MRI系统中梯度放大器的设计
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。
mri的梯度磁场系统名词解释
mri的梯度磁场系统名词解释引言：医学磁共振成像（MRI）作为一种非侵入式的影像技术，已经在临床医学领域广泛应用。
MRI通过梯度磁场系统实现图像的空间编码，而梯度磁场系统是MRI成像中至关重要的组成部分。
本文将对MRI的梯度磁场系统进行名词解释，以帮助读者更好地理解MRI技术。
一、MRI的梯度磁场系统简介MRI的梯度磁场系统是指由梯度线圈和梯度功放器组成的一个设备。
该系统通过产生可调节大小的磁场梯度，在人体内部的不同位置形成磁场的强度不同的区域。
这种梯度磁场的变化使得MRI设备能够实现对人体内部的空间编码，从而获得高分辨率和高对比度的图像。
二、梯度线圈梯度线圈是梯度磁场系统的核心部件，它由一系列细长的线圈组成。
梯度线圈的主要作用是在人体内部产生空间变化的磁场。
梯度线圈通常由三对线圈组成，分别称为X、Y和Z梯度线圈。
每对线圈都是相互垂直的，分别产生X、Y和Z轴方向的梯度磁场。
三、梯度功放器梯度功放器是梯度磁场系统的另一个关键组成部分。
它的主要作用是为梯度线圈提供电流驱动，从而产生所需的磁场梯度。
梯度功放器能够根据输入信号的变化快速调节所产生的梯度磁场的大小和方向。
这样，MRI设备可以按照需求在不同的轴方向上改变磁场的强度和分布，实现对图像的空间编码。
四、梯度磁场系统的工作原理梯度磁场系统的工作原理可以简要概括为以下几个步骤：1. 设定梯度磁场参数：使用操作人员控制的界面来设定梯度磁场的参数，包括梯度磁场的大小、方向和持续时间等。
2. 产生梯度磁场：根据设定的参数，梯度功放器会向梯度线圈提供相应的电流信号，从而在人体内部产生所需的梯度磁场。
3. 空间编码：梯度磁场的变化使得原子核的共振频率在不同区域发生微小的差异。
接收线圈会探测并记录这些微小差异。
4. 数据转换：接收线圈将所记录的差异转换成数字信号，然后传输给计算机进行图像重建。
五、梯度磁场系统的应用MRI的梯度磁场系统在医学领域有着广泛的应用。
它可以用于成像人体的各个部位，包括头部、胸部、腹部和四肢等。
MRI系统中梯度放大器的设计
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• 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。
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
2021/3/10
讲解：XX
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•
PWM(Matlab)
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。
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• 脉冲序列时序基本思想
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• 论文 后期工作安排：
• 完成2812 DSP芯片C语言控制算法的编写，
时，受IGBT 开关频率的限制，电流跟随效 果不好。
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• 考虑将两个全桥拓扑电路级联使用：
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• 使用此拓扑的优点：
• 1 在高电压强电流（1200v，250Arms,600Apk)
磁共振梯度功率放大器原理
磁共振梯度功率放大器原理一、工作原理磁共振梯度功率放大器是磁共振成像系统中的关键组件之一，其主要作用是为磁共振成像提供必要的梯度磁场。
该组件利用了磁共振原理和电磁场理论，通过控制和调整电流和磁场，实现成像过程中的空间定位和信号编码。
二、电路设计磁共振梯度功率放大器的电路设计主要包括输入电路、输出电路和保护电路等部分。
输入电路负责将外部输入的信号进行适当的调整和处理，以适应后续的放大和处理过程；输出电路则负责将放大后的梯度磁场信号输出，以实现对磁共振信号的调制；保护电路则用于防止设备过热或过流，保证设备的稳定性和安全性。
三、磁场梯度生成磁共振梯度功率放大器通过控制电流的流向和强度，生成所需的磁场梯度。
这些磁场梯度可以对磁共振信号进行空间定位和编码，从而实现成像过程中的空间分辨率和信号分离。
在设计中，需要综合考虑磁场梯度的精度、稳定性和动态范围等因素，以确保成像质量。
四、功率放大技术磁共振梯度功率放大器需要具备高功率和高效率的特性，以满足磁共振成像系统的需求。
目前常见的功率放大技术包括线性放大和非线性放大两种。
线性放大具有高精度和高稳定性的特点，但效率较低；非线性放大则具有高效率和可调节性的优点，但在精度和稳定性方面可能存在一定的问题。
在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的放大技术。
五、效率与稳定性磁共振梯度功率放大器的效率和稳定性对其性能和应用至关重要。
高效率可以提高设备的运行效率和减少能耗，从而提高经济效益；而高稳定性则可以保证设备的可靠性和稳定性，提高成像质量。
因此，在设计和制造过程中，需要充分考虑这两个因素，并采取相应的措施进行优化和控制。
六、应用范围磁共振梯度功率放大器在磁共振成像领域有着广泛的应用。
它可以用于医学诊断、生物科学研究、材料无损检测等多个领域。
其优势在于可以对软组织进行高分辨率的成像，为医疗和科研提供了强有力的手段。
随着磁共振成像技术的发展和应用范围的扩大，对磁共振梯度功率放大器的性能要求也不断提高，未来市场仍有一定发展空间。
MRI系统中梯度放大器的设计PPT课件
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• 得到的仿真波形：
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• 当输入正弦参考信号时：
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• 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。
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• 考虑将两个全桥拓扑电路级联使用：
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• 使用此拓扑的优点：
• 1 在高电压强电流（1200v，250Arms,600Apk)
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
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PWM(Matlab)
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PWM (Psim)
• 在CCS中进行仿真，同时继续深入研究级联
PWM电路拓扑。2月份之前完成这些工作， 之后搭建主电路进行试验，比较两种拓扑 结构的性能，选择最终的设计方案，完成 设计完成论文的书写。
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感谢各位老师莅临指导！
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• 控制环设计：
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• 控制原理：
• 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
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• 初步仿真，使用单环控制，并没有加入滤
磁共振成像中的梯度磁场优化设计
磁共振成像中的梯度磁场优化设计磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一种非侵入性的医学成像技术，通过利用核磁共振现象，对人体内部的结构进行高清晰度的成像。
在MRI 中，梯度磁场起着至关重要的作用，它能够对核磁共振信号进行编码，从而实现对不同组织的区分。
因此，梯度磁场的优化设计对于提高MRI成像的质量和效果至关重要。
梯度磁场是MRI系统中的一个关键部分，它由三个互相垂直的线圈组成，分别产生x、y、z三个方向上的磁场梯度。
这些梯度磁场的强度和方向的变化可以控制磁共振信号的编码和解码过程。
在MRI成像中，梯度磁场的优化设计可以提高图像的分辨率、对比度和空间分辨率，从而更好地显示人体内部的结构和异常情况。
首先，梯度磁场的优化设计需要考虑磁场强度的均匀性。
磁场的均匀性对于获得高质量的MRI图像至关重要。
不均匀的磁场会导致图像畸变和信号强度的变化，影响图像的准确性和可靠性。
因此，在梯度磁场的设计中，需要采取一系列的技术手段来提高磁场的均匀性，如优化线圈的形状和尺寸、调整线圈的位置和方向等。
其次，梯度磁场的优化设计还需要考虑磁场的强度和斜率。
磁场的强度和斜率会直接影响MRI图像的对比度和空间分辨率。
较高的磁场强度和斜率可以提高图像的对比度和分辨率，但也会增加磁场的非线性和不均匀性，增加系统的复杂性和成本。
因此，在梯度磁场的设计中，需要在磁场强度和斜率之间进行权衡，找到一个合适的平衡点，以实现最佳的成像效果。
此外，梯度磁场的优化设计还需要考虑成像速度和时间的平衡。
MRI成像过程需要一定的时间，而梯度磁场的优化设计可以显著影响成像的速度。
较快的成像速度可以减少成像时间，提高患者的舒适度和成像效果。
然而，过快的成像速度可能会导致图像的失真和噪声的增加。
因此，在梯度磁场的设计中，需要在成像速度和图像质量之间进行权衡，找到一个合适的平衡点，以实现最佳的成像效果。
最后，梯度磁场的优化设计还需要考虑成本和可行性。
MRI梯度系统功率放大器原理
MRI梯度系统功率放大器原理
钱晓凌
【期刊名称】《医疗卫生装备》
【年(卷),期】2006(027)005
【摘要】介绍MRI梯度系统功率放大器的工作原理及主要的电路组成,特别是功率放大模块及脉宽调制器的工作过程,对维修工作有一定的启示作用.
【总页数】2页(P55-56)
【作者】钱晓凌
【作者单位】解放军第101医院,江苏省,无锡市,214044
【正文语种】中文
【中图分类】TH774
【相关文献】
1.GE 1.0T MRI梯度系统原理及维修 [J], 罗宏;黄振
2.医用MRI系统快速获取梯度回波脉冲序列开发 [J], 王进喜;何乐民;李秀珍;王为民;韩丰谈;陈方
3.MRI优化的三维容积内插快速扰相梯度回波序列在胎儿神经系统检查中的应用[J], 庄霞梅;金科;王海;伍光春;李晓明;尹燕;邓敏
4.在数字化MRI谱仪系统设计中消除梯度抖动的方法 [J], 王鹤;宁瑞鹏;刘燕;李鲠颖
5.矿产资源信息系统(MRIS)的设计原理与关键技术 [J], 韩冰;路来君
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梯度、发射、接收线圈及前置放大器.
实验四十九超导MRI磁体结构、梯度、发射、接收线圈及前置放大器【实验目的】掌握超导MRI磁体的结构及各部分的工作原理【实验器材】SIEMENS超导MRI设备一台【实验原理】1．超导型MRI设备磁场强度高，稳定性和均匀度好。
磁体的结构包括：主磁场线圈、梯度线圈、发射线圈、接收线圈、真空层、液氦层、液氮层、冷头。
主磁体应处于一个用铜板屏蔽的环境中，目的是避免外界对磁场影响，使主磁场产生漂移。
2．主磁场线圈一般选用铌钛合金（—270℃零电阻）制成，将铌钛合金放入液氦中进行低温处理来形成超导环境。
由于液氦价格昂贵，为了节约液氦，又增加了液氮层和真空层，同时氦压机和冷水机将蒸发的液氦重新还原成为液氦。
3．梯度线圈用来接收梯度放大器提供的电信号，产生X、Y、Z、三路梯度磁场，修改主磁场，为人体的MR信号提供了空间定位的三维编码。
通常超导型MRI 设备选用了马鞍型线圈的圆弧部分作为梯度线圈来产生三路梯度磁场。
4．发射线圈通常超导型MRI设备选用马鞍型线圈直导线部分来产生射频磁场。
发射线圈接收射频放大器提供的信号产生一个频率为W=r·B0的磁场作用于人体，使人体处于磁场强度为B0的部分产生磁共振现象。
5．接收线圈通常采用马鞍型线圈的直导线部分完成磁共振信号的接收，完成磁信号到电信号的转换。
通常设计接收线圈时必须要考虑发射线圈的阻抗，要求接收线圈与发射线圈的阻抗要匹配。
接收线圈产生的电信号很微弱，大约为几万微伏，所以在传输过程中首先要经前置放大器放大，一般前置放大器处于扫描床上，目的是让接收线圈和前置放大器之间的电缆最短，以使MRI设备接收信号的损失最小。
【方法及步骤】（1）超导磁体安装的布局及防护的实施。
（2）观察了解超导磁体主磁体的结构，找出各层的位置及功能。
（3）液氦层降温所达温度，补液口位置，定期补液时间。
（4）液氮层降温所达温度，补液口位置，定期补液时间。
（5）真空层的层数及所起的作用。
（6）扫描室内正常的温度湿度是多少，对空调的要求有哪些。
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• 2 MRI 系统的组成：
• 结构图：
• 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。
• 控制环设计：
• 控制原理： • 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
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
第一部分
• 1 MRI系统：
MRI系统简介
• 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。
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。
• 脉冲序列时序基本思想
• 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，同时继续深入研究级联
• 3 MRI 基本原理： • 即用RF脉冲诱发核磁共振信号
第二部分
• 1 梯度场：
梯度系统介绍
• 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 B0 间信息。所以在静磁场 上叠加梯度磁场 ， B 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。
PWM电路拓扑。2月份之前完成这些工作， 之后搭建主电路进行试验，比较两种拓扑 结构的性能，选择最终的设计方案，完成 设计完成论文的书写。
感谢各位老师莅临指导！
• 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：
• 梯度场与主磁场统工作流程：
• 3 梯度放大器：
• 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。
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
• 得到的仿真波形：
• 当输入正弦参考信号时：
• 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。
• 考虑将两个全桥拓扑电路级联使用：
• 使用此拓扑的优点：
• 1 在高电压强电流（1200v，250Arms,600Apk)
• • • • •
•
PWM(Matlab)
•
PWM (Psim)
• 初步仿真，使用单环控制，并没有加入滤
波器的情况下，仿真波形：
• 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。
• 为此加入控制电压内环反馈，并在内环中加入PI
第三部分 已完成的工作
• 1 主电路的设计：
• 主要元件参数： • 梯度线圈电感：６００ｕｈ • 内阻：０．１ ｏｈｍ • Ｌ－Ｃ低通滤波器电感：１００ｕｈ • 电容：０．２ｕＦ • 输入直流电压：２８０Ｖ • 系统带宽：１２Ｋｈｚ • 输入参考信号（方波）频率１Ｋｈｚ • 幅值：２．５Ｖ • IGBT开关频率：80K