磁共振系统：梯度系统及发展趋势

磁共振系统：梯度系统及发展趋势 (上)
刘克成 等
刘克成先生，博士、MBA ，西门子迈迪特(深圳)磁共振有限公司副总裁；陈历明先生，博士； 高静女士，硕士；秦鹏先生，硕士，市场部产品专家。

关键词: 磁共振 梯度系统
一 导言
梯度系统是医用磁共振系统中重要的一部分。

按磁共振成像理论，梯度系统的主要功能 就是使主磁场沿特定的方向产生线性变化(如图 1所示)，而达到选层，相位及频率编码的目 的。

此外，主梯度线圈也用来校正主磁场的线性非均匀项，改善主磁场的均匀性。

用数学来描述梯度系统的主要功能：

+ (t ) = +[x (t )+ y (t )+ z (t )] B o rG B G x G y G o z
衡量梯度系统的最重要的指标是最大梯度强度(G max )和最大梯度切换率(SR)。

最大梯度 强度G max 表征在空间上所能产生的最大变化率，如图 2a 的斜率。

它的大小决定了图像的空 间分辨率及成像速度。

梯度切换率SR 则表征梯度的变化能力。

它的大小决定了图像的时间 分辨率及成像速度。

简单地说，图像的空间分辨率反比于梯度脉冲的面积，即零阶矩。

梯度脉冲的面积是由 梯度强度与时间的积分决定，因而可用下列方程来描述：
1 © G t dt
+ ( )
图像分辨率 而成像的速度或成像的时间分辨率则正比于梯度切换率， 即 成像速度∝SR 由此可见，梯度系统的性能对于 MR 系统以及临床应用来说是极其重要的。

必须注意 梯度系统的配置及性能与主磁场的场强是没有关系的。

理想的梯度系统应具有以下特点：
(1)最大梯度强度高；
(2)切换时间短，切换率高；
(3)线性度好；
(4)低功耗；
(5)对周围设备产生的涡流尽可能的小。

如图 3 所示，典型的梯度系统由磁共振测量控制系统(根据成像序列的定义产生数字化 的梯度脉冲数据)、梯度小信号单元(提供数模变换和梯度脉冲输出调节等功能)、梯度功率放 大器、滤波器、梯度线圈等组成。

本文将梯度系统中最主要的两个部分，即梯度功率放大器和梯度线圈，进行简单的介绍， 并对梯度系统的今后发展的趋势做一探讨。

二 梯度功率放大器
1. 对梯度功率放大器的基本要求
梯度功率放大器是用来为梯度线圈提供电流以产生所需要的梯度脉冲波形。

由于梯度功 率放大器的工作频率是在 0~20 kHz 的范围内，所以梯度功率放大器可以认为是一个高功率 的音频放大器，或者更准确地说，是高功率的开关电路。

在 20 kHz 时，其最大功率可达 300 kW 以上。

梯度功率放大器或者是涡流都可以使实际产生的梯度脉冲波型产生误差。

为避 免图像的伪影，这种误差应控制在 0.1% 以下。

由于梯度线圈是由导线， 如铜线， 按一定形状绕制而成。

在不考虑梯度滤波器影响的 前提下，可以认为梯度线圈是梯度功放的负载。

当给定电流 i(t)，负载两端的电压可用下 列方程描述：
di (t ) + i (t ) d L dt V (t ) = Ri (t )+ L （1）
dt 其中， R 为梯度线圈的电阻，i(t)为时变电流，L 为梯度线圈的电感值。

应特别注意到，在电感上的电压降要远大于电阻上的电压降。

这就是说， 由梯度功率 放大器所提供的绝大部分功率是储存在梯度场中(电磁场中)，而只有极小的一部分功率是消 耗在线圈中，转化为热能。

基于这样的事实，梯度功率放大器应设计成能从梯度场中取回能
量而用于下一个梯度脉冲。

从这一角度来说，梯度功率放大器又可称之为功率管理单元。

因 为它的功能就是以尽可能低的损耗将能量从梯度线圈中存入取出。

梯度功率放大器所提供的功率与梯度切换率可用下列方程来描述：
G ⎜ 2 P  = G ⋅ SR （2）
其中，P 为功率，G 为梯度强度，τ为建立梯度脉冲所需要的时间。

如方程(1)所示， 梯度线圈实际上是作为一个感抗负载接在梯度功率放大器上。

此外， 梯度线圈之间以及梯度线圈与其它电导体，例如磁体，之间存在一定的电磁耦合从而产生涡 流。

因此，如图 4所示，由于涡流的存在，使得实际的梯度场会偏离理想梯度场。

为了， 补偿涡流的影响，梯度功率放大器驱动梯度线圈的实际电流应如图 5a 所示，以达到较为理 想的实际梯度场或梯度波形，如图 5b 所示。

当然，实际涡流的大小与梯度线圈和磁体的设 计有很大的关系。

此外，梯度线圈自身也同时用来校正一阶项的场不均匀性。

为达到这一目的，梯度线圈 内通以一定的恒定电流， 如图 5所示。

综上所述，梯度功率放大器的输出电流应由三部分组成：
I 梯度功放=（I 梯度+I 涡流补偿）+I 一介匀场偏置 （3）
其中，前两部分保证实际梯度场接近理想梯度场，最后一项则用来改善匀场性能。

梯度功率放大器根据其工作机制，可以划分为共振式和非共振式两大类。

2. 共振式梯度功率放大器
共振式梯度功率放大器(图 6)的基本原理是在没有梯度脉冲输出时，SW1闭合，直流电 源为储能电容C 充电。

当要求输出梯度脉冲时，SW1断开而SW2闭合，储能电容C 通过一个 谐振回路向梯度线圈提供能量。

由于梯度线圈内阻的存在，通过梯度线圈的电流为阻尼振荡 (逐步衰减)的正弦波，可用下列方程描述
I(t)=Ve -tR/2L sin(ωt) (4)
其中共振频率为：
R L
2
1 ⎤ = LC
2 为了补偿因为梯度线圈内阻消耗所导致的输出梯度脉冲的衰减以及产生梯度脉冲顶部 平坦区，共振式梯度功率放大器通过一个线性放大器根据实际输出电流 I(t)和设定输出电流 I d (t)之间的差值来调节梯度脉冲的输出电流，另通过闭合 SW
3 可以产生梯度脉冲顶部平坦 区。

共振式梯度功率放大器最大的优点就是电路简单，但是其输出梯度脉冲的波形不能任意 设定，限制了其只能用于EPI(平面回波成像)等有限的序列。

3. 非共振式梯度功率放大器
与共振式梯度功率放大器相比，非共振式梯度功率放大器则是一种更为通用，能提供更 高功率的设计。

其主要思想是将梯度功放模块化，在使用中可将梯度功放任意地串联或并联， 从而提供更大的输出电流或电压。

相比与提高单个梯度功放的性能，这种设计能够降低整机 系统的成本。

非共振式梯度功率放大器有两种类型： (1) 线性放大器 ；(2) 开关放大器。

这两类放 大器的组合能使整个梯度功放能够在效率，体积及性能方面均达到最佳。

线性梯度功率放大器有甲类、乙类、丙类等多种，其共同特点是用电流或电压负反馈的 方式来调节开关晶体管的偏置电压，从而达到控制其输出功率的目的。

开关晶体管可以被认
为是一个电压控制的“可变电阻“，可以连续调控。

当然，这样一来在开关晶体管上的功率
损耗也是相当可观的。

开关梯度功率放大器则考虑梯度线圈的负载特性是感抗占主要成分，因而有针对性设
计，使其能效比较高。

此外，它可以通过串联或并联等组合配置来提供更大的梯度脉冲输出
功率。

图7从原理上描述了开关梯度功率放大器的简化电路。

梯度线圈通过开关和滤波器连接
到一个直流功率放大器。

由开关元器件组成的H 型桥臂开关是非常典型的设计。

这种负载的实际电流与设定电流的偏差，调节控制开关管的脉冲宽度调制信号(PWM)的输出及其输
出脉冲宽度，来控制四个开关的通断及其时间(开关1和4闭合时，开关2和3则断开，反之亦然)。

为减小误差，半导体开关器件工作在较高的频率段，一般要大于10 kHz。

滤波
器的主要作用是减少电流的纹波或者是电流的过冲。

但如果滤波过度的话，则会降低电路的
响应，导致不希望的频率较高的纹波电流通过。

开关频率越高，纹波电流就越小，放大器的
输出电流也就越接近于期望值。

根据(1)式，梯度切换时间越短，输出电流越大，对梯度功率放大器输出电压的需求就
越高。

为了避免采用一级开关型梯度功率放大器时由于其工作电压太高而容易产生尖峰电压
干扰，上述开关型梯度功率放大器可以采用多级串联(级联)的方式来提高输出电压。

开关梯度功率放大器，因其体积紧凑，能效高以及成本较低，在工业界内得到广泛的
认可。

绝大部分的医用磁共振系统都采用了此类放大器。

但严格地说，线性梯度功率放大器
所输出的梯度波形的保真度要优于开关梯度功率放大器。

（未完待续）
来源：《世界医疗器械》
出版日期：2007年10月。