JP2001245870A

JP2001245870A - 磁気共鳴イメージングシステムのスイッチ可能な増幅器を有する傾斜磁場コイル

Info

Publication number: JP2001245870A
Application number: JP2001043665A
Authority: JP
Inventors: Joseph W Carlson; ジョセフ・ダブリュ・カールソン; Lawrence E Crooks; ローレンス・イー・クルークス; Leon Kaufman; レオン・コーフマン
Original assignee: Toshiba America MRI Inc
Current assignee: Toshiba America MRI Inc
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2001-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、速いイメージングシーケンス
の分割コイルモード、または高い強度イメージングの、
しかし長い立ち上り時間を有する直列コイルモードを選
択することをオペレータに可能にすることにある。【解決手段】本発明は、分割および直列傾斜磁場コイル
配列間を切り換えるMRIシステムを許容する新規な傾斜
磁場コイル配列を提供する。一対の傾斜磁場コイル増幅
器が傾斜磁場コイルの対を別々にまたは一緒に駆動する
ようにスイッチ可能に結合される。分割コイルモードに
おいて、各増幅器はそれぞれの傾斜磁場コイルを独立に
駆動し、コイルは互いに結合されない。直列コイルモー
ドにおいて、増幅器の対は傾斜磁場コイルの対を駆動す
るように並列に接続され、コイルは直列に接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は全般的に磁気共鳴
イメージング(MRI)の方法と装置に関する。特に、それ
は磁場傾斜を発生させるための傾斜磁場コイルと電力増
幅器の配列に関連する。

【０００２】

【従来の技術】磁気共鳴イメージング(MRI)は、人体の
ような対象物の内部の構造を表すデジタル化された視覚
画像を得るために広く受け入れられ、かつ商業的に実行
可能な技術である。MRIは核磁気共鳴(NMR)現象に影響さ
れやすい相当数の原子核を有する画像対象物に有用であ
る。MRIにおいて、像を描かれるべき対象物の核は強い
静主磁場B_０によって分極される。そして、選択された
核は特定のNMR周波数で無線周波数(RF)信号によって励
起される(章動される)。章動された核は、像を描かれる
対象物を囲む局所化された磁場を段階的に変化させるこ
とによって、空間的にエンコードされる。

【０００３】MRIにおいて、予定された分量によりある
原子の磁気モーメントを選択的に章動するため、高周波
(RF)パルスのプログラムされたシーケンスが予定された
周波数分布でイメージングボリュームの中に配置された
患者の身体の一部に送信される。このプログラムされた
シーケンスの原理は核磁気共鳴(NMR)イメージングに関
してよく知られている。送信されたRFパルスの休止の後
に、NMR 章動原子は静磁場B_０と方向が一致するよう
に緩和して戻り、その過程において、特有のRF信号を生
成する。当業者によって認識されるように、多くの知ら
れたMRI技術の任意の１つに従ってイメージング領域中
に位置された身体部分の所望なNMR画像を生成するた
め、これらのRF信号は、受信され、検出されかつ処理さ
れる。

【０００４】典型的には、情報は像を描かれる対象物の
“スライス”内の原子核から集められる。直交方向にお
いて、像を描かれる対象物の“スライス”の核は、これ
らの核に対象物のスライスの位置および構成を表わすRF
信号を放出するように励起される。その対象物のスライ
スの中において、一方向に核を空間的にデコードするた
め選択された核の歳差運動の周波数を使用して、かつ第
２の(即ち他の)方向に核を空間的にデコードするため選
択された核の歳差運動の位相を使用して、RF信号はスラ
イスの残っている二次元から典型的に取り出される。結
果としてのRF信号の複雑な周波数と位相を分析すること
によって、選択されたスライスの核の密度と位置に関す
る情報が決定され得る。

【０００５】典型的には、送信されたRFパルスは、空間
的情報のエンコード処理をもたらすため、および/また
はNMR位相制御の知られた型を提供するため、イメージ
ング処理中種々な磁気傾斜磁場コイルを通過する電流パ
ルスの特別なシーケンスと同期される。そのうえ、傾斜
磁場コイルをパルス附勢し、患者からのRF信号放出を受
け、受信された信号を患者の身体の内部または対象物の
可視画像に変換する電子器具、プロセッサ、およびソフ
トウェアはよく知られていて、本発明においては等しく
使用に適している。

【０００６】傾斜磁場は、対象物の各点が像を描かれた
ボリュームにマップされることを可能にする磁気座標系
を有効に作成する。傾斜磁場（※本件に限らず、単な
る"gradient"は「傾斜磁場」と訳した方がよい場合が多
い。）、例えばGx、は、磁場の強度において、磁場強度
を分極する結果が一方向、例えばx-方向に直線的に変化
し、直角方向、例えばy-およびz-方向で一定であるとい
うことである。三次元空間で位置を決定するために、３
つの対応する磁場傾斜が互いに直交して適用される(Gz=
dBz/dz; Gx=dBz/dx; Gy=dBz/dy、ここにz方向が静主磁
場B_０の方向である)。傾斜磁場は章動された核を空間的
にエンコードするため検診されている対象物にシーケン
スプロセス中断続的に適用される。

【０００７】周知のとおり、NMR核は特定の相対的な位
相を有する特定の周波数で歳差運動する。傾斜磁場を異
なった直交方向で核に適用することによって、歳差運動
の周波数と位相が核から発する信号を空間的にエンコー
ドするために使用され得る。核からのRF信号は磁場の傾
斜によってエンコードされた空間的な情報を含んでい
る。空間的な情報は、核の位置を見つけるようにRF信号
から取り出される。

【０００８】MRIシステムの傾斜磁場コイルは増幅器ま
たは他の電源によって駆動される。傾斜磁場（※以下全
て同じ。）増幅器は磁場を順次発生する１つ以上の傾斜
磁場コイルに電力を供給する。MRIシステムは、例えば
x、y、およびz方向の傾斜磁場コイルの各セットに１つ
の、通常３つの傾斜増幅器を必要とする。各傾斜増幅器
は、最大定格電力と電流出力を含むある特性を有する。
MRIシステムの設計中、傾斜増幅器はMRIシステムのため
に所望されるイメージング特性に最もよく合うように選
択される。傾斜増幅器は必要な磁場強度を発生させるあ
る最大電流レベルを提供するように選択される。

【０００９】傾斜増幅器の別の特性は、それらが最大定
格電流に立ち上るに必要とする時間である。増幅器は、
傾斜磁場コイルに必要な磁場を導入するためにある期間
を必要とする。MRIシステムの“立上り時間”はコイル
における指定された電流変遷のための期間である。全般
的に立上り時間は、電力増幅器が傾斜磁場コイルに電流
を切り換え開始するときに始まり、電流が所望のレベル
に達し、磁場が必要な磁場強度を達成するとき終わる期
間である。スリュー（※以下全て同じ）（slew）率は磁
場の必要な強度を発生させるためにコイルに蓄積される
ことを要求されるエネルギーの量に依存し、最大率で増
幅器はコイルへエネルギーを移すことができる。

【００１０】磁場を発生させるのに必要であるエネルギ
ーは磁場の強度の二乗に比例している。電力および磁場
強度間の電磁関係はコイルと増幅器の組み合わせのスル
ー率を制限する。特に、コイルに所望の磁場を誘導させ
るに必要であるエネルギーは、ある期間、即ち、発生さ
れるための立上り時間を必要とする。この期間は磁場強
度の二乗に比例し、電力に反比例している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】幾つかのMRIシステム
が二者択一的なイメージングモードで駆動される。例え
ば、２０mT/m(ミリテスラ/メータ)の最大傾斜磁場強度
を達成するように設計されたMRIシステムは、傾斜磁場
コイルの巻回数を倍にすることによって傾斜磁場強度を
２倍（４０mT/m）にするように変更されるかもしれな
い。傾斜磁場コイルの巻回数を２倍にすると、同じ電力
増幅器電流出力と電力容量を維持している間、傾斜磁場
強度レベルを２倍にするに必要とされる増幅器の４倍の
立上り時間を結果としてもたらす(例えば、２５０マイ
クロセカンドから１ミリセカンドに増える)。

【００１２】システムのイメージングモードが同じ増幅
器で附勢されるとき、低い最大強度の代わりに高い最大
傾斜強度を有するMRIシステムを選択することにトレー
ドオフがあるかもしれない。高い最大傾斜強度を有する
MRIシステムは、全般的に低いピーク傾斜を有するMRIシ
ステムより低スルー率を持つであろう。電力増幅器は、
全般的により高いインダクタンスを有するコイルより、
より低いインダクタンスを有する傾斜磁場コイルに、よ
り速くそれらの電気エネルギーを誘導することを可能に
する。

【００１３】例えば、高いピーク傾斜強度を有するMRI
システムは、１ミリセカンドで４０mT/mのピーク傾斜磁
場強度を発生させることができるかもしれない。同じシ
ステムは２０mT/mの強度の磁場を発生するのに５００マ
イクロセカンドを必要とするかもしれない。比較におい
て、同じ増幅器電力が２０mT/mの最大傾斜強度のために
構成された異なるMRIシステムで使用されることがで
き、その磁場強度に達するのに２５０マイクロセカンド
だけを必要とするであろう。高いピーク傾斜磁場強度に
達することができ、低い傾斜磁場強度に速やかに達する
ことができる単一のMRIシステムを有することは望まし
いであろう。

【００１４】MRIシステムは速いモードと高いピーク強
度モードで二者択一的に運転されることを必要とされ
る。高いピーク強度傾斜磁場を発生させ、かつ比較的低
ピーク強度傾斜磁場を発生させるとき速いスルー率を達
成することが二者択一的にできるMRIシステムについ
て、長い間捜し求められた必要性がある。速いイメージ
ングモードは鼓動している心臓、血液流動、および小さ
い子供のような動いている対象物の像を描くために適し
ている。速いスルー率は、速いイメージングを可能にす
るために傾斜が速やかに形成されることを可能にする。
速いイメージングモードにあるとき、MRIシステムには
好ましくは速いスルー率を有する。他のMRIシーケンス
は二者択一的にMRIシステムで使用されるかもしれな
い。例えば、これらの他のシーケンスは、例えば検査中
の組織の拡散定数によって重みを加えられ、比較的大き
いピーク傾斜磁場を必要とし、順次高いピーク磁場に構
成される傾斜システムを必要とする像を生成するMRI技
術で使用されるかもしれない。

【００１５】低い電流傾斜増幅器の速いスルー率特性
と、二者択一的に高い電流増幅器の強い強度傾斜特性の
両方を成功裡に達成するMRIシステムは知られていな
い。速いイメージングのために速いスルー率および高解
像度イメージングのための強い傾斜を達成する従来の試
みは、コイルに沿って離間された複数の端子を有する傾
斜磁場コイルを含み、ここに端子は傾斜磁場強度および
/またはスルー率を調整するために直列または並列に接
続される。そのような多端子傾斜磁場コイルの例は、米
国特許No．５,２８９,１２９ (ジョセフ特許)および５,
４０６,２０５(ミュラー特許)で開示され、それらは、
単一の電源によって駆動されるコイルを示す。これら従
来のコイルの欠点は、複数のコイル端子を並列に接続す
ることが並列接続コイル部分を通る等しくない電流分布
を許容するかもしれないということである。その上、直
列コイル接続はコイルの小さい部分内に好ましくない閉
電流ループを形成するかもしれない。傾斜磁場コイル内
の等しくない電流分布は核を空間的にエンコードするの
に不可欠である所望の傾斜の一様性を分裂させるであろ
う。

【００１６】多端子傾斜磁場コイルが傾斜磁場の非一様
性を最小にするように構成されるかもしれないのに対
し、閉電流ループの可能性は完全に排除されることがで
きない。米国特許No.５,２８９,１２９、第５欄第５８
行から第６欄第２行を参照されたい。コイルの電流不均
衡はまた、傾斜磁場コイルの電源によって制御または補
償されることができない傾斜チャンネルパルスにより誘
導される渦電流を発生させるかもしれない。傾斜磁場コ
イルを流れる等しくない電流の影響は、特に傾斜磁場コ
イル抵抗が低く(コイル/増幅器の誘導性のインピーダン
スと比べて)、切り換え速度が傾斜チャンネルパルスに
対して速いなら、無視されるべきでない。

【００１７】米国特許No.５,０１７,８７１('８７１特
許)は、コイルインダクタンスを減少するため、コイル
に使用されない幾らかの巻回数を残して傾斜磁場コイル
の半分の巻回数を切り換える他の方法を開示する。コイ
ルにおけるより少ない使用巻回数は、より速いスルー率
をもたらすが、使用されない巻回数から何の利益も得ら
れない。高い電流源がより少ない使用巻回数を有する傾
斜磁場コイルを駆動するのに必要であるが、この電流
(コイル内で４００アンペアに達するかもしれない)はコ
イルの高い抵抗加熱を引き起こす。コイル内のそのよう
な高い電力のために、コイルにより浪費されるピーク電
力およびコイルワイヤの過熱に考慮が与えられなければ
ならない。'８７１特許により教示されるように、コイ
ルの巻回数の半分を切り換えるため、高いピーク電力お
よび使用されるコイル巻回数のより多くの加熱、一方他
のコイル巻回数が使用されないままである結果をもたら
す。本発明の目的は、速いイメージングシーケンスの分
割コイルモード、または高い強度イメージングの、しか
し長い立ち上り時間を有する直列コイルモードを選択す
ることをオペレータに可能にすることにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、“分割コイ
ル”と“直列コイル”配列間、および/または“直列増
幅器”と“並列増幅器”配列間を切り換えるMRIシステ
ムを可能にする新規な傾斜磁場コイルと増幅器構成を提
供する。各増幅器が傾斜磁場コイル（分割コイル）の１
つを駆動し、両方の増幅器が並列に両方の傾斜磁場コイ
ル(直列コイル)を駆動するように、一対の傾斜磁場コイ
ル増幅器がスイッチ可能に接続される。例えば、増幅器
とコイルは分割コイルモードと直列コイルモードにスイ
ッチ可能に構成される。分割コイルモードにおいて、各
増幅器は傾斜磁場コイル対のそれぞれ１つのコイルを独
立に駆動する。直列コイルモードにおいて、増幅器の対
は直列に接続された傾斜磁場コイルの対を集合的に駆動
するために並列に接続される。代わりに、傾斜磁場コイ
ルが直列に接続され、コイルを駆動する増幅器が直列
(直列増幅器)または並列(並列増幅器)であるように、増
幅器の極性と接続が切り換えられる。

【００１９】増幅器とコイルのスイッチング回路は、分
割および直列コイルモード間および/または直列および
並列増幅器モード間にそれらを切り換える。速いイメー
ジングまたは高い傾斜強度イメージングが望まれている
か否かによって傾斜磁場コイル運転のモードが選ばれ
る。２つの増幅器が、個別に各増幅器からの電流を比較
された利用可能な二重の最大電流で１つの電流出力を発
生させるように並列に接続されるとき、増幅器の制御は
マスタースレーブ構成に増幅器を切り換えるように構成
されてもよい。

【００２０】発明によって示される利点は、速いイメー
ジングシーケンスの分割コイルモード、または高い強度
イメージングの、しかし長い立ち上り時間を有する直列
コイルモードを選択することをオペレータに可能にする
MRIシステムを提供することである。分割コイルモード
において、各増幅器-コイル組み合わせは、各々単一増
幅器-コイル組合せのため低い最大コイル磁場強度に比
較的速く立ち上る。

【００２１】本発明によって示される同様の利点は、速
いイメージングシーケンスのために直列増幅器モードを
選ぶか、または長い立ち上り時間ではあるが、高い強度
のイメージングのため並列増幅器モードを選ぶのかをオ
ペレータに許容するMRI装置を提供することである。直
列増幅器モードにおいて、各増幅器-コイル組み合わせ
は直列増幅器-コイル組み合わせのため低い最大コイル
磁場強度に比較的速く立ち上る。並列増幅器モードにお
いて、２つの増幅器の電流が直列に両コイルを駆動する
ように結合されるので、傾斜磁場強度は強い。並列増幅
器モードのより強い磁場強度はより高い解像度イメージ
ングを許容する。並列増幅器モードにおいて、十分な磁
場強度に立ち上げるために必要な時間はより長いが、傾
斜磁場強度は分割コイルまたは直列増幅器モードよりも
実質的に大きい。

【００２２】本発明は両モードにおける増幅器対の最大
電力定格を最良の利点で使用する。両モードが両増幅器
のピーク電圧および両傾斜磁場コイルの全巻回数を使用
するので、両モードのスルー率は可能なだけ速い。例え
ば、MRI装置は、分割コイルまたは直列増幅器構成にお
いて２０mT/mの傾斜レベル、それぞれの傾斜強度に対す
るスルー率の４対１比率を有する並列増幅器/直列コイ
ル構成において４０mT/mの傾斜レベルの最大傾斜強度を
提供し得る。

【００２３】発明は構成可能な傾斜磁場コイルについて
以前のアプローチを超える重大な進歩である。例えば、
本発明はジョセフ特許(米国特許No.５,２８９,１２９)
で示された使用されないコイルと対照的である、傾斜磁
場コイルの全巻回数の完全な利用を許容する。使用され
ないコイル巻回数を避けることによって、発明は速いま
たは強いイメージングモードに同じピーク電力を使用す
る。加えて、単一の傾斜磁場コイルで複数の端子を避け
ることによって、コイルが並列モードで運転されると
き、本発明は不均一な電流の流れの可能性を減少する。
従って本発明は、MRIの速いスルー率と二者択一的に高
い強度傾斜を提供するスイッチ可能なコイル構成を提供
することにより傾斜磁場コイルの技術を前進させる。

【００２４】本発明の構造および作動は、付随図面に特
に関連してやがて好ましい実施例の以下の詳細な記述の
慎重な学習によってより完全に理解されるであろう。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１はMRIシステムを表わす。そ
のようなシステムの１つの例が東芝のOPART^TMMRIシステ
ムである。そのようなMRIシステムは、患者のイメージ
ングボリューム１１中で実質的に一定均質な分極磁場B
_０を発生する大きな分極磁石構造１０を含む。適当な寝
台１２がイメージボリューム１１内に患者１３の解剖的
構造の必要な部分を挿入する。磁場傾斜は電磁傾斜磁場
コイル１４によって選択的に発生される。RF核章動パル
スはRFコイル１５によってイメージボリューム内で患者
組織に送信される。MR信号を構成するRF応答は適当なRF
検出コイル構造１６を通して患者組織から受信される。

【００２６】MRIデータを取得するために、MRIシステム
はプログラマブルコンピュータ/プロセッサ１９の制御
の下で、MRIパルスシーケンスコントローラ１７および
１８を通して磁場傾斜とRF章動パルスを発生させる。さ
らに、プロセッサ１９は傾斜パルス増幅器２０、RF電源
２１、およびシーケンサ１８を通してRF増幅器２２回路
を制御する。MR増幅器信号(RF検出器)回路２３が遮蔽さ
れたMRIシステムガントリー内に配置されたMR信号RFコ
イル１６と適当にインターフェイスされる。

【００２７】受信されたMR応答はデジタイザ２４によっ
てデジタル化され、典型的にイメージ処理のためのアレ
イプロセッサ、およびプログラムが記憶され選択的に利
用される適当なコンピュータプログラム記憶媒体(示さ
れない)を含むプロセッサ１９に通され、MR信号データ
の利得と処理を制御し、制御端末２５のCRTの画像表示
を生成する。オペレータが使用する適当なキーボードス
イッチと同様のものを含む制御端末２５はイメージング
シーケンスコントローラ１７および１８を制御する。画
像はまた、印刷装置２６によりフイルムまたは他の適当
な媒体に直接記録されるかもしれない。

【００２８】システムコンピュータ/プロセッサ１９と
関連して、オペレータはMRIシーケンスおよびデータ処
理技術の選択のメニューを制御端末２５により典型的に
示される。この発明の例示実施例において、MRIシステ
ムオペレーターにとって利用可能なそれらの選択の１つ
は、傾斜増幅器を駆動するため、および傾斜増幅器の対
を直列増幅器および並列増幅器モードでスイッチ可能に
駆動するために傾斜パルスシーケンスを発生させるプロ
グラムである。本発明の記述された処理を生じさせるた
めに、適当なコンピュータプログラムの発生またはシス
テムコンピュータ/イメージプロセッサ１９のためのか
かる特定な教示は、以下に記述された特定のデータ処理
方法およびここに示される開示の全体の観点で、当業者
の能力内で十分であると信じられる。

【００２９】図２乃至図５は、種々な傾斜磁場コイル／
電力増幅器配列の有効な電気回路を示す。図２は、一対
の分離された傾斜磁場コイル２０１、２０２が１つの方
向の磁場、例えば、x-方向のGxに傾斜を集中的に適用す
る分割コイル配列２００を示す。コイルのこの対は２つ
の別々な電力増幅器２０３、２０４、または他の対の電
源により駆動される。増幅器は電力出力、様式およびモ
デルで確認され得る。分割コイル配列において、各コイ
ル/増幅器(２０３と２０１、２０４と２０２)構成は、
不ぞろいな電流の流れ、電流ループ、および好ましくな
い渦電流を避けるために他方から隔離される。

【００３０】図３は、並列２０７に接続された一対の増
幅器２０３、２０４により駆動される、直列２０６に接
続された２つのコイル２０１、２０２の直列コイル配列
２０５の有効な電気回路を示す。スイッチと結合回路
(図２および３に示されない)が、図２に示された分割コ
イルモード回路および図３に示された直列コイルモード
回路に、増幅器２０３、２０４、およびコイル２０１、
２０２をスイッチ可能に構成する。

【００３１】図４と図５は増幅器２０３と２０４の出力
間に単一のスイッチ可能な接続を有する二者択一の分割
コイル配列２１０、２１１の有効な回路を示す。コイル
間に単一のスイッチ可能な接続２０８、２０９のみを有
することは、不ぞろいな電流の流れがない、好ましくな
い渦電流もない電流ループ、および分割コイルモードか
ら直列コイルモードへ切り換える簡単なスイッチング回
路の利点を提供する。スイッチ可能な接続２０８、２０
９は、増幅器の出力が選ばれた増幅器/コイルトポロジ
ーで互換性があることを必要とする。図４において、接
続２０８は増幅器２０３の共通端子が増幅器２０４の出
力に“乗る”ことを許容する。増幅器２０３の共通端子
は増幅器２０４の完全な出力電圧で作動し、増幅器２０
３の出力電圧は増幅器２０４の電圧出力の２倍になるこ
とができる。接続２０８が開き、図３の直列コイルモー
ドで運転するとき、この配列(図４)はどんな接続も共有
しない。

【００３２】図５において、接続２０９が増幅器２０３
と２０４の共通端子(５)に加わる。したがって、各増幅
器の入力および出力は他方の増幅器の出力電圧から独立
している。また、共通の増幅器端子の相互接続も図３の
直列コイルモードに存在している。図２から５の有効な
回路配列において、増幅器の１つ、例えば２０３はマス
ター増幅器として作動され、他方の増幅器２０４はコイ
ルの対を駆動するためにマスタースレーブ増幅器構成を
形成するためにスレーブとして作動されるかもしれな
い。スイッチ３０７、３０８、３０９(図６参照)は、コ
イルと増幅器を図３で示される直列コイル配列に、また
は図２、４または５に示されるように分割コイル配列
に、選択的に接続する。

【００３３】図２から５に示されたコイルと増幅器の分
割および直列コイル配列は、分割（図２、４および５）
および直列（図３）モードの両方において、両電力増幅
器の完全な電力利用を許容する。電力増幅器２０３、２
０４はコイルが分割されるとき、およびそれらが直列に
接続されるときの両方とも全電力モードで運転される。
速いスルー率を達成するために分割コイル配列、例え
ば、２００が選択され、各コイル２０１、２０２はその
それぞれの増幅器によって単独に駆動される。典型的
に、各増幅器２０３、２０４がその最大電圧定格で駆動
されるが、幾らかの他の予め定められた電圧レベルで駆
動されてもよい。２つの増幅器が別々にそれらの最大の
電圧定格で駆動され、それぞれ１つのコイルを独立に駆
動しているので、分割コイル配列のスルー率は特に速く
なるであろう。同様に、並列モードに配列されたとき、
増幅器はそれらの最大定格電力で典型的に駆動される。
増幅器を並列に結合することによって、コイルに適用さ
れる電流は２倍にされ、ピーク傾斜強度もそうである。

【００３４】分割および直列コイルモードの相対的な性
能が図２および３に示される回路配列について表１で示
される。増幅器２０３と２０４が各々ピーク出力電圧V
とピーク出力電流Iを有し、コイル対を通して流れる電
流Iはピーク磁場強度傾斜Gを発生させ、そのコイル２０
１と２０２がDC抵抗Rを有し、各コイル２０１と２０２
のインダクタンスはそれがコイルに電流Iを生じさせる
ために電圧Vに対してT秒かかると仮定する。これらの仮
定、最大傾斜、立上り時間、システムのピーク電力およ
びコイルを加熱する電力が表１に示されるように計算さ
れ得る。

【表１】表１に述べられる傾斜磁場コイルの特性は、増幅器の周
波数応答によって課される制限を無視する理想的な性能
比較であり、さらに電流(I)×抵抗(R)が電圧(V)よりも
はるかに小さいと仮定する。無視された効果の主な影響
は立上り時間を増加させることであろう。

【００３５】図６は傾斜増幅器２０と他の関連するMRI
システム構成要素の配列を示すブロック図である。図１
との関連で同一であるこれらの構成要素は、それらが図
１にある番号を付けられている。傾斜増幅器がイメージ
ングボリュームの３つの直交方向の各々について増幅器
対を含む。特に一対のGx増幅器(３０１、３０２)、一対
のGy増幅器(３０３、３０４)、および一対のGz増幅器
(３０５、３０６)がある。増幅器の各対はMRIシステム
の傾斜磁場コイル１４に接続可能である。これらの増幅
器対は、直列増幅器または並列増幅器モードで運転する
ようにそれぞれ配列され得る。

【００３６】各対の増幅器に関連づけられて、直列/並
列モードに増幅器対の構成を設定するスイッチング回路
３０７、３０８、３０９がある。傾斜増幅器対のスイッ
チは、傾斜パルスシーケンサ１７などのようなMRIシス
テムの他の構成要素を制御する制御コンピュータまたは
プロセッサ１９によって制御されてもよい。スイッチは
プロセッサ１９に従って各傾斜方向、例えばGxに増幅器
とコイル対の構成を設定する。

【００３７】スイッチ３０７、３０８、３０９はシリコ
ン制御整流器(SCRまたはTRIAC)、電界効果トランジスタ
(FET)、または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGB
T) などの半導体のソリッドステートデバイスであり得
る。これらの半導体スイッチは個々のMRI走査シーケン
ス中、増幅器の直列/並列モード間を迅速な切り換えの
ため速い切り換え時間を提供する。代わりに、切り換え
は、走査シーケンス間だけを切り換えるようにより遅い
スイッチ速度が許容できるなら、機械的なリレー、接点
または他のこのような装置で形成されてもよい。

【００３８】図７および８は１組の増幅器、コイル、お
よび図２および３に示される有効な回路トポロジーを実
現するスイッチ配列を示す。図７で示された位置で単極
双投入（SPDT) スイッチ４１１、４１２、および４１３
が、図２に示されたような分割コイル接続を確立する。
図８で示された位置でスイッチ４１１、４１２、および
４１３が、図３の直列コイル接続を提供する。図２から
５の有効な回路配列を達成するために必要とされる実際
の回路において、接点を最少にすることが望ましい。例
えば、図９および１０は、単極双投入スイッチSPDT ４
１３（図７および８）から単極単一投入スイッチSPST
５１３へ１つのワイヤを変換し、かつ１つの接点を取り
除くことにより、図２および３の回路トポロジーを達成
する。SPDT ４１３からSPST ５１３への変更はコイル５
０１、５０２間の接点を（４０１、４０２と比較して)
減少する。また、他のトポロジー（図４および５に示さ
れる）は図９と図１０で示されるスイッチ５１１、５１
２、５１３の配列を使用して構成されてもよい。

【００３９】スイッチ接点、電圧、電流、および傾斜磁
場コイルへのワイヤの数は図７-８、９-１０、および１
１-１２に示される３つの配列の間で異なる。どんな配
列でも各々これらの局面を最少にすることは望ましい。
しかしながら、これらの図に示される各配列は１つの方
法で最良であり、ある他の方法で最悪である。興味があ
る電圧は (a) １つの増幅器がもう一方の出力電圧に
“乗る”図４のような増幅器端子電圧、(b) 開いたスイ
ッチ接点を横切る電圧、および(c)傾斜磁場コイル端子
での電圧である。興味がある電流は閉じられたスイッチ
接点を通過しなければならない最大電流である。

【００４０】さらに、ワイヤを傾斜磁場コイルに対して
最少にすることはしばしば望ましい。傾斜磁場コイル４
０１と４０２は通常、無線周波数(RF)遮蔽室にある磁石
の内側にある。傾斜磁場コイルへ電流を導くワイヤはRF
信号を除くローパスフィルタを通してRF遮蔽を通り抜け
る。運転モードを変えることに関連づけられるスイッチ
(例えば、図９と１０の５１１、５１２)は、スイッチ制
御線がRF遮蔽室を通り抜けないように、RF遮蔽室の外側
で電力増幅器と密接に関連づけられる。また、RF遮蔽室
からスイッチを排除することは、高い電力構成要素を一
緒に密集して保持する。２つの傾斜磁場コイルは、２つ
の配列のためRF遮蔽を通過しなければならない全部で４
つのワイヤを有し、一方他の配列のために３つのワイヤ
だけが要求に応じなくてはならない。表２を参照。簡単
のため、図９乃至図１４に示される配列の増幅器５０３
と５０４の共通の端子が接地に関してゼロボルトで作動
し、それらの最大出力電圧範囲が-Vから+V(Vだけが注意
されなければならない)であり、それらの最大出力電流
が-Iから+１である(Iだけが注意されなければならない)
と仮定される。

【００４１】図９乃至図１４は必要とされる最少数のス
イッチ接点を有し、それでも分割および並列モードトポ
ロジーを達成するスイッチング構成を示す。図９、図１
１、および図１３はそれぞれ図２、図４、および図５に
示された分割コイル接続に対応する。図１０、図１２、
および図１４は図３の並列/増幅器直列接続をすべて達
成する。

【００４２】図９は分離された増幅器５０３、５０４を
有する分割コイル構成５５０を示す。増幅器の共通端子
は電位において接近しており、同じ出力電圧を有する。
コイル５０１、５０２は密接に整合され、同じ電流を有
する。スイッチ５１１と５１２を横切る電圧はわずかで
ある。増幅器の出力電圧(V)は開いているスイッチ５１
３を横切って現れ、そして、スイッチ電流は表１に述べ
られたパラメタに関してIである。表２を参照。直列コ
イル構成５５１において、最大電位ピーク電圧が組合さ
れた増幅器出力電圧の半分であるとき、両スイッチ５１
１、５１２は作動している２つの直列コイル５０１、５
０２の中央に接続を有する。したがって、スイッチ電圧
は最大でV/２であり、ここに出力電圧はどちらかの増幅
器の出力電圧である。最大傾斜磁場コイル端子電圧はV
であり、それは両方のモード５５０、５５１で起こる。
スイッチ５１１と５１２は電流Iを導き、そしてスイッ
チ５１３は２つの増幅器の結合された出力による２倍の
電流２Iを導く。スイッチ５１３が単一投入であってさ
え、図９と１０で示された回路構成５５０、５５１にお
けるスイッチ接点の数は図１１から１４に示された回路
５５２から５５５よりも多い。その上、傾斜磁場コイル
５１０、５０２から全部で４つのワイヤが図９と１０で
示された構成５５０、５５１においてRF遮蔽を通り抜け
る。

【００４３】図１１と１２に示される増幅器、コイルお
よびスイッチ回路５５２、５５３は、より少ない数のス
イッチ接点５２１、５２２を達成するために、スイッチ
４１３(図７と８)の端子を一緒に有効的に接続する。図
１１に示される分割コイル回路５５２は、最大電圧状態
を達成するために増幅器５０３の共通の端子(５)を増幅
器５０４の出力(８)に接続する。スイッチ５２１、５２
２を横切って電圧(V)が存在する。図１２に示された直
列コイル/並列増幅器回路５５３は、スイッチ５２１、
５２２を横切って再び電圧(V/２)を有する。スイッチ５
２１と５２２は両方のモード５５２、５５３において電
流Iを導く。直列コイルモードの最大コイル端子電圧は
コイル５０１の頂部で２Vである。傾斜磁場コイル５０
１と５０２の２つの端子が常に一緒に接続されるので、
３つのワイヤだけがRF遮蔽を通過しなければならない。

【００４４】図１３と１４に示される増幅器、コイル、
およびスイッチ回路５５４、５５５はスイッチ４１１
(図７と８)のすべての端子をスイッチ５３２、５３３で
有効に一緒に接続し、それはスイッチ接点の数を減少さ
せる。増幅器５０３と５０４の共有端子(５)は、電圧を
低下させるために一緒に接続される。図１３に示される
分割コイルモード５５４において、スイッチ５３２を横
切る電圧はゼロであり、スイッチ５３３を横切る電圧は
Vである。図１４に示される回路配列５５５において、
スイッチ５３３、５３２を横切るV/２電圧が存在し、ス
イッチ５３２は分割コイルおよび直列コイルモードの両
方において電流Iを導く。図１３の態様５５４において
スイッチ５３３は電流Iを導き、図１４の態様５５５に
おいては２Iを導く。最大のコイル端子電圧はVである。
傾斜磁場コイルからの全部で４つのワイヤが回路５５
４、５５５についてRF遮蔽を通過する。

【００４５】図９から１４に示されたスイッチ回路の上
で説明された特性が表２にまとめられる。

【表２】図９から１４に示されたすべてのスイッチ配列は、電圧
Vを遠ざけねばならない少なくとも１つのスイッチを有
し、そのためすべての接点が好ましくはこの定格で設計
されるかもしれない。これらの回路配列のすべてにおい
て、スイッチ５１３と５３３は各々電流２Iを導かねば
ならない接点を有し、他方のスイッチは電流Iのみを導
かねばならない。図１１と１２の配列５５２、５５３は
高電流スイッチを避け、増幅器５０３と高電圧を有する
傾斜磁場コイル端子の電圧の代償で１つ少ないワイヤを
有する。図１３と１４の配列５５４、５５５は、図９と
１０の回路配列５５０、５５１において提供された増幅
器の共通接続部分間での絶縁の代償として１つの接点を
節約する。

【００４６】また、増幅器の利得が他のモードと比較し
て１つのモードにおいて反転される直列/並列増幅器シ
ステムの利点があるかもしれない。図１５から１８は１
つの増幅器が反転されて運転されるシステムを示す。図
１５は増幅器６０４の利得と反対であるように増幅器６
０３の利得を設定することによって、直列増幅器接続を
実現する有効な回路トポロジー６５０を示す。これは、
両方の増幅器が同じ入力電圧を受けるとき、傾斜磁場コ
イル６０１に適用された電圧+Vと傾斜磁場コイル６０２
に適用された電圧-Vによって示される。増幅器６０３と
６０４の共通の端子６０５は直列コイル接続のために一
緒に接続される。増幅器６０３と６０４の反対の利得は
この共通の端子が０ボルトであることを許容する。対称
のために、傾斜磁場コイル６０１と６０２との接続６０
６もまた０ボルトであり、仮想の接地である。コイルを
横切る全電圧は２Vであり、利用可能な電流は速いイメ
ージングモードのためにIである。図１６に示される直
列コイルおよび並列増幅器トポロジー６５１において、
増幅器６０３の利得は増幅器６０４の利得と同じであ
り、それらが並列増幅器モードで一緒に接続される。こ
れは傾斜磁場コイル６０２に適用される電圧-Vによって
示される。この並列増幅器モードにおいて、傾斜磁場コ
イル６０１は増幅器の共通端子６０５に接続される。図
１６は電圧Vと電流２Iがコイルに利用可能である高強度
イメージングモードを示す。傾斜磁場コイル６０１と６
０２の結合点６０６がV/２である。

【００４７】例示的増幅器、コイル、およびスイッチ回
路６５２、６５３が図１７と１８で示され、それは図１
５と１６の回路トポロジーを実現する。２つのスイッチ
６１１、６１２および３つの接点がスイッチングのため
に必要であり、わずか２つのコイル導線だけがRFスクリ
ーン室壁を通り抜ける必要がある。ピーク電圧はVであ
る。このアプローチの態様は表３にまとめられ、それは
表２と比較されるかもしれない。

【表３】図１５乃至図１８に示された回路トポロジー６５０-６
５３の難点は、表２（図９から１４)のものと比べる
と、スイッチ６１１の１つの接点が高電圧２Vに耐えな
くてはならず、そのためスイッチ６１２は大電流２Iを
導かなくてはならないことである。図１７と図１８に示
される回路６５２、６５３の２Iの電流容量は、２つのI
定格スイッチを並列にして合計４つのI定格接点を与え
ることによって達成することができる。従って、反転増
幅器を使用することによって最少数の接点を使用するこ
とができ、わずか２つのコイルワイヤだけがRF遮蔽室に
通じる必要がある。

【００４８】増幅器６０４利得の反転は多くの方法でな
され得る。増幅器６０３と６０４に差動入力を有するな
らば、増幅器６０３への入力接続は、二極双投入スイッ
チを使用することで反転されるかもしれない。図１９は
増幅器６０３へ単一終端入力のために利得を反転する１
つのスイッチ接点７１０がある簡単な演算増幅器回路７
００を示す。スイッチ７１０が開いているとき利得は+
１であり、スイッチ７１０が閉じられるとき、反転され
て(-１)である。利得(-１)の精度は値R_AMPとして示され
る２つの低抗７０２、７０４の比率によって設定され
る。値R_AMP/２の低抗７０６は臨界的ではなく、この値
は増幅器のDC性能の入力オフセット電流の影響を最小に
する。傾斜信号はデジタル傾斜要求値に作動しているデ
ジタル-アナログ変換器(DAC)によって通常供給される。
それぞれそれら自身のDACを有する増幅器６０３と６０
４を提供することは、DACの１つにデジタル値入力を否
定することによって反転を許容する。これはアナログス
イッチングに含まれない反転を許容する。

【００４９】

【発明の効果】発明によれば、速いイメージングシーケ
ンスの分割コイルモード、または高い強度イメージング
の、しかし長い立ち上り時間を有する直列コイルモード
を選択することをオペレータに可能にするMRIシステム
を提供することができる。

【００５０】発明は現在その好ましい実施例であると考
えられるものに関して説明された。発明は開示された実
施例に制限されるべきではない。むしろ、発明は請求項
の精神と範囲内に含まれる種々な変形と同等な配列をカ
バーする。

【図面の簡単な説明】

【図１】垂直主磁場MRI装置における主要な構成要素の
例示構成を示す全般的なブロック図ある。

【図２】例示的コイルと増幅器構成を示す概要図であ
る。

【図３】例示的コイルと増幅器構成を示す概要図であ
る。

【図４】例示的コイルと増幅器構成を示す概要図であ
る。

【図５】例示的コイルと増幅器構成を示す概要図であ
る。

【図６】傾斜増幅器とMRIシステムの関連構成要素の概
要ブロック図である。

【図７】増幅器、スイッチ、および傾斜磁場コイルを有
する電気回路、および２つのスイッチモードを示してい
る第１の実施例の概要図である。

【図８】増幅器、スイッチ、および傾斜磁場コイルを有
する電気回路、および２つのスイッチモードを示してい
る第１の実施例の概要図である。

【図９】増幅器、スイッチ、および傾斜磁場コイルの電
気回路、および２つのスイッチモードを示している第２
の実施例の概要図である。

【図１０】増幅器、スイッチ、および傾斜磁場コイルの
電気回路、および２つのスイッチモードを示している第
２の実施例の概要図である。

【図１１】増幅器、スイッチ、および傾斜磁場コイルを
有する電気回路、および２つのスイッチモードを示して
いる第３の実施例を示す概要図である。

【図１２】増幅器、スイッチ、および傾斜磁場コイルを
有する電気回路、および２つのスイッチモードを示して
いる第３の実施例を示す概要図である。

【図１３】増幅器、スイッチ、および傾斜磁場コイルを
有する電気回路、および２つのスイッチモードを示して
いる第４の実施例を示す概要図である。

【図１４】増幅器、スイッチ、および傾斜磁場コイルを
有する電気回路、および２つのスイッチモードを示して
いる第４の実施例を示す概要図である。

【図１５】反転された電力増幅器を有する実施例の電気
回路図である。

【図１６】反転された電力増幅器を有する実施例の電気
回路図である。

【図１７】反転された電力増幅器を有する実施例の電気
回路図である。

【図１８】反転された電力増幅器を有する実施例の電気
回路図である。

【図１９】反転された増幅器の概要図である。

【符号の説明】

１０…分極磁石構造１１…イメージングボリウム１
２…寝台１３…患者１４…傾斜磁場コイル１５…RF
コイル１６…RFコイル１７…パルスシーケンスコン
トローラ１７…傾斜パルスシーケンサ１８…パルス
シーケンサ１９…制御コンピュータ/プロセッサ２０…傾斜増幅
器２１…RF電源２２…RF増幅器２３…RF増幅器/
検出器２４…デジタイザ２５…制御端末２６…印
刷装置２００…分割コイル配列２０１．２０２…傾斜磁場コ
イル２０３．２０４…電力増幅器２０５…直列コイ
ル配列２０６…直列２０７…並列２０８．２０９
…接続２１０…分割コイル配列３０７．３０８…ス
イッチ４０１…傾斜磁場コイル４１１．４１２…ス
イッチ４１３…単極双投入スイッチ５０１…傾斜磁
場コイル５０１．５０２…コイル５０３．５０４…
増幅器５１０．５０２…傾斜磁場コイル５１１．５
１２…スイッチ５１３…単極単一投入スイッチ５２
１．５２２…スイッチ５３２．５３３…スイッチ５
５０…分割コイル構成５５１…直列コイル構成５５
２…分割コイル回路５５３…並列増幅器回路５５４
…分割コイルモード５５４．５５５…スイッチ回路６０１…傾斜磁場コイル６０２…傾斜磁場コイル６
０３…増幅器６０４…増幅器６０５…共通端子６
０６…結合点６１１．６１２…スイッチ６５０…回
路トポロジー６５１…並列増幅器トポロジー６５
２．６５３…スイッチ回路７００…演算増幅器回路
７０２．７０４…低抗７０６…低抗７１０…スイッ
チ接点

フロントページの続き (72)発明者ジョセフ・ダブリュ・カールソンアメリカ合衆国、カリフォルニア州 94708、ケンジントン、ケンブリッジ・アベニュー 240 (72)発明者ローレンス・イー・クルークスアメリカ合衆国、カリフォルニア州 94080、サンフランシスコ、グランドビュー・ドライブ 400内 (72)発明者レオン・コーフマンアメリカ合衆国、カリフォルニア州 94118、サンフランシスコ、フォース・アベニュー 161

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の傾斜磁場コイルを駆動する第１の
増幅器と第２の傾斜磁場コイルを駆動する第２の増幅器
とを含み、前記第１の増幅器及び前記第１の傾斜磁場コイルが前記
第２の増幅器及び前記第２の傾斜磁場コイルと分離した
分割コイルモードと、前記第１の増幅器と前記第２の増
幅器が並列に接続され、前記第１の傾斜磁場コイルと前
記第２の傾斜磁場コイルが直列に接続される直列コイル
モードを有する、磁気共鳴イメージングの傾斜磁場コイ
ル配列。
【請求項２】前記第１の傾斜磁場コイルと前記第２の
傾斜磁場コイルとは共同して静磁場に一定方向の傾斜を
与える請求項１の傾斜磁場コイル配列。
【請求項３】前記第１の増幅器がマスター増幅器であ
り、前記第２の増幅器がスレーブ増幅器である請求項１
の傾斜磁場コイル配列。
【請求項４】前記第１の増幅器は、前記第２の増幅器
と実質的に同じ最大電圧と電流を有する請求項１の傾斜
磁場コイル配列。
【請求項５】前記分割コイルモードと前記直列コイル
モードとを切り替えるためのスイッチをさらに備える請
求項１の傾斜磁場コイル配列。
【請求項６】前記第２の増幅器が反転利得増幅器であ
る請求項１の傾斜磁場コイル配列。
【請求項７】前記第１の傾斜磁場コイルと前記第２の
傾斜磁場コイルが前記分割コイルモードおよび直列コイ
ルモードの両方で一緒に接続される請求項１の傾斜磁場
コイル配列。
【請求項８】前記分割コイルモードから直列コイルモ
ードへ切り換える３つ以下の接点を有するスイッチをさ
らに含む請求項１の傾斜磁場コイル配列。
【請求項９】第１の傾斜磁場コイルを駆動する第１の
電源と、前記第１の電源とスレーブ関係で作動する、第２の傾斜
磁場コイルを駆動する第２の電源とを備え、前記第１の電源及び前記第１の傾斜磁場コイルが前記第
２の電源及び前記第２の傾斜磁場コイルから切り離され
た分割コイルモードと、前記第１の電源が前記第２の電
源に並列に接続され、前記第１の傾斜磁場コイルが前記
第２の傾斜磁場コイルに直列に接続される直列コイルモ
ードとを有する磁気共鳴イメージングの傾斜磁場コイル
装置。
【請求項１０】前記分割コイルモードと前記直列コイ
ルモードとの選択に応じて、前記第１および第２の電源
を、前記第１および第２の傾斜磁場コイルに接続するス
イッチをさらに含む請求項９の傾斜磁場コイル装置。
【請求項１１】磁気共鳴イメージング装置の1つの軸
に関わる複数の傾斜磁場コイルを２モードで駆動する方
法において、第１のモードでは、別々に増幅された傾斜電流により同
時に且つ個別に各傾斜磁場コイルを駆動し、第２のモードでは、複数の傾斜電流増幅器を並列に使用
して、同時に共同して前記軸に関わる全ての前記傾斜磁
場コイルを駆動する方法。