用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统及控制方法，所述控制系统包括电源、预极化线圈、充电保护电路、自举升压电路和桥式对称驱动电路，所述充电保护电路和自举升压电路串联并与所述电源形成回路，所述桥式对称驱动电路包括与所述电容器组并联的四个IGBT开关管，四个IGBT开关管构成对称的全桥结构以实现所述预极化线圈电流的开通和关断，所述预极化线圈连接于四个IGBT开关管之间。本发明专利技术中通过在所述桥式对称驱动电路关断时所述预极化线圈的自感电流向所述电容器组充电，使得所述电容器组产生远高于所述电源电压的电势并作用在所述预极化线圈上，从而使所述预极化线圈的电流下降速率不断增加，实现了所述预极化线圈电流的快速关断。

Current Control System and Control Method of Prepolarized Coil for Low Field NMR

【技术实现步骤摘要】
用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统及控制方法
本专利技术涉及到低场核磁共振
，尤其涉及一种用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统及控制方法。
技术介绍
磁共振成像系统(MRI)具有良好的软组织分辨能力，被广泛应用于生物、医学等领域，成为临床诊断的有力手段。目前常见的高场磁共振成像系统(MRI)一直追求更高的主磁场强度B0场强，但这种方案面临着成本昂贵，以及对硬件要求苛刻等困难，同时还存在特殊病人不适用的问题；与之相比，极低场磁共振成像系统的B0场强低，具有结构简单、成本低廉等优势，而且现有实验还表明，与高场相比较，极低场下不同软组织(如肿瘤或正常组织)的对比度显著增大，且极低场图像对金属不敏感，无磁化率伪影。但是由于主磁场B0的强度降低数个量级，极低场磁共振成像系统(ULFMRI)面临着信噪比低的问题，除了采用高灵敏度的磁探测传感器取代法拉第线圈用于ULFMRI信号检测之外，另外采取的措施是使用空心线圈在成像准备阶段产生数百mT量级的预极化场(Bp)来提高初始信号的强度，在测量时再迅速将该预极化场(Bp)撤离。通常情况下，由于预极化线圈(Bp线圈)自感的作用，线圈里的电流关断具有一个从大到小逐渐减弱的过程，如果该过程持续时间与成像对象(如生物组织、四肢等)的纵向弛豫时间可比，就会干扰极低场磁共振成像系统测试的B0场和成像梯度场，从而影响成像效果。同时，如图1所示，现有预极化线圈的驱动电路结构在预极化线圈完全关断后，通过预极化线圈的电流是两个IGBT开关管的漏电流之和，该漏电流还会干扰后续磁共振的测量，影响检测精度；而且现有结构中也无法产生负的预极化电流，若电源接反时还会引起电解电容充电极性错误而可能发生爆炸或损坏IGBT开关管的危险。因此，必须设计一种能够驱动预极化线圈(Bp线圈)的大电流驱动电路，且确保在需要撤销预极化磁场(Bp)时可以在极短时间内关断预极化电流的控制系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统和控制方法，用于控制预极化线圈的电流，实现预极化线圈的大电流驱动，并能够实现驱动电流的快速关断，满足低场核磁共振对预极化磁场的要求。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统，包括电源、预极化线圈、充电保护电路、自举升压电路和桥式对称驱动电路，所述充电保护电路和所述自举升压电路串联并与所述电源形成一个回路，所述充电保护电路包括并联连接的充电电阻和第五IGBT开关管，所述自举升压电路包括串联连接的功率二极管和电容器组，所述桥式对称驱动电路包括串联连接并设于所述电容器组两端的第一IGBT开关管和第三IGBT开关管，以及串联连接并设于所述电容器组两端的第二IGBT开关管和第四IGBT开关管，所述第一IGBT开关管、所述第二IGBT开关管、所述第三IGBT开关管和所述第四IGBT开关管构成对称的全桥结构，所述预极化线圈一端连接于所述第一IGBT开关管和所述第三IGBT开关管之间，所述预极化线圈另一端连接于所述第二IGBT开关管和所述第四IGBT开关管之间。优选地，所述电容器组两端并联设有用于释放所述电容器组内储存电荷的泄放电阻。优选地，所述第一IGBT开关管、所述第二IGBT开关管、所述第三IGBT开关管和所述第四IGBT开关管的开通和关断通过PWM方式进行控制。一种用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制方法，采用了上述的用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统，所述方法包括以下步骤：S100、将所述电源接入电路，所述电源通过所述充电电阻流经所述功率二极管向所述电容器组充电，当所述电容器组电压超过设定值时，打开所述第五IGBT开关管，使所述电源与主电路接通，所述电容器组的充电电流i1为：式(1)中，R为充电电阻的电阻值，U0是电源的电压，C是电容器组的总电容，t1为电容器组的充电时间；S200、开通所述第一IGBT开关管和所述第四IGBT开关管，同时保持所述第二IGBT开关管和所述第三IGBT开关管处于关闭状态，所述电源的电流依次通过所述第五IGBT开关管、所述功率二极管、所述第一IGBT开关管、所述预极化线圈和所述第四IGBT开关管返回至电源形成回路，此时所述预极化线圈的电流i2变化规律为：由式(2)可知其中μD是功率二极管的导通压降，R0是所述预极化线圈的电阻值，L是所述预极化线圈的电感值，t为所述步骤S200开始后的通电时间；S300、关断所述第一IGBT开关管和所述第四IGBT开关管，所述预极化线圈内的电感电流依次通过所述第二IGBT开关管的续流二极管、所述电容器组、所述第三IGBT开关管的续流二极管并返回至所述预极化线圈形成回路，此时所述电容器组的电压变化规律为：由式(4)可知，若所述预极化线圈的稳态预极化电流为i0，所述电容器组的初始电压为μ0，则所述电容器组的电压为：式(5)中，μ(t3)≥0，频率电压幅值同理，此时所述预极化线圈的电流i3变化率为：式(6)中，i3(t3)≥0，电流幅值优选地，在所述步骤S200中开通所述第二IGBT开关管和所述第三IGBT开关管，保持所述第一IGBT开关管和所述第四IGBT开关管处于关闭状态，则所述步骤S300中需要关断的是所述第二IGBT开关管和所述第三IGBT开关管，此时所述电源的电流依次通过所述第五IGBT开关管、所述功率二极管、所述第二IGBT开关管、所述预极化线圈和所述第三IGBT开关管形成回路。与现有技术比较，本专利技术具有以下的有益技术效果：(1)本专利技术通过所述电容器组收集关断阶段所述预极化线圈的储存电荷，使所述电容器组产生高于所述电源的供电电压，从而加快所述预极化线圈的电流下降速度；(2)本专利技术采用所述桥式开关驱动电路，可以灵活地控制四个IGBT开关管的开通和关断，从而灵活控制所述预极化线圈的电流大小和方向，适合低场核磁共振在屏蔽室环境下进行感应涡流补偿的主动控制；(3)本专利技术采用对称的所述桥式开关驱动电路，当所述预极化线圈的电流完全关断后，由于桥式驱动电路的对称性，所述IGBT开关管的漏电流不会经过所述预极化线圈，从而不存在所述预极化线圈关断后的漏电流和残留磁场问题；(4)本专利技术中采用所述充电保护电路，能够有效防止所述电源接入瞬间因所述电容器组充电电流过大而产生的电弧现象，甚至损坏电源；(5)本专利技术中的所述功率二极管具有防插反保护的作用，当电源的极性接反时，由于所述功率二极管处于反向截止状态，有效保护了电路中的部件不会被损坏；(6)本专利技术可通过所述电容器两端并联设置的所述泄放电阻，能够及时泄放所述电容器组内储存的电荷，保证电路在不工作情况下的使用安全。附图说明图1是现有的预极化线圈的驱动电路原理图，图2是本专利技术用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统结构示意图，图3是图2中所述IGBT开关管关断阶段的等效电路图，图4是本专利技术的电路实测电流和电压波形图，图5是本专利技术的实测电流关断波形图。图中：1.电源，2.预极化线圈，3.充电保护电路，31.充电电阻，32.第五IGBT开关管，4.自举升压电路，41.功率二极管，42.电容器组，43.泄放电阻，5.驱动电路，51.第一IGBT开关管，52.第二IGBT开关管，53.第三IGBT开关管，54.第四IGBT本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统，其特征在于，包括电源(1)、预极化线圈(2)、充电保护电路(3)、自举升压电路(4)和桥式开关驱动电路，所述充电保护电路(3)和所述自举升压电路(4)串联并与所述电源(1)形成一个回路，所述充电保护电路(3)包括并联连接的充电电阻(31)和第五IGBT开关管(32)，所述自举升压电路(4)包括串联连接的功率二极管(41)和电容器组(42)，所述桥式开关驱动电路包括串联连接并设于所述电容器组(42)两端的第一IGBT开关管(51)和第三IGBT开关管(53)，以及串联连接并设于所述电容器组(42)两端的第二IGBT开关管(52)和第四IGBT开关管(54)，所述第一IGBT开关管(51)、所述第二IGBT开关管(52)、所述第三IGBT开关管(53)和所述第四IGBT开关管(54)构成对称的全桥结构，所述预极化线圈(2)一端连接于所述第一IGBT开关管(51)和所述第三IGBT开关管(53)之间，所述预极化线圈(2)另一端连接于所述第二IGBT开关管(52)和所述第四IGBT开关管(54)之间。

【技术特征摘要】
1.用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统，其特征在于，包括电源(1)、预极化线圈(2)、充电保护电路(3)、自举升压电路(4)和桥式开关驱动电路，所述充电保护电路(3)和所述自举升压电路(4)串联并与所述电源(1)形成一个回路，所述充电保护电路(3)包括并联连接的充电电阻(31)和第五IGBT开关管(32)，所述自举升压电路(4)包括串联连接的功率二极管(41)和电容器组(42)，所述桥式开关驱动电路包括串联连接并设于所述电容器组(42)两端的第一IGBT开关管(51)和第三IGBT开关管(53)，以及串联连接并设于所述电容器组(42)两端的第二IGBT开关管(52)和第四IGBT开关管(54)，所述第一IGBT开关管(51)、所述第二IGBT开关管(52)、所述第三IGBT开关管(53)和所述第四IGBT开关管(54)构成对称的全桥结构，所述预极化线圈(2)一端连接于所述第一IGBT开关管(51)和所述第三IGBT开关管(53)之间，所述预极化线圈(2)另一端连接于所述第二IGBT开关管(52)和所述第四IGBT开关管(54)之间。2.如权利要求1所述的用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统，其特征在于，所述电容器组(42)两端并联设有用于释放所述电容器组(42)内储存电荷的泄放电阻(43)。3.如权利要求2所述的用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统，其特征在于，所述第一IGBT开关管(51)、所述第二IGBT开关管(52)、所述第三IGBT开关管(53)和所述第四IGBT开关管(54)的开通和关断通过PWM方式进行控制。4.一种用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制方法，其特征在于，采用了权利要求1～3任一项所述的用于低场核磁共振的预极化线圈电流控制系统，所述方法包括以下步骤：S100、将所述电源接入电路，所述电源通过所述充电电阻流经所述功率二极管向所述电容器组充电，当所述电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：周丹峰，李杰，董慧，谭亦秋，宋勐潇，余佩倡，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：湖南,43