Применение пьезотехнологии для преобразования мощности линии переменного тока в изолированную мощность постоянного тока в сильных внешних магнитных полях Российский патент 2018 года по МПК H02M3/335 H02M7/162 A61B5/55 H01L41/47 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящая заявка относится в целом к источникам питания. В частности, она применима к преобразователям мощности переменного тока (АС) в мощность постоянного тока (DC) для медицинских устройств, используемых в сильных внешних магнитных полях, и будет описана со ссылкой на этот конкретный вариант применения. Однако следует понимать, что она находит применение также в других областях применения, которые вовсе не ограничиваются указанным выше вариантом.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Традиционные способы преобразования мощности линии переменного тока в изолированную (isolated) мощность постоянного тока связаны с использованием железосодержащих электромагнитных трансформаторов и индукторов. При использовании реализующего такие способы преобразователя мощности (питания) переменного тока в мощность постоянного тока в сильных внешних магнитных полях, например, в магнитной камере установки магнитно-резонансной томографии (МРТ) обычно требуется установка и механическое закрепление преобразователя мощности на безопасном удалении от магнита. Если не закрепить преобразователь мощности на безопасном удалении, может произойти насыщение электромагнитного трансформатора и индукторов под воздействием сильного внешнего магнитного поля. Это может привести к потере преобразователем мощности его способности к преобразованию мощности, к его перегреву или повреждению. Кроме того, электромагнитные трансформаторы обладают значительной силой магнитного притяжения, и без закрепления преобразователя мощности на безопасном удалении преобразователь мощности может превратиться в источник опасности в виде летящего предмета.

Проблема с закреплением преобразователя мощности на удалении от магнита состоит в том, что часто требуется использование устройства, питающегося от преобразователя мощности, в непосредственной близости от магнита. Обычно данную проблему решают путем подачи питания по длинному кабелю, проложенному от преобразователя мощности к устройству, или путем подачи питания к устройству от его местных аккумуляторных батарей при использовании преобразователя мощности исключительно для зарядки батарей. Однако использование длинного кабеля уменьшает степень портативности и может создавать источник опасности и для устройства, и для пользователей, поскольку кабель доступен для хождения по нему пользователей. Кроме того, батареи ограничены по объему мощности, которую они могут предоставить, и имеют срок службы намного короче срока службы самого устройства.

Другие менее распространенные способы преобразования мощности линии переменного тока в изолированную мощность постоянного тока связаны с использованием пьезоэлектрических трансформаторов, как описано в патенте США №2830274, выданном Розену и др. Пьезоэлектрические способы используют обычно в преобразователях мощности переменного/постоянного тока (AC/DC), используемых для получения высоких напряжений переменного тока, требуемых для флуоресцентных ламп подсветки, используемых в дисплеях, таких как экраны ноутбуков. Кроме того, пьезоэлектрические методы используют обычно в области микроэнергетики для питания удаленных датчиков. В последнее время пьезоэлектрические способы нашли применение в маломощных преобразователях мощности переменного/постоянного тока, отличающихся компактными размерами и малым весом, для ноутбуков. Проблемы с преобразователями мощности, реализующими пьезоэлектрические способы, состоят в том, что эти преобразователи не способны выдавать мощность, достаточную для применения в медицине. Кроме того, такие преобразователи мощности не способны создавать на выходе изолированное низковольтное напряжение постоянного тока, достаточное для работы медицинского оборудования, и доступны для работы только от напряжения одной фазы сети переменного тока - в наиболее типичном случае -относительно низковольтной сети переменного тока Соединенных Штатов Америки.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящей заявке предлагаются новые и усовершенствованные система и способ, устраняющие указанные выше и другие проблемы.

В соответствии с одним аспектом предложен источник питания для подачи мощности в сильных внешних магнитных полях. Источник питания содержит один или более пьезоэлектрических трансформаторов, преобразующих мощность линии переменного тока в изолированную мощность. Источник питания содержит один или более модулей регулятора, по меньшей мере один из которых регулирует поток мощности линии переменного тока к пьезоэлектрическим трансформаторам и регулирует поток изолированной мощности от пьезоэлектрических трансформаторов для поддержания постоянного выходного напряжения независимо от мощности линии переменного тока.

В соответствии с другим аспектом предложен способ подачи мощности в сильных внешних магнитных полях. Способ включает в себя преобразование мощности линии переменного тока в изолированную мощность с использованием одного или более пьезоэлектрических трансформаторов. Способ дополнительно включает в себя регулирование потока мощности линии переменного тока к пьезоэлектрическим трансформаторам для поддержания изолированной мощности с заданным напряжением.

В соответствии с другим аспектом предложен источник питания для подачи мощности в сильных внешних магнитных полях. Источник питания содержит модуль преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником (piezoelectric core converter module), выполненный с возможностью преобразования мощности линии переменного тока (АС) в изолированную мощность с использованием одного или более пьезоэлектрических трансформаторов. Источник питания содержит также модуль регулятора, выполненный с возможностью регулирования потока мощности линии переменного тока к модулю преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником для поддержания изолированной мощности с заданным напряжением.

Преимуществом является устранение проблем устойчивости к воздействию магнитного поля.

Другим преимуществом является устранение возникновения опасности летящего предмета.

Еще одним преимуществом является интегрирование преобразователя мощности переменного/постоянного тока с устройством, получающим питание.

Еще одно преимущество состоит в поддержке широкого диапазона напряжений и частот линии переменного тока, распространенных в мире.

Еще одним преимуществом является более близкое расположение относительно магнита, создающего сильные внешние магнитные поля.

Еще одним преимуществом является повышенная степень портативности.

Другие дополнительные преимущества настоящего изобретения будут понятны специалистам со средним уровнем знаний в данной области после прочтения и осмысления приводимого далее подробного описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение может быть представлено в виде различных компонентов и сочетаний компонентов и в виде различных шагов и сочетаний шагов. Чертежи являются лишь иллюстрацией предпочтительных вариантов реализации и не предназначены для ограничения изобретения.

На ФИГ. 1 показан преобразователь мощности с использованием одного или более пьезоэлектрических трансформаторов и контура обратной связи для регулирования мощности на выходе преобразователя мощности.

ФИГ. 2 иллюстрирует более конкретный вариант реализации преобразователя мощности, показанного на ФИГ. 1.

На ФИГ. 3 приведен график усиления напряжения пьезоэлектрического трансформатора в зависимости от частоты.

На ФИГ. 4А изображены схемы для модулей входного фильтра и входного предварительного регулятора, показанных на ФИГ. 2.

На ФИГ. 4В изображены схемы для предварительного регулятора смещения и регулятора смещения, показанных на ФИГ. 2.

На ФИГ. 4С изображены схемы для модулей Н-образного моста и пьезоэлектрического трансформатора, показанных на ФИГ 2.

На ФИГ. 4D показаны схемы для модуля микроконтроллера, показанного на ФИГ. 2.

На ФИГ. 4Е изображены схемы для модулей выходного выпрямителя, устройства защиты от перенапряжений и усилителя сигнала ошибки, показанных на ФИГ. 2.

На ФИГ. 4F изображены схемы для модулей оптоизолятора и устройства защиты от перегрузки по току, показанных на ФИГ. 2.

ФИГ. 5 иллюстрирует альтернативный вариант исполнения преобразователя мощности, показанного на ФИГ. 1 - без контура обратной связи для регулирования мощности на выходе преобразователя мощности.

На ФИГ. 6А изображены схема для модуля входного фильтра и часть схемы для модуля предварительного регулятора, показанных на ФИГ. 5.

На ФИГ. 6В изображена часть схемы для модуля предварительного регулятора, показанного на ФИГ. 5.

На ФИГ. 6С изображена схема для модуля преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником, показанного на ФИГ. 5.

На ФИГ. 6D изображены схемы для модулей выходного устройства защиты и пострегулятора, показанных на ФИГ. 5.

На ФИГ. 7 показана система магнитно-резонансной томографии (МРТ) с преобразователем мощности, в котором один или более пьезоэлектрических трансформаторов расположены вблизи основного магнита.

ФИГ. 8 иллюстрирует способ подачи электрической мощности в сильных внешних магнитных полях с помощью пьезоэлектрических трансформаторов.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящей заявке предлагается усовершенствованный подход к преобразованию мощности линии переменного тока в изолированную на медицинском уровне мощность постоянного тока, применимую для питания медицинских устройств, без использования электромагнитных компонентов - таких, как электромагнитные трансформаторы и индукторы. В усовершенствованном подходе для преобразования мощности используют вместо электромагнитных компонентов один или более пьезоэлектрических трансформаторов. Благодаря устранению электромагнитных компонентов усовершенствованный подход может обеспечить преобразование изолированной мощности, не восприимчивое к воздействию сильных магнитных полей - таких, какие создаются основным магнитом системы магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Для обеспечения на выходе постоянного тока повышенных уровней мощности и напряжения - таких, которые применимы для многих медицинских приборов, требуемых вблизи от основного магнита системы МРТ - количество пьезоэлектрических трансформаторов может быть увеличено. Более того, чтобы обеспечить операцию преобразования мощности в полном диапазоне принятых в мире значений напряжения и частоты линии переменного тока, можно регулировать процесс преобразования, в котором используются пьезоэлектрические трансформаторы, например, с помощью микроконтроллера.

На ФИГ. 1 показан преобразователь 10 мощности переменного/постоянного тока для использования в сильных внешних магнитных полях. В используемом здесь смысле сильным внешним магнитным полем считается магнитное поле с индукцией выше 2000 Гс (0,2 Тл). Модуль 12 входного фильтра принимает мощность переменного тока от внешнего источника, например, энергоблока или генератора, по линии питания переменного тока и выполняет фильтрацию принятой мощности переменного тока. Модуль 12 входного фильтра выполняет фильтрацию принятой мощности переменного тока с целью удаления шумов - таких, как радиочастотные помехи. В дополнительном или альтернативном варианте исполнения входной фильтр 12 отфильтровывает принятую мощность переменного тока для защиты преобразователя 10 мощности от выбросов напряжения, перегораний и других аномальных состояний, связанных с линией питания переменным током. Напряжение и частота в линии питания переменного тока могут охватывать полный диапазон принятых в мире значений напряжения и частоты линий переменного тока. Например, напряжение в линии питания переменного тока может составлять от 90 до 250 вольт (В), а частота в линии питания переменного тока может равняться 50-60 герцам (Гц).

Отфильтрованная мощность проходит от модуля 12 входного фильтра к модулю 14 преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником через модуль 16 регулятора, который регулирует поток отфильтрованной мощности к модулю 14 преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником. В модуле 14 преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником используют один или более пьезоэлектрических трансформаторов 18 (см. ФИГ. 4С) для преобразования отрегулированной отфильтрованной мощности от модуля 16 регулятора в изолированную выходную мощность постоянного тока. Пьезоэлектрический трансформатор преобразует входную электрическую энергию в механическую энергию и затем преобразует полученную механическую энергию обратно в электрическую энергию, которая гальванически, то есть, надежно изолирована (развязана) от входной электрической энергии. Для повышения уровней мощности и напряжения на выходе мощности постоянного тока можно увеличивать количество пьезоэлектрических трансформаторов и параллельно соединять их между собой.

Модуль 16 регулятора регулирует поток отфильтрованной мощности к модулю 14 преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником для поддержания постоянного заданного напряжения на выходе мощности постоянного тока независимо от напряжения и частоты в линии питания переменным током, используя обратную связь от выхода мощности постоянного тока. Модуль 16 регулятора может дополнительно регулировать поток отфильтрованной мощности для защиты пьезоэлектрических трансформаторов 18 от перегрева, всплесков мощности и падений напряжения в линии питания переменного тока и от перегрузки. Соответственно, микроконтроллер 20 (см. ФИГ. 4D) модуля 16 управляет регулированием отфильтрованной мощности.

Выходная мощность постоянного тока от модуля 14 преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником проходит к внешней нагрузке через модуль 22 выходного устройства защиты. Внешней нагрузкой может являться, например, медицинское устройство. Примерами медицинских устройств могут являться, например, мониторы пациента, дисплеи, развлекательные устройства, инфузионные помпы, инъекторы, двигатели, рабочие станции анестезиологов, камеры, зарядные устройства аккумуляторов и коммуникационные устройства. Модуль 22 выходного устройства защиты обеспечивает поддержание напряжения и/или тока на выходе мощности постоянного тока в заданных пределах. Это обеспечивает преимущество, состоящее в защите и преобразователя 10 мощности, и внешней нагрузки.

Специалистам в данной области будет понятно, что независимо от изображения и описания модуля 12 входного фильтра и модуля 22 выходного устройства защиты применительно к ФИГ. 1 эти модули (12, 22) не являются обязательными для надлежащего функционирования преобразователя 10 мощности. Поэтому в некоторых примерах реализации приводится преобразователь 10 мощности без модуля 12 входного фильтра и/или модуля 22 выходного устройства защиты.

На ФИГ. 2 изображен более специфический вариант реализации преобразователя 10 мощности, показанного на ФИГ. 1. Соответствие модулям 12, 14, 16, 22, показанным на ФИГ. 1, обозначено штрихпунктирными прямоугольниками. Как и выше, модуль 12 входного фильтра получает мощность переменного тока от внешнего источника. Отфильтрованная мощность подводится к модулю 24 предварительного регулятора, который преобразует отфильтрованную мощность в отрегулированную выходную мощность постоянного тока. Модуль 24 входного предварительного регулятора соответствующим образом преобразует отфильтрованную мощность в отрегулированную выходную мощность постоянного тока путем выпрямления тока отфильтрованной мощности. Поэтому напряжение на выходе отрегулированной мощности постоянного тока обычно зависит от полученной мощности переменного тока. Например, в США напряжение на выходе отрегулированной мощности постоянного тока равняется приблизительно 125 вольтам (В). Отрегулированная мощность постоянного тока подводится к модулю 26 микроконтроллера и к модулю 28 Н-образного моста. Модуль 24 входного предварительного регулятора дополнительно подводит отфильтрованную мощность к модулю 30 предварительного регулятора смещения, который подготавливает отфильтрованную мощность к ее использованию модулем 32 регулятора смещения.

Модуль 32 регулятора смещения получает подготовленную отфильтрованную мощность от модуля 30 предварительного регулятора смещения и преобразует мощность в первую отрегулированную мощность постоянного тока и вторую отрегулированную мощность постоянного тока. Первая отрегулированная мощность постоянного тока имеет напряжение, достаточное для питания модуля 26 микроконтроллера (например, 3,3 В), а вторая отрегулированная мощность постоянного тока имеет напряжение, достаточное для питания модуля 28 Н-образного моста - например, 15 В. В некоторых случаях первая и вторая мощности постоянного тока могут совпадать между собой в зависимости от требований к питанию модуля 28 Н-образного моста и модуля 26 модуля микроконтроллера.

Модуль 28 Н-образного моста получает вторую отрегулированную мощность постоянного тока от модуля 32 регулятора смещения, используемого для питания модуля 28 Н-образного моста. Кроме того, модуль 28 Н-образного моста получает отрегулированную выходную мощность постоянного тока от модуля 24 входного предварительного регулятора и вырабатывает высокочастотную последовательность импульсов на основе отрегулированной выходной мощности постоянного тока модуля 24 входного предварительного регулятора. Высокочастотная последовательность импульсов имеет период включения, регулируемый в соответствии с управляющим сигналом от модуля 26 микроконтроллера, для генерации напряжения с постоянным среднеквадратичным значением. При этом обеспечивается преимущество, состоящее в устранении проблемы больших расхождений между напряжениями в линиях переменного тока различных стран мира. Высокочастотная последовательность импульсов подводится к модулю 34 пьезоэлектрического трансформатора.

Модуль 34 пьезоэлектрического трансформатора содержит индуктор 36 с воздушным сердечником (см. ФИГ. 4С), принимающий высокочастотную последовательность импульсов. Индуктор 36 с воздушным сердечником вступает в резонанс с входной емкостью одного или более пьезоэлектрических трансформаторов 18 (см. ФИГ. 4С) модуля 34 пьезоэлектрических трансформаторов, вырабатывая при этом входной синусоидальный сигнал на пьезоэлектрические трансформаторы 18 с частотой немного выше частоты механического резонанса пьезоэлектрических трансформаторов 18. Индуктор с воздушным сердечником обеспечивает преимущество, состоящее в устранении насыщения индуктора в среде с сильными магнитными полями. Кроме того, синусоидальная форма входного сигнала сводит к минимуму другие гармоники, вызывающие нагрев пьезоэлектрических трансформаторов 18, без влияния на преобразование мощности. Более того, синусоидальная форма входного сигнала способствует также существенному ослаблению испускаемых излучений, которые могут создавать артефакты изображений в магнитно-резонансной томографии, и снижению механического напряжения dv/dt на пьезоэлектрических трансформаторах 18.

Пьезоэлектрические трансформаторы 18 преобразуют электрическую энергию входного синусоидального сигнала в механические колебания, которые в свою очередь преобразуются в электрическую энергию в виде синусоиды изолированного пониженного напряжения на выходе пьезоэлектрических трансформаторов 18. Выходная синусоида выпрямляется модулем 38 выходного выпрямителя для получения выходной мощности постоянного тока, надежно изолированной (развязанной) от линии питания переменного тока. Далее изолированная мощность постоянного тока проходит через модуль 40 защиты от перенапряжений и модуль 42 защиты от перегрузки по току для поддержания напряжения и тока на выходе мощности постоянного тока в заданных пределах.

Модуль 26 микроконтроллера получает первую отрегулированную мощность постоянного тока от модуля 32 регулятора смещения, используемого для питания модуля 26 микроконтроллера. Микроконтроллер 20 (см. ФИГ. 4D) модуля 26 микроконтроллера контролирует изолированную выходную мощность постоянного тока посредством модуля 44 оптоизолятора. При этом модуль 46 усилителя сигнала ошибки определяет разность между изолированной выходной мощностью постоянного тока и ожидаемой выходной мощностью постоянного тока. Далее разностный сигнал пересылается в микроконтроллер 20 через модуль 44 оптоизолятора. На основе разностного сигнала микроконтроллер 20 корректирует частоту последовательности импульсов с целью регулирования напряжения выходной мощности постоянного тока для поддержания неизменного напряжения постоянного тока независимо от колебаний выходной нагрузки. Данная корректировка частоты импульсов осуществляется с использованием свойства усиления напряжения пьезоэлектрических трансформаторов 18. На ФИГ. 3 приведен график изменения усиления напряжения (отношения выходного напряжения к входному напряжению) пьезоэлектрического трансформатора в зависимости от частоты в килогерцах (кГц).

Микроконтроллер 20 может дополнительно контролировать температуру пьезоэлектрических трансформаторов 18 с использованием сигнала индикации температуры, получаемого от модуля 34 пьезоэлектрических трансформаторов, или сигнала индикации напряжения в линии питания переменным током, получаемого от модуля 24 входного предварительного регулятора. На основании сигнала температуры и/или сигнала линии питания микроконтроллер 20 может предпринимать действия по защите пьезоэлектрического трансформатора 18 от провалов или выбросов напряжения в линии переменного тока, от перегрузок на выходе, от перегрева и т.д., например, путем отключения внешней нагрузки.

На ФИГ. 4А - 4F изображен более специфический вариант реализации преобразователя 10 мощности, показанного на ФИГ. 2. Соответствие модулям 12, 24-34, 38-46, показанным на ФИГ. 2, обозначено штрихпунктирными прямоугольниками. Как показано, каждый из модулей 12, 24-34, 38-46 соответствует электрической схеме. На ФИГ. 4А изображена схема для модуля 12 входного фильтра и схема для модуля 24 входного предварительного регулятора. На ФИГ. 4В изображена схема для модуля 30 предварительного регулятора смещения и схема для модуля 32 регулятора смещения. На ФИГ. 4С изображена схема для модуля 28 Н-образного моста и схема для модуля 34 пьезоэлектрических трансформаторов. На схеме для модуля 34 пьезоэлектрических трансформаторов показано соединение между индуктором 36 с воздушным сердечником и пьезоэлектрическими трансформаторами 18. На ФИГ. 4D изображена схема для модуля 26 микроконтроллера, причем схема содержит микроконтроллер 20. На ФИГ. 4Е изображена схема для модуля 38 выходного выпрямителя, схема для модуля 40 устройства защиты от перенапряжений и схема для модуля усилителя сигнала ошибки. На ФИГ. 4F изображена схема для модуля 44 оптоизолятора и схема для модуля 42 устройства защиты от перегрузок по току.

Вариант реализации преобразователя 10 мощности, описанный со ссылками на ФИГ. 4A-4F, был экспериментально протестирован в среде магнитно-резонансной томографии с индукцией магнитного поля 1.5 тесла (Тл), и с индукцией 3,0 Тл. Во время тестирования было обнаружено, что преобразователь 10 мощности способен работать в магнитных полях с индукцией, равной по меньшей мере 3 Тл, и с выходной мощностью, превышающей 50 ватт (Вт). Кроме того, было обнаружено, что преобразователь 10 мощности не вызывал появление каких-либо артефактов изображения в МРТ 1,5 Тл или в МРТ 3 Тл. Более того, преобразователь 10 мощности проявил пренебрежимо малую силу магнитного притяжения в поле действия МРТ-магнита 3 Тл. Преобразователь 10 мощности оказался пригодным к установке без вспомогательных средств в туннель магнита 3 Тл. Кроме того, не были обнаружены влияния на работу преобразователя 10 мощности со стороны магнитного поля при любой пространственной ориентации. Преобразователь 10 мощности успешно работал в течение всего времени внутри туннеля магнита 3 Тл.

На ФИГ. 5 изображен альтернативный вариант реализации преобразователя 10 мощности переменного/постоянного тока, показанного на ФИГ. 1. Модуль 12 входного фильтра и модуль 22 выходного устройства защиты остались такими, какие описаны выше. Аналогично, модуль 14 преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником остался таким же, какой описан выше, кроме того, что на его выходе создается изолированная мощность переменного тока. Однако в отличие от варианта с наличием одного модуля 30 регулятора с обратной связью, описанного применительно к ФИГ. 1, данный вариант реализации преобразователя 10 мощности включает в себя модуль 48 предварительного регулятора и модуль 50 пострегулятора.

Модуль 48 предварительного регулятора регулирует поток отфильтрованной мощности к модулю 14 преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником с целью поддержания частоты и напряжения отфильтрованной мощности, подведенной к модулю 14 преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником, на заданных уровнях независимо от напряжения и частоты в линии питания переменным током. Соответственно, отфильтрованная мощность, подведенная к пьезоэлектрическому преобразователю, является мощностью синусоидального тока с частотой немного выше частоты механического резонанса пьезоэлектрических трансформаторов 18. Модуль 50 пострегулятора регулирует поток изолированной мощности переменного тока от модуля 14 преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником и преобразует изолированную мощность переменного тока в выходную изолированную мощность постоянного тока. При этом модуль 50 пострегулятора поддерживает выходную мощность постоянного тока на уровне постоянного заданного напряжения независимо от напряжения изолированной выходной мощности переменного тока с помощью модуля 14 преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником.

На ФИГ. 6А - 6D изображен более специфический вариант реализации преобразователя 10 мощности, показанного на ФИГ. 5. Соответствие модулям 12, 14, 22, 48, 50, показанным на ФИГ. 5, обозначено штрихпунктирными прямоугольниками. Как показано, каждый из модулей 12, 14, 22, 48, 50 соответствует электрической схеме. На ФИГ. 6А изображена схема для модуля 12 входного фильтра и часть схемы для модуля 48 предварительного регулятора. На ФИГ. 6В изображена часть схемы для модуля 48 предварительного регулятора. На ФИГ. 6С изображена схема для модуля 14 преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником. На схеме модуля 14 преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником показаны соединения между индуктором 36 с воздушным сердечником и пьезоэлектрическими трансформаторами 18. Кроме того, на схеме модуля 14 преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником показано параллельное соединение множества пьезоэлектрических трансформаторов 18 для увеличения мощности на выходе преобразователя 10 мощности. На ФИГ. 6D изображена схема для модуля 22 выходного устройства защиты и схема для модуля 50 пострегулятора.

Как показано на ФИГ. 7, предложена система 100 магнитно-резонансной томографии (МРТ), внутри которой может быть использовано устройство 101 с установленным преобразователем 10 мощности. Устройство 101 соответственно представляет собой медицинское устройство - например, показанное устройство контроля за пациентом. В МРТ-системе 100 используется магнитный резонанс (MP) для получения одного или более диагностических изображений целевого объема тканей пациента 102. Система 100 содержит сканер 104, определяющий объем 106 визуализации (или сканирования), размер которого выбран для вмещения целевого объема тканей. Опора для пациента может быть использована для удержания пациента 102 и для расположения целевого объема тканей вблизи изоцентра объема 106 визуализации.

Сканер 104 содержит основной магнит 108, создающий сильное статическое магнитное поле Во, простирающееся через объем 106 визуализации. Для создания статического магнитного поля Во в основном магните обычно используют сверхпроводящие обмотки. Однако возможно использование в основном магните 108 также постоянных или резистивных магнитов. Если используются сверхпроводящие обмотки, для их охлаждения устанавливают в основном магните систему охлаждения -например, охлаждаемый жидким гелием криостат. Индукция статического магнитного поля Во равняется обычно одному из значений 0,23 Тл, 0,5 Тл, 1,5 Тл, 3 Тл, 7 Тл и т.д., но предусмотрены также другие значения индукции.

Контроллер 110 градиентов сканера 104 работает в управляемом режиме для наложения градиентов магнитного поля - таких, как градиенты х, y и z - на статическое магнитное поле Во в объеме 106 визуализации с использованием множества обмоток 112 градиентов магнитного поля сканера 104. Градиенты магнитного поля кодируют в пространстве спиновые магнитные моменты внутри объема 106 визуализации. Множество обмоток 112 градиента магнитного поля обычно состоит из трех отдельных обмоток градиентов магнитного поля, осуществляющих пространственное кодирование в трех взаимно перпендикулярных направлениях пространства.

Кроме того, один или более передатчиков 114 (таких как трансивер) работают в управляемом режиме для передачи радиочастотных импульсов B₁ возбуждения резонанса и манипулирования резонансом с помощью одного или более наборов передающих обмоток - таких, как обмотка 116 облучения всего тела и/или поверхностная обмотка - сканера 104 вовнутрь объема 106 визуализации. Импульсы B₁ обычно имеют малую длительность и при совместном действии с градиентами магнитного поля обеспечивают выбранное манипулирование магнитным резонансом. Например, импульсы B₁ возбуждают диполи водорода для вхождения в резонанс, и градиенты магнитного поля кодируют пространственную информацию в частоте и фазе резонансного сигнала. Путем корректировки радиочастот можно возбуждать резонанс в других диполях, например, диполях фосфора, предрасположенного к концентрации в известных тканях - например, в костных тканях.

Контроллер 120 последовательностей управляет контроллером 110 градиентов и/или передатчиками 114 в соответствии с последовательностями визуализации для получения пространственно закодированных MP-сигналов внутри объема 106 визуализации. Последовательность визуализации определяет очередность импульсов B₁ и/или градиентов магнитного поля. Кроме того, возможен прием последовательностей визуализации от устройства или системы, являющейся местной или удаленной по отношению к контроллеру последовательностей, например, от памяти (122) последовательностей.

Один или более приемников 124 (например, трансивер) получают пространственно закодированные сигналы магнитного резонанса из объема 106 визуализации и демодулируют принятые пространственно закодированные сигналы магнитного резонанса в наборы MP-данных. Наборы MP-данных содержат, например, данные траекторий в k-пространстве. Для приема пространственно закодированных сигналов магнитного резонанса приемники 124 используют один или более наборов приемных обмоток - таких, как обмотка 116 для облучения всего тела или поверхностная обмотка 118 - сканера 104. Приемники 124 обычно сохраняют наборы MP-данных в памяти (126) данных.

Процессор (128) реконструкции реконструирует наборы MP-данных в виде МР-томограмм, или картин объема 106 визузализации. Это включает в себя пространственное декодирование пространственного кодирования, выполненного градиентами магнитного поля, с целью распознавания свойства MP-сигнала от каждой области пространства (например, пикселя или вокселя) для каждого MP-сигнала, попавшего в наборы МР-данных. Обычно распознают интенсивность или амплитуду MP-сигнала, но возможно также распознавание других свойств, относящихся к фазе, времени релаксации, переносу намагниченности и т.п. MP-томограммы, или карты обычно сохраняют в памяти (130) томограмм.

Главный контроллер 132 управляет контроллером (128) реконструкции и контроллером (120) последовательностей для получения одной или более диагностических томограмм целевого объема облучаемых тканей с использованием одного или более сканов целевого объема облучаемых тканей. Для получения каждого скана размещают сосуд-мишень внутри объема 106 визуализации. Например, пациента 102 укладывают на опору для пациента. Далее размещают на пациенте 102 поверхностную обмотку 118, и опора для пациента перемещает целевой объем тканей внутрь объема 106 визуализации. Размер объема 106 визуализации может варьироваться между сканами.

Сразу после помещения целевого объема тканей внутрь объема 106 визуализации главный контроллер 132 управляет контроллером (120) последовательностей в соответствии с параметрами сканирования - такими, как количество срезов, и предоставляет контроллеру (120) последовательностей последовательность визуализации. Последовательность визуализации может быть, например, сохранена в памяти (122) последовательностей. Как отмечено выше, последовательность визуализации определяет собой последовательность импульсов B₁ и/или градиентов магнитного поля, формирующих пространственно закодированные MP-сигналы из объема 106 визуализации. Кроме того, главный контроллер 132 может управлять приемниками 124 в соответствии с параметрами сканирования. Например, главный контроллер 132 может регулировать усиление приемников 124.

Главный контроллер 132 может реализовывать указанный выше функционал с помощью аппаратных, программных средств или и комбинации. Если главный контроллер 132 использует программное обеспечение, то главный контроллер 132 содержит по меньшей мере один процессор, выполняющий программы. Программное обеспечение надлежащим образом сохраняется в памяти (134) команд, которая может быть местной или удаленной по отношению к главному контроллеру 132. Кроме того, главный контроллер 132 может находиться под управлением пользователя, осуществляемым с помощью графического интерфейса пользователя, предоставляемого пользователю в виде дисплея 136 и пользовательского устройства ввода 138. Пользователь может, например, инициировать визуальное отображение, выводить томограммы на дисплей, манипулировать томограммами и др.

Независимо от того, что процессор 128 реконструкции и контроллер 120 последовательностей были продемонстрированы в виде внешних устройств по отношению к главному контроллеру 132, следует понимать, что один или оба этих компонента могут быть интегрированы в главный контроллер 132 в качестве программных, аппаратных средств или их комбинации. Например, процессор 128 реконструкции может быть интегрирован в главный контроллер 132 в качестве модуля программного обеспечения, выполняемого по меньшей мере одним процессором главного контроллера 132.

Как показано на ФИГ. 8, предложен способ 200 для подачи электрической мощности во внешних магнитных полях согласно приведенному выше обсуждению. Способ 200 реализуется источником питания, например, преобразователем 10 мощности переменного/постоянного тока в сильном внешнем магнитном поле. Сильным внешним магнитным полем обычно считают магнитное поле с индукцией выше 2000 Гс. Такие магнитные поля обычно простираются вблизи (например, в пределах нескольких футов) основного магнита 108 системы 100 магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Способ 200 включает в себя преобразование (202) мощности линии переменного тока в изолированную мощность с использованием одного или более пьезоэлектрических трансформаторов 18. Это осуществляется модулем 14 преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником. Изолированная мощность может являться мощностью переменного или постоянного тока (см. для сравнения ФИГ. 1 и ФИГ. 5). Если изолированная мощность является мощностью постоянного тока, ее подают обычно во внешнюю нагрузку 101 без дополнительного преобразования и/или регулирования. В противном случае для внешней нагрузки 101 часто требуется дополнительное преобразование и/или регулирование. Преобразование обычно включает в себя выработку синусоидального входного сигнала к пьезоэлектрическим трансформаторам 18 с частотой, превышающей частоту механического резонанса пьезоэлектрических трансформаторов 18, посредством индуктора 36 с воздушным сердечником.

Поток мощности линии переменного тока к пьезоэлектрическим трансформаторам регулируют для поддержания изолированной мощности с заданным напряжением (среднеквадратичным значением напряжения, если изолированная мощность является мощностью переменного тока). Это осуществляется модулем 16 регулятора или модулем 48 предварительного регулятора в зависимости от количества этапов регулирования. Регулирование может включать в себя прием результатов измерений изолированной мощности и регулирование потока питающей мощности линии переменного тока к пьезоэлектрическим трансформаторам 18 на основе принятых результатов измерений. Кроме того, регулирование может включать в себя преобразование питающей мощности линии переменного тока в последовательность импульсов и управление периодом включения последовательности импульсов для поддержания изолированной мощности с заданным напряжением. Более того, регулирование может включать в себя мониторинг температуры пьезоэлектрических трансформаторов 18 и/или мониторинг напряжения в линии переменного тока. По результатам мониторинга пьезоэлектрические трансформаторы 18 могут быть защищены от повреждений, например, путем отключения внешней нагрузки и/или мощности питающей линии от пьезоэлектрических трансформаторов 18.

В некоторых случаях, как показано на ФИГ. 5, возможно регулирование (206) потока изолированной мощности к внешней нагрузке после преобразования. Это осуществляется с помощью модуля 50 пострегулятора. Как правило, пострегулирование включает в себя преобразование изолированной мощности, обычно являющейся мощностью переменного тока, в изолированную мощность постоянного тока, достаточную для питания внешней нагрузки 101. Изолированная мощность постоянного тока остается постоянной независимо от напряжения исходной изолированной мощности. Следовательно, в вариантах реализации с пострегулированием имеются два этапа регулирования: этап предварительного регулирования и этап пострегулирования.

В используемом здесь варианте память представляет собой любое устройство или систему для сохранения данных - например, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Кроме того, в используемом здесь варианте процессор представляет собой любое устройство или систему, обрабатывающую данные от устройства ввода для получения выходных данных - например, микропроцессор, микроконтроллер, графический процессор (GPU), заказную интегральную микросхему (ASIC), программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA) и т.п.; контроллер представляет собой любое устройство или систему, управляющую другим устройством или системой; пользовательское устройство ввода представляет собой любое устройство (например, клавиатуру или мышь), позволяющее пользователю пользовательского устройства ввода осуществлять ввод данных в другое устройство или систему; и дисплей представляет собой любое устройство для визуального отображения данных - такое, как жидкокристаллический дисплей (LCD) или дисплей на светоизлучающих диодах (LED).

Изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты реализации. После чтения и осмысления предшествующего подробного описания другими лицами возможно появление модификаций и изменений. Например, независимо от направленности предшествующего описания на преобразователь мощности переменного/постоянного тока специалисту в данной области будет понятно, что пьезоэлектрические трансформаторы могут быть применены к источникам питания других типов. Предполагается, что в изобретение включены все такие модификации и изменения в той степени, в какой они входят в объем патентной охраны, определяемый прилагаемой формулой изобретения или ее эквивалентами.

Изобретение относится к области электротехники и может быть применено в медицинских устройствах, используемых в сильных внешних магнитных полях. Техническим результатом является обеспечение изолированного низковольтного напряжения постоянного тока, достаточного для работы медицинского оборудования. При использовании пьезотехнологии для преобразования мощности линии переменного тока в изолированную мощность постоянного тока в сильных внешних магнитных полях мощность линии переменного тока (AC) преобразуют системой (10) и способом (200) подачи мощности в сильных внешних магнитных полях (202) в изолированную мощность с использованием одного или более пьезоэлектрических трансформаторов (18). Поток мощности линии переменного тока к пьезоэлектрическим трансформаторам (18) регулируют (204) для поддержания изолированной мощности с заданным напряжением. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Источник (10) питания для подачи мощности в сильных внешних магнитных полях, содержащий:

модуль (14) преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником, выполненный с возможностью преобразования мощности линии переменного тока (АС) в изолированную мощность постоянного тока (DC) с использованием одного или более пьезоэлектрических трансформаторов (18); и

модуль (16) регулятора, выполненный с возможностью регулирования потока мощности линии переменного тока к модулю (14) преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником для поддержания изолированной мощности с заданным напряжением, причем

модуль (16) регулятора содержит модуль (26) микроконтроллера и модуль (32) регулятора смещения, обеспечивающий получение первой отрегулированной мощности постоянного тока, достаточной для питания модуля (26) микроконтроллера, и второй отрегулированной мощности постоянного тока;

причем модуль (14) преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником содержит модуль (28) Н-образного моста, получающий вторую отрегулированную мощность постоянного тока от модуля регулятора (32) смещения и вырабатывающий высокочастотную последовательность импульсов;

причем модуль (46) выполнен с возможностью определения разницы между изолированной мощностью постоянного тока и ожидаемой изолированной мощностью постоянного тока, а микроконтроллер выполнен с возможностью управления модулем Н-образного моста для регулирования периода включения высокочастотной последовательности импульсов.

2. Источник (10) питания по п. 1, в котором модуль (14) преобразователя с пьезоэлектрическим сердечником содержит индуктор (36) с воздушным сердечником, выполненный с возможностью выработки из высокочастотной последовательности импульсов синусоидального входного сигнала для пьезоэлектрических трансформаторов (18) на частоте выше частоты механического резонанса пьезоэлектрических трансформаторов (18).

3. Источник (10) питания по п. 1 или 2, в котором указанный один или более пьезоэлектрических трансформаторов (18) представляет собой множество пьезоэлектрических трансформаторов, параллельно соединенных между собой для увеличения мощности на выходе источника (10) питания.

4. Источник (10) питания по п. 1 или 2, в котором модуль (16) регулятора дополнительно выполнен с возможностью:

мониторинга температуры пьезоэлектрических трансформаторов (18) и/или мониторинга мощности линии переменного тока; и

защиты пьезоэлектрических трансформаторов (18) от повреждений на основании мониторинга.

5. Источник (10) питания по п. 1 или 2, в котором сильное магнитное поле имеет индукцию выше 2000 Гс.

6. Медицинская система (100), содержащая:

сканер (104) магнитно-резонансной томографии (МРТ), включающий в себя основной магнит (108), создающий сильное внешнее магнитное поле; и

источник (10) питания по любому из пп. 1-5, расположенный вблизи главного магнита (108) и подающий питание во внешнюю нагрузку (101).

7. Способ (200) подачи мощности в сильных внешних магнитных полях, включающий в себя:

преобразование (202) мощности линии переменного тока (АС) в изолированную мощность постоянного тока (DC) с использованием одного или более пьезоэлектрических трансформаторов (18); и

регулирование (204) потока мощности линии переменного тока к пьезоэлектрическим трансформаторам (18) для поддержания изолированной мощности с заданным напряжением,

причем регулирование (204) включает в себя обеспечение первой отрегулированной мощности постоянного тока, достаточной для питания модуля (26) микроконтроллера, и второй отрегулированной мощности постоянного тока;

причем преобразование (202) включает в себя прием второй отрегулированной мощности постоянного тока и выработку высокочастотной последовательности импульсов;

причем разницу между изолированной мощностью постоянного тока и ожидаемой изолированной мощностью постоянного тока определяют и используют посредством микроконтроллера для регулирования периода включения высокочастотной последовательности импульсов.

8. Способ (200) по п. 7, в котором преобразование (202) включает в себя:

выработку синусоидального входного сигнала для пьезоэлектрических трансформаторов (18) с частотой, превышающей частоту механического резонанса пьезоэлектрических трансформаторов (18), посредством индуктора (36) с воздушным сердечником.

9. Способ (200) по п. 7 или 8, в котором регулирование (204) включает в себя:

мониторинг температуры пьезоэлектрических трансформаторов (18) и/или мониторинг мощности линии переменного тока; и

защиту пьезоэлектрических трансформаторов (18) от повреждений на основании мониторинга.

10. Способ (200) по п. 7 или 8, дополнительно включающий в себя:

расположение пьезоэлектрических трансформаторов (18) вблизи главного магнита (108) системы (100) магнитно-резонансной томографии (МРТ), создающего сильные внешние магнитные поля.