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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetresonanzbildgebungs-System,
das einen elektronischen Leistungsschalter aufweist, der zwischen
einen Gradientenverstärker
und eine Gradientenspulenanordnung geschaltet ist, wobei der elektronische Leistungsschalter
derart eingerichtet ist, dass er den Gradientenspulenstrom in kontinuierlicher
Art und Weise leitet.
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Viele
Leistungsbaugruppen erfordern genaues Schalten der Ströme und eine
lineare Stromleitung zwischen einer Quelle und einer Last, um eine
adäquate
Performance zu gewährleisten.
Derartige Baugruppen beinhalten Treiberschaltungen für elektrische
Motoren oder Lampen und medizinische Bildgebungssysteme, wie beispielsweise
ein Magnetresonanzbildgebungs-(MRI)-System. In MRI-Systemen, können die
MRI-Daten negativ beeinflusst werden, wenn ein Scan nicht präzise gesteuert
wird. Im Allgemeinen, wird in einem MRI-System ein MRI-Scan gemäß einem
Bildgebungsprotokoll durchgeführt,
welches einen oder mehrere vordefinierte Impulssequenzen enthält. Eine
Impulssequenz definiert die Art und Weise, in der Gradientenmagnetfelder
in dem Scan-Gerät erzeugt
werden, was wechselweise die Parameter des Scans, wie Schicht-Orientierung,
Frequenzkodierung und Phasenkodierung, bestimmt. Ein Misserfolg,
die Erzeugung der Gradientenfelder genau zu kontrollieren, führt zu schlechten
Bilddaten, die sich beispielsweise in geometrischer Fehlorientierung
oder schlechter Datenauflösung
zeigen können.
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In
einem MRI Scanner wird ein Hauptmagnetfeld B0 typischerweise mittels
eines supraleitenden Magneten erzeugt. Gradientenmagnetfelder werden
in B0 mittels einer Gradientenspulenanordnung erzeugt, die typischerweise
drei Spulenpaare enthält.
Typischerweise ist das erste Spulenpaar dazu eingerichtet, in dem
Magnetfeld einen Gradient entlang der physikalischen x-Achse des
Scanners zu erzeugen. Ähnlich
sind die zweiten und dritten Spulenpaare dazu eingerichtet, in dem
Magnetfeld jeweils Gradienten entlang der physikalischen y-Achse und
der z-Achse des Scanners zu erzeugen.
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MRI
Scanner können
verbesserte Bildgebungsqualität
und Bildauflösung
durch die Einfügung von
Sets von Zwillingsgradientenspulen, die ein Set von "Gesamtkörper„-Spulen
zur Erzeugung "schlechter
aufgelöster„ MRI-Daten
während
eines Scans und einem kleineren Set von "Ergänzungs„-Spulen
zur Erzeugung von "höheraufgelösten„ MRI-Daten
beinhalten. Jedes der Sets der Zwillingsgradientenspulen enthält ein x-Achsen-Spulenpaar, ein y-Achsen-Spulenpaar
und ein z-Achsen-Spulenpaar. Beide Spulen-Sets tragen zu der MRI-Daten-Messung
bei, jedoch wird zur gleichen Zeit jeweils nur ein Spulen-Set angeregt.
Folglich wird zur Verbesserung der Bild-Qualität und der Bildauflösung, das
gesamte Spulen-Set angeregt, um einen ersten Scan gemäß der vordefinierten
Impulssequenz durchzuführen, und
danach wird das Set der Ergänzungsspulen
angeregt um einen zweiten Scan durchzuführen. Die Spulen-Sets können abwechselnd
angeregt werden, um weitere Scans durchzuführen, wie sie möglicherweise
für spezifische
Bild-Anwendungen erforderlich sind.
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Hin
und Herschalten zwischen den Spulen-Sets kann auf die verschiedensten
Art und Weisen durchgeführt
werden. Beispielsweise kann ein Schalter zwischen einer Quelle,
die die Leistung zur Anregung der Spulen liefert, geschaltet sein.
Der Schalter kann per Hand betätigt
werden (beispielsweise mechanisch oder elektrisch), was unbequem und
langsam sein kann, oder kann automatisch geschaltet werden (beispielsweise
mittels eines Software gesteuerten Steuerprogramms). Ferner, kann
der Schalter ein mechanischer Schalter sein (beispielsweise ein
Einschalter) oder ein elektronischer Schalter (beispielsweise ein
Transistor, Diode, usw.). Jedoch, unabhängig von dem Verfahren der
Manipulation oder dem Typ des verwendeten Schalters, verlangt eine
gut gesteuerte MR-Bildgebung mit hoher Qualität, dass die Gradientenspulen
gemäß der vordefinierten
Impulssequenz in einer kontinuierlichen, starken und reproduzierbaren
Art und Weise gefahren werden. Folglich muss beispielsweise der
Schalter sowohl in der Lage sein, Gradientenströme mit hoher Amplitude zu leiten,
die zwischen positiven und negativen Werten wechseln, als auch solche,
die zwischen einem positiven oder negativen Wert und Null (oder
einer sehr kleinen Amplitude) wechseln. Um die MR-Bildgebungsqualität zu garantieren,
sollte der Schalter idealerweise während aller Bereiche der Impulssequenz,
in der der Gradientenstrom fließt,
einen linear oder ununterbrochenen leitenden Zustand haben.
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Eine
Bauart linearer Schalter ist ein mechanischer Schütz, der
zwischen leitenden und nicht-leitenden Zuständen mittels beispielsweise
entweder manuellem oder automatischem Remote-Befehl geschaltet werden kann. Weil
der Schütz
in beiden Richtungen linear stromleitend ist, sind keine speziellen
Maßnahmen
oder Schaltungen notwendig um eine saubere Leitung des Laststromes
zwischen der Gradientenspulenanordnung und der Gradientenspulensteuerschaltung
sicherzustellen. Schütze
sind jedoch groß,
laut und empfindlich gegenüber
dem magnetischen Feld, welches durch den Scanner erzeugt wird. Folglich
kann die Verwendung von Schützen
zu einer Komplexität
der physischen Anordnung, der Abschirmung und dem Packaging der
Schütze und
anderer zugeordneter Komponenten führen. Ferner ist die Schaltgeschwindigkeit
des Schütz
zwischen leitenden und nichtleitenden Zuständen langsam, beispielsweise
typischerweise 5–15
Millisekunden. Außerdem
verursacht das Schalten Lichtbögen, wodurch
die erforderliche Lebensdauer des Schütz vermindert wird. Obwohl
die Lichtbögen
mittels angepasster Schutzschaltung oder mittels mechanischer Strukturen
unter Kontrolle gebracht werden können, führt eine derartige Maßnahme zu
zusätzlicher
Komplexität,
die sich in zusätzlichen
Kosten und verminderter Zuverlässigkeit
ausdrücken
kann. Als ein Ergebnis kann es sein, dass ein mechanischer Schalter (beispielsweise
ein Schütz)
nicht die optimale Wahl ist.
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Andere
Möglichkeiten
beinhalten elektronische Schalter, wie einen Transistor, eine Diode,
einen Thyristor, usw. Elektronische Schalter können jedoch nicht durch einen
linearen Leitzustand beschrieben werden. Deshalb kann die Leitungscharakteristik
eines elektronischen Schalters von der Größe des Stromflusses durch den
Schalter abhängig
sein. Demzufolge können,
um die Linearität
in der Stromleitung zwischen der Last (beispielsweise der Gradientenspule)
und der Treiberschaltung zu ermöglichen,
zusätzliche
Schaltungen erforderlich sein, um linearen Stromfluss während Perioden
aufrechtzuerhalten, in denen der Strom zwischen positiven und negativen
Werten und/oder zwischen einem positiven oder einem negativen Wert
zu einem Zustand übergeht,
in dem im Wesentlichen kein Strom fließt.
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Eine
beispielhafte Topologie eines elektronischen Schalters beinhaltet
einen Transistor, der mit einer Diodenbrücke verbunden ist. In dieser
Topologie lenken die Dioden in der Brücke den Strom zwischen positiven
und negativen Werten und/oder in einen Zustand bei dem der Stromfluss
nahe Null ist. Wenn jedoch eine derartige Topologie in einer Baugruppe
verwendet wird, die eine hohe Stromstärke voraussetzt, müssen sowohl
der Transistor als auch die Diodenbrücke Leistungskomponenten sein,
die demzufolge in dem Gehäusevolumen
einen beachtlichen Teil des Platzes ackagingverbrauchen. Da der Strom
ferner zu jeder Zeit durch den Transistorzweig und/oder zwei Diodenzweige
fließen
muss, wird ein beachtlicher Teil der Energie in den Bauelementen verbraucht,
wodurch eine komplexe Wärmesenkeanordnung
erforderlich ist, wie beispielsweise eine wassergekühlte Montageplatte,
Ventilatoren, Kühlrippen usw.
Deshalb kann eine solche Transistor/Dioden-Brücken-Topologie
nicht die optimale Wahl für Leistungsanwendungen
sein.
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Demzufolge
gibt es Bedarf für
eine Schalteranordnung zur selektiven Verbindung einer Quelle (beispielsweise
ein Gradientenverstärker)
mit einer Last (beispielsweise eine Gradientenspulenanordnung).
Eine derartige Schalteranordnung sollte eine Schaltervorrichtung
beinhalten, die einen leitenden Zustand aufweist, in dem ein Strom
zwischen der Quelle und der Last in einer nicht unterbrochenen oder
kontinuierlichen Art und Weise geleitet wird. Ferner sollte eine
solche Schalteranordnung einen Minimalbetrag an Wärme ableiten,
eine minimale Anzahl von Komponenten haben, schnell, lautlos und zuverlässig schalten,
relativ unempfindlich gegenüber
Magnetfeldeffekten sein und elektromagnetische Störungen nur
in beschränktem
Maße erzeugen.
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Die
JP A 101Y9540 offenbart eine Schalterschaltungsanordnung, die in
einem MRI-System verwendet werden könnte, um einen Strom zwischen
einer Quelle und einer Last, beispielsweise einer Gradientenspule,
linear zu leiten, wobei die Schaltung eine Schaltervorrichtung aufweist,
die zwischen die Quelle und die Last geschaltet ist, und wobei die Schalteranordnung
einen leitenden Zustand hat, in dem der Strom während einer ersten Betriebsphase abhängig von
der Höhe
des Stromes zwischen der Quelle und der Last geleitet wird.
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Es
sind Mittel vorgesehen, um einen linearen Übergang des Stromes zwischen
aufeinanderfolgenden Gradientenpulsen gegensätzlicher Polarität zu ermöglichen.
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Die
vorliegende Erfindung spricht eine oder mehrere der oben genannten
Nachteile an.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Resonanzmagnetbildgebungs-(MRI)-System
und ein zugehöriges
Verfahren geschaffen, jeweils gemäß der Ansprüche 1 und 3.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird jetzt an Hand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf
die nachfolgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
Diagrammdarstellung eines MRI-Systems zur Verwendung in der medizinischen Diagnosebildgebung
ist und bestimmte Aspekte der vorliegenden Technik implementiert;
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2 ein
Blockdiagramm funktioneller Komponenten eines Impulssequenzbeschreibungs-Moduls
für ein
System der Bauart in 1 ist;
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3 eine
graphische Darstellung einer beispielhaften Impulssequenzbeschreibung
für eine MRI-Aufnahme
ist, die in einem System von 1 implementiert
sein kann;
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4 eine
Diagrammdarstellung einer Gradientenverstärkeranordnung, einer Schalteranordnung
und der Gradientenspulenanordnung des Systems von 1 ist,
wobei die wahlweise Verbindung des Gradientenverstärkers mit
einem Set der Zwillingsgradientenspulen-Sets während der MRI-Untersuchung
dargestellt ist;
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5 eine
Diagrammdarstellung der Schalteranordnung von 4 ist,
die eine Schaltervorrichtung und eine Steuerungsschaltung zeigt;
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6 eine
schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform
der Schalteranordnung von 5 ist;
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7 eine
graphische Darstellung des Gradientenstroms in der z-Achsen-Gradientenspule während der
Impulssequenzbeschreibung von 2 ist;
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8 eine
graphische Darstellung des Stromes und der Spannung ist, die an
verschiedenen Punkten in der Schalteranordnung von 6 während des Überganges
des Gradientenstromes von 7 von einem
positiven Wert zu einem negativen Wert gemessen werden; und
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9 eine
graphische Darstellung des Stromes und der Spannung ist, die an
verschiedenen Punkten von 7 von einer
positiven Höhe
zu einer im Wesentlichen Null-Höhe
gemessen ist.
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Wenn
wir uns jetzt der Zeichnung zuwenden und uns zuerst auf 1 beziehen,
ist ein Magnetresonanzbildgebungs-(MRI)-System 10, das
einen Scanner 12, eine Scannerbedien- und Steuerschaltung 14 und
ein Benutzerinterface 16 enthält, skizzenhaft dargestellt.
Während
das MRI-System 10 jeden geeigneten MRI-Scanner oder Detektor
enthalten kann, enthält
das System 10 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Gesamtkörperscanner, der
eine Patientenöffnung 18 aufweist,
in der ein Tisch 20 positioniert werden kann, um einen
Patienten 22 in eine zum Scannen gewünschte Position zu bringen.
Der Scanner 12 kann jeder Typ mit geeignetem Messbereichsendwert
sein, enthaltend Scanner, die von 0,5 Tesla Messbereichsendwerten
bis 1,5 Tesla Messbereichsendwerten und drüber liegen.
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Der
Scanner 12 enthält
mehrere zugeordneter Magnetspulen zur Erzeugung von kontrollierten Magnetfeldern,
zur Erzeugung der Hochfrequenz-Anregungsimpulse und zum Detektieren
von emittierter Strahlung des gyromagnetischen Materials innerhalb
des Patienten als Antwort auf die Impulse. In der Blockdarstellung
von 1, ist eine Hauptmagnetspule 24 zur Erzeugung
eines Hauptmagnetfeldes B0 vorgesehen, die im Wesentlichen entlang der
Patientenöffnung 18 ausgerichtet
ist. Eine Gradientenspulenanordnung 26 enthält mehrere
Gradientenspulen 28 zur Erzeugung kontrollierter Magnetgradientenfelder
(beispielsweise Bx, By und Bz) während
der Untersuchungssequenzen, wie weiter unten genauer beschrieben
wird. Eine Hochfrequenzspule 28 ist zur Erzeugung von Hochfrequenzimpulsen
bereitgestellt, um das gyromagnetische Material anzuregen. In der
Ausführungsform,
die in 1 dargestellt ist, dient die HF-Spule 28 auch
als eine Empfängerspule.
Deshalb ist die HF-Spule 28 mit Treiberschaltungen und
Empfängerschaltungen
verbunden, sowohl in passiver wie auch in aktiver Betriebsart, um sowohl
emittierte Strahlung vom gyromagnetischen Material zu empfangen
als auch Hochfrequenz-Anregungsimpulse auszusenden. Beispielsweise,
in der in 1 dargestellten Ausführungsform
enthält
die Treiber- und Empfängerschaltung
eine HF-Quelle 30, die ein HF-Signal mit der gewünschten
Frequenz erzeugt; eine HF Verstärker-
und Steuerschaltung 34, die die HF-Signale zu Impulse formt
und die Leistung der HF-Impulse verstärkt; einen HF-Detektor 36,
der die Bildsignale empfängt,
und einen Digitalisierer 38, der die Bildsignale digitalisiert
um eine nachfolgende Bearbeitung zum Bildaufbau zu ermöglichen.
Alternativ können
verschiedene Konfigurationen der Empfängerspulen unabhängig von
der HF-Spule 28 bereitgestellt werden. Derartige Spulen
können
Strukturen enthalten, die spezifisch an die Zielanatomien angepasst
sind, wie Kopfspulenanordnungen und so weiter. Darüber hinaus
können
Empfängerspulen
in jeder geeigneten physikalischen Konfiguration bereitgestellt
werden, die phasengesteuerte Feldspulen enthalten, und so weiter.
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Die
Spulen des Scanners 12 werden durch eine externe Schaltung
angesteuert, um geeignete Felder und Impulse zu erzeugen und um
die emittierte Strahlung von dem gyromagnetischen Material in gesteuerter
Art und Weise zu lesen. Wie der Fachmann weiß, werden, sobald das Material,
das typischerweise an das Gewebe des Patienten gebunden ist, dem
Hauptfeld B0 ausgesetzt ist, die individuellen magnetischen Momente
der paramagnetischen Kerne im Gewebe versuchen, sich nach dem B0-Feld auszurichten,
aber präzedieren
mit ihrer Larmorfrequenz in regelloser (nicht bevorzugter) Ordnung
um dasselbe. Während
in Richtung des polarisierenden Feldes ein resultierendes magnetisches
Moment erzeugt wird, löschen
sich die regellos orientierten Komponenten des Momentes an einem
dazu senkrechten Ort gegenseitig aus. Während einer Untersuchungssequenz,
wird ein HF-Frequenzpuls mit oder nahe der Larmorfrequenz des zu
untersuchenden Materials erzeugt, was zur Rotation des resultierenden
ausgerichteten Moments und damit zur Erzeugung eines resultierenden
magnetischen Moments führt.
Nach Abschalten der Anregungssignale werden vom Patienten Hochfrequenzsignale
abgestrahlt. Dieses magnetische Resonanzsignal wird im Scanner detektiert
und zum Aufbau des gewünschten
Bildes bearbeitet.
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Die
Gradientenspulenanordnung 26 enthält Gradientenspulen 42, 44 und 46,
die dazu dienen, hochgenaue kontrollierte Magnetfelder zu erzeugen, deren
Stärke über ein
vordefiniertes Betrachtungsfeld variieren, typischerweise mit positiver
und negativer Polarität.
Die Gradientenfelder, die mittels der Gradientenspulen erzeugt werden,
fallen im Wesentlichen mit den physikalischen Achsen des Patienten 22 zusammen.
Demzufolge, kann die Gradientenspule 42 einen Gradienten
Gx entlang der x-Achse des
Patienten erzeugen (beispielsweise von links nach rechts), die Gradientenspule 44 kann
einen Gradienten Gy entlang der y-Achse des Patienten erzeugen (beispielsweise
von Anterior nach Posterior) und die Gradientenspule 42 kann
einen Gradienten Gz entlang der z-Achse des Patienten (beispielsweise
von Superior nach Inferior). Wenn jede Spule mit einem bekannten
elektrischen Strom erregt ist, ist der resultierende Magnetfeldgradient
dem Hauptfeld B0 überlagert
und erzeugt eine lineare Variation in der Gesamtmagnetfeldstärke über das
Betrachtungsfeld. Kombinationen derartiger, zueinander senkrecht
ausgerichtet Felder erlauben durch Vektoraddition der individuellen
Gradientenfelder die Erzeugung eines linearen Gradienten in jeder
Richtung.
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Es
kann angenommen werden, dass die Gradientenfelder sowohl nach den
physikalischen Ebenen (beispielsweise x, y und z) als auch nach
den logischen Achsen orientiert sind. Im physikalischen Sinne sind
die Felder zueinander senkrecht orientiert, um ein x, y, z-Koordinatensystem
zu bilden, das durch geeignete Manipulation der Impulsströme gedreht
werden kann, die an die individuellen Spulen angelegt werden. In
einem logischen Sinne definiert das Koordinatensystem Gradienten,
die typischerweise als Schichtselektionsgradienten, Frequenzkodierungsgradienten
und Phasenkodierungsgradienten bezeichnet werden.
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Der
Schichtselektionsgradient bestimmt eine Ebene im Gewebe oder der
Anatomie des Patienten, die bildgebend dargestellt werden soll.
Das Schichtselektionsgradientenfeld kann somit gleichzeitig mit einem
ausgewählten
HF-Impuls angelegt werden, um ein bekanntes Volumen von Spins, die
mit derselben Frequenz präzedieren,
innerhalb der gewünschten
Schicht anzuregen. Die Schichtdicke wird durch die Bandbreite des
HF-Impulses und die Stärke
des Gradienten entlang des Betrachtungsfeldes bestimmt.
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Eine
zweite logische Gradientenachse, die Frequenzkodierungsgradienten-Achse,
ist ebenfalls als Auslesegradienten-Achse bekannt und wird in einer
Richtung senkrecht zu dem Schichtselektionsgradienten angelegt.
Im Allgemeinen wird der Frequenzkodierungsgradient vor und während der
Bildung des MR-Echosignals
angelegt, das aus der HF-Anregung resultiert. Unter Einfluss dieses
Gradienten sind die Spins des gyromagnetischen Materials gemäß ihrer
räumlichen
Position bezüglich
des Gradientenfeldes frequenzkodiert. Das erfasste Signal kann mittels
Fourier-Transformation analysiert werden, um ihren Ort (den Ort
der Spins) in der ausgewählten
Schicht auf Grund der Frequenzkodierung zu identifizieren.
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Letztendlich
wird der Phasenkodierungsgradient im Allgemeinen in einer Sequenz
vor dem Auslesegradienten und nach den Schichtselektionsgradienten
angewendet. Die Lokalisierung der Spins in dem gyromagnetischen
Material in der phasenkodierten Richtung wird mittels sequentiell
eingefügter Variationen
in Phase des präzedierenden
Protons des Materials erreicht, indem verschiedene Gradientenamplituden
verwendet werden, die sequentiell während der Datenaufnahme induziert
werden. Phasenvariationen sind so linear entlang des Betrachtungsfeldes
angelegt und eine räumliche
Position innerhalb der Schicht ist durch die Polarität und den Grad
der Phasendifferenz kodiert, die relativ zu einer Null-Position
kumuliert ist. Der Phasenkodierungsgradient erlaubt, dass unter
den Spins des Materials Phasendifferenzen erzeugt werden und zwar
gemäß ihrer
Position in der phasenkodierten Richtung.
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Wie
der Fachmann weiß,
kann man eine große
Zahl von Variationen für
die Pulssequenzen unter Einbeziehung der logischen Achsen wie oben
beschrieben entwickeln. Außerdem
können
die Anpassungen der Impulssequenzen erfolgen, um angemessen sowohl
die ausgewählte
Schicht als auch die Frequenz- und die Phasenkodierung zu orientieren, um
das gewünschte
Material anzuregen und resultierende MR Signale zur weiteren Verarbeitung
zu erfassen.
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Die
Spulen des Scanners 12 werden durch die Systembedien- und
Steuer-Schaltung 14 angesteuert, um ein gewünschtes
Magnetfeld und die Hochfrequenz-Impulse zu erzeugen. In der Diagrammdarstellung
von 1, enthält
deshalb die Bedien- und Steuer-Schaltung 14 eine Steuerschaltung 40 zur
Steuerung der Impulssequenzen, die während der Untersuchung verwendet
werden und zur Verarbeitung der empfangenen Signale. Die Steuerschaltung 40 kann
jede geeignete programmierbare Logikvorrichtung, wie eine CPU oder
ein digitaler Signalprozessor für
allgemeine Anwendungen oder ein anwendungsspezifischer Rechner sein.
Die Impulssequenzen und die Steuerbefehle oder das Programm können in
der Speicherschaltung 50 gespeichert werden, die jede geeignete
Speichervorrichtung wie eine selbstlöschende oder permanente Speichervorrichtung
sein kann.
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Das
Interface zwischen der Bedien- und Steuer-Schaltung 14 wird
mittels einer Gradientenverstärkung
und der Steuerschaltung 48, einer HF-Verstärkung und
der Steuerschaltung 34 und der HF-Detektorschaltung 36 durchgeführt. Die
Gradientenverstärkung
und die Steuerschaltung 48 beinhalten Verstärker für jede Gradientenfeldspule,
um den Treiberstrom als Antwort auf Steuersignale der Steuerschaltung 40 zu
den Feldspulen zu transportieren, wie im Detail weiter unten beschrieben
wird. Die HF-Verstärkung
und die Steuerschaltung 34 beinhalten eine Verstärkerschaltung
zum Treiben der Spule 28. In den Ausführungsformen, in denen die
HF-Spule sowohl als Sender des HF-Anregungspulses als auch zum Empfangen
der MR-Signale dient, wird die HF-Schaltung 34 typischerweise
einen Schalter aufweisen, um die HF-Spule zwischen einer aktiven (oder
Sende-) Betriebsart und einer passiven (oder Empfangs-) Betriebsart
umzuschalten. Eine Netzversorgung, die allgemein mit der Bezugsziffer 52 in 1 bezeichnet
ist, ist bereitgestellt um den Hauptmagneten 24 anzuregen.
Die Steuerschaltung 14 weist auch einen Digitalisierer 38 zur
Digitalisierung der Bild-Signale
auf, die vom HF-Detektor 36 empfangen wurden, um diese
mittels der Steuerschaltung 40 weiter zu verarbeiten.
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Die
Systembedien- und Steuer-Schaltung 14 kann mehrere Vorrichtungen
aufweisen, um die Schnittstelle zwischen einem Bediener oder Radiologen
und dem Scanner 12 zu vereinfachen. In der dargestellten
Ausführungsform
beispielsweise ist ein Benutzerinterface 16 in der Art
einer allgemein zu verwendenden Workstation oder eines anwendungsspezifischen
Computers geschaffen. Die Workstation kann typischerweise ebenfalls
Speicherschaltungen zum Speichern der Beschreibung der Untersuchungsimpulssequenzen,
der Untersuchungsprotokolle, von Benutzer- und Patientendaten, Bilddaten, sowohl
als Rohdaten als auch als verarbeitete Daten, aufweisen und so weiter.
Die Workstation kann ferner verschiedene Schnittstellen- und periphere
Treiber zum Empfangen von und zum Austausch der Daten mit lokalen
oder Remote-Einheiten beinhalten. In der dargestellten Ausführungsform
beinhaltet eine derartige Einheit eine konventionelle Computertastatur 54, eine
Ersatzeingabeeinheit wie eine Maus, einen Monitor 56 zum
Betrachten der Daten und aufgenommener Bilder und zum Vereinfachen
der Benutzerschnittstelle und eine Ausgabeeinheit, wie einen Drucker,
um einen Hardcopy-Ausdruck von Dokumenten und Bildern, die von den
aufgenommenen Daten konstruiert wurden, zu erzeugen. Zusätzlich kann
das System 10 verschiedene lokale und Remote-Bildeingänge und
Untersuchungskontrolleinheiten aufweisen, was allgemein durch die
Bezugsziffer 59 in 1 dargestellt
ist. Derartige Einheiten können Bildspeicher-
und Kommunikationssysteme, Teleradiosysteme und Ähnliches enthalten.
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Im
Allgemeinen werden die Impulssequenzen, die in dem MR-System implementiert
sind sowohl durch logische als auch durch physikalische Konfigurations-Sets
und Parametereinstellungen definiert, die innerhalb der Bedien-
und Steuer-Schaltung 14 gespeichert werden. 2 zeigt
als Diagramm die Beziehungen zwischen Funktionskomponenten der Bedien-
und -Steuer-Schaltung 14 und Konfigurationskomponenten,
die in der Speicherschaltung 50 gespeichert sind. Die Funktionskomponenten
erleichtern es, Koordinaten der Impulssequenzen voreingestellter
Einstellungen sowohl für
logische als auch für
physikalische Achsen des Systems anzupassen. Im Allgemeinen beinhalten
die Achsen der Steuermodule, die gemeinsam mit der Bezugsziffer 60 bezeichnet
sind, ein logisch-zu-physikalsch – Modul 62, welches
typischerweise mittels Softwareroutinen implementiert und mittels
der Steuerschaltung 40 ausgeführt wird. Insbesondere ist
das Konversionsmodul durch Steuerroutinen implementiert, die bestimmte
Impulssequenzen gemäß voreingestellter
Bildprotokolle definieren.
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Sobald
angesprochen, wird ein Code der das Konversions-Modul definiert,
sich in Beziehung zu den logischen Konfigurations-Sets 64 und
den physikalischen Konversions-Sets 65 setzen. Die logischen Konfigurations-Sets
können
Parameter für
die verschiedenen logischen Achsen beinhalten, die oben beschrieben
wurden, wie Impulsamplituden, Anfangszeiten, Zeitverzögerungen
und so weiter. Auf der anderen Seite werden die physikalischen Konfigurations-Sets
typischerweise Parameter beinhalten, die zu physikalischen Randbedingungen
des Scanners selbst gehören,
einschließlich
größter und kleinster
erlaubter Stromstärken,
Schaltzeiten, Verstärkung,
Skalierung und so weiter. Das Konversionsmodul 62 dient
dazu, die Impulssequenzen zum Betreiben der Spulen des Scanners 12 gemäß der Randbedingungen zu
erzeugen, die in diesen Konfigurations-Sets definiert sind. Das
Konversionsmodul wird ebenfalls dazu dienen, die angepassten Impulse für jede physikalische
Achse zu definieren, um Schichten genau auszurichten (beispielsweise
zu rotieren) und gyromagnetisches Material gemäß der gewünschten Drehung oder Neuorientierung
der physikalischen Achsen des Bildes zu kodieren.
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An
Hand eines Beispiels zeigt 3 eine typische
Impulssequenz, die auf einem System, wie das in 1 dargestellte,
implementiert werden kann und mittels Konfigurations- und Konversionskomponenten,
wie die in 2 gezeigten, angesprochen wird.
Während
viele verschiedene Impulssequenzdefinitionen je nach Typ der Untersuchung
implementiert werden können,
ist in dem Beispiel in 3 eine Impulsfrequenz einer
Gradientenabfrageerfassung in der Betriebsart des stationären Zustandes
(GRASS) durch eine Folge von Impulsen und Gradienten definiert,
die zueinander zeitlich angepasst sind. Die Impulssequenz, die allgemein
mit der Bezugsziffer 66 bezeichnet ist, ist so durch Impulse
auf einer logischen Schichtselektionsachse 68, einer Frequenzkodierungsachse 70 und
einer Phasenkodierungsachse 72, einer HF-Achse 74 und
einer Datenerfassungsachse 76 definiert. In der Impulsfolge,
die in 3 gezeigt ist, ist die physikalische z-Achse auf die
logische Schichtselektions-Achse 68 bezogen; die physikalische
x-Achse ist auf die logische Frequenzkodierungsachse 70 bezogen
und die physikalische y-Achse
ist auf die logische Phasenkodierungsachse 72 bezogen.
Es sollte jedoch so verstanden sein, dass für andere Impulssequenzbeschreibungen
und andere Arten der Untersuchungen die Beziehung zwischen den physikalischen
und den logischen Achsen unterschiedlich sein können.
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Im
Allgemeinen beginnt, wie in 3 gezeigt,
die Impulssequenzbeschreibung mit einem Paar von Gradientenimpulsen
auf der Schichtselektions-Achse 68, wie dies mit der Bezugsziffer 78 dargestellt
ist. Während
der ersten dieser Gradientenimpulse, wird ein HF-Impuls 80 erzeugt,
um das gyromagnetische Material im Objekt anzuregen. Dann werden
Phasenkodierungsimpulse 82 erzeugt, gefolgt von einem Frequenzkodierungsgradienten 84. Ein
Datenerfassungsfenster 86 dient dazu, Signale, die von
den Anregungsimpulsen, die phasen- und frequenzkodiert sind, zu detektieren.
Die Impulssequenzbeschreibung endet mit zusätzlichen Gradientenimpulsen
auf den Schichtselektions-, Frequenzkodierungs- und Phasenkodierungs-Achsen.
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Um
die Bildgebungsqualität
zu verbessern, beinhalten bestimmte MRI-Systeme Sets von Zwillingsspulen:
ein Set der Ganzkörperspulen
und ein Set der Ergänzungsspulen.
Das Set der Ganzkörperspulen
ist ähnlich
dem Set der Spulen in einem konventionellen Set der Einzelspulen-Systeme
und unterstützt
alle konventionellen Bildanwendungen. Das Set der Ergänzungsspulen
hat im Allgemeinen eine kürzere
Geometrie, die die Erzeugung von starken Gradientenfeldern ermöglicht ohne
unerwünschte periphere
Nervenstimulation zu verursachen. Das Set der Ergänzungsspulen
ist im Allgemeinen dazu geeignet die meisten anatomischen Teile
(beispielsweise Kopf, Wirbelsäule,
Knie, Unterleib (Abdomen)) abzubilden und hat eine schnelle Anstiegsgeschwindigkeit,
die ein optimales Luftanhalten und eine ultraschnelle Bildgebung
ermöglicht.
In den Zwillingsgradientenspulen-Systemen werden die zwei Sets von
Spulen zu unterschiedlichen Zeiten erregt. Um eine MR-Untersuchung durchzuführen, kann
somit ein erster Scan gemäß der Impulssequenzbeschreibung
durchgeführt
werden, indem das Set der Ganzkörperspulen
erregt wird, und dann ein zweiter Feinabstimmungs-Scan gemäß der Impulssequenzbeschreibung
durchgeführt
werden, indem das Set der Ergänzungsspulen
erregt wird. In einem derartigen System erzeugt die Bedien- und
Steuer-Schaltung 14 ein Steuersignal, um zu geeigneten
Zeiten während der
MR-Untersuchung die Gradientenverstärker zwischen dem Set der Ganzkörperspulen
und dem Set der Ergänzungsspulen
zu schalten.
-
Eine
derartige Konfiguration der Steuerschaltung ist in 4 gezeigt. 4 ist
eine schematische Darstellung einer Anzahl von Schalteranordnungen 90,
die in die Gradientenverstärkung
und die Steuerschaltung 48 einbezogen sind und mittels
derer die Steuerschaltung 40 gesteuert wird, um selektiv
Leitungspfade bereitzustellen, um die Gradientenspulen entweder
des ersten Sets der Gradientenspulen 92 (beispielsweise
das Set der Ganzkörperspulen)
oder eines zweiten Sets der Gradientenspulen 94 (beispielsweise
das Set der Ergänzungsspulen) nach
einer Impulssequenzbeschreibung bspw. gemäß der in 3 dargestellten
Impulssequenz 66 zu erregen.
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Wie
in 4 gezeigt, beinhalten die Gradientenverstärkung und
die Steuerschaltung 48 einen Verstärker 96, um wahlweise
entweder die Gradientenspule 41 oder 42 zu erregen,
einen Verstärker 98, um
wahlweise die Gradientenspule 43 oder 44 zu erregen
und einen Verstärker 100,
um wahlweise die Gradientenspule 45 oder 46 zu
erregen. Die Verstärker 96, 98 und 100 erhalten
als ein Eingangssignal die Impulssequenzbeschreibung 66,
wie sie in der Steuerschaltung 40 erzeugt wird. Die Verstärker 96, 98 und 100 verstärken die
Leistung der Gradientenimpulse der Impulssequenzbeschreibung auf
ein angepasstes Niveau zum Erregen der Gradientenspulen (beispielsweise
ungefähr
100–300
Ampere). Beispielsweise, wie exemplarisch am Ausführungsbeispiel
gezeigt, erhält
der Verstärker 96 als
ein Eingangssignal den Schichtselektionsgradienten 78 (beispielsweise
Gz) und verstärkt
die Leistung der Impulse und erregt eine der y-Achsen-Gradientenspulen 43 oder 44,
wie durch den leitenden Zustand der jeweiligen Schalteranordnungen 90 bestimmt
ist. Ähnlich
erhält
der Verstärker 100 den
Frequenzkodierungsgradienten 70 (Gx) und verstärkt die
Leistung der Impulse, um eine der x-Achsen-Gradientenspulen 45 oder 46 zu
erregen, wie durch den leitenden Zustand der jeweiligen Schalteranordnungen 90 bestimmt
ist.
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Die
leitenden Zustände
der Schalteranordnungen 90 sind abhängig von Steuersignalen, die diese
von der Steuerschaltung 40 erhalten. Deshalb kann beispielsweise
die Steuerschaltung 40 ein Steuersignal bereitstellen,
das die geeigneten Schalteranordnungen 90 in leitende Zustände versetzt,
um einen Scan unter Verwendung des Sets der Ganzkörperspulen 92 durchzuführen. Um
den Scan des Sets der Ganzkörperspulen
zu komplettieren, kann eine Steuerschaltung 40 ein Steuersignal
bereitstellen das die angepasste Schalteranordnungen 90 in
den leitenden Zustand bringt, um einen zweiten Scan unter Verwendung
des Ergänzungsspulen 94 durchzuführen. Die
Steuersignale können
beispielsweise mittels eines Softwaresteuer-Programms, das in der Speicher-Schaltung 50 gespeichert
ist, mittels der Steuerschaltung 40 in Reaktion auf eine
Befehlseingabe eines Benutzers über
die Schnittstelle 16 erzeugt werden.
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Die
Schalteranordnungen 90 können mehrere Typen elektronischer
Schaltervorrichtungen beinhalten, die in einer Zahl von unterschiedlichen
Topologien konfigurieret sind. Eine Topologie einer beispielhaften
Schalteranordnung 90 ist als Blockbild in 5 dargestellt.
Die Schalteranordnung 90 verbindet einen Treiber 101 (beispielsweise
Verstärker 96) mit
einer Last 103 (beispielsweise einer Gradientenspule 42).
Der leitende Zustand der Schalteranordnung 90 wird mittels
der Steuerschaltung 105 (beispielsweise Steuerschaltung 40)
gesteuert. Die Schalteranordnung 90 beinhaltet ein Schalterelement 102,
das, sobald dieses durch die Steuerschaltung 40 aktiviert
wird, von leitende in nichtleitende Zustände übergeht, um einen stromführenden
Pfad zwischen dem Treiber 101 und der Last 103 zu
schaffen. In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet die Schalteranordnung 90 außerdem eine
Steuerschaltung, um den Strom zwischen dem Treiber 101 und
der Last 103 zu steuern, falls das Schalterelement 102 den
Strom nicht mehr in einer linearen oder nichtunterbrochenen Art
und Weise leitet. Deshalb sichert in Anwendungsfällen, in denen lineare Stromleitung
von Wichtigkeit ist, das Schalterelement 104, dass für die gesamte
Dauer jedes Stromflusses ein stromleitender Pfad zwischen dem Treiber 101 und der
Last 103 unabhängig
von der Größe des Stromes bereitgestellt
wird. Die Einbeziehung des Schalterelementes 104 erlaubt
vorteilhafterweise, dass viele verschiedene Typen von Schalterelementen 102,
wie Transistoren, Dioden etc. verwendet werden können.
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In
einer Ausführungsform
ist Beispielsweise das Schalterelement 102 ein Thyristor
(beispielsweise ein gesteuerter Gleichrichter SCR), der im Allgemeinen
nicht durch einen linearen leitenden Zustand charakterisiert ist.
Vielmehr ist der leitende Zustand eines Thyristors abhängig von
der Höhe
des Stromes der durch den Thyristor fließt. Demzufolge, auch wenn der
leitenden Zustand des Thyristors aktiviert ist, kann der Thyristor
den Strom nicht leiten wenn die Amplitude des Stromes unterhalb
eines unteren Schwellenwertes IHalte ist.
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Um
einen leitenden Zustand zu erhalten, verlangt ein Thyristor, der
in der Lage ist, Ströme
von ungefähr
100–300
Ampere zu leiten, typischerweise einen Haltestrom größer als
einen Schwellenwert IHalte, der ungefähr 100–300 Milliampere
beträgt.
Deshalb, da der Strom zwischen positiven und negativen Amplituden
wechselt oder sich Werten nahe Null nähert, kann der Stromfluss durch
das Schalterelement 102 unterbrochen werden.
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In
MR-Bildgebungs-Systemen, ist es wünschenswert, eine lineare Leitung
des Gradientenstromes zwischen dem Gradientenverstärker und
den Gradientenspulen aufrechtzuerhalten. Ein Versagen beim Erregen
der Gradientenspulen derart, dass diese eng bei der Impulssequenzbeschreibung
liegt kann zu schlechter Bildgebungsqualität führen. Die nachteiligen Effekte
auf die Bildgebungsqualität
können
beispielsweise zu einem Verlust an räumlicher Auflösung, geometrischen
Störungen
in dem erfassten Bild oder zu Bildern, die nicht zufriedenstellend reproduziert
werden können,
führen.
Folglich sollte die Schalteranordnung in einem MR-System in der Lage
sein, Gradientenströme
linear zwischen positiven und negativen Werten und beinahe Null
Werten zu leiten.
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Eine
beispielhafte Ausführungsform
der Erfindung, in der eine lineare Stromleitung durch die Schalteranordnung 90 erbracht
wird, ist in 6 schematisch dargestellt. Die
Anordnung 90 beinhaltet ein Schalterelement 102,
das einen Thyristor 106 aufweist, der zu einem Thyristor 108 antiparallel
geschaltet ist. Für
die dargestellte spezifische MRI Anwendung sind die Thyristoren 106 und 108 Leistungskomponenten,
die für
150 A, 1600 V ausgelegt sind und in einer Ein-Gehäuse-Ausführung (single packaging)
(beispielsweise Artikelnummer SKKT250/16E, erhältlich von Semikron International, Nürnberg,
Deutschland) erhältlich
sind. Der Thyristor 106 ist dazu ausgelegt, den positiven
Anteil des Gradientenstromes zu leiten, während der Thyristor 108 dazu
ausgelegt ist, den negativen Anteil des Gradientenstromes zwischen
dem Gradientenverstärker
und der Gradientenspule zu leiten. Die leitenden Zustände der
Thyristoren 106 und 108 werden durch ein Einschaltsignal
aktiviert, welches jeweils an ihre Gates 110 und 108 angelegt
und durch die Steuerschaltung 40 erzeugt wird. In der in 6 dargestellten,
beispielhaften Ausführungsform
werden Einschaltsignale, die mittels der Steuerschaltung 40 erzeugt
werden, an die Schalteranordnung 90 angelegt, wobei die
Schalteranordnung 90 geeignete elektronische Komponenten
beinhalten kann, um die Freigabesignale zur Anwendung der verschiedene Komponenten
in der Anordnung 90 zu beeinflussen.
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Beispielsweise
beinhaltet das steuernde Schalterelement 104 der Schalteranordnung 90 ein Paar
bipolarer Transistoren 114 und 116 mit isoliertem
Gate (IGBT) (beispielsweise Artikelnummer IXBH9N160, erhältlich von
IXYS Corp. Aus Santa Clara, Kalifornien), die jeweils mit den Gates 110 und 112 der
Thyristoren 106 und 108 verbunden sind. Die Anlage
konditionierter Einschaltsignale an die Gates 118 und 120 der
Transistoren 114 und 116, wobei die Einschaltsignale
mittels der Steuerschaltung 40 erzeugt werden, führt bei
der in Durchlassrichtung vorgespannten Gate-Emitter-Strecke zu einer
Freigabe des leitenden Zustandes der Thyristoren 106 und 108.
Um beispielsweise den Gradientenverstärker 96 mit der Gradientenspule 42 zu
verbinden, erzeugt die Steuerschaltung 40 deshalb ein Einschaltsignal,
das an die Gates 118 und 120 der Transistoren 114 und 116 des
steuernden Schalterelements 104 der jeweiligen Schalteranordnung 90 angelegt
wird. Um den Gradientenverstärker 96 von
der Gradientenspule 42 zu trennen, unterdrückt die
Steuerschaltung 40 das Einschaltsignal. Ähnlich erzeugt
die Steuerschaltung 40 ein Einschaltsignal welches an die
Schalteranordnung 90 angelegt wird, um den Gradientenverstärker 96 mit
der Gradientenspule 41 des Sets der Ganzkörperspulen 92 zu
verbinden. Dementsprechend sind die Thyristoren in einem Zustand
in dem positive und negative Ströme
zwischen dem Gradientenverstärker
und den Gradientenspulen geleitet werden können, sobald ein Einschaltsignal
erzeugt wird.
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Eine
beispielhafte Wellen- oder Signalform des Gradientenstroms, der
zwischen einem Gradientenverstärker
und einer Gradientenspule fließt,
ist in 7 graphisch dargestellt. In der Darstellung von 7 zeigt
die vertikale Achse die Größe des Stromes
und die horizontale Achse die Zeit. Die in 7 gezeigte
Gradientenkurvenform 122 bezieht sich auf den Schichtselektionsgradienten 78 (Gz) der in 3 gezeigt
ist. Die Gradientenkurvenform 122 beinhaltet einen ersten
positiven Impuls 124 der in einen negativen Impuls 126 übergeht.
Die Gradientenkurvenform 122 beinhaltet ferner einen zweiten
positiven Impuls 128, der zwischen einer Amplitude, die
im Wesentlichen Null ist, und einer positiven Amplitude wechselt.
Substantielle Anteile der Impulse 124 und 128 fließen zwischen
dem Gradientenverstärker
und der Gradientenspule durch den Thyristor 106.
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Ähnlich fließt ein substantieller
Teil der Stromimpulse 126 zwischen der Gradientenspule
und dem Gradientenverstärker
durch den Thyristor 108. Ein Bereich 130, der
durch die gestrichelte Linie in 7 dargestellt
ist, ist repräsentativ
für den
Bereich in dem der Gradientenstrom von einer positiven Größe, durch
Null in eine negative Amplitude übergeht. Ein
Bereich 132, der durch ein zweites Set von gestrichelten
Linien in 7 dargestellt ist, zeigt den
Bereich in dem der Stromimpuls 128 von einer positiven Größe in einen
Wert nahe Null übergeht.
Die Beziehung zwischen der Stromkurvenform 122 in den Bereiche 130 und 132 und
anderen Strom- und Spannungssignalen in der Schalteranordnung 90 sind
in den Graphen von 8 und 9 dargestellt.
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Es
wird sich jetzt auf 8 bezogen, in der eine graphische
Darstellung der Ströme
und der Spannungen an verschiedenen Punkten in der Schalteranordnung 90,
bei der Bereichen 130 der Stromkurvenform 122 gezeigt
sind. Die vertikale Achse 134 in 8 bezeichnet
die Amplitude entweder des Stromes oder der Spannung, und die horizontale Achse 136 bezeichnet
die Zeit. Die obere Kurvenform 135 bezeichnet den Strom
der mittels des Gradientenverstärkers 96 bereitgestellt
wird. Die Gradientenstromübergänge von
einer positiven Größe von ungefähr etwa
250 Ampere zu einer negativen Amplitude von ungefähr 250 Ampere
haben einen Nulldurchgang an dem Punkt der allgemein mit der Bezugsziffer 138 bezeichnet
ist. Die Punkte, die allgemein mit 150 und 151 bezeichnet
sind, beschrieben das Niveau bei dem der Strom 135 durch
den Haltestrom-Schwellenwert des Thyristors (beispielsweise 100–300 Milliampere)
fließt.
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Die
nächste,
allgemein mit der Bezugsziffer 140 bezeichnete Kurvenform
in 8 ist repräsentativ
für die
Spannung am Knotenpunkt 142 des Schalterelements 102 von 6,
welches relativ zu der Spannung am Knotenpunkt 144 gemessen
wird. In dem Bereich, der allgemein mit den Bezugsziffern 146 und 148 bezeichnet
wird, ist das Spannungsniveau repräsentativ für die Spannung über einem
Thyristor, falls der Thyristor Strom leitet (beispielsweise 0.5–1.0 Volt).
In dem Bereich, der allgemein mit den Bezugsziffern 147 und 149 bezeichnet
wird, ist das Spannungsniveau repräsentativ für die Spannung, die gebraucht
wird, um das steuernde Schaltelement 104 in einen leitenden
Zustand zu bringen (beispielsweise ungefähr 4 Volt).
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Die
nächste,
allgemein mit der Bezugsziffer 152 bezeichnete Kurvenform
ist repräsentativ
für den Bereich
des Gradientenstroms 135, der durch das Schaltelement 102 von 6 fließt. Ein
erster Bereich 156 der Kurvenform 51 ist repräsentativ
für den Strom
der durch den Thyristor 106 fließt und ein zweiter Bereich 158 der
Kurvenform 152 ist repräsentativ für den Storm
der durch den Thyristor 108 fließt.
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Die
nächste,
allgemein mit der Bezugsziffer 160 bezeichnete Kurvenform
ist repräsentativ
für den Stromfluss
durch das steuernde Schaltelement 104. Ein erster Bereich 162 dieses
Stromes fließt
durch den Thyristor 114 in das in 6 gezeigte
steuernde Schaltelement 104, und ein zweiter Bereich 164 fließt durch
den Transistor 116 des Schaltelements 104.
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Die
untere, allgemein mit der Ziffer 166 bezeichnete Kurvenform
repräsentiert
den Gradientenstrom, der die Gradientenspule 42 erregt.
Die Stromkurvenform 166 passt allgemein den Strom 135,
der vom Verstärker 96 bereitgestellt
wird, an und zeigt so die lineare Leitung des Stromes durch die
Schalteranordnung 90. Folglich wird der gesamte Gradientenstrom,
der vom Verstärker 96 geliefert
wird, im Wesentlichen zwischen dem Verstärker 96 und der Gradientenspule 42 geleitet.
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9 zeigt
eine graphische Darstellung der Ströme und Spannungen, die an denselben
Punkten wie in 8 in der Schalteranordnung 96 gemessen werden.
Jedoch zeigt 9 diese Ströme und Spannungen in dem Bereich 132 der
Stromkurvenform 122, die in 7 gezeigt
ist.
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Die
obere, allgemein mit der Ziffer 168 bezeichnete Kurvenform
ist repräsentativ
für den Strom,
der von dem Verstärker
erzeugt wird. Der Strom 168 geht von einer positiven Größe durch
die Schwelle 170, die repräsentativ für die Größe des Haltestroms des Thyristors
ist, auf einen Wert Null (oder mit sehr kleiner Amplitude), der
mit der Ziffer 172 bezeichnet ist.
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Die
nächste,
allgemein mit der Ziffer 174 bezeichnete Kurvenform ist
repräsentativ
für die
Spannung die zwischen den Knotenpunkten 142 und 144 des
Schaltelementes 102 von 6 gemessen
wird. Der Anteil der Spannungskurvenform 174, der mit der Ziffer 175 bezeichnet
ist, ist repräsentativ
für die Spannung über den
Thyristor 106, falls der Thyristor 106 in einem
leitenden Zustand ist. Der allgemein mit der Ziffer 176 bezeichnete
Anteil der Spannungskurvenform 174 ist repräsentativ
für die
Spannung zwischen den Knotenpunkten 142 und 144,
falls das steuernde Schaltelement 104 in einem leitenden
Zustand ist.
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Die
nächste,
allgemein mit der Ziffer 177 bezeichnete Kurvenform ist
repräsentativ
für den
Anteil des Verstärkerstromes 168,
der durch den Thyristor 106 fließt. Die folgende, allgemein
mit der Ziffer 178 bezeichnete Kurvenform ist repräsentativ
für den
Anteil des Verstärkerstromes 168,
der durch das steuernde Schaltelement 104 und insbesondere
durch den Thyristor 114 fließt.
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Schließlich ist
die letzte, allgemein mit der Ziffer 179 bezeichnete Kurvenform
repräsentativ
für den
Gradientenstrom in der Spule 42. Wiederum als ein Ergebnis
der Kombination des steuernden Schaltelements 104 mit dem
Schaltelement 102 wird der gesamte Gradientenstrom, der
durch den Gradientenverstärker 86 erzeugte
wird einschließlich
des durch den Bereich 132 erzeugte Stromes, im Wesentlichen
zwischen dem Verstärker 96 und
der Gradientenspule 42 geleitet.
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Die
lineare Leitung des in den 8 und 9 dargestellten
Gradientenstromes zwischen dem Gradientenverstärker 96 und der Gradientenspule 42 wird
jetzt in Bezug auf die spezifischen Ausführungsformen der Schalteranordnung 90 von 6 erläutert. Wie
gezeigt, beinhaltet das steuernde Schaltelement 104 einen
Widerstand 180 (beispielsweise 6.8 Ohm, 2.5 W), Dioden 182 und 184 (beispielsweise
Teilenummer DSA1-18D, erhältlich von
der IXYS Corp. Aus Santa Clara, Kalifornien), Transistoren 114 und
einen Widerstand 186 (beispielsweise 10 Ohm, 2.5 W), die
in Serie miteinander verbunden sind. Die Reihenschaltung dieser
Komponenten ist parallel mit dem Thyristor 106 verbunden. Dementsprechend,
abhängig
von den leitenden Zuständen
entweder des Thyristors 106 oder des Transistor 114,
kann ein stromführender
Pfad zwischen dem Gradientenverstärker und der Gradientenspule erzeugt
werden. Wie oben festgestellt, ist der Transistor 114 derart
eingerichtet, dass sein Gate 118 ein Einschaltsignal von
der Steuerschaltung 40 erhält, das ausreichend ist eine
Durchlassvorspannung an die Gate-Emitter-Strecke des Transistors 114 anzulegen,
so dass das Gate 110 des Thyristors 106, der mit
dem Emitter des Transistors 114 verbunden ist, aktiviert
wird. Demzufolge kann der Thyristor 106 Strom zwischen
dem Verstärker 96 und
der Spule 42 leiten, vorausgesetzt die Größe des Gradientenstromes
liegt oberhalb des Schwellenhaltestromes des Thyristors. Außerdem wird
durch das Anlegen der Durchlassvorspannung der Gate-Emitter-Strecke des
Transistors 114 der Transitor 114 jedes Mal, wenn
die Spannung an seinem Kollektor ausreichend hoch ist, freigegeben,
um einen leitenden Zustand anzunehmen.
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Falls
der Thyristor 106 durchgeschaltet und in einem leitenden
Zustand ist, beträgt
die Spannung zwischen den Knotenpunkten 142 und 144 ungefähr 0.5 bis
1.0 Volt, was nicht ausreichend ist, um den Transistor 114 in
einen leitenden Zustand zu versetzen. Sobald der Gradientenstrom
jedoch durch den Thyristor 106 unterhalb der Haltestromschwelle
fällt, ist
der Thyristor 106 in einem nichtleitenden Zustand und so
kann die Spannung zwischen den Knotenpunkten 142 und 144 steigen.
Falls die Spannung zwischen den Knotenpunkten 142 und 144 ein
ausreichendes Niveau erreicht hat, um den Transitor 114 in
einen leitenden Zustand zu versetzten, wird der Gradientenstrom
zwischen dem Gradientenverstärker
und der Gradientenspule durch den Transistor 114 gesteuert.
In einer spezifischen, in 6 dargestellten
Ausführungsform
ist diese Bedingung erreicht, wenn die Spannung zwischen den Knotenpunkten 142 und 144 ungefähr 4 Volt
beträgt.
Es ist jedoch so zu verstehen, dass in anderen Ausführungsformen
der Erfindung das Spannungsniveau verschieden sein kann und von
der spezifischen Anordnung und den Werten der in dem steuernden Schaltelement 104 verwendeten
Komponenten abhängig
ist, was für
diejenigen mit durchschnittlichen Kenntnissen indem Fachgebiet leicht
verständlich
ist.
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Das
steuernde Schaltelement 104 beinhaltet ferner einen Widerstand 188 (beispielsweise
6.8 Ohm, 2.5 W), Dioden 190 und 192 (beispielsweise DSA1-18D),
einen Transistor 116 und einen Transistor 194 (beispielsweise
10 Ohm, 2.5 W), die in Reihe miteinander verbunden sind. Die Reihenschaltung dieser
Komponenten ist parallel mit dem Thyristor 108 oder dem
Transistor 116 derart verbunden, dass abhängig von
dem leitenden Zustand entweder des Thyristors 108 oder
des Transistors 116 ein Strom leitender Pfad zwischen dem
Gradientenverstärker
und der Gradientenspule ausgebildet werden kann. Wie bei dem Transistor 114,
ist der Transistor 116 derart konfiguriert, dass sein Gate 120 ein
Freigabesignal von der Steuerschaltung 40 erhält, das
ausreichend ist, die Gate-Emitter-Strecke
des Transistors 116 in Durchlassrichtung vorzuspannen,
und das Gate 112 des Thyristors 108 aktiviert
wird. Demzufolge ist der Thyristor 108 in der Lage, den.
Gradientenstrom so lange zu leiten, wie das Freigabesignal an dem
Gate 120 des Transistors 116 anliegt und die Amplitude des
Gradientenstroms auf einem ausreichenden Niveaus (beispielsweise
größer als
der Haltestrom des Thyristors 108) ist. Falls die Amplitude
des Gradientenstroms unterhalb des erforderlichen Haltestromniveaus
ist, kann der Thyristor 108 nicht länger im leitenden Zustand verbleiben.
Demzufolge, da der Thyristor 108 im nicht leitenden Zustand
ist, wird die Spannung zwischen den Knotenpunkten 142 und 144 ansteigen,
bis sie ein Niveau erreicht hat, das ausreichend ist, den Transistor 116 in
einen leitenden Zustand zu versetzten (beispielsweise 4 Volt).
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Wie
in 6 gezeigt, beinhaltet die Schalteranordnung 90 ebenfalls
einen Widerstand 196 (beispielsweise 2.2 kΩ, 2.5 W),
eine Diode (beispielsweise DSA1-18D, 1800 V) und einen Kondensator 200 (beispielsweise
1 nF, 2000 V), die mit dem Thyristor 106 verbunden sind,
um alle Spannungsspitzen zu glätten,
die erzeugt werden können
wenn der Thyristor 106 von leitenden in nicht leitende
Zustände übergeht. Ähnlich beinhaltet
die Schalteranordnung 90 einen Widerstand 202 (beispielsweise
2.2 kΩ,
2.5 W), eine Diode (beispielsweise DSA1-18D, 1800 V) und einen Kondensator 206 (beispielsweise
1 nF, 2000 V), die mit dem Thyristor 108 verbunden sind
um Spannungsspitzen abzufangen, die erzeugt werden wenn de Thyristor 108 zwischen
leitenden und nicht leitenden Zuständen geschaltet wird.
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Es
sollte klar sein, dass die spezifische in 6 gezeigte
Ausführungsform
der Schalteranordnung 90 nur beispielhaft ist und nicht
beabsichtigt den Umfang der Erfindung einzuschränken. Wie von denjenigen mit
Kenntnis auf dem Fachgebiet leicht zu erkennen ist, kann die Topologie
der unterschiedlichen Komponenten der Schalteranordnung 90 viele Formen
annehmen, um einen Stromfluss zu gewährleisten der im Wesentlichen
linear ist. Ferner kann die Schalteranordnung 90 verschiedene
andere Komponenten beinhalten, die ergänzende Funktionen haben. Beispielweise
kann die Schalteranordnung 90 verschiedene Komponenten
beinhalten, um die Gate-Emitter-Strecke der Transistoren 114 und 116 zu
schützen,
und durchbrennen um das steuernde Schaltelement 104 von Überlastbedingungen
und Einzelversagensbedingungen zu schützen. Ferner kann die Schalteranordnung 90 Komponenten
beinhalten, die die leitenden Zustände der Thyristoren 106 und 108 überwachen
und den Status und andere Diagnosefunktionen an die Steuerschaltung 40 berichten.
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Nochmals
bezugnehmend auf das steuernde Schaltelement 104, sollte
es wünschenswert
sein, dass die Größe des Stromes,
der durch den Widerstand 180, die Diode 182, den
Transistor 114 und den Widerstand 186 fließt, in der
Größenordnung
von einigen hundert Milliampere ist. Ähnlich hat der Strom, der durch
den Widerstand 188, die Diode 190, die Diode 192,
den Transistor 116 und den Widerstand 194 fließt, die
Größe von nur
einigen hundert Milliampere. Dementsprechend müssen die Komponenten, die das
steuernde Schaltelement 104 aufweist, keine Leistungskomponenten
sein, da die in dem steuernden Schaltelement 104 verbrauchte
Leistung ein relativ niedriges Niveau hat. So kann das steuernde Schaltelement 104 leicht
in einer kompakten Fläche angeordnet
werden. Tatsächlich
ist es gewünscht, dass
das steuernde Schaltelement 104 und die Schutzschaltung
in demselben physikalischen Gehäuse
wie die Thyristoren 106 und 108 angeordnet werden,
so dass die Schalteranordnung 90 in jeder Art Anwendung
verwendet werden kann, in der eine lineare Leitung des Stromes erforderlich
ist.