核磁共振成像系统中的梯度放大器研究

作     者：吴漾 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许建平

授予年度：2016年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 100207[医学-影像医学与核医学] 1002[医学-临床医学] 080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 1010[医学-医学技术（可授医学、理学学位）] 10[医学] 

主      题：梯度放大器 并联相移 等效开关频率 软开关 

摘      要：磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)技术采用了独特的成像原理,使其可以对生物体内部结构进行成像。相对于其它医学成像技术,MRI对人体无任何危害。因此,磁共振成像设备越来越受到人们的关注。目前,国内的医疗行业发展迅速,有多家公司设计和生产了具有自主知识产权的磁共振成像设备,国产MRI与进口设备的差距正在逐年减小。梯度放大器是MRI扫描仪的核心部件之一,为梯度线圈负载提供驱动电流,负载电流跟随计算机谱仪生成的X轴,Y轴,Z轴三个方向的脉冲序列参考信号,产生梯度磁场,实现主磁场的动态修改。尽管MRI扫描仪已经实现国产化,但梯度放大器仍然完全依赖进口。因此,自主研发适合的梯度放大器对国产MRI的发展具有重要意义。本文详细分析了硬开关并联移相控制梯度放大器的工作原理,并根据MRI扫描仪的需求确定了系统整体方案。通过4路全桥拓扑相移并联的方式,使得梯度放大器的等效开关频率变为原开关频率的4倍,减小了输出电流的纹波。同时,采用内、外双环控制：内环为均流控制,保证了每一个桥臂的输出电流为梯度负载电流的四分之一;外环采用了传统的PWM控制。通过仿真验证了该方案的可行性,最后完成了一台应用于1.5T核磁共振成像仪的梯度放大器样机,样机很好地满足了核磁共振成像仪的指标要求。为了满足输出电流纹波频率的要求,硬开关方案的梯度放大器采用了4路全桥电路并联的方案,这使得梯度放大器的电路拓扑十分庞大复杂,为解决这一问题,本文引入辅助谐振换流极(Auxiliary Resonance Commutated Pole, ARCP)变换器,提出了一种软开关梯度放大器电路拓扑,一定程度上解决了提高开关频率而导致的开关损耗增大的问题,使梯度放大器在减少并联桥路模块数目的情况下满足了输出电流纹波频率的要求。详细分析了ARCP变换器的换流过程,对比分析了传统硬开关半桥电路与ARCP电路的损耗情况,并通过仿真验证软开关方案的可行性。