Netzteile für Magnetresonanztomographie
Teil 3: Kernlos und hochpräzise
Fachbeitrag | Der Betrieb eines Schaltnetzteils in einer Umgebung mit Magnetfeld ist anspruchsvoll und stößt an einige technische und physikalische Grenzen. Um diese zu überwinden, gehen die Konstrukteure neue Wege und kombinieren Netzteil-Topologien mit Software und anderen digitalen Technologien.
Mit der Zunahme der im medizinischen Umfeld eingesetzten funkgesteuerten Geräte wird die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu einem großen Problem für die Stromversorgung. Wenn auch in den meisten Anwendungen die EMV der Stromversorgungen beherrschbar ist, liegen in einigen extrem anspruchsvollen Bereichen wie der Magnetresonanztomographie (MRT) die Herausforderungen für die Hersteller darin, die empfindlichen Geräte nicht zu stören, aber auch nicht durch das vom Kern des MRT erzeugte Multi-Tesla-Magnetfeld gestört zu werden.
Von der originalen Röntgenausrüstung, über den Damnian NMR, bis hin zur neuesten MRT-Technologie mit extrem hochauflösenden Bildern, haben alle gemeinsam, dass sie sich auf eine Vielzahl von Netzteilen verlassen müssen, die Leistungen von wenigen Watt bis hin zu mehreren Kilowatt liefern. Mit fortschreitender Verbesserung der Bildauflösung geht einher, dass die MRT-Hersteller Geräte entwickeln, die sehr nahe an einem intensiven Magnetfeld platziert sind. Dafür sind sehr stabile Stromversorgungen erforderlich, um den Datenerfassungsprozess nicht zu beeinträchtigen.
Geeignete Stromversorgung
Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Parameter ist es naheliegend, dass eine geeignete Stromversorgung ferromagnetische Komponenten ausschließt und mit einer Schaltfrequenz arbeitet, die die MRT-Signale nicht stört. Da herkömmliche Magnetkerne unter Einwirkung der B0-Feldenergie sättigen, sollten Luftspulen ohne ferromagnetisches Kernmaterial in Betracht gezogen werden.
Ein Nachteil von Luftspulen sind ihre niedrigen Induktivitätswerte, die durch die Auslegung einer parallel arbeitenden Leistungsstufe kompensiert werden können. Die Steuerung der multiparallelen Luftspulen erfordert den Einsatz digitaler Steuerungstechnik und bietet ein hohes Maß an Flexibilität bei der Funktionsweise der verschiedenen Leistungskanäle. Die digitale Steuerung ermöglicht es dem Konstrukteur und später in der Endanwendung, das Profil der Stromversorgung an die spezifischen Bedingungen anzupassen.
In Bild 1 (oben) ist ein Beispiel für eine geeignete Luftspulen-Stromversorgung. Um den spezifischen MRT-Anforderungen gerecht zu werden, verfügt es über eine grundlegende Schaltfrequenz von 600 kHz. Zusammen mit dem 4-Phasen-Interleave-Modus kommt es auf eine resultierende Ausgangsfrequenz von 2,4MHz. Dies ermöglicht eine einfachere Filterung und schnelle Reaktionszeiten bei der Regelung. Die Einheit beinhaltet auch eine EMV-Abschirmung, um die Strahlungsemission zu verringern und das Risiko von Artefakten zu vermeiden (Bild 2).
Stromversorgung der nächsten Generation
In weniger als 50 Jahren waren die Fortschritte der Magnetresonanztomographie (MRT) wirklich beeindruckend und die Bildauflösung ist erstaunlich. Durch permanente Weiterentwicklung trug die Stromversorgungsindustrie dazu bei, effiziente, nachhaltige und sichere Energie für sehr anspruchsvolle Anwendungen wie die B0-Feldbedingungen zu liefern.
Systeme mit ultra-hohen Feldstärken basierend auf einer neuen Generation von Sensoren erfordern extrem schnell ansprechende Stromquellen, die bei 25 MHz schalten, um Oberwellen im Sicherheitsband zu vermeiden. Schon jetzt lässt sich eine neue Generation von kernlosen Stromversorgungen voraussehen, die Luftkern, digitale Steuerung und den Einsatz von Gallium-Nitrid-(GaN)-Transistoren kombinieren.
Autor: Patrick Le Fèvre ist Chief Marketing and Communication Officer bei Powerbox
Schlagworte: Magnetresonanztomographie, Stromversorgung, Netzteile
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