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西南交通大学 硕士学位论文 mri系统中梯度放大器的研究 姓名：陈历曦 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：王莉 20070501 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，躲i ) 是集物理学、计算机技 术、电子技术、机械制造、精细化工于一体的高新技术产物，作为一种新兴 的临床医疗诊断手段，它越来越显示出广阔的发展前景。梯度放大器是m r i 的核心部件，为梯度线圈提供驱动电流，将谱仪所产生的具有定时序x 轴、 y 轴、z 轴三个方向的梯度场输出相应的脉冲序列，进行放大根据磁共振信号 ( f i d 或e c h o ) 的强度大小在空间中生成相应的梯度磁场。 本文在介绍m r i 的原理和结构的基础上，着重研究和分析了梯度放大器 的工作原理和系统构成，给出了具体的实现方案，提供了计算各种参数的理 论依据和实际的设计结果。 本文首先分析了传统梯度放大器的拓扑结构和工作原理，根据仿真波形 总结出传统梯度拓扑所无法回避的问题，其一是梯度波形的上升速度与其顶 端纹波的矛盾，其二是增加开关频率与减小开关损耗的矛盾。针对传统拓扑 结构的所存在的问题，提出了一种新的全桥级间并联拓扑结构和与之对应的 p w m 调制技术，通过仿真结果说明使用此拓扑结构和p w m 调制技术，可成功 的解决传统拓扑结构中存在的问题和矛盾。 主控控制系统包括主控制器和外围控制电路两部分。主控制器及其a d 模块主要完成信号采集及转换，实现控制算法，并产生i g b t 脉冲序列，中央 处理器选用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器实现。 关键词：m r i ，梯度系统，级联拓扑，p w m ，d s p 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t m r l ( m a g n c t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) s y s t e mi sac o m p l i c a t e ds y s t e mw h i c hi s t h e p r o d u c t o ft h el a s t e s t d e v e l o p e d t h et e c h n i co fp h y s i c s ，c o m p u t e r s c i e n c e ，e l e c t r o n i cs c i e n c e ，m e c h a n i s me n g i n e e r i n ga n do t h e ra r e a s a sal a t e s t d e v e l o p e dc l i n i cd i a g n o s i sp r o d u c tm r i sb r i g h t f u t u r ei ss h o w nt ot h ew o r l d t h eg r a d i e n ta m p l i f i e ri st h ec o r ec o m p o n e n to ft h em p ds y s t e m , i td r i v e s g r a d i e n tc o i lw i t ht h er e f e r e n c es i g n a lw h i c hi sg e n e r a t e db yt h es p e c t r u m ，t o p r o d u c ex ，y , z3a x i sg r e a d i e n tm a g n e t i cf i e l df o rt h es p a c e sl o c a t i o ni n f o r m a t i o n t h i sp a p e rf i r s t l yl n a d eab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h et h e o r ya n dt h es t r u c t u r eo f t h em r is y s t e m , a n dt h e nf o c u so nt h ep r i n c i p l eo ft h eo p e r a t i o no f g r a d i e n t a m p l i f i e r , a tl a s tp r e s e n tai m p l e m e n td e s i g nt or e a l i z et h ed e s i r e df u n c t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h et r a d i t i o n a lg r a d i e n tt o p o l o g y , t os n n lu pi t s d i s a d v a n t a g e ，f i r s ti s t h ec o n f l i c tb e t w e e nt h ec u r r e n tr a m pu pt i m ea n dt h e s t e a d y s t a t er i p p l e t h es e c o n di st h et r a d e - o f fb e t w e e ns w i c h i n gf r e q u e n c ya n d s w i t c h i n gj o s s e s i no r d e rt oa v o i dt h e s ed i s a d v a n t a g e ，t h ea u t h o rp r e s e n ta n o v e l t o p o l o g yw h i c h b a s e do nt h es e r i e r sc o n n e c t e df u l l b r i d g et o p o l o g y , a n d c o r r e s p o n d i n gp w ms t r a t e g y ，t h es i m u l a t i o nr e s u l tr e a v e a lt h a tt h i st o p o l g ya n d p w ms t r a t e g ys u c c e s s f u l l y c o n q u e rt h ep r o b l e me x i s t e d i nt h et r a d i t i o n a l t o p o l o g y t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ed e s i g ni sm a i n l yc o m p o s e do fc e n t e rc o n t r o l p r o c e s s o ra n dt h ep e r i p h e r a lc i r c u i t t h ef u n c t i o no ft h em a i np r o c e s s o ri n c l u d i n g a dc o n v e r s i o np a r ti st or e a l i z es i g n a ls a m p l e ，t r a n s f e ra n dt h em a i nc o n t r o l a l g o r i t h m , i tc o u l da l s og e n e r a t et h ei g b td r i v i n gp u l s e w eu s et m s 3 2 0 f 2 8 1 2 f r o mt ic o r p o r a t i o na st h ed i g t a lp r o c e s s i n ge h i v ， k e y w o r d s ：m r i ，g r a d i e n ts y s t e m , s e r i e sc o n n e c t e dt o p o l o g y , d s p ，p w m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 核磁共振成像( m r i ，m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 是根据生物体核( 氢 核) 在磁场中的表现特性成像的高新技术。二十余年来，随着超导技术，低 温技术，磁体技术，电子技术，成像技术和计算机等相关技术的进步，m r j 技术得到了飞速发展。如今，它已广泛应用于i 临床，成为现代医学影响领域 中不可缺少的一员。 。 核磁共振成像的物理基础为核磁共振( n m r , n u e l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ) 理论。所谓n m r , 是指物质磁性和磁场相关的共振成像。也可以说，它是低 能量电磁波，即社射频波与既有角动量又有磁矩的核系统在外磁场中相互作 用所表现出的共振特性。n m r 的本质为一种能级间跃迁的量子效应。实验结 果表明，利用这一现象可以研究物质的微观结构。据此，人们以不同的射频 脉冲序列对生物组织进行激励，并用线圈检测组织的质子密度信息。 1 1m r i 系统发展历史 磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n gm r i ) 是根据生物体磁性核( 氢 核) 在足够强的外加恒定磁场中产生的共振信号来对人体组织成像，被认为是 二十世纪医学诊断最重要的进展之一。m r i 技术是随着磁体技术，超导技术， 电子技术，计算机技术等相关技术的进步而发展起来的低损伤，高效能的人 体组织成像技术。m r i 成像技术起源于1 9 4 6 年美国斯坦福大学的布洛赫 ( f e l i x b l o c h ) 和哈佛大学的帕塞尔( e d w a r dl u r c e l l ) 分别使用吸收法和感 应法独立发现的核磁共振现象( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c en m r ) 。1 9 7 0 年 美国纽约州立大学的物理学家，内科医生达马迪安( r a y m o n dd a m a d i a n ) 首先 把n m r 用于医学实验，在对被植人恶性肿瘤细胞的鼠进行n m r 实验时，发现 正常组织与恶性组织的n m r 信号明显不同，并且观察到受激发组织的偏转磁 矩恢复至稳定状态的过程中，它会发出两类不同信号，即t 1 和t 2 弛豫现象。 说明利用n m r 对生物体成像是可能的。1 9 7 7 年，美国纽约州立大学劳伯特 ( p a u ll a u t e r b u r ) 也通过研究指出用n m r 信号可以重建图象。他们的研究成 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 果为同年人类第一台全身磁共振装置的诞生奠定了基础。早在1 9 7 3 年劳伯 特发明了在置有样品的强磁场上叠加一可控的弱梯度磁场来选择性地激发样 品，从而获处于静磁场中的原子核系统受到一定频率的电磁波作用时，将在 其磁能级间产生共振跃迁，这就是核磁共振现象。但是，从n m r 的发明到岫_ 工 装置的诞生，这中间经历了几代物理学家及医学家长达数十年的努力。 1 1 1 脓i 的诞生 核磁共振属于原子核物理的研究范畴，而原子核物理学起源于对放射性 的研究，是1 9 世纪末兴起的崭新课题。在此之前，人类对于这一领域毫无所 知。科学的发展到了2 0 世纪，就进入了原子物理的时代。2 0 世纪初，许多 科学家，物理学家致力于核物理的研究。到了1 9 1 3 年，斯特恩( o t t os t e n ) 建立起测量磁偶极子运动的装置，泡利( w o l f g a n gp a u l i ) 提出核磁共振一词， 拉比( i s i d o ri s a a cr a b i ) 设毒烷成世界上第一个( 分子柬) 核磁共振实验。 这一年在n m r 发展史上揭开了重要的一页。相继由于核自旋与核磁矩的发 现，分子束核磁共振现象的发现，以及凝聚态物质核磁共振现象的发现，渐 渐的将核磁共振用于固体或液体样品的测试，从而诞生了核磁共振这一新兴 学科。 1 1 2 胍i 技术的成熟 1 1 2 1 梯度技术的发展 早在1 9 7 3 年美国的p a u il a u t e r b u r 教授与英国的p e t e rm a n s f i e l d 教 授就已系统地阐释了梯度磁场的原理与成像的方法。但限于物理元器件材料 水平发展的缓慢与成像方法流派的众多。9 0 年代早期，梯度技术仍在低水平 徘徊。这期间有代表性的设计出自p e t e rm a n s f i e l d 教授在1 9 9 1 年支持设计 的“共振式”梯度系统，该系统于1 9 9 4 年成功地实现平面回波成像( e p i ) 扫描。“共振式”设计系统复杂，速度慢，无法对扫描序列进行精确相位控制， 因此满足不了各种高级脉冲序列的要求。到了1 9 9 5 年，一种名为h o r i z o n 的全新“非共振式”设计问世了，并迅速统一了行业标准，从那时起，随着 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 大功率半导体器件的日臻成熟，“非共振式梯度作为当代磁共振技术的核心 内涵得以快速发展。到1 9 9 8 年，面向专业要求进行优化设计的超快速梯度系 统被开发出来了。但人们很快发现技术的进步有时会遇到难以逾越的障碍， 当衡量梯度性能的两个指标：梯度强度与切换率提高到一定水平时，被检查 的病人就会出现外周神经肌肉受刺激灼伤的损害。理论上讲其最大值可以实 现得很高很高，但在现实中，出于保护人体的安全的原则，无法用梯度的最 大值对人体实施扫描。如何解决超快速应用与病人体伤害的这对矛盾呢，靠 单个梯度线圈不行，工程师们想到两套梯度线圈的解决方案。两套梯度线圈 的设计理念最初源于以色列的科学家p a u lrh a r v e y 教授在1 9 9 6 年的研究， 旨在通过两个线性场的叠加来达到增加梯度强度的目的，以弥补当时梯度放 大器功率的不足，随着半导体元器件的进步，这项技术己无明显的用武之地。 2 0 0 0 年底，科学家利用了这个原理，在同一个静磁场内安置两套梯度线圈联 合应用的梯度技术再次闪亮登场。通过两套不同切换率的超强梯度线圈分别 建立不同的“靶向性”应用( 精细与全身) 的线性场独立实施扫描，从而很 好地解决了发展中的热点、难点问题。在随后的时间里，又出现了利用两套 梯度放大器带动单套梯度线圈的设计方式，在进一步提高了梯度场强、梯度 切换率的同时，也有效地解决了扫描视野受限的难题。 1 1 2 2 射频技术与线圈技术的革命 线圈技术从最早1 9 8 3 年的线性极化线圈发展到圆形极化或者正交线圈， 由于正交线圈是通过在相位上正交的两组线性极化线圈组合而成，结果是所 需的射频功率降低5 0 ，同时s n r ( 信号噪声比) 提高4 0 。在临床上就可 以获得更高的图像分辨率，更快的图像采集速度。但是单个线圈的扫描范围 无法满足日益增长的临床需要和大范围的体部扫描，大范围血管成像等。9 0 年代初以r o e m e rp b 教授为首的团队发明了“相控振”射频技术，相控阵线 圈技术出现了。将多个线性极化线圈或正交线圈组成一个相控阵，每一个组 成元素称为线圈单元，整个大线圈称为相控阵线圈。相控阵线圈的出现使得 磁共振的临床向更大的成像范围和更高的采集速度发展。相控阵技术在临床 上使用了很长时间，为m r i 在较大范围的扫描提供了解决方法。但是，相控 阵技术并没有解决扫描的速度和效率问题，尤其是大范围的快速扫描问题。 本世纪初，多通道采集技术开始崭露头角，它利用多组发射通道和接受线圈， 同时工作，并行采集。这样大大提高了工作效率，加快了扫描的速度。2 0 0 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 年，多通道高速“相控阵”射频平台与高密度“靶向性”线圈两项革命性技 术的问世，使得m r i 图像的分辨率、扫描速度与对比度有了前所未有的质的 飞跃。通过使用高密度“靶向性”线圈和“靶向性”的脉冲序列，将此两项 技术突破完美地结合，可以对特定器官进行高清晰度、特异性的快速扫描。 2 0 0 3 年公布的t i m 技术，可在一次检查当中，组合7 6 个线圈单元，同时从 3 2 个射频接收通道接收和处理信号，从而在应用灵活性等方面对磁共振扫描 方式进行了重新诠释。无需任何手工的线圈调整和设置，也无须任何反复的 病人定位( 根据不同的线圈) ，就可完成最大2 0 5 厘米的扫描范围。这意味着 无论是头部、还是全脊柱、全腹部、甚至是全身扫描，t i m 技术都能以高效 率、高流通量方式完成。 1 1 2 3 图像采集技术的进步 1 9 8 6 年德国科学家j h e n n i g 在医学磁共振杂志，m a g n r e s o n m e d 上发表了关于r a r e 的论文。他声称利用s e 多次回波技术和革新的k 空间填 充方法可以实现快速的胍扫描。扫描速度将是原来s e 方法的数倍甚至数十 倍。这种快速的m r 成像方法就是今天我们普遍使用的快速自旋回波( f s e ) 技术。j h e n n i g 因此被称为f s e 之父，并且获得了2 0 0 3 年的m a xp l a n c k r e s e a r c ha w a r df o rb l o s c l e n c e sa n dm e d i c i n e 。在近十年的m r i 发展中起 了重要作用的e p i 序列是英国诺丁汉大学的p e t e rm a n s f i e l d 在1 9 7 8 年提出 的概念。直到9 0 年代中期e p i 技术才完全商业化。在临床上得到广泛的应用。 e p i 序列的应用为m r i 进人功能成像时期立下了汗马功劳。 1 9 9 9 年，苏黎世瑞士联邦技术学院( e t h ) 的p u e s sm a n nk p 教授提出 了基于多通道射频谱仪及相控阵线圈技术的k 一空问并行采集技术一s e n s e ， 这项技术的运用，对于加快扫描速度、提高图像的空间时间分辨率、减少 磁敏感性伪影及运动伪影有着极其重要的作用。同时，该技术也有效地解决 了伴随着磁体场强的升高、梯度性能提升而随之而来的诸如特殊射频吸收率 成倍增加、扫描噪声提高等难题，因此，目前该技术已被广泛采用。同年， 美国的p i p ej g 教授发表了“螺旋桨”方式采集技术( p r o p e l l e r 的文章， 磁共振数据k 空间采集方式象飞机螺旋桨那样转动，经过这种扫描，病人不 自主运动给成像带来的各种伪影神奇般地消失了，同时还能大大降低磁敏感 性伪影，并增加信噪比，无法镇静的儿童病患，老年患者的成像质量有了前 所未有的提高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 随着核磁共振成像技术几十年迅速的发展，其使用范围不断扩大，性能 不断提高，m r i 现己成为医疗成像领域最先进，最昂贵的诊断设备之一。 1 2m r l 的基本原理 m r i 的基本原理非常简单，首先病人进入磁体之中，然后向病人发射一 系列射频脉冲信号，当射频信号停止后，人体就如同天线一样向外发射信号， 最后就是用这个人体发射的信号来进行处理和成像。 1 2 1m r l 的物理学基础 人体内的质子是由质子核与围绕核旋转的正电子组成的，而正是由于电 子的运动，在质子周围产生了环形电流，由安培定则可知，这个电流将会产 生磁场，所以每个质子都如同磁棒，周围存在着磁场。 图1 - 1 质子自旋示意图 平时这些质子都随机的以无序状态排列，而当进入一强磁场中时，这些 质子将整齐的与磁场方向同向或反向排列。如图2 所示，由于质子所含能量 级别不同，同磁力线方向同向或反向排列。其中能量级较高的质子与磁场同 向，量级低的与磁场反向排列。 西南交通大学硕士研究生学位论文- 第6 页 图卜2 质子在磁场中的排列 而在数量上，与磁场方向同向的质子略多于与磁场反向排列的质子。而 质子在磁场中并不是静止不动的，而是以一定的频率自旋。原子核均在其自 旋过程中产生自旋磁动量，即磁矩以矢量描述。 图卜3 质子在磁场中的自旋 质子自旋的频率是由拉姆定律所决定，c o o = 线其中为质子的自旋 频率，风为质子所在处的磁场强度，而r 为质子的为旋磁比，对每一种原子 核来说是一个常数。这个公式表明质子在磁场内的自旋频率与静磁场强度成 正比，这也正是核磁共振中共振这个词的由来。将质子放入坐标系中观察， 就会发现所处相反方向的两个质子会相互抵消，又因为处于低量级的与外磁 场同向的质子数量多于高量级的质子，等效的质子方向如图1 - 5 所示。氢原 子核只有单一质子具有最强的磁矩氢质子在人体内分布广，数量多，m r i 均 选用氢为靶原子核 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图1 - 4 质子处于坐标系中图卜5 抵消后的磁矩 而同时质子的磁矩在水平方向同样会相互抵消如图6 ，最终所得的质子的 磁矩方向就如图7 所示，得到一个由所有y 轴方向的磁矩相加合而成的新的 磁矩。 图1 - 6x ，y 轴方向分解图l 一7 最终得到的z 向磁场 这说明当人体进入一个强磁场之后，体内的所有质子就会产生一个沿z 方向的一个磁矩，人体就如同一个磁体，具有自己的磁场。而这个磁场的场 强正是我们需要的成像信号，但由于这个磁场与外加的磁场同向，我们无法 直接测量出这个信号。 当病人进入磁体后，向病人发射射频脉冲信号，即高频电磁波，用这个 信号来扰乱原本稳定运动的质子。而并不是所有的r f 信号都可以向质子传递 能量，从而改变质子的状态。只有具有与质子自旋频率相同频率的r f 信号才 可以向质子传递能量，这也就是核磁共振之中共振这个词的解释。当质子接 受了r f 信号所传递来的能量之后，不同量级的质子的数量发生和排列状态发 生改变，从而产生了一个垂直于主磁场b o 方向的新的磁场，如图卜8 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图l 门产生质子产生新的水平方向磁场 由于质子是处于不断的自旋运动中，所以这个新的磁场也跟随质子以同 频率运动，这个运动的磁场就会在接受线圈中产生电流，而这个电流也正是 成像所需要的信号。因为磁场的运动频率同质子的自旋频率相同，所感应出 的信号的频率也具有质子的自旋频率。 外来射频脉冲停止后，产生的横向磁化矢量在磁场作用下由x y 平面逐 渐回复到z 轴，体内接受了射频能量发生了能级跃迁的质子试图恢复原有的 状态和能量级，在质子向低能级跃迁时需要向外界释放能量，于是此时人体 就如同天线开始向周围释放能量，这个电磁波为接受线圈接收并转化为成像 所需的信息，此信号经计算机进行处理后传化为成像信号。磁化矢量恢复到 平衡态的过程称为驰豫，t 1 时间为测量纵向驰豫的时间，即纵向磁化矢量从 最小恢复至平衡态的6 3 所经历的驰豫时间，不同的组织t l 时间不同，产 生m r 信号强度上的差别，在图像上表示位为灰阶的差别。t 2 时间为测量横 向驰豫的时间，定义为横向磁化矢量从由最大衰减，至3 7 所经历的驰豫时 间，不同的组织t 2 时间也不相同，也产生m r 信号强度上的差别，图像上显 示为灰阶的差别。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图卜1 0 成像信号产生过程图卜1 1 成像信号波形 披i 信号转化为最终的图像的最后一个问题是，需要确定这个信号来自 身体的哪儿一个部位。于是在主磁场中叠加梯度磁场图1 - 1 2 ，使得每一处 的磁场强度都不相同，而与拉姆定律得知，质子的运动频率取决于其所在处 的场强，所以不同处的质子就具有不同的自旋频率，而不同位置感应出的m r i 信号也就具有不同的频率，这样就得到了成像所需的足够的空间定位信息。 1 3m r i 系统组成 图卜1 2 梯度场 胍i 系统的组成由下图所示，由磁体，梯度线圈，射频线圈，控制计算 机和控制台组成。而豫i 系统的体系结构如图所示，每个方框均表示m r i 系 统的一个功能单元，箭头表示各单元之间的逻辑关系或信息流向。在下面的 章节中，将简要介绍各子系统结构组成以及功能，并着重介绍同本设计密切 相关的磁体系统，梯度系统和射频系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 ，3 1 磁体系统 _ 1 1 1l # # m m m 图1 - 1 3w r i 系统组成 磁体子系统是磁共振成像系统的关键设备。它的性能直接关系到系统的 信噪比，因而在一定程度上决定这图像的质量。m r i 系统的主磁场b 0 又叫静 磁场，在一定范围内增加主磁场强度，可提高图像的信噪比( s n r ) ，因而m r i 系统的场强不能太低。一般来讲主磁体分为永磁体，常导磁体，超导磁体三 种，而其中超导磁体是场强达到l t 以上的唯一途径，因而成为了磁体发展的 趋势，目前在发达国家中l t 以上的超导m r i 系统已经相当普遍。 磁体系统的另外一个性能指标是磁体的均匀度，是指在特定容积限度 内磁场的同一性，即穿过单位面积的磁力线是否相同。因为为了对扫描病人 进行空间定位，在b 0 上还需施加梯度磁场，所以如果主磁场偏差过大会将扭 曲定位信号，降低成像质量。在m r i 系统中均匀性是以主磁场的百万分之一 ( p p m ) 作为一个偏差单位来定量表示的。例如对于1 5 t 的磁场，一个偏差 单位为1 5 x 1 0 1 。 1 3 1 1 磁体系统组成 无论何种磁体，其功能都是为m r i 系统提供满足一定要求的磁场。为 了提高磁场的均匀性，人们发明了匀场线圈；为了保证超导线圈的低温环境， 人们设计出了高真空超低温杜瓦容器：为了解决被检测体的空间分辨率问题， 人们又制造出梯度线圈。这使的磁体部分越来越庞大复杂。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 图1 - 1 4 磁体系统的组成 一个典型的磁体系统如图卜1 4 所示，除了磁体之外，图中还绘出了匀场 线圈，梯度线圈和射频线圈。从图中可以看出，上述三个线圈依次嵌套在磁 体内腔中，使磁体孔径进一步变小。前面所说的有效孔径实际上比体线圈内 径还要小。由此可见，要得到满意的有效孔径，磁体必须有足够大的室温孔 径。 于与磁体，匀场线圈和梯度线圈相连接的是他们各自的电源，即磁体电 源，匀场电源及梯度电源。上述三种电源在控制单元的作用下镤舅端质量的 电流，以保证整个系统磁场的均匀和稳定。对于超导磁体系统，其组成要复 杂的多。除了上面提到的部件外，超导磁体系统还包括低温容器，制冷剂( 液 氮和液氦) 液面计，超导开关，励磁和退磁电路，失超控制和安全保护电路 等单元。 1 3 1 2 超导磁体系统 超导材料最大量，最成功的应用是绕制各种强磁场磁体，而磁体技术用 得最广泛的领域就是m r l 。用这么一种关系来说明超导电性在m r i 中的地位 毫不过分。目前，所有强磁场m r i 扫描系统均采用超导磁体( s u p e r c o n d u c t i n g m a g n e t ) 。各种超导磁体已经完全商品化，而且技术也日益成熟，价格在不断 下降。有人预计，不久的将来其他磁体将会逐渐消失，使全身扫描系统成为 超导磁体的一统天下。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图1 - 1 5 超导磁体的整体结构 超导体对电流的高效率利用，使人们在线圈的设计上不用过分的考究， 因为用普通的螺线管线圈就可以达到m r i 系统对磁场的场强和均匀性要求。 螺线管内轴线上的磁感强度是匀强的；在磁介质一定的前提下，其场强仅与 线圈的匝数和流经线圈的电流强度有关。因此，改变超导磁体的匝数或电流 均可使场强发生变化，而增大超导线圈的电流并不额外消耗功率。在螺线管 的两个端点处，场强将减小为其最大值即线圈中心场值的5 0 。因此，可在 两端增加匝数，使螺线管内的场强处处相等。 图1 - 1 6 超导线圈的场强校正 超导磁体的场强可以超过上述任意一种磁体。除此之外，它的高稳定性 也是无与伦比的。正因为这样，只有用超导磁体的系统才有可能获得高精度 的图像。例如，对于一个0 3 5 t 的超导磁体来说，0 3 的磁场漂移只相ppmh 当于约0 1l lt h 的磁场变化。如果该系统的梯度场为f o m t m ( 相当于1 0 “ t m m 的分辨率) ，则0 5 h 的漂移量还不足于一个像素的1 2 0 0 。这样小的漂 移是可以忽略的。然而，其他磁体的磁场漂移有时可达到每小时数个p p m 。 超导磁体的高场强，高稳定性，高均匀性，不消耗电能以及容易达到系 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 统所要求的孔径是其优点。但是超导线圈须浸泡在密封的液氦杜瓦中方能工 作，这无疑增加了磁体制造的复杂性。定期补充液氦也给用户造成了一定的 经济负担。超导磁体的昂贵和运行费用高是其两大弱点。这也是至今还有其 他形式磁体还在继续运行的原因之一。 1 3 2 梯度系统 1 3 2 1 梯度系统的性能 梯度子系统是指与梯度磁场有关的一切电路单元。它的功能是为系统提 供线性度满足要求的，可快速开关的梯度场，以便动态的修改主磁场，实现 成像体素的空间定位，梯度场的波形如图。 g ，。d 。w 。、，。，。 梯度场的性能指标主要有线性度，梯度场强度，梯度场变化率，梯度场 启动时间( 上升时间) 等。有效容积就是指梯度线圈所包容的，其梯度场能 够满足一定线性要求的空间区域。梯度场线性是衡量梯度场平稳性的指标。 线性越好，表明梯度场越精确，图像的质量就越好。一般来说，梯度场的非 线性不能超过2 。梯度场强度是指梯度场能够达到的最大值。在线圈一定时， 梯度场的强度由梯度电流决定，而梯度电流又受梯度放大器的功率限制。因 此，提高梯度场的场强是比较困难的。梯度场强梯度场变化率和梯度上升时 间是最重要的几个指标。它们从不同角度反映了梯度场达到某一预定值以及 变化的速度。梯度变化快，开启时间就短。一般来说，5 m t m 以上的梯度和 2 m s 以下的上升时间是必须的0 梯度上升快，就可以进一步提高扫描速度。 梯度性能的大幅度提高，有可能使人们开发出速度更快的成像序列，也就 luajj召暑qlu9ip剞口 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 是说扫描速度的提高，有赖于高性能的梯度。 1 3 3 2 梯度系统的组成 梯度系统由梯度线圈，梯度控制器，梯度放大器和梯度冷却系统等部分 组成，各部分关系如图卜1 5 所示。 撵度敦模 控翻嚣 o转换嚣 ( o c u )( n a c ) 梯度电渣 群度 放大量 图1 - 1 5梯度子系统组成 梯度线圈，m ! r i 系统需要三个相互正交的梯度磁场作为图像重建的定位 依据，这个梯度场分别由三个方向的梯度线圈提供。其中z 方向的梯度线圈 有很多形式，最简单的是马克思威尔对，所形成的磁场与主磁场b o 叠加后加 强和削弱b 。的作用。x ，y 向的梯度线圈设计思想来源于无限长导体周围的磁 场，最常见的为鞍形梯度线圈。 梯度放大器，梯度场是在流经梯度线圈的电流即梯度电流的激励下产生 盼，而这一电流须由梯度放大器来提供。梯度放大器是整个梯度控制电路的 功率输出级，因此他必须具有功率大，开关时间短，输出电流精确和系统可 靠等特点。但受线路分布参数，器件以及线圈感性负载的影响，上述要求实 现起来比较困难，因而梯度放大器的设计往往成为梯度子系统的核心。扫描 过程中，梯度场的强度和方向都要随序列的要求的变化而变化，因此，除了 好的功率特性外，梯度放大器还要有非常好的开关特性，才能满足梯度场快 速变化( 其频率高出l o o h z ) 的需要。梯度系统还包括梯度冷却系统，和涡 流补偿系统等子系统。 i 3 3 射频系统 射频系统是豫i 设备中实施射频激励并接受和处理r f 信号的功能单元。 射频系统不仅要根据扫描序列的要求发射各种翻转角的射频波，还要接受成 像区域内氢质子的共振信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 而射频线圈就既是氢质子发生磁共振的激励源，又是n 躲信号的探测 器。无论是发射线圈还是接受线圈，处理的都是基本频率的射频信号，所以 经常沿用无线电发射和接收领域的术语，将发射和接收线圈统称为天线。线 圈只有在谐振在氢质子共振频率时才能达到激发氢核和收到最大信号的双重 目的，所以经常通过改变谐振回路中可变电容的方式对线圈进行调谐，m r i 系统的调谐过程与收音机的选台非常的相似。此外线圈还需要通过去耦来去 除发射接受线圈之间的干扰。 1 。3 4 其他系统 m r i 中还包括信号采集和图像重建系统，用来对所采集的模拟信号进行 a d 转换，使之成为数字信号，之后又根据测量系统所提供的原始数据来计 算可显示的灰度图象，这个系统又称为谱仪系统。还有用于对整个系统实施 控制的主计算机和最终的图像显示系统等等组成部分，由于篇幅所限在此就 不再详细介绍。 1 4m r i 发展趋势 目前，m r i 应用的广泛性及重要性日益显著，快速与超快速成像，准实 时动态m r i ，磁共振血管造影( 凇a ) ，功能性磁共振成像( f m r i ) 磁共振谱( m r s ) 研究，m r i 介人诊断治疗等临床应用技术正在迅速发展。国际一些专家认 为：m r i 的发展将有涵盖x c t ，x r a y 血管造影，超声及正电子断层扫描( p e t ) 的趋势。一方面，m r i 物理与工艺技术的进步促进了医学诊断学向广度和深 度发展，反之，临床医学的新需求又推动了胍i 系统技术的迅速发展，促进 各厂家，研究机构对新型磁体，高性能梯度系统的开发，研究。特别是高切 换率，功率更强大的梯度系统诞生之时，将是许多超快速成像技术投人应用 之日。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第2 章m rl 中梯度子系统 2 1 梯度系统的功能 梯度子系统( g r a d i e n ts y s t e m ) 是指与梯度磁场有关的一切电路单元。 他的功能是为系统提供线性度满足要求的，可快速开关的梯度磁场，以便动 态的修改主磁场，实现成像体素的空间定位。此外在梯度回波和其他一些快 速成像序列中，梯度场的翻转还起着射频激发后自旋系统的相位重聚作用。 因此梯度子系统是m r i 系统的核心部件之一。 梯度磁场( g r a d i e n tm a g n e t i cf i e l d ，a b ) 简称为梯度场。其性能指 标主要有有效容积，线性，梯度场强度，梯度场变化率( 梯度场) 切换率， 梯度场启动时间( 上升时间或爬升时间) 等。 梯度场的有效容积又叫均匀容积。梯度线圈通常采用鞍形线圈，有效容 积就是指鞍形线圈所包容的，其梯度场能够满足一定线性要求的空间区域。 这一区域一般位于磁体中心，并与主磁体的有效容积同心。对于鞍形线圈， 其有效容积只能达到总容积的6 0 左右。梯度线圈的均匀容积越大，对成像 区的限制越小。 梯度场线性是衡量梯度场平稳性的指标。线性越好，表明梯度场越精确， 图像的质量越好。一般来说，梯度场的非线性不能超过2 。 梯度场强是指梯度场能够达到的最大值，在线圈一定时，梯度长的强度 由梯度电流所决定，而梯度电流又受梯度放大器的功率限制。因此，提高梯 度场强是比较困难的。梯度场越强，就可以采用越薄的扫描层面。 梯度场强梯度场变化率和梯度上升时间是最重要的几个指标。它们从不 同角度反映了梯度达到某一预定值以及变化的速度。梯度变化快，开启时间 就短。主流系统的梯度场大多在1 0 m t m ( 即1 g c m ) 左右，上升时间约为l m s 。 而近年来，2 0 m t m 以上的梯度系统已在高场强的m r i 系统中广泛采用。梯度 性能的大幅度提高，有可能使人们开发出速度更快的成像序列。也就是说， 扫描速度的提高，有赖于高性能的梯度线圈。 由此可见，梯度子系统不仅从扫描速度上，也从空间分辨率上限制着整 个m r i 系统性能的改善。另一方面，它的性能还同扫描脉冲序列中梯度脉冲 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 波形的设计有关，即一些复杂序列的实现也取决于梯度。概括起来说，系统 对梯度的要求就是梯度场强，上升速度快和易于控制。 近年来，梯度子系统对躲i 系统整体性能的影响程度已经逐渐被人们所 认识。因此，许多m r i 研究单位和厂商投入了大量精力去改进梯度系统。人 们期待着性能更高的梯度子系统的早日问世。 2 2 梯度系统的组成 组成。 梯度系统由梯度线圈，梯度控制器，梯度放大器和梯度冷却系统等部分 2 2 1 梯度线圈 豫i 系统需要三个相互正交的梯度磁场作为图像重建的定位依据。这三 个梯度场分别由三个方向的梯度线圈来提供。 产生z 向梯度的线圈g ：可以有多种形式，最简单的是马克思成尔对。这 是一对半径为a 的环形线圈。电磁场计算表明，当两线圈的间距等于3 a 时， 线圈取得最好的线性。另外，如果在两线圈中分别通以反向电流，便可使中 间平面的磁场强度为零。这种线圈被广泛的用来产生z 梯度磁场。 x 和y 向梯度线圈g ，g ，的原理稍微复杂些。为了得到与g 。的正交的磁场， 人们根据电磁学中著名的毕奥一萨伐尔定律，研究了无限长导体周围的磁场， 发现四根适当放置的导线通以电流便可以产生所需梯度，即产生的磁场在几 何形状确定的前提下只与线圈中的电流有关。上述结果现己被广泛采用，这 就是人们所熟知的鞍形梯度线圈。 根据对称性原理，将g ，旋转9 0 0 就可以得到g ，。因此，g 。和g ，线圈的设 计可以归结为同一线圈的设计问题。 2 2 2 梯度控制器 梯度控制系统是在计算机的控制下，为系统提供线性度满足要求的、可 快速开关的梯度场，以便动态地修改主磁场，实现成像体素的空间定位。m r i 成像过程中梯度控制器的工作过程是：计算机根据不同的扫描序列，将对应的 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 梯度电流的波形按时间采样，将所得的序列以文件形式存于计算机内：初始化 时，将序列值送人梯度存储器中，开始扫描时启动地址计数器，顺序选通梯 度数据存储单元，确定x 轴、y 轴，z 轴三个方向的梯度场时序和逻辑梯度 值，同时确定不同扫描方向空间定位的旋转角度，经接口电路加载到梯度波 形发生器，由梯度波形发生器中的数值计算单元中的乘法器来计算变换矩阵， 然后由这些矩阵来指定梯度旋转、线性梯度定标及决定相位编码方向。 2 2 3 梯度放大器 梯度场是在流经梯度线圈的电流即梯度电流的激励下产生的，而这一电 流须由梯度放大器提供。 梯度放大器是整个梯度控制电路的功率输出级。因此，它必须具有功率 大，开关时间短，输出电流精确和系统可靠等特点。但受线路分布参数，器 件以及线圈感性负载的影响，上述要求实现起来比较困难，因而梯度放大器 的设计往往成为梯度子系统的核心。不同的扫描序列对梯度场有不同的要求， 而梯度场是由快速变化的梯度电流所产生。因此对梯度场的控制就是对梯度 电流的控制。 而成像所需的梯度波形就是由谱仪所产生。谱仪的功能就是在计算机的 控制下，根据不同的成像参数产生相应的梯度波形以及射频( r f ) 脉冲波形， 同时要求可以灵活的对脉冲的频率，相位幅度进行精确的控制。其中梯度波 形发生器根据不同的成像序列，确定x 轴y 轴z 轴三个方向的梯度场的时序 和逻辑梯度值，同时确定不同扫描方向空间定位的旋转角度，经接口电路加 载到梯度波形发生器，进行任意斜面成像的矩阵变换，得到x 轴y 轴z 轴三 个方向的梯度场的实际的模拟输出。 扫描过程中，梯度场的强度和方向都要随序列的要求而变化，因此除了 好的功率特性外，梯度放大器还要有非常好的开关特性，才能满足梯度场快 速变化的需要。梯度场快速变化所产生的力使梯度线圈发生机械振动，其声 音在扫描过程中清晰可闻。为使梯度线圈的工作互不影响，一般三个梯度线 圈分别由三个相同的电流放大器所驱动。他们在各自的梯度控制单元作用下 分别输出系统所需的梯度电流。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 2 4 本文的主要工作 本文意在为1 5 t 的超导姬i 系统，设计能够为4 5 0uh 感性梯度线圈提 供梯度电流的梯度放大器。针对传统梯度放大器拓扑结构所存在的问题，本 文提出了一种改进了的拓扑结构来改善系统的性能，达到增高开关频率，减 小开关管开关损耗，减小纹波幅度，为梯度线圈提供更为精确的梯度电流， 以最终改善成像质量。本论文完成的工作如下：1 ) 系统的硬件电路设计，包 括开关管的选择，驱动电路的设计，保护电流的设计。2 ) 系统数学模型的建 立，根据数学模型确定系统控制方案和控制参数。3 ) 控制系统硬件电路设计， 算法程序的编写。4 ) 对系统进行仿真，由仿真结果证明设计的可行性以及新 拓扑结构和控制方案对系统性能的改善。5 ) 搭建试验电路，进行调试，并得 出试验结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章梯度放大器的分析设计 3 1 传统梯度放大器分析 b i r i 系统中须要产生x ，y ，z 三个方向的梯度磁场来为由人体氢质子所 发出的成像信号来进行空间定位。为了加快成像速度，往往需要更大的梯度 电流和更为迅速的电流上升时间。例如根据快速成像序列的要求，需要在小 于1 0 0 l ls 的时间内将i m h 梯度圈中的电流上升为4 - 2 5 0 a ，根据电感公式 v = l ( d i d t ) ，需要v = i m x 2 5 0 a + 0 i m s = 2 5 0 0 v 的高压。用线形放大器是不现实 的，所以传统的梯度放大器一般为大功率的开关放大器。开关放大器的拓扑 结构如图所示， 。 g b t l 咋角g 日t 2 言 g l cl w p a 筠f i r 、1 ￥i ； ：霎； 童 l 擘i a g b t 十嘣咋j i g b t 3 图3 - 1 开关放大器全桥结构 下面结合梯度波形，阐述全桥梯度放大器的工作原理。将电路的整个工 作过程分为四个阶段。 |i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 | ， 、 r i g 图3 - 2t 。时段电路工作状态 霍易-詈l吕墨；。iu 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 t 。时段电路工作状态如图3 2 ，i g b t l ，i g b t 3 导通，