DE19706756A1 - Gradientenverstärker für einen Kernspintomographen und Kernstpintomograph - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gradientenverstärker für einen Kernspintomographen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einen Kernspintomographen.

Bekannte Kernspintomographen weisen in der Regel drei Gra­ dientenspulen auf, um lineare Magnetfeldgradienten in x-, y- und z-Richtung zu erzeugen. Jede dieser Spulen wird von einem genau geregelten Strom durchflossen, der von einem Gra­ dientenverstärker erzeugt wird. Der Strom ist bei einem bei­ spielhaften Gradientenverstärker in einem Bereich zwischen 0 und 300 A bis auf wenige mA genau einstellbar. Ferner ist ei­ ne Stromanstiegsgeschwindigkeit von etwa 3.10⁵ A/s erforder­ lich, wozu eine Spannung von etwa πm 300 V an die Spule ange­ legt werden muß.

Der Gradientenverstärker enthält für jede Gradientenspule ei­ nen Stromregler. Die Eigenschaften des Reglers müssen an die angeschlossene Gradientenspule angepaßt sein. Wegen der hohen erforderlichen Genauigkeit ist bei bekannten Tomographen ein aufwendiger Abgleich durch einen geschulten Servicetechniker erforderlich. Für jeden Regler müssen mehrere Potentiometer von Hand eingestellt werden.

Die Erfindung hat demgemäß die Aufgabe, einen Gradienten­ verstärker eines Kernspintomographen bereitzustellen, bei dem zumindest während des Betriebs, vorzugsweise auch bei der Herstellung, Installation und Wartung, der mit dem Abgleich der Reglereinstellung verbundene Aufwand verringert ist. Fer­ ner soll die Erfindung einen Kernspintomographen bereitstel­ len, bei dem ein derartiger Gradientenverstärker möglichst wirkungsvoll genutzt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Gradienten­ verstärker mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ei­ nen Kernspintomographen mit den Merkmalen des Anspruchs 9 ge­ löst. Als ein "Steuerwort" wird dabei ein Datenwort bezeich­ net, das ein oder mehrere Bits breit ist. Ein "Eingang" für ein solches Steuerwort weist eine oder mehrere Leitungen auf, über die das Steuerwort parallel, seriell oder in Mischformen übertragen werden kann.

Durch die erfindungsgemäße Lösung kann der Gradientenverstär­ ker einfach auf unterschiedliche Regelkennlinien eingestellt werden, ohne daß bei der Umstellung ein Abgleich von Hand er­ forderlich wäre. Damit wird der erfindungsgemäße Gradienten­ verstärker insbesondere für solche Tomographiegeräte einsetz­ bar, die mehrere Betriebsmodi aufweisen, in denen unter­ schiedliche Einstellungen der Regeleinrichtung erforderlich sind. Das sind beispielsweise in der Entwicklung befindliche Tomographiegeräte mit mehreren Sätzen von unterschiedlichen Gradientenspulen, etwa Ganzkörper-Gradientenspulen und Kopf- Gradientenspulen, zwischen denen umgeschaltet werden kann.

Die Übertragungsfunktion der Regeleinrichtung wird von dem Regler und von den sonstigen Baugruppen der Regeleinrichtung (z. B. dem Vergleicher) bestimmt. Bevorzugt sind die Eigen­ schaften der sonstigen Baugruppen fest vorgegeben, und nur die Übertragungsfunktion des Reglers ist durch das digitale Steuerwort einstellbar. Zusätzlich oder als Alternative kann jedoch beispielsweise ein Vergleicher mit einem einstellbaren Verstärkungsfaktor verwendet werden, oder es können einstell­ bare Verstärker an den Eingängen des Vergleichers vorgesehen sein. Das Steuerwort kann Komponenten zur Einstellung des Reglers und Komponenten zur Einstellung der sonstigen Bau­ gruppen enthalten.

In einer besonders einfachen Ausführungsform des Gradienten­ verstärkers ist der Regler nur zwischen relativ wenigen Über­ tragungsfunktionen umschaltbar, von denen jede für einen mög­ lichen Betriebsmodus (beispielsweise für eine bestimmte Gra­ dientenspule) vorgesehen ist. Dazu können mehrere Sätze von Einstellungspotentiometern mit geeigneten Schaltelementen (z. B. Relais) vorgesehen sein. Durch das digitale Steuerwort wird genau einer dieser Sätze ausgewählt.

Bei dieser Ausführungsform ist im Normalbetrieb des Tomo­ graphen keine Reglerjustierung erforderlich. Dies stellt ei­ nen erheblichen Vorteil dar, da Tomographen mit mehreren Be­ triebsmodi dadurch erst praktisch einsetzbar werden. Aller­ dings ist mit der Erstinbetriebnahme eines solchen Tomo­ graphen ein sehr großer Abgleichaufwand verbunden, der mit der Anzahl der Betriebsmodi (z. B. der unterschiedlichen Spu­ len) ansteigt.

Daher sind nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin­ dung eine Vielzahl von vorgegebenen Übertragungsfunktionen vorgesehen, von denen im praktischen Betrieb nur einige (näm­ lich für jeden Betriebsmodus eine) verwendet werden. Vorzugs­ weise sind die vorgegebenen Übertragungsfunktionen so fein abgestuft, daß sich der gesamte Abgleich der Regeleinrichtung in der Zuordnung je einer Übertragungsfunktion für jeden Be­ triebsmodus erschöpft. Der Abgleich kann dann teilweise oder vollständig rechnergestützt vorgenommen werden, ohne daß eine manuelle Einstellung von Potentiometern erforderlich wäre. Ein derartiger rechnergestützter Abgleich ist wegen der Ar­ beitsersparnis selbst bei Tomographen vorteilhaft, die nur einen einzigen Betriebsmodus aufweisen.

Wenn die Anzahl vorgegebener Übertragungsfunktionen sehr hoch ist, werden diese bevorzugt als Binärzahlen in dem Steuerwort oder einzelnen Komponenten des Steuerwortes codiert. Bei­ spielsweise kann ein Steuerwort 14 Bit aufweisen (gegliedert in 2 Komponenten zu je 7 Bit, durch die unabhängige Anteile der Übertragungsfunktion bestimmt werden). Damit ist eine aus 2¹⁴ = 16384 Übertragungskennlinien auswählbar.

Bevorzugt ist der Regler als PI-Regler oder als PID-Regler ausgebildet und weist für jeden Reglerzweig einen digital einstellbaren Verstärker auf, dessen Verstärkungsfaktor von einer Komponente (einem oder mehreren Bits) des Steuerworts bestimmt wird. Das Steuerwort wird vorzugsweise über eine Kommunikationsverbindung von einer zentralen Anlagensteuerung zu dem Gradientenverstärker übertragen und dort an den Steu­ ereingang der angesprochenen Regeleinrichtung angelegt.

Bei dem erfindungsgemäßen Kernspintomograph ist eine Steuer­ wort-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines digitalen Steu­ erworts vorgesehen, das der mindestens einen Regeleinrichtung des Gradientenverstärkers zugeführt wird. Damit kann die Re­ geleinrichtung schnell und ohne Aufwand auf unterschiedliche Gradientenspulen eingestellt werden.

Bevorzugt ist die Steuerwort-Erzeugungseinrichtung baulich entweder dem Gradientenverstärker oder einer zentralen An­ lagensteuerung zugeordnet. Im einfachsten Fall wird die Art der angeschlossenen Gradientenspule manuell eingegeben; be­ vorzugt ist jedoch eine automatische Abtasteinrichtung vorge­ sehen, die die Spulenart selbständig ermittelt und eine ent­ sprechende Information an die Steuerwort-Erzeugungseinrich­ tung ausgibt.

In bevorzugten Ausführungsformen ist ferner eine Kalibrier­ einrichtung vorgesehen, die baulich entweder dem Gradienten­ verstärker oder der zentralen Anlagensteuerung zugeordnet sein kann. Die Kalibriereinrichtung vermag je nach den Eigen­ schaften einer angeschlossenen Gradientenspule eine Über­ tragungsfunktion der Regeleinrichtung auszuwählen, die vorge­ gebene Eigenschaften aufweist. Dies geschieht vorzugsweise in Abhängigkeit von mindestens einem Rückmeldesignal, beispiels­ weise einem Sollwertsignal und/oder einem Istwertsignal und/oder einem Reglersignal und/oder einem Reglerdifferenz­ signal.

Vorzugsweise weist die Kalibriereinrichtung unabhängig davon, welchen Baugruppen sie zugeordnet ist, eine Verarbeitungs­ einrichtung und/oder eine Wandlerbaugruppe und/oder einen Pulsgenerator und/oder eine Auswerteschaltung auf. Als Ver­ arbeitungseinrichtung dient bevorzugt ein Prozessor des Gra­ dientenverstärkers oder die zentrale Anlagensteuerung.

Zum Bestimmen der gewünschten Übertragungsfunktion werden vorzugsweise die Eigenschaften einzelner Zweige des Reglers nacheinander schrittweise an eine gewünschte Charakteristik des Rückmeldesignals angenähert.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen definiert.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Hinweis auf die schematischen Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der die Erfindung betref­ fenden Baugruppen eines Tomographen in einem besonders einfachen Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein Blockschaltbild wie in Fig. 1, jedoch in einem weiterentwickelten Ausführungsbeispiel, das von den Erfindern gegenwärtig als der be­ ste Weg zum Ausführen der Erfindung erachtet wird,

Fig. 3a-3f Zeitdiagramme von Regelsignalen,

Fig. 4 und 5 je ein Schaltbild eines Verstärkers mit digi­ tal einstellbarem Verstärkungsfaktor,

Fig. 6 ein Schaltbild einer Regeleinrichtung,

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Gradientenverstär­ kers in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 8 Zeitdiagramme des Ablaufs der Übertragung ei­ nes Steuerworts, und

Fig. 9 ein Blockschaltbild des Gradientenverstärkers in einem weiterentwickelten Ausführungsbei­ spiel.

In Fig. 1 sind von den diversen Komponenten eines Kernspin­ tomographen eine Anlagensteuerung 10 und ein Gradientenver­ stärker 12 gezeigt. Die Anlagensteuerung 10 weist einen Da­ tensatzspeicher 14 auf, der mehrere Datensätze mit je drei digitalen Steuerworten und weiteren Informationen aufzunehmen vermag. Der Datensatzspeicher 14 ist von der Anlagensteuerung 10 lesbar und beschreibbar. Über eine Kommunikationsverbin­ dung 16 können diverse Befehle und Daten zwischen der Anla­ gensteuerung 10, einem Prozessor 18 des Gradientenverstärkers 12 und weiteren, in Fig. 1 nicht gezeigten Komponenten des Tomographen ausgetauscht werden.

Der Gradientenverstärker 12 weist in an sich bekannter Weise eine Vielzahl von Bauelementen auf, insbesondere drei gere­ gelte Leistungsverstärker mit je einem Vergleicher, einem Regler, einem Pulsweitenmodulator und einer getakteten Schal­ tendstufe. Jeder Leistungsverstärker versorgt eine aus­ tauschbare Gradientenspule mit einem exakt geregelten Strom. Von diesen Bauteilen sind in Fig. 1 nur die drei Regler 20, 20', 20'' gezeigt. Die Regler 20, 20', 20'' weisen je einen Steuereingang 22, 22', 22'' auf, der an den Prozessor 18 ange­ schlossen ist und über den der entsprechende Regler 20, 20', 20'' von dem Prozessor 18 digitale Steuerworte zur Einstellung der Reglerkennlinie erhält. Der genaue Aufbau der Regler 20, 20', 20'' ist unten anhand von Fig. 6 beschrieben.

Bei der ersten Inbetriebnahme des Tomographen wird von einem Servicetechniker für jede Gradientenspule eine geeignete Reg­ lereinstellung in Form eines digitalen Steuerworts ermittelt. Diese Steuerworte werden, gegebenenfalls zusammen mit weite­ ren Informationen, als Steuerdatensätze im nicht-flüchtigen Datensatzspeicher 14 der Anlagensteuerung 10 abgelegt.

Wenn während des normalen Betriebs des Tomographen eine Reg­ lereinstellung erforderlich ist, liest die Anlagensteuerung 10 die entsprechenden Steuerdatensätze aus dem Datensatz­ speicher 14 aus und übermittelt deren relevanten Inhalt, ins­ besondere das Steuerwort, in Form eines Reglereinstellbefehls über die Kommunikationsverbindung 16 an den Prozessor 18. Der Prozessor 18 extrahiert das digitale Steuerwort aus dem Reg­ lereinstellbefehl, ordnet es einem der Regler 20, 20', 20'' zu und sendet es an den entsprechenden Steuereingang 22, 22', 22''. Eine derartige Reglereinstellung ist beispielsweise nach jedem Einschalten des Tomographen oder nach einem Wechsel der Gradientenspulen erforderlich.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten in zwei voneinander unabhängigen Richtungen vorteilhaft weiterentwickelt.

Erstens ist die Anlagensteuerung 10 über drei Abtastverbin­ dungen 24, 24', 24'' an je eine Abtasteinrichtung 26, 26', 26'' angeschlossen. Jede Abtasteinrichtung 26, 26', 26'' erkennt den Typ einer ihr zugeordneten Gradientenspule und übermit­ telt ein entsprechendes Signal an die Anlagensteuerung 10. Bei steckbaren Gradientenspulen können die Abtasteinrichtun­ gen 26, 26', 26'' beispielsweise als Kontakte eines codierten Steckers ausgebildet sein, und bei umschaltbaren Gradienten­ spulen als Meldekontakte von mechanischen Umschaltern. Durch Auswertung der Signale der Abtasteinrichtungen 26, 26', 26'' kann die Anlagensteuerung 10 einen Wechsel der Gradientenspu­ len und die Art der nun angeschlossenen Spulen selbständig erkennen. Die Regler 20, 20', 20'' können dann auch ohne einen ausdrücklichen Befehl der Benutzers auf die oben geschilderte Weise neu eingestellt werden.

Als zweite Weiterentwicklung wird bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel für jede Gradientenspule eine geeignete Reglereinstellung selbständig ermittelt, ohne daß ein Ser­ vicetechniker diese Einstellung umständlich ausmessen müßte.

Um diese Funktion bereitzustellen, weist die Anlagensteuerung 10 ein Kalibrierungsprogramm 28 zum Steuern des Kalibrie­ rungsvorgangs auf. Für jeden Regler 20, 20', 20'' ist eine Rückmeldeverbindung 30, 30', 30'' vorgesehen. Die Rückmelde­ verbindungen 30, 30', 30'' umfassen in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel je vier Leitungen zur Rückmeldung von Si­ gnalen, die die Regeleigenschaften des entsprechenden Reglers 20, 20', 20'' kennzeichnen. Die Rückmeldesignale werden an dem Regler 20, 20', 20'' sowie an dem zugeordneten Vergleicher (in Fig. 2 nicht gezeigt) abgegriffen. Für jeden Regler 20, 20', 20'' repräsentieren die Rückmeldesignale einen Stromsollwert, einen Stromistwert, eine Stellgröße und eine Regeldifferenz. In Ausführungsalternativen können andere Signale als Rückmel­ designale oder eine andere Anzahl von Rückmeldesignalen vor­ gesehen sein.

Drei Wandlerbaugruppen 32, 32', 32'' weisen je vier Analog- Digital-Wandler für je eines der Rückmeldesignale auf und sind an je eine der Rückmeldeverbindungen 30, 30', 30'' an­ geschlossen. Alternativ kann auch eine Wandlerbaugruppe mit mindestens einem ADC in Verbindung mit Multiplexern zur Aus­ wahl des Rückmeldesignales verwendet werden. Die von den Wandlerbaugruppen 32, 32', 32'' erzeugten digitalisierten Rückmeldesignale werden über Digitalverbindungen 34, 34', 34'' der Anlagensteuerung 10 zugeführt und dort ausgewertet. Die Wandlerbaugruppen 32, 32' und 32'' sind in einer ersten Aus­ führungsalternative der Systemsteuerung 10 und in einer zwei­ ten Ausführungsalternative dem Gradientenverstärker 12 bau­ lich zugeordnet.

Die Rückmeldesignale sind in Fig. 3a-Fig. 3f nochmals bei­ spielhaft dargestellt. Fig. 3a zeigt das Stromsollwertsignal (d. h. ein Spannungssignal, das dem Sollwert des durch die Gradientenspule fließenden Stroms proportional ist), wie es während des normalen Betriebs des Tomographen auftritt. Das in Fig. 3b dargestellte Stromistwertsignal kann beispiels­ weise an einem in Reihe mit der Gradientenspule geschalteten Shunt-Widerstand abgegriffen werden. In Fig. 3c ist die Stellgröße (Reglersignal) gezeigt, also die Ausgabe des Reg­ lers 20, 20', 20'', mit der der Pulsweitenmodulator des Lei­ stungsverstärkers zur Spannungsversorgung der Gradientenspule angesteuert wird. Fig. 3d stellt die Regeldifferenz (Fehler­ signal) für die in Fig. 3a und Fig. 3b gezeigten Soll- bzw. Istwertsignale dar, also deren Differenzsignal. Ein entspre­ chendes Regeldifferenzsignal bei zu langsam eingestelltem Regler 20, 20', 20'' ist in Fig. 3e skizziert, und ein Signal bei zu "scharf" eingestelltem, schwingendem Regler 20, 20', 20'' in Fig. 3f.

Zur automatischen Kalibrierung der Regeleinrichtungen müssen in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel lediglich die Regler 20, 20', 20'' eingestellt werden, da die Regeleinrich­ tungen sonst keine einstellbaren Bauteile aufweisen. Die das Kalibrierungsprogramm 28 aus führende Anlagensteuerung 10 gibt dazu zunächst eine Reihe von unterschiedlichen Testeinstel­ lungen (Testdatensätzen) für die Regler 20, 20', 20'' vor. Die Testeinstellungen werden auf die oben beschriebene Weise als Reglereinstellbefehle über die Kommunikationsverbindung 16 und den Prozessor 18 an die Regler 20, 20', 20'' übertragen. Für jede Testeinstellung erzeugt die Anlagensteuerung 10 fer­ ner eine Testsequenz mit unterschiedlichen Sollwertsignalen und speist diese ebenfalls über die Kommunikationsverbindung 16 oder über eine separate Verbindung (in Fig. 2 nicht ge­ zeigt) in den Gradientenverstärker 12 ein. Die Sollwertsigna­ le einer Testsequenz weisen unterschiedliche Puls formen und Amplitudenwerte auf.

Die beim Ausführen jeder Testsequenz abgegriffenen Rückmelde­ signale werden, wie oben beschrieben, von den Wandlerbaugrup­ pen 32, 32', 32'' digitalisiert und der Anlagensteuerung 10 zugeführt. Die Anlagensteuerung 10 wertet die digitalisierten Signale in Echtzeit aus und ermittelt daraus die für die je­ weilige Gradientenspule optimalen Reglerdaten, die als dieser Spule zugeordnet er Datensatz im Datensatzspeicher 14 abgelegt werden. Falls erforderlich, können zum Ermitteln der optima­ len Reglerdaten weitere Testsequenzen ausgeführt werden, die auf den besten bisher gefundenen Reglereinstellungen beruhen und eine Messung in zunehmend feineren Abstufungen ermögli­ chen. Ein Beispiel für ein geeignetes Kalibrierungsverfahren ist unten mit Hinweis auf Fig. 9 genauer beschrieben.

Das Kalibrierungsprogramm 28 kann die Optimierung mit unter­ schiedlichen Zielsetzungen durchführen. Beispielsweise kann eine optimale Reglereinstellung dadurch definiert sein, daß die Regeldifferenz sehr klein ist (Fig. 3d), die Reglerein­ stellung jedoch noch um einen "Sicherheitsabstand'' von der Einstellung entfernt ist, bei der der Regler 20, 20', 20'' zu schwingen beginnt (Fig. 3f). Als Alternative kann eine Reg­ lereinstellung angestrebt werden, bei der der Stromistwert (Fig. 3b) möglichst genau mit einer für alle Geräte einer Baureihe vorgegebenen Stromkurvenform übereinstimmt. Eine solche vorgegebene Stromkurvenform entspricht nicht exakt dem Stromsollwert, sondern repräsentiert standardisierte Regler­ eigenschaften, die unabhängig von Bauteilstreuungen von allen Geräten einer Baureihe erreicht werden können.

In Fig. 4 ist eine an sich bekannte Schaltung eines Verstär­ kers mit digital einstellbarem Verstärkungsfaktor gezeigt. Ein Digital-Analog-Wandler 36 ist als 12-Bit-Wandler für ei­ nen multiplizierenden Betrieb ohne interne Referenzspannung ausgebildet. Geeignet ist beispielsweise der unter der Typen­ bezeichnung AD 7945 bekannte Wandler in CMOS-Technologie. Der Digital-Analog-Wandler 36 weist einen Anschluß 38 für eine Referenzspannung U_ref und einen zwölf Bit breiten Digitalein­ gang 40 auf, der an ein internes Widerstandsnetz 42 ange­ schlossen ist.

Das Widerstandsnetz 42 teilt einen durch die Referenzspannung U_ref am Anschluß 38 bewirkten Stromfluß je nach der Belegung des Digitaleingangs 40 in zwei Teile auf, die über einen Mas­ seanschluß 44 bzw. über einen Anschluß 46, der durch einen Widerstand 48 mit dem Widerstandsnetz 42 verbunden ist, ab­ fließen. Der durch den Widerstand 48 und über den Anschluß 46 fließende Strom I_out ist maximal (und der nach Masse abgelei­ tete Strom minimal), wenn alle Bits des Digitaleingangs 40 logisch "1" sind. Umgekehrt fließt kein Strom I_out, wenn alle Bits des Digitaleingangs 40 den logischen Wert "0" haben.

Ein Operationsverstärker 50 ist mit seinem nicht-invertie­ renden Eingang 52 an Masse, mit seinem invertierenden Eingang 54 an die Verbindung zwischen dem Widerstandsnetz 42 und dem Widerstand 48, und mit seinem Verstärkerausgang 56 an den an­ deren Anschluß 46 des Widerstands 48 angeschlossen. Die am Verstärkerausgang 56 anliegende Spannung U_out bestimmt sich gemäß der Formel U_out = (-1).R_fb.I_out, wobei R_fb der Wert des Widerstands 48 ist. Der Wert I_out ist seinerseits proportional zu der Referenzspannung U_ref und den an dem Digitaleingang 40 anliegenden Daten. Bei gleichbleibenden Daten ist somit U_out proportional zu U_ref. Der Proportionalitätsfaktor (d. h. der Verstärkungsfaktor der in Fig. 4 gezeigten Schaltung) hängt von dem anliegenden Datenwort ab und beträgt zwischen 0 (alle Bits des Digitaleingangs 40 auf "0") und -1 (alle Bits des Digitaleingangs 40 auf "1").

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Verstärkerschaltung, in der das Widerstandsnetz 42 und der Widerstand 48 vertauscht sind. Wenn bei dieser Schaltung alle Bits des Digitaleingangs 40 den Wert "0" aufweisen, so fließt der Strom vom Referenzspan­ nungsanschluß 38 vollständig über den Masseanschluß 44 ab. Damit findet keine negative Rückkupplung zwischen dem Ver­ stärkerausgang 56 und dem invertierenden Eingang 54 statt, so daß der Verstärkungsfaktor zwischen dem als Eingang dienenden Anschluß 46 und dem Verstärkerausgang 56 praktisch -∞ be­ trägt. Sind alle Bits des Digitaleingangs 40 logisch "1", so beträgt der Verstärkungsfaktor -1.

Die in Fig. 6 dargestellte beispielhafte Schaltung einer Reg­ lereinrichtung weist einen Vergleicher 58 und den Regler 20 auf. Der Vergleicher 58 ist hinsichtlich seiner Signalüber­ tragungseigenschaften fest eingestellt, während die Übertra­ gungsfunktion des Reglers 20 (und damit die Übertragungsfunk­ tion der gesamten Reglereinrichtung) durch ein digitales Steuerwort veränderlich ist. Der Regler 20 ist als PI-Regler ausgebildet und umfaßt einen P-Reglerzweig 60 zum Bereitstel­ len eines proportionalen Anteils, einen I-Reglerzweig 62 zum Bereitstellen eines integralen Anteils und einen Summierer 64.

Der Vergleicher 58 ist in an sich bekannter Weise als inver­ tierender Summierverstärker ausgebildet, der einen Opera­ tionsverstärker 66, einen Rückkopplungswiderstand 68 und zwei Eingangswiderstände 70, 72 aufweist. Zwei Eingänge 74, 76 sind für den Sollwert (vgl. Fig. 3a) bzw. für den negativen Istwert (vgl. Fig. 3b) vorgesehen. Da an diesen Eingängen 74, 76 Signale unterschiedlicher Polarität anliegen, wird die Funktion des Vergleichers 58, also das Subtrahieren der Ein­ gangswerte voneinander, hier durch eine Summierschaltung be­ wirkt.

Der Operationsverstärker 66 summiert die an den Eingängen 76, 78 anliegenden Werte, verstärkt sie um einen vom Verhältnis der Widerstände 68, 70, 72 abhängigen, negativen Faktor und erzeugt an einem Ausgang 78 ein entsprechendes Signal, das der negativen Regeldifferenz (vgl. Fig. 3d) entspricht. For­ melmäßig ausgedrückt liegt am Ausgang 78 der Wert (--K).(U_soll + (-U_ist)) an, wobei (-K) der Verstärkungsfaktor, U_sollder am Eingang 74 anliegende Sollwert und (-U_ist) der am Eingang 76 anliegende negative Istwert sind.

Die vom Vergleicher 58 erzeugte negative Regeldifferenz dient als Eingangswert für den P-Reglerzweig 60 und indirekt auch für den I-Reglerzweig 62. Der P-Reglerzweig 60 ist von einem invertierenden, einstellbaren Verstärker 80 gebildet, dessen Verstärkungsfaktor durch Anlegen digitaler Werte an einen Einstelleingang 82, der Bestandteil des Steuereingangs 22 des Reglers 20 ist, eingestellt werden kann. Als einstellbarer Verstärker 80 wird die in Fig. 5 gezeigte Schaltung einge­ setzt, wobei jedoch von den zwölf Bits des Digitaleingangs 40 die fünf geringerwertigen Bits fest auf den Wert "1" gelegt sind. Der Einstelleingang 82 ist an die sieben höherwertigen Bits des Digitaleingangs 40 angeschlossen. Der Verstärkungs­ faktor ist damit zwischen -1 und -128 einstellbar. Durch die­ sen Verstärkungsfaktor wird der P-Anteil des Reglers 20, also dessen Verstärkung, bestimmt.

Ein Ausgang 84 des P-Reglerzweigs 60 ist einerseits mit einem ersten Eingang 86 des Summierers 64 und andererseits mit ei­ nem Eingang 88 des I-Reglerzweigs 62 verbunden.

Der I-Reglerzweig 62 weist einen an sich bekannten, integrie­ rend wirkenden RC-Verstärker mit konstanter Integrierzeit auf, der von einem Eingangswiderstand 90, einem Operations­ verstärker 92 und einem Rückkopplungskondensator 94 gebildet ist. Diesem RC-Verstärker ist ein einstellbarer Verstärker 96 mit einem Einstelleingang 98 nachgeschaltet, der ebenso wie der oben beschriebene einstellbare Verstärker 80 des P-Reg­ lerzweigs 60 aufgebaut ist. Ein Ausgang 100 des I-Regler­ zweigs 62 ist mit einem zweiten Eingang 102 des Summierers 64 verbunden.

Von dem I-Reglerzweig 62, genauer gesagt von der Einstellung des Verstärkers 96, wird der I-Anteil des Reglers 20, also dessen Nachstellzeit, bestimmt. Die Nachstellzeit ist dabei definiert als diejenige Zeit, die benötigt wird, um bei einer sich sprunghaft ändernden Regeldifferenz aufgrund des I-An­ teils eine gleichgroße Stellgrößenänderung zu erzielen, wie sie aufgrund des P-Anteils entsteht. Der RC-Verstärker des I- Reglerzweigs 62 bestimmt hier den Maximalwert der Nachstell­ zeit, der bei geringstmöglichem Verstärkungsfaktor des ein­ stellbaren Verstärkers 96 erreicht wird. Bei einem Erhöhen dieses Verstärkungsfaktors verringert sich die Nachstellzeit, d. h. der I-Anteil des Reglers 20 nimmt zu.

Der Summierer 64 dient zum Aufsummieren der an den Eingängen 86, 102 anliegenden P- bzw. I-Anteile. Ebenso wie der bereits beschriebene Vergleicher 58 ist auch der Summierer 64 als in­ vertierender Summierverstärker mit einem Operationsverstärker 104, einen Rückkopplungswiderstand 106 und zwei Eingangs­ widerständen 108, 110 ausgebildet. An einem Ausgang 112 des Summierers 64 liegt ein der invertierten Stellgröße (vgl. Fig. 3c) entsprechendes Reglersignal an. Die Einstelleingänge 82 und 98 bilden zusammen den Steuereingang 22 des Reglers 20 und der gesamten in Fig. 6 gezeigten Regeleinrichtung.

Ein einer in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsalterna­ tive ist parallel zu dem P-Reglerzweig 60 und dem I-Regler­ zweig 62 ferner ein D-Reglerzweig zum Erzeugen eines D-An­ teils im Reglersignal vorgesehen, wodurch sich ein einstell­ barer PID-Regler ergibt.

Fig. 7 veranschaulicht beispielhaft die Übertragung von Steu­ erdaten innerhalb des Gradientenverstärkers 12. Dem Regler 20 sind hier eine Logikeinheit 114, eine Power-up-Schaltung 116 und eine Schalteranordnung 118 mit 14 Mikroschaltern baulich zugeordnet. Zwei je 7 Bit breite Datenleitungen 120, 120' und zwei Leitungen 122, 122' für je ein Schreibsignal führen von der Logikeinheit 114 zu dem Steuereingang 22 des Reglers 20. Der Prozessor 18 und die Logikeinheit 114 sind über einen 7 Bit breiten Datenbus 124, eine Freigabeleitung 126 und zwei Schreibleitungen 128, 128' verbunden.

Die Datenleitung 120 dient zur Übertragung einer ersten, 7 Bit breiten Komponente des Steuerworts an den Einstelleingang 82 des einstellbaren Verstärkers 80. Die Schreibleitung 122 ist ebenfalls mit dem Verstärker 80 verbunden. Ein aktiver Pegel auf der Schreibleitung 122 signalisiert, daß gültige Steuerdaten an der Datenleitung 120 anliegen und in ein in den Figuren nicht gezeigtes Register des Digital-Analog-Wand­ lers 36 im Verstärker 80 übernommen werden können. Entspre­ chend dienen die Datenleitung 120' und die Schreibleitung 122' zum Übertragen einer zweiten, 7 Bit breiten Steuerwort­ komponente an den Einstelleingang 98 des Verstärkers 96.

Beim Hochfahren des Systems gibt die aus einem Widerstand und einem Kondensator gebildete Power-up-Schaltung 116 ein ent­ sprechendes Signal an die Logikeinheit 114 aus. Letztere übernimmt daraufhin ein 14 Bit breites Steuerwort von den 14 Mikroschaltern der Schalteranordnung 118 und überträgt es auf die oben beschriebene Weise über die Leitungen 120, 120', 122, 122' an den Regler 20. Das an den Mikroschaltern vor­ eingestellte Steuerwort entspricht einer Reglereinstellung, die einen unkritischen Betrieb mit jeder Gradientenspule er­ möglicht.

Während des Betriebs des Tomographen wird ein über die Kommu­ nikationsverbindung 16 eintreffender Reglereinstellbefehl vom Prozessor 18 decodiert und beispielsweise dem Regler 20 zuge­ ordnet. Das im Reglereinstellbefehl enthaltene Steuerwort weist zwei je 7 Bit breite Komponenten zur Einstellung des P- Reglerzweigs 60 bzw. des I-Reglerzweigs 62 auf. In dem Zeit­ diagramm von Fig. 8 ist gezeigt, wie diese beiden Komponenten vom Prozessor 18 zu der Logikeinheit 114 übertragen werden.

Zunächst setzt der Prozessor 18 die dem Regler 20 zugeordnete Freigabeleitung 126 auf logisch "1" (Signal "Enable" in Fig. 8). Die erste Komponente des Steuerworts wird nun auf den Da­ tenbus 124 gelegt (Signale "Data"). Sobald diese Daten stabil sind, gibt der Prozessor 18 einen Schreibimpuls auf die erste Schreibleitung. 128 aus, die dem P-Reglerzweig 60 zugeordnet ist (Signal "Write-P"). Entsprechend erfolgt die Übertragung der zweiten Steuerwortkomponente, die dem I-Reglerzweig 62 zugeordnet ist, durch Anlegen der Daten an den Datenbus 124 und Erzeugen eines Schreibimpulses auf der zweiten Schreib­ leitung 128' (Signal "Write-I"). Das so zur Logikeinheit 114 übertragene Steuerwort wird auf die oben beschriebene Weise an den Regler 20 weitergeleitet.

Die Regler 20', 20'' sind über weitere Logikeinheiten (in Fig. 7 nicht gezeigt) mit dem Prozessor 18 verbunden. Diese Logi­ keinheiten weisen je eine eigene Freigabeleitung auf, während der Datenbus 124 und die beiden Schreibleitungen 128, 128' gemeinsam allen Logikeinheiten zugeführt sind. Durch diese Anordnung sind nur relativ wenige Anschlüsse am Prozessor 18 erforderlich, nämlich sieben Anschlüsse für den Datenbus 124, zwei für die Schreibleitungen 128, 128' und je einer für die Freigabeleitung jeder angeschlossenen Logikeinheit. Zur Da­ tenübertragung an einen der Regler 20, 20' und 20'' steuert der Prozessor 18 nur die Freigabeleitung derjenigen Logikein­ heit an, die dem einzustellenden Regler 20, 20', 20'' zugeord­ net ist.

Der in Fig. 9 gezeigte weiterentwickelte Gradientenverstärker 12 vermag die Regler 20, 20', 20'' selbständig (ohne Unter­ stützung durch die Anlagensteuerung 10 oder eine Bedienper­ son) auf eine für die angeschlossenen Gradientenspulen opti­ male Einstellung zu kalibrieren. Dazu weist der Gradienten­ verstärker 12 einen von dem Prozessor 18 angesteuerten Puls­ generator 130 auf, der Testsequenzen von Sollwertverläufen mit unterschiedlichen Pulsformen, Amplituden usw. zu erzeugen vermag. Über einen ebenfalls vom Prozessor 18 gesteuerten Um­ schalter 132 sind wahlweise die Testsequenzen oder normale Betriebssequenzen an den Sollwerteingang 74 des dem Regler 20 zugeordneten Vergleichers 58 anlegbar. Die Betriebssequenzen werden dabei von der Systemsteuerung 10 oder von einer ande­ ren geeigneten Baugruppe als digitale Sequenzdaten an einen Sequenzdateneingang 134 angelegt und von einem Digital-Ana­ log-Wandler 136 in das analoge Sollwertsignal umgewandelt.

Der Regeldifferenzausgang 78 des Vergleichers 58 ist an eine Auswerteschaltung 138 angeschlossen, in der das als Rückmel­ designal dienende Regeldifferenzsignal gleichgerichtet und über einen Tiefpaß gefiltert wird. Die derart bewertete Re­ geldifferenz wird von einem Analog-Digital-Wandler 140 digi­ talisiert und zur weiteren Verarbeitung an den Prozessor 18 geleitet. Die Auswerteschaltung 138 ist nur dann erforder­ lich, wenn der Prozessor 18 eine zu geringe Leistungsfähig­ keit aufweist, um das eigentliche, nicht-bewertete Regel­ differenzsignal in Echtzeit zu verarbeiten. Bei einem sehr leistungsfähigen Prozessor 18 kann der Ausgang 78 direkt mit dem Analog-Digital-Wandler 140 verbunden sein, der dann wie die in Fig. 2 gezeigte Wandlerbaugruppe 32 wirkt.

Zur selbständigen Kalibrierung des Reglers 20 aktiviert der Prozessor 18 den Pulsgenerator 130 und legt dessen Signal über den Umschalter 132 auf den Sollwerteingang 74. Der Pro­ zessor 18 stellt nun den Regler 20 auf eine sehr geringe Ver­ stärkung des P-Reglerzweigs 60 und eine sehr lange Nachstell­ zeit des I-Reglerzweigs 62 ein. Nun erhöht der Prozessor 18 zunächst schrittweise den P-Anteil. Hierbei wird die bewerte­ te Regeldifferenz (das Ausgabesignal der Auswerteschaltung 138) zunächst kleiner, bis der Regelkreis zu schwingen be­ ginnt und die bewertete Regeldifferenz wieder zunimmt. Anhand der so ermittelten Meßdaten bei langsamer, konstanter Ein­ stellung des I-Anteils legt der Prozessor 18 einen Verstär­ kungswert für den P-Anteil fest, der unterhalb der "kriti­ schen" Verstärkung liegt.

Der Prozessor 18 hält nun den optimierten P-Anteil konstant und erhöht den I-Anteil schrittweise (Verkürzung der Nach­ stellzeit). Wieder wird die bewertete Regeldifferenz zunächst kleiner und steigt dann wieder an, woraus der Prozessor 18 eine optimale Einstellung für den I-Anteil ermittelt.

Dieser Kalibrierungsvorgang wird mit unterschiedlichen Test­ sequenzen wiederholt. Die als Endergebnis ermittelte Regler­ einstellung kann entweder an die Anlagensteuerung 10 über­ tragen oder in einem dem Prozessor 18 zugeordneten Daten­ satzspeicher 142 abgelegt werden. Im zweitgenannten Fall kann der Prozessor 18 bei einem Wechsel der angeschlossenen Gra­ dientenspule den Regler 20 selbständig umstellen, wozu er al­ lerdings eine Information über die Art der Spule benötigt. Diese Information kann dem Prozessor 18 entweder über die Kommunikationsverbindung 16 oder über zusätzliche, in Fig. 9 nicht gezeigte Leitungen zugeführt werden.

Die weiteren Regler 20', 20'' des Gradientenverstärkers 12 werden ebenso eingestellt. Ihnen ist dazu je ein weiterer Um­ schalter (in Fig. 9 nicht gezeigt) zugeordnet, während der Pulsgenerator 130, die Auswerteschaltung 138 und der Analog- Digital-Wandler 140 gemeinsam zur Einstellung aller drei Reg­ ler 20, 20', 20'' genutzt werden.

Das hier beschriebene Kalibrierungsverfahren kann in einer auf der Schaltung von Fig. 2 beruhenden Ausführungsvariante statt vom Prozessor 18 auch von der Anlagensteuerung 10 durchgeführt werden. Die Wandlerbaugruppen 32, 32', 32'' kön­ nen gegebenenfalls mit einem Gleichrichter und einem Tiefpaß­ filter versehen werden, um die Anlagensteuerung 10 von der Auswertung der Regeldifferenzsignale in Echtzeit zu entla­ sten.

Claims (14)

1. Gradientenverstärker für einen Kernspintomographen, mit mindestens einem Regeleinrichtung, die einen Vergleicher (58) zum Bereitstellen eines Regeldifferenzsignals und einen auf das Regeldifferenzsignal ansprechenden Regler (20, 20', 20'') zum Erzeugen eines Stellgrößensignals aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Regel­ einrichtung einen Steuereingang (22, 22', 22'') für ein digi­ tales Steuerwort aufweist, durch das eine aktuelle Übertra­ gungsfunktion der Regeleinrichtung aus mehreren oder einer Vielzahl von vorgegebenen Übertragungsfunktionen auswählbar ist.

2. Gradientenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (20, 20', 20'') einen P-Reglerzweig (60) und einen I-Reglerzweig (62) aufweist.

3. Gradientenverstärker nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung mindestens einen einstellbaren Verstärker (80, 96) aufweist, dessen die Übertragungsfunktion der Regel­ einrichtung beeinflussender Verstärkungsfaktor durch das di­ gitale Steuerwort oder eine Komponente davon einstellbar ist.

4. Gradientenverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Steuerwort mindestens eine in Form einer Binärzahl codierte Komponente aufweist.

5. Gradientenverstärker nach den Ansprüchen 3 und 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der ein­ stellbare Verstärker (80, 96) mindestens einen multiplizie­ renden Digital-Analog-Wandler (36) aufweist, in dessen Digi­ taleingang (40) das digitale Steuerwort oder die Komponente davon einspeisbar ist.

6. Gradientenverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prozessor (18) und/oder eine Logikeinheit (114) dazu einge­ richtet sind/ist, aus einem über eine Kommunikationsverbin­ dung (16) empfangenen Reglereinstellbefehl das digitale Steu­ erwort zu extrahieren, es einer Regeleinrichtung zuzuordnen und in den Steuereingang (22, 22', 22'') dieser Regeleinrich­ tung einzuspeisen.

7. Gradientenverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kalibriereinrichtung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von mindestens einem Rückmeldesignal eine Übertragungsfunktion der Regeleinrichtung auszuwählen.

8. Gradientenverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibriereinrichtung eine Verarbeitungseinrichtung, einen Pulsgenerator (130) und eine Auswerteschaltung (138) aufweist.

9. Kernspintomograph mit mindestens einer Gradientenspule, der einen Gradientenverstärker (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, mit einer Steuerwort-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines der Regeleinrichtung zugeführten digitalen Steuerworts.

10. Kernspintomograph nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwort-Erzeu­ gungseinrichtung eine Abtasteinrichtung (26, 26', 26'') zum Erkennen der Art einer an den Gradientenverstärker (12) ange­ schlossenen Gradientenspule aufweist und dazu eingerichtet ist, das digitale Steuerwort gemäß einem Ausgabewert der Ab­ tasteinrichtung (26, 26', 26'') zu ermitteln.

11. Kernspintomograph nach Anspruch 9 oder 10, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Kali­ briereinrichtung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, je nach den Eigenschaften einer an den Gradientenverstärker (12) angeschlossenen Gradientenspule das digitale Steuerwort für die Regeleinrichtung zu bestimmen.

12. Kernspintomograph nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibriereinrichtung eine Verarbeitungseinrichtung sowie mindestens eine auf ein Rückmeldesignal ansprechende Wandlerbaugruppe (32, 32', 32'') aufweist.

13. Kernspintomograph nach Anspruch 12 mit einem Gradien­ tenverstärker nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kalibriereinrichtung dazu eingerichtet ist, zunächst eine Einstellung des P-Reg­ lerzweigs (60) und dann eine Einstellung des I-Reglerzweigs (62) durch schrittweise Annäherung an eine gewünschte Cha­ rakteristik des mindestens einen Rückmeldesignals zu bestim­ men.

14. Kernspintomograph nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steu­ erwort-Erzeugungseinrichtung und/oder die Kalibriereinrich­ tung einer zentralen Anlagensteuerung (10) des Kernspintomo­ graphen zugeordnet sind/ist.