verwendet, der im zugehörigen vorstehend erwähnten US Patent 4 829 252 beschrieben wird. In derar tigen Strukturen weisen die Eisenelemente eine Restmagne tisierung und Hystereseffekte auf, als ein Ergebnis ihrer vorhergehenden Magnetisierungsgeschichte. Dies kann eine Anzahl von unerwünschten Effekten bewirken, wie beispiels weise Bildverzerrungen, Intensitätsschwankungen, Artefakte verschiedener Arten, usw.

Restmagnetisierung und Hystereseeffekte sind insbesondere störend mit Bezug auf schnell aufeinanderfolgende wech selnde Energieversorgung von Gradientenspulen. Beispiels weise werden gewöhnliche phasenverschlüsselnde Gradientenspulen (z. B. die orientiert sind, um einen Gra dienten in der y-Achsen Dimension hervorzurufen) typi scherweise nacheinanderfolgend in 256 Schritten von einem Treiberpuls von einem Maximum-Pluswert bis zu einem Maximum-Minuswert beaufschlagt (z. B. über 256 aufeinander folgende MRI-Datensammelzyklen). Die erste große Puls wird eine relativ große Restmagnetisierung während der nächsten 127 positiven Treiberpulse, die aufeinanderfolgend klei nere Größe haben, hinterlassen. Jedoch, da die Treiber pulspolarität sich umkehrt, wird auch bewirkt, das sich der Restgradient umkehrt und er wird stufenweise in der Größe zunehmen, während des Rests der gesamten Abbildungs folge, bis zu einem Maximal-Negativwert. Desweiteren, auch für Gradientenachsen, die ihre Größe oder Polarität während der gesamten Abbildungsfolge nicht verändern (z. B. wie entlang der x-Achse, die typischerweise während des NMR-RF-Auslese-Signals mit Energie versorgt wird), auch für diese wird ein Restgradient einer Art übrigbleiben, um möglicherweise eine aufeinanderfolgende Abbildungsfolge zu verzerren.

Umgebende oder andere Umweltveränderungen können auch un erwünschte Änderungen im Magnetfeld für ein MRI-System verursachen. Beispielsweise örtliche Veränderungen im Erd magnetfeld oder örtliche Magnetfeldänderungen, induziert durch örtliche Bewegungen von großen magnetische permea blen Massen (z. B. Aufzügen, Lokomotiven, usw.), durch durch die Übertragung großer örtlicher elektrischer Ströme verursachte Magnetfelder (z. B. wie in Treiberkreisen von Aufzügen, Straßenbahnwagen, Zügen, U-Bahnen, usw.), durch Umgebungstemperaturveränderungen und davon abhängige Veränderungen in den Eigenschaften magnetischer Schaltun gen, durch Hystereseeffekte in magnetisch gekoppelten Körpern, und ähnliches, das sind alles mögliche Quellen von unerwünschten Abweichungen von der optimalen räumli chen Verteilung der Magnetfeldorientierung und -Stärke innerhalb des Patientenvolumens eines MRI-Systems. Derar tige Abweichungen können im Laufe irgendeines gegebenen Abbildungsvorgangs oder über den vergangenen Zeitraum der Systeminstallation an einem gegebenen Platz (so vielleicht die Fähigkeit zu genauen Vergleichen von Bildern, die am gleichen Ort zu weit auseinanderliegenden Zeiten aufgenom men wurden, beeinträchtigend) oder Umgebungsbedingungen wie beim Vergleich zwischen verschiedenen Plätzen auftre ten. Gegenwärtig sind beträchtliche Anstrengungen erfor derlich während einer Installation eines MRI-Systems an einem bestimmten Platz in einem Versuch derartige Schwie rigkeiten zu minimieren. Besondere Sorgfalt muß ge genwärtig angewandt werden, um die Qualität und Wieder holbarkeit bei der Magnetherstellung für MRI Systeme si cherzustellen. Oft sind in Anbetracht dieser bestehenden Probleme viele spezielle Verarbeitungsschritte oder andere Vorkehrungen erforderlich, um Zuverlässigkeit und Bildqu alität von genügend hohem Standard zu schaffen. Demzufolge besteht eine beträchtliche Notwendigkeit für eine umfas sendere und effizientere Technik zum Minimieren der mögli chen nachteiligen Effekte solcher möglichen Probleme.

Andere mögliche Quellen von ähnlichen Problemen sind Wir belströme, die durch sich schnell verändernde magnetische Gradientenfelder in umgebenden elektrisch leitfähigen Ma terialien erzeugt werden. Mit jedem versuchten Wechsel im magnetischen Gradientenfluß wird die Erzeugung von Wir belströmen verbunden sein, die in Übereinstimmung mit den Lenzschen Gesetz, ein magnetisches Feld verursachen wird, das dem versuchten Wechsel im Gradientenfeld entgegenge setzt ist. Demzufolge war seit langem bekannt, daß eine Art von Wirbelstromkompensation im Treiberstrom enthalten sein muß, der einer Gradientenspule zugeführt wird.

Wie bereits erwähnt, stützt sich der zuverlässige Betrieb eines magnetischen Resonanz-Abbildungssystems stark auf die Erzeugung von idealen Gradientenfluß-Pulsen innerhalb des abzubildenen Volumens. Elektrisch leitfähige Struktu ren in der Nähe unterstützen schon an sich Wirbelstrom schleifen, wenn sie schnell geschalteten Gradientenfeldern ausgesetzt werden, und dies führt zu Verzerrungen der gewünschten räumlichen Verteilung von magnetischem Fluß. Derartige Wirbelströme, in in der Nähe liegenden metalli schen Strukturen, nehmen in einer Weise ab, die charakte ristisch für eine Sammlung von ein wenig verschiedenen exponentiellen Zeitkonstanten ist. Wenn sie nicht kompen siert werden, würde die gegenwärtig im Patientenvolumen vorhandene Zeitveränderung, die dadurch im Netz-Magnetfluß hervorgerufen wird, ausreichend stark sein, um Schnittpro file und eine Endebenen-Auflösung des Abbildungssystems zu verzerren.

Als Konsequenz davon verwendeten magnetische Resonanzab bilder lange Zeit ein Art Kompensation, um die Effekte solcher Sekdundär-Wirbelströme zu verringern. Die verbrei tetste herkömmliche Technik ist ein Offen-Schleifen- Rückkopplungs-System, bei dem der Gradientenfluß- Anforderungs-Puls zweckmäßig "übergetrieben" wird (z. B. "überbetont" in einer vorbestimmten und vorgeeichten Wel lenform). Die Bestimmung der genauen Charakteristik eines derartigen "Übertreibens" für einen bestimmten Installa tionsort erfordert augenblicklich eine beachtenwerte und lange Bemühung. Hoffentlich wird, wenn dieser arbeitsauf wendige Vorgang einmal beendet ist, das Offen- Schleifensteuersystem die Gradientenspule auf die genau richtige Weise "übertreiben", um danach die induzeirten Wirbelströme vorwegzunehmen und in einem aktuellen Netz flußfeld zu resultieren, das das Ideal annähert. Jedoch erfordert diese Art von Systemaufbau nicht nur zu Beginn eine beträchtliche Zeit, sondern es ist auch danach (in einem Erhaltungszustand) unmöglich eine bestimmte "Übertreib"-Beschreibung zu finden, die Wirbelströme unter sich verändernden Bedingungen richtig kompensiert. Bei spielsweise, wenn die Magnetstruktur ein kälteerzeugender supraleitfähiger Magnet ist, dann kann sich, wenn das Kältemittel auskocht, die Temperatur von verschiedenen Metall-Leiter-Elementen verändern, was dabei eine Veränderung des spezifischen Widerstands und eine Veränderung in der Übergangsfunktion der Wirbelstrom- Untersysteme bewirkt. Desweiteren halten räumlichen Veränderungen in Wirbelstromfeldern oft das Gradientenspulen-Flußfeld nicht genau in dem Spur (z. B. räumliche Abhängigkeit kann auch als eine Funktion der Temperatur und anderer Wechsel im System variieren). Kurz gesagt, es ist praktisch unmöglich für ein einfaches Offen-Schleifen-Kompensationssystem Wirbelstromeffekte exakt zu korrigieren. Eine typische "Übertreib"- Kompensation beinhaltet einen Stromübersteuerung von un gefähr 20% mit einem Rückgang auf einen asymptotischen Wert, wobei sie zwei oder drei Zeitkonstanten plus eine ähnliche Untersteuerung enthält, wenn die Treiberpulse mit einem ähnlichen Multi-Zeit konstanten Rückgang auf den asymptotischen Nullstromzustand abgeschaltet werden.

Eine weniger übliche, jedoch etwas bessere Technik zur Reduzierung nachteiliger Wirbelstromeffekte besteht darin, eine Abschirmspule um die Gradientenspule zu wickeln. Ob wohl dies den Effekt mancher Wirbelströme im wesentlichen beseitigen kann (z. B. derer, die im Aluminiumkältemittel behälter induziert werden), erfordert es einen beachtli chen zusätzlichen Teil des verfügbaren Magnetbohrungs platzes und verringert so wesentlich den Zugriff zu dem Bildvolumen, während es zusätzliche Kosten, Gewicht, usw. zum gesamten MRI-System hinzufügt.

Da ein Teil des langwierigen Aufstellvorgangs jetzt für eine Installation eines MRI-Systems an einem bestimmten Platz erforderlich ist, werden oft beträchtliche Anstren gungen auf die Zentrierung des Gradientenspulen, beim Ver such asymmetrische Wirbelstromeffekte zu vermeiden, verwendet. Wenn die Wirbelströme im wesentlichen asymme trisch sind, dann kann es dort keine im Stand der Technik bekannte Technik geben, die zu ihrer Kompensation geeignet ist.

Herkömmlicher Gradientenspulen-Treiber-Schaltaufbau ver wendet typischerweise eine geschaltete Spannungsquelle mit eine analogen Rückkopplungsschleife, die verwendet wird, um eine Pulsweitenmodulation des Spannungsversorgungs schaltens zu erreichen. Jedoch kann eine derartige analoge Rückkopplung für die Stromsteuerung beim Schalten von Leistungsverstärkern eine unerwünschte Drift und/oder Rauschen in Gradientenleistungsverstärkern erleichtern kann einen relativ beschränkten dynamischen Rahmen bewir ken. In dem Maße, in dem derartige analoge Schaltungen analoge Rückkopplung durch einen stromfühlenden Wider stand erhalten, der in Serie mit der Gradientenspule ver bunden ist, erleiden herkömmliche Gradienten-Treiber- Steuereinheiten beträchtliche Leistungsverluste. Gegen wärtig glaubt man, daß auch die, die "digitale Eingänge" besitzen, Digital/Analog-Wandler besitzen, um das gewöhn liche analoge Steuersignal zur Verwendung in der gewöhnli chen analogen Rückkopplungsschleife zu erzeugen.

Zudem ist eine herkömmliche Gradienten-Treiber-Steuer schaltung in magnetischen Resonanz-Abbildungssystemen be kannt, mit verschiedenen Verbesserungen, die im wesentli chen die vorstehend beschriebenen Probleme vermindern oder zumindest viele verbessern. Vielleicht besteht die größte derartige Verbesserung in der Bildung einer Geschlossenen- Schleifen-Echtzeit-Rückkopplungssteuerung für die Gradientenspulen-Treiber in einem NMR-System. Hier wird der augenblickliche Netzgradientenfluß (z. B. einsch ließlich Hysterese- und Wirbelstromeffekten) während des Abbildungsvorgangs auf einer Echtzeit-Basis überwacht. Diese Eingaben werden dann einer integrierenden Rückkop plungssteuereinheit für jeden Gradientenspulen-Steuerkanal so zugeführt, daß der Gradientenspulenstrom wie nötig auf Echtzeit-Basis moduliert wird, um jeden gewünschten Gra dientenwert beizubehalten, wird dann von der Haupt-MRI- Systemsteuerung angezeigt (z. B. typischerweise eine feste Gradientenflußgröße und -polarität für eine gegebene Zeitabschnittslänge).

Die Flußüberwachungsspulen werden bevorzugt nach den Gra dientenspulen gebildet (z. B. richtig orientierten Sätzen von "Sattel"-Spulen mit der Golay-Verschiedenheit). Helm holtz und/oder Maxwell-Spulenkonfigurationen (z. B. siehe US Patent Nr. 4 755 755 - Carlson) von D-förmigen Flach spulen und ähnlichem können verwendet werden, wenn die typischen Offen-Struktur-Permanentmagnetstrukturen verwen det werden (z. B. siehe US Patent Nr. 4 829 252 - Kauf mann). Jedoch müssen die Gradientenfluß-Fühlspulen natürlich angeordnet und/oder dimensioniert werden, daß sie ein anderes physikales Volumen einnehmen als die Gradientenfluß-Erzeugungsspulen. Für eine solenoidische kälteerzeugende supraleitfähige Magnetstruktur können die Gradientenfluß-Fühlspulen bevorzugterweise einen geringfü gig reduzierten Radius im Vergleich zu den Gradientenfluß-Erzeugungsspulen haben, so daß sie eng da neben gerade innerhalb der gewöhnlichen Gradientenspulen struktur angeordnet werden können. Es sollte berücksichtig werden, daß in den augenblicklich bevorzugten beispiel shaften Ausführungsbeispielen typischerweise nur Spulen mit einer Umdrehung als Fluß-Fühlspulen verwendet werden. Da der Leiter der Fluß-Fühlspule nicht ausgedehnt sein muß (z. B. 0.0254 bis 0,0508 cm dick bei einem 0,0635 bis 1,27 cm breiten Kupferstreifen), ist nur ein ein wenig weiteres Eindringen in den Magnetbohrungsraum erforderlich, so daß keine wesentliche Beschränkung des Patientenbildvolumens oder des Zugriffs zu demselben erforderlich ist. Um ein geeignetes Gleichgewicht zwischen der wechselseitigen Beeinflussung (z. B. magnetische Kopplung) zwischen den Fluß-Fühlspulen und den Fluß-Erzeugungsspulen einerseits und dem Wirbelstrom/Hysteresefluß andererseits zu erhal ten, kann es nötig sein die Fluß-Fühlspulen in Bezug auf die Fluß-Erzeugungsspulen ein wenig zu verschieben (dadurch die wechselseitige Beeinflussung zwischen diese zwei Sätzen von Spulen verschlechternd).

Obwohl die bevorzugten beispielshaften Ausführungsbei spiele Fluß-Fühlspulen verwenden, die im wesentlichen ein Ebenbild der Gradientenfluß-Erzeugungsspulen sind, kann der Netz-Magnetfluß innerhalb des Patientenabbildungsvolu mens mittels anderer Anordnungen überwacht werden. Bei spielsweise Halleffekt-Sonden, Fluß-Tor-Magnetometer, her kömmliche Aufnahmeschleifen, SQUIDS, Elektronen-magneti sche-Resonanz-Detektoren (wie die Ferrite in YIG (Yttrium- Indium-Grant) Oszillatoren), usw. können strategisch mit geeignet kombinierten Ausgängen angeordnet werden, um Veränderungen von einen Anfangs- oder gewünschten Magnet flußzustand zu erfassen.

Die vorliegende Erfindung schlägt vor, daß rein digitale Signalverarbeitungsschaltungen verwendet werden können, um das Geschlossenen-Schlei fen-Echtzeit-Rückkopplungssystem zu vervollständigen. Dies resultiert in verschiedenen Systemverbesserungen, auch, wenn es nur in Verbindung mit dem gewöhnlichen Offen-Schleifen-Gradientenspulen-Steuer system verwendet wird.

Wie nun offensichtlich sein sollte, kann ein derartiges Geschlossen-Schleifen-Echtzeit-Steuersystem eine wesent liche Korrektur für sich schnell verändernde Gradienten felder, die durch Umweltstörungen oder ähnliches beeinflußt werden, zu schaffen. Desweiteren kompensiert das Geschlossen-Schleifen-Rückkopplungssystem laufende Veränderungen in der Magnetstruktur (z. B. als eine Funk tion des Kältemittelauskochens, von Umgebungstemperatur veränderungen, Umgebungsmagnetfeldveränderungen, usw.). Durch Verringerung von Gradientenspulen-Treibergehäuse- Anpassungen und durch Reduzierung der Genauigkeit der er forderlichen Gradientenspulenzentrierung während des Anfangs-MRI-Systemaufbaus, wird nicht nur die Systemleis tung physisch verbessert (z. B. durch Beibehalten von ge nauer Wirbelstromkompensation, auch, wenn die Magnetdriften oder eine Veränderung in der Verstärkerchar akteristik auftritt, usw.), sondern es ergeben sich auch erheblich Kostenverringerungen. Desweiteren können ver schiedene räumliche Ungleichheiten von Wirbelstromvertei lungen kompensiert werden.

Typische MRI-Systeme können auch ein Helmholtz-Spulenpaar enthalten, um das "einheitliche" Feld geringfügig zu anzu passen. Das Geschlossen-Schleifen-Echtzeit-Rückkopplungs- Steuersystem gemäß dieser Erfindung kann auch vorteilhaft verwendet werden, um derartige "einheitliche" Feldspulen zu steuern (z. B. um die zeitabhängigen Unregelmäßigkeiten zu verringern).

In den bevorzugten beispielhaften Ausführungsbeispielen wird das analoge Fluß-Fühlsignal für jede elektromagne tische Spule in digitale Form umgewandelt, was separat gesteuert wird. Ein unterteilter Digitalsignal-Prozessor (z. B. ein geeignet programmierter Digitalcomputer) kann dann zwischen den verschiedenen Steuerkanälen zeit unterteilt werden. Derselbe Digitalsignal-Prozessor em pfängt digitale Fluß-Anforderungssignale vom MRI-System- Steuercomputer (z. B. Anforderung der Erzeugung eines ein heitlichen oder linear magnetischen Gradientenflusses in nerhalb des Patientenbildvolumens zu einer bestimmten Zeit für eine bestimmte Richtung und das bis zu weiteren Anweisungen konstant gehalten werden soll) für jeden Steuerkanal. Der Digitalsignal-Prozessor vergleicht dann den gefühlten augenblicklichen Netz-Fluß mit dem geforder ten Fluß und leitet ein geeignetes Rückkopplungs- Steuersignal ab (z. B. in Übereinstimmung mit einer einfa chen Integral-Rückkopplungssteuerung), um eine geeignete Eingabe für die Stromversorgungsquelle der geeigneten elektromagnetischen Spule zu erzeugen. Wie verständlich sein wird, wird ein derartiges Echtzeit-Geschlossen- Schleifen-Rückkopplungssystem automatisch die "rich tige" Größe und den "richtigen" Zeitrückgang der Über steuerung (wenn ein neues Fluß-Gradientenfeld initiiert wird) und Untersteuerung (wenn den Fluß-Gradientenfeldpuls beendet wird) zur Folge haben.

Eine Ausdehnung dieses Verfahrens kann eine Reihe von Flußsensoren verwenden, um räumliche Inhomogenitäten des Wirbelstrom-Flußfelds zu überwachen. Ein Satz kleiner Feldspulen mit höherer Ordnung könnte dann nach Art der Geschlossen-Schleifen-Echtzeit-Rückkopplung getrieben wer den, um die erfaßten räumlichen Ungleichheiten von Wirbelstrom-Flußfeldern zu entfernen -- dabei einen höher en Grad von Wirbelstromkompensation über ein größeres Vo lumen erreichend. Alternativ könnte ein Satz derartiger Kompensationsspulen mit höherer Ordnung mit einem Offen- Schleifen-Treiber-Aufbau getrieben werden, auf der Grund lage von früher gemessenen Feld-Inhomogenitäten. Diese Kompensation höherer Ordnung sollte auch eine erkennbare Verringerung in Rest-Wirbelstromeffekten über ein relativ großes Volumen erreichen.

In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel erzeugt der Digitalsignal-Prozessor eine geeignete Folge von Puls weiten-modulierten-Ein/Aus-Steuersignalen, um direkt die schaltbare Gradienten-Stromversorgung zu steuern. Die Ver wendung eines derartigen vollständig digitalen Generators der Pulsweiten-modulierten-Schalt-Steuerung kann auch vor teilhaft verwendet werden in Verbindung mit der gewöhnli chen Strom-Rückkopplungs-Steuerschleife (mit einem geeigneten Analog/Digital-Wandler) oder einem gesamten offen-schleifen-vollständig-Digital-Steuersystem (das von einer bestimmten festen Charakterisierung der Parameter für einen bestimmten Magneten und einen bestimmten Platz abhängen würde, usw.).

In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel erzeugt ein Steuercomputer drei Gradientenfluß-Anforderungen. Einige Flußsensoren machen Flußmessungen, die verwendet werden, um eine Sammlung von Stromversorgungen zu steuern, und Spulen (möglicherweise mehr als drei), um diesen Fluß zu erzeugen. Diese Erfindung bezieht sich auf die Steuerung und die Stromversorgungsaufgaben. Die Steuerung, entweder gebildet als oder umgewandelt, um Steuerungen für die Stromversorgungen, die die Spulen treiben, zu schalten. Der Schalter legt Spannungspulse (oder Strompulse) über ein Filter an die Spule an, um einen Spulenstrom festzu setzen, der den gewünschten Fluß bewirkt.

Derartige wesentlich größere Verwendung von digitalen Schaltungen vermeidet oder minimiert Signalumwandlungs vorgänge, beseitigt die Notwendigkeit, typischerweise ei nen massigeren, teureren und weniger effizienten Schaltungsaufbau einzuschließen, und vermeidet auch be stimmte Drift- und Rausch-Probleme, die typischerweise mit einem analogen Schaltungsaufbau verbunden sind.

Die beispielhaften Ausführungsbeispiele differenzieren typischerweise die Rückkopplungs- und Anforderungssignale und intergrieren das Ergebnis, um den gewünschten Arbeits zyklus zu bestimmen. Jedoch, bei Verwendung von digitaler Signalverarbeitung, ist es nicht nötig sich auf diese Ver suche zu beschränken. Beispielsweise, um eine schnelle Antwort zu bekommen, kann ein Prozessor nach einem Schritt in einer Anforderung schauen, vergleicht den augenblick lichen Spulenstrom mit dem geforderten Wert und erhöht die Spannung (z. B. einen 100% Arbeitszyklus), um eine schnelle Stromveränderung zu erhalten. Nachdem dies stattgefunden hat, könnte die typischere Integrations-Steuerschleife wieder eingerichtet werden. Der Digital-Prozessor kann auch die augenblicklichen Fähigkeiten des Schalters und der Last berücksichtigen. Beispielsweise, basierend auf der Vergangenheit (thermischer Aufbau, usw.), kann die Steuervorgehensweise optimal angepaßt werden.

Diese und andere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden genauer verstanden und geschätzt werden beim sorgfältigen Studieren der nachstehenden Beschreibung von gegenwärtig bevorzugten beispielhaften Ausführungsbeispie len dieser Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Geschlossen-Schleifen-Echtzeit-Gradientenspulen-Rückkop plungs-Steuerkanals, der eine herkömmliche Gradienten- Steuereinheit verwendet, die eine analoge Gradienten spulen-Strom-Steuerschleife enthält;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Ausführungsbeispiels der Erfindung, die identisch zu Fig. 1 ist, jedoch die analoge Gradientenspulen-Strom- Steuerschleife beseitigt und den Rückkopplungsverabeitungs computer verwendet, um direkt Pulsweiten-modulierte Schalter-Steuersignale für die Gradientenspulen-Stromver sorgung zu erzeugen;

Fig. 2A ein schematisches Diagramm eines möglichen Hardware-Ausführungsbeispiels zur Verwendung bei der Aus gabe der computererzeugten Schalter-Steuersignale aus Fig. 2;

Fig. 3 ein vereinfachtes Flußdiagramm eines möglichen Pro gramms für den Digitalsignal-Prozessor oder Rückkopplungs verarbeitungscomputer aus Fig. 2;

Fig. 4 ein beispielshaftes Ausführungsbeispiel der modifi zierten Gradientenspulen-Strom-Steuerschleife, die einen Digitalsignal-Prozessor (DSP) verwendet, der vor allem eine digitale Strom-Rückkopplungs-Steuerschleife besitzt (zum Umwandeln der analogen Stromsinn-Ausgabe in digitale Form so bald wie möglich); und

Fig. 5 ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel einer gesam ten Offenen-Schleife, jedoch mit vollständiger digitaler Steuerung einer schaltbaren Gradientenspulen-Stromver sorgung.

Ein typisches MRI-System enthält eine große statische Mag netstruktur in einem "Faßlager"-Zimmer zum Erzeugen eines soll-statischen, soll-einheitlichen, polarisierenden Mag netfelds B_o innerhalb eines Patientenvolumens. Der Haupt magnet kann eine zylindrische solenoidische Konstruktion besitzen (z. B. eine kälteerzeugendes supraleitfähiges So lenoid). Es kann auch andere Strukturen besitzen (z. B. permanente Magnetstrukturen mit entgegengesetzten Poltei len einschließen, die über und unter dem Patientenbildvo lumen angeordnet sind, usw.).

Zwischen der Hauptmagnetstruktur und dem Patientenvolumen befinden sich Sätze von Gradientenfluß-Erzeugungsspulen. Typischerweise werden die elektromagnetischen Gradienten spulen entworfen, um lineare Gradienten im statischen elektrischen Feld B_o entlang des gewöhnlichen x, y, z-Koordinatensystems zu erzeugen (z. B. Gradientenfelder G_x, G_y und G_z). Eine sogenannte "einheitlichen" Fluß erzeugen den Elektromagnetspule kann auch enthalten sein, um beim Eichen der Netz-effektiven-magnetischen-Flußfelds B_o in nerhalb des Patientenvolumens zu helfen. Ein derartiges "einheitliches" Feld kann durch die Bezeichnung G_u be zeichnet werden.

Jede der G_x, G_y, G_z, G_u elektromagnetischen Spulen wird durch ihre Stromversorgung für elektrischen Strom getrie ben. Die steuerbaren Stromtreiber für jede Spule müssen mit genau der richtigen Strommenge zur richtigen Zeit getrieben werden, um das zu erzeugen, was hoffentlich ein im wesentlich einheitliches oder lineares Gradienten- Flußfeld innerhalb des Patientenvolumens ist, das zu einem bestimmten Zeitpunkt eingeschaltet wird und eine gewünschte Größe zu genau dem richtigen Zeitpunkt besitzt und dann genau zu einem anderen gewünschten Zeitpunkt oder unverzüglich zu einer gewünschten Größe mit Strom umgekeh rter Polarität geschaltet wird, usw . . An diesem Ende wer den separat steuerbare G_x, G_y, G_z und G_u Gradienten- Stromtreiber geeignet mit ihren jeweiligen Gradientenspu lensätzen verbunden.

Der gesamte MRI-Vorgang wird typischerweise durch einen Steuercomputer gesteuert. Beispielsweise können der gewöhnliche Hochfrequenzübertrager und Empfänger über ei nen T/R Schalter mit einer oder mehreren RF Spulenstruktu ren Informationen austauschen, wobei die Spulenstrukturen eng mit dem geeigneten Teil eines Patientenvolumens gekop pelt sind. Die NMR RF Antworten werden typischerweise verstärkt und digital abgetastet bevor sie einem Abbil dungscomputer zugeführt werden (der auch der Steuerung der System-Steuereinheit unterliegt). Nachdem eine geeignete MRI-Folge beendet wurde (die einige Sekunden oder auch einige Minuten dauern kann), werden alle der notwendigen Bilddaten bekommen sein und werden von einem Abbildung scomputer verarbeitet, um ein geeignetes Bild auf einer Steuerkonsolenanzeige (oder einer anderen Filmaufzeich nungs-Randeinrichtung, wie sie von Fachleuten geschätzt wird) herzustellen. Typischerweise enthält die Steuerkon sole auch eine geeignete Tastatur zum Steuern des Steuer computers und, dabei, aller anderen steuerbaren Aspekte eines NMR-MRI-Vorgangs.

Ein Aspekt des MRI-Vorgangs, der sorgfältig durch den Steuercomputer gesteuert werden muß, ist die Zeitabfolge von Gradientenfluß-Pulsen. Wie in Fig. 1 für einen Gradienten-Steuerkanal abgebildet, werden digitale Fluß- (oder Strom-)Anforderungssignale für jede der verschiede nen elektromagnetischen Gradientenspulen (oder Richtungen, wenn zahlreiche Korrekturspulen enthalten sind) durch den Steuercomputer auf der Vielfachleitung 100 zu einem Echtzeit-Gradientenfluß-Sensor-Rückkopplungs-Verarbei tungscomputer 102 gebildet. (Alternativ kann der Rückkop plungs-Verarbeitungscomputer 102 als ein Teil des Steuer computers enthalten sein).

Beispielsweise kann zu einem gewünschten Zeitpunkt in ein er Abbildungsfolge der Steuercomputer einer digitale An forderung für eine bestimmte Größe eines positiven G_y-Flusses aussenden -- dieser Fluß soll bis zu einem weiteren Befehl auf einem konstanten linearen Gradienten wert beibehalten werden.

Die augenblicklich gefühlten Netzflüsse für G_x, G_y, G_z und G_u werden so also als Eingaben zum Echtzeit-Flußsensor- Rückkopplungs-Verarbeitungscomputer 102 dargestellt. Diese werden jeweils mit den geeigneten Fluß-Anforderungssig nalen, die vom Steuercomputer geschaffen werden, vergli chen, um die notwendigen Fehlersteuerausgaben 104 zum Stromtreiber 106 über DAC 150 zu erzeugen, so ein Geschlossen-Schleifen-Echtzeit-Rückkopplungs-Steuersystem vervollständigend.

Eine gegebene Fluß-Fühlspule wird wechselseitige Indukti vität (z. B. magnetische Kopplung) zu ihrer jeweiligen Fluß-Erzeugungsspule und zum magnetischen Fluß durch Wir belströme besitzen. Wenn die wechselseitige Kopplung zwi schen diesen drei Elementen nicht richtig ausgewogen ist, dann kann die Rückkopplungssteuerung nicht richtig geeicht werden (z. B. kann sie durchweg ein bißchen weniger oder ein wenig mehr gegenwärtigen Netz-magnetischen-Fluß erzeu gen, als gegenwärtig durch den Steuercomputer angefordert wird). In Versuchen unter Verwendung einer y-Gradienten- Rückkopplungssteuerung wurde beispielsweise festgestellt, daß, wenn die Mitte der Fluß-Fühlspule in der Achse mit der Mitte der Fluß-Erzeugungsspule zusammenfiel, der ge genwärtige Netz-erzeugte-Fluß durchweg 4% weniger war als durch den Steuercomputer angefordert wurde. Jedoch wurde entdeckt, daß durch geringfügige Verringerung der wechselseitigen Kopplung (z. B. durch Schaffen eines Eich- Offsets zwischen der Mitte der Fluß-Erzeugungsspulen und der Mitte der Fluß-Fühlspulen (z. B. um 3,08 cm), könnten die relativen wechselseitigen Induktivitäten im System geeignet ausgeglichen werden, um zu bewirken, daß das Geschlossen-Schleifen-Echtzeit-Rückkopplungs-Steuer-Sys tem genau und durchweg, im wesentlichen exakt, das Netz flußfeld erzeugt, das zu irgendeiner beliebigen Zeit durch den Steuercomputer angefordert wird. Wenn verteilte ges chirmte Gradientenspulenstrukturen verwendet werden, kann die wechselseitige Kopplung mit Fluß-Fühlspulen von sich aus genügend verringert werden, um einen derartigen Eich- Offset nicht zu erfordern. Natürlich sollte es auch möglich sein eine Eichung durch einfaches Veranlassen des Steuersignalcomputers zum Erzeugen des Fluß-Anforderungs signals zu erreichen, mit einer Verringerung des bemerkten Überschusses oder einer verringerten Systemantwort, wenn die wechselseitige Induktivität zwischen den verschiedenen Teilen der relevanten magnetischen Schaltungen nicht rich tig ausgeglichen wird.

Um einer richtigen Geschlossen-Schleifen-Rückkopplungs- Steuer-System-Betrieb zu erreichen, wird geschätzt, daß ungefähr 20 (oder so ähnlich) Abtastpunkte erforderlich sind während der steigenden (oder fallenden) Kante der zu steuernden Wellenform. Da die Abtast-Steuer-Schleifen ver wendet werden, um magnetische Flußveränderungen zu steuern, die gewünschte Zeitkonstanten in der Größenord nung von 1 Millisekunde besitzen, impliziert dies die Not wendigkeit zum Zuführen von ungefähr 1 Abtastung jede 50 Mikrosekunden, um genügend schnelle Antwortzeiten zu er halten. Obwohl dies mit genügend schnellen digitalen Ver arbeitungsschaltungen erreichtbar sein mag, kann ein analoges "Frontende", das Operationsverstärker-Integra tionsschaltungen umfaßt, verwendet werden, um anfänglich das Signal zu erfassen und dann eine etwas langsamere Ab tastfrequenz zu ermöglichen (z. B. eine Abtastung jede 200 Mikrosekunden), um immer noch genügend schnelle Antwortzeiten zu erhalten. Als Effekt enthält das analoge Frontende Tiefpaß-Filter-Charakteristiken.

Obwohl viele verschiedene Arten von digitalen Verarbei tungscomputern mit vielen verschiedenen Arten von Program men verwendet werden können, wird bevorzugterweise ein relativ einfacher Integrations-Rückkopplungs-Steuerein heit-Prozess im beispielhaften Ausführungsbeispiel für jeden der Steuerkanäle verwendet. Wenn der augenblicklich gefühlte Netzfluß nicht als Rückkopplungssteuerung verwen det wird, dann kann ein vorbestimmter Rückgangs- Vorverstärkungs-Faktor zu den berechneten Fehlersignalen hinzugefügt werden. Desweiteren, da eine vollständig digi tale Steuerung der geschalteten Stromversorgung verwendet wird, müssen dann die berechneten Fehlersignale umgewan delt werden, um Ein-/Aus-Pulsweiten-Strom- Schalt-Steuersignale zu bestimmen, bevor sie ausgegeben werden. Hier wird der augenblickliche Arbeitszyklus der Ein-/Aus-Strom-Schalt-Steuersignale proportional zu der gewünschten augenblicklichen Größe des elektromagnetischen Spulenstroms gemacht.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Geschlossen-Schleifen- Gradienten-Stromsteuerung. Hier wird das digitale Fehler signal 104 für einen gegebenen Kanal (z. B. G_y), das durch den Rückkopplungs-Verarbeitungscomputer 102 erzeugt wurde, durch einen digital/analog-Wandler 150 in eine analoge Form umgewandelt, bevor es in eine herkömmliche Gradienten-Treiberstrom-Steuereinheit 106 eingegeben wird. Eine Feldfluß-Fühlspule 104 versorgt über einen Verstärker 142 und einen Analog/Digital-Wandler 144 einen Computer 102 mit Informationen, die dem gegenwärtigen dann exis tierenden Gradientenflußfeld entsprechen. Der herkömmliche Treiber 106 bedient seinen Ausgabeschalter S mit einer konstanten Frequenz und variablem Arbeitszyklus. Für bipo lare Treiberströme sind der Komparator 152 und der Ausga beschaltaufbau komplexer, jedoch vermittelt das einpolige Beispiel in Fig. 1 für Fachleute die notwendigen Konzepte. Hier werden die analoge Strom-Anforderungs-Eingabe bei 154 und der gefühlte Strom (z. B. entsprechend dem Spannungsab fall über den Strom-Fühlwiderstand R, der in Serie mit der Gradientenspule 130 einschließlich einer Induktivität und einem verteilten Widerstand verbunden ist) bei 156 differ enziert, bei 158 integriert und in den nicht invertierenden Eingang des Komparators 152 eingegeben. Eine Sägezahnwelle mit konstanter Frequenz wird an den invertierenden Eingang des Komparators 152 angelegt. Wenn das Integral des Eingabeunterschieds zwischen dem angefor derten Strom und dem gefühlten Strom die Sägezahnwelle übertrifft, schaltet der Komparator 152 den Steuerungs- Ausgabeschalter S so "ein", daß eine positive Spannungs- oder Stromversorgung V verbunden ist, um die Gradienten spule 130 über den gewöhnlichen LC Filter, wie in Fig. 1 gezeigt, zu treiben. Die Integratorausgabe nimmt schnell zu nach der Anforderung, die einen hohen Arbeitszyklus für Schalter gibt. Dies legt eine große Spannung über den Fil ter an die Gradientenspule 130 an und vergrößert den Spu lenstrom. So wie der Ausgabestrom zum Erfüllen der Anforderung zunimmt, fällt die Integratorausgabe auf einen konstanten Wert, der den Arbeitszyklus für den Schalter S in Übereinstimmung mit der gefühlten Stromrückkopplung verringert. In anderen Worten, die Ausgabepulsweite verändert sich mit der Anforderung, wie schematisch in Fig. 1 gezeigt. Andere Arten von analogen Ausgabe- Steuerschaltungen können typischerweise auch in herkömmli chen Gradienten-Treiberstrom-Steuereinheiten 106 verwendet werden (z. B. konstante Pulsweite, jedoch variable Fre quenz, variable Frequenz, usw.).

Wie diese Erfindung nun erkennt und vorschlägt, die Geschlossen-Schleifen-Rückkopplungs-Steuerung des Gradien tenflusses bei Verwendung eines Computers oder anderer Digitalsignal-Prozessoren, um digitale Fehler-Steuersig nale abzuleiten, schafft eine Gelegenheit zur Verwendung von im wesentlichen mehr digitalen Schaltungsaufbauten, um MRI-elektromagnetische Ströme zu steuern. Beispielsweise, wie in Fig. 2 gezeigt, antwortet eine Gradienten- Flußfühlspule 200 auf augenblickliche Netzfeldveränderun gen, um ein analoges Signal auszugeben (das einige Soll analoge-Front-Ende-Verarbeitung, wie durch einen Puffer verstärker 202 enthält). Die analoge Fühlspulen-Ausgabe kann schnell digitalisiert werden (z. B. durch einen A/D- Wandler 204), mit den Eingabe-Fluß-Anforderungssignalen verglichen werden (z. B. durch Differenzierschaltungen 206) und intergriert werden (z. B. durch einen Integrator 208 in einem geeignet programmierten Rückkopplungs- Verarbeitungscomputer 210, den, entweder direkt oder über eine digitale Pulsweiten-Modulations(PWM)-Schaltung 212, verschiedene Pulsweiten-Schalt-Steuersignale für den Schalter S hergestellt werden, der Strom zu der Gradien tenspule 130 über einen Glättungsfilter (der die Indukti vität und Kapazität enthalten kann, die mit der elektromagnetischen Spule selbst verbunden ist). Das Er gebnis ist ein aufeinanderfolgend aktualisierter Satz von Pulsweiten modulierten-Schalt-Steuersignalen zum Steuern eines Stroms durch den entsprechenden Gradientenspulen satz. Die Aktualisierungen werden genügend schnell wieder holt, um ein gewünschtes Zeit-Stabilisationsvermögen für Gradientenfluß-Pulse zu schaffen.

Mit herkömmlichen analogen Schleifen-Steuer-Stromversor gungen (z. B. wie in Fig. 1) werden verschiedene analoge Komponenten verwendet (die auch einen Digital/Analog- Wandler erfordern, wenn die Stromversorgung entworfen ist, um eine digitale Eingabesteuerung anzunehmen). Mit der Anordnung aus Fig. 2 erzeugt der Fluß-Steuer-Rückkop plungs-Verarbeitungscomputer 210 selbst eine Folge von einzelnen Ein/Aus-Steuerbits zum Ausgabeschalter S. Dies beseitigt eine wesentliche Anzahl von analogen Komponenten und die damit verbundenen Probleme von Rauschen und Drift. Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 eliminiert auch den gewöhnlichen Stromfühlwiderstand R und den damit verbunde nen I²R Leistungsverlust (der erheblich sein kann bei gebenen relativ großen Größen des Stroms, die typischer weise verwendet werden, um MRI-System-Gradientenspulen zu treiben).

Der Rückkopplungs-Verarbeitungscomputer 102′ aus Fig. 2 kann Spezial-Zweck-Hardware Digital-Berechnungsschaltungen umfassen oder im wesentlichen dieselben Allgemein-Zweck- Berechnungsschaltungen wie im Element 102 aus Fig. 1, wenn sie geeignet programmiert sind. Beispielsweise, wie im Flußdiagramm aus Fig. 3 gezeigt, können, nach Eintragung diese Programmsegments bei 300, die gewöhnlichen Integral- Fehler-Steuerungssignale bei 302 berechnet werden und durch die jeweiligen geeigneten Gewinnfaktoren bei 304 vervielfältigt werden und in geeigneten Digitalsignal- Registern für Fehlersignale bei 306 gespeichert werden. So weit sind die Digitalsignale im beispielhaften Ausführungsbeispiel von der gewöhnlichen Viel-binärwertige Viel-Stellen-Verschiedenheit (d. h. wo jede aufeinanderfol gende binäre Stelle eine aufeinanderfolgende zunehmende Leistung von 2 repräsentiert). Beispielsweise kann der numerische Wert eines 8-Bit Digital-Wortes typischerweise repräsentiert werden durch zwei hexadezimale Stellen und kann 256 Intger-Werte repräsentieren, wie es im Stand der Technik wohlbekannt ist.

Wie bei Block 308 in Fig. 3 dargestellt, kann ein Pulsweiten-moduliertes-Digitalsignal-Register aktualisiert werden, um den gewünschten Arbeitszyklus für Strom-Treiben zu einer bestimmten Gradientenspule, basierend auf den vorher berechneten Fehlersignalen, repräsentiert werden. Wie in Block 308, für ein vereinfachtes Beispiel, darge stellt, werden die 8 binären Stellen, die hexadezimal "EF" repräsentieren, dargestellt, um einen gewünschten Arbeits zyklus von 50% = 128/256 = "EF/FF" zu repräsentieren. Durch einfache Berechnung, wie für Fachleute offensicht lich sein sollte, kann dieses erste Digitalsignal bei Block 310 in einen Ausgabe-Pulsweiten-modulierten- Register-Inhalt für den geeigneten Ausgabekanal umgewan delt werden. In diesem vereinfachten Beispiel, da ein 50% Arbeitszyklus angefordert wurde, wird das Ausgabe- Pulsweiten-modulierte-Register mit einem Inhalt von sich ändernden Binär-Werten gefüllt (oder möglicherweise durch den Inhalt 11110000, usw.), um den erforderlichen 50% Ar beitszyklus zu erzeugen. Natürlich kann es möglich sein, direkt das PWM-Ausgabewort zu erzeugen, ohne zuerst ein herkömmlicheres erstes Digitalsignal zu erzeugen, das den gewünschten Arbeitszyklus repräsentiert.

Abhängig von der Auflösung und der Genauigkeit, die erfor derlich ist, könnte ein praktisches Ausführungsbeispiel natürlich ein längeres Ausgabe-PWM-Wort verwenden. Bei spielsweise kann eine in Aussicht stellen, ein Ausgabe- PWM-Wort zu verwenden, das 100 binärwertige Bits besitzt, um eine Auflösung von ungefähr 1% über einem Rahmen von Arbeitszyklen von 0% bis 100% zu geben. Der Rückkopplungs- Verarbeitungscomputer 102′ selbst könnte programmiert wer den, um die gewünschten PWM-Digitalsignale auszugeben (d. h. ein zweites PWM-Digitalsignal, das in Block 310 er zeugt wurde, unter Verwendung des ersten hexadezimalen Digitalsignals, das bei den Blöcken 306 bis 308 erzeugt wurde). Jedoch mag es wünschenswert sein, den Rückkopplungs-Verarbeitungscomputer 102′ normal zu anderen programmierten Vorgängen bei 312 zurückkehren zu lassen, wenn einmal des Ausgabe-PWM-Wort in ein Ausgabe-Ver schiebungs-Register 350 geladen wurde, wie in Fig. 2A ge zeigt. Wie von Fachleuten erkannt werden wird, stellt Fig. 2A ein wiedereintretendes Verschiebungs-Register dar. Wenn einmal die gewünschten Viel-Stellen-PWM-Daten eingeladen sind (z. B. 100 Bit), kann es schnell durch eine Last er reicht werden und eine Zeitschaltung 352, um ein erforder liches Arbeitszyklus-Ein/Aus-Signal für den Treiber-Steu erungs-Schalter herzustellen, wie in Fig. 2A dargestellt. Wie durch den Fachmann verstanden werden wird, ist der Arbeitszyklus typischerweise definiert als der Prozent satz von Zeit, den die Stromversorgungsschaltung einges chaltet ist (d. h. (x/y)·100%, wie in Fig. 2A gezeigt). Wo der Arbeitszyklus verändert werden kann, wie in dieser Erfindung, kann die Abschnitts-Pulsweiten-Modulation (PWM) verwendet werden, um die veränderliche "Ein"-Pulsweite oder -Dauer zu beschreiben (d. h. "X" in Fig. 2A). Andere äquivalente Terminologie oder Beschreibungen können, wie verständlich sein wird, auch verwendet werden.

Wie von Fachleuten erkannt werden wird, gibt es zahllose bekannte Digitalsignal-Verarbeitungs-Techniken in beiden, Hardware und Software, die zur direkten Erzeugung des er forderlichen Digitalsignal-PWM-Ein/Aus-Digital-Steuersig nals für den Schalter S in Übereinstimmung mit der Erfin dung verwendet werden können. Beispielsweise kann ein Zählen der Anzahl der "High"-Bits gegenüber der gesamten Anzahl von Bits in einem Intervall ein Weg sein, den digi talen Arbeitszyklus auszudrücken oder zu repräsentieren. Einige Techniken könnten den Integrationsvorgang (zumindest zeitweise) ergänzen oder umgehen, um die Strom- Ansprechzeiten zu beschleunigen.

Wenn ein Geschlossen-Schleifen-Steuer-System in Übereins timmung mit dem bevorzugten beispielhaften Ausführungs beispiel nicht verwendet wird, dann kann die virtuelle vollständig digitale Steuerung der Gradienten-Stromver sorgungsschalter dennoch mit großen Vorteilen verwendet Werden. Beispielsweise, wie in Fig. 4 dargestellt, wird wieder der gewöhnliche Gradientenspulen-Stromfühlwider stand R verwendet. Hier, auch obwohl dort kein Augen blicks-Flußsensor existiert, kann der Steuercomputer ein Fluß-Anforderungssignal, als eine Eingabe in einen Digi talsignal-Prozessor 400, erzeugen. Das analoge Strom-Fühl signal wird sofort durch einen Analog/Digital-Wandler 402 in digitale Form umgewandelt und wird als andere Eingabe dem Signalprozessor 400 zugeführt. Der Signalprozessor 400 kann programmiert sein, um die Differenz zwischen der Fluß/Strom-Anforderung und dem gefühlten Gradientenspulen- Strom zusammen mit einer addierten vorbestimmten Echtzeit- Vorverstärkungs-Komponente (z. B. wie während der Anfangs- System-Installation festgestellt, ähnlich wie augenblick liche Tag-Echtzeit-Vorverstärkungs-Faktoren bestimmt wer den), um eine Pulsweiten-Modulator-Subroutine der be schriebenen Art zu treiben und eine Folge von einzelnen Ein/Aus-Schalter-Steuer-Ausgaben von veränderlichem Ar beitszyklus herzustellen, wie nun offensichtlich sein sollte. Der Digitalsignal-Prozessor 400 könnte auch pro grammiert werden, um andererseits das Differenzsignal zwischen dem geforderten Fluß/Strom und dem gefühlten au genblicklichen Strom zu verarbeiten, um die Einzelbit- Ausgabe-Ein/Aus-Schalter-Steuerung zu schaffen. Als Folge, führt dies die Pulsweiten-Modulator-Form des Analog/Digi tal-Wandlers für einen Standard-Analog/Digital-Wandler 402 im Strom-Fühl-Pfad. Fühlen der Gradientenspannung, eher als das des Stroms, kann auch unter einigen Bedingungen vorteilhaft sein.

Schließlich, wenn eine vollständige Offen-Schleifen- Steuerung verwendet wird, wie in Fig. 5 dargestellt, dann können alle analogen Komponenten beseitigt werden. Hier wird die Fluß-Anforderung vom Steuercomputer in einen Digitalsignal-Prozessor 500 zusammen mit System-Charakter- Parametern eingegeben (einschließlich irgendwelcher benötigten Echtzeit-Vorverstärkungs-Faktoren) vom gespei cherten Daten ROM oder ähnlichem 502 zum Erzeugen einer geeigneten Offen-Schleifen-vorverstärkten-Pulsweiten-modu lierten-Folge von einzelnen Bit-Ausgabewerten zum Schalter S. In diesem Fall sind die Spannungsversorgung, der Haupt magnet und die Gradientenspulen gekennzeichnet durch geeignete vorbestimmte Digitalsignale, die dann verwendet werden können, um die Umwandlung dieser gespeicherten System-charakterisierenden-Parameter mit irgendeinem gege benen Eingabe-Fluß-Anforderungssignal zu bestimmen, um eine geeignete Pulsweiten-modulierte Folge von Ein/Aus- Signalen zu erzeugen, um die geschaltete Gradientenstrom versorgung zu steuern. Natürlich ist diese vollständige Offen-Schleifen-Annäherung bemerkenswert untergeordnet zu anderen Ausführungsbeispielen. Beispielsweise können die System-charakterisierenden-Parameter über die Zeit oder Temperatur nicht verändert werden (oder alternativ müssen Zeit- und Temperatur-Parameter eingegeben werden, um den Satz der vorcharakterisierenden Parameter zu verändern). Es ist recht wahrscheinlich, daß dies für ein gegebenes System nicht funktionieren kann.

Während die beispielhaften Ausführungsbeispiele eine ge schaltete Spannungsquelle verwendeten, ist es zumindest theoretisch möglich, anstelle davon eine geschaltete Stromquelle zu verwenden. Beispielsweise könnte ein Schalter alternativ die Stromquelle kurzschließen oder mit der elektromagnetischen Spule parallel mit einer Filter- Kapazität verbinden. Der Schalter sollte theoretisch die Stromquelle so effektiv kurzschließen, daß im "Aus"-Zu stand keine Energie vergeudet wird. Hier kann die Gradien tenspule leicht einen Teil des Filters bilden. Die Filter- Kapazität hält die Spulenspannung fest.

Obwohl die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele die Differenz zwischen dem geforderten Fluß und dem gefühlten augenblicklichen Flußwert verwenden, ermöglichen die wesentlichen vollständig-Digital-Steuerungs-Merkmale dieser Erfindung, über diese Art der Rückkopplungssteuer ung hinauszugehen. Beispielsweise können andere Arten von anspruchsvolleren Vergleichen zwischen der Fluß-Anforde rung und den Fluß-Antwortungs-Wellenformen gemacht werden. Eine kann so eine Wellenform-Geschichte besitzen, um zu helfen, die zukünftigen Steueraktionen vorauszusehen. Möglicherweise könnte die Fluß-Anforderungs-Wellenform so "Zukunfts"-Werte des Flusses enthalten, nicht nur vergan gene oder gegenwärtige. Der Digitalsignal-Prozessor könnte so den Arbeitszyklus planen, um den Fluß für einen gewünschten Wert schneller und/oder genauer zu bekommen.

Obwohl nur wenige beispielhafte Ausführungsbeispiele die ser Erfindung vorstehend detailliert beschrieben wurden, werden Fachleute erkennen, daß viele Variationen und Modi fikationen in diesen beispielhaften Ausführungsbeispielen gemacht werden können, während noch viele der neuen Merk male und Vorteile dieser Erfindung beibehalten werden. Demzufolge wird beabsichtigt alle derartigen Modifika tionen und Variationen innerhalb des Schutzbereichs der nachstehenden Ansprüche einzuschließen.

Claims

1. Magnetisches-Resonanz-Abbildungssystem (MRI-System), das ein Digitalsignal erzeugt, das ein gewünschtes Niveau von elektromagnetischem Spulenstrom repräsentiert, der von einer schaltbaren Stromversorgung über ein Filter (L, C) zugeführt wird, gekennzeichnet durch:
digitale Erzeugung des Digitalsignals, um ein Verhältnis von ersten Stellenwerten zu zweiten Stellenwerten zu ha ben, das dem gewünschten Niveau des elektromagnetischen Spulenstroms entspricht; und
Verwendung des Digitalsignals zum Steuern des geschalteten Arbeitszyklus der elektrischen Stromversorgung.

2. Verbessertes MRI-System nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Digitalsignal erzeugt wird durch:
Fühlen des magnetischen Flusses, der durch eine MRI Gra dientenspule (130) erzeugt wird, und Erzeugen eines ents prechenden Analogsignals; und
Umwandeln des Analogsignals in ein erstes Digitalsignal, das digital mit einem zugeführten digitalen Fluß-Anforde rungssignal verglichen wird, wobei das Vergleichsergebnis dann verwendet wird, um das zweite Digitalsignal zu erzeu gen, das repräsentativ für ein gewünschtes Niveau des Gra dientenspulenstroms ist.

3. Verbessertes MRI-System nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß das Vergleichsergebnis der Differenzfeh ler zwischen dem ersten Digitalsignal und dem digitalen Fluß-Anforderungssignal ist.

4. Verbessertes MRI-System nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß:
das zweite Digitalsignal ein mehrstelliges Signal ist, in dem jede aufeinanderfolgende Stelle einen binären Wert besitzt, der entsprechende aufeinanderfolgende Netzströme von 2 repräsentiert; und
ein drittes Digitalsignal erzeugt wird, das ein mehrstel liges Signal ist, bei dem jede aufeinanderfolgende Stelle einen binären Wert besitzt, der ein Verhältnis der Stel lenanzahl herstellt, die einen ersten binären Wert vergli chen mit der Stellenanzahl besitzt, oder verglichen mit der Stellenanzahl einen zweiten binären Wert besitzt, des sen Verhältnis dem Wert des zweiten Digitalsignals entspricht.

5. Verbessertes MRI-System nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die digitalen Erzeugungs- und Verwen dungs-Schritte für jeden der vielen Spulen-Treiber-Steuer- Kanäle wiederholt werden, die jeweils entsprechende ver schiedene Niveaus von Spulenstrom besitzen.

6. Verbessertes MRI-System nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die digitalen Erzeugungs- und Verwen dungs-Schritte als Teil einer Geschlossen-Schleifen-Steue rung eines Gradientenspulen-Stromtreibers durchgeführt werden.

7. Verbessertes MRI-System nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die digitalen Erzeugungs- und Verwendungs- Schritte als Teil einer Offen-Schleifen-Steuerung eines Gradientenspulen-Stromtreibers durchgeführt werden.

8. Verbessertes MRI-System nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der digitale Erzeugungs-Schritt das Zählen der Anzahl von aufeinanderfolgenden binärwertigen Bits umfaßt, die einen vorbestimmten Wert gegenüber der Gesamtanzahl von Bits in einem vorbestimmten Zeitintervall besitzen.

9. Verbessertes MRI-System nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der digitale Erzeugungs-Schritt durch einen programmierten Digitalsignal-Prozessor (400; 500) durchgeführt wird.

10. Verbessertes MRI-System nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß der Digitalsignal-Prozessor (400; 500) eine Anhebung einer Echtzeit-Vorverstärkung schafft, wenn er das Digitalsignal erzeugt, das ein gewünschtes Niveau des elektromagnetischen Spulenstroms repräsentiert.

11. Verbessertes MRI-System nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die digitalen Erzeugungs- und Verwen dungs-Schritte als Teil einer Geschlossen-Schleifen-Steue rung des Gradientenspulen-Treiberstroms durchgeführt wer den.

12. Verbessertes MRI-System nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die digitale Erzeugungs- und Verwen dungs-Schritte als Teil einer Offen-Schleifen-Steuerung des Gradientenspulen-Treiberstroms durchführt werden.

13. Magnetisches-Resonanz-Abbildungssystem (MRI-System), das ein digitales Steuersignal erzeugt, das einen Treiber strom repräsentiert, der in einer elektromagnetischen Spule (130) erreicht werden soll, gekennzeichnet durch eine gesteuerte elektrische Stromversorgung, die nur digi tale Steuerschaltungen enthält, die den augenblicklichen Arbeitszyklus von geschaltetem elektrischen Netzstrom steuern, der über ein Glättungsfilter einer entsprechenden elektromagnetischen Spule (130) ansprechend auf das digi tale Steuersignal zugeführt wird.

14. Magnetisches-Resonanz-Abbildungssystem (MRI-System) mit einem Hauptmagneten, der ein stabiles elektrisches Feld B_o erzeugt, und zumindest einer elektromagnetischen Spule (130) zum Überlagern eines magnetisches Felds über das statische Feld, ansprechend auf ein zugeführtes Fluß-Anforderungssignal, gekennzeichnet durch
eine Fühleinrichtung (200) zum Fühlen des dadurch erzeug ten Spulen-Treiberstroms oder des magnetischen Flusses und zum Erzeugen eines analogen Fühlsignals, das ihm entspricht;
einem Analog/Digital-Wandler (204; 402), der verbunden ist, um das analoge Fühlsignal in ein entsprechendes digi tales Fühlsignal umzuwandeln;
einen Digitalsignal-Prozessor (400; 500), der verbunden ist, um das digitale Fühlsignal und ein digitales Fluß Anforderungssignal zu empfangen, die empfangenen Signale zu vergleichen und ein digitales Ein/Aus-Ausgabesignal zu erzeugen, das den augenblicklichen Arbeitszyklus des elek trischen Netzstroms repräsentiert, der über ein Filter zu der Gradientenspule (130) zum Erzeugen eines Gradienten flusses entsprechend der Fluß-Anforderung zugeführt werden soll; und
eine schaltbare elektrische Stromversorgung, die verbunden ist, um abhängig vom digitalen Ein/Aus-Ausgabesignal ge schaltet zu werden, zum Zuführen elektrischen Stroms über den Filter (L, C) zur Gradientenspule (130).

15. Verbessertes MRI-System nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die Fühleinrichtung (200) einen Widers tand in Serie mit der Spule (200) besitzt.

16. Verbessertes MRI-System nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die Fühleinrichtung (200) eine Gradientenfluß-Fühlspule (200) enthält, die angebracht ist, um den gegenwärtig durch die Spule (130) erzeugten Gradientenfluß zu fühlen.

17. Verbessertes MRI-System nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die Fühleinrichtung (200) zumindest je eines davon besitzt:
eine Halleffekt-Sonde;
ein Fluß-Tor- Magnetometer;
eine magnetisch gekoppelte Aufnahmeschleife;
ein SQUID; und
einen Elektronen-Magnetresonanz-Detektor.

18. Verbessertes MRI-System nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß der Digitalsignal-Prozessor (400; 500) eine Einrichtung zum Addieren eines vorbestimmten zurück gehenden Verstärkungsfaktors für jedes empfangene digitale Fluß-Anforderungssignal enthält.

19. Magnetisches-Resonanz-Abbildungssystem (MRI-System), das einen Hauptmagneten zum Erzeugen eines statischen Felds B_o besitzt und zumindest eine elektromagnetische Spule (130) zum Überlagern eines magnetischen Felds über das statische Feld, ansprechend auf ein zugeführtes Fluß-Anforderungssignal, gekennzeichnet durch:
einen Digitalsignal-Prozessor (500), der verbunden ist, um ein digitales Fluß-Anforderungssignal zusammen mit digita len Signalen zu empfangen, die die Magnetfeld erzeugenden Teile des MRI-System charakterisieren, und um ein digi tales Ein/Aus-Ausgabesignal zu erzeugen, das den ge genwärtigen Arbeitszyklus des Stroms repräsentiert, um über ein Filter (L, C) der Gradientenspule (130) zugeführt zu werden, um einen magnetischen Feld-Fluß zu erzeugen, der der Fluß-Anforderung entspricht; und
eine schaltbare elektrische Stromquelle, die verbunden ist, um abhängig von dem digitalen Ein/Aus-Ausgabesignal in eine Filterschaltung, die elektrischen Netzstrom zur Spule zuführt, hinein und hinaus geschaltet zu werden.