УПРАВЛЯЕМЫЙ ПОСРЕДСТВОМ ЧАСТОТЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЙ ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ДЛЯ ПИТАНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ КАТУШЕК СИСТЕМЫ МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
SWITCHING POWER SOURCE CONTROLLED BY FREQUENCY SWITCHING FOR POWERING GRADIENT COILS OF MAGNETIC RESONANCE SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к блоку источника питания для питания градиентной катушки системы магнитно-резонансного (МР) исследования и к способу эксплуатации блока источника питания посредством управления частотой переключений.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области техники магнитно-резонансной визуализации (МРВ, MRI) известно использование импульсных преобразователей мощности с целью питания градиентных катушек систем МР-исследования. Импульсные преобразователи мощности используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ, PWM) на фиксированной эффективной основной частоте переключений, например, в диапазоне от 20 до 100 кГц. Более высокие гармоники фиксированной эффективной основной частоты переключений могут создавать помехи для сигналов измерения МР в пределах полосы частот сигналов измерения МР визуализации и/или спектроскопии, либо для протонов (ядер водорода), либо для других ядер, ухудшая тем самым качество сигнала измерения МР. Импульсный преобразователь мощности обычно оснащен выходным фильтром для каждой оси градиентной катушки с целью достижения достаточного затухания более высоких гармоник.
14
При осуществлении многочастичного ядерного МР сканирования частота сигнала измерения МР может быть не выше чем 4,6 МГц, например, для ядер N при напряженности магнитного поля главного магнита системы МР-исследования в 1,5 Тл. В подобных этому случаях достижение достаточного затухания более высоких гармоник станет трудным. Слишком большая фильтрация может в результате привести к слишком большой потере амплитуды мощности градиентной катушки. Это является недостатком, поскольку целью блока источника питания является поставка максимально возможной мощности на градиентную(ые) катушку(и). В качестве одного другого недостатка потеря мощности в результате приводит к рассеянию мощности внутри фильтра, который должен вследствие этого охлаждаться, так что становится необходимым наличие дополнительного аппаратного обеспечения, что влечет дополнительные затраты.
Проблема становится особенно ярко выраженной при многочастичных ядерных МР измерениях, при которых частоты сигнала измерения МР находятся в пределах диапазона частот сигналов измерения МР относительно узкой полосы пропускания в, например, несколько сотен Гц. Неизбежный временной дрейф напряженности магнитного поля главного магнита будет менять частоты сигнала измерения МР, так что одна из гармоник основной частоты переключений может попасть в частотный диапазон частоты сигнала измерения МР.
Вследствие этого желательным является недопущение этого типа помех в системах МР-исследований.
Патент США 5546001 описывает систему МРВ, включающую в себя генератор сигналов переключения, подающий сигнал переключения на градиентные источники питания ШИМ-типа, каждый из которых включает в себя схему ШИМ, переключатель питания и схему переключения, и изменяющий свою частоту переключений с целью надлежащего предотвращения шумов, которые могут возникать по причине компонентов более высоких гармоник частоты переключений, попадающих в пределы полосы частот изображения, посредством чего в реконструированном изображении МРВ может быть сгенерирован линейный артефакт, называемый «Fl-шумы».
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Вследствие этого целью настоящего изобретения является обеспечение блока источника питания для питания, по меньшей мере, одной градиентной катушки системы магнитно-резонансного (МР) исследования с главным магнитом, имеющим в, по меньшей мере, одном эксплуатационном состоянии, по существу, постоянную напряженность магнитного поля, и с шириной полосы частот сигналов измерения МР, способной не допустить упомянутых выше помех между сигналами измерения МР и более высокими гармониками основной частоты переключений, независимо от уровня шумов полученного изображения магнитного резонанса.
В одном аспекте настоящего изобретения, данная цель достигается посредством блока источника питания, содержащего:
импульсный преобразователь мощности для питания, по меньшей мере, одной градиентной катушки, содержащий, по меньшей мере, один элемент переключения, обеспеченный с возможностью переключения между конфигурацией состояния проводимости и конфигурацией состояния фактической непроводимости на первой основной частоте переключений;
блок управления импульсами, выполненный с возможностью обеспечения импульсов переключения на первой основной частоте переключений для управления переключением, по меньшей мере, одного элемента переключения;
блок индикации помех, обеспеченный с возможностью приема сигнала ввода, соответствующего амплитуде гармоники первой основной частоты переключений в пределах ширины полосы частот сигналов измерения способом магнитного резонанса, и выполненный с возможностью генерирования инициирующего сигнала, а также обеспечения инициирующего сигнала на блок управления импульсами, если амплитуда гармоники превышает предварительно определенное пороговое значение;
причем при инициировании посредством инициирующего сигнала блок управления импульсами обеспечивается с возможностью изменения первой основной частоты переключений на, по меньшей мере, вторую основную частоту переключений.
Вследствие этого могут не допускаться помехи между сигналами измерения МР и гармониками основной частоты переключений, и качество сигнала измерения МР может быть улучшено.
Сигнал ввода, принятый посредством блока индикации помех, может, в предпочтительном варианте, быть обеспеченным посредством какого-либо другого блока управления системы МР-исследования. Тем самым может быть достигнуто то, что изменение первой основной частоты переключений осуществляется только при наличии необходимости для улучшения качества сигнала измерения МР. В дополнение к этому, может непрерывно осуществляться управление уровнем помех между сигналами измерения МР и более высокими гармониками основной частоты переключений с целью предотвращения внезапного ухудшения качества сигнала в процессе осуществления МР-исследования по причине дрейфа напряженности магнитного поля главного магнита.
В одном другом аспекте настоящего изобретения, блок управления импульсами обеспечивается с возможностью изменения первой основной частоты переключений, по меньшей мере, дважды на предварительно определенную величину. Тем самым может быть достигнуто легкое и экономически выгодное осуществление решения по улучшению качества сигнала измерения МР посредством недопущения помех. В предпочтительном варианте, для этих целей обеспечивают некоторое количество, равное или более трех потенциальных основных частот переключений. Улучшение качества сигнала измерения МР затем может выполняться методом проб и ошибок с учетом условий ситуации. В еще одном другом аспекте настоящего изобретения, блок управления импульсами обеспечивается с возможностью определения величины, которой должна быть заменена первая основная частота переключений, исходя из типа исследуемого ядра, напряженности постоянной напряженности магнитного поля главного магнита, а также первой основной частоты переключений. Вследствие этого может быть осуществлено намеренное и направленное определение величины изменения частоты, и время для улучшения качества сигнала измерения МР может быть сокращено.
Одной другой целью настоящего изобретения является обеспечение системы градиента магнитного поля для системы магнитно-резонансного (МР) исследования, содержащей, по меньшей мере, один из упомянутых выше вариантов осуществления блока источника питания и, по меньшей мере, одну градиентную катушку. Тем самым, может быть осуществлена система градиента магнитного поля, которая не допускает ошибок кодирования и, следовательно, артефактов изображения по причине низкого соотношения сигнал/шум, обеспечивая, таким образом, надежное и безошибочное пространственное кодирование сигнала магнитного резонанса системы МР-исследования.
В одном другом аспекте настоящее изобретение относится к способу эксплуатации блока источника питания, в частности, для питания, по меньшей мере, одной градиентной катушки системы магнитно-резонансного (МР) исследования с главным магнитом, имеющим в, по меньшей мере, одном эксплуатационном состоянии, по существу, постоянную напряженность магнитного поля, и с шириной полосы частот сигналов измерения МР, причем блок источника питания содержит:
импульсный преобразователь мощности для питания, по меньшей мере, одной градиентной катушки, содержащий, по меньшей мере, один элемент переключения, обеспеченный с возможностью переключения между конфигурацией состояния проводимости и конфигурацией состояния фактической непроводимости на первой основной частоте переключений;
блок управления импульсами, выполненный с возможностью обеспечения импульсов переключения на первой основной частоте переключений для управления переключением, по меньшей мере, одного элемента переключения;
причем при инициировании посредством инициирующего сигнала блок управления импульсами обеспечивается с возможностью изменения первой основной частоты переключений, по меньшей мере, на вторую основную частоту переключений, причем способ содержит нижеследующие этапы, на которых:
- определяют амплитуду гармоники первой основной частоты переключений в пределах ширины полосы частот сигналов измерения МР;
- обеспечивают инициирующий сигнал на блок управления импульсами, если амплитуда гармоники превышает предварительно определенное пороговое значение; и
- при осуществлении инициирования посредством инициирующего сигнала блок управления импульсами меняет первую основную частоту переключений, по меньшей мере, на вторую основную частоту переключений.
В еще одном другом аспекте настоящее изобретение относится к модулю программного обеспечения, обеспеченному для эксплуатации блока источника питания, в частности блока источника питания для питания, по меньшей мере, одной градиентной катушки системы магнитно-резонансного (МР) исследования с главным магнитом, имеющим в, по меньшей мере, одном эксплуатационном состоянии, по существу, постоянную напряженность магнитного поля, и с шириной полосы частот сигналов измерения МР. Блок источника питания обеспечивается импульсным преобразователем мощности для питания, по меньшей мере, одной градиентной катушки, содержащим, по меньшей мере, один элемент переключения, обеспеченный с возможностью переключения между конфигурацией состояния проводимости и конфигурацией состояния фактической непроводимости на первой основной частоте переключений; блоком управления импульсами, выполненным с возможностью обеспечения импульсов переключения на первой основной частоте переключений для управления переключением, по меньшей мере, одного элемента переключения; и блоком индикации помех, обеспеченным с возможностью приема сигнала ввода, соответствующего амплитуде гармоники первой основной частоты переключений в пределах ширины полосы частот сигналов измерения способом магнитного резонанса, и выполненным с возможностью генерирования инициирующего сигнала, а также обеспечения инициирующего сигнала на блок управления импульсами, если амплитуда гармоники превышает предварительно определенное пороговое значение. При инициировании посредством инициирующего сигнала блок управления импульсами обеспечивается с возможностью изменения первой основной частоты переключений, по меньшей мере, на вторую основную частоту переключений, так чтобы выполнять нижеследующие этапы, на которых:
- определяют амплитуду гармоники первой основной частоты переключений в пределах ширины полосы частот сигналов измерения МР;
- обеспечивают инициирующий сигнал на блок управления импульсами, если амплитуда гармоники превышает предварительно определенное пороговое значение; и
- при осуществлении инициирования посредством инициирующего сигнала блок управления импульсами меняет первую основную частоту переключений, по меньшей мере, на вторую основную частоту переключений;
причем этапы способа преобразуются в программный код, осуществляемый в и выполняемый посредством блока управления импульсами блока источника питания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидными и будут разъяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные далее в настоящем документе. Однако такой вариант осуществления необязательно представляет полный объем изобретения, и, вследствие этого, при этом для интерпретации объема изобретения делается ссылка на формулу изобретения и чертежи, в которых:
Фиг. 1 демонстрирует блок-схему системы магнитно-резонансного (МР) исследования, содержащей систему градиента магнитного поля с блоком источника питания в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 2 иллюстрирует схематический вид деталей блока источника питания согласно фиг. 1;
Фиг. 3 иллюстрирует условия помех между более высокой гармоникой фиксированной эффективной основной частоты переключений блока источника питания согласно фиг. 1 и фиг. 2 и сигналами измерения МР; и
Фиг. 4 иллюстрирует эффект способа эксплуатации блока источника питания согласно фиг. 1 и фиг. 2 и в соответствии с настоящим изобретением, направленный на недопущение помех.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг. 1 демонстрирует блок-схему системы 110 магнитно-резонансного (МР) исследования, содержащей МР-сканер 112 и систему 126 градиента магнитного поля с блоком 130 источника питания в соответствии с настоящим изобретением и с градиентной катушкой 128. Система 110 МР-исследования включает в себя главный магнит 114, имеющий в, по меньшей мере, одном эксплуатационном состоянии, по существу, постоянную напряженность магнитного поля, демонстрирующую временной дрейф по причине неизбежных потерь в сверхпроводящем главном магните, эксплуатируемом в непрерывном режиме, и по причине варьирующихся внешних условий. Главный магнит 114 имеет отверстие, обеспечивающее область исследования 116 для размещения в ней объекта, обычно пациента. Градиентная катушка 128 выполнена концентрически внутри отверстия главного магнита 114. Блок 118 управления системой МР системы 110 МР-исследования с блоком 120 текущего контроля обеспечивается с возможностью управления функциями МР-сканера 112, как это общеизвестно в области техники.
SW
Фиг. 2 иллюстрирует схематический вид деталей блока 130 источника питания согласно фиг. 1. Блок 130 источника питания содержит импульсный преобразователь 134 мощности для питания градиентной катушки 128. Импульсный преобразователь 134 мощности содержит две пары фактически идентичных элементов переключения, выполненных в виде H-моста, как это общеизвестно специалисту в области техники. Элементы переключения формируются посредством полупроводниковых переключателей и обеспечиваются с возможностью переключения в соответствии с управлением с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, PWM) между конфигурацией состояния проводимости и конфигурацией состояния фактической непроводимости на первой основной частоте переключений f в предварительно определенном временном отношении друг к другу, как хорошо известно специалисту в области техники.
SW
Блок 130 источника питания содержит блок 132 управления импульсами, выполненный с возможностью обеспечения импульсов переключения на первой основной частоте переключений f для управления переключением элементов переключения. Из соображений ясности линии, требуемые для передачи импульсов переключения от блока 132 управления импульсами на полупроводниковые переключатели, только намечены на фиг. 2.
Полупроводниковые переключатели продемонстрированы на фиг. 2 как транзисторы IGBT, но могут быть, в общем, выполнены как транзисторы MOSFET или какой-либо любой другой полупроводниковый переключатель, который представляется подходящим для специалиста в области техники.
Градиентная катушка 128 является соединенной каждым из своих двух концов с портами 136 выхода мощности, представляющими собой два узла, так что ток, протекающий через градиентную катушку 128, представляет собой фильтрованный с помощью фильтра нижних частот ток выходных линий типа H-моста.
SW
SW
SW
Как проиллюстрировано на фиг. 3, выходная амплитуда импульсного преобразователя 134 мощности, эксплуатируемого на первой основной частоте переключений f, также содержит гармоники 38 первой основной частоты переключений f, чьи частоты представляют собой целые кратные первой основной частоте переключений f. Амплитуды гармоник 38 зависят, в соответствии с теоремой анализа Фурье, от точной формы волны выхода импульсного источника питания, но не будут более детально рассматриваться в настоящем документе.
1
14
13
31
Система 110 МР-исследования, продемонстрированная на фиг. 1, выполнена с возможностью использования для исследования многочастичных ядер для ядер H и ядер N. В общем, в дополнение к этому или альтернативно могут также быть исследованы другие выбранные частицы ядер, такие как C или P. Сигналы измерения МР, полученные посредством МР-сканера 112 и подвергшиеся выборке и обработке посредством блока 118 управления системой МР, содержатся в полосе 40 приема многочастичных ядер с шириной полосы частот в 1 кГц (фиг.3), центрированной относительно частоты в 4,6 МГц (на фиг. 3 ширина полосы 40 приема указана без соблюдения масштаба).
L
SW
При частоте Лармора f ядер, пропорциональной напряженности магнитного поля, и по причине временного дрейфа напряженности магнитного поля главного магнита 114, полоса 40 приема также будет смещаться дрейфом в течение времени эксплуатации МР-сканера 112. Таким образом, одна из гармоник 38 первой основной частоты переключений f может попадать в пределы полосы 40 приема и, тем самым, создавать помехи сигналам измерения МР. Это условие обозначено на фиг. 3.
SW
SW
Как продемонстрировано на фиг. 1, блок 118 управления системой МР содержит средство 122 анализа с использованием FFT (быстрого преобразования Фурье) для анализа спектра частот сигналов измерения МР и с целью определения амплитуды гармоники 38 первой основной частоты переключений f в пределах полосы 40 приема измерения МР. Средство 122 анализа содержит выходную линию 124, обеспеченную с возможностью передачи выходного сигнала, соответствующего амплитуде одной из гармоник 38 первой основной частоты переключений f в пределах полосы 40 приема измерения МР.
SW
Выходная линия 124 является соединенной с блоком 144 индикации помех блока 130 источника питания. Блок 144 индикации помех обеспечивается с возможностью приема выходного сигнала средства 122 анализа в качестве сигнал ввода посредством выходной линии 124. Предварительно определенное пороговое значение сохраняется внутри памяти блока 144 индикации помех. Блок 144 индикации помех выполнен с возможностью генерирования инициирующего сигнала 142, а также обеспечения инициирующего сигнала 142 на блок 132 управления импульсами, если амплитуда гармоники 38 первой основной частоты переключений f, попадающей в пределы полосы 40 приема измерения МР, превышает предварительно определенное пороговое значение.
SW
SW'
Блок 132 управления импульсами обеспечивается, при инициировании посредством инициирующего сигнала 142, с целью изменения первой основной частоты переключений f на, по меньшей мере, вторую основную частоту переключений f (фиг.4). С этой целью блок 132 управления импульсами оборудован модулем 152 программного обеспечения (фиг.1), в котором этапы способа эксплуатации блока 130 источника питания преобразуются в программный код, осуществляемый в и выполняемый посредством блока 132 управления импульсами блока 130 источника питания.
SW
SW
SW
Блок 132 управления импульсами обеспечивается с возможностью определения величины ∆f, которой должна быть заменена первая основная частота переключений f, исходя из типа исследуемого ядра, напряженности постоянной напряженности магнитного поля главного магнита 114, а также первой основной частоты переключений f, в соответствии с формулой:
SW
SW
L
2
Δf = (f)/(f * N)
SW
L
в которой N обозначает обратную величину от части частотного интервала между двумя гармониками 38 первой основной частоты переключений f. Тип ядер и напряженность магнитного поля главного магнита 114, как описано выше, являются включенными в частоту Лармора f ядер.
SW
L
SW
SW
SW
SW
При первой основной частоте переключений f в 100 кГц, частоте Лармора f в 4,6 МГц и произвольном выборе N = 6 величина Δf для первой основной частоты переключений f, назначенной к изменению исходя из результатов, должна в результате составить 362 Гц. В сравнении с первой основной частотой переключений f величина Δf является довольно малой и, таким образом, для импульсного преобразователя 134 мощности, исходя из этого изменения, не возникает никаких дополнительных требований, например, касательно ширины полосы частот.
SW
SW
SW
SW
SW
SW
SW
Таким образом, при осуществлении инициирования посредством инициирующего сигнала 142, блок 132 управления импульсами обеспечивается с возможностью изменения первой основной частоты переключений f со 100 кГц на вторую основную частоту переключений f’ в 100,362 кГц (фиг. 4). Это осуществит сдвиг гармоники 38, попадающей в пределы полосы 40 приема, на величину Δf в f/N = 16,7 кГц. Результат изменения первой основной частоты переключений f на вторую основную частоту переключений f’ проиллюстрирован на фиг. 4. Эффект явно видим по сравнению с условием неизмененной первой основной частоты переключений f, продемонстрированной на фиг. 3.
SW
SW
SW
Если одна из гармоник 38 все еще попадает в полосу 40 приема, инициирующий сигнал 142 будет поддерживаться средством 122 анализа блока 118 управления системой МР. В этом случае блок 132 управления импульсами обеспечивается с возможностью изменения первой основной частоты переключений f, по меньшей мере, во второй раз на предварительно определенную величину Δf, так что гармоника 38, попадающая в пределы полосы 40 приема, будет сдвинута на еще 16,7 кГц. В обычной ситуации этого будет достаточно, чтобы устранить помехи, но в зависимости от выбранного значения N, блок 132 управления импульсами обеспечивается с возможностью сдвига первой основной частоты переключений f более чем дважды, до тех пор пока не будет достигнут желаемый результат, управляемый посредством инициирующего сигнала 142, обеспечиваемого посредством средства 122 анализа.
Хотя настоящее изобретение было проиллюстрировано и детально описано в чертежах и вышеизложенном описании, такое иллюстрирование и описание должны рассматриваться как иллюстративные или приводимые в качестве примера, а не ограничительные; настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и воплощены специалистами в области техники при осуществлении заявленного изобретения на практике, исходя из изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов, а указание на единственное число (неопределенный артикль «a» или «an» в английском варианте) не исключает множественности. Сам факт того, что определенные критерии перечисляются во взаимно различающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что не может быть использована с пользой комбинация этих критериев. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться, как ограничивающие ее объем.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10 Система магнитно-резонансного (МР) томографического исследования
12 МР-сканер
14 Главный магнит
16 Область исследования
18 Блок управления системой МР
20 Блок текущего контроля
22 Средство анализа
24 Выходная линия
26 Система градиента магнитного поля
28 Градиентная катушка
30 Блок источника питания
32 Блок управления импульсами
34 Импульсный преобразователь мощности
36 Порт выхода
38 Гармоника
40 Полоса приема многочастичных ядер
42 Инициирующий сигнал
44 Блок индикации помех
46 Блок выбора основной частоты переключений
48 Нажимная кнопка
50 Нажимная кнопка мгновенного действия
52 Модуль программного обеспечения
SW
f Основная частота переключений
L
f Частота Лармора