阅读说明：本技术 用于诊断梯度放大器系统中的故障状况的诊断设备和方法 (Diagnostic apparatus and method for diagnosing fault conditions in a gradient amplifier system ) 是由 王汝锡 胡安·安东尼奥·萨巴特 于 2019-05-31 设计创作，主要内容包括：本发明题为“用于诊断梯度放大器系统中的故障状况的诊断设备和方法”。提供了一种用于诊断梯度放大器系统中的故障状况的诊断设备。该诊断设备包括第一电流传感器,该第一电流传感器被配置为耦合至滤波器单元的输入端子,其中第一电流传感器被配置为测量滤波器单元的输入端子处的第一电流,并且其中第一电流包括高频电流分量和低频电流分量。另外,诊断设备包括耦合至第一电流传感器的诊断单元,并且该诊断单元被配置为基于测得的第一电流的低频电流分量和预存储的基准电压确定跨滤波器单元和负载单元的阻抗,并且基于所确定的阻抗的特性诊断滤波器单元和负载单元的至少一者中的至少一个部件的故障状况。(The invention provides a diagnostic apparatus and method for diagnosing a fault condition in a gradient amplifier system. A diagnostic apparatus for diagnosing a fault condition in a gradient amplifier system is provided. The diagnostic device comprises a first current sensor configured to be coupled to the input terminal of the filter unit, wherein the first current sensor is configured to measure a first current at the input terminal of the filter unit, and wherein the first current comprises a high frequency current component and a low frequency current component. In addition, the diagnostic device includes a diagnostic unit coupled to the first current sensor and configured to determine an impedance across the filter unit and the load unit based on a low frequency current component of the measured first current and a pre-stored reference voltage, and diagnose a fault condition of at least one component in at least one of the filter unit and the load unit based on a characteristic of the determined impedance.)

用于诊断梯度放大器系统中的故障状况的诊断设备和方法

背景技术

本说明书的实施方案整体涉及磁共振成像(MRI)系统，并且更具体地涉及用于诊断MRI系统的梯度放大器中错误状况的诊断设备和方法。

在仅仅几十年的时间里，磁共振成像(MRI)扫描器的使用大大増加。MRI扫描正越来越多地用于帮助诊断多发性硬化症、脑肿瘤、撕裂韧带、肌腱炎、癌症、中风等。应当理解，MRI是帮助医师诊断和治疗各种医学病症的非侵入性医疗测试。MRI扫描在身体的不同软组织之间提供的増强的对比度允许医师更好地评估身体的各个部分并确定某些疾病的存在，这些疾病可能不能用诸如X射线、超声或计算机断层摄影(CT)的其它成像方法充分评估。

通常，MRI系统包括梯度驱动器、输出滤波器和梯度线圈。另外，梯度驱动器被配置为激发位于对象(例如患者)周围的梯度线圈，以沿着一个或多个方向生成梯度磁场。为了在短时间内产生足够梯度磁场，梯度驱动器被设计成通过输出滤波器将高电流和高电压驱动到梯度线圈。例如高电流可为约1000A而高电压可为约2000V。另外，希望在高切换频率下操作梯度驱动器以减小耦合至梯度线圈的输出滤波器的尺寸。然而，在具有高电流和高压的情况下以高切换频率操作梯度驱动器可在梯度线圈和输出滤波器上施加热应力。因此，输出滤波器中的梯度线圈和/或部件可受到不利影响。

在常规MRI系统中，梯度驱动器/放大器被关闭，并且断开电连接以诊断系统中的故障部件或受损部件。另外，需要诸如分析仪之类的外部装置来表征系统的参数以诊断系统中的故障部件。然而，使用分析仪诊断故障部件是一种复杂的技术，并且可能不准确，因为故障检测是离线执行的，或者是当系统被关闭时执行的。

发明内容

简而言之，根据本说明书的一个方面，提供了用于诊断梯度放大器系统中的故障状况的诊断设备。该诊断设备包括第一电流传感器，该第一电流传感器被配置为电耦合至梯度放大器系统的滤波器单元的输入端子，其中第一电流传感器被配置为测量滤波器单元的输入端子处的第一电流，并且其中第一电流包括高频电流分量和低频电流分量。另外，诊断设备包括电耦合至第一电流传感器的诊断单元，其中该诊断单元被配置为基于测得的第一电流的低频电流分量和预存储的基准电压确定跨滤波器单元和负载单元的阻抗，并且基于所确定的阻抗的特性诊断滤波器单元和负载单元的至少一者中的至少一个部件的故障状况。

根据本说明书的另一方面，提供了一种梯度放大器系统。梯度放大器系统包括被配置为生成线圈电流信号的梯度驱动器单元。另外，梯度放大器系统包括滤波器单元，该滤波器单元电耦合至梯度驱动器单元并且被配置为过滤线圈电流信号中的纹波以生成滤波的线圈电流信号。另外，梯度放大器系统包括负载单元，该负载单元电耦合至滤波器单元并且被配置为接收滤波的线圈电流信号并生成梯度磁场。此外，梯度放大器系统包括诊断设备，该诊断设备包括电耦合至滤波器单元的输入端子的第一电流传感器，其中该第一电流传感器被配置为测量滤波器单元的输入端子处的第一电流，并且其中第一电流包括高频电流分量和低频电流分量。此外，诊断设备包括电耦合至第一电流传感器的诊断单元，其中该诊断单元被配置为基于测得的第一电流的低频电流分量和预存储的基准电压确定跨滤波器单元和负载单元的阻抗，并且基于所确定的阻抗的特性诊断滤波器单元和负载单元的至少一者中的至少一个部件的故障状况。

根据本说明书的另一个方面，提供了一种磁共振成像系统。磁共振成像系统包括被配置为采集图像数据的扫描器控制电路，其中该扫描器控制电路包括梯度放大器系统。此外，梯度放大器系统包括被配置为产生线圈电流信号的梯度驱动器单元。另外，梯度放大器系统包括滤波器单元，该滤波器单元电耦合至梯度驱动器单元并且被配置为过滤线圈电流信号中的纹波以生成滤波线圈电流信号。此外，梯度放大器系统包括负载单元，该负载单元电耦合至滤波器单元并且被配置为基于滤波的线圈电流信号生成梯度磁场。此外，梯度放大器系统包括诊断设备，该诊断设备包括电耦合至滤波器单元的输入端子的第一电流传感器，其中该第一电流传感器被配置为测量滤波器单元的输入端子处的第一电流，并且其中第一电流包括高频电流分量和低频电流分量。另外，诊断设备包括电耦合至第一电流传感器的诊断单元，其中该诊断单元被配置为基于测得的第一电流的低频电流分量和预存储的基准电压确定跨滤波器单元和负载单元的阻抗，并且基于所确定的阻抗的特性诊断滤波器单元和负载单元的至少一者中的至少一个部件的故障状况。此外，磁共振成像系统包括系统控制电路，该系统控制电路通信地耦合至扫描器控制电路并被配置为处理采集的图像数据。

附图说明

当参考附图阅读以下

具体实施方式

时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在这些附图中贯穿这些附图以类似的字符表示类似的部件，其中：

图1为根据本发明的各方面的梯度放大器系统的框图；

图2为根据本发明的各方面的图1的梯度放大器系统的框图，示出示例性诊断单元的一个实施方案；

图3为根据本说明书的各方面的图2的梯度放大器系统的图解示意图，示出了控制器单元的一个实施方案；

图4为根据本说明书的各方面的用在图1至图3的梯度放大器系统中的梯度驱动器单元的图解示意图；

图5为示出根据本说明书的各方面的用于诊断梯度放大器系统中的故障状况的方法的流程图；

图6为根据本说明书的各方面的与图2的梯度放大器系统中的低频电流分量相关的跨频率范围的不同阻抗值的图形表示；

图7为根据本说明书的各方面的使用图2的梯度放大器系统确定的跨频率的第一子范围所确定的阻抗和第一预定义的阻抗的比较的图形表示；

图8为根据本说明书的各方面的使用图2的梯度放大器系统确定的跨频率的第二子范围所确定的阻抗和第二预定义的阻抗的比较的图形表示；以及

图9是示出根据本说明书的各方面的具有图1的梯度放大器系统的磁共振成像(MRI)系统的框图。

具体实施方式

如下文将详细描述的，公开了用于诊断梯度放大器系统中的故障状况的示例性装置和方法的各种实施方案。梯度放大器系统的参数在梯度放大器系统的操作期间被监测，并且基于所监测的参数对梯度放大器系统中的故障状况进行在线诊断。

现在转到附图，并且参考图1，其示出了例如根据本说明书的各方面的用在MRI系统中的示例性梯度放大器系统100的框图。梯度放大器系统100包括控制器单元102、梯度驱动器单元104、滤波器单元130、负载单元112和诊断设备132。将参考图2至图4更详细地描述每个部件的功能。

如本文所用，术语“梯度驱动器单元”是指用于产生电流的功率放大器，该电流在一个例子中具有在约-1200A至约+1200A范围内的值和在约-2500V至约+2500V范围内的值的电压，以在期望的范围上驱动负载单元112。相似地，术语“控制器单元”是指控制器/处理器，其被配置为控制或调节提供给负载单元112的电压信号的振幅和频率。在一个示例中，控制器单元102可包括算术逻辑单元、微处理器、通用控制器和处理器阵列中的一者或多者以执行期望的计算/功能。虽然控制器单元102被示出为单个单元，但在某些实施方案中，控制器单元可包括协同定位的或分布在不同位置的不止一个的处理器。在一个实施方案中，非暂态计算机可读介质可利用程序进行编码，该程序具有指示控制器单元102执行所需计算/功能的指令序列。此外，术语“负载单元”是指被配置为生成梯度磁场的一个或多个梯度线圈。另外，应当注意术语“负载单元”和“梯度线圈”可互换使用。

应当理解，MRI系统通常包括一个或多个梯度线圈112，其中每个梯度线圈112由相应的梯度驱动器单元104驱动。为便于例证，在所示实施方案中，仅示出了一个梯度线圈112和一个梯度驱动器单元104。梯度线圈112通常用于通过在诸如至多几千赫的频率下产生梯度场来改变MRI系统的主磁场，以有利于快速成像。在一个实施方案中，典型的梯度线圈112的电感可以在从约数百μH至约1mH的范围内。另外，在一个实施方案中，梯度线圈112中的典型电压可在约1000伏特至约2000伏特的范围内，而梯度线圈112中的电流可在约0安培至约500安培的范围内。虽然下文所述的实施方案涉及MRI系统应用，但也设想了在其它应用中使用本文所述的技术，这些应用需要在非常高的保真度下使用高电压和高电流。

在例示的实施方案中，梯度线圈112耦合至梯度驱动器单元104的输出端子。梯度线圈112被配置为产生和梯度驱动器单元104产生的线圈电流信号114成正比的磁场。线圈电流信号114用于激励梯度线圈112。如本文所用，术语“线圈电流信号”是指表示电流的信号，该电流由梯度驱动器单元104供应至梯度线圈112以跨梯度线圈112引起所需的磁场。在图1的实施方案中，滤波器单元130耦合至梯度驱动器单元104和梯度线圈112。具体地讲，滤波器单元130耦合至梯度驱动器单元104的输出端子并且被配置为过滤与线圈电流信号114关联的波纹电流。在过滤波纹电流之后，滤波器单元130向梯度线圈112提供滤波的线圈电流信号115。

图1中所示的梯度驱动器单元104包括彼此串联耦合的第一桥式放大器106、第二桥式放大器108和第三桥式放大器110。尽管本梯度驱动器单元104的实施方案是参考三个桥式放大器106,108,110来描述的，但应当注意梯度驱动器单元104中的桥式放大器的数量可根据应用而变化。

此外，控制器单元102耦合至梯度驱动器单元104并被配置为生成控制信号以控制梯度驱动器单元104的操作。具体地讲，控制器单元102将脉宽调制门信号116,118,120传输到梯度驱动器单元104，以控制桥式放大器106,108,110中的每一个的工作频率。如本文所用，术语“运行频率”是指一种用于在打开状态和关闭状态之间切换桥式放大器106,108,110的频率。梯度驱动器单元104的输出端子处的电压通过适当地在相应的打开状态和关闭状态之间切换桥式放大器106,108,110受控制。在一个示例中，打开状态可包括-Vdc状态或+Vdc状态并且关闭状态可包括0V状态。

在图1所示的实施方案中，控制器单元102从诸如主机的外部源接收基准电流信号(I_{coll_ref})124，并从滤波器单元130接收滤波的线圈电流信号115。控制器单元102基于基准电流信号(I_{coll_ref})124和滤波的线圈电流信号115生成脉宽调制门信号。在一个实施方案中，脉宽调制门信号基于基准电流信号124的压摆率和振幅以及滤波的线圈电流信号115的振幅生成。术语“压摆率”是指基准电流信号124的振幅相对于时间变化的速率。基于生成的脉宽调制门信号控制跨梯度线圈112生成的梯度磁场。

另外，滤波线圈电流信号115作为反馈电流信号(I_{coil_Fbk})从梯度线圈112的输入端子提供给控制器单元102。具体地讲，反馈电流信号(滤波的线圈电流信号)115由控制器单元102用于补偿输送到梯度线圈112的电流相对于基准电流信号(I_{coll_ref})124的任何偏差。

具体地讲，控制器单元102基于反馈电流信号(I_{coil_Fbk})和基准电流信号124(I_{coil_ref})生成脉宽调制门信号。然后，控制器单元102将所生成的脉宽调制门信号116,118,120传输至对应的桥式放大器106,108,110。脉宽调制门信号用于控制桥式放大器106,108,110的工作频率，从而能够减少桥式放大器106,108,110的切换损耗。参考图3更详细地描述了控制桥式放大器106,108,110的工作频率的各方面。应当注意，术语“工作频率”和“切换频率”可互换使用。

在一些情况下，需要梯度驱动器单元104来经由滤波器单元130驱动高电流和高电压到梯度线圈112，以在短时间段内产生适当/合适的梯度磁场。在一个示例中，高电流可为约1000A，而高电压可为约2000V。另外，梯度驱动器单元104可在高切换频率下操作，使得滤波器单元130的尺寸可减小。在一个示例中，高切换频率可为约31.25kHz。然而，在高切换频率、高电压和高电流下操作梯度驱动器单元104可能在梯度线圈112和滤波器单元130上施加热应力。因此，梯度线圈112和/或滤波器单元130中的部件可能随时间推移而失效或部分损坏。应当注意，梯度放大器系统100的指示滤波器单元130和/或损坏的梯度线圈112中的一个或多个部件的故障的状况被称为“故障状况”。在一个示例中，滤波器单元130中电容器的故障可称为滤波器单元130的故障状况。

示例性梯度放大器系统100包括用于检测这种故障状况的诊断设备132。具体地讲，诊断设备132可操作地耦合至梯度驱动器单元104和控制器单元102。另外，诊断设备132被配置为基于在滤波器单元130的输入端子处测量的电流和从诸如主机(图1中未示出)的外部源接收的基准电压140来诊断故障状况。在一个实施方案中，诊断设备132可在操作期间监测梯度放大器系统100以诊断故障状况。在操作期间监测梯度放大器系统100是有用的，因为即使当梯度驱动器单元104主动运行以驱动梯度线圈112以生成梯度磁场时，诊断设备132也可诊断故障状况。

在图1所示的实施方案中，诊断设备132包括诊断单元134、第一电流传感器136和第二电流传感器122。诊断单元134电耦合至第一电流传感器136和控制器单元102。另外，第二电流传感器122电耦合至控制器单元102。第一电流传感器136电耦合至滤波器单元130的输入端子并且被配置为在滤波器单元130的输入端子处测量第一电流。在一个示例中，第一电流可在约0A至约1000A的范围内。第一电流包括高频电流分量和低频电流分量。在一个示例中，低频电流分量的频率值可小于或等于10kHz，并且高频电流分量的频率值可大于10kHz。以相似的方式，第二电流传感器122电耦合至负载单元112的输入端子并且被配置为在负载单元112的输入端子处确定/测量第二电流。另外，诊断单元134可操作地耦合至第一电流传感器136并且被配置为接收与来自第一电流传感器136的测得的第一电流相对应的第一电流信号138。另外，诊断单元134基于测得的第一电流的低频电流分量和预先存储的基准电压来确定跨滤波器单元130和负载单元112的阻抗。在一个实施方案中，预先存储的基准电压可为从外部源接收的并存储在诊断单元134内的基准电压140。将参考图2描述与阻抗的确定有关的细节。

然后诊断单元134可基于确定的阻抗的特性诊断滤波器单元130和/或负载单元112中的至少一者的故障状况。在一个示例中，所确定的阻抗的特性可以是阻抗的量值。更具体地讲，诊断单元134将所确定的阻抗的特性与预定义的阻抗特性进行比较，以估计跨滤波器单元130和负载单元112的阻抗的变化。应当注意，在滤波器单元130和/或负载单元112中不存在受损部件的情况下，预定义的阻抗特性可代表跨滤波器单元130和负载单元112的阻抗的特性。

在将所确定的阻抗的特性与预定义的阻抗特性进行比较之后，诊断单元134基于阻抗的变化来诊断故障状况。在一个实施方案中，如果阻抗的变化大于参考阻抗值，则诊断单元134诊断故障状况。此外，在一个实施方案中，诊断单元134可确定所确定的阻抗的量值和预定义的阻抗的量值之间的差值，以确定跨滤波器单元130和负载单元112的阻抗的变化。另外，如果所确定的阻抗的量值与预定义的阻抗的量值之间的差值大于参考阻抗值，则诊断单元134检测梯度放大器系统100中的故障状况。在一个非限制性示例中，如果确定的阻抗的量值比预定义的阻抗的量值大约5％，则诊断单元134检测梯度放大器系统100中的故障状况。参考图2更详细地描述了确定梯度放大器系统100中的故障状况的方面。

在诊断故障状况时，诊断单元134可将故障状况传达给MRI系统的操作者以替换或纠正滤波器单元130和/或负载单元112中的故障部件。在一个实施方案中，诊断单元134可将指示故障状况的故障指示器信号传输至控制器单元102。另外，控制器单元102可改变梯度驱动器单元104的切换频率，以减小滤波器单元130和负载单元/梯度线圈112上的热应力。另外，切换频率的变化可降低系统100中的功率损耗。

因此，通过采用示例性梯度放大器系统100，在线监测滤波器单元130和负载单元112的参数，并且在不停用梯度放大器系统100的情况下诊断故障状况。

参考图2，其根据本说明书的各方面描绘了图1(示出示例性诊断单元134的一个实施方案)的梯度放大器系统100的框图200。更具体地，在图2中，描绘了诊断单元134的各种部件。参考图1的部件描述了图2。

诊断单元134包括频率分离器204、阻抗检测器206和处理器208。频率分离器204耦合至阻抗检测器206和处理器208。另外，阻抗检测器206耦合至处理器208。另外，阻抗检测器206被配置为从外部源接收基准电压140。在一个实施方案中，阻抗检测器206可以预存基准电压的形式存储基准电压140。

另外，频率分离器204可操作地耦合至梯度驱动器单元104的第一电流传感器136。频率分离器204被配置为接收与在滤波器单元130的输入端子处测量的第一电流相对应的第一电流信号138。第一电流信号138包括第一电流的高频电流分量和低频电流分量。

在接收第一电流信号138时，频率分离器204执行快速傅里叶变换(FFT)操作，以从所接收的电流信号138提取低频电流分量。更具体地讲，在频域中处理第一电流信号138，并且执行FFT操作以将第一电流的低频电流分量与高频电流分量分离。应当注意到低频电流分量可跨频率范围。在一个示例中，频率的范围可为从约40Hz至20kHz。另外，频率分离器204将第一电流的分离的低频电流分量传送至阻抗检测器206和处理器208。

阻抗检测器206从外部源接收基准电压(V_ref)140并从频率分离器204接收第一电流的低频分量。在一个实施方案中，基准电压140可存储为阻抗检测器206内预存的基准电压。此外，阻抗检测器206被配置为基于基准电压140与第一电流的低频电流分量的比率来确定跨滤波器单元130和负载单元112的阻抗。更具体地讲，阻抗检测器206可确定跨与低频电流分量相关的频率范围的阻抗，以估计阻抗的特性。在一个示例中，阻抗的特性可包括阻抗的量值。然后，阻抗检测器206将对应于频率范围的所确定的阻抗传输至处理器208。

图6为根据图2的实施方案的跨与低频电流分量关联的频率范围的不同阻抗值的图形表示600。Y轴602表示阻抗的量值，并且X轴604表示低频电流分量的频率范围。曲线606表示跨与低频电流分量相关的频率范围的不同阻抗值的变化。根据所示出的实施方案，曲线606表示当滤波器单元130和梯度线圈112没有故障部件时所确定的阻抗值。这些阻抗值用作参考阻抗值，诸如用于确定故障状况的第一预定义的阻抗和第二预定义的阻抗。

再次参考图2，处理器208从频率分离器204接收第一电流的低频电流分量以及来自阻抗检测器206的所确定的阻抗。另外，处理器208将跨频率范围的第一频率子范围的阻抗值与对应于第一频率子范围的第一预定义的阻抗进行比较。在一个示例中，第一频率子范围可在从约1kHz至10kHz的范围内。处理器208包括存储器(未示出)，该存储器具有对应于第一频率子范围的第一预定义的阻抗的预先存储的值。另外，处理器208将由阻抗检测器206跨第一频率子范围确定的每个阻抗值与和第一预定义的阻抗相关的预存储值的对应值进行比较。在一个示例中，跨第一频率子范围的阻抗值可被称为第一阻抗。

此外，如果跨第一频率子范围的确定的第一阻抗和第一预定义的阻抗之间的差值大于第一预先确定的值，处理器208诊断滤波器单元130和/或负载单元112中的至少一个部件的故障状况。在一个示例中，如果跨第一频率子范围确定的第一阻抗比第一预定义阻抗大5％，处理器208确认滤波器单元130和/或负载单元112中的故障状况。

图7为根据图2的实施方案的跨第一频率子范围的所确定的第一阻抗和第一预定义的阻抗的比较的图形表示700。Y轴701表示阻抗的量值，而X轴703表示低频电流分量的频率的范围。曲线702表示跨低频电流分量的频率范围所确定的阻抗的量值的变化，而附图标号704表示跨低频电流分量的频率范围的第一预定义的阻抗的量值的变化。另外，附图标号706指示频率范围的第一频率子范围。从曲线702,704可明显看出，所确定的第一阻抗不同于在第一频率子范围706上的第一预定义的阻抗。所确定的第一阻抗和第一预定义的阻抗之间的阻抗变化是由于滤波器单元130和负载单元112中的一个或多个故障部件。以示例的方式，跨第一频率子范围706的阻抗变化可主要是由于滤波器单元130中的一个或多个故障部件。在一个示例中，故障部件可包括滤波器单元130中的一个或多个电容器或其它无源部件。

再次参考图2，处理器208还将由阻抗检测器206跨频率范围的第二频率子范围确定的阻抗与对应于第二频率子范围的第二预定义的阻抗比较。在一个示例中，第二频率子范围可在从约40Hz至约900Hz的范围内。存储器包括对应于第二频率子范围的第二预定义的阻抗的预先存储的值。另外，处理器208将由阻抗检测器206跨第二频率子范围确定的每个阻抗值与和第二预定义的阻抗相关的预存储值的对应值进行比较。在一个示例中，横跨第二频率子范围的阻抗值可被称为第二阻抗。

此外，如果跨第二频率子范围的确定的第二阻抗和第二预定义的阻抗之间的差值大于第二预先确定的值，处理器208诊断滤波器单元130和/或负载单元112中的至少一个部件的故障状况。在一个示例中，如果跨第二频率子范围确定的第一阻抗的值比第二预定义阻抗小5％，处理器208确认滤波器单元130和/或负载单元112中的故障状况。

图8为根据图2的实施方案的跨第二频率子范围的所确定的第二阻抗和第二预定义的阻抗的比较的图形表示800。阻抗的量值由Y轴801表示，并且低频电流分量的频率范围由X轴803表示。曲线802表示所确定的第二阻抗的量值，并且曲线804表示第二预定义的阻抗的量值。另外，附图标号806表示频率范围的第二频率子范围。从曲线802,804可明显看出，所确定的第二阻抗不同于在第二频率子范围806上的第二预定义的阻抗。所确定的第二阻抗和第二预定义的阻抗之间的阻抗变化是由于梯度线圈或负载单元112以及滤波器单元130中的一个或多个故障部件的损坏/故障。通过非限制性示例的方式，跨第二频率子范围806的阻抗的变化可能是由于梯度线圈或负载单元112的损坏/故障。

再次参考图2，在对故障状况进行诊断时，诊断单元134向操作者指示滤波器单元130和/或负载单元112中的一个或多个部件已损坏或已故障。另外，诊断单元134可指示操作者更换或维修故障或损坏的部件。在另一个实施方案中，诊断单元134可将指示故障状况的故障指示器信号传输至控制器单元102。另外，控制器单元102可改变梯度驱动器单元104的切换频率或工作频率，以减小滤波器单元130和梯度线圈112上的热应力。参考图3更详细地描述了控制梯度驱动器单元104的切换频率的方面。

转到图3，其根据本说明书的各方面描绘了图1(示出示例性控制器单元102的一个实施方案)的梯度放大器系统100的框图300。更具体地，在图3中，描绘了控制器单元102的各种部件。参考图1至2的部件描述了图3。

控制器单元102包括电压调节单元304、切换单元306和脉宽调制器(PWM)单元308。电压调节单元304操作地耦合至切换单元306。另外，切换单元306操作地耦合至PWM单元308和诊断单元134。另外，PWM单元308操作地耦合至DC总线补偿单元310。在一个实施方案中，切换单元306可包括一个或多个电子切换模块以将电压调节单元304或诊断单元134电耦合至PWM单元308。具体地讲，如果诊断出滤波器单元130和/或负载单元112的故障状况，切换单元306将诊断单元134耦合至PWM单元308。然而，如果诊断出滤波器单元130和/或负载单元112的故障状况，切换单元306将电压调节单元304耦合至PWM单元308。

另外，第二电流传感器122耦合至负载单元112的输入端子并且被配置为在负载单元112的输入端子确定/测量第二电流。第二电流传感器122可操作地耦合至电压调节单元304。另外，第二电流传感器将表示第二电流的第二电流信号传输至电压调节单元304。应当注意，第二电流信号可被称为反馈电流信号(I_{coil_Fbk})或图1所示的滤波的线圈电流信号115。

在图3所示的实施方案中，电压调节单元304包括误差计算节点322、PI控制单元324、第一前馈子系统326、第二前馈子系统328和求和单元330。此外，误差计算节点322耦合至比例积分(PI)控制单元324的输入端子。另外，误差计算节点322可操作地耦合至第二电流传感器122以从第二电流传感器122接收第二电流信号115。另外，误差计算节点322通过从基准电流信号124减去第二电流信号115来确定错误电流信号346。误差电流信号346指示第二电流信号115与基准电流信号124的偏差。希望减小第二电流信号115与基准电流信号124的偏差并保持梯度放大器系统100的稳定操作。将误差电流信号346提供给PI控制单元324的输入端子。此外，PI控制单元324生成对应于误差电流信号346的PI电压336。此外，PI控制单元324还可有助于逐渐最小化误差电流信号346，从而増强梯度放大器系统100的瞬态响应。

此外，第一前馈子系统326确定跨梯度线圈112和滤波器单元130的电感电压降338。电压调节单元304还可包括第二前馈子系统328。第二前馈子系统328确定跨梯度线圈112和滤波器单元130的电阻电压降340。在一个实施方案中，第一前馈子系统326和第二前馈子系统328的组合可表示为线圈模型单元。

另外，在一个实施方案中，电压调节单元304包括求和单元330，该求和单元对输入端子处接收的PI电压336、感应电压338和电阻电压340求和，并且在求和单元330的输出端子处提供电压命令信号(V_cmd)342。此外，电压命令信号(V_cmd)342经由切换单元306提供给PWM单元308。此外，PWM单元308被配置为根据脉宽调制方案调制电压命令信号(V_cmd)342，以生成脉宽调制门信号348。

此外，DC总线补偿单元310接收来自梯度驱动器单元104的DC电压信号350。在一个示例中，DC电压信号350可通过耦合至梯度驱动器单元104中的电容器的电压传感器来测量。然后，电压传感器将测得的DC电压信号传输至DC总线补偿单元310。

DC总线补偿单元310过滤来自所接收的DC电压信号350的噪声。另外，将滤波的DC电压信号352提供给PWM单元308。另外，PWM单元308基于接收自电压调节单元304的电压命令信号(V_cmd)342调制滤波的DC电压信号352中的每个以生成PWM门信号348。根据一个实施方案，控制逻辑模块(图3中未示出)具有预先编程的指令/代码，这些指令/代码可在PWM单元308中被采用以根据脉宽调制方案生成脉宽调制门信号348。

此外，所生成的脉宽调制门信号348中的每一个随后分别被施加到每个桥式放大器106,108,110。脉宽调制门信号348用于控制桥式放大器106,108,110中的每一个的工作频率或切换频率。当将基本上类似的脉宽调制门信号348施加到每个桥式放大器时，桥式放大器106,108,110中的每一个在任意时刻以基本上相似的频率操作。以示例的方式，如果桥式放大器106,108,110以较高的切换频率工作并且将具有较低第二切换频率的脉宽调制门信号348施加到梯度驱动器单元104，则桥式放大器106,108,110中的每一个的工作频率从较高的第一切换频率变为较低的第二切换频率。切换频率的这种变化有助于控制施加到负载单元/梯度线圈112的第二电流，并且有利于减小梯度放大器系统100中的传导损耗和切换损耗。另外，控制第二电流以调节施加到负载单元/梯度线圈112的激发电压以生成梯度磁场。

除了以基本上相同的切换频率操作该桥式放大器106,108,110，耦合至该桥式放大器106,108,110的DC电压电源(图3中未示出)还被配置为向相应桥式放大器提供基本上相似的DC电压。向桥式放大器106,108,110提供基本上相似的电压使得梯度放大器系统100中的功率损耗均匀分布。此外，由于采用了基本上类似的桥式放大器和DC电压源，因此设计和制造限制大幅减少。

如先前参考图1所指出的，滤波器单元130耦合至梯度驱动器单元104的输出端子，以最小化与梯度驱动器单元104提供的线圈电流信号114相关联的波纹电流。在最小化波纹电流之后，滤波器单元130向梯度线圈112提供线圈电流信号114。

在一些情况下，当线圈电流信号114或滤波的线圈电流信号115被提供给梯度线圈112时，滤波器单元130和/或梯度线圈112中的一个或多个部件可能由于热应力而损坏。因此，梯度放大器系统100中出现故障状况。在此类情况下，诊断单元134在线监测和诊断故障状况。如果诊断出故障状况，则诊断单元134经由切换单元316将故障指示器信号308传输到PWM单元306。此外，PWM单元308可基于故障指示器信号348来改变脉宽调制门信号316的切换频率，以减少滤波器单元130和梯度线圈112上的热应力。在一个示例中，PWM单元308以较低频率(例如62.5kHz)生成脉宽调制门信号348，以从梯度驱动器单元104到滤波器单元130和负载单元112减小激发电压或第二电流。这继而最小化了滤波器单元130和梯度线圈112上的热应力。在一个实施方案中，诊断单元134可包括在控制器单元102中。在另一个实施方案中，诊断单元134可定位在控制器单元102外部并且可操作地耦合至控制器单元102。

图4是根据本说明书的各方面的诸如梯度驱动器单元104(参见图1)的梯度驱动器单元440的一个实施方案的示意图400。参考图1至3的部件描述了图4。

在例示的实施方案中，梯度驱动器单元440包括串联耦合的三个桥式放大器402,404,406。桥式放大器402,404,406还与梯度线圈112串联耦合。此外，在一个实施方案中，桥式放大器402,404,406具有基本上类似的拓扑结构。另外，梯度放大器系统的设计和制造成本可显著降低而不损害性能，因为桥式放大器402,404,406被配置为使用基本上类似的晶体管模块，这些晶体管模块在基本上类似的DC电压下操作。

第一DC电压源410跨第一桥式放大器402耦合，第二DC电压源412跨第二桥式放大器404耦合，并且第三DC电压源414跨第三桥式放大器406耦合。DC电压源410,412,414中的每一个被配置为跨对应的桥式放大器402,404,406提供基本上类似的DC电压。以示例的方式，如果希望提供约800伏的DC电压，则DC电压源410,412,414中的每一个向对应的桥式放大器提供约800伏的DC电压。

根据本说明书的另外的方面，第一桥式放大器402包括晶体管模块416,418,420,422。晶体管模块416,418,420,422可为任何合适类型的固态切换装置，诸如绝缘栅双极性结型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等。晶体管模块416,422以串联方式连接以形成第一桥式放大器402的第一腿部或左腿部。相似地，晶体管模块418,420串联以形成桥式放大器402的第二腿部或右腿部。第一桥式放大器402的第一和第二腿部平行地连接。可注意到其中一个腿可配置为作为输入端子操作，而另一个腿部可被配置为作为桥式放大器402的输出端子操作。以类似的方式，第二桥式放大器404包括具有晶体管模块424,430的第一腿部，以及具有晶体管模块426,428的第二腿部。另外，第三桥式放大器406包括具有晶体管模块432,438的第一腿部，以及具有晶体管模块434,436的第二腿部。

此外，桥式放大器402,404,406中的每一个中的晶体管模块被配置为基于由PWM单元308提供的脉宽调制门信号来打开或关闭。以示例的方式，在第一桥式放大器402中，脉宽调制门信号在时间段T₁期间被施加到晶体管模块416,422的基部端子。具体地讲，在时间段T₁期间，左腿部晶体管模块416,422被切换至打开状态，而右腿部晶体管模块418,420保持关闭状态。类似地，脉宽调制门信号在后续时间段T₂期间被施加到晶体管模块418,420的基部端子。因此，在时间段T₂期间，右腿部晶体管模块418,420被切换至打开状态，而左腿部晶体管模块416,422切换为关闭状态。由于第一桥式放大器402的每个腿部在相应的时间段/工作周期期间打开和关闭，第一桥式放大器402的输出电压为调制输出电压信号。

此外，由于每个桥式放大器402,404,406包括至少两个腿部并且每个腿部在相应的时间段/工作周期期间传导电流，因此每个桥式放大器上的调制输出电压信号的频率为所施加的脉宽调制门信号的频率的至少两倍。因此，梯度驱动器单元440的输出处的总输出电压信号的频率是脉宽调制门信号的频率与梯度驱动器单元440中桥式放大器数目的至少两倍的乘积。以示例的方式，在图4所示的实施方案中，梯度驱动器单元440包括三个桥式放大器。因此，梯度驱动器单元440的输出处的总输出电压信号的频率是脉宽调制门信号的频率与桥式放大器数目的两倍的乘积，该乘积在本示例中等于六。

此外，由于桥式放大器402,404,406串联连接，因此梯度驱动器单元440的总输出电压为DC电压源410,412,414中的每一个提供的DC电压的总和。以示例的方式，如果希望每个DC电压源410,412,414供应约800伏DC电压至对应的桥式放大器，则梯度驱动器单元440跨梯度驱动器单元440的总输出电压可为从约-2400伏至约+2400伏。

此外，梯度驱动器单元440包括电压传感器442,444,446，这些电压传感器耦合至桥式放大器402,404,406的每一个中的电容器450，以跨相应电容器450测量DC电压。另外，电压传感器442,444,446将表示测得的DC电压的DC电压信号传输至DC总线补偿单元310。

现在参考图5，流程图500根据本说明书的各方面示出了一种用于诊断图1的梯度放大器系统100中的滤波器单元和负载单元的至少一者中的至少一个部件的故障状况的方法。在步骤502，第一电流由滤波器单元的输入端子处的第一电流传感器测量。另外，当梯度驱动器单元驱动梯度线圈以生成梯度磁场时，第一电流传感器测量或确定滤波器单元的输入端子处的第一电流。第一电流包括高频电流分量和低频电流分量。另外，第一电流传感器将测得的第一电流传输至诊断单元。

随后，在步骤504，诊断单元基于测得的第一电流的低频电流分量和预先存储的基准电压来确定跨滤波器单元和负载单元的阻抗。具体地讲，诊断单元接收与来自第一电流传感器的测得的第一电流相对应的第一电流信号。另外，诊断单元执行快速傅立叶变换(FFT)操作以将表示第一电流的第一电流信号转换成频域，以将低频电流分量与第一电流的高频电流分量分离。然后，诊断单元提取第一电流的低频电流分量。另外，基于低频电流分量和预先存储的基准电压，诊断单元跨滤波器单元和负载单元计算阻抗。如先前所指出的，可从外部源接收预先存储的基准电压并存储在诊断单元内。在一个实施方案中，诊断单元基于基准电压和电流的低频电流分量的比率来确定跨滤波器单元和负载单元的阻抗。

此外，在步骤506，诊断单元基于所确定的阻抗的特性，诊断滤波器单元和负载单元的至少一者中的至少一个部件的故障状况。具体地讲，诊断单元将所确定的阻抗的特性与预定义的阻抗特性进行比较，以估计跨滤波器单元和负载单元的阻抗的变化。另外，诊断单元基于比较，诊断滤波器单元和负载单元的至少一者中的至少一个部件的故障状况。在一个示例中，如果阻抗上的变化大于基准阻抗值，诊断单元诊断出滤波器单元和负载单元的至少一者中的至少一个部件的故障状况。然后，诊断单元可将故障状况传送/传输给操作者。

图9是根据本说明书的各方面示出包括示例性梯度放大器系统100(参见图1)的磁共振成像(MRI)系统1400的框图。MRI系统1400包括扫描器1402、扫描器控制电路1404和系统控制电路1406。在例示的实施方案中，扫描器1402为具有患者孔洞1408的全身体扫描器，在其中放置了台1410以将患者1412或任何合适的对象放置在所需位置以进行扫描。扫描器1402可为任何合适的等级类型，例如从0.5Tesla等级到3Tesla等级变化或超出3Tesla等级。

另外，扫描器1402包括用于产生受控磁场的一系列相关线圈，用于生成射频(RF)激发脉冲，以及用于响应于RF激发脉冲来检测患者1412内的旋磁材料的发射。在例示的实施方案中，相关线圈包括主要磁体线圈1414，该主要磁体线圈被设置用于产生与患者孔洞1408大致对齐的初级磁场。另外，一系列梯度线圈1416,1418,1420形成线圈组件，用于在检查序列期间产生受控梯度磁场。另外，提供了射频(RF)线圈1422，设置用于产生用于激发磁旋材料的射频脉冲。在图9所示的实施方案中，RF线圈1422以无源和有源模式与驱动和接收电路耦合，用于接收来自磁旋材料的发射并将RF激发脉冲施加到磁旋材料。

在当前设想的构型中，梯度线圈1416,1418,1420可具有适于MRI系统1400中的相应功能的不同物理构型。梯度线圈1416,1418,1420包括被卷绕或切割以形成线圈结构的导电线、条或板，该线圈结构在施加控制脉冲时产生梯度场。梯度线圈1416,1418,1420的放置可根据应用而变化。在一个实施方案中，Z轴线圈可定位在扫描器1402的最内位置，并且一般可形成为对RF磁场具有相对较低影响的螺线管样结构。在例示的实施方案中，梯度线圈1420为Z轴螺线管线圈，而线圈1416和1418分别为Y轴和X轴线圈。

此外，梯度线圈1416,1418,1420可被配置为有利于产生精确控制的磁场，该磁场的强度沿预定义的视场变化。当用电流对每个线圈供电时，所得磁场梯度叠加在主场上，并且跨视场有利地产生磁场强度的Z轴分量的线性变化。该场在一个方向上线性变化，但在另两个方向上是均一化的。三个线圈1416,1418,1420对于其变化的方向具有相互正交的轴，使得能够利用三个梯度线圈1416,1418,1420的适当组合在任意方向上施加线性场梯度。

扫描器1402的线圈1414,1416,1418,1420,1422由扫描器控制电路1404控制，以产生期望的磁场和RF脉冲。扫描器控制电路1404被配置为采集对应于患者1412的图像数据。另外，扫描器控制电路1404包括控制电路1426，用于检查期间命令所采用的脉冲序列和处理所接收的信号。控制电路1426可包括任何合适的可编程逻辑装置，诸如通用或专用计算机的中央处理单元(CPU)或数字信号处理器。另外，控制电路1426通信地耦合至存储器电路1428，诸如扫描器1402实现的检查序列期间使用的用于存储物理和逻辑轴线配置参数的易失性或非易失性存储器装置、检查脉冲序列描述、采集的图像数据、编程例程等。

控制电路1426与扫描器1402的线圈1414,1416,1418,1420,1422之间的接合由放大和控制电路1430以及发射和接收(T/R)接口电路1432来管理。放大和控制电路1430包括用于每个梯度线圈1414,1416,1418,1420的放大器，以响应于从控制电路1426产生的控制信号来提供驱动电流。在某些实施方案中，MRI系统1400可包括图1的梯度放大器系统100。在一个实施方案中，梯度放大器系统100可操作地耦合至扫描器控制电路1404。然而，在某些其它实施方案中，扫描器控制电路1404可包括梯度放大器系统100。

梯度放大器100用于将高电流和高电压驱动至梯度线圈1416,1418,1420以在短时间段内产生适当/合适的梯度磁场。梯度线圈1416,1418,1420被配置为产生/生成用于定位成像数据的梯度磁场。在一些情况下，梯度放大器系统100可对梯度线圈1416,1418,1420以及滤波器单元(未示出)中的部件施加热应力。因此，梯度线圈1416,1418,1420和/或滤波器单元中的部件可随时间推移而故障或部分损坏。示例性梯度放大器系统100包括用于检测这种故障状况的诊断设备(未示出)。诊断设备可在操作期间监测梯度放大器系统100以诊断故障状况。在操作期间监测梯度放大器系统100是有用的，因为即使当梯度放大器系统100主动运行以驱动梯度线圈1416,1418,1420以生成梯度磁场时，诊断设备可诊断故障状况。

T/R接口电路1432包括用于驱动RF线圈1422的额外的放大电路。此外，在RF线圈1422同时用于发射RF激励脉冲和接收MR信号的情况下，T/R接口电路1432可通常包括用于在有源或发射模式和无源或接收模式之间切换RF线圈1422的切换装置。提供了通常用附图标号1424表示的电源，以使主要磁体线圈1414通电。扫描器控制电路1404包括用于与系统控制电路1406交换配置和图像数据的接口部件1434。应当注意，虽然在本说明书中提及了采用超导主场磁体组件的水平圆柱形孔洞成像系统，但梯度放大器系统也可应用于各种其它配置，诸如采用由超导磁体、永久磁体、电磁体或它们的组合产生的纵场的扫描器。

系统控制电路1406可包括用于促进操作者或放射科医生与扫描器1402之间经由扫描器控制电路1404的接合的多种装置。在例示的实施方案中，例如，系统控制电路包括操作者控制器1436，该操作者控制器是采用通用或专用计算机的计算机工作站。操作者控制器1436还通常包括存储器电路，用于存储检查脉冲序列描述、检查协议、用户和患者数据、图像数据(包括原始和经处理的此类数据)。此外，操作者控制器1436还可包括用于通过本地和远程设备接收和交换数据的各种接口和周边驱动器。在例示的实施方案中，操作者控制器1436包括计算机键盘1438和诸如鼠标1440的替代性输入设备。可提供打印机1442以生成从所采集的数据重建的文档和图像的硬拷贝输出。此外，可提供计算机监视器1444以有利于与操作者的交互。此外，系统1400可包括各种本地和远程图像访问和检查控制设备，一般由附图标号1452表示。此类设备可包括图像存档和通信系统(PACS)、远程放射系统等。

上文所述的方法和系统有助于快速诊断梯度放大器系统中的故障状况。另外，可监测梯度放大器系统的参数并且可对梯度放大器系统中的故障状况进行在线诊断。

虽然在本文举例和说明了本发明的某些特征，许多修改和变化将对于本领域的技术人员发生。因此，应当理解所附的权利要求书旨在涵盖落入本发明的真实实质的所有此类修改和变更。