MRI系统中梯度放大器的设计解析课件

1、MRI系统中梯度放大器的设计05031115 陈历曦电力电子与电力传动导师： 王 莉第1页，共29页。第一部分 MRI系统简介1 MRI系统：MRI（magnetic resonance imaging)的物理基础为NMR（nuclear magnetic resonance),是指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物理特性，利用这一现象不仅能够研究物质的成分，还可以观察其微观结构。MRI是继CT之后又一项获得诺贝尔奖的医学影像成果，它综合了超导技术，低温技术，磁体技术，电子技术，成像技术，图像处理技术和计算机技术的一个复杂系统，随着硬件和软件技术的不断进步，MRI

2、的应用范围不断的扩大，现已成为医学影像领域中最先进最昂贵的诊断设备之一。第2页，共29页。2 MRI 系统的组成：第3页，共29页。结构图：第4页，共29页。磁体系统:提供均匀的稳定的主磁场。梯度系统：为MRI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。射频系统：实施射频激励并接受和处理RF信号。信号采集和图像重建子系统：对检波后的两路信号分别进行A/D转换，使之成为离散数字信号的过程。这些信号经累加及变换处理后就成为重建图像的原始数据，数据采集和图像重建是MRI中的最后一步。第5页，共29页。3 MRI 基本原理：即用RF脉冲诱发核磁共振信号第

3、6页，共29页。第7页，共29页。第8页，共29页。第二部分 梯度系统介绍1 梯度场：在匀强磁场中，所有的质子在同一频率下共振，既意味着没有质子的位置信息可供利用。但如果能够随意的改变各点的场强，就可使各点的共振频率发生变化，从而得到以场强标记的空间信息。所以在静磁场 上叠加梯度磁场 ，这样用含有各种频率分量的RF脉冲激发一定数量的空间质子，就可以描绘出质子的空间图像分布。第9页，共29页。梯度坐标系：梯度场的作用：动态的修改主磁场。梯度场的波形：梯度场与主磁场的叠加：第10页，共29页。梯度场与主磁场的叠加：2 梯度线圈：梯度子系统工作流程：第11页，共29页。3 梯度放大器：不同的扫描序列

4、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的，因此对梯度场的控制就是对梯度电流的控制。梯度放大器是整个梯度控制电路的功率输出级，因此必须具有功率大，开关时间短，输出电流精确和系统可靠等特点，但是受线路分布参数，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。第12页，共29页。第三部分 已完成的工作1 主电路的设计：第13页，共29页。主要元件参数：梯度线圈电感：内阻：低通滤波器电感：电容：输入直流电压：系统带宽：输入参考信号（方波）频率幅值：IGBT开关频率：80K第14页，共29页。控制环设计：第15页，共29页。控制原理

5、：当线圈负载中电流经电流传感器检测并缩小一定倍数后小于参考值，IGBT 2,4 导通，1,3 关断，使负载两段承受负电压，电感线圈中电流减小。反之，IGBT 1,3导通，2，4关断，电流增大。采用PWM 控制每个周期内的占空比，以调整线圈中电流跟随输入电流。 当误差信号为正铉波时PWM输出脉冲关系如下：控制器采用PID补偿器，鉴于系统对于响应速度的要求，适当加大D 参数值。控制部分将最终用Ti公司的 TMS2812 DSP 芯片实现，包括数字PID 控制器，和每一周期的PWM占空比计算 第16页，共29页。 PWM(Matlab)第17页，共29页。 PWM (Psim)第18页，共29页。初

6、步仿真，使用单环控制，并没有加入滤波器的情况下，仿真波形：第19页，共29页。为消除纹波加入滤波器后得到波形：可见滤波器虽然有效去除纹波，但由于储能原件的加入明显减慢了波形上升和下降的速度。第20页，共29页。为此加入控制电压内环反馈，并在内环中加入PI调节，根据输出端电压和电流的关系确定反馈参数电路如图第21页，共29页。得到的仿真波形：第22页，共29页。当输入正弦参考信号时：第23页，共29页。存在的问题：当输入信号频率升高到12KHZ时，受IGBT 开关频率的限制，电流跟随效果不好。第24页，共29页。考虑将两个全桥拓扑电路级联使用：第25页，共29页。使用此拓扑的优点：1 在高电压强电流（1200v，250Arms,600Apk) 的条件下减少每个IGBT的导通时间，从而减小开关损耗。 2 允许运用更为复杂的PWM序列来控制8个IGBT 的导通时间，从而优化控制，更为精确的控制输出电流。 3 通过控制触发序列，增高纹波频率，减小纹波幅度。第26页，共29页。 脉冲序列时序基本思想 第27页，共29页。论文 后期工作安排：完成2812 DSP芯片C语言控制算法的编写，在CCS中进行仿真，同时继