梯度系統(tǒng)及梯度磁場控制方法、核磁共振成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種梯度系統(tǒng)及梯度磁場控制方法、核磁共振成像系統(tǒng)，其中，所述基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)至少包括：檢測模塊，用于根據(jù)所述梯度磁場的磁通量變化，檢測并反饋相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢；第一比較器；第一調(diào)節(jié)器；第二比較器；梯度線圈；傳感器，連接于所述梯度線圈，用于檢測并反饋所述梯度電流；梯度放大器，連接于所述第二比較器、所述梯度線圈和所述傳感器，用于將所述第二比較器輸出的控制電流和所述傳感器反饋的梯度電流比較后得到的電流誤差量進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)所述梯度線圈產(chǎn)生相應(yīng)的梯度電流，從而控制所述梯度磁場。本發(fā)明的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對渦流損耗的自動(dòng)補(bǔ)償，從而使梯度磁場的控制更加精準(zhǔn)。
【專利說明】梯度系統(tǒng)及梯度磁場控制方法、核磁共振成像系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及核磁共振成像【技術(shù)領(lǐng)域】，主要涉及基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系 統(tǒng)，具體地說是一種梯度系統(tǒng)及梯度磁場控制方法、核磁共振成像系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 核磁共振成像（Ma即etic Resonance Imaging, MRI)是利用生物體磁性核在磁場 中的共振特性進(jìn)行成像的影像技術(shù)。它具有無電離福射、無損傷、高分辨率、高對比度、多參 數(shù)成像W及任意方位截面成像等特點(diǎn)，在醫(yī)療成像領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
[0003] MRI系統(tǒng)主要由磁體系統(tǒng)、梯度系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)W及信號(hào)采集和圖形重建系統(tǒng)等組 成。其中，磁體系統(tǒng)用于為MRI系統(tǒng)提供均勻穩(wěn)定的主磁場；而梯度系統(tǒng)用于為MRI系統(tǒng)提 供線性度滿足要求的、可快速開關(guān)的梯度磁場，疊加在主磁場上，W便動(dòng)態(tài)地修改主磁場， 實(shí)現(xiàn)成像體素的空間定位。
[0004] 梯度系統(tǒng)主要由梯度控制器、梯度放大器W及梯度線圈等構(gòu)成。其中，梯度放大器 是梯度系統(tǒng)的重要組成部分，它負(fù)責(zé)放大前級(jí)梯度控制器發(fā)出的參考信號(hào)，驅(qū)動(dòng)后級(jí)的梯 度線圈，在成像空間中產(chǎn)生線性變化的梯度磁場，用于實(shí)現(xiàn)片選、頻率編碼和相位編碼等功 能，其典型輸出波形為梯形波。
[0005] 目前大多數(shù)梯度放大器采用的都是單閉環(huán)控制方式，閉環(huán)控制量一般為梯度線圈 上的實(shí)際梯度電流，該是由于梯度磁場是由快速變化的梯度電流所產(chǎn)生的，因此對梯度磁 場的控制就是對梯度電流的控制。梯度放大器主要由調(diào)節(jié)器、調(diào)制器和輸出級(jí)構(gòu)成，其控制 原理如圖1所示，從梯度線圈上反饋的實(shí)際梯度電流與參考電流比較后，依次經(jīng)過調(diào)節(jié)器、 調(diào)制器后由輸出級(jí)放大輸出，W驅(qū)動(dòng)梯度線圈產(chǎn)生不同的梯度電流，從而控制梯度磁場。然 而該種控制策略只關(guān)注了梯度放大器本身的控制效果，而并未對實(shí)際梯度電流在梯度線圈 中產(chǎn)生的梯度磁場做出評估。當(dāng)梯度電流變化時(shí)，會(huì)在磁體內(nèi)部產(chǎn)生潤流，實(shí)際產(chǎn)生的梯度 磁場會(huì)因此發(fā)生崎變，如圖2所示，實(shí)線為梯度電流，虛線為梯度磁場。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)通過譜儀產(chǎn)生具有補(bǔ)償作用的參考電流指令信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對梯度磁場曲線 的開環(huán)調(diào)節(jié)，如圖3所示，實(shí)線為梯度電流，虛線為梯度磁場，可W明顯的看到，譜儀產(chǎn)生的 參考電流指令信號(hào)使得梯度電流在某些時(shí)刻產(chǎn)生突變，從而抵消梯度磁場的崎變，補(bǔ)償潤 流帶來的損耗。然而該種方法雖然能有效地對損耗進(jìn)行補(bǔ)償，但補(bǔ)償參數(shù)只能通過離線方 法獲取，然后通過對補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行一系列的測量和計(jì)算后確定譜儀產(chǎn)生的參考電流指令信 號(hào)；由于該樣得到的信號(hào)無法驗(yàn)證補(bǔ)償效果，對于梯度磁場的控制精度可能較低，因此不能 在所有梯度波形下都達(dá)到準(zhǔn)確的補(bǔ)償效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于W上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種梯度系統(tǒng)及梯度磁場 控制方法、核磁共振成像系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中僅通過梯度放大器離線補(bǔ)償梯度電流， 對于梯度磁場的控制精度低等問題。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯 度系統(tǒng)，用于提供疊加在主磁場上的梯度磁場，其中，所述基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度 系統(tǒng)至少包括：
[0009] 檢測模塊，用于根據(jù)所述梯度磁場的磁通量變化，檢測并反饋相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng) 勢；
[0010] 第一比較器，連接于參考電動(dòng)勢、所述檢測模塊，用于將所述參考電動(dòng)勢和所述檢 測模塊反饋的感應(yīng)電動(dòng)勢進(jìn)行比較，W輸出控制電動(dòng)勢；
[0011] 第一調(diào)節(jié)器，連接于所述第一比較器，用于根據(jù)所述第一比較器輸出的控制電動(dòng) 勢進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，W輸出電流調(diào)節(jié)量；
[0012] 第二比較器，連接于參考電流、所述第一調(diào)節(jié)器，用于將所述參考電流和所述第一 調(diào)節(jié)器輸出的電流調(diào)節(jié)量進(jìn)行比較，W輸出控制電流；
[0013] 梯度線圈，用于在被驅(qū)動(dòng)后產(chǎn)生梯度電流，從而產(chǎn)生梯度磁場；
[0014] 傳感器，連接于所述梯度線圈，用于檢測并反饋所述梯度電流；
[0015] 梯度放大器，連接于所述第二比較器、所述梯度線圈和所述傳感器，用于將所述第 二比較器輸出的控制電流和所述傳感器反饋的梯度電流比較后得到的電流誤差量進(jìn)行放 大，W驅(qū)動(dòng)所述梯度線圈產(chǎn)生相應(yīng)的梯度電流，從而控制所述梯度磁場。
[0016] 優(yōu)選地，所述梯度放大器至少包括：
[0017] 第H比較器，連接于所述第二比較器、所述傳感器，用于將所述第二比較器輸出的 控制電流和所述傳感器反饋的梯度電流進(jìn)行比較，W輸出電流誤差量；
[0018] 第二調(diào)節(jié)器，連接于所述第H比較器，用于根據(jù)所述第H比較器輸出的電流誤差 量進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，W輸出電壓調(diào)節(jié)量；
[0019] 驅(qū)動(dòng)器，連接于所述第二調(diào)節(jié)器，用于根據(jù)所述第二調(diào)節(jié)器輸出的電壓調(diào)節(jié)量產(chǎn) 生驅(qū)動(dòng)電流；
[0020] 變換器，連接于所述驅(qū)動(dòng)器，用于將所述驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行放大輸出，W 驅(qū)動(dòng)所述梯度線圈產(chǎn)生相應(yīng)的梯度電流。
[0021] 優(yōu)選地，所述檢測模塊至少包括；設(shè)于所述梯度磁場內(nèi)的感應(yīng)線圈。
[0022] 優(yōu)選地，所述基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)還包括：
[0023] 譜儀，用于提供所述參考電流；
[0024] 運(yùn)算模塊，與所述譜儀連接，用于根據(jù)所述譜儀提供的參考電流進(jìn)行運(yùn)算，W得到 所述參考電動(dòng)勢。
[00巧]本發(fā)明還提供一種核磁共振成像系統(tǒng)，其中，所述核磁共振成像系統(tǒng)至少包括：
[0026] 如上所述的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)，用于提供疊加在主磁場上的梯 度磁場。
[0027] 本發(fā)明還提供一種基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度磁場控制方法，采用如上所述 的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)，其中，所述基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度磁場 控制方法至少包括：
[002引預(yù)先提供一參考電流和一參考電動(dòng)勢；
[0029] 由檢測模塊根據(jù)所述梯度磁場的磁通量變化，檢測并反饋相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢；
[0030] 由第一比較器將所述參考電動(dòng)勢和所述檢測模塊反饋的感應(yīng)電動(dòng)勢進(jìn)行比較，W 輸出控制電動(dòng)勢；
[0031] 由第一調(diào)節(jié)器根據(jù)所述第一比較器輸出的控制電動(dòng)勢進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，W輸出電流 調(diào)節(jié)量；
[0032] 由第二比較器將所述參考電流和所述第一調(diào)節(jié)器輸出的電流調(diào)節(jié)量進(jìn)行比較，W 輸出控制電流；
[0033] 由傳感器檢測并反饋梯度線圈產(chǎn)生的梯度電流；
[0034] 由梯度放大器將所述第二比較器輸出的控制電流和所述傳感器反饋的梯度電流 比較后得到的電流誤差量進(jìn)行放大，W驅(qū)動(dòng)所述梯度線圈產(chǎn)生相應(yīng)的梯度電流，從而控制 梯度磁場。
[00巧]優(yōu)選地，所述梯度放大器至少包括：第H比較器，第二調(diào)節(jié)器，驅(qū)動(dòng)器W及變換器； 由梯度放大器將所述第二比較器輸出的控制電流和所述傳感器反饋的梯度電流比較后得 到的電流誤差量進(jìn)行放大的具體方法為：
[0036] 由所述第H比較器將所述第二比較器輸出的控制電流和所述傳感器反饋的梯度 電流進(jìn)行比較，W輸出電流誤差量；
[0037] 由所述第二調(diào)節(jié)器根據(jù)所述第H比較器輸出的電流誤差量進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，W輸出 電壓調(diào)節(jié)量；
[0038] 由所述驅(qū)動(dòng)器根據(jù)所述第二調(diào)節(jié)器輸出的電壓調(diào)節(jié)量產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流；
[0039] 由所述變換器將所述驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行放大輸出，W驅(qū)動(dòng)所述梯度線圈 產(chǎn)生相應(yīng)的梯度電流，從而控制所述梯度磁場。
[0040] 優(yōu)選地，所述檢測模塊至少包括；設(shè)于所述梯度磁場內(nèi)的感應(yīng)線圈。
[0041] 優(yōu)選地，由譜儀提供所述參考電流，由運(yùn)算模塊根據(jù)所述譜儀提供的參考電流進(jìn) 行運(yùn)算，W得到所述參考電動(dòng)勢。
[0042] 如上所述，本發(fā)明的梯度系統(tǒng)及梯度磁場控制方法、核磁共振成像系統(tǒng)，具有W下 有益效果：
[0043] 本發(fā)明的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)，采用檢測模塊檢測并反饋梯度磁 場的磁通量變化，形成磁通外環(huán)控制，可此陜速有效地從MRI系統(tǒng)的主磁場中檢測出梯度 磁場的變化率，經(jīng)過比較調(diào)節(jié)后，能夠?yàn)樘荻确糯笃魈峁┚珳?zhǔn)的控制電流指令信號(hào)；采用傳 感器檢測并反饋梯度線圈中的梯度電流，形成電流內(nèi)環(huán)控制，可W通過梯度放大器對梯度 電流和控制電流之間的誤差量進(jìn)行調(diào)節(jié)和放大輸出，實(shí)現(xiàn)對潤流損耗的自動(dòng)補(bǔ)償，從而使 梯度磁場的控制更加精準(zhǔn)。
[0044] 本發(fā)明的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度磁場控制方法，通過對梯度電流和梯度 磁場的磁通量變化進(jìn)行在線檢測，實(shí)現(xiàn)電流和磁通的雙閉環(huán)控制，有效改善輸出波形由于 潤流損耗產(chǎn)生的崎變，從而提升梯度磁場的控制精度。
[0045] 本發(fā)明的核磁共振成像系統(tǒng)，采用基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)及梯度磁 場控制方法，能夠?yàn)橹鞔艌鎏峁└呖刂凭鹊奶荻却艌?，從而能更精確地修改主磁場，使成 像體素的空間定位更精確。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0046] 圖1顯示為本發(fā)明現(xiàn)有技術(shù)中的梯度放大器的控制原理框圖。
[0047] 圖2顯示為本發(fā)明現(xiàn)有技術(shù)中的由于潤流影響造成的梯度電流和梯度磁場變化 示意圖。
[0048] 圖3顯示為本發(fā)明現(xiàn)有技術(shù)中的補(bǔ)償損耗后的梯度電流和梯度磁場變化示意圖。
[0049] 圖4顯示為本發(fā)明第一實(shí)施方式的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)的示意 圖。
[0050] 圖5顯示為本發(fā)明第一實(shí)施方式的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)中外環(huán) 反饋信號(hào)的波形圖。
[0051] 圖6顯示為本發(fā)明第一實(shí)施方式的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)的示意 圖。
[0052] 圖7顯示為本發(fā)明第H實(shí)施方式的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度磁場控制方 法的流程示意圖。
[0053] 元件標(biāo)號(hào)說明
[0054] 1 檢測模塊
[00對 2 第一比較器
[0056] 3 第一調(diào)節(jié)器
[0057] 4 第二比較器
[005引 5 梯度放大器
[005引 51 第；比較器
[0060] 52 第二調(diào)節(jié)器
[006U 53 驅(qū)動(dòng)器
[0062] 54 變換器
[0063] 6 梯度線圈
[0064] 7 傳感器
[0065] 8 譜儀

【具體實(shí)施方式】
[0066] W下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書 所掲露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可W通過另外不同的具體實(shí) 施方式加W實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可W基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離 本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0067] 請參閱圖4,本發(fā)明第一實(shí)施方式涉及一種基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)， 用于提供疊加在主磁場上的梯度磁場。需要說明的是，本實(shí)施方式中所提供的圖示僅W示 意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施 時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的 改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0068] 本實(shí)施方式的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)，如圖4所示，其至少包括：檢 測模塊1，第一比較器2,第一調(diào)節(jié)器3,第二比較器4,梯度放大器5,梯度線圈6 W及傳感器 7。其中：
[0069] 對于檢測模塊1，其用于根據(jù)梯度磁場的磁通量變化，檢測并反饋相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng) 勢Efdb。在本實(shí)施方式中，檢測模塊I至少包括：設(shè)于梯度磁場內(nèi)的感應(yīng)線圈。當(dāng)然，在其他 的實(shí)施方式中，檢測模塊1也可W包括其他能夠?qū)崿F(xiàn)檢測并反饋感應(yīng)電動(dòng)勢功能的裝置。
[0070] 對于第一比較器2,其連接于參考電動(dòng)勢護(hù)、檢測模塊1，用于將參考電動(dòng)勢r和 檢測模塊1反饋的感應(yīng)電動(dòng)勢Efdb進(jìn)行比較，W輸出控制電動(dòng)勢^,1/。在本實(shí)施方式中，第 一比較器2是一種運(yùn)算器，優(yōu)選地，第一比較器2是加法器，其具有兩個(gè)輸入端，其中一個(gè)輸 入端連接參考電動(dòng)勢，另一個(gè)輸入端連接檢測模塊1，加法器將參考電動(dòng)勢和檢測模塊1反 饋的感應(yīng)電動(dòng)勢相減后輸出。
[0071] 對于第一調(diào)節(jié)器3,其連接于第一比較器2,用于根據(jù)第一比較器2輸出的控制電 動(dòng)勢進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，W輸出電流調(diào)節(jié)量。在本實(shí)施方式中，第一調(diào)節(jié)器3是一種 控制器，優(yōu)選地，第一調(diào)節(jié)器3是PID控制器，其輸入端連接第一比較器2的輸出端，其能夠 對第一比較器2輸出的控制電動(dòng)勢進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出調(diào)節(jié)后得到的電流調(diào)節(jié)量，該電流調(diào)節(jié) 量也即是參考電流指令信號(hào)的補(bǔ)償量。
[0072] 對于第二比較器4,其連接于參考電流/；；.、第一調(diào)節(jié)器3,用于將參考電流/；；和 第一調(diào)節(jié)器3輸出的電流調(diào)節(jié)量ACf進(jìn)行比較，W輸出控制電流Iuf。在本實(shí)施方式中，第 二比較器4是一種運(yùn)算器，優(yōu)選地，第一比較器2是加法器，其具有兩個(gè)輸入端，其中一個(gè)輸 入端連接參考電流，另一個(gè)輸入端連接第一調(diào)節(jié)器3,加法器將參考電流和第一調(diào)節(jié)器3輸 出的電流調(diào)節(jié)量相加后輸出。
[0073] 對于梯度線圈6,其用于在被驅(qū)動(dòng)后產(chǎn)生梯度電流，從而產(chǎn)生梯度磁場。
[0074] 對于傳感器7,其連接于梯度線圈6,用于檢測并反饋梯度電流IfdbD在本實(shí)施方式 中，傳感器7是一種電流傳感器，能夠敏感地檢測梯度線圈6中的當(dāng)前梯度電流。
[00巧]對于梯度放大器5,其連接于第二比較器4、梯度線圈6和傳感器7,用于將第二比 較器4輸出的控制電流Iuf和傳感器7反饋的梯度電流Ifdb比較后得到的電流誤差量La 進(jìn)行放大，W驅(qū)動(dòng)梯度線圈6產(chǎn)生相應(yīng)的梯度電流，從而控制梯度磁場。
[0076] 此外，本實(shí)施方式的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)還包括；譜儀8和運(yùn)算 模塊。其中：
[0077] 對于譜儀8,其用于提供參考電流。譜儀（Spectrometer)是整個(gè)MRI系統(tǒng)的核也 部件，能夠按照成像序列的要求和對成像環(huán)境不良影響的補(bǔ)償，計(jì)算輸出的梯度波形，然后 向梯度系統(tǒng)發(fā)出參考電流指令信號(hào)。
[0078] 對于運(yùn)算模塊，其與譜儀8連接，用于根據(jù)譜儀8提供的參考電流進(jìn)行運(yùn)算，W得 到參考電動(dòng)勢。在本實(shí)施方式中，運(yùn)算模塊主要由DSP或者FPGA等控制器芯片構(gòu)成，該些 控制器芯片中包含將參考電流指令信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，從而得到對應(yīng)參考電動(dòng)勢指令信號(hào)的一 系列算法；優(yōu)選地，運(yùn)算模塊主要由DSP控制器芯片構(gòu)成，例如，可W采用Ti公司生產(chǎn)的型 號(hào)為TMS2812的DSP控制器芯片。
[0079] 如圖4所示，在本實(shí)施方式中，整個(gè)梯度系統(tǒng)主要通過兩個(gè)閉環(huán)來控制梯度磁場， 分別是基于磁通的磁通外環(huán)（圖4中點(diǎn)劃線所示鏈路）和基于電流的電流內(nèi)環(huán)（圖4中 虛線所示鏈路）。其中，磁通外環(huán)在整個(gè)梯度系統(tǒng)中形成，給定量為譜儀8給出的參考電流 ，經(jīng)過運(yùn)算模塊后，得到能夠反映梯度磁場強(qiáng)度的參考電動(dòng)勢r，反饋量為位于梯度線 圈6中的檢測裝置在梯度磁場中檢測到的感應(yīng)電動(dòng)勢Efdb ;電流內(nèi)環(huán)在梯度放大器5子系統(tǒng) 中形成，反饋量為梯度線圈6中的當(dāng)前梯度電流IfdbD
[0080] 也就是說，磁通外環(huán)能夠?qū)?shí)際梯度電流在梯度線圈6中產(chǎn)生的梯度磁場做出評 估；而電流內(nèi)環(huán)能夠?qū)μ荻染€圈6上的當(dāng)前梯度電流做出評估。
[0081] 由于梯度電流發(fā)生變化，致使梯度磁場也發(fā)生變化，磁通量能夠反映梯度磁場的 大小，而根據(jù)電磁感應(yīng)定律在時(shí)域上的表達(dá)式：
[0082] = dl
[0083] 其中，感應(yīng)電動(dòng)勢e(t)是時(shí)間t的函數(shù)，N為線圈面數(shù)，4)為磁通量。
[0084] 由上式可見，當(dāng)梯度磁場發(fā)生變化時(shí)，磁通量也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，從而因磁通量變 化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。
[0085] 為了得到反映梯度磁場大小的磁通量，現(xiàn)有技術(shù)的通常做法是將感應(yīng)線圈兩端的 感應(yīng)電動(dòng)勢做積分，即將上式進(jìn)行積分，便可得到磁通量，但積分算法不僅是滯后控制，而 且會(huì)將測量誤差放大。
[0086] 而在本實(shí)施方式中，直接采用檢測到的感應(yīng)電動(dòng)勢來做磁通外環(huán)的控制量，對于 典型的梯度磁場，感應(yīng)線圈中將產(chǎn)生如圖5所示的矩形波信號(hào)，根據(jù)上式可知，感應(yīng)電動(dòng)勢 反映的是磁通量的微分，消除了積分環(huán)節(jié)的滯后作用。用該種信號(hào)作為磁通外環(huán)的反饋量， 并與對譜儀8給出的參考電流指令信號(hào)運(yùn)算后得到的參考電動(dòng)勢指令信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)過 第一調(diào)節(jié)器3就可W得到具有損耗補(bǔ)償功能的電流調(diào)節(jié)量。
[0087] 由于梯度線圈6中梯度磁場存在于一個(gè)恒定均勻的主磁場中，且量級(jí)有一定的差 距，梯度磁場強(qiáng)度要比主磁場強(qiáng)度小很多，采用本實(shí)施方式中的檢測模塊1檢測并反饋梯 度磁場的磁通量變化，形成磁通外環(huán)控制，可此陜速有效地從MRI系統(tǒng)的主磁場中檢測出 梯度磁場的磁通量變化，從而反映出梯度磁場的變化率，再經(jīng)過一系列比較調(diào)節(jié)后，能夠?yàn)?梯度放大器5提供精準(zhǔn)的控制電流指令信號(hào)；而采用本實(shí)施方式中的傳感器7檢測并反饋 梯度線圈6中的梯度電流，形成電流內(nèi)環(huán)控制，可W通過梯度放大器5對梯度電流和控制電 流之間的誤差量進(jìn)行調(diào)節(jié)和放大輸出，實(shí)現(xiàn)對潤流損耗的自動(dòng)補(bǔ)償，從而使梯度磁場的控 制更加精準(zhǔn)。
[0088] 此外，如圖6所示，本實(shí)施方式中的梯度放大器5至少包括：第H比較器51，第二 調(diào)節(jié)器52,驅(qū)動(dòng)器53 W及變換器54。
[0089] 對于第H比較器51，其連接于第二比較器4、傳感器7,用于將第二比較器4輸出 的控制電流Iuf和傳感器7反饋的梯度電流Ifdb進(jìn)行比較，W輸出電流誤差量1?！丁Ｔ诒緦?shí) 施方式中，第H比較器51是一種運(yùn)算器，優(yōu)選地，第H比較器51是加法器，其具有兩個(gè)輸入 端，其中一個(gè)輸入端連接第二比較器4,另一個(gè)輸入端連接傳感器7,加法器將第二比較器4 輸出的控制電流Iuf和傳感器7反饋的梯度電流Ifdb相減后輸出。
[0090] 對于第二調(diào)節(jié)器52，其連接于第H比較器51，用于根據(jù)第H比較器51輸出的電流 誤差量1。"進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，W輸出電壓調(diào)節(jié)量在本實(shí)施方式中，第二調(diào)節(jié)器52是一種 控制器，優(yōu)選地，第二調(diào)節(jié)器52是PID控制器，其輸入端連接第H比較器51的輸出端，其能 夠?qū)Φ贖比較器51輸出的電流誤差量進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出調(diào)節(jié)后得到的電壓調(diào)節(jié)量指令信號(hào)。
[0091] 對于驅(qū)動(dòng)器53,其連接于第二調(diào)節(jié)器52,用于根據(jù)第二調(diào)節(jié)器52輸出的電壓調(diào)節(jié) 量V?d產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流。在本實(shí)施方式中，驅(qū)動(dòng)器53是一種調(diào)制器，能夠?qū)⒌诙{(diào)節(jié)器52輸 出的電壓調(diào)節(jié)量進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0092] 對于變換器54,其連接于驅(qū)動(dòng)器53,用于將驅(qū)動(dòng)器53產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行放大輸 出，W驅(qū)動(dòng)梯度線圈6產(chǎn)生相應(yīng)的梯度電流，從而控制梯度磁場。在本實(shí)施方式中，變換器 54是一種輸出級(jí)，能夠根據(jù)驅(qū)動(dòng)器53產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電流，W特定的時(shí)序輸出一系列用于驅(qū)動(dòng) 梯度線圈6的梯度電壓信號(hào)，使梯度線圈6產(chǎn)生相應(yīng)的梯度電流，從而控制梯度磁場。
[0093] 值得一提的是，本實(shí)施方式的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)，在初始工作 時(shí)，磁通外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)均沒有反饋信號(hào)。此時(shí)，譜儀8發(fā)出參考電流指令信號(hào)，參考電流 指令信號(hào)在經(jīng)過第二比較器4后進(jìn)入梯度放大器5,經(jīng)過梯度放大器5的放大輸出后驅(qū)動(dòng)梯 度線圈6,梯度線圈6中產(chǎn)生梯度電流，從而產(chǎn)生梯度磁場。此時(shí)，磁通外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)均開 始產(chǎn)生反饋信號(hào)，并且經(jīng)過內(nèi)外閉環(huán)的多次調(diào)節(jié)，有效提升了梯度磁場的控制精度，整個(gè)梯 度系統(tǒng)輸出的梯度波形穩(wěn)定，有效補(bǔ)償了潤流損耗，幾乎在所有梯度波形下都達(dá)到準(zhǔn)確的 補(bǔ)償效果。
[0094] 需要說明的是，本實(shí)施方式中所涉及到的各模塊均為邏輯模塊，在實(shí)際應(yīng)用中，一 個(gè)邏輯單元可W是一個(gè)物理單元，也可W是一個(gè)物理單元的一部分，還可W W多個(gè)物理單 元的組合實(shí)現(xiàn)。此外，為了突出本發(fā)明的創(chuàng)新部分，本實(shí)施方式中并沒有將與解決本發(fā)明 所提出的技術(shù)問題關(guān)系不太密切的單元引入，但該并不表明本實(shí)施方式中不存在其它的單 J L O
[0095] 本發(fā)明第二實(shí)施方式涉及一種核磁共振成像系統(tǒng)，其至少包括本發(fā)明第一實(shí)施方 式中涉及的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)，用于提供疊加在主磁場上的梯度磁場。
[0096] 本實(shí)施方式的核磁共振成像系統(tǒng)，采用基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)及梯 度磁場控制方法，能夠?yàn)橹鞔艌鎏峁└呖刂凭鹊奶荻却艌?，從而能更精確地修改主磁場， 使成像體素的空間定位更精確。
[0097] 本發(fā)明第H實(shí)施方式涉及一種基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度磁場控制方法，具 體流程如圖7所示，至少包括如下步驟：
[0098] 步驟SI,預(yù)先提供一參考電流和一參考電動(dòng)勢。
[0099] 步驟S2,由檢測模塊1根據(jù)梯度磁場的磁通量變化，檢測并反饋相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng) 勢。
[0100] 步驟S3，由第一比較器2將參考電動(dòng)勢和檢測模塊1反饋的感應(yīng)電動(dòng)勢進(jìn)行比較， W輸出控制電動(dòng)勢。
[0101] 步驟S4,由第一調(diào)節(jié)器3根據(jù)第一比較器2輸出的控制電動(dòng)勢進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，W輸 出電流調(diào)節(jié)量。
[0102] 步驟S5，由第二比較器4將參考電流和第一調(diào)節(jié)器3輸出的電流調(diào)節(jié)量進(jìn)行比較， W輸出控制電流。
[0103] 步驟S6,由傳感器7檢測并反饋梯度線圈6產(chǎn)生的梯度電流。
[0104] 步驟S7,由梯度放大器5將第二比較器4輸出的控制電流和傳感器7反饋的梯度 電流比較后得到的電流誤差量進(jìn)行放大，W驅(qū)動(dòng)梯度線圈6產(chǎn)生相應(yīng)的梯度電流，從而控 制梯度磁場。
[0105] 在本實(shí)施方式的步驟S7中，由梯度放大器5將第二比較器4輸出的控制電流和傳 感器7反饋的梯度電流比較后得到的電流誤差量進(jìn)行放大的具體方法為：
[0106] 步驟S701，由第H比較器51將第二比較器4輸出的控制電流和傳感器7反饋的梯 度電流進(jìn)行比較，W輸出電流誤差量。
[0107] 步驟S702,由第二調(diào)節(jié)器52根據(jù)第H比較器51輸出的電流誤差量進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)， W輸出電壓調(diào)節(jié)量。
[010引步驟S703,由驅(qū)動(dòng)器53根據(jù)第二調(diào)節(jié)器52輸出的電壓調(diào)節(jié)量產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流。
[0109] 步驟S704,由變換器54將驅(qū)動(dòng)器53產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行放大輸出，W驅(qū)動(dòng)梯度線 圈6產(chǎn)生相應(yīng)的梯度電流，從而控制梯度磁場。
[0110] 在本實(shí)施方式中，由譜儀8提供參考電流，由運(yùn)算模塊根據(jù)譜儀8提供的參考電流 進(jìn)行運(yùn)算，W得到參考電動(dòng)勢。
[0111] 本實(shí)施方式的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度磁場控制方法，通過對梯度電流和 梯度磁場的磁通量變化進(jìn)行在線檢測，實(shí)現(xiàn)電流和磁通的雙閉環(huán)控制，有效改善輸出波形 由于潤流損耗產(chǎn)生的崎變，從而提升梯度磁場的控制精度。
[0112] 不難發(fā)現(xiàn)，本實(shí)施方式為與第一實(shí)施方式相對應(yīng)的方法實(shí)施例，本實(shí)施方式可與 第一實(shí)施方式互相配合實(shí)施。第一實(shí)施方式中提到的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)在本實(shí)施方式中依然有 效，為了減少重復(fù)，該里不再費(fèi)述。相應(yīng)地，本實(shí)施方式中提到的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)也可應(yīng)用在 第一實(shí)施方式中。
[0113] 上面各種方法的步驟劃分，只是為了描述清楚，實(shí)現(xiàn)時(shí)可W合并為一個(gè)步驟或者 對某些步驟進(jìn)行拆分，分解為多個(gè)步驟，只要包含相同的邏輯關(guān)系，都在本專利的保護(hù)范圍 內(nèi)；對算法中或者流程中添加無關(guān)緊要的修改或者引入無關(guān)緊要的設(shè)計(jì)，但不改變其算法 和流程的核也設(shè)計(jì)都在該專利的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0114] 綜上所述，本發(fā)明的梯度系統(tǒng)及梯度磁場控制方法、核磁共振成像系統(tǒng)，具有W下 有益效果：
[0115] 本發(fā)明的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)，采用檢測模塊檢測并反饋梯度磁 場的磁通量變化，形成磁通外環(huán)控制，可W快速有效地從MRI系統(tǒng)的主磁場中檢測出梯度 磁場的變化率，經(jīng)過比較調(diào)節(jié)后，能夠?yàn)樘荻确糯笃魈峁┚珳?zhǔn)的控制電流指令信號(hào)；采用傳 感器檢測并反饋梯度線圈中的梯度電流，形成電流內(nèi)環(huán)控制，可W通過梯度放大器對梯度 電流和控制電流之間的誤差量進(jìn)行調(diào)節(jié)和放大輸出，實(shí)現(xiàn)對潤流損耗的自動(dòng)補(bǔ)償，從而使 梯度磁場的控制更加精準(zhǔn)。
[0116] 本發(fā)明的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度磁場控制方法，通過對梯度電流和梯度 磁場的磁通量變化進(jìn)行在線檢測，實(shí)現(xiàn)電流和磁通的雙閉環(huán)控制，有效改善輸出波形由于 潤流損耗產(chǎn)生的崎變，從而提升梯度磁場的控制精度。
[0117] 本發(fā)明的核磁共振成像系統(tǒng)，采用基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)及梯度磁 場控制方法，能夠?yàn)橹鞔艌鎏峁└呖刂凭鹊奶荻却艌?，從而能更精確地修改主磁場，使成 像體素的空間定位更精確。
[0118] 所W，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0119] 上述實(shí)施方式僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何 熟悉此技術(shù)的人±皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施方式進(jìn)行修飾或改 變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所掲示的精神與技術(shù)思想 下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)，用于提供疊加在主磁場上的梯度磁場， 其特征在于，所述基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)至少包括： 檢測模塊，用于根據(jù)所述梯度磁場的磁通量變化，檢測并反饋相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢； 第一比較器，連接于參考電動(dòng)勢、所述檢測模塊，用于將所述參考電動(dòng)勢和所述檢測模 塊反饋的感應(yīng)電動(dòng)勢進(jìn)行比較，以輸出控制電動(dòng)勢； 第一調(diào)節(jié)器，連接于所述第一比較器，用于根據(jù)所述第一比較器輸出的控制電動(dòng)勢進(jìn) 行電流調(diào)節(jié)，以輸出電流調(diào)節(jié)量； 第二比較器，連接于參考電流、所述第一調(diào)節(jié)器，用于將所述參考電流和所述第一調(diào)節(jié) 器輸出的電流調(diào)節(jié)量進(jìn)行比較，以輸出控制電流； 梯度線圈，用于在被驅(qū)動(dòng)后產(chǎn)生梯度電流，從而產(chǎn)生梯度磁場； 傳感器，連接于所述梯度線圈，用于檢測并反饋所述梯度電流； 梯度放大器，連接于所述第二比較器、所述梯度線圈和所述傳感器，用于將所述第二比 較器輸出的控制電流和所述傳感器反饋的梯度電流比較后得到的電流誤差量進(jìn)行放大，以 驅(qū)動(dòng)所述梯度線圈產(chǎn)生相應(yīng)的梯度電流，從而控制所述梯度磁場。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)，其特征在于，所述梯 度放大器至少包括： 第三比較器，連接于所述第二比較器、所述傳感器，用于將所述第二比較器輸出的控制 電流和所述傳感器反饋的梯度電流進(jìn)行比較，以輸出電流誤差量； 第二調(diào)節(jié)器，連接于所述第三比較器，用于根據(jù)所述第三比較器輸出的電流誤差量進(jìn) 行電壓調(diào)節(jié)，以輸出電壓調(diào)節(jié)量； 驅(qū)動(dòng)器，連接于所述第二調(diào)節(jié)器，用于根據(jù)所述第二調(diào)節(jié)器輸出的電壓調(diào)節(jié)量產(chǎn)生驅(qū) 動(dòng)電流； 變換器，連接于所述驅(qū)動(dòng)器，用于將所述驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行放大輸出，以驅(qū)動(dòng) 所述梯度線圈產(chǎn)生相應(yīng)的梯度電流，從而控制所述梯度磁場。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)，其特征在于，所述檢 測模塊至少包括：設(shè)于所述梯度磁場內(nèi)的感應(yīng)線圈。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)，其特征在于，所述基 于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)還包括： 譜儀，用于提供所述參考電流； 運(yùn)算模塊，與所述譜儀連接，用于根據(jù)所述譜儀提供的參考電流進(jìn)行運(yùn)算，以得到所述 參考電動(dòng)勢。
5. -種核磁共振成像系統(tǒng)，其特征在于，所述核磁共振成像系統(tǒng)至少包括： 如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)，用于提供疊加在 主磁場上的梯度磁場。
6. -種基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度磁場控制方法，采用如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所 述的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度系統(tǒng)，其特征在于，所述基于電流磁通雙閉環(huán)控制的 梯度磁場控制方法至少包括： 預(yù)先提供一參考電流和一參考電動(dòng)勢； 由檢測模塊根據(jù)所述梯度磁場的磁通量變化，檢測并反饋相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢； 由第一比較器將所述參考電動(dòng)勢和所述檢測模塊反饋的感應(yīng)電動(dòng)勢進(jìn)行比較，以輸出 控制電動(dòng)勢； 由第一調(diào)節(jié)器根據(jù)所述第一比較器輸出的控制電動(dòng)勢進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，以輸出電流調(diào)節(jié) 量； 由第二比較器將所述參考電流和所述第一調(diào)節(jié)器輸出的電流調(diào)節(jié)量進(jìn)行比較，以輸出 控制電流； 由傳感器檢測并反饋梯度線圈產(chǎn)生的梯度電流； 由梯度放大器將所述第二比較器輸出的控制電流和所述傳感器反饋的梯度電流比較 后得到的電流誤差量進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)所述梯度線圈產(chǎn)生相應(yīng)的梯度電流，從而控制梯度 磁場。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度磁場控制方法，其特征在 于，所述梯度放大器至少包括：第三比較器，第二調(diào)節(jié)器，驅(qū)動(dòng)器以及變換器；由梯度放大 器將所述第二比較器輸出的控制電流和所述傳感器反饋的梯度電流比較后得到的電流誤 差量進(jìn)行放大的具體方法為： 由所述第三比較器將所述第二比較器輸出的控制電流和所述傳感器反饋的梯度電流 進(jìn)行比較，以輸出電流誤差量； 由所述第二調(diào)節(jié)器根據(jù)所述第三比較器輸出的電流誤差量進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，以輸出電壓 調(diào)節(jié)量； 由所述驅(qū)動(dòng)器根據(jù)所述第二調(diào)節(jié)器輸出的電壓調(diào)節(jié)量產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流； 由所述變換器將所述驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行放大輸出，以驅(qū)動(dòng)所述梯度線圈產(chǎn)生 相應(yīng)的梯度電流，從而控制所述梯度磁場。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度磁場控制方法，其特征在 于，所述檢測模塊至少包括：設(shè)于所述梯度磁場內(nèi)的感應(yīng)線圈。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于電流磁通雙閉環(huán)控制的梯度磁場控制方法，其特征在 于，由譜儀提供所述參考電流，由運(yùn)算模塊根據(jù)所述譜儀提供的參考電流進(jìn)行運(yùn)算，以得到 所述參考電動(dòng)勢。
【文檔編號(hào)】G01R33/385GK104237818SQ201410522213
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】欒朝彤, 薛明雨, 曹彬 申請人:中國科學(xué)院上海高等研究院, 上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司