面向台式核磁共振系统的低功耗梯度放大器设计与应用研究

为解决商用梯度放大器在台式核磁共振(BNMR)系统中功耗高、体积大的问题，研究人员设计了一种新型低功耗梯度放大器。该器件在0–2.5A输出范围内表现出优异线性度（斜率0.9205，决定系数0.9963），动态响应时间达1.41μs，成功应用于BNMR的场补偿和空间编码实验，为小型化磁共振系统提供了关键技术支撑。

　　

核磁共振(NMR)技术作为解析分子结构的"黄金标准"，在化学和制药领域具有不可替代的作用。然而传统高场强NMR设备体积庞大、成本高昂，而新兴的台式核磁共振(BNMR)系统虽具有紧凑灵活的优势，却受限于商用梯度放大器的"水土不服"——这些为大型MRI设计的器件输出电流高达数百安培，功耗和体积远超BNMR的实际需求。这种"大马拉小车"的状况严重制约了BNMR在药物筛选、现场检测等场景的应用。

针对这一技术瓶颈，中国研究人员开展了一项创新性研究。通过采用电压控制电流源(VCCS)转换电路和四通道输出设计，团队成功开发出专为BNMR优化的梯度放大器原型。该器件在保持1.41μs快速响应的同时，将工作电流范围精准控制在0–2.5A，并实现了0.9963的决定系数，完美适配小型Halbach磁体的需求。相关成果发表在《Medical Engineering》上，为便携式磁共振设备的发展提供了关键技术方案。

研究采用三大关键技术：基于差分输入的信号采集架构确保控制精度；模块化设计实现X/Y/Z三轴梯度线圈独立驱动；结合MCU和DAC模块构建闭环控制系统。实验采用0.5T Halbach磁体平台，通过1Ω薄膜电阻负载测试验证性能，并开展实际匀场和成像验证。

结果与讨论部分显示：在0-5.2V输入范围内，器件呈现显著线性特征（0-2.5A段斜率0.9205），动态测试中60%-100%幅度范围的上升时间稳定在1.41μs。在配备自研梯度线圈的BNMR平台上，该放大器成功实现了¹H谱的场补偿和空间编码，成像分辨率满足实验需求。

这项研究的突破性在于：首次提出针对BNMR的梯度放大器设计标准，通过精准的电流输出控制（误差<±1.5%）和μs级响应速度，使低场强(0.5T)系统也能执行复杂脉冲序列。这不仅解决了传统方案"功率过剩"的核心矛盾，其模块化设计更为教育、植物检测等特殊应用场景提供了定制可能。正如研究者Yajie Xu强调的，该技术将助力磁共振设备向"桌面化、普及化"方向发展，为精准医疗和现场检测开辟新途径。