DE19639719C1 - Verfahren zum Erzeugen von Steuersignalen für eine Gradientenstromversorgung - Google Patents

Description

Bei diagnostischen Magnetresonanzgeräten ist es zur schnellen Bildgebung erforderlich, einem magnetischen Grundfeld in ra­ scher Folge verschiedene magnetische Gradientenfelder zu überlagern. Zum Beispiel wird beim Echo-Planar-Imaging (EPI) abwechselnd das Vorzeichen eines Auslesegradienten geändert. Die zur Erzeugung der Gradientenfelder benötigten Gradienten­ spulen stellen vorwiegend induktive Lasten für die speisende Gradientenstromversorgung dar. Die Gradientenstromversorgung muß demnach bei hohen Ausgangsstromstärken zur Erzielung von hohen Stromänderungs- oder Feldänderungsgeschwindigkeiten hohe Ausgangsspannungen liefern können.

So ist aus der EP 0 562 791 A1 eine Gradientenstromversorgung oder ein Gradientenverstärker bekannt, der aus einer Reihen­ schaltung einer linearen geregelten Spannungsquelle und einer geschalteten Spannungsquelle besteht. Die geschaltete Span­ nungsquelle liefert nur die kurzzeitig benötigte Spitzenspan­ nung für die Strom- bzw. Feldänderungen. Sowohl der linearen geregelten Spannungsquelle wie auch der geschalteten Span­ nungsquelle wird ein Gradientensollwert zugeführt, der den zeitlichen Verlauf des Gradientenfeldes vorgibt. Die geschal­ tete Spannungsquelle umfaßt eine Kondensatorbank und eine Brückenschaltung von Halbleitern mit dazu antiparallel ge­ schalteten Freilaufdioden, wobei die Halbleiterschalter ent­ sprechend der benötigten Ausgangsspannung angesteuert werden. Die Steuersignale für die Halbleiterschalter werden aus dem Gradientensollwert gebildet, indem zunächst die für die Stromänderung benötigte Spannung in einer Differentiations­ stufe festgestellt wird. Eine nachgeschaltete Schwellwertstu­ fe erzeugt jeweils ein Ausgangssignal bei Überschreitung bzw. Unterschreitung eines Schwellwertes. In Abhängigkeit vom Aus­ gangssignal erzeugt anschließend eine Logikeinheit die Steu­ ersignale für die Halbleiterschalter. Die Schaltung kann je­ doch nur mit zusätzlichem Aufwand an verschiedene Gerätekon­ figurationen angepaßt werden. Anpassungen sind notwendig, wenn die Induktivität der Gradientenspule verändert wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung der Steuersignale für die Halbleiterschalter anzugeben, das die vorstehend genannte Schaltung leicht an verschiedene Gerätekonfigurationen anpassen läßt.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten gelöst:

• - In Abhängigkeit von dem Sollwert, einer zeitlichen Ablei­ tung des Sollwertes und einem Schwellwert wird ein Zwi­ schenwert gebildet, wenn der Betrag der zeitlichen Ablei­ tung größer als der Schwellwert ist,
• - ausschließlich in Abhängigkeit von dem Sollwert wird der Zwischenwert gebildet, wenn der Betrag der zeitlichen Ab­ leitung kleiner als der Schwellwert ist, und
• - in Abhängigkeit vom Zwischenwert werden die Steuersignale für die Halbleiterschalter erzeugt.

Die Verfahrensschritte lassen sich, insbesondere durch die Erzeugung des Zwischenwertes, als leicht anpaßbares Software­ programm formulieren, das durch einen Universal- oder Spezi­ alrechner in Echtzeit abgearbeitet werden kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß der Sollwert einer Vorzeichenoperation unterworfen wird, die ein Vorzeichen des Sollwertes bestimmt, und daß der Zwischen­ wert in Abhängigkeit von dem Vorzeichen des Sollwertes be­ stimmt wird. Die Verarbeitung des Vorzeichens erfordert nur wenig Rechnerleistung.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Dif­ ferenz gebildet, bei der von der zeitlichen Ableitung des Sollwertes der Schwellwert abgezogen wird, die Differenz ei­ ner Vorzeichenoperation unterworfen wird, die das Vorzeichen der Differenz bestimmt, und der Zwischenwert in Abhängigkeit von dem bestimmt wird. Damit erfordert auch die Weiterverar­ beitung der zeitlichen Ableitung nur wenig Rechnerleistung.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorzeichenoperation bei positivem Vorzei­ chen einen ersten Wert "+1" und bei negativem Vorzeichen ei­ nen zweiten Wert "-1" ausgibt. Die Zuweisung eines bestimmten Wertes erlaubt eine arithmetische Weiterverarbeitung.

Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß der Zwischenwert gebildet wird aus der Summe des in der Vorzeichenoperation ermittelten Wertes des Sollwertes und dem in der Vorzeichenoperation ermittelten Wert der Differenz, wenn der Betrag der zeitlichen Ableitung größer als der Schwellwert ist, und aus dem in der Vorzei­ chenoperation ermittelten Wert des Sollwertes, wenn der Be­ trag der zeitlichen Ableitung kleiner als der Sollwert ist. Durch unterschiedliche Schwellwerte können auch Spannungsver­ sorgungen mit unterschiedlichen Spannungen einfach adaptiert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand von zwei Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Gradientenstromversorgung und

Fig. 2 ein prinzipielles Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Erzeugen von Steuersignalen für die Gradientenstrom­ versorgung nach Fig. 1.

Das Prinzipschaltbild in Fig. 1 zeigt eine Gradientenstrom­ versorgung, die aus einer Reihenschaltung einer linearen ge­ regelten Spannungsquelle 2 und einer geschalteten Spannungs­ quelle 4 besteht. Die Reihenschaltung 2, 4 speist eine in ei­ nem diagnostischen Magnetresonanzgerät (hier nicht darge­ stellt) angeordnete Gradientenspule 6. Die lineare geregelte Spannungsquelle 2 umfaßt einen Regelverstärker 8 und einen Leistungsverstärker 10. Die geschaltete Spannungsquelle 4 um­ faßt eine Kondensatorbank 12, die über eine Brückenschaltung von Halbleiterschaltern 14, 16, 18, 20 mit dazu antiparallel geschalteten Freilaufdioden 22, 24, 26, 28 mit Ausgangsan­ schlüssen 30, 32 elektrisch verbunden werden kann. Als Halb­ leiterschalter 14, 16, 18, 20 können z. B. MOS-Transistoren eingesetzt werden.

Der zeitliche Verlauf des Gradientenfeldes und damit der Strom durch die Gradientenspule 6 wird vorgegeben durch einen Gradientensollwert G(t), der in analoger oder digitaler Form dem Regelverstärker 8 als Sollwert vorgegeben wird. Eine Stromistwerterfassung 34 führt den Wert des tatsächlich durch die Gradientenspule 6 fließenden Stromes als Istwert dem Re­ gelverstärker zu. Der Gradientensollwert G(t) wird in digita­ ler Form ebenfalls einem Universal- oder Spezialrechner 36 zugeführt. Der Rechner 36 kann auch Teil des Steuerrechners des Magnetresonanzgeräts sein. In Abhängigkeit des Gradien­ tensollwertes G(t) und eines weiter unten noch beschriebenen Schwellwerts S erzeugt der Rechner 36 Steuersignale A, B, C, D für die Halbleiterschalter 14 bzw. 16 bzw. 18 bzw. 20.

Langsame Änderungen des Gradientenfeldes können von der li­ nearen Spannungsquelle 2 bewirkt werden, wobei die Halblei­ terschalter 14, 16, 18, 20 in der geschalteten Spannungsquel­ le 4 so angesteuert sind, daß sie einen Stromfluß in beiden Richtungen zulassen. In diesem Betriebszustand sind die Halb­ leiterschalter 14 und 18 oder 16 und 20 leitend. Das bedeu­ tet, daß elektrisch der Anschluß 30 mit dem Anschluß 32 ver­ bunden ist. Die maximale Stromänderungsgeschwindigkeit in der Gradientenspule 6 ist durch die maximale Ausgangsspannung des linearen Verstärkers 2 begrenzt. Werden höhere Stromände­ rungsgeschwindigkeiten durch den Gradientensollwert G(t) vor­ gegeben, wird die geschaltete Spannungsquelle 4 so gesteuert, daß die Kondensatorbank 12 in Abhängigkeit der Änderungsrich­ tung Stromanstieg oder Stromabfall über die Halbleiterschal­ ter 14, 16, 18, 20 mit den Anschlüssen 30 und 32 verbunden wird. Die lineare Spannungsquelle 2 regelt dann nur noch Dif­ ferenzen zwischen der durch die Spannung an der Kondensator­ bank 12 vorgegebenen Stromänderungsgeschwindigkeit und dem Gradientensollwert G(t) aus.

Vor oder auch während der Untersuchungssequenz muß die Kon­ densatorbank 12 geladen werden. Das geschieht vorzugsweise mit dem linearen Gradientenverstärker 12, indem zunächst die Gradientenspule 6 mit einem Strom geladen wird. Die in der Gradientenspule 6 gespeicherte Energie wird dann nach Ab­ schalten des linearen Gradientenverstärkers 2 von der Konden­ satorbank 12 aufgenommen. Die Spannung in der Kondensatorbank hat dann in der Schaltung der Halbleiterschalter 14, 16, 18, 20 und Freilaufdioden 22, 24, 26, 28 die dort angegebene Po­ larität.

Aus dem in Fig. 2 dargestellten Flußdiagramm des Verfahrens zur Erzeugung der Steuersignale A, B, C, D ist zu erkennen, daß aus dem Gradientensollwert G(t) zunächst die erste Ablei­ tung dG(t)/dt gebildet wird. Der Betrag der ersten Ableitung wird einer Schwellwertoperation 40 mit vorgebbarem Schwell­ wert S unterworfen:

Abhängig vom Ergebnis der Schwellwertoperation 40 wird der Gradientensollwert G(t) unterschiedlich ausgewertet. Ist der Betrag der ersten Ableitung größer als der Schwellwert S, so wird ein Zwischenwert Z nach der Formel

gebildet (Verfahrensschritt 42), wobei die Vorzeichenoperation Sign (x) den Wert "+1" ausgibt, wenn x<0 und den Wert "-1" ausgibt, wenn x<0.

Ist der Betrag der ersten Ableitung kleiner als der Schwell­ wert S, so wird der Gradientensollwert G(t) lediglich einer Vorzeichenoperation unterworfen und ein Zwischenwert

Z = Sign G(t)

(Verfahrensschritt 44) gebildet.

In Abhängigkeit des Zwischenwertes Z werden dann die Steuer­ signale A, B, C, D für die Halbleiterschalter gemäß der fol­ genden Tabelle in einem Decodierschritt 46 bestimmt:

Dabei bedeutet das Steuersignal "off", daß der entsprechende Halbleiterschalter sperrt, und das Steuersignal "on", daß der entsprechende Halbleiterschalter leitet. Die Tabelle zeigt, daß der Zwischenwert Z vier verschiedene Werte annehmen kann, wobei |1| bedeutet, daß die Steuersignale sowohl bei Z = +1 wie auch bei Z = -1 gleich sind. Bei Z = |1| besteht zudem die Mög­ lichkeit, entweder die obere Hälfte der Brückenschaltung mit den Halbleiterschaltern 14 und 18 oder die untere Hälfte der Brückenschaltung mit den Halbleiterschaltern 16 und 20 lei­ tend zu schalten. In beiden Fällen sind dann die Anschlüsse 30 und 32 direkt elektrisch miteinander verbunden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Erzeugen von Steuersignalen für eine Gra­ dientenstromversorgung in einem diagnostischen Magnetreso­ nanzgerät in Abhängigkeit von einem Sollwert, welche Gradien­ tenstromversorgung gebildet ist aus einer linearen geregelten Spannungsquelle (2) und einer von den Steuersignalen geschal­ teten Spannungsquelle (4), wobei die geschaltete Spannungs­ quelle (4) Ausgangsanschlüsse (30, 32), eine Kondensatorbank (12) und eine Brückenschaltung von Halbleiterschaltern (14, 16, 18, 20) mit dazu antiparallel geschalteten Freilaufdioden (22, 24, 26, 28) umfaßt, welche Brückenschaltung mit der Konden­ satorbank (12) und den Ausgangsanschlüssen (30, 32) verbunden ist mit den Schritten:

• - in Abhängigkeit von dem Sollwert, einer zeitlichen Ablei­ tung des Sollwertes und einem Schwellwert wird ein Zwi­ schenwert gebildet (42), wenn der Betrag der zeitlichen Ab­ leitung größer als der Schwellwert ist (40),
• - ausschließlich in Abhängigkeit von dem Sollwert wird der Zwischenwert (44) gebildet, wenn der Betrag der zeitlichen Ableitung kleiner als der Schwellwert ist (40), und
• - in Abhängigkeit vom Zwischenwert werden die Steuersignale für die Halbleiterschalter erzeugt (46).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sollwert einer Vorzei­ chenoperation unterworfen wird, die ein Vorzeichen des Soll­ wertes bestimmt, und daß der Zwischenwert in Abhängigkeit von dem Vor­ zeichen des Sollwertes bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenz gebildet wird, bei der von der zeitlichen Ableitung des Sollwertes der Schwellwert abgezogen wird, daß die Differenz einer Vorzei­ chenoperation unterworfen wird, die das Vorzeichen der Diffe­ renz bestimmt, und daß der Zwischenwert in Abhängigkeit von dem Vorzeichen bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzeichenoperation bei positivem Vorzeichen einen ersten Wert "+1" und bei nega­ tivem Vorzeichen einen zweiten Wert "-1" ausgibt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zwischenwert gebildet wird

• - aus der Summe des in der Vorzeichenoperation ermittelten Wertes des Sollwerts und dem in der Vorzeichenoperation er­ mittelten Wert der Differenz, wenn der Betrag der zeitli­ chen Ableitung größer als der Schwellwert ist, und
• - aus dem in der Vorzeichenoperation ermittelten Wert des Sollwertes, wenn der Betrag der zeitlichen Ableitung klei­ ner als der Schwellwert ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Zwi­ schenwert vier verschiedene Werte annehmen kann und daß jeder Wert des Zwischenwerts jeweils einer Kombination von Steuer­ signalen für die Halbleiterschalter entspricht.