JP2000093405A - 核スピントモグラフの勾配増幅器及び勾配増幅器の調節方法 - Google Patents

核スピントモグラフの勾配増幅器及び勾配増幅器の調節方法

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JP2000093405A
JP2000093405A JP11259333A JP25933399A JP2000093405A JP 2000093405 A JP2000093405 A JP 2000093405A JP 11259333 A JP11259333 A JP 11259333A JP 25933399 A JP25933399 A JP 25933399A JP 2000093405 A JP2000093405 A JP 2000093405A
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gradient amplifier
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Peter Schweighofer
シュワイクホーファー ペーター
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/38Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
    • G01R33/385Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using gradient magnetic field coils
    • G01R33/3852Gradient amplifiers; means for controlling the application of a gradient magnetic field to the sample, e.g. a gradient signal synthesizer

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 像に作用する擾乱を避けるために十分に高い
精度を有する核スピントモグラフの勾配増幅器を比較的
わずかな費用で実現する。 【解決手段】 目標値SOを設定するための目標値装置
10と、実際値IWを求めるための実際値装置12と、
目標値SOおよび実際値IWに関係して操作値STを求
めるための調節装置14と、操作値STに関係して少な
くと1つの終段駆動信号Ai を発生するための変調器
16と、少なくとも1つの終段駆動信号Ai に関係し
て少なくとも1つの負荷24に与える出力信号ASを発
生するための終段18とを備え、目標値SOおよび実際
値IWの精度が、操作値STおよび(または)少なくと
も1つの終段駆動信号Ai および(または)出力信号
ASの精度よりも少なくとも10倍高く選ばれている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は請求項1の前文によ
る核スピントモグラフの勾配増幅器ならびに請求項6の
前文による核スピントモグラフの勾配増幅器の調節方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】核スピントモグラフでは、勾配増幅器に
接続されている勾配コイルにより勾配磁界が発生され
る。勾配増幅器は、数100〜数1000ボルトの大き
さの電圧を供給して、勾配コイルに正確に調節された電
流を生じさせる。この電流は予め定められた電流経過曲
線のなかでたとえば0Aと300Aとの間を変動する。
【0003】勾配コイルを通って流れる電流は特に正確
に調節されなければならない。わずか数mAの偏差が像
に作用する擾乱を惹起し得る。
【0004】ドイツ特許出願公開第40 24 160号(=米
国特許第 5,111,378号)明細書から冒頭に記載されてい
る種類の勾配増幅器ならびに方法は公知である。精度に
関する上記の高い要求のゆえにこの増幅器では、ppm
範囲内の精度を有する信号を発生するために、すべての
構成要素が非常に高い安定性および分解能を有するもの
として構成されている。このことは製造の際にも保守の
際にも増幅器システム全体に対する高価の特殊構成要素
と労力のかかる調整とを必要とする。
【0005】ドイツ特許出願公開第197 06 756号明細書
には調節装置を有する核スピントモグラフ用の勾配増幅
器が記載されており、その際に調節装置はディジタルの
制御ワードに対する制御入力端を有する。制御ワードに
より調節装置の現在の伝達関数が多くの予め定められた
伝達関数から選択され得る。それにより勾配増幅器は、
手動による調整への切換を必要とせずに、さまざまな調
節器特性曲線に設定され得る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上記
の問題を回避し、また可能なかぎりわずかな費用で必要
な精度を達成し得る勾配増幅器および調節方法を提供す
ることである。特に精度は、核スピントモグラフにより
発生される像の質の低下を回避するのに十分に高くなけ
ればならない。
【0007】
【課題を解決するための手段】この課題は、本発明によ
れば、請求項1の特徴を有する勾配増幅器および請求項
6による調節方法により解決される。従属請求項は本発
明の好ましい実施態様に関する。本発明はあらゆる技術
的実現による勾配増幅器の調節ループに使用可能であ
る。特に個々の構成要素はアナログ回路として、ディジ
タル回路として、またはプロセッサ(たとえばディジタ
ル信号プロセッサDSP)のプログラムモジュールとし
て構成されていてよい。上記のテクノロジーおよび他の
技術的実現の混合形態も可能である。
【0008】本発明は、像質の制限なしに、勾配増幅器
の調節ループの特定の構成要素を比較的低い精度しか有
していないものとして構成することが可能であるという
驚くべき認識に基づいている。このことは特に勾配増幅
器の終段と、信号の流れ方向に終段の“直前”に接続さ
れている構成要素とに当てはまる。
【0009】上記の構成要素が公知の勾配増幅器の場合
よりも本質的に低い精度しか有していないものとして構
成されていてよいことにより、顕著な節減が可能であ
る。このことは調節ループを実現するための上記のすべ
てのテクノロジーに対して当てはまる。アナログ回路と
して構成されている調節ループの構成要素はより大きい
許容差を有してよく、またより非臨界的な調整ですむ。
ディジタル回路はより低い精度においてより少ない接続
線またはより低いクロックレートしか必要としない。プ
ロセッサのプログラムモジュールとして構成されている
調節ループの構成要素はより低い計算能力しか必要とし
ない。本発明により達成される節減は高い能力および精
度要求を満足しなければならない最近の高能力勾配増幅
器において特に大きい。
【0010】本発明によれば、目標値および実際値の精
度が操作値および(または)少なくとも1つの終段駆動
信号および(または)出力信号の精度よりも少なくとも
10倍高い。好ましい実施態様ではこの倍率はより高
く、少なくとも50、少なくとも100または少なくと
も200である。達成可能な節減はその場合に特に大き
い。
【0011】好ましくは終段と、場合によっては信号流
れ方向に終段の“前”に配置されている構成要素の中断
されない連鎖とは上記のより低い精度を有する。換言す
れば、好ましくは終段のみ、もしくは終段および変調
器、もしくは終段および変調器および調節装置がより低
い精度を有するものとして構成されている。
【0012】“精度”とはここで信号の利用可能な分解
能、すなわちたとえば識別可能かつ安定な信号状態の数
として理解される。信号の精度はこうして単位“ビッ
ト”で与えられ得る。このことは、信号経路がアナログ
であるか、ディジタルであるか、またはプログラムモジ
ュールの間のデータ交換により実現されているかに無関
係である。従来の技術による典型的な勾配増幅器では帰
還ループのすべての信号の精度は約18ビットである。
すなわち、約218=262144の相い異なる信号レベ
ルが分解され、また本質的に安定である。
【0013】本発明の好ましい実施態様では、目標値お
よび実際値の精度または分解能は14ビット〜22ビッ
ト、特に15ビット〜20ビット、好ましくは約18ビ
ットに選ばれる。終段の出力信号は好ましくは6ビット
〜14ビット、特に8ビット〜12ビットの精度または
分解能を有する。さらに好ましくは、少なくとも1つの
終段駆動信号の精度または分解能は終段の出力信号のそ
れと同じく決められる。この場合にはさらに、操作値の
精度または分解能も終段の出力信号のそれと同じく選ぶ
ことが有利である。
【0014】好ましくは調節装置は制御偏差を求めるた
めの比較器と、操作値を求めるための調節器とを有す
る。制御偏差の精度または分解能はは好ましくは操作値
のそれと同じく選ばれる。
【0015】本発明による方法は、上記の特徴または本
方法を実施するための装置に関する請求項にあげられて
いる好ましい実施態様で実施される。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明の実施例および多くの変形
例を以下に図面を参照して一層詳細に説明する。(単一
の)図面は本発明による勾配増幅器ならびにそれに接続
されている負荷の簡単化されたブロック回路図を示す。
【0017】勾配増幅器は、目標値装置10と、実際値
装置12と、調節装置14と、変調器16と、終段18
とから形成されている調節ループを有する。調節装置1
4は比較器20および調節器22を有する。終段18は
主に誘導性の負荷24として作用する勾配コイルに接続
されている。個々の構成要素の精度要求および許容差を
別として図面による勾配増幅器はそれ自体は公知であ
る。
【0018】ここに説明される実施例では調節ループは
アナログ回路により構成されている。しかし変形例では
ディジタル回路が使用され、または調節ループの構成要
素がディジタル信号プロセッサのプログラムモジュール
として構成されている。さらにこれらの3つの基本形式
が任意に組み合わされ得る。
【0019】勾配増幅器の作動の際に目標値装置10
は、負荷24を通って流れる電流の目標値SOを表す信
号を発生する。目標値SOはこうして負荷電流の所望の
電流曲線形状を指示する。この電流曲線形状はたとえば
目標値装置10のメモリテーブルに含まれていてよい。
【0020】たとえば誘導式貫通形変流器をまたは負荷
回路に接続されている低抵抗値の抵抗を有していてよい
実際値装置12はそれぞれ負荷24を通る現在の電流実
際値IWを求め、これらを調節装置14に与える。
【0021】目標値装置10および実際値装置12はそ
れぞれ約18ビットの精度、すなわち安定に利用可能な
分解能を有する。
【0022】調節装置14は目標値SOおよび実際値I
Wからそれ自体は公知の調節方法に従って操作値STを
発生する。そのために比較器20は制御偏差RDと呼ば
れる目標値SOと実際値IWとの差を形成する。調節器
22は制御偏差RDから予め定められた伝達特性曲線に
従って操作値STを決定する。
【0023】ここに説明される実施例では制御偏差RD
および操作値STは8〜12ビットの精度を有する。比
較器20は18ビットまたは同じく8〜12ビットの内
部精度で動作し得る。
【0024】それに対して、特にディジタル信号プロセ
ッサによる実現に適している変形例では、先ず制御偏差
RDを形成することなしに、操作値STが直接的に目標
値SOおよび実際値IWから導き出される。そのために
信号プロセッサは適当な規定を評価し得る。
【0025】別の変形例では、約18ビットの高い精度
を有する操作値STが発生される。変調器16および終
段18がより低い精度を有するものとして構成されてい
ることにより、この場合にもなお少なからざる節減が達
成される。
【0026】操作値STから変調器16により終段18
に対する駆動信号Ai が発生される。終段18はここ
に説明される実施例ではたとえばドイツ特許出願公開第
40 24 160号明細書から公知の4つのスイッチング要素
を有するH形ブリッジ回路を有する。相応してそれ自体
は公知のパルス幅変調法に従って各スイッチング要素を
別々に駆動するための4つの終段駆動信号A1 、A2
、A3 およびA4 が設けられている。このような方
法はたとえば同じくドイツ特許出願公開第40 24160号明
細書に記載されている。
【0027】変形例では、他の変調方法および終段18
の他の構成も使用される。たとえば終段18は、各1つ
のH形ブリッジ回路を有するより、出力側で直列に接続
されている多くの終段モジュールを有し得る。この場合
には相応に多くの終段駆動信号Ai が終段モジュール
の個々のスイッチング要素に対して与えられる。
【0028】終段‐駆動信号Ai はそれぞれ8〜12
ビットの比較的低い精度を有する。ここに説明される実
施例では各々の終段駆動信号Ai は1ビットの幅を有
する2値信号であるから、用語“精度”はここでは信号
エッジの時間的な分解能および安定性、すなわち終段1
8のなかのスイッチング要素のスイッチオンおよびスイ
ッチオフの時点に関する。
【0029】終段18により発生される出力信号AS、
すなわち負荷24を通って流れる電流は同じく8〜12
ビットの精度を有する。それにより終段18の電力用半
導体はより大きい許容差で選ばれ、調整され得る。
【0030】実験では公知の勾配増幅器が利用された。
この勾配増幅器は図面に示されているように構成され
た。しかし、すべての構成要素は約18ビットの高い精
度に構成された。いま終段駆動信号Ai の時間的分解
能が、これらの信号のスイッチングエッジがフリップフ
ロップ回路により32MHzの固定の時間基準に離散化
されることによって、制限された。パルス幅変調される
終段18のスイッチング周波数は100kHzであった
ので、320の異なるスイッチング時間長さのみが利用
された。電圧符号を考慮に入れると、これは640の可
能性または9.3ビットである。この精度制限にもかか
わらず非常に鋭敏なMR実験中に像に作用する擾乱は認
められなかった。
【0031】精度が、本発明の好ましい実施例の場合の
ように、調整ループのより多くの構成要素において制限
されると、構成要素の個別誤差がそれぞれすぐ次の段に
伝搬し得る。しかし出力信号ASの精度はこの明細書中
に示されている個別構成要素の構成の際には、像に作用
する誤差をこの場合にも避けるために、十分に高い。こ
のことは特に、より低い精度の段がほぼ直線的な伝達特
性曲線を有するときに、当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による勾配増幅器ならびにそれに接続さ
れている負荷の簡単化されたブロック回路図。
【符号の説明】
10 目標値装置 12 実際値装置 14 調節装置 16 変調器 18 終段 20 比較器 22 調節器 24 負荷 Ai 終段駆動信号 AS 出力信号 IW 実際値 RD 制御偏差 SO 目標値 ST 操作値

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 目標値(SO)を設定するための目標値
    装置(10)と、実際値(IW)を求めるための実際値
    装置(12)と、目標値(SO)および実際値(IW)
    に関係して操作値(ST)を求めるための調節装置(1
    4)と、操作値(ST)に関係して少なくとも1つの終
    段駆動信号(Ai )を発生するための変調器(16)
    と、少なくとも1つの終段駆動信号(Ai )に関係し
    て少なくとも1つの負荷(24)に与える出力信号(A
    S)を発生するための終段(18)とを有する核スピン
    トモグラフの勾配増幅器において、目標値(SO)およ
    び実際値(IW)の精度が、操作値(ST)および(ま
    たは)少なくとも1つの終段駆動信号(Ai )および
    (または)出力信号(AS)の精度よりも少なくとも1
    0倍高いことを特徴とする核スピントモグラフの勾配増
    幅器。
  2. 【請求項2】 目標値(SO)および実際値(IW)の
    精度が操作値(ST)および(または)少なくとも1つ
    の終段駆動信号(Ai )および(または)出力信号
    (AS)の精度よりも少なくとも100倍高いことを特
    徴とする請求項1記載の勾配増幅器。
  3. 【請求項3】 目標値(SO)および実際値(IW)の
    分解能が16ビット〜20ビット、特に約18ビットで
    あることを特徴とする請求項1または2記載の勾配増幅
    器。
  4. 【請求項4】 操作値(ST)および(または)少なく
    とも1つの終段駆動信号(Ai )および(または)出
    力信号(AS)の分解能が6ビット〜14ビット、特に
    8ビット〜12ビットであることを特徴とする請求項1
    ないし3の1つに記載の勾配増幅器。
  5. 【請求項5】 調節装置(14)が目標値(SO)およ
    び実際値(IW)から制御偏差(RD)を求めるための
    比較器(20)と、制御偏差(RD)から操作値(S
    T)を求めるための調節器(22)とを有し、制御偏差
    (RD)の精度が目標値(SO)および実際値(IW)
    の精度よりも少なくとも10倍低いことを特徴とする請
    求項1ないし4の1つに記載の勾配増幅器。
  6. 【請求項6】 目標値(SO)を設定するステップと、
    実際値(IW)を求めるステップと、目標値(SO)お
    よび実際値(IW)に関係して操作値(ST)を求める
    ステップと、操作値(ST)に関係して少なくと1つの
    終段駆動信号(Ai )を発生するステップと、少なく
    とも1つの終段駆動信号(Ai )に関係して出力信号
    (AS)を発生するステップとを有する核スピントモグ
    ラフの勾配増幅器の調節方法において、目標値(SO)
    および実際値(IW)が、操作値(ST)および(また
    は)少なくとも1つの終段駆動信号(Ai )および
    (または)出力信号(AS)の精度よりも少なくとも1
    0倍高い精度で求められることを特徴とする核スピント
    モグラフの勾配増幅器の調節方法。
  7. 【請求項7】 制御偏差(RD)が目標値(SO)と実
    際値(IW)との比較により目標値(SO)および実際
    値(IW)の精度よりも少なくとも10倍低い精度で求
    められ、操作値(ST)が制御偏差(RD)から求めら
    れることを特徴とする請求項6記載の方法。
  8. 【請求項8】 勾配増幅器が請求項2ないし5の1つに
    記載された特徴事項を有することを特徴とする請求項6
    または7記載の方法。
JP11259333A 1998-09-14 1999-09-13 核スピントモグラフの勾配増幅器及び勾配増幅器の調節方法 Withdrawn JP2000093405A (ja)

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