MRI系統(tǒng)中梯度放大器的設(shè)計解析課件

1、MRI系統(tǒng)中梯度放大器的設(shè)計05031115 陳歷曦電力電子與電力傳動導(dǎo)師： 王 莉第1頁，共29頁。第一部分 MRI系統(tǒng)簡介1 MRI系統(tǒng)：MRI（magnetic resonance imaging)的物理基礎(chǔ)為NMR（nuclear magnetic resonance),是指射頻波與既有角動量又有磁矩的核系統(tǒng)在外磁場中相互作用所表現(xiàn)出的物理特性，利用這一現(xiàn)象不僅能夠研究物質(zhì)的成分，還可以觀察其微觀結(jié)構(gòu)。MRI是繼CT之后又一項獲得諾貝爾獎的醫(yī)學(xué)影像成果，它綜合了超導(dǎo)技術(shù)，低溫技術(shù)，磁體技術(shù)，電子技術(shù)，成像技術(shù)，圖像處理技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的一個復(fù)雜系統(tǒng)，隨著硬件和軟件技術(shù)的不斷進(jìn)步，MRI

2、的應(yīng)用范圍不斷的擴(kuò)大，現(xiàn)已成為醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域中最先進(jìn)最昂貴的診斷設(shè)備之一。第2頁，共29頁。2 MRI 系統(tǒng)的組成：第3頁，共29頁。結(jié)構(gòu)圖：第4頁，共29頁。磁體系統(tǒng):提供均勻的穩(wěn)定的主磁場。梯度系統(tǒng)：為MRI系統(tǒng)提供線性度滿足要求的，可快速開關(guān)的梯度場，以便動態(tài)地修改主磁場，實現(xiàn)成像體素的空間定位。射頻系統(tǒng)：實施射頻激勵并接受和處理RF信號。信號采集和圖像重建子系統(tǒng)：對檢波后的兩路信號分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使之成為離散數(shù)字信號的過程。這些信號經(jīng)累加及變換處理后就成為重建圖像的原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集和圖像重建是MRI中的最后一步。第5頁，共29頁。3 MRI 基本原理：即用RF脈沖誘發(fā)核磁共振信號第

3、6頁，共29頁。第7頁，共29頁。第8頁，共29頁。第二部分 梯度系統(tǒng)介紹1 梯度場：在勻強(qiáng)磁場中，所有的質(zhì)子在同一頻率下共振，既意味著沒有質(zhì)子的位置信息可供利用。但如果能夠隨意的改變各點的場強(qiáng)，就可使各點的共振頻率發(fā)生變化，從而得到以場強(qiáng)標(biāo)記的空間信息。所以在靜磁場 上疊加梯度磁場 ，這樣用含有各種頻率分量的RF脈沖激發(fā)一定數(shù)量的空間質(zhì)子，就可以描繪出質(zhì)子的空間圖像分布。第9頁，共29頁。梯度坐標(biāo)系：梯度場的作用：動態(tài)的修改主磁場。梯度場的波形：梯度場與主磁場的疊加：第10頁，共29頁。梯度場與主磁場的疊加：2 梯度線圈：梯度子系統(tǒng)工作流程：第11頁，共29頁。3 梯度放大器：不同的掃描序列

4、對梯度場有不同的要求，而梯度場是由快速變化的梯度電流所產(chǎn)生的，因此對梯度場的控制就是對梯度電流的控制。梯度放大器是整個梯度控制電路的功率輸出級，因此必須具有功率大，開關(guān)時間短，輸出電流精確和系統(tǒng)可靠等特點，但是受線路分布參數(shù)，器件以及線圈感性負(fù)載的影響，上述要求實現(xiàn)起來比較困難，因而梯度放大器的設(shè)計往往成為梯度子系統(tǒng)的核心。第12頁，共29頁。第三部分 已完成的工作1 主電路的設(shè)計：第13頁，共29頁。主要元件參數(shù)：梯度線圈電感：內(nèi)阻：低通濾波器電感：電容：輸入直流電壓：系統(tǒng)帶寬：輸入?yún)⒖夹盘枺ǚ讲ǎ╊l率幅值：IGBT開關(guān)頻率：80K第14頁，共29頁。控制環(huán)設(shè)計：第15頁，共29頁?？刂圃?/p>

5、：當(dāng)線圈負(fù)載中電流經(jīng)電流傳感器檢測并縮小一定倍數(shù)后小于參考值，IGBT 2,4 導(dǎo)通，1,3 關(guān)斷，使負(fù)載兩段承受負(fù)電壓，電感線圈中電流減小。反之，IGBT 1,3導(dǎo)通，2，4關(guān)斷，電流增大。采用PWM 控制每個周期內(nèi)的占空比，以調(diào)整線圈中電流跟隨輸入電流。 當(dāng)誤差信號為正鉉波時PWM輸出脈沖關(guān)系如下：控制器采用PID補(bǔ)償器，鑒于系統(tǒng)對于響應(yīng)速度的要求，適當(dāng)加大D 參數(shù)值?？刂撇糠謱⒆罱K用Ti公司的 TMS2812 DSP 芯片實現(xiàn)，包括數(shù)字PID 控制器，和每一周期的PWM占空比計算 第16頁，共29頁。 PWM(Matlab)第17頁，共29頁。 PWM (Psim)第18頁，共29頁。初

6、步仿真，使用單環(huán)控制，并沒有加入濾波器的情況下，仿真波形：第19頁，共29頁。為消除紋波加入濾波器后得到波形：可見濾波器雖然有效去除紋波，但由于儲能原件的加入明顯減慢了波形上升和下降的速度。第20頁，共29頁。為此加入控制電壓內(nèi)環(huán)反饋，并在內(nèi)環(huán)中加入PI調(diào)節(jié)，根據(jù)輸出端電壓和電流的關(guān)系確定反饋參數(shù)電路如圖第21頁，共29頁。得到的仿真波形：第22頁，共29頁。當(dāng)輸入正弦參考信號時：第23頁，共29頁。存在的問題：當(dāng)輸入信號頻率升高到12KHZ時，受IGBT 開關(guān)頻率的限制，電流跟隨效果不好。第24頁，共29頁?？紤]將兩個全橋拓?fù)潆娐芳壜?lián)使用：第25頁，共29頁。使用此拓?fù)涞膬?yōu)點：1 在高電壓強(qiáng)電流（1200v，250Arms,600Apk) 的條件下減少每個IGBT的導(dǎo)通時間，從而減小開關(guān)損耗。 2 允許運(yùn)用更為復(fù)雜的PWM序列來控制8個IGBT 的導(dǎo)通時間，從而優(yōu)化控制，更為精確的控制輸出電流。 3 通過控制觸發(fā)序列，增高紋波頻率，減小紋波幅度。第26頁，共29頁。 脈沖序列時序基本思想 第27頁，共29頁。論文 后期工作安排：完成2812 DSP芯片C語言控制算法的編寫，在CCS中進(jìn)行仿真，同時繼