JP3721236B2 - 勾配増幅器装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
ここに開示すると共に特許を要求する発明は、全般的には磁気共鳴（ＭＲ）作像システムの勾配コイルを駆動する改良された増幅器に関する。更に具体的に言えば、本発明は、特定の作像シーケンスに要求されるように、敏速に変化する勾配磁界及び実質的に一定の勾配磁界の両方を発生するよう勾配コイルを駆動するように構成されている単一の切り換え増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
時間に対するＭＲ勾配コイルの磁界特性は一般的に、非常に急な勾配の側面を有している台形形状を成している。従って、コイルを駆動するために勾配増幅器から供給される電流も、同じように台形形状の特性を有していなければならない。台形の平坦な頂部の間に、即ち、駆動電流が最大値で実質的に一定であるときに、勾配コイルが必要とする電圧（Ｉ^* Ｒ）は、コイルの銅巻線の抵抗値Ｒによって主に決定されている（Ｉ^* は、複素数電流である。）。しかしながら、台形の電流特性のうちの傾斜部分又は勾配を有する部分の間に、電流が定電流のレベルの間を急速に変化しているときに、コイルの大きなインダクタンスＬによって、電流変化率に比例する他の電圧（Ｌｄｉ／ｄｔ）が必要になる。Ｌｄｉ／ｄｔ電圧は典型的には、Ｉ^* Ｒ電圧の１０〜２０倍である。このため、一般的には、勾配電流増幅器の設計において妥協が必要になる。
【０００３】
従来の１つの方式では、線形増幅器が使用されている。このような増幅器は、遭遇する可能性のある最大のＬｄｉ／ｄｔに対して寸法決めされており、その結果、増幅器動作の平坦な頂部の間に起こる低いＩ^* Ｒ電圧のときでも、消費電力が非常に大きくなる。
他の方式では、スイッチ・モード又はパルス幅変調（ＰＷＭ）増幅器の名前でも知られている切り換え増幅器を用いて、ＭＲ勾配コイルを駆動する。切り換え増幅器は一般的に、インバータと、高周波フィルタとを含んでいる。インバータは矩形電圧パルス列（トレイン）を発生し、このパルス列は、勾配コイルと直列であるフィルタに印加される。フィルタは、コイルに印加される出力電圧の高周波成分を除去し、このため、この出力電圧の主な成分は直流である。ＭＲ勾配の用途では、速い電流変化率、即ち、定電流レベルの間の電流の敏速な変化ができるようにするために、フィルタは比較的小さくなければならない。しかしながら、速い電流変化を許容するのに十分に小さなフィルタは、小さ過ぎて、平坦な頂部又は定電流動作の間に、駆動電流からリップルを除去することができなくなる傾向がある。リップルは、インバータによって発生された矩形波又はスイッチング周波数の成分である。ＭＲデータは一般的に、勾配動作の平坦な頂部の期間の間に収集されるので、リップルの擾乱は、このような勾配動作の平坦な頂部の期間の間に望ましくない。更に、Ｌｄｉ／ｄｔ電圧に必要な母線電圧によって、増幅器は小さいデューティ・サイクルで動作しているのに、平坦な頂部の間に大きなスイッチング損失が生ずる。
【０００４】
勾配増幅器の性能を改善する他の方式は、２つの別々の増幅器、即ち、１つはＩ^* Ｒ電圧に対して最適化された増幅器と、もう１つはＬｄｉ／ｄｔ電圧に対する増幅器とを有しているシステムを用いることである。例えば、良好な高忠実度を有する線形増幅器を勾配動作の平坦な頂部の期間の間に使用し、電流変化期間又は傾斜部に対して切り換え増幅器を使用することができる。しかしながら、この方式は余分な部品を必要とし、そのために、コストが高くなると共に、信頼性が低下する傾向がある。
【０００５】
【発明の要約】
ＭＲシステムの勾配コイルを駆動する装置を提供する。勾配コイルは、第１の期間の間に、急速に変化する勾配磁界を発生すると共に、その後の第２の期間の間には、実質的に一定の磁界を発生することが要求される。この装置は、コイルに印加されるコイル駆動電圧を発生する増幅器手段と、選択的に異なる振幅を有する第１及び第２の電圧をそれぞれ発生する第１及び第２の電圧源とを含んでいる。電圧源と増幅器手段との間にスイッチが結合されており、スイッチは、第１の期間の間には第１の電圧を増幅器手段に印加し、第２の期間の間には第２の電圧を増幅器手段に印加する。増幅器手段は、第１の電圧に応答をして、第２の電圧に応答するときとは選択的に異なるコイル駆動電圧を発生する。
【０００６】
好ましい実施例では、増幅器手段は、ＰＷＭ電圧を発生するインバータと、ＰＷＭ波を支配的に直流の電圧に変換するＬＣフィルタとを含んでいる。第１の電圧は、１０倍程度高いというように、第２の電圧よりも実質的に高いことが好ましい。動作周波数は第２の期間の間に、第１の期間の間よりも、４〜５倍程度高くすることができる。この代わりに、両方の期間の間に、周波数が同じであってもよい。
【０００７】
【発明の目的】
本発明の目的は、コイルの異なる動作段階の間に、ＭＲ勾配コイルを駆動する際に使用する単一の切り換え増幅器を提供することにある。
他の目的は、上に述べた形式の増幅器であって、電流が急速に変化するとき、及び電流が最大レベルのように一定に保たれているときの両方の変化期間の間に、一層最適な結果が得られるようにする増幅器を提供することにある。
【０００８】
他の目的は、上に述べた形式の増幅器であって、インバータに対する入力として印加される直流母線電圧を調節して、この電圧が、勾配コイル動作の間に負荷が変化するときに、勾配コイル負荷によって要求される最小レベルに設定されるようにすることにより、このような結果を達成する増幅器を提供することにある。
【０００９】
本発明の上述した及びその他の目的は、以下図面について詳しく説明するところから更によく明らかになろう。
【００１０】
【実施例】
図１には、ＭＲ作像システム（図面に示していない）に対し、インダクタンスＬ_c と、抵抗Ｒ_c とを有しているＭＲ勾配コイル１２を駆動する増幅器装置１０が示されている。増幅器装置１０は全般的に、切り換え増幅器１４と、２つの直流電圧源１８及び２０を有している２レベル母線のような調節自在な母線１６とを含んでいる。電圧源１８は１０００ボルトの電圧を発生し、電圧源２０は１００ボルトの電圧を発生することが有用である。切り換え増幅器１４は、インバータ２２と、ＬＣフィルタ２４とを含んでおり、このフィルタは、包括的なインダクタンスＬ_f を有している１つ又は更に多くの誘導子２６と、包括的な静電容量Ｃ_f を有している１つ又は更に多くのキャパシタ２８とを含んでいる。更に図１には、母線１６内に配置されているスイッチ３０が示されている。スイッチ３０は、１０００ボルトの電圧源１８又は１００ボルトの電圧源２０のいずれかをインバータ２２の入力端子２２ａに選択的に結合するように作用し得る。
【００１１】
前に述べたように、インバータ２２はＰＷＭ装置を含んでおり、ＰＷＭ装置は、入力電圧を受け取って、入力電圧に応答して矩形波出力電圧を発生する。それぞれのパルスの幅は必要に応じて可変である。更に、矩形波の振幅は入力電圧の振幅に正比例する。従って、インバータ２２の所与の増幅率に対し、電圧源１８がそれに印加されたときのインバータの出力の振幅は、電圧源２０が印加されたときの出力の振幅よりも１０倍大きくなる。簡単のため、インバータ２２は１の増幅率を有しているものとし、このため、スイッチ３０の選択的な作動によって、電圧源１８又は電圧源２０がインバータに結合されたときのそれぞれの出力は、１０００ボルト又は１００ボルトである。スイッチ３０は、ＭＲシステムの制御装置（図面に示していない）からそれに対して結合されたスイッチ制御信号Ｓ₁ によって駆動され得る。
【００１２】
公知のように、後で図３に関連して説明する形式のＨ字型ブリッジ・インバータでは、発振器又は同様なインバータ制御装置３２からの信号Ｓ_pwm によって駆動されるスイッチを含んでいる２つの枝路がある。２つの枝路から供給されるそれぞれのパルスの間の位相関係を選択的に調節することにより、ＬＣフィルタ２６から供給されるフィルタにかけた後の出力電圧の極性は、必要に応じて正又は負になる。更に、矩形波インバータの周波数は、制御装置３２のクロック信号の周波数を調節することにより、変化させることができる。
【００１３】
ＬＣフィルタ２４は矩形波インバータ出力電圧を受け取り、それを処理して、勾配コイル１２の両端に直流電圧Ｖを印加し、コイルを電流Ｉ_c で駆動する。フィルタ２４は、矩形波の振幅に等しい振幅を有する出力を発生するように設計されていることが有用であり、このため、電圧Ｖ_c は、スイッチ３０の動作によって決定される通りに、１０００ボルト又は１００ボルトである。
【００１４】
図２には、勾配磁界を発生するように駆動コイルを駆動するのに必要な電流Ｉ_c が示されている。時刻Ｔ₀ より前にはＩ_c はゼロである。このとき、Ｉ_c はゼロから時刻Ｔ₁ の２００アンペアまで急速に（例えば、数１００マイクロ秒以内に）増加しなければならない。その後、Ｉ_c は時刻Ｔ₂ まで２００アンペアに一定に止まり、時刻Ｔ₂ に、急速に時刻Ｔ₃ における−２００アンペアまで（例えば、数１００マイクロ秒以内に）減少する。その後、電流Ｉ_c は−２００アンペアのレベルに時刻Ｔ₄ まで一定に止まり、時刻Ｔ₄ に時刻Ｔ₅ のゼロまで増加する。
【００１５】
図２は更に、この図面に示した電流特性Ｉ_c を達成するのに必要な電圧Ｖ_c を示している。即ち、時刻Ｔ₀ に、スイッチ３０の作動により、電圧Ｖ_c が＋１０００ボルトになるように選択される。この電圧は、急速に増加する電流に対するＬｄｉ／ｄｔ項によって定められる高電圧条件を満たす。その後、Ｔ₁ とＴ₂ との間に、やはりスイッチ３０の作動により、Ｖ_c は＋１００ボルトに設定される。この低い電圧は、一定のコイル電流に対する前に述べた減少したコイル電圧の条件を満たす。Ｔ₂ とＴ₃ との間に、前に述べたように、インバータの２つの枝路の間の位相関係が変化する。そのため、電流Ｉ_c の急速な減少を達成するために、−１０００ボルトの大きな負の電圧がコイルに印加される。Ｔ₃ とＴ₄ との間に、Ｖ_c は−１００ボルトに設定され、Ｔ₄ とＴ₅ との間に、１０００ボルトに設定される。
【００１６】
切り換え増幅器１４の１００ボルトの動作モードの間に、フィルタ２４は、１０００ボルトの動作期間の間よりもずっと低い損失レベルで動作する。インバータ２２を１０００ボルトで１０ｋＨｚ程度の矩形波を発生するように作動させ、１００ボルトで５０ｋＨｚ程度の矩形波を発生するように作動させる場合、一層低い電圧で動作するときの損失は、一層高い１０００ボルトの動作レベルの場合よりも依然として小さいことがわかった。同時に、所与の寸法のフィルタ部品に対して、直流出力からリップルを減少させる点で、フィルタ２４は、周波数が高くなるにつれて、次第に効果的になる。このことが、電流Ｉ_c のリップル成分Ｒ_t 及びＲ_a を示す図２に示されている。Ｒ_t は、Ｖ_c が１０００ボルト、１０ｋＨｚ矩形波のフィルタ出力であるときのＴ₀ とＴ₁ との間の変化中の成分であり、Ｒ_a は、Ｖ_c が１００ボルト、５０ｋＨｚ矩形波のフィルタ出力であるときの、Ｔ₁ とＴ₂ との間の定電流期間又は平坦な頂部の期間の間の成分である。図２は、リップル成分Ｒ_a が成分Ｒ_t よりも実質的に小さいことを示している。このため、前に述べた２種電圧−２種周波数モードでインバータ２２を作動させることにより、データを収集する定電流期間の間の電流リップルを最小限に押さえながら、電圧Ｖ_c は電流のＬ_c 変化に対する高電圧条件を満たすのに十分である。
【００１７】
図３には、インバータ２２として有用な完全ブリッジ単相インバータ（Ｈ字型ブリッジ）３６が示されている。ブリッジ・インバータ３６は、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）・スイッチ、又はこの分野でＭＯＳＦＥＴとして知られているその他の半導体素子、ダーリントンＭＣＴ、ＧＴＯ及びバイポーラ・トランジスタのようなスイッチ３８及び４０を含んでいる。スイッチ３８及び４０は、インバータ制御装置３２のクロック（図面に示していない）によって決定された速度で駆動されて、前に述べた２種の周波数電圧、即ち、１０００ボルトの矩形波出力電圧に対する１０ｋＨｚ及び１００ボルトの出力電圧に対する５０ｋＨｚを発生する。Ｈ字型ブリッジの枝路３８及び４０の出力は、２３マイクロヘンリ程度の誘導子４４及び４６と、１マイクロファラド程度のキャパシタ４８とを含んでいるＬＣフィルタを介して、勾配コイル１２を駆動する。キャパシタと、誘導子とは、図３に示すように、相互に及びブリッジ型インバータ３６に接続されている。
【００１８】
図４には、本発明の変形が示されている。２つの増幅器５０及び５２が１つの勾配コイル１２に接続されており、その動作に必要な正及び負の電圧をそれぞれ供給する。両方の増幅器５０及び５２は、前に図１について説明した増幅器装置１０と同一又は同様である。増幅器５０及び５２に対するそれぞれのインバータは、図面に示していないが、インバータ２２と同様又は同一であってもよく、それぞれの出力電圧が相加わるように結合されている。両方の増幅器は、信号Ｓ_pwm によって制御される。この信号は、勾配コイル１２に印加される電圧Ｖ_c が、必要に応じて、それぞれ正又は負になるように選択されている。２つのコイル駆動増幅器５０及び５２を使用すると、勾配コイル１２の容量結合された大地電流が釣り合う。
【００１９】
本発明の他の変形では、調節自在な電圧母線１６は、ある電圧範囲内の任意の電圧に連続的に調節することができ、この連続的な調節は実時間で行われる。この調節は、制御信号Ｓ_pwm に応答してスイッチ３０を選択的に作動させることにより、又は１つ若しくは更に多くの電圧源１８及び２０の調節を通じて行われる。このため、電圧Ｖ_c は、台形波形以外の特性又は波形に従って勾配コイル１２を駆動することができる。
【００２０】
以上の説明から、本発明のこの他の多くの改変及び変更が考えられることは言うまでもない。従って、ここに説明した発明の範囲内で、本発明は、ここに具体的に説明した以外の形で実施し得ることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を簡略な形で示すブロック図である。
【図２】図１の実施例の電圧波形及び電流波形を示すグラフである。
【図３】図１の実施例に使用されているインバータの回路図である。
【図４】図１に示す実施例の変形を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 増幅器装置
１２ 勾配コイル
１４ 切り換え増幅器
１６ 調節自在な母線
１８、２０ 直流電圧源
２２ インバータ
２４ ＬＣフィルタ
２６ 誘導子
２８ キャパシタ
３０ スイッチ
３２ インバータ制御装置

Claims (7)

1. 勾配コイルを有しているＭＲシステムにおいて、第１及び第２の期間の間に前記コイルを駆動する勾配増幅器装置であって、
   少なくとも第１及び第２の電圧レベルを発生する調節自在な電圧母線と、
   入力電圧を受け取り、前記入力電圧の振幅により決定される振幅を有しているＰＷＭ波電圧を発生するインバータと、
   前記第１の期間に前記第１の電圧レベルを、前記第２の期間に前記第２の電圧レベルを前記インバータに対する前記入力電圧としてそれぞれ印加するスイッチ手段と、
   前記ＰＷＭ波電圧をフィルタ作用にかけて、前記勾配コイルを駆動する電圧を発生するフィルタ手段とを備え、
   前記勾配コイルを駆動する電圧は、前記第１の期間においては第１の駆動電圧を、前記第２の期間においては第２の駆動電圧を含んでおり、
   前記インバータと前記フィルタ手段は、集合的に増幅手段を構成しており、
   前記増幅器手段は、調節自在な動作周波数を有しており、前記増幅器手段は、前記動作周波数が前記第１の期間の間よりも前記第２の期間の間に選択的に一層高くなるように該動作周波数を調節する信号に応答している勾配増幅器装置。
2. 前記装置は、前記インバータにパルス幅変調信号を印加して、前記パルス幅を選択的に変化させると共に、こうして前記勾配コイルを駆動する電圧の極性及び大きさを選択する手段を含んでいる請求項１に記載の勾配増幅器装置。
3. 前記第１の電圧レベルは、前記第２の電圧レベルの１０倍程度であり、前記第２の期間の間の前記周波数は、前記第１の期間の間の前記周波数の５倍程度である請求項１に記載の勾配増幅器装置。
4. 前記装置は、前記コイルの各々の側に結合されている前記増幅器手段のうちの１つの増幅器手段と、前記電圧母線のうちの１つの電圧母線と、前記スイッチ手段のうちの１つのスイッチ手段とを含んでいる請求項１に記載の勾配増幅器装置。
5. 前記電圧母線は、ある電圧範囲内の任意の電圧に連続的に調節自在である請求項１に記載の勾配増幅器装置。
6. 前記電圧母線は、実時間で調節自在である請求項５に記載の勾配増幅器装置。
7. 前記増幅器手段は、前記第１及び第２の期間の間に実質的に一定である動作周波数を有している請求項１に記載の勾配増幅器装置。

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