De la cele mai mici, la cele mai mari, toate echipamentele electronice necesită surse de alimentare, iar, odată cu creșterea numărului dispozitivelor wireless lansate în mediul medical, EMC a devenit o grijă pentru toți utilizatorii. În marea majoritate a aplicațiilor, EMC-ul surselor de alimentare este ușor de gestionat, însă în domeniile mai exigente cum ar fi IRM, provocările pentru producătorii de surse de alimentare sunt dublate: sursele nu trebuie să afecteze echipamentul sensibil, dar, de asemenea, să nu fie afectate de câmpul magnetic multi tesla (T) generat de nucleul RMN.
Cum se garantează funcționarea surselor de alimentare în cazuri cu condiții extreme?
Figura 1: Patentul Damadian din 1974
De la Conrad Roentgen la Raymond Damadian
Încă din 1895, Conrad Roentgen a descoperit că un tub de descărcare care conține o cutie etanșă și radiază în direcția unei plăci de hârtie acoperită pe o parte cu platinocianid de bariu, aceasta devenea fluorescentă, iar atunci când un obiect era pus între tub și placa de hârtie, era obținută o imagine: primul dispozitiv cu raze X.
În 1977, Raymond Damadian practica experimente la fel de revoluționare cu rezonanță magnetică nucleară (RMN), astfel încât să producă imagini mult mai detaliate ale interiorului corpului uman. În ambele cazuri, imaginile obținute au contribuit vast la îmbunătățirea diagnosticelor medicale, a calității tratamentelor și a vieților oamenilor.
De la echipamentul original al dispozitivului cu raze X și al RMN-ului Damadian, până la cea mai recentă tehnologie IRM, care oferă imagini cu rezoluții extreme, toate împărtășesc o nevoie comună pentru o varietate largă de surse de alimentare, de la câțiva Wați la mai mulți kW. Pe parcursul îmbunătățirii imaginilor, producătorii de dispozitive IRM concep echipamente noi plasate foarte aproape de câmpuri magnetice intense, care necesită o sursă de curent stabilă, care nu interferează cu procesul de procurare a datelor.
Operarea unei surse de alimentare în comutație într-un câmp magnetic foarte puternic este dificilă, și poate atinge chiar și niște limite tehnice și fizice știute în ziua de azi. Pentru a depăși aceste limite, proiectanții de surse de putere explorează noi căi, combinând topologii de conversie a puterii de ultimă oră, cu software avansat și tehnologii digitale.
Acesta este un domeniu foarte interesant de explorat pentru designerii de dispozitive de putere, însă, înainte să dezvăluim soluția magică pentru putere, trebuie să înțelegem cum funcționează RMN-ul și care sunt dificultățile cu care designerii se confruntă în aceste condiții extreme.
De la descoperire la practică
Echipamentul cu raze X a contribuit la progresul medicinei, dar imaginile rezultante sunt limitate la identificarea solidelor, iar expunerea către radiații este periculoasă pentru pacienți și operatori. Aceste dezavantaje au fost sursa motivației de a căuta o nouă metodă de a scana corpul uman, pentru fizicianul și omul de știință Dr. Raymond Damadian. Acest lucru a fost realizat prin studiul proprietăților și comportamentului unui nucleu atomic la expunerea într-un câmp magnetic. După mai mult de 10 ani de cercetare și un amestec de reușite și eșecuri, în martie 1972, acesta a solicitat un brevet, “Aparat și metodă pentru detectarea cancerului în țesut”, pe care USTPO l-a oferit în februarie 1974 (US3789832) (Figura 1).
“Un aparat și o metodă prin care o mostră de țesut este poziționată într-un aparat de inducție nucleară, prin care nucleele selectate sunt energizate din starea de echilibru către stări de energii mai înalte, prin rezonanță magnetică nucleară. Măsurând timpul de relaxare spin-lattice și timpul de relaxare spin-spin, în timp ce nucleele se întorc în starea de echilibru, iar apoi comparând acești timpi cu valorile respective pentru țesut normal și malign, se poate obține o indicație a prezenței și gradului de malignitate al țesutului cancerigen.”
Cand Nikola Tesla a dezvăluit dovada existenței câmpului de rotație magnetic în 1882, era greu de imaginat că, 90 de ani mai târziu, acest fapt l-ar îndruma pe Dr. Raymond Damadian să folosească un câmp magnetic pentru a vedea în interiorul corpurilor! Și cu siguranță, nimeni nu și-ar fi putut imagina nivelul de rezoluție realizat de RMN-urile moderne.
Să vedem pe scurt cum funcționează un RMN și modul în care creatorii de surse de alimentare au inventat soluții capabile să opereze în medii multi tesla.
Figura 2: Polarizarea nucleelor de hidrogen pe durata fazei de activare a RMN
Nucleele de hidrogen sunt cheia pentru RMN!
Așa cum am învățat la școală, corpul uman este compus din 70% apă. Moleculele de apă sunt formate din doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen (H2O). O mașină RMN poate identifica nucleele de hidrogen conținute în moleculele de apă, care au o proprietate din fizica cuantică numită “spin”. Putem asemăna protonul de hidrogen cu pământul rotindu-se pe propria axă, cu polurile nord și sud. În condiții normale, acești magneți-bară din protoni de hidrogen se învârt în corp cu axele aliniate aleatoriu. (Figura 2.1)
Atunci când corpul pacientului este plasat într-un câmp magnetic puternic, toate axele protonilor se aliniază. Această aliniere uniformă creează un vector magnetic orientat în direcția axelor din scanner (Figura 2.2). În funcție de obiectul observat, scannerele RMN au puteri de câmp diferite, de obicei între 0.5 și 3 tesla (T) (unitatea gauss este, de asemenea, folosită: 1 tesla = 10000 gauss). Ultima generație de dispozitive RMN poate atinge 6 tesla, în așa fel încât cercetarea Neurospin a creierului folosește 11.7T, care este de 234.000 ori câmpul Pământului, iar în cazul spectroscopiei chiar până la 20T. Câmpul magnetic principal este considerat ca vertical sau B0 (B zero).
Când se adaugă la câmpul magnetic (B0) o energie suplimentară sub forma unei unde radio, vectorul magnetic este deviat. Frecvența undei radio care determină rezonarea nucleelor de hidrogen depinde de elementul căutat și de puterea câmpului magnetic (Figura 2.3). Sunt utilizate două câmpuri magnetice, gradientul (B1) și câmpul RF.
Figura 3: Imagine de înaltă rezoluție a creierului obținută după achiziția de date
Atunci când sursa de frecvență radio este oprită, vectorul magnetic revine la starea sa de repaus și acest lucru cauzează emiterea unui semnal (de asemenea, o undă radio). Este semnalul folosit pentru a crea imaginile de rezonanță magnetică RM. Bobinele receptoare sunt utilizate în jurul părților corpului în cauză pentru a acționa ca antene, pentru a îmbunătăți detectarea semnalului emis (Figura 2.4).
Intensitatea semnalului recepționat este apoi reprezentată pe o scală gri și sunt construite imaginile secțiunii transversale (Figura 3). Multiplele impulsuri de frecvență radio transmise pot fi utilizate în ordine pentru a accentua anumite țesuturi sau anomalii. Un accent diferit apare deoarece țesuturile diferite se relaxează la momente diferite atunci când pulsul de frecvență radio transmis este oprit.
Această descriere simplă evidențiază nivelul câmpurilor magnetice puternice implicate în mediul ostil al aplicațiilor RMN, pe care proiectanții de surse de energie electrică trebuie să le ia în considerare atunci când dezvoltă produse pentru astfel de tipuri de aplicații exigente.
Forțe în proiectarea dispozitivelor de putere
Pentru a înțelege ce trebuie să ia în considerare proiectanții de sisteme de putere, este important de înțeles forțele magnetice și electromagnetice implicate într-un scanner RMN și modul în care acestea pot interacționa cu sursa de alimentare, care poate interacționa, de asemenea, cu datele sensibile colectate de către diferiți senzori.
Câmp magnetic principal (B0)
B0 este generat de un magnet permanent sau super conductor și este orientat de-a lungul axei principale a scanerului (axa Z). În funcție de aplicație, intensitatea câmpului variază de la 0.5T până la 20T.
Câmpuri de gradient (B1)
B1 este generat de o combinație specifică de bobine în cele trei axe X, Y și Z. Frecvențele pulsurilor sunt în jur de 100 KHz cu o intensitate de până la câteva mT/m. Frecvența este ajustată pentru a se potrivi cu obiectul examinat, iar frecvența poate fi modulată.
Câmp RF
Câmpul RF este generat de o bobină separată în axele X și Y. Intervalul de frecvență este cuprins între 64 MHz și 299 MHz cu intensități micro-tesla.
Cum să furnizăm energie în astfel de medii?
Pentru a evita interferențele, cele mai bune practici în utilizarea RMN-ului sunt evitarea tensiunii/curentului alternativ (CA) și utilizarea doar a tensiunii/ curentului continuu (CC), chiar și pentru iluminare. Sursele principale de alimentare sunt poziționate în mod tradițional în afara camerei de operare, iar tensiunea CC este distribuită echipamentului electronic prin intermediul cablurilor.
Pentru a regla tensiunea de la linia principală de CC la o sarcină specifică (de ex. de la 24VCC la 12VCC), vechea generație de aparate RMN a utilizat o mare varietate de regulatoare de tensiune liniare, care reduc riscul de perturbări, dar tehnologia lor are o eficiență energetică foarte redusă și o disipare ridicată a puterii. Necesitând mai multă putere și o mai bună utilizare a energiei, noile generații de echipamente au adoptat regulatoare de putere în comutație, care, paradoxal, au îmbunătățit eficiența energetică, dar au devenit, de asemenea, o sursă de potențiale perturbări!
Atunci când sursa de alimentare este suficient de departe de B0 și de echipamente sensibile, ecranarea eficientă și împământarea pot împiedica interferențele, dar atunci când sursa de alimentare este localizată aproape sau chiar în interiorul B0, proiectanții de putere se confruntă cu provocări reale.
Impactul RMN-ului asupra sursei de alimentare
Câmp magnetic principal (B0)
O sursă de alimentare în comutație transformă o tensiune CC într-una CA și apoi o rectifică la CC. În timpul procesului de conversie, energia transferată este stocată într-un transformator compus dintr-o bobină (emițătoare) și un nucleu, de obicei fabricat din ferită.
Densitatea mare a lui B0 interacționează direct cu toate componentele feromagnetice, saturează nucleele de fier, face imposibil transferul energiei și poate apărea chiar un scurtcircuit.
Figura 4(a): Sursă de tensiune PRBX fără miez, ieșiri triple, multi-fază, suportând un câmp B0.
Câmpuri de gradient (B1)
Frecvența câmpului gradient este în mare măsură aceeași cu frecvența medie de comutare a surselor convenționale de alimentare, dar induce un “efect de furtună” în cablurile și zonele conductive. Acest lucru afectează, de asemenea, performanța de comutare a treptei de alimentare care determină distorsiuni de semnal, căldură și în cele mai multe cazuri scurtcircuitul componentelor de comutare.
Câmp RF
Datorită frecvenței sale mult mai ridicate, câmpul RF este mai puțin dăunător sursei de alimentare, deși curenții induși ar putea avea ca rezultat defecte colaterale precum cele generate de câmpul B1.
Figura 4(b): Sursă de tensiune PRBX fără miez, suportând câmp B0, ecranată pentru protecție la interferențe.
Impactul sursei de alimentare asupra RMN-ului
Câmp magnetic principal (B0)
Chiar dacă frecvența Larmor este de 42.58 MHz/Tesla pentru protoni (nuclee de hidrogen), există riscul ca vârfurile de comutație ale sursei de alimentare să poată influența semnalul având ca rezultat generarea de artefacte/anomalii care afectează calitatea și rezoluția imaginii.
Câmpuri de gradient (B1)
Deoarece frecvența de comutație a unei surse de alimentare standard este în aceeași gamă (100 KHz) cu frecvența câmpului de gradient, aceasta ar putea interfera cu semnalul generat de bucla gradient și ca o consecință să modifice semnalul codat, conducând la ecouri false (artefacte).
Figura 5: Echipament RMN cu achiziție de date avansată ce necesită surse de tensiune foarte stabile, capabile de a opera în câmp magnetic foarte ridicat — (Sursă imagine: iStock / baranozdemir / PRBX)
Câmp RF
În cazul RF, armonicele fundamentale ale surselor de putere în comutație pot interfera cu bucla bobinei RF, cauzând alterarea semnalului RF IRM și obținerea un efect negativ al calității imaginii.
Atunci, cum să fie realizată o sursă de tensiune care să lucreze?
Luând în considerare diferiți parametri, este evident că o soluție de putere potrivită va trebui să excludă componentele feromagnetice, iar frecvențele ei de comutație trebuie să nu interfereze cu semnalele IRM.
Deoarece nucleele magnetice convenționale se vor satura atunci când sunt expuse la energia câmpului B0, trebuie luate în considerare bobinele cu miez de aer, care nu au miez din material feromagnetic.
O parte negativă a bobinelor cu miez din aer este reprezentată de valorile de inductanță reduse, care pot fi compensate prin proiectarea unui nivel de putere multiplu cu miezuri din aer operând în paralel. Controlarea unor surse de tensiune multiple care lucrează în paralel necesită implementarea celor mai recente tehnologii de control digital, oferind un înalt grad de flexibilitate asupra modului în care operează diferite canale de putere. Controlul digital permite proiectanților să adapteze profilul sursei de alimentare pentru condiții specifice.
În Figura 4a este prezentat un exemplu de sursă de putere avansată cu miez de aer, PRBX GB350. Pentru a se potrivi cu specificațiile necesare IRM, B0, B1 și RF pentru care a fost proiectată, GB350 are o frecvență de comutație fundamentală de 600kHz. Cu o asemenea frecvență de comutație și modul său de intercalare în patru faze, GB350 are o frecvență de ieșire rezultată de 2.4MHz. Aceasta permite o filtrare mai ușoară și timpi de răspuns de stabilizare foarte mici. Unitatea include, de asemenea, o ecranare EMI pentru a reduce emisiile radiate și pentru a preveni orice risc de ecouri false (Figura 4b).
În concluzie
În mai puțin de 50 de ani, progresul scanerelor de imagistică cu rezonanță magnetică (IRM) a fost impresionant, iar calitatea rezoluției imaginii, uimitoare (Figura 5). Printr-o permanentă inovare, industria surselor de tensiune a contribuit la oferirea unei puteri eficiente, sustenabile și sigure pentru aplicații foarte solicitante, precum cele aflate în condiții de câmp B0. Sistemele cu câmp puternic ultra-ridicat cu o nouă generație de senzori vor necesita surse de alimentare cu răspuns extrem de rapid, comutând la 25 MHz pentru a evita armonicele în banda de siguranță, iar eu, prevăd o nouă generație de surse de putere fără miez, combinând miez de aer, control digital și utilizarea de tranzistoare GaN (nitrură de galiu).
Nu există niciun dubiu că, proiectanții care dezvoltă soluții de putere pentru sistemele de imagistică medicală, vor continua să facă din magie o realitate!
Autor: Patrick Le Fèvre, Director Marketing & Communication
Powerbox – A Cosel Group Company| www.prbx.com
