JP3785171B2 - Ｍｒｉ勾配コイル用の電源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コイル、特にＭＲ装置の勾配コイルに電力を供給する回路装置に関する。この回路装置は、その磁場が少なくとも第２のコイルの磁場と相互に影響し合う少なくとも第１のコイルを含み、これらコイルは共に電流Ｉが流され、前記回路装置は少なくとも第１及び第２の電圧源と少なくとも第１及び第２の四重極スイッチングネットワークとも含み、これら四重極スイッチングネットワークは該ネットワークを通る電流Ｉがこれを介して制御される制御及び調節信号用の入力部を備え、第１の四重極スイッチングネットワークの入力部の２つの端子は、電位含有的(potential embracing fashion)に第１の電圧源に接続され、第２の電圧源は、第２の四重極スイッチングネットワークの入力部の少なくとも１つの端子に接続される。
【０００２】
【従来の技術】
磁気共鳴撮像方法は、現代の医療診断において極めて重要な役割を果たしている。このような撮像方法は、患者に危険が伴わず、検査ボリュームに関する空間情報を供給し、含まれる組織の型式に関する十分正確な情報も提供する。
【０００３】
この目的のために、磁気共鳴撮像装置は、組織内においてプロトン(proton)として起こる水素原子の核のスピンを利用する。ＭＲ装置により生成される外部の静止及び非静止磁場を用いて、放射される電磁放射線が、その放射線の周波数及び位相に基づいて放射位置に関する情報を提供するように、プロトンの一部が励起される。組織の個々の型式が高信頼度で区別されることを可能にするために、これら組織の様々な特徴が用いられる。この点において最も重要なことは、エネルギーを放射する間の励起の減衰、言い換えると長手方向の緩和と、個々のプロトン間の相互作用によるスピンの位相のずれ、すなわち横方向の緩和とである。
【０００４】
典型的な磁気共鳴撮像方法では、プロトンの磁気モーメントは、約１．５テスラの強い静止磁場によって１つの空間方向に配向される。短い電磁ＲＦパルスを用いて、個々のプロトンは、歳差運動へと励起され、次に外部の強い磁場に従って再び配向される。特に、励起及び緩和に関する時間と歳差運動の周波数とは、組織に依存し、測定の状況下では、これらが励起の空間符号化との関連で、異なる組織の空間における状況に関する情報を供給する。この空間符号化は、歳差運動の励起の位置依存周波数及び位相を利用し、測定されるＭＲ信号のフーリエ変換を介して、関連する放射位置に関する情報を提供する。
【０００５】
良好な画像品質のために、組織の型式を区別するためにこれら型式の幾つかの特徴を利用することが有用である。許容可能な検査時間内に適当な画像品質を達成する制限要因は、ＭＲ装置における磁場が変化することが可能な速度である。従って、増幅器及び電圧源と共に高い磁場強度の遷移を可能にするコイルシステムを開発することが進行中の目的である。
【０００６】
勾配コイルに電力を供給するために、２つの増幅器を給電されるべきコイルと直列に接続することは既に知られていて、これら２つの増幅器の一方は、通例は非常に強力であり、所望の程度からなる大きさの必要な電圧を発生する一方、他の増幅器は、如何なる不確定さが起こることも補償する。増幅器の出力段階は通常、パワートランジスタを用いてフルブリッジとして構成される。これらのトランジスタは通常、所望の電流及び電流過渡を達成するために、２０ｋＨｚから１００ｋＨｚの周波数でスイッチされるＩＧＢ(Insulated Gate Bipolar)トランジスタ又はＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect)トランジスタである。電力増幅器は、高い電流過渡の段階においてとりわけ必要な電圧を発生させる一方、この増幅器と関連付けられるフルブリッジは、定電流の段階において順方向に接続される。
【０００７】
ＭＲ勾配コイルに電力を供給する既知の回路装置は、個々の電力増幅器各々に対し別々の電圧源があることが必要である。従来のＭＲ装置が３つの空間座標に従う３つの勾配コイルを各々備えているので、このような装置の製造は非常に高額である。従来の回路装置は、かなりの量の絶縁が必要とされるために、この構成が通常は非対称であるような他の欠点を有する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
現在の先行技術の欠点を考慮すると、本発明の目的は、ＭＲ装置において可能な限り高速な磁場シーケンスを発生させることが可能であり、同時に経済的に製造されることが可能なコイルに電力を供給する回路装置を提供することである。その上、この回路装置は、拡張機能及び大きな組立体を可能にする一方で、同時に構成要素の数を減少させるモジュラー構造を持つべきである。
【０００９】
この目的は、本発明に従って前述した種類のコイルに電力を供給する回路装置を用いて達成され、この装置において、第１の四重極スイッチングネットワークの出力部の２つの端子は、それぞれ第１のコイル及び第２のコイルを介して、第２の四重極スイッチングネットワークの出力部の２つの端子に接続され、電流Ｉは、第１の四重極スイッチングネットワークから、第１のコイルを介し、第２の四重極スイッチングネットワークへ流れ、第２の四重極スイッチングネットワークから、第２のコイルを介し、第１の四重極スイッチングネットワークへ流れる。
【００１０】
特別な利点は、共通の容量を持つ共通の電圧源が複数のコイルシステムに電力を供給するように設けられることができるという事実にある。慣例的にＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に設けられる電圧源は、これによって、必要とされる空間方向の各々に対し利用可能である単一の電圧源に置き換えられることができる。第１の電圧源と第１の四重極スイッチングネットワークとからなる第１の増幅器は通常、それ程強力な型ではなく、第２の電圧源と第２の四重極スイッチングネットワークとからなる通常は強力な第２の増幅器においてスイッチングが起こっている間だけ僅かな電圧過渡を被るので、この第１の増幅器は更に経済的に構成されることができる。この回路装置の他の利点は、コイルの給電時における固有の対称性にある。同時に、第２の四重極スイッチングネットワークが故障する場合、第１の四重極スイッチングネットワーク又は第１の電圧源が損傷を受ける危険性は減少する。その上、使用される電圧源は、接地に関して対称的に有利に配されるので、ＭＲ装置の全ての構成要素に必要とされる絶縁が減少する。その上、回路装置のモジュラー構造は、後の段階で改装する、特に、電力増幅器としてＭＲ装置を使用する可能性を共に有利に拡張する第２の電圧源によって第２の四重極スイッチングネットワークを改装する有利な可能性を提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の他の有利な実施例において、制御信号の制御下で、少なくとも１つの四重極スイッチングネットワークが四重極スイッチングネットワークの出力部の電圧の極を入力部の電圧とは反対にして、この電圧を切り離し、チョークを行い及び／又は増幅し、入力部の端子及び出力部の端子がこれらの間及び／又は互いに短絡されることが可能である。本発明による回路装置に従って、上記スイッチ特性は、最適な電圧源を利用し、同時に電力供給の正確な制御を可能にするコイルに電力を供給する新しい自由度を提供する。
【００１２】
単一チャンネルのバージョンの回路装置に対し、第２の電圧源は、電位包含的に第２の四重極スイッチングネットワークの入力部の２つの端子に結合されることが有利である。第１の電圧源は、コイルに電力を供給する細かい調節に対し考えられ、第２の電圧源は、必要な大きさのコイル電流の発生に対し考えられる。両方の電圧源は、電圧のサージを避けるために、通例キャパシタンスと並列に接続される。２つの電圧源に関する回路装置の対称性と結果として生じる最小の絶縁要件とが特に有利である。
【００１３】
マルチチャンネル構造の回路装置に対し、電圧源は、第１の電圧源と直列に接続され、全電圧は、ｋ個の並列する第２の四重極スイッチングネットワークの入力部に印加され、ｋ−１個の他の第１の四重極スイッチングネットワークは、第１の四重極スイッチングネットワークに並列に接続され、第１の四重極スイッチングネットワークは、第２のスイッチングネットワークに関連し、第１の四重極スイッチングネットワークの出力部の端子は、コイルを介して関連する第２の四重極スイッチングネットワークの出力部に接続され、関連する四重極スイッチングネットワークを互いに接続するコイルの２つの磁場が互いに影響し合うという利点がある。本発明による利点、特に回路装置の拡張及びモジュラー構成の可能性に関する利点は、マルチチャンネル構成に対する拡張の場合に特に有利である。他のチャンネルは、初期構成を修正すること無く加えられ、そこにある電圧源は、有利に共通に使用される。
【００１４】
電圧源における電圧のサージが実質的に防がれることを補償するために、ｊ個の電圧源は、各々のスイッチを介して、第１の電圧源と並列に接続され、並列に接続された電圧は、ｉ＋１個の並列する第２の四重極スイッチングネットワークの入力部に印加され、ｉ個の他の第１の四重極スイッチングネットワークは、第１の四重極スイッチングネットワークに並列に配され、第１の四重極スイッチングネットワークは、第２の四重極スイッチングネットワークに関連し、第１の四重極スイッチングネットワークの出力部の端子は、コイルを介し、関連する第２の四重極スイッチングネットワークに接続され、関連する四重極スイッチングネットワークを相互接続するコイルの２つの磁場は、互いに影響し合うという利点がある。この回路装置は、これにより、大きな電流の場合でさえも、電圧の安定性に関する非常に厳しい要件を満たすことができる。
【００１５】
必要とされる絶縁の量を最小にするために、追加の並列接続される第２の四重極スイッチングネットワークの数ｋ、追加の第１の四重極スイッチングネットワークの数ｉ及び第１の電圧源に並列接続される追加の電圧源の数ｊが偶数であり、追加の第１の電圧源、追加の第１の四重極スイッチングネットワーク及び追加の第２の四重極スイッチングネットワークの装置が第１の電圧源又は第１の四重極スイッチングネットワーク及び関連する第２の四重極スイッチングネットワークに対し対称となるように構成されるときに分かる。一方では、このような対称構造はＭＲ装置の全ての構成要素に対し必要とされる絶縁の量を最小にし、他方ではコイルの強力な供与を補償する。
【００１６】
コイルに電力を供給するための電圧の要件が常に満たされることを可能にするために、電圧源は、スイッチを介し、互いに直列且つ第１の電圧源に直列に接続され、これらスイッチが閉じられるとき、全電圧はｋ個の並列する第２の四重極スイッチングネットワークの入力部に印加され、並列接続用のスイッチは、直列接続用のスイッチが閉じられるとき制御により開かれ、直列接続用のスイッチは、並列接続用のスイッチが閉じられるとき制御により開かれる。この装置は、電圧源の容量を十分利用し、コイルへ電力を供給するための制御に対する自由度及び追加の可能性を提供する。
【００１７】
エネルギーの損失も最小にするために、少なくとも１つの第２の四重極スイッチングネットワークの出力部の２つの端子は、スイッチを介し互いに接続され、これによって、これら２つのコイルは、特に定電流の段階中に、直に連続して直列接続される。対応する増幅器による熱損失の比較的高い損失が定電流の段階中に少なくとも部分的に避けられる。
【００１８】
電圧源の並列又は直列接続に用いられるスイッチ及びコイルの直列接続に用いられるスイッチは、好ましくはＩＧＢトランジスタ又はＭＯＳＦＥＴトランジスタのような有利なトランジスタである。四重極スイッチングトランジスタネットワークのスイッチとして、ＩＧＢトランジスタ又はＭＯＳＦＥＴトランジスタを使用することも理解する。
【００１９】
新しい回路装置と共に、入力部の４つの四重極スイッチングネットワークの１つは、両方の端子の少なくとも２つのトランジスタに接続され、出力側のトランジスタは、極包含的(pole embracing fashion)に出力部の２つの端子に対で共に接続されるという利点がある。ＩＧＢトランジスタ又はＭＯＳＦＥＴトランジスタにより有利に形成されるトランジスタは、１００ｋＨｚ及びそれ以上の周波数をスイッチすることを考慮してあるので、この種類のスイッチングネットワークは特に、コイルに電力を供給するのに必要な制御に好適である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
給電されるべきコイルは、図１及び図２において参照番号１及び２によって示される。これらコイル１、２の磁場は、ほぼ直線的な勾配の磁場強度が検査ボリューム中に生じるようにして相互に影響し合う。これらコイル１、２は、約１．５テスラの強さの静止磁場を発生させる主磁石内に配されるＭＲ装置の構成要素である。歳差運動を達成するように検査ボリュームにおけるプロトンの一部のＲＦ励磁用のコイルを送信及び受信することもこの主磁石内に配される。
【００２１】
コイル１、２は、第１の四重極スイッチングネットワーク６、第２の四重極スイッチングネットワーク７、第１の電圧源４及び第２の電圧源５を介して電力を入力する。図２に示されるように、第２の電圧源５は、電位包含的に第２の四重極スイッチングネットワーク７の入力側の２つの端子１４、１５に又は電圧源４と直列に接続されることが可能である。第２の装置の場合、入力側の端子１４にも既定の電位が供給され、これは、例えば、他の電圧源を介して、第１の四重極スイッチングネットワーク６の入力側の端子１１に接続又は接地される。四重極スイッチングネットワーク６、７は、入力部２０、２１における２つの端子１０、１１、１４、１５を具備する。前記端子の各々は、それぞれの直流電圧を入力する。四重極スイッチングネットワーク６、７は、出力部２２、２３において２つの端子１２、１３、１６、１７を各々具備する。前記端子は、対で２つのコイル１、２に接続される。
【００２２】
電流Ｉは、第１の四重極スイッチングネットワーク６の出力端子１２に接続されるコイル１を介して、第２の四重極スイッチングネットワーク７へ流れ、前記電流は同じ強さで、第２の四重極スイッチングネットワークの出力端子１６及びコイル２を介して、第１の四重極スイッチングネットワーク６へ戻ってくる。２つの四重極スイッチングネットワーク６、７及び磁場が互いに影響し合うコイル１、２からなる本発明による接続構造のために、コイル１、２に電力を対照的に供給することは、実質的に直線的な磁場の勾配が検査ボリューム内に起こるように常に保証される。四重極スイッチングネットワーク６、７は、フルブリッジとして構成され、入力部２０、２１における２つの端子１０、１１、１４、１５は、極包含的に出力部２２、２３における２つの端子１２、１３、１６、１７に対で接続される２つのＩＧＢトランジスタ２７に接続される。必要なときには、トランジスタ２７が制御及び調節信号用の入力部８、９を介してスイッチされる。このフルブリッジは、２つの端子１０、１１、１４、１５の電位が、極の反転、短絡及び１００ｋＨｚ及びそれ以上のスイッチング周波数で両方の出力端子に対する電位をスイッチすることを可能にする間、自由自在に入力部２０、２１から出力端子１２、１３、１６、１７へスイッチされることができる。これによって、コイル１、２を通る所望の電流Ｉが発生する。
【００２３】
図３は、任意の数に対する四重極スイッチングネットワーク、コイル及び電圧源の基本装置の拡張されたバージョンを示す。電圧源４の電圧は、複数の並列に接続された第１の四重極スイッチングネットワーク６、６ａの入力部２０に印加される。他の電圧源４ａは、電圧源４と直列に接続され、これら電圧源４、４ａの全電圧は、並列に接続された入力部２１に印加される。コイル１、２を通る各チャンネルにおける電流Ｉは、第１及び第２の四重極スイッチングネットワーク６、６ａ、７、７ａの制御及び調節信号用の入力部８、９を用いて制御され、電圧源４、４ａは全てのチャンネルによって共通に有利に使用される。
【００２４】
図４は、複数のチャンネルにおけるコイル１、２に本発明による電力を供給する実施例を示す。本発明による四重極スイッチングネットワーク６、６ａ、７、７ａ及びコイル１、２の装置は、本発明による電圧源４、４ａの特に強力且つ素早い構造３２の４つの端子２８、２９、３０、３１に接続されるように、入力部２０、２１において並列に接続されている。電圧源４、４ａは、スイッチ２４を介して直列に接続され、スイッチ２５を介して並列に接続される。並列接続用のスイッチ２５が制御により閉じられるとき、直列接続用のスイッチ２４が開き、スイッチ２４が制御により閉じられるとき、スイッチ２５が開く。大きな電流過度の段階又は電圧がピークになる場合、電圧源４、４ａは、全電圧が第２の四重極スイッチングネットワーク７、７ａの入力部２１にあるように直列に接続される。スイッチ２４及び２５は、ＩＧＢトランジスタとして構成される。回路装置は、中央電圧源４に対し対称的に構成される。
【００２５】
図５は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向においてコイル１、２に電力を供給するのに魅力的な３チャンネルのバージョンを示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による２つの四重極スイッチングネットワーク、２つの電圧源、２つのコイルからなる基本的な単一チャンネル装置を示す。
【図２】 本発明による２つの四重極スイッチングネットワーク、２つの電圧源、２つのコイルからなる特別な単一チャンネル装置を示す。
【図３】 スイッチングネットワーク、コイル及び電圧源からなる構造の本発明によるマルチチャンネル装置を示す。
【図４】 四重極スイッチングネットワーク、コイル及び必要に応じて互いに並列及び直列接続することができる電圧源の対称的なマルチチャンネル装置を示す。
【図５】 本発明による並列及び直列接続することができる電圧源、四重極スイッチングネットワーク及びコイルからなる３つのチャンネル装置を示す。
【符号の説明】
１：第１のコイル
２：第２のコイル
３：電流Ｉ
４：第１の電圧源
４ａ：電圧源
５：第２の電圧源
６：第１の四重極スイッチングネットワーク
６ａ：第１の四重極スイッチングネットワーク
７：第２の四重極スイッチングネットワーク
７ａ：第２の四重極スイッチングネットワーク
８：第１の四重極スイッチングネットワークの制御及び調節信号用の入力部
９：第２の四重極スイッチングネットワークの制御及び調節信号用の入力部
１０：第１の四重極スイッチングネットワークの入力端子
１１：第１の四重極スイッチングネットワークの入力端子
１２：第１の四重極スイッチングネットワークの出力端子
１３：第１の四重極スイッチングネットワークの出力端子
１４：第２の四重極スイッチングネットワークの入力端子
１５：第２の四重極スイッチングネットワークの入力端子
１６：第２の四重極スイッチングネットワークの出力端子
１７：第２の四重極スイッチングネットワークの出力端子
２０：第１の四重極スイッチングネットワークの入力部
２１：第１の四重極スイッチングネットワークの出力部
２２：第２の四重極スイッチングネットワークの入力部
２３：第２の四重極スイッチングネットワークの出力部
２４：スイッチ
２５：スイッチ
２６：スイッチ
２７：トランジスタ
２８：端子
２９：端子
３０：端子
３１：端子

Claims (10)

1. コイル、特にＭＲ装置の勾配コイルに電力を供給する回路装置であって、磁場が少なくとも第２のコイルの磁場と相互に影響し合う少なくとも第１のコイルを含み、これら両方のコイルには電流Ｉが流され、前記回路装置は、少なくとも第１及び第２の電圧源と、少なくとも第１及び第２の四重極スイッチングネットワークとも含み、前記ネットワークは、前記四重極スイッチングネットワークを通る前記電流Ｉが制御される制御及び調節信号用の入力部を備え、前記第１の四重極スイッチングネットワークの入力部の２つの端子は、電位包含的に前記第１の電圧源に接続され、前記第２の電圧源は、前記第２の四重極スイッチングネットワークの入力部の少なくとも１つの端子に接続される回路装置において、前記第１の四重極スイッチングネットワークの出力部の２つの端子は、それぞれ前記第１のコイル及び第２のコイルを介し、前記第２の四重極スイッチングネットワークの出力部の２つの端子に接続され、前記電流Ｉは、前記第１の四重極スイッチングネットワークから前記第１のコイルを介し、前記第２の四重極スイッチングネットワークへ流れ、前記第２の四重極スイッチングネットワークから前記第２のコイルを介し、前記第１の四重極スイッチングネットワークへ流れることを特徴とする回路装置。
2. 請求項１に記載の回路装置において、制御信号の制御下において、少なくとも１つの四重極スイッチングネットワークは、前記入力部の電圧に対し前記四重極スイッチングネットワークの出力部の電圧の極を反転させ、当該電圧を切り離し、チョークを行い及び／又は増幅させ、前記入力部の端子及び／又は前記出力部の端子は、前記端子間において及び／又は互いに短絡されることが可能なことを特徴とする回路装置。
3. 請求項１に記載の回路装置において、前記第２の電圧源は、電位包含的に前記第２の四重極スイッチングネットワークの入力部の前記２つの端子に接続されることを特徴とする回路装置。
4. 請求項１に記載の回路装置において、電圧源は第１の電圧源と直列に接続され、全電圧はｋ個の並列する第２の四重極スイッチングネットワークの入力部に印加され、ｋ−１個の他の第１の四重極スイッチングネットワークは前記第１の四重極スイッチングネットワークに並列に接続され、第１の四重極スイッチングネットワークは各々第２の四重極スイッチングネットワークに関連し、前記第１の四重極スイッチングネットワークの出力部の前記端子は各々コイルを介し、前記関連する第２の四重極スイッチングネットワークの出力部に接続され、前記関連する四重極スイッチングネットワークを相互に接続する前記コイルの前記２つの磁場が互いに影響し合うことを特徴とする回路装置。
5. 請求項１に記載の回路装置において、ｊ個の電圧源がそれぞれのスイッチを介し、前記第１の電圧源に並列に接続され、前記並列に接続される電圧は、ｉ＋１個の並列する第２の四重極スイッチングネットワークの入力部に接続され、ｉ個の他の第１の四重極スイッチングネットワークは前記第１の四重極スイッチングネットワークに並列に配され、第１の四重極スイッチングネットワークは、各々第２の四重極スイッチングネットワークに関連し、前記第１の四重極スイッチングネットワークの出力部の前記端子は、各々コイルを介し、前記関連する第２の四重極スイッチングネットワークの出力部の端子に接続され、前記関連する四重極スイッチングネットワークを相互に接続する前記コイルの２つの磁場は互いに影響し合うことを特徴とする回路装置。
6. 請求項５に記載の回路装置において、前記電圧源は、スイッチを介し、互いに且つ前記第１の電圧源に直列に接続され、前記スイッチが閉じられるとき、全電圧はｋ個の前記並列する第２の四重極スイッチングネットワークの入力部に印加され、並列接続用の前記スイッチは、直列接続用の前記スイッチが閉じられるとき制御によって開かれ、前記直列接続用のスイッチは、前記並列接続用のスイッチが閉じられるとき制御によって開かれることを特徴とする回路装置。
7. 請求項４、５又は６に記載の回路装置において、ｉ、ｊ及びｋは偶数であり、前記追加の第１の電圧源及び追加の第１の四重極スイッチングネットワークの装 置は、前記第１の電圧源又は前記第１の四重極スイッチングネットワークに対し対称的であることを特徴とする回路装置。
8. 請求項１に記載の回路装置において、少なくとも１つの第２の四重極スイッチングネットワークの出力部の前記２つの端子は、スイッチを介し互いに接続され、これによって前記２つのコイルは、特に定電流の段階中に直に連続して直列に接続されることを特徴とする回路装置。
9. 請求項６、７又は８に記載される回路装置において、前記スイッチはトランジスタであることを特徴とする回路装置。
10. 請求項１に記載の回路装置において、前記入力部の四重極スイッチングネットワークの少なくとも１つが両方の端子の少なくとも２つのトランジスタに接続され、前記出力側のトランジスタは、極含有的に出力部の２つの端子に対で共に接続されることを特徴とする回路装置。

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