ГРАДИЕНТНАЯ СИСТЕМА ПИТАНИЯ MRI С ДОБАВЛЕННЫМ НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ
MRI GRADIENT POWER SYSTEM WITH ADDITION OF ENERGY STORAGE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к формированию магниторезонансных изображений, в частности к источникам питания для градиентных катушек магнитного поля систем формирования магниторезонансных изображений.
Уровень техники
При магниторезонансной визуализации (MRI) обычно используются градиентные усилители для обеспечения током градиентные катушки магнитного поля для предоставления пространственной кодировки спинов атомов, расположенных в магнитном поле. Данные градиентные усилители обычно характеризуются высокой пиковой мощностью и высокой точностью формируемых форм кривых тока.
Однако в течение измерения магниторезонансных сигналов, получаемых от объекта обследования, изображение которого следует сформировать, градиенты поля должны поддерживаться равномерными. Иначе сигналы различных местоположений объекта обследования невозможно будет отличить, и результирующее изображение может быть искаженным.
В патенте US 6552448 раскрыт контроллер управления энергией для использования с последовательно соединенными усилительными модулями, который следит за напряжением питания на накапливающем энергию конденсаторе.
Из заявки на патент Японии JP2009240256 известен источник питания с градиентной катушкой, оснащенный накапливающим мощность конденсатором.
Раскрытие изобретения
Задача вариантов осуществления изобретения состоит в предоставлении способа подачи тока в градиентную катушку, системы подачи питания, градиентного усилителя и компьютерного программного продукта. Упомянутая задача решается посредством объекта изобретения по независимым пунктам формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
В данном документе под данными магниторезонансной визуализации (MRI) понимаются записанные измерения радиочастотных сигналов, излученных спинами атомов и полученных антенной устройства формирования магниторезонансных изображений в течение сканирования при формировании магниторезонансных изображений. В данном документе под магниторезонансным изображением понимается восстановленная двух- или трехмерная визуализация данных формирования магниторезонансных изображений. Данная визуализация может быть выполнена с использованием компьютера.
В одном аспекте изобретение относится к цепи питания, содержащей систему подачи питания, накопитель энергии и градиентный усилитель для подачи тока в градиентную катушку системы формирования магниторезонансных изображений, при этом система подачи питания содержит источник электропитания для подачи первого напряжения в градиентный усилитель для возбуждения градиентной катушки, причем выход градиентного усилителя соединен с градиентной катушкой; при этом накопитель энергии выполнен с входом, соединенным с источником электропитания, причем накопитель энергии выполнен с возможностью подачи второго напряжения в градиентный усилитель, при этом накопитель энергии параллелен градиентному усилителю и источнику электропитания, причем накопитель энергии содержит преобразователь напряжения, выполненный с возможностью управления вторым напряжением так, чтобы компенсировать изменение в первом напряжении, происходящее в результате возбуждения градиентной катушки.
В устройстве MRI из уровня техники цепь питания может использоваться для предоставления тока в градиентную катушку. Цепь питания содержит источник питания и градиентный усилитель, который преобразует свой входной сигнал с использованием источника питания в некоторый уровень первого напряжения, достаточного для возбуждения градиентных катушек. Источник тока обычно оснащается средствами сохранения энергии (то есть накопителями энергии). Средства сохранения энергии содержат по меньшей мере один конденсатор для подачи мощности в градиентный усилитель в течение форм кривых, для которых рассеяние мощности на сопротивлениях градиентных катушек превышает диапазоны мощностей источника питания. Ток градиентной катушки затем проходит через конденсатор, и энергия конденсатора добавляется к энергии источника питания. Однако используется лишь некоторая часть накопленной энергии в данном конденсаторе, потому что градиентный усилитель обладает более низким допустимым пределом по входному напряжению. Снижение входного напряжения градиентного усилителя может происходить из-за рассеяния энергии в градиентной катушке. Чтобы справиться с этой проблемой, настоящее изобретение использует преобразователь напряжения для развязки такого конденсатора и градиентного усилителя. То есть преобразователь напряжения преобразует второе напряжение накопителя энергии так, чтобы второе напряжение подавалось в градиентный усилитель, и сумма энергий конденсатора и источника питания могла использоваться для формирования необходимого магнитного градиентного поля в градиентной катушке. В частности, накопитель энергии с преобразователем напряжения могут быть выполнены с возможностью полной компенсации, внутри предварительно установленного диапазона допустимых значений, изменений в первом напряжении. Это избегает ошибок при градиентной кодировке и таким образом избегает геометрических искажений в восстановленном магниторезонансном изображении. Альтернативно, частичная компенсация изменений в первом напряжении достигает того, что источник электропитания, который подает первое напряжение, может удовлетворять менее строгим требованиям к стабильности. Когда допустимы менее строгие требования к стабильности источника электропитания, поскольку до некоторой степени изменения компенсируются накопителем энергии и преобразователем напряжения, то может использоваться менее дорогая электрическая мощность.
Примером преобразователя напряжения может быть преобразователь постоянного тока в постоянный ток (DC-DC) с управляемым током заряда и разряда.
Согласно одному варианту осуществления накопитель энергии дополнительно содержит конденсатор, соединенный с входом преобразователя напряжения.
Данный конденсатор работает в качестве аккумулятора энергии. Он способен накапливать большое количество энергии, порядка 1-3 килоджоулей, и подавать токи в течение периода времени приблизительно до 100 мс.
Согласно одному варианту осуществления система подачи питания дополнительно содержит питающий конденсатор, соединенный по параллельной схеме с накопителем энергии и градиентным усилителем, при этом питающий конденсатор выполнен с возможностью подачи пиковой мощности в градиентную катушку.
В случае если нагрузке, такой как градиентная катушка, требуется пусковой ток, который намного больше тока источника питания, то может использоваться питающий конденсатор, позволяющий избегать непосредственной подгонки источника питания для удовлетворения данному требованию. Как правило, питающий конденсатор подает величину энергии порядка 100-200 джоулей и использует короткий период времени, порядка 300 мкс, для подачи тока в градиентную катушку.
Согласно одному варианту осуществления изменение в первом напряжении происходит из-за падения напряжения на градиентной катушке, которое превышает максимальную доставляемую мощность источника электропитания. Например, в течение сканирования при формировании изображения, где полная рассеиваемая мощность в градиентной катушке больше максимальной мощности, которую может подать источник питания, не может достигаться номинальное напряжение для градиентной катушки. Таким образом, источник питания достигает своего максимального выходного напряжения.
Согласно одному варианту осуществления система подачи питания дополнительно содержит блок управления для обнаружения изменения в первом напряжении и обеспечение обратной связи для управления вторым напряжением в накопитель энергии на основании обнаруженного изменения.
Согласно одному варианту осуществления накопитель энергии является добавленным модулем к источнику электропитания и/или градиентному усилителю. Будучи добавленным, он может быть помещен в качестве отдельного модуля внутри корпуса градиентного усилителя и/или в корпусе источника питания.
В другом аспекте изобретение относится к градиентному усилителю для подачи тока в градиентную катушку системы формирования магниторезонансных изображений, при этом градиентный усилитель содержит:
накопитель энергии, выполненный с входом, соединенным с источником электропитания, при этом источник электропитания подает первое напряжение в градиентный усилитель для возбуждения градиентной катушки, причем градиентный усилитель соединен параллельно градиентной катушке, причем накопитель энергии выполнен с возможностью подачи второго напряжения в градиентный усилитель, при этом накопитель энергии параллелен градиентному усилителю и источнику электропитания, причем накопитель энергии содержит преобразователь напряжения, выполненный с возможностью управления вторым напряжением так, чтобы компенсировать изменение в первом напряжении, происходящее в результате возбуждения градиентной катушки.
В другом аспекте изобретение относится к системе формирования магниторезонансных изображений, содержащей градиентный усилитель, описываемый выше, и источник электропитания.
В другом аспекте изобретение относится к способу подачи тока в градиентную катушку системы формирования магниторезонансных изображений посредством системы градиентного усиления, при этом способ содержит этапы, на которых:
подают, посредством источника электропитания, первое напряжение в градиентный усилитель для возбуждения градиентной катушки, причем градиентный усилитель соединен параллельно градиентной катушке;
подают второе напряжение в градиентный усилитель посредством накопителя энергии, причем вторым напряжением управляют посредством преобразователя напряжения, содержащегося в накопителе энергии, так, чтобы компенсировать изменение в первом напряжении на градиентной катушке, происходящее в результате возбуждения градиентной катушки, при этом накопитель энергии выполнен с входом, соединенным с источником электропитания, и параллелен градиентному усилителю и источнику электропитания.
В другом аспекте изобретение относится к компьютерному программному продукту, содержащему исполняемые компьютером команды для выполнения этапов способа упомянутого способа по любому из вышеприведенных вариантов осуществления.
Краткое описание чертежей
Далее лишь в качестве примера более подробно будут описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения со ссылкой на чертежи, на которых:
на Фиг. 1 изображена система формирования магниторезонансных изображений,
на Фиг. 2 изображена принципиальная схема для градиентного усилителя,
на Фиг. 3 изображена принципиальная схема градиентного источника питания с добавленным накопителем энергии,
на Фиг. 4 изображены формы кривых для градиентного тока и первого напряжения, и
на Фиг. 5 изображена блок-схема способа подачи тока в градиентную катушку системы формирования магниторезонансных изображений посредством системы градиентного усиления.
Осуществление изобретения
Далее одинаково пронумерованные элементы на данных чертежах либо являются подобными элементами, либо выполняют эквивалентную функцию. Элементы, которые описаны выше, не будут обязательно описаны на последующих чертежах, если их функция будет эквивалентной.
На Фиг. 1 изображена примерная система 100 формирования магниторезонансных изображений (MRI) для формирования изображений пациента 101. Система 100 MRI содержит магнитную установку 103 для формирования магнитных полей, которые будут подаваться на пациента 101. Магнитная установка 103 содержит магнитные катушки 105, выполненные с возможностью создания статического магнитного поля, необходимого для выполнения формирования магниторезонансных изображений, и градиентные катушки 107. Градиентные катушки 107 состоят из градиентной катушки по оси X, градиентной катушки по оси Y и градиентной катушки по оси Z. Это позволяет формировать изображения различных областей пациента 101.
Система 100 MRI дополнительно содержит блок 109 градиентного усилителя и системный контроллер 111. Блок 109 градиентного усилителя включает в себя градиентный усилитель Gx по оси X, градиентный усилитель Gy по оси Y и градиентный усилитель Gz по оси Z. Градиентная катушка 107 соединена с градиентным усилителем 109. Градиентная катушка по оси X, градиентная катушка по оси Y и градиентная катушка по оси Z градиентной катушки 107 соединены, соответственно, с усилителем Gx, усилителем Gy и усилителем Gz градиентного усилителя 109.
Градиентное магнитное поле в направлении оси X, градиентное магнитное поле в направлении оси Y и градиентное магнитное поле в направлении оси Z формируются, соответственно, электрическими токами, подаваемыми в градиентную катушку по оси X, градиентную катушку по оси Y и градиентную катушку по оси Z, соответственно, от усилителя Gx, усилителя Gy и усилителя Gz градиентного усилителя. Контроллер 111 соединен с градиентным усилителем 109.
Контроллер 111 формирует сигналы управления для управления градиентным усилителем. В частности, контроллер 111 может формировать сигналы управления, которые индуцируют блок 109 градиентного усилителя для подачи энергии в градиентные катушки 107. Контроллер 111 соединен с компьютером 115. Компьютер 115 содержит устройство ввода 117, такое как клавиатура, устройство 119 отображения, процессор 121 и запоминающее устройство 123.
Процессор 121 исполняет программы, хранящиеся в запоминающем устройстве 123 компьютера 115. Компьютер 115 выполнен с возможностью приема данных MRI областей, для которых сформированы изображения, от контроллера 111 и отображения области формирования изображений на устройстве 119 отображения. Местоположение области формирования изображений основано на информации выбора от устройства 117 ввода.
На Фиг. 2 изображена упрощенная конструкция градиентного усилителя 200, такого как градиентный усилитель 109. Градиентный усилитель 200 содержит усовершенствованный контроллер 201 градиентного усилителя и цепь 203 питания градиентного усилителя. Усовершенствованный контроллер 201 градиентного усилителя формирует сигналы управления для цепи 203 питания таким образом, что заданное значение 205, принятое в цифровой форме от источника, такого как контроллер системы сбора данных, точно воспроизводится на выходе цепи 203 питания. Цепь 203 питания преобразует потребляемую от сети мощность в высокое напряжение и высокий ток, которые возбуждают градиентную катушку 207.
Контроллер 201 содержит контроллер 209 и модулятор 211. Цифровой контроллер 209 непрерывно диктует модулятору 211 необходимое модуляционное заданное значение с точки зрения выходного напряжения на основании заданного значения 205, фактического и прошлого измеренного выходного тока и граничных условий, таких как напряжения, ослабление фильтра на выходе, и т.д.
Модулятор 211 преобразует модуляционное заданное значение от контроллера 209 в подходящие сигналы широтно-импульсной модуляции (PWM) для всех отдельных блоков управления затворами цепи 203 питания. Эти сигналы PWM оптимизированы для ширины полосы пропускания высокого напряжения и высокой частоты пульсаций при условии, что первое напряжение находится внутри заданных пределов.
Цепь 203 питания состоит из некоторого количества блоков, которые преобразуют потребляемую от сети мощность в подходящие высокое напряжение и высокий ток, которые возбуждают градиентную катушку 207. Источником питания (не показан), обеспечивающим потребляемую от сети мощность, является преобразователь AC/DC (переменного тока в постоянный ток). Далее потребляемая от сети мощность фильтруется, выпрямляется и стабилизируется до номинального напряжения. Цепь 203 питания содержит блок 213 силовой электроники, фильтр 215 и датчик 217 тока. Блок 213 силовой электроники содержит конденсатор 219, который соединен параллельно с мостом 221, переключающим силовой каскад. Мост 221 может быть, например, мостом на полевых транзисторах (MOSFET) со структурой металл-оксид-полупроводник или биполярных транзисторах (IGBT) с изолированным затвором. Переключатели 223 и 225 составляют первый полумост, а 227 и 229 второй полумост. Управление полумостами осуществляется по отдельности посредством широтно-импульсных модуляторов или блока 201 управления.
«Мост», используемый в данном документе, охватывает электрическую схему с источником напряжения и четырьмя переключающими элементами, которые используются для соединения источника напряжения с выходами мостовой схемы. Переключающие элементы позволяют переключать полярность напряжения на выходе мостовой схемой.
Блок 201 управления соединен с четырьмя переключателями 223, 225, 227 и 229 через четыре соответствующие линии 231. Силовой блок 213 формирует точное и управляемое напряжение 233 выходного каскада из потребляемого от сети напряжения посредством широтно-импульсной модуляции. Остаточная пульсация отфильтровывается фильтром 215, и отфильтрованное напряжение 235 подается на градиентную катушку 207 в качестве выходного напряжения. Фильтр может быть, например, фильтром низких частот.
Датчик 217 может создавать сигнал обратной связи в контроллер 209, указывающий магнитное градиентное поле, созданное для градиентной катушки.
Для системы формирования магниторезонансных изображений обычно присутствует один градиентный источник питания такой, какой описан на Фиг. 3, для каждого из трех различных ортогональных направлений.
вх
вых
2
2
На Фиг. 3 изображена упрощенная принципиальная схема цепи питания, такой как цепь 203 питания градиентного усилителя, для питания градиентной катушки 303. Цепь 301 питания изображена выполненной с двумя выходами или соединениями 305 с градиентной катушкой 303. Цепь 301 питания содержит систему 311 подачи питания, градиентный усилитель 307 и питающий конденсатор C2, соединенные по параллельной схеме. Питающий конденсатор C2 выполнен с возможностью доставки пиковой мощности в градиентную катушку 303. Это обычно выполняется за короткий период времени, порядка 300 мкс. В течение этого периода времени может происходить обмен энергий между энергией, накопленной в питающем конденсаторе (0,5*C2*U), и накопленной энергией в градиентной катушке L (0,5*L*I). Вовлеченная энергия относительно мала, порядка 100-200 джоулей.
подачи
накопителя
Система 311 подачи питания содержит источник 309 питания и конденсатор C1. Источник 309 питания выполнен с возможностью подачи первого напряжения U в градиентный усилитель 307 для возбуждения градиентной катушки 303. Выход градиентного усилителя соединен с градиентной катушкой. Конденсатор C1 соединен с источником 309 питания через преобразователь 313 напряжения, и он выполнен с возможностью подачи второго напряжения U в градиентный усилитель 307. По такому принципу больше мощности, чем доступно от источника 309 питания, может быть доставлено в градиентный усилитель в течение ограниченного периода времени.
накопителя
накопителя
преобразователя
преобразователя
накопителя
вх
Преобразователь 313 напряжения выполнен с возможностью управления вторым напряжением U так, чтобы компенсировать изменение в первом напряжении, происходящее в результате возбуждения градиентной катушки, например, в течение форм кривых, когда рассеяние мощности в градиентной катушке 303 превышает диапазон мощностей источника 309 питания. В примере на Фиг. 3 преобразователь 313 напряжения преобразует входное напряжение U в выходное напряжение U во время управления током I. По такому принципу, напряжение U на конденсаторе C1 становится независимым от напряжения U в градиентном усилителе 307 посредством преобразователя 313 напряжения.
вх
Конденсатор C1 накапливает существенно большее количество энергии, порядка 1-3 килоджоулей. Его время разряда намного больше (до 100 мс) времени разряда конденсатора C2. Преобразователь 313 напряжения может быть, например, преобразователем DC-DC (постоянного тока в постоянный ток) с управляемым током заряда и разряда. В зависимости от требуемого рабочего диапазона U (первого напряжения) и напряжения на конденсаторе C1 (второго напряжения) понижающий-повышающий преобразователь или повышающий преобразователь могут использоваться в качестве топологий преобразователей, однако также могут использоваться и другие известные топологии. Преимущество использования преобразователя 313 напряжения будет дополнительно подробно рассмотрено со ссылкой на Фиг. 4.
вых
вх
вх
вх
ном
На Фиг. 4 изображены формы кривых для градиентного тока I 401 и первого напряжения U 403 в зависимости от времени 421 для систем из уровня техники без преобразователя 313 напряжения. Формируются два последовательных импульса 405 и 407 градиентного тока. Первый импульс 405 имеет высокую амплитуду и крутой нарастающий фронт 409. Дополнительно, полное рассеяние мощности в градиентной катушке 303 больше доступной мощности от источника 309 питания. В результате напряжения U падает, в то время как конденсаторы C1+C2 доставляют энергию в градиентный усилитель 307. В конце 411 первого градиентного импульса 405 напряжение U падает до x% U 415 от своего номинального значения 413.
вых
ном
ном
ном
2
2
2
Как следствие, спадающий фронт 417 первого импульса 405 и нарастающий фронт 419 второго импульса 407 градиентного тока оказываются ограниченными, потому что градиентный усилитель 307 имеет более низкое входное напряжение, и следовательно максимальное значение |U| также уменьшаются. То есть конденсатор C1+C2 рассчитывается на накапливаемую энергию в 0,5*(C1+C2)*U, из которой только 0,5*(C1+C2)*(U-x%U) является полезной и доставляется в градиентный усилитель 307. Для больших значений x, которые могут понадобиться для возможности формировать крутые фронты, использование накопленной энергии в C1+C2 является меньшим. Для x=80, что на практике является минимумом, только 36% накопленной энергии доставляется в градиентный усилитель и нагрузку. Для x=90, эта величина составляет только 19%.
вх
Быстро нарастающий фронт в момент времени 423 второго импульса градиентного тока может достигаться посредством высокого входного напряжения U в момент времени 423, которое в свою очередь может достигаться посредством большого диапазона мощностей источника питания и/или большой емкости C1+C2 и/или короткой продолжительности первого импульса. При одинаковом диапазоне мощностей источника питания и одной и той же продолжительности первого градиентного импульса необходимо увеличить емкость C1+C2, если требуется более быстро нарастающий фронт для второго градиентного импульса. Однако, необходимая емкость C1+C2 и стоимость этих накапливающих конденсаторов высоки для больших значений x (то есть при малом падении напряжения), как описано выше. Это преодолевается посредством использования преобразователя 313 напряжения. Фактически настоящий способ отделяет C1 от C2 и осуществляет оптимальное использование накопленной энергии в C1, потому что полезная энергия, которая может быть доставлена в градиентный усилитель 307, может оказаться независимой от допустимого падения напряжения. Преобразователь 313 напряжения выполнен с возможностью управления вторым напряжением так, чтобы компенсировать данное падение напряжения.
Фиг. 5 является блок-схемой способа подачи тока в градиентную катушку системы формирования магниторезонансных изображений посредством системы градиентного усиления. На этапе 501 источник электропитания подает первое напряжение в градиентный усилитель для возбуждения градиентной катушки. Градиентный усилитель соединен параллельно градиентной катушке. Может возникать изменение в первом напряжении на градиентной катушке, происходящее в результате возбуждения градиентной катушки, например, из-за внутреннего сопротивления схемы. Блок управления может обнаруживать изменение в первом напряжении и обеспечивать обратную связь так, чтобы накопитель энергии подавал, на этапе 503, второе напряжение в градиентный усилитель таким образом, чтобы компенсировать данное изменение. Управление вторым напряжением осуществляется посредством преобразователя напряжения, содержащегося в накопителе энергии.
Перечень ссылочных позиций:
100 - система MRI
101 - пациент
103 - магнитная установка
105 - магнитная катушка
107 - градиентная катушка
109 - градиентный усилитель
111 - контроллер
115 - компьютер
117 - устройство ввода
119 - устройство отображения
121 - процессор
123 - запоминающее устройство
200 - градиентный усилитель
201 - контроллер градиентного усилителя
203 - цепь питания
205 - заданное значение
207 - градиентная катушка
209 - контроллер
211 - модулятор
213 - силовой блок
215 - фильтр
217 - датчик
219 - конденсатор
221 - мост
223-229 - переключатели
231 - линия
233 - выходное напряжение
235 - отфильтрованное напряжение
301 - цепь питания
303 - градиентная катушка
305 - соединение
307 - градиентный усилитель
309 - источник питания
311 - система подачи питания
313 - преобразователь напряжения
501-503 – этапы.