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Stability analysis of cartesian feedback power amplier used for RF feed network of 7 Tesla parallel transmit MRI system

Shooshtary, Samaneh

Introduction of magnets with higher static magnetic fields is a major trend of Magnetic Resonance Imaging (MRI) systems. Higher field strength increases image resolution due to the greater magnetization of the body tissue under investigation and higher signal to noise ratio that increases approximately linearly with the magnetic field strength. A high-field 7 Tesla MRI system applying a multichannel transmit system is under investigation at Erwin L. Hahn Institute to utilize the benefit of high-field and parallel transmission into an array of coils which can reduce artifacts resulting from comparably short wavelengths inside the human tissue. Multichannel transmit systems apply a dynamic RF shimming for individual phase and amplitude modulation for each channel to gain the desired image homogeneity. The system will employ 32 near-magnet power amplifiers with output power of 1kW. The problems of mutual coupling due to the neighborhood coils and also the RF distortion in the transmit path become non-negligible. Coil current variation due to the coupling effects of neighborhood channels can be compensated by applying a Cartesian feedback loop in the power amplifier implementation: the output voltage of the power amplifier is controlled by a feedback loop in order to deliver a constant current to the connected MR-coil. Due to the coil coupling, the neighborhood amplifiers behave like an active load for each closed loop Cartesian feedback power amplifier and may produce a refection coefficient |Γ|>1 which potentially may cause instability of the Cartesian feedback power amplifier. In order to avoid instability in the parallel transmit system, conditions and limits of stability have to be investigated for every possible mode of operation. This contribution presents the principle architecture of an unconventional Cartesian feedback power amplifier with control loop. The stability conditions are discussed by analytic and simulation model of the single power amplifier and the array of coupled power amplifiers. Experiments present different prototypes of stability tests for single and coupled Cartesian feedback amplifiers to verify the analytic and simulation results.

Es gibt eine Tendenz, Magneten mit immer höheren statischen Feldstärke in Magnet Resonanz Tomographie (MRT) Systemen einzusetzen. Die höhere magnetische Feldstärke verbessert die Auflösung aufgrund der stärkeren Magnetisierung des zu untersuchenden Körpergewebes, wobei sich das Signal-zu-Rausch Verhältnis im Wesentlichen linear zu der magnetischen Feldstärke verhält. Ein Hochfeld 7 Tesla MRT Gerät mit einem mehrkanaligen System von Anregungsspulen wird derzeit am Erwin L. Hahn Institut untersucht, um den Vorteil von statischen Hochfeld Magneten in Kombination mit mehrkanaliger paralleler Speisung der Anregungsspulen zu nutzen. Hierdurch können Artefakte, die durch die relativ kleine Wellenlänge im Körpergewebe entstehenden minimiert werden. Mehrkanalige Anregungssysteme wenden dynamisches “RF-Shimmin” an mit individueller Phasen- und Amplituden-Modulation der einzelnen Kanäle, um so die gewünschte Bild-Homogenität zu erzielen. Das System besteht aus 32 Leistungsverstärkern mit jeweils 1kW Ausgangsleistung, die nah am Magneten verbaut sind. Die gegenseitige Verkopplung der benachbarten Spulen sowie die HF-Verzerrung im Sendepfad sind nicht mehr vernachlässigbar. Variationen in den Spulenströmen, hervorgerufen durch die Einkopplung der benachbarten Kanäle, können mit Hilfe eines kartesischen Feedbacks im Leistungsverstärker kompensiert werden: Die Ausgangsspannung der Leistungsverstärker wird über eine Feedback-Schleife gesteuert, um einen konstanten Strom in der Spule des jeweiligen Kanals zu erzwingen. Die Verkopplung der benachbarten Spulen lässt sich als aktive Last des rückgekoppelten Leistungsverstärkers darstellen, so dass es zu Reflektionsfaktoren |Γ|> 1 kommen kann. Diese können potentiell den Leistungsverstärker instabil machen. Um diese Instabilität bei der mehrkanaligen Einspeisung zu vermeiden, müssen die Stabilitäts-Kriterien in Abhängigkeit der Betriebsmodi untersucht werden. Der Beitrag dieser Arbeit ist die prinzipielle Architektur eines unkonventionellen kartesischen Feedback Leistungsverstärker in einer Rückkopplungsschleife. Stabilitäts-Kriterien werden für den einzelnen Pfad, sowie für die verkoppelte mehrkanalige Anordnung auf Basis von analytischen und Simulationsmodellen diskutiert. Versuchsaufbauten mit unterschiedlichen Prototypen wurden realisiert, um die Stabilität des einzelnen und der verkoppelten kartesischen Feedback Leistungsverstärker messtechnisch zu belegen und so die analytischen und die Simulations-Ergebnisse zu verifizieren.

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Shooshtary, Samaneh: Stability analysis of cartesian feedback power amplier used for RF feed network of 7 Tesla parallel transmit MRI system. 2018.

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