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Power Amplifier for Magnetic Resonance Imaging Using Unconventional Cartesian Feedback Loop

Abuelhaija, Ashraf

Ultrahochfeld Magnetresonanztomographiegeräte (MRT, 3T und höher) bieten im Vergleich zu MRT-Geräten mit geringeren Feldstärken verbesserte Leistungen, erfordern jedoch aufgrund der in Körper der Patienten auftretenden B1 Inhomogenität weitere Methoden der Optimierung. Hierfür wurde eine RF-Mehrkanal-Technik entwickelt, um die einzelnen RF-Spulen unabhängig voneinander aussteuern zu können. Allerdings wird diese Methode dadurch limitiert, dass Nachbarspulen Ströme induzieren können und durch Änderung der elektrischen Last ebenfalls eine Variation der Spulenimpedanz auftritt, die die Effizienz des Shimmings verringert und zu einer Fehlanpassung der RF-Spule führt. Diese Arbeit beschreibt einen Leistungsverstärker der nahe am MR-Magneten angeordnet ist und daher ohne Zirkulator-Ausgang auskommen muss und der ein neues Konzept zur Abtastung der Spulenströme und somit zur Steuerung dieser bietet. Dieser Verstärker nutzt eine unkonventionelle kartesische Rückkopplungsschleife (FBL) zur Kompensation der Stromvariationen in einem Spulenelement durch Steuerung der Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers. Die besondere Eigenschaft des FBL ist seine Möglichkeit, eine aussteuerungsabhängige Schleifenverstärkung zu generieren, die bei hoher Leistung die Fehlerkorrektur und bei niedriger Leistung die Systemstabilität verbessern kann. Um bei niedriger Leistung trotzdem effizient zu bleiben, wird der Leistungsverstärker so konzipiert, dass sein Ausgang eine ultra-niedrige Impedanz bezogen auf den Balun der Spulen darstellt. Dies unterdrückt den durch Verkopplung verursachten induzierten Strom in benachbarten Spulen. Der Entwurf und die Charakterisierung der Verstärkerschaltung werden detailliert behandelt und mit Simulationen verdeutlicht, während außerdem eine detaillierte Analyse der ultra-niedrigen Ausgangsimpedanz im Zusammenhang mit der Spulenentkopplung durchgeführt wird. Der Entwurf der FBL wird beschrieben und eine Evaluation der Funktionsfähigkeit wird durch Simulationen zum Effekt der Lastimpedanz, der Spulen-Verkopplung und der Verstärker-Nichtlinearität durchgeführt. Experimentelle Prototypen des Verstärkers und des FBL wurden im Rahmen eines MRT-Forschungsprojekt hergestellt, so dass schließlich eine messtechnische Bestätigung der Simulationsergebnisse ermöglicht wurde.

Ultra-high field Magnetic Resonance Imaging (MRI) scanners (3T and higher) provide improved performance compared to lower field MRI scanners but because of RF magnetic flux (B1) inhomogeneity inside the patient’s body, Multi-channel parallel RF transmission has been developed to allow B1 optimization by, e.g., the RF shimming technique which requires a good decoupling of the RF coil elements to suppress induction of currents by neighbor coils so that the RF coil currents can be adjusted independently. However, current variation in array coils occurs also due to load change, degrading the shimming performance and leading to mismatch between the RF coil and the feed cable. In this thesis, a near-magnet power amplifier (PA) is proposed without circulator output which employs a new concept of coil current sensing to allow control of the coil current. This power amplifier uses an unconventional Cartesian feedback loop (FBL) to compensate for current variation in an array coil by controlling the output voltage of the power amplifier. The particular property of the FBL is its capability to generate dynamic loop gain which can improve error compensation at high power level and system stability at low power level. To be still effective at low power, the near-magnet power amplifier is designed to present an ultra-low output impedance to the balun of the coil which suppresses coil current induced by mutual coupling from neighbor coils. The power amplifier circuit design and characterization are discussed in detail by simulation in addition to a detailed analysis of the ultra-low output impedance with respect to coil decoupling. The design of the FBL is described and the performance evaluation is presented by simulation for the coil loading effect, coupling effect and PA nonlinearity. Experimental prototypes of PA and FBL have been fabricated in an MRI research project and measured performance supports simulation results.

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Abuelhaija, Ashraf: Power Amplifier for Magnetic Resonance Imaging Using Unconventional Cartesian Feedback Loop. 2016.

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