Power Amplifier for Magnetic Resonance Imaging using Unconventional Cartesian Feedback Loop

140 Pages·2016·9.91 MB·English

Power Amplifier for Magnetic Resonance Imaging
using Unconventional Cartesian Feedback Loop
Von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften,
Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik
der Universität Duisburg-Essen
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.)
genehmigteDissertation
von
Ashraf Abuelhaija
aus
Amman,Jordanien
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. KlausSolbach
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. StefanvanWaasen
TagdermündlichenPrüfung: 08.06.2016

A
CKNOWLEDGEMENTS
AllahsaysintheQuran: "AndmysuccessisnotbutthroughAllah. UponhimIhaverelied,and
toHimIreturn". (Chapter11,Verse88)
Iwouldliketotakeadvantageofthisopportunitytoexpressmygratitudetomysupervisor
Prof. Dr-Ing. KlausSolbach. Iappreciateallhisendlesssupport,theideashecontributedand
the time he invested throughout the preparation of my PhD. It has been an honor for me to be
oneofhisstudents.
IamalsothankfultoProf. Dr-Ing. StephanvanWaasenforbeingmysecondsupervisor.
IwouldliketothankallmycolleaguesinHFTinstituteatUniversityofDuisburg-Essenfor
theiracademicandpersonalsupport.
I extend my heartfelt thanks to my family in Jordan for their love, sacrifice, patience,
encouragement,supportandsincereprayers. Iamdeeplyindebtedtothem.
Lastbutnotleast,Iwouldliketoexpressmygratitudeandappreciationtoallmyfriends,
and to those who supported me for their continuous encouragement and help throughout my
research.
AshrafAbuelhaija
Duisburg,Germany
June,2016
iii

A
BSTRACT
Ultra-highfieldMagneticResonanceImaging(MRI)scanners(3Tandhigher)provideimproved
performance compared to lower field MRI scanners but because of RF magnetic flux (B )
1
inhomogeneity inside the patient’s body, Multi-channel parallel RF transmission has been
developedto allowB optimization by, e.g., theRF shimming techniquewhich requiresa good
1
decouplingoftheRFcoilelementstosuppressinductionofcurrentsbyneighborcoilssothat
the RF coil currents can be adjusted independently. However, current variation in array coils
occursalsoduetoloadchange,degradingtheshimmingperformanceandleadingtomismatch
betweentheRFcoilandthefeedcable.
Inthisthesis,anear-magnetpoweramplifier(PA)isproposedwithoutcirculatoroutputwhich
employsanewconceptofcoilcurrentsensingtoallowcontrolofthecoilcurrent. Thispower
amplifier uses an unconventional Cartesian feedback loop (FBL) to compensate for current
variationinanarraycoilbycontrollingtheoutputvoltageofthepoweramplifier. Theparticular
property of the FBL is its capability to generate dynamic loop gain which can improve error
compensationathighpowerlevelandsystemstabilityatlowpowerlevel. Tobestilleffectiveat
lowpower,thenear-magnetpoweramplifierisdesignedtopresentanultra-lowoutputimpedance
tothebalunofthecoilwhichsuppressescoilcurrentinducedbymutualcouplingfromneighbor
coils.
Thepoweramplifiercircuitdesignandcharacterizationarediscussedindetailbysimulationin
additionto adetailedanalysis oftheultra-lowoutputimpedance withrespectto coildecoupling.
The designof theFBL is describedand the performance evaluationis presentedby simulation
forthecoilloadingeffect,couplingeffectandPAnonlinearity. ExperimentalprototypesofPA
andFBLhavebeenfabricatedinanMRIresearchprojectandmeasuredperformancesupports
simulationresults.
v

ZUSAMMENFASSUNG
Ultrahochfeld Magnetresonanztomographiegeräte (MRT, 3T und höher) bieten im Vergleich zu
MRT-Geräten mit geringeren Feldstärken verbesserte Leistungen, erfordern jedoch aufgrund
derinKörperderPatientenauftretendenB InhomogenitätweitereMethodenderOptimierung.
1
HierfürwurdeeineRF-Mehrkanal-Technikentwickelt,umdieeinzelnenRF-Spulenunabhängig
voneinanderaussteuern zukönnen. Allerdings wirddiese Methodedadurch limitiert, dassNach-
barspulenStrömeinduzierenkönnenunddurchÄnderungderelektrischenLastebenfallseine
Variation derSpulenimpedanzauftritt, diedie Effizienzdes Shimmingsverringertund zueiner
FehlanpassungderRF-Spuleführt.
Diese Arbeit beschreibt einen Leistungsverstärker der nahe am MR-Magneten angeordnet ist
unddaherohneZirkulator-AusgangauskommenmussunddereinneuesKonzeptzurAbtastung
der Spulenströmeund somit zurSteuerung dieserbietet. Dieser Verstärker nutzteine unkonven-
tionellekartesischeRückkopplungsschleife(FBL)zurKompensationderStromvariationen in
einem Spulenelement durch Steuerung der Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers. Die
besondereEigenschaftdesFBListseineMöglichkeit,eineaussteuerungsabhängigeSchleifenver-
stärkungzugenerieren,diebeihoherLeistungdieFehlerkorrekturundbeiniedrigerLeistungdie
Systemstabilitätverbessernkann. UmbeiniedrigerLeistungtrotzdemeffizientzubleiben,wird
derLeistungsverstärkersokonzipiert,dassseinAusgangeineultra-niedrigeImpedanzbezogen
auf den Balun der Spulen darstellt. Dies unterdrückt den durch Verkopplung verursachten
induziertenStrominbenachbartenSpulen.
Der Entwurf und die Charakterisierung der Verstärkerschaltung werden detailliert behandelt und
mitSimulationenverdeutlicht, während außerdemeinedetaillierteAnalysederultra-niedrigen
AusgangsimpedanzimZusammenhangmitderSpulenentkopplungdurchgeführtwird. DerEn-
twurfderFBLwirdbeschriebenundeineEvaluationderFunktionsfähigkeitwirddurchSimula-
vii
tionenzumEffektderLastimpedanz,derSpulen-VerkopplungundderVerstärker-Nichtlinearität
durchgeführt. ExperimentellePrototypendesVerstärkersunddesFBLwurdenimRahmeneines
MRT-Forschungsprojekt hergestellt, so dass schließlich eine messtechnische Bestätigung der
Simulationsergebnisseermöglichtwurde.
viii
C
ONTENTS
ListofFigures xiii
ListofTables xix
ListofAcronyms xxi
1 INTRODUCTION 1
1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 ObjectivesoftheThesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 OrganizationoftheThesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 MAGNETIC RESONANCE IMAGING SYSTEM 7
2.1 ShortHistoryofMRI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 MRISystemHardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 TheMagnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.3 TheGradientCoils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.4 RFCoils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.5 RFPowerAmplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.6 T/RSwitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 ParallelRFTransmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 HighQ-factorMRCoils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
ix
2.4.1 LoadingEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.2 CouplingEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.3 EquivalentCircuitModelofCoupledMeanderCoils . . . . . . . . . . 21
3 CONVENTIONAL RF POWER AMPLIFIERS FOR MRI 23
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 TheArchitectureofRFPAsforMRI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3 RFPAClasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4 Push-PullAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.5 SpecificationsofRFPAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5.1 SpecificationsinTimeDomain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5.2 SpecificationsinFrequencyDomain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.5.3 SpecificationsinPowerDomain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.6 Near-MagnetPowerAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.6.2 PowerAmplifierwithBuilt-inCoilCurrentSensingConcept . . . . . . 44
3.6.3 Designofa1kWpoweramplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.6.4 Characterizationofthe1kWpoweramplifier . . . . . . . . . . . . . . 58
3.6.5 StabilityAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6.6 OutputImpedanceofthePowerAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 FEEDBACK SYSTEM 75
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2 AbriefhistoryofFeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3 BasicFeedbackSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4 ConventionalCartesianFeedbackLoop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5 UNCONVENTIONAL CARTESIAN FEEDBACK 83
5.1 ConceptofUnconventionalCartesianFeedbackLoop . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2 SystemArchitectureandSimulationSetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3 StabilityAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
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