Marco Rietveld is businessdevelopmentmanager voor de medische markt bij Prodrive Technologies. Bart van Ark is systeemarchitect van de NGRF-serie versterkers.

5 november

Prodrive Technologies lanceert zijn eigen lijn van rf-versterkers voor mri-scanners. Marco Rietveld en Bart van Ark leggen uit hoe de laatste innovaties in hoogvermogen-rf-componenten het mogelijk maken om de volumemarkt te bestormen.

Een van de meest populaire medische beeldvormingstechnieken is magnetic resonance imaging (mri). Een belangrijke reden hiervoor is dat er geen straling aan te pas komt, in tegenstelling tot bij bijvoorbeeld computertomografie (ct). Daarnaast kan mri goed ‘zachte weefsels’ in beeld brengen. Recente ontwikkelingen zoals de mr-linac, met gelijktijdige bestraling van de patiënt, en de uitbreiding naar bottenanatomie tonen de potentie voor de toekomst.

Mri is ook een van de meest complexe medische beeldvormingstechnieken. Dit maakt dat er weinig spelers zijn die er systemen voor durven te bouwen. Vijf jaar geleden hebben we bij Prodrive de sprong in het diepe gewaagd met de ontwikkeling van een lijn gradiëntversterkers. Al snel werd duidelijk dat de markt behoefte heeft aan één leverancier voor alle versterkers die nodig zijn in een mri-systeem. Daarom hebben we besloten ons ook te storten op de meest complexe rf-exemplaren.

De NGRF1500 is een rf-versterker voor 1,5 T mri-scanners.

Vdmos versus ldmos

Een mri-scanner genereert een statisch magneetveld (van bijvoorbeeld 1,5 of 3,0 T) dat een deel van de waterstofatomen in het menselijk lichaam gelijkricht. Door vervolgens specifieke fotonen uit te zenden, kan het systeem de atomen precies de andere kant op laten draaien. Wanneer het zenden stopt, vallen de deeltjes na korte tijd terug in hun oorspronkelijke richting, waarbij ze zelf een foton emitteren. De scanner leidt uit de terugontvangen fotonen de concentratie waterstof in het weefsel af en zet die om in beeldinformatie.

De rf-versterker speelt een sleutelrol in dit proces; zonder deze component is er geen beeldvorming mogelijk in een mri-scanner. De versterker krikt een rf-signaal met een laag vermogen van ongeveer een milliwatt zeer nauwkeurig op tot maximaal twintig kilowatt. Een gekoppelde spoel zendt hiermee fotonen uit op 42,58 MHz/T (voor een scanner van 3,0 T dus 127,74 MHz). Deze zogeheten Larmor-frequentie doet de waterstofatomen omslaan.

Uit markt- en technologieonderzoek is gebleken dat er twee solid-state structuren goed toepasbaar zijn voor een mri-rf-versterker: verticaal en lateraal dubbel gediffundeerde metaal-oxidesemiconductors (respectievelijk vdmos en ldmos). Vdmos vindt uitgebreide toepassing als mosfet in schakelende voedingen. Nadelen zijn de lage versterking, het maximale vermogen per fet en de robuustheid. Door de lage versterkingsfactor is veel vermogen nodig voor de transistoraansturing, die daarmee ook complex wordt. Daarnaast zijn er veel transistoren nodig om het benodigde uitgangsvermogen te realiseren, wat direct invloed heeft op de betrouwbaarheid en efficiëntie van het product. Een voordeel is de hoge voedingsspanning, resulterend in lagere stromen en dus een eenvoudiger design.

De NGRF3000-2 is gebaseerd op dezelfde technologie als de NGRF1500, maar gericht op 3,0 T systemen.

Ldmos heeft een ongeveer tienmaal grotere versterking, een veel groter maximaal vermogen per fet en is vele malen robuuster. Dit heeft enorme voordelen in componentreductie en betrouwbaarheid. Voor ons vernieuwende rf-versterkerconcept hebben we daarom gekozen voor deze technologie. Ons eerste product, de NGRF1500, genereert een maximaal vermogen van 20 kW met slechts twaalf ldmos-fets, iets wat ondenkbaar is met vdmos.

Met ongeveer 50 V is de werkspanning van ldmos-fets relatief laag. Dat geldt niet voor de stroom: bij een rf-efficiëntie van ongeveer zeventig procent en een uitgangsvermogen van 20 kW is op dat voltage in totaal een uitdagende 571 A nodig. Gedurende de kortstondige piekvermogens is het van groot belang dat de spanning zeer stabiel blijft; elke spanningsval in de voeding zal resulteren in een lager uitgangsvermogen, wat onwenselijk is voor mri-applicaties. Daarnaast kan bij stapresponsies de stroom in minder dan een microseconde oplopen van 0 tot 571 A, wat een laag inductief design vereist met een zeer snelle respons. Met een speciaal ontworpen dc-dc-converter hebben we deze uitdagingen opgelost.

NGRF1500NGRF3000-2
Nominaal vermogen20 kW20 kW
Gemiddeld vermogen2 kW2 kW
Pulslengte8 ms8 ms
Gain73 dB73 dB
Operationele frequentie63,87 ±1 MHz127,74 ±1 MHz
Aantal kanalen12

Diagnostiek op systeemniveau

De NGRF1500 is een rf-versterker voor 1,5 T mri-scanners. Daarnaast hebben we een tweede versie in ontwikkeling voor 3,0 T systemen: de NGRF3000-2, gebaseerd op dezelfde technologie. Beide produceren we volledig in huis. In het ontwerp hebben we rekening gehouden met modulariteit en maakbaarheid: de versterkers hebben bijvoorbeeld bijna geen interne bekabeling, waardoor we de modules volledig geautomatiseerd in elkaar kunnen zetten. Dit geeft een constante kwaliteit en lagere kosten.

Bij dergelijke complexe componenten is het een groot goed om diagnostiek op systeemniveau te bedrijven. Al onze rf-versterkers zijn ‘connected’ en met een toolsuite zijn ze op afstand uit te lezen. Deze functionaliteit gebruiken we onder meer voor predictive maintenance. Daarnaast hebben onze klanten inzicht in hoe hun klanten de systemen gebruiken, wat het mogelijk maakt om daarvoor te optimaliseren.

Redactie Nieke Roos