RU2575050C2 - State of space controller with feedback in area of digital data for source of power supply of gradient coil for magnet-resonance imaging - Google Patents

State of space controller with feedback in area of digital data for source of power supply of gradient coil for magnet-resonance imaging Download PDF

Info

Publication number
RU2575050C2
RU2575050C2 RU2013133825/28A RU2013133825A RU2575050C2 RU 2575050 C2 RU2575050 C2 RU 2575050C2 RU 2013133825/28 A RU2013133825/28 A RU 2013133825/28A RU 2013133825 A RU2013133825 A RU 2013133825A RU 2575050 C2 RU2575050 C2 RU 2575050C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gradient
digital
gradient coil
controller
output value
Prior art date
Application number
RU2013133825/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013133825A (en
Inventor
Томас ШЕЛЬ
Кристиан ХАТТРУП
Original Assignee
Конинклейке Филипс Электроникс Н.В.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. filed Critical Конинклейке Филипс Электроникс Н.В.
Priority claimed from PCT/IB2011/055700 external-priority patent/WO2012085777A1/en
Publication of RU2013133825A publication Critical patent/RU2013133825A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2575050C2 publication Critical patent/RU2575050C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: invention relates to a state of space controller with a feedback. The method of operation of a system of magnet-resonance imaging (MRI) with a gradient magnet for the generation of gradient magnetic fields by means of excitation of currents of a gradient coil in gradient coils of the system with the gradient magnet, besides, currents of the gradient coil are controlled with the help of a controller, which is implemented in the form of a state of space controller with a feedback in the field of digital data and which generates a digital output value, with the help of which they generate width-pulse-modulated voltage to excite currents of the gradient coil via the gradient coils with a preset wave form, besides, the control deviation is integrated, which is generated in the form of a difference between the current of the gradient coil and the reference current, the digital outlet value (u) is generated by the integrated control deviation, and the digital outlet value (u) is sent back and delayed at least by one, two and three cycles of synchronisation, and then distract from the digital outlet value (u).
EFFECT: increased quality of imaging in the MRI system.
4 cl, 9 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Изобретение относится к способу и к системе цифрового усилителя для работы системы с градиентным магнитом для MRI (магнитно-резонансной визуализации) для генерации градиентных магнитных полей, в частности для пространственного кодирования сигналов релаксации MR (магнитного резонанса).The invention relates to a method and a digital amplifier system for operating a gradient magnet system for MRI (magnetic resonance imaging) for generating gradient magnetic fields, in particular for spatial coding of MR relaxation signals (magnetic resonance).

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

В системе MRI или MR сканере исследуемый объект, обычно пациент, подвергают воздействию равномерного основного магнитного поля (поля B0) для того, чтобы магнитные моменты ядер внутри исследуемого объекта стремились вращаться вокруг оси приложенного поля B0 (прецессия Лармора) с определенной результирующей намагниченностью всех ядер, параллельной полю B0. Скорость прецессии называют ларморовой частотой, которая зависит от конкретных физических характеристик вовлеченных ядер, а именно их гиромагнитного отношения, и напряженности приложенного поля B0. Гиромагнитное отношение представляет собой отношение между магнитным моментом и спином ядра.In an MRI or MR scanner, the object under investigation, usually the patient, is exposed to a uniform main magnetic field (field B 0 ) so that the magnetic moments of the nuclei inside the object under investigation tend to rotate around the axis of the applied field B 0 (Larmor precession) with a certain resulting magnetization of all nuclei parallel to the field B 0 . The precession rate is called the Larmor frequency, which depends on the specific physical characteristics of the involved nuclei, namely their gyromagnetic ratio and the applied field strength B 0 . The gyromagnetic ratio is the ratio between the magnetic moment and the spin of the nucleus.

Передавая радиочастотный (RF) возбуждающий импульс (поле B1), который является ортогональным к полю B0, которое генерирует RF передающая антенна, и при совпадении ларморовой частоты ядер, представляющих интерес, происходит возбуждение спинов ядер и согласование по фазе, а отклонение их результирующей намагниченности от направления поля B0 получают для того, чтобы генерировать поперечный компонент в зависимости от продольного компонента результирующей намагниченности. By transmitting a radio frequency (RF) exciting pulse (field B 1 ), which is orthogonal to the field B 0 , which the RF transmitting antenna generates, and when the Larmor frequency of the nuclei of interest coincides, the nuclear spins are excited and phase matched, and their resultant deviation magnetization from the direction of the field B 0 is obtained in order to generate a transverse component depending on the longitudinal component of the resulting magnetization.

После завершения RF возбуждающего импульса начинаются процессы релаксации продольных и поперечных компонентов результирующей намагниченности, пока результирующая намагниченность не вернется к своему равновесному состоянию. MR сигналы релаксации, испускание которых происходит посредством процесса поперечной релаксации, обнаруживают посредством MR/RF принимающей антенны. After the completion of the RF excitation pulse, relaxation processes of the longitudinal and transverse components of the resulting magnetization begin until the resulting magnetization returns to its equilibrium state. MR relaxation signals that are emitted by the transverse relaxation process are detected by the MR / RF receiving antenna.

Осуществляют преобразование Фурье принимаемых MR сигналов релаксации, которые представляют собой амплитудные сигналы во времени, в сигналы MR спектра, основанные на частоте, и обработку для генерации MR изображения ядер, представляющих интерес, внутри исследуемого объекта. Для того, чтобы добиться пространственного выбора среза или объема внутри исследуемого объекта и пространственного кодирования принимаемых MR сигналов релаксации, исходящих из среза или объема, представляющего интерес, на поле B0 накладывают градиентные магнитные поля, которые имеют то же направление, что и поле B0, но имеют градиенты в ортогональных направлениях x, y и z. В связи с тем фактом, что ларморова частота зависит от напряженности магнитного поля, которое накладывают на ядра, ларморова частота ядер соответственно снижается сонаправленно с убывающим градиентом (и наоборот) общего поля B0, полученного в результате суперпозиции, так что посредством соответствующей регулировки частоты передаваемого RF возбуждающего импульса (и посредством соответствующей регулировки резонансной частоты MR/RF принимающей антенны) и посредством соответствующего управления градиентными магнитными полями можно добиваться выбора ядер внутри среза в определенном местоположении вдоль каждого градиента в направлении x, y и z и, посредством этого, в целом, внутри определенного вокселя объекта. The Fourier transform of the received MR relaxation signals, which are amplitude signals in time, into frequency-based MR spectrum signals and processing to generate MR images of the nuclei of interest inside the object under study are carried out. In order to achieve spatial selection of the slice or volume inside the object under study and spatial coding of the received MR relaxation signals originating from the slice or volume of interest, gradient magnetic fields are applied to the field B 0 , which have the same direction as the field B 0 but have gradients in the orthogonal directions x, y and z. Due to the fact that the Larmor frequency depends on the magnetic field strength that is superimposed on the nuclei, the Larmor frequency of the nuclei correspondingly decreases along with the decreasing gradient (and vice versa) of the general field B 0 obtained as a result of superposition, so that by appropriate adjustment of the transmitted frequency RF of the exciting pulse (and by appropriate adjustment of the resonant frequency MR / RF of the receiving antenna) and by appropriate control of the gradient magnetic fields can be achieved selection of nuclei within a slice at a specific location along each gradient in the x, y, and z direction, and thereby, generally, within a specific voxel of an object.

Для генерации градиентных магнитных полей предоставлена система с градиентным магнитом, которая содержит множество градиентных магнитов в форме катушек (градиентных катушек), которая типично работает с помощью системы градиентного усилителя для генерации электрического тока для питания градиентных катушек. Обычно такие токи градиентных катушек имеют определенную форму волны, которую система градиентного усилителя должна создавать очень точно. Форма волны представляет собой, например, трапециевидный импульс с длительностью импульса, например, приблизительно 40 мс, временем подъема и спада импульсов, например, приблизительно 0,2 мс каждое и амплитудой порядка от нескольких сотен и вплоть до приблизительно 1000 A. Эти токовые импульсы следует точно контролировать с отклонением только несколько мА или менее для того, чтобы обеспечить генерацию MRI изображений с высоким качеством и высокими пространственным разрешением и точностью. To generate gradient magnetic fields, a gradient magnet system is provided that contains a plurality of gradient magnets in the form of coils (gradient coils), which typically operates using a gradient amplifier system to generate an electric current to power the gradient coils. Typically, such gradient coil currents have a specific waveform that the gradient amplifier system must produce very accurately. The waveform is, for example, a trapezoidal pulse with a pulse duration of, for example, approximately 40 ms, a rise and fall time of pulses, for example, approximately 0.2 ms each, and an amplitude of the order of several hundred and up to approximately 1000 A. These current pulses follow precisely control with a deviation of only a few mA or less in order to ensure the generation of MRI images with high quality and high spatial resolution and accuracy.

В WO 2010/004492 раскрыт цифровой усилитель с управлением с прямой и обратной связью для генерации и управления электрической выходной мощностью для работы такой системы с градиентным магнитом. В основном, такой цифровой усилитель содержит вход для приема цифрового входного сигнала, представляющего желаемую форму токовой кривой аналогового выходного сигнала усилителя, посредством этого аналогового выходного сигнала приводят в действие систему с градиентным магнитом. Усилитель содержит контроллер с прямой и обратной связью для того, чтобы определять и компенсировать сигнал ошибки между входным сигналом и выходным сигналом. Контроллер с прямой связью считывает входной сигнал и прогнозирует выходной сигнал как можно точнее, основываясь на модели системы. Затем прогнозируемый выходной сигнал вычитают в области аналоговых данных из измеряемого аналогового выходного сигнала, и получаемый аналоговый силовой дифференциальный ток превращают в область цифровых данных для предоставления сигнала обратной связи, который затем комбинируют с сигналом прямой связи. В результате, получают цифровое представление определяемого выходного сигнала, которое затем вычитают из желаемого цифрового входного сигнала с тем, чтобы сигнал ошибки, который подают в цифровой контроллер для предоставления подходящего управляющего сигнала в модулятор, приводил к противоположности сигнала ошибки. Модулятор преобразует управляющий сигнал в ШИМ-сигнал, который подают на преобразователь мощности, который генерирует аналоговый выходной сигнал для того, чтобы возбуждать систему с градиентным магнитом. WO 2010/004492 discloses a digital amplifier with direct and feedback control for generating and controlling an electrical output power for operating such a gradient magnet system. Basically, such a digital amplifier comprises an input for receiving a digital input signal representing the desired current waveform of the analog output signal of the amplifier, and the gradient magnet system is driven by this analog output signal. The amplifier comprises a direct and feedback controller in order to detect and compensate for an error signal between the input signal and the output signal. A direct-coupled controller reads the input signal and predicts the output signal as accurately as possible based on the model of the system. Then, the predicted output signal is subtracted in the analog data region from the measured analog output signal, and the resulting analog power differential current is converted into a digital data region to provide a feedback signal, which is then combined with a direct signal. As a result, a digital representation of the determined output signal is obtained, which is then subtracted from the desired digital input signal so that the error signal, which is supplied to the digital controller to provide a suitable control signal to the modulator, leads to the opposite of the error signal. The modulator converts the control signal into a PWM signal, which is fed to a power converter that generates an analog output signal in order to excite the gradient magnet system.

Схема цифрового управления для ШИМ преобразования энергии раскрыта в докладе на конференции «Advanced digital control scheme of two-paralleled bridge type current tracking power conversion amplifier for magnetic-resonance imaging» авторов S. Watanabe и M. Nakaoka 26 мая 1997 года. The digital control scheme for PWM energy conversion was disclosed in a report at the conference "Advanced digital control scheme of two-paralleled bridge type current tracking power conversion amplifier for magnetic-resonance imaging" by S. Watanabe and M. Nakaoka on May 26, 1997.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ SUMMARY OF THE INVENTION

В связи с указанными выше требованиями к точности токовых импульсов для работы системы с градиентным магнитом известной системой градиентного усилителя управляют более или менее аналогично, поскольку цифровое управление неотъемлемо страдает от шума цифровой дискретизации и определенных эффектов оцифровывания. В частности, показано, что ограниченное разрешение аналогово-цифровых преобразователей и ШИМ модуляторов, а также ограниченная скорость обработки цифровых контроллеров могут служить причиной серьезных отклонений и проблем с воспроизводимостью, когда генерируют желаемый ток градиентного магнита. In connection with the above requirements for the accuracy of current pulses for operating a gradient magnet system, the known gradient amplifier system is controlled more or less in the same way, since digital control inherently suffers from digital sampling noise and certain digitizing effects. In particular, it has been shown that the limited resolution of analog-to-digital converters and PWM modulators, as well as the limited processing speed of digital controllers, can cause serious deviations and reproducibility problems when the desired gradient magnet current is generated.

В целом, одна задача, лежащая в основе изобретения, состоит в том, чтобы предоставить способ и систему цифрового усилителя для работы системы MRI с градиентным магнитом на основе полностью цифрового управления, не вызывая указанных выше или других проблем, но вместе с тем соответствовать требованиям к точности, как указано выше, значительно более полно, чем при использовании известных решений. In general, one objective underlying the invention is to provide a digital amplifier method and system for operating an MRI gradient magnet system based on fully digital control without causing the above or other problems, but at the same time meeting the requirements for accuracy, as indicated above, is much more complete than when using known solutions.

Другая задача, лежащая в основе изобретения, состоит в том, чтобы предоставить способ и систему цифрового усилителя для работы системы MRI с градиентным магнитом с высокой точностью и при сравнительно низкой стоимости и на основе сравнительно дешевых и стандартных серийных существующих маломощных компонентов. Another objective underlying the invention is to provide a digital amplifier method and system for operating a gradient magnet MRI system with high accuracy and at a relatively low cost and based on the relatively cheap and standard serial existing low-power components.

По меньшей мере одна из этих задач решается посредством способа по п. 1 и системы цифрового усилителя по п. 2.At least one of these problems is solved by the method of claim 1 and the digital amplifier system of claim 2.

Принцип управления, как предоставлено посредством изобретения, имеет очень высокое подавление помех с тем, чтобы происходило максимальное подавление указанных выше эффектов оцифровывания и, следовательно, стандартные цифровые компоненты, такие как серийные, существующие аналогово-цифровые преобразователи, можно использовать для реализации цифрового контроллера. The control principle, as provided by the invention, has a very high suppression of interference so that the aforementioned effects of digitization are suppressed to the maximum and, therefore, standard digital components, such as serial, existing analog-to-digital converters, can be used to implement a digital controller.

Кроме того, изобретение позволяет реализовать способ и систему цифрового усилителя для работы системы MRI с градиентным магнитом на основе принципов высокоточного управления и связанных с ними таких алгоритмов проектирования, что указанные выше требования также можно выполнять для полностью цифрового управления.In addition, the invention makes it possible to implement a digital amplifier method and system for operating an MRI gradient magnet system based on the principles of high-precision control and associated design algorithms such that the above requirements can also be fulfilled for fully digital control.

Другое преимущество решения в соответствии с изобретением состоит в том, что для предложенного способа управления пространством состояний не требуется управления с прямой связью для того, чтобы увеличивать ширину полосы. Следовательно, принцип контроллера пространства состояний в соответствии с изобретением более устойчив к варьированию системных параметров и имеет более высокое подавление помех, чем принцип стандартного контроллера, такого как ПИД контроллер. Another advantage of the solution in accordance with the invention is that for the proposed method of managing the state space, direct control is not required in order to increase the bandwidth. Therefore, the principle of the state space controller in accordance with the invention is more resistant to variations in system parameters and has higher interference suppression than the principle of a standard controller, such as a PID controller.

Все это делает возможным использование полностью цифрового контроллера и посредством этого системы полностью цифрового усилителя для работы системы MRI с градиентным магнитом с использованием экономически эффективных стандартных цифровых компонентов. Кроме того, указанное выше ведет к улучшенной воспроизводимости выходного тока, что ведет к более высокому качеству изображения в системе MRI. All this makes it possible to use a fully digital controller and, through this, a fully digital amplifier system to operate the MRI gradient magnet system using cost-effective standard digital components. In addition, the above leads to improved reproducibility of the output current, which leads to higher image quality in the MRI system.

Зависимые пункты формулы изобретения раскрывают преимущественные варианты осуществления изобретения. The dependent claims disclose advantageous embodiments of the invention.

Следует принимать во внимание, что признаки изобретения допускают объединение в какую-либо комбинацию, не отступая от объема изобретения, как определено посредством сопровождающей формулы изобретения. It should be appreciated that the features of the invention can be combined in any combination without departing from the scope of the invention as defined by the accompanying claims.

Дополнительные подробности, признаки и преимущества изобретения видны из следующего описания предпочтительных и образцовых вариантов осуществления изобретения, которое дано со ссылкой на фигуры.Additional details, features and advantages of the invention are apparent from the following description of preferred and exemplary embodiments of the invention, which is given with reference to the figures.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

На фиг. 1 представлены основные компоненты MR системы визуализации или сканера;In FIG. 1 shows the main components of an MR imaging system or scanner;

на фиг. 2 представлен схематический вид системы MRI с градиентным магнитом; in FIG. 2 is a schematic view of a gradient magnet MRI system;

на фиг. 3 представлена общая топология системы усилителя для работы градиентной катушки системы MRI с градиентным магнитом; in FIG. 3 shows a general topology of an amplifier system for operating a gradient coil of an MRI system with a gradient magnet;

на фиг. 4 представлена схематическая архитектура одного из вариантов осуществления системы градиентного усилителя с цифровым управлением в соответствии с изобретением; in FIG. 4 is a schematic architecture of one embodiment of a digitally controlled gradient amplifier system in accordance with the invention;

на фиг. 5 представлена схематическая функциональная структура одного из вариантов осуществления цифрового контроллера для системы градиентного усилителя в соответствии с изобретением; in FIG. 5 is a schematic functional structure of one embodiment of a digital controller for a gradient amplifier system in accordance with the invention;

на фиг. 6 представлен выходной сигнал контроллера согласно фиг. 5 в ответ на первый входной сигнал; in FIG. 6 shows the output of the controller of FIG. 5 in response to the first input signal;

на фиг. 7 представлен выходной сигнал контроллера согласно фиг. 5 в ответ на второй входной сигнал; in FIG. 7 shows the output of the controller of FIG. 5 in response to a second input signal;

на фиг. 8 представлен увеличенный срез форм тока согласно фиг. 6; и in FIG. 8 is an enlarged section of the current waveforms of FIG. 6; and

на фиг. 9 представлены переходные отклики всех системных состояний для структуры контроллера согласно фиг. 5.in FIG. 9 shows the transient responses of all system states for the controller structure according to FIG. 5.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

На фиг. 1 представлены существенные компоненты системы магнитно-резонансной визуализации или магнитно-резонансного сканера, включая исследуемый объем, в который помещают объект, подлежащий визуализации. Система содержит систему 1 основного магнита для генерации по существу равномерного и постоянного основного магнитного поля B0 в направлении z для выравнивания ядерных спинов в объекте, подлежащем визуализации. Компоновка 2 RF/MR передающей/принимающей антенны предоставлена для передачи RF сигналов для генерации RF магнитного переменного поля B1 для возбуждения ядерного магнитного резонанса и для приема последующих MR сигналов релаксации от связанных ядер объекта, подлежащего визуализации. Для пространственного выбора и пространственного кодирования принимаемых MR сигналов релаксации, исходящих от возбужденных ядер, система также содержит систему с градиентным магнитом с использованием множества катушек 3, 4, 5 градиентного магнитного поля, с помощью которых генерируют градиентные магнитные поля в ортогональных направлениях x, y и z соответственно, как изложено выше.In FIG. 1 shows the essential components of a magnetic resonance imaging system or magnetic resonance scanner, including the test volume, in which the object to be visualized is placed. The system comprises a main magnet system 1 for generating a substantially uniform and constant main magnetic field B 0 in the z direction to align the nuclear spins in the object to be visualized. An RF / MR transmitter / receiver antenna arrangement 2 is provided for transmitting RF signals for generating an RF magnetic variable field B 1 for exciting nuclear magnetic resonance and for receiving subsequent MR relaxation signals from the associated nuclei of the object to be imaged. For spatial selection and spatial coding of the received MR relaxation signals emanating from excited nuclei, the system also comprises a gradient magnet system using a plurality of gradient magnetic field coils 3, 4, 5, with which gradient magnetic fields are generated in the orthogonal directions x, y and z, respectively, as described above.

Дополнительно, система магнитно-резонансной визуализации или магнитно-резонансный сканер содержит блок 10 управления, который во время RF передачи управляет блоком 12 RF передатчика для генерации RF сигналов, которые подают через RF передающую/принимающую схему 13 на компоновку 2 RF антенны. Принимаемые MR сигналы релаксации подают через RF передающую/принимающую схему 13 на блок 14 усилителя и демодулятора и обрабатывают посредством блока 15 обработки для генерации MR изображения исследуемого объекта на блоке 16 отображения. Кроме того, во время приема MR сигнала блок 10 управления генерирует управляющие сигналы для системы 11 усилителя для генерации электрической выходной мощности, в частности, в форме выходных токов для работы каждой из катушек градиентного магнитного поля 3, 4, 5 для того, чтобы выбирать желаемый срез или объем внутри исследуемого объекта, подлежащего визуализации на блоке 16 отображения, как известно в целом. Additionally, the magnetic resonance imaging system or magnetic resonance scanner contains a control unit 10, which during RF transmission controls the RF transmitter unit 12 to generate RF signals that are supplied via the RF transmitting / receiving circuit 13 to the arrangement 2 of the RF antenna. The received MR relaxation signals are fed through the RF transmitting / receiving circuit 13 to the amplifier and demodulator unit 14 and processed by the processing unit 15 to generate an MR image of the object under study on the display unit 16. In addition, while receiving the MR signal, the control unit 10 generates control signals for the amplifier system 11 for generating electrical output power, in particular in the form of output currents for operating each of the coils of the gradient magnetic field 3, 4, 5 in order to select the desired the slice or volume inside the test object to be visualized on the display unit 16, as is generally known.

Указанные выше и следующие принципы и обстоятельства применимы как в случае осевой (горизонтальной) системы MRI, в которой пациента или другой исследуемый объект направляют в осевом направлении через цилиндрическое или трубчатое исследуемое пространство, так и в случае вертикальной (открытой) системы, имеющей исследуемое пространство между верхним и нижним концом структуры рамы C-типа. The above and the following principles and circumstances are applicable both in the case of an axial (horizontal) MRI system in which a patient or other test object is guided axially through a cylindrical or tubular test space, and in the case of a vertical (open) system having a test space between the upper and lower end of the C-frame frame structure.

На фиг. 2 представлен более подробно схематический вид компоновки катушек 3, 4, 5 градиентного магнитного поля системы MRI с градиентным магнитом для системы магнитно-резонансной визуализации или магнитно-резонансного сканера. In FIG. 2 shows in more detail a schematic view of the arrangement of coils 3, 4, 5 of the gradient magnetic field of the MRI system with a gradient magnet for a magnetic resonance imaging system or magnetic resonance scanner.

Для генерации зависящего от положения или градиентного магнитного поля в направлении x предоставлены первые катушки 3 градиентного магнитного поля, по одной вдоль обеих сторон исследуемого объекта 7. Для генерации зависящего от положения или градиентного магнитного поля в направлении y предоставлены вторые катушки 4 градиентного магнитного поля, по одной над и под исследуемым объектом 7. Наконец, предоставлены третьи катушки 5 градиентного магнитного поля, которые окружают исследуемый объект и смещаются в направлении z для генерации зависящего от положения или градиентного магнитного поля в направлении z. Компоновка 2 RF/MR передающей/принимающей антенны также схематически указана на фиг. 2.To generate a position-dependent or gradient magnetic field in the x direction, the first coils 3 of the gradient magnetic field are provided, one along both sides of the test object 7. To generate a position-dependent or gradient magnetic field in the y direction, second coils 4 of the gradient magnetic field are provided, one above and below the test object 7. Finally, third gradient magnetic field coils 5 are provided that surround the test object and are displaced in the z direction to generate yaschego on the position or the gradient magnetic field in the z direction. The RF / MR arrangement 2 of the transmitting / receiving antenna is also schematically shown in FIG. 2.

На фиг. 3 представлена образцовая общая топология основного каскада усилителя системы градиентного усилителя для работы каждой одной из градиентных катушек (GC) 3, 4, 5 с первой до третьей из системы MRI с градиентным магнитом посредством прохождения тока градиентной катушки iGC через нее (выходной фильтр градиентной катушки не показан на этой фиг.). Каскад усилителя содержит предпочтительно три (или более) полных моста, которые соединены последовательно, а именно первый, второй и третий инвертор A, B, C, для генерации первого выходного напряжения UA, второго выходного напряжения UB и третьего выходного напряжения UC соответственно. Каждый полный мост содержит четыре силовых переключателя ps, каждый из которых может быть предоставлен посредством нескольких, параллельно соединенных БТИЗ, предпочтение которым отдано в связи с экономическими причинами. Кроме того, предпочтительно использовать известные модули М с половинным или полным мостом с БТИЗ, содержащие от двух до четырех БТИЗ и даже электронику драйвера для управления затвором для того, чтобы дополнительно снижать стоимость. In FIG. Figure 3 shows an exemplary general topology of the main stage of the amplifier of the gradient amplifier system for each of the gradient coils (GC) 3, 4, 5 to work from the first to the third of the MRI system with a gradient magnet by passing the current of the gradient coil i GC through it (output filter of the gradient coil not shown in this FIG.). The amplifier stage preferably contains three (or more) full bridges that are connected in series, namely the first, second and third inverter A, B, C, to generate a first output voltage U A , a second output voltage U B and a third output voltage U C, respectively . Each full bridge contains four ps power switches, each of which can be provided by means of several parallel-connected IGBTs, the preference of which is given due to economic reasons. In addition, it is preferable to use the known M modules with half or full IGBT bridge, containing from two to four IGBTs and even driver electronics for controlling the shutter in order to further reduce cost.

Напряжение источника питания US (например, 600 В) каждого полного моста имеет плавающий потенциал. Альтернативно, можно использовать напряжение только одного источника питания, которое нагружает конденсаторы C всех полных мостов посредством использования подхода интеллектуального управления. The power supply voltage U S (for example, 600 V) of each full bridge has a floating potential. Alternatively, you can use the voltage of only one power source, which loads the capacitors C of all full bridges by using the intelligent control approach.

Каждый полный мост или инвертор A, B, C может генерировать три уровня выходного напряжения (+US, 0, -US) в зависимости от положения переключателя силовых переключателей ps. Таким образом, последовательное соединение трех полных мостов может доставлять семь различных уровней напряжения. За счет такой топологии получают два значительных преимущества. С одной стороны, высокое выходное напряжение можно генерировать посредством силовых переключателей ps низкого напряжения с тем, чтобы можно было снизить издержки, обусловленные силовыми переключателями ps. С другой стороны, в связи с высоким числом дискретных уровней напряжения по сравнению с усилителем с одним полным мостом колебания тока будут меньше, уменьшая требования на выходном фильтре градиентной катушки и повышая воспроизводимость тока. Each full bridge or inverter A, B, C can generate three levels of output voltage (+ U S , 0, -U S ) depending on the position of the ps power switch. Thus, the series connection of three full bridges can deliver seven different voltage levels. Due to this topology, two significant advantages are obtained. On the one hand, high output voltage can be generated by low voltage power switches ps so that the costs associated with ps power switches can be reduced. On the other hand, due to the high number of discrete voltage levels compared with an amplifier with one full bridge, the current fluctuations will be less, reducing the requirements on the output filter of the gradient coil and increasing current reproducibility.

Для того, чтобы выполнить изложенные выше требования системы усилителя для работы системы с градиентным магнитом, было выявлено, что необходимо управление по замкнутому контуру для основных каскадов усилителя и выходного тока системы усилителя для градиентных катушек и что, в частности, предпочтительно полное цифровое управление. На фиг. 4 представлена схематическая архитектура варианта осуществления такой системы градиентного усилителя с цифровым управлением в соответствии с изобретением для каждой одной из градиентных катушек (GC) 3, 4, 5 с первой до третьей. In order to fulfill the above requirements of an amplifier system for operating a gradient magnet system, it was found that closed loop control for the main stages of the amplifier and the output current of the amplifier system for gradient coils is necessary and that, in particular, full digital control is preferred. In FIG. 4 is a schematic architecture of an embodiment of such a digitally controlled gradient amplifier system in accordance with the invention for each of one of the first to third gradient coils (GC) 3, 4, 5.

Она содержит каскад усилителя, например три (или более) инвертора A, B, C, как показано на фиг. 3, которые отражены на фиг. 4 в упрощенном представлении в форме блока Inv инвертора. На выходе блока Inv инвертора схематически показан выходной фильтр F градиентной катушки, который имеет две последовательные катушки индуктивности Lf и один параллельный конденсатор Cf. Сама градиентная катушка GC (одна из с первой до третьей) показана в форме ее эквивалентной схемы, а именно последовательного соединения катушки индуктивности L и омического сопротивления R. Кроме того, система градиентного усилителя содержит первый датчик тока для восприятия выходного тока ic блока Inv инвертора, второй датчик тока для восприятия тока градиентной катушки iGC, который течет через градиентную катушку GC, и датчик напряжения для восприятия напряжения градиентной катушки uC на градиентной катушке GC. It contains an amplifier stage, for example, three (or more) inverters A, B, C, as shown in FIG. 3, which are reflected in FIG. 4 in a simplified representation in the form of an inverter Inv block. The output filter F of the inverter is shown schematically in the output filter F of the gradient coil, which has two series inductors Lf and one parallel capacitor Cf. The gradient coil GC itself (one of the first to third) is shown in the form of its equivalent circuit, namely the series connection of the inductor L and the ohmic resistance R. In addition, the gradient amplifier system contains a first current sensor for sensing the output current i c of the inverter Inv block , a second current sensor for sensing the current of the gradient coil i GC that flows through the gradient coil GC, and a voltage sensor for sensing the voltage of the gradient coil u C on the gradient coil GC.

Выходной ток iC блока Inv инвертора (ток инвертора), напряжение градиентной катушки uC и ток градиентной катушки iGC предоставляют на входы первого, второго и третьего оперативного усилителя OP1, OP2, OP3 с низким уровнем шумов соответственно, для их усиления в области аналоговых данных. Выходные клеммы оперативных усилителей OP1, OP2, OP3 соединены со входами аналогово-цифрового преобразователя A/D высокого разрешения, который также принимает опорный ток Iref от источника Ref опорного тока. The output current i C of the inverter Inv unit (inverter current), the voltage of the gradient coil u C and the current of the gradient coil i GC provide low noise levels to the inputs of the first, second and third operational amplifiers OP1, OP2, OP3, respectively, for amplification in the analog domain data. The output terminals of operational amplifiers OP1, OP2, OP3 are connected to the inputs of the high-resolution analog-to-digital converter A / D, which also receives the reference current I ref from the reference current source Ref.

Оцифрованные выходные значения аналогово-цифрового преобразователя A/D предоставляют на вход цифрового контроллера Con, который работает на основе цифрового аппаратного обеспечения, такого как процессор цифровых сигналов (DSP) или вентильная матрица, программируемая пользователем (FPGA), полностью в области цифровых данных. The digitized output values of the A / D analog-to-digital converter provide the input of the Con digital controller, which operates on the basis of digital hardware, such as a digital signal processor (DSP) or a user programmable gate array (FPGA), entirely in the field of digital data.

Выходные управляющие сигналы u контроллера Con предоставляют на вход ШИМ модулятора PWM для перевода выходных управляющих сигналов u контроллера Con в подходящие сигналы ss переключателя. Наконец, эти сигналы ss переключателя предоставляют на блок Inv инвертора, например, на фиг. 3, на силовые переключатели ps инверторов A, B, C, для переключения напряжения источника питания US посредством инверторов A, B, C с тем, чтобы генерировать ШИМ напряжение на выходе блока Inv инвертора так, чтобы желаемый ток градиентной катушки iGC, имеющий определенную форму волны и амплитуду, как изложено выше, пропускать через связанную градиентную катушку GC. The output control signals u of the Con controller are provided to the PWM modulator PWM input to convert the output control signals u of the Con controller to suitable ss switch signals. Finally, these switch signals ss are provided to the inverter unit Inv, for example, in FIG. 3, to the power switches ps of the inverters A, B, C, for switching the voltage of the power supply U S by the inverters A, B, C so as to generate PWM voltage at the output of the inverter Inv block so that the desired gradient current i GC having a specific waveform and amplitude, as described above, pass through a connected gradient coil GC.

Преимущества такой цифровой системы управления и, в частности, полностью цифрового контроллера Con, заключаются в более высокой гибкости, более коротком времени разработки и, в частности, в том факте, что возможны усовершенствованные способы управления новой системной архитектурой. Последнее преимущество является особенно важным, поскольку его будут использовать для того, чтобы снижать стоимость всей системы градиентного усилителя, которая очень важна для таких новых систем. Снижение стоимости можно реализовать в связи с тем фактом, что можно использовать более дешевые компоненты электронного управления питанием, недостатки которых можно компенсировать более усовершенствованными алгоритмами цифрового управления. The advantages of such a digital control system and, in particular, the all-digital Con controller, are higher flexibility, shorter development time and, in particular, the fact that improved ways to control the new system architecture are possible. The latter advantage is especially important since it will be used to reduce the cost of the entire gradient amplifier system, which is very important for such new systems. Cost reduction can be realized due to the fact that cheaper electronic power management components can be used, the disadvantages of which can be compensated for by more advanced digital control algorithms.

Основные проблемы, с которыми сталкиваются, когда реализуют такую полностью цифровую систему управления, заключаются в переходе из области аналоговых данных в область цифровых данных и в переходе из области цифровых данных в область аналоговых данных. Основными причинами этих проблем является ограниченное разрешение по значению у аналогово-цифрового преобразователя A/D, ограниченная скорость обработки (разрешение по времени) цифрового контроллера Con и ограниченное разрешение по времени у ШИМ-модулятора PWM, которые совместно могут вести к тому, что желаемый ток градиентной катушки iGC не может быть воспроизведен с требуемой точностью, как изложено выше. The main problems encountered when implementing such a fully digital control system are the transition from the field of analog data to the field of digital data and the transition from the field of digital data to the field of analog data. The main causes of these problems are the limited resolution in value of the A / D A / D converter, the limited processing speed (time resolution) of the Con digital controller and the limited time resolution of the PWM PWM modulator, which together can lead to the desired current gradient coil i GC cannot be reproduced with the required accuracy, as described above.

В целом, два различных принципа контроллера можно использовать для реализации такой системы управления в области цифровых данных, а именно ПИД контроллер и контроллер пространства состояний. Выявлено, что принцип контроллера пространства состояний имеет многие преимущества перед принципом ПИД контроллера в отношении снижения указанных выше ограниченных разрешений и надежности, в частности, в отношении изменения реакции на управление, если системные параметры отклоняются от своих номинальных значений. Управляющие структурные и функциональные блоки связанного ПИ контроллера пространства состояний схематически указаны на фиг. 5. In general, two different controller principles can be used to implement such a control system in the field of digital data, namely, a PID controller and a state space controller. It has been revealed that the principle of the state space controller has many advantages over the principle of the PID controller in terms of reducing the above limited resolutions and reliability, in particular, in relation to changing the response to control if system parameters deviate from their nominal values. The control structural and functional blocks of the associated PI controller of the state space are schematically indicated in FIG. 5.

Главными компонентами являются интегрирующая часть G1 и П-управляемая система GPSYS. П-управляемая система GPSYS содержит компенсатор задержки/стабилизатор GSTAB и силовую установку GPLANT. The main components are the integrating part G 1 and the U-managed system G PSYS . The PSYS P-control system G contains a delay compensator / stabilizer G STAB and a power plant G PLANT .

Компенсатор задержки/стабилизатор GSTAB содержит блоки z-1, z-2, z-3 задержки, которые отражают вычислительную задержку на один, два или три цикла синхронизации соответственно. Кроме того, компенсатор задержки/стабилизатор GSTAB содержит управляющие коэффициенты KU1, KU2, KU3 для вычислительной задержки на один, два или три цикла синхронизации соответственно выходного управляющего сигнала u контроллера Con и управляющие коэффициенты KUC и KIC для напряжения градиентной катушки uC и выходного тока iC (см. фиг. 4) блока Inv инвертора соответственно. Наконец, компенсатор задержки/стабилизатор GSTAB содержит передаточные функции GUC и GIC выходного фильтра F градиентной катушки (см. фиг. 4) для напряжения градиентной катушки uC и выходного тока iC блока Inv инвертора соответственно и управляющий коэффициент KGC для тока градиентной катушки iGC. The delay compensator / stabilizer GSTAB contains blocks z -1 , z -2 , z -3 delay, which reflect the computational delay for one, two or three synchronization cycles, respectively. In addition, the delay compensator / stabilizer GSTAB contains control coefficients K U1 , K U2 , K U3 for the computational delay for one, two or three synchronization cycles of the output control signal u of the controller Con, respectively, and control coefficients K UC and K IC for the voltage of the gradient coil u C and the output current i C (see FIG. 4) of the inverter Inv block, respectively. Finally, the delay compensator / stabilizer GSTAB contains the transfer functions G UC and G IC of the output filter F of the gradient coil (see Fig. 4) for the voltage of the gradient coil u C and the output current i C of the inverter Inv block, respectively, and the control coefficient K GC for the gradient current Coil i GC .

Силовая установка GPLANT содержит передаточную функцию GGC последовательно с цепью регулярной задержки с 20 мкс измеряемого значения тока градиентной катушки iGC аналогово-цифрового преобразователя A/D плюс дополнительная фильтрация. The power plant G PLANT contains the transfer function G GC in series with a regular delay circuit with 20 µs of the measured value of the current of the gradient coil i GC of the A / D analog-to-digital converter plus additional filtering.

Измеренные значения uC и iC характеризуются задержкой, которая равна вычислительной задержке. Таким образом, дополнительная цепь задержки для этих измеренных значений отсутствует. The measured values of u C and i C are characterized by a delay that is equal to the computational delay. Thus, there is no additional delay circuit for these measured values.

В интегрирующей части GI интегрируют отклонение управления, которое представляет собой разность между опорным током Iref и током градиентной катушки iGC. Кроме того, ток градиентной катушки ioc, подаваемый через управляющий коэффициент KGC, вычитают из выходного сигнала интегрирующей части Gi. Результатом тока градиентной катушки iGC является выходной сигнал силовой установки GPLANT, в которую подают ввод выходного значения u контроллера Con, имеющего задержку на один цикл синхронизации z-1. In the integrating part G I , a control deviation is integrated, which is the difference between the reference current I ref and the current of the gradient coil i GC . In addition, the current of the gradient coil ioc supplied through the control coefficient K GC is subtracted from the output signal of the integrating part Gi. The result of the current of the gradient coil i GC is the output signal of the power plant G PLANT , into which the output value u of the controller Con, having a delay of one synchronization cycle z -1 , is input.

Цифровое выходное значение u контроллера Con, имеющее задержку на один цикл синхронизации z-1, также подают обратно через передаточную функцию GUC и управляющий коэффициент KUC и через передаточную функцию Gic и управляющий коэффициент Kic. Наконец, выходное значение u контроллера Con задерживают на один, два или три цикла синхронизации z-1, z-2, z-3, и каждое задержанное выходное значение u также подают обратно через связанные управляющие коэффициенты KU1, KU2, KU3 соответственно. The digital output value u of the controller Con having a delay of one synchronization cycle z -1 is also fed back through the transfer function G UC and the control coefficient K UC and through the transfer function G ic and the control coefficient K ic . Finally, the output value u of the controller Con is delayed by one, two or three synchronization cycles z -1 , z -2 , z -3 , and each delayed output value u is also fed back through the associated control coefficients K U1 , K U2 , K U3, respectively .

Параметры такого контроллера с обратной связью пространства состояний, показанного на фиг. 5, в частности, указанные выше управляющие коэффициенты и передаточные функции, можно разрабатывать с помощью известных способов, например способа размещения полюсов или других. The parameters of such a state-space feedback controller shown in FIG. 5, in particular, the above control coefficients and transfer functions, can be developed using known methods, for example, a method for placing poles or others.

Предпочтительно полюса выбирают так, чтобы они были реальными, чтобы гарантировать, что отсутствует перерегулирование реакции на управление по замкнутому контуру. Полюса с абсолютными значениями, которые меньше единицы, будут гарантировать стабильность контроллера. Чем ближе полюса к нулю, тем быстрее будет реакция на управление. Например, полюса по 0,15 обычно будут приводить к достаточно большой ширине полосы контроллера, при этом также гарантируя максимальную устойчивость к отклонениям параметров контроллера от их номинальных значений. Preferably, the poles are selected so that they are real, to ensure that there is no overshoot of the response to closed loop control. Poles with absolute values that are less than one will guarantee the stability of the controller. The closer the poles to zero, the faster the response to control. For example, poles of 0.15 will usually lead to a sufficiently large controller bandwidth, while also guaranteeing maximum resistance to deviations of the controller parameters from their nominal values.

На фиг. 6 представлено моделирование временного интервала для контроллера получаемого пространства состояний для ступенчатого входного опорного тока Iref с амплитудой 5 А. Реакция на управление является очень быстрой. Достижение 63% от конечного значения тока iGC усилителя градиентной катушки занимает приблизительно 40 мкс (начиная от первой реакции на управление). Имеет место небольшое перерегулирование/недорегулирование, которое является результатом аппроксимаций, выполняемых для разработки контроллера. Они представляют собой усреднение измеряемого значения, моделируемого с помощью чистой задержки и нецелочисленной задержки, моделируемой с помощью взвешенной суммы двух значений с целочисленной задержкой. In FIG. Figure 6 shows the simulation of the time interval for the controller of the resulting state space for the step input reference current I ref with an amplitude of 5 A. The response to the control is very fast. Reaching 63% of the final value of the current i GC of the gradient coil amplifier takes approximately 40 μs (starting from the first control response). There is a slight overshoot / under-regulation, which is the result of the approximations performed to develop the controller. They represent the averaging of the measured value modeled with a net delay and an integer delay modeled with a weighted sum of two values with an integer delay.

Однако это не критично, поскольку перерегулирование/недорегулирование является даже более низким, если подают практически значимый, линейно изменяющийся ток Iref в качестве входного сигнала на контроллер, как показано на фиг. 7, для линейно изменяющегося тока 500 A. Едва ли можно отметить не идеальную реакцию на управление (ток iGC усилителя градиентной катушки). However, this is not critical, since overshoot / under-regulation is even lower if a practically significant, ramp current I ref is supplied as an input to the controller, as shown in FIG. 7, for a linearly varying current of 500 A. It is hardly possible to note a not ideal response to control (current i GC of the gradient coil amplifier).

На фиг. 8 представлена увеличенная критическая область реакции на управление, представленной на фиг. 6. Она указывает на то, что максимальное отклонение управления во время перерегулирования/недорегулирования составляет только приблизительно 1,4 A (0,3%). Соответствующая установившаяся характеристика iGC полностью выполняет требование S градиентного усилителя к установлению. In FIG. 8 is an enlarged critical region of the control response of FIG. 6. It indicates that the maximum control deviation during overshoot / under-regulation is only approximately 1.4 A (0.3%). The corresponding steady state characteristic i GC fully complies with the requirement S of the gradient amplifier for installation.

Наконец, переходная характеристика всех системных состояний, включая ток градиентной катушки iGC и состояния uC и iC выходного фильтра F, изображены на фиг. 9 для линейно меняющегося тока в 500 A. В этих примерах напряжение uC на конденсаторе Cf (см. фиг. 4) эквивалентно ШИМ напряжению после фильтра низких частот. Максимальное напряжение uC составляет приблизительно ±1300 В и необходимо для того, чтобы изменить ток градиентной катушки iGC с 0 приблизительно до 500 А приблизительно за 0,2 мс. В связи с почти идеальным затуханием контроллера LC фильтра F на выходе блока Inv инвертора нельзя наблюдать колебания с резонансной частотой. Finally, the transient response of all system states, including the current of the gradient coil i GC and the states u C and i C of the output filter F, are shown in FIG. 9 for a linearly varying current of 500 A. In these examples, the voltage u C on the capacitor C f (see Fig. 4) is equivalent to the PWM voltage after the low-pass filter. The maximum voltage u C is approximately ± 1300 V and is necessary in order to change the current of the i GC gradient coil from 0 to approximately 500 A in approximately 0.2 ms. Due to the almost perfect attenuation of the LC filter controller F, the output of the Inv unit inverter cannot oscillate with a resonant frequency.

Несмотря на то, что изобретение проиллюстрировано и описано подробно на рисунках и в указанном выше описании, такие иллюстрации и описание следует рассматривать как иллюстративное или образцовое, а не ограничивающее, и изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Вариации вариантов осуществления изобретения, описанные выше, например, по отношению к самим антенным элементам, их формам и числу и расположениям по отношению друг к другу, чтобы добиться объясненного выше результата в виде по меньшей мере по существу идентичных полей зрения для ядер, имеющих по существу различные гиромагнитные отношения, возможны для специалиста в данной области, не отступая от основного принципа изобретения, как определено с помощью сопровождающей формулы изобретения. Although the invention is illustrated and described in detail in the drawings and in the above description, such illustrations and description should be considered as illustrative or exemplary, and not limiting, and the invention is not limited to the disclosed embodiments. Variations of embodiments of the invention described above, for example, with respect to the antenna elements themselves, their shapes and the number and locations relative to each other, to achieve the result explained above in the form of at least essentially identical fields of view for nuclei having essentially various gyromagnetic relationships are possible for a person skilled in the art without departing from the basic principle of the invention as defined by the accompanying claims.

Вариации раскрытых вариантов осуществления могут понять и выполнить специалисты в данной области при практическом выполнении описываемого в заявке изобретения, изучив рисунки, раскрытие и приложенную формулу изобретения. В формуле изобретения слово «содержит» не исключает другие элементы или стадии, а форма единственного числа не исключает множественного числа. Один блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Сам факт того, что определенные меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована с пользой. Какие-либо ссылочные позиции в формуле изобретения не следует толковать в качестве ограничения объема формулы изобретения.Variations of the disclosed embodiments may be understood and carried out by those skilled in the art in practicing the invention described in the application, having studied the drawings, disclosure and appended claims. In the claims, the word “contains” does not exclude other elements or steps, and the singular form does not exclude the plural. One block can fulfill the functions of several elements listed in the claims. The mere fact that certain measures are listed in mutually different dependent claims does not indicate that a combination of these measures cannot be used to advantage. Any reference position in the claims should not be construed as limiting the scope of the claims.

Claims (4)

1. Способ работы системы магнитно-резонансной визуализации (MRI) с градиентным магнитом для генерации градиентных магнитных полей посредством возбуждения токов градиентной катушки в градиентных катушках системы с градиентным магнитом, причем токами градиентной катушки управляют с помощью контроллера, который реализован в форме контроллера пространства состояний с обратной связью в области цифровых данных и который генерирует цифровое выходное значение, с помощью которого генерируют широтно-импульсно-модулированное напряжение для возбуждения токов градиентной катушки через градиентные катушки с предварительно определенной формой волны, причем интегрируют отклонение управления, которое генерируют в форме разности между током градиентной катушки и опорным током,
генерируют цифровое выходное значение (u) по интегрированному отклонению управления и
подают обратно и задерживают цифровое выходное значение (u) по меньшей мере на один, два и три цикла синхронизации и затем вычитают из цифрового выходного значения (u).
1. The method of operation of a magnetic resonance imaging (MRI) system with a gradient magnet to generate gradient magnetic fields by exciting the gradient coil currents in the gradient coils of a gradient magnet system, the gradient coil currents being controlled using a controller that is implemented in the form of a state space controller with feedback in the field of digital data and which generates a digital output value by which a pulse width modulated voltage is generated for gradient coil excitation currents through the gradient coils with a predetermined wave shape, and integrating the control deviation, which is generated in the form of the difference between the gradient coil current and a reference current,
generate a digital output value (u) by the integrated control deviation and
fed back and delayed the digital output value (u) for at least one, two and three synchronization cycles and then subtracted from the digital output value (u).
2. Система цифрового усилителя для работы системы магнитно-резонансной визуализации (MRI) с градиентным магнитом для генерации градиентных магнитных полей посредством возбуждения токов градиентной катушки в градиентных катушках (GC) системы с градиентным магнитом, причем система усилителя содержит цифровой контроллер (Con) для управления токами градиентной катушки, причем контроллер (Con) реализован в форме контроллера
пространства состояний с обратной связью в области цифровых данных для генерации цифрового выходного значения (u), с помощью которого генерируется широтно-импульсно-модулированное напряжение для возбуждения токов градиентной катушки в градиентных катушках с предварительно определенной формой волны, причем контроллер (Con) содержит интегрирующую часть (GI) для интегрирования отклонения управления, которое генерируется в форме разности между током градиентной катушки и опорным током,
причем контроллер (Con) содержит компенсатор (GSTAB) задержки для генерации цифрового выходного значения (u) по интегрированному отклонению управления и
причем компенсатор (GSTAB) задержки содержит контур обратной связи, посредством которого цифровое выходное значение (u) подается обратно и задерживается по меньшей мере на один, два и три цикла синхронизации и затем вычитается из цифрового выходного значения (u).
2. A digital amplifier system for operating a magnetic resonance imaging (MRI) system with a gradient magnet to generate gradient magnetic fields by exciting the gradient coil currents in gradient coils (GC) of a gradient magnet system, the amplifier system comprising a digital controller (Con) for controlling currents of the gradient coil, and the controller (Con) is implemented in the form of a controller
state spaces with feedback in the field of digital data to generate a digital output value (u), with which a pulse-width-modulated voltage is generated to excite the currents of the gradient coil in gradient coils with a predetermined waveform, and the controller (Con) contains an integrating part (G I ) for integrating a control deviation that is generated in the form of a difference between the current of the gradient coil and the reference current,
moreover, the controller (Con) contains a delay equalizer (G STAB ) for generating a digital output value (u) by the integrated control deviation and
moreover, the delay compensator (G STAB ) contains a feedback loop through which the digital output value (u) is fed back and delayed by at least one, two and three synchronization cycles and then subtracted from the digital output value (u).
3. Система цифрового усилителя по п. 2, в которой компенсатор (GSTAB) задержки содержит контур обратной связи, посредством которого цифровое выходное значение (u) подается обратно через передаточную функцию (GUC, GIC) выходного фильтра (F) градиентной катушки для напряжения градиентной катушки (uC) и выходного тока (iC) и затем вычитается из цифрового выходного значения (u). 3. The digital amplifier system of claim 2, wherein the delay equalizer (G STAB ) comprises a feedback loop through which the digital output value (u) is fed back through the transfer function (G UC , G IC ) of the output filter (F) of the gradient coil for the voltage of the gradient coil (u C ) and the output current (i C ) and then subtracted from the digital output value (u). 4. Система цифрового усилителя по п. 2, в которой контроллер (Con) содержит передаточную функцию (GGC), последовательную с цепью задержки для измеряемого значения тока градиентной катушки (iGC) аналогово-цифрового преобразователя (A/D), посредством которых ток градиентной катушки генерируется по цифровому выходному значению (u). 4. The digital amplifier system of claim 2, wherein the controller (Con) comprises a transfer function (G GC ) serial with a delay circuit for a measured value of the current of the gradient coil (i GC ) of an analog-to-digital converter (A / D), by which gradient coil current is generated by a digital output value (u).
RU2013133825/28A 2010-12-20 2011-12-15 State of space controller with feedback in area of digital data for source of power supply of gradient coil for magnet-resonance imaging RU2575050C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP10195839 2010-12-20
EP10195839.5 2010-12-20
PCT/IB2011/055700 WO2012085777A1 (en) 2010-12-20 2011-12-15 State space feedback controller in the digital domain for an mri gradient coil power supply

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013133825A RU2013133825A (en) 2015-01-27
RU2575050C2 true RU2575050C2 (en) 2016-02-10

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2063702C1 (en) * 1992-07-20 1996-07-20 Леонид Аврамович Тютин Method of magnetoresonance tomography and device for its accomplishment
WO2001038893A2 (en) * 1999-11-19 2001-05-31 Koninklijke Philips Electronics N.V. Mri apparatus with a feed forward loop inserted in the gradient loop
US6323649B1 (en) * 1999-09-14 2001-11-27 Picker International, Inc. Modular MRI gradient amplifier using unipolar PWM drive

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2063702C1 (en) * 1992-07-20 1996-07-20 Леонид Аврамович Тютин Method of magnetoresonance tomography and device for its accomplishment
US6323649B1 (en) * 1999-09-14 2001-11-27 Picker International, Inc. Modular MRI gradient amplifier using unipolar PWM drive
WO2001038893A2 (en) * 1999-11-19 2001-05-31 Koninklijke Philips Electronics N.V. Mri apparatus with a feed forward loop inserted in the gradient loop

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WATANABE S ET AL: "Development of digital optimum predictive control implementation for gradient magnetic field current controller in MRI system", POWER CONVERSION CONFERENCE, 2002. PCC-OSAKA 2002. PROCEEDINGS OF THE OSAKA, JAPAN 2-5 APRIL 2002, PISCATAWAY, NJ, USA,IEEE, US, vol. 3, 2 April 2002 (2002-04-02), pages 999-1004, XP010590294, DOI: 10.1109/PCC.2002.998108 ISBN: 978-0-7803-7156-9. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2656092B1 (en) State space feedback controller in the digital domain for an mri gradient coil power supply
US20190227137A1 (en) Magnetic coil power methods and apparatus
JP5611661B2 (en) Magnetic resonance imaging system
RU2504794C2 (en) Digital amplifier with control using direct and feedback links
US8907672B2 (en) Magnetic resonance imaging apparatus and control device of a magnetic resonance imaging apparatus
RU2626026C2 (en) Mri gradient amplifier operating at different rates of rise
RU2616773C2 (en) Mri gradient power system with addition of energy storage
US7253625B2 (en) Precision gradient amplifier with multiple output voltage levels
CN106574953B (en) Gradient amplifier system for driving gradient coils and configuration method
JP2006516439A (en) Precision gradient amplifier with multiple output levels
EP2856193B1 (en) Switching-frequency-controlled switch-mode power supply unit for powering magnetic resonance system gradient coils
Babaloo et al. Nonlinear droop compensation for current waveforms in MRI gradient systems
RU2575050C2 (en) State of space controller with feedback in area of digital data for source of power supply of gradient coil for magnet-resonance imaging
US10962614B2 (en) State space controller and gradient power amplifier
US6400158B1 (en) MRI apparatus with digital control and correction of the gradient current pulses
JP2014045775A (en) Magnetic resonance imaging apparatus
JP6817775B2 (en) Correction device, correction method and magnetic resonance imaging device
Kimmlingen Magnetic field gradients
CN103066948A (en) Control method for given current waveforms of resonance excitation source
Caris Exploring the powerDAC: An asymmetric multilevel approach for high-precision power amplification
JP4298040B2 (en) Power supply apparatus and magnetic resonance imaging apparatus using the same
Nerminer Digital controller design for the gradient amplifier in a MRI scanner
WO2009104116A1 (en) Magnetic resonance imaging apparatus having a switched-mode power supply
JP3741507B2 (en) Power supply apparatus and magnetic resonance imaging apparatus using the same
Chang et al. System identification and signal processing for PID control of B0 shim systems in ultra-high field magnetic resonance applications