JP4052696B2 - 電源装置及びこれを用いた磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電源装置に係わり、特に大電力を要求される静磁場,傾斜磁場,高周波磁場の発生に必要な各種電源に好適な電源装置及びこれを用いた磁気共鳴イメージング装置(以下、MRI装置という)に関する。
【0002】
【従来の技術】
MRI装置は、静磁場中に置かれた検査対象に高周波磁場をパルス状に印加し、検査対象から発生する核磁気共鳴信号を検出し、この検出信号をもとにスペクトルや画像を形成するものである。MRI装置には、磁場発生コイルとして静磁場を発生する超電導コイル,静磁場に重畳される傾斜磁場を発生するための傾斜磁場コイル、さらに高周波磁場を発生するための高周波コイルが備えられている。これら磁場発生コイルは所定の磁場強度の磁場を発生するために印加電流の大きさとタイミングを制御するための電源装置を備えている。このようなMRI装置では、静磁場や傾斜磁場や高周波磁場の磁場強度が最終的に得られる画像上のノイズや撮影時間に大きく影響する。
【0003】
また、短時間で診断に有用な画像を得るためにMRI装置の磁場電源として大電流電源が必要になってきている。このための電源装置を本発明者等は、特開平8−211139号公報に提案している。
この磁場電源装置の出力電流値は磁場強度に直接影響するので、最終的に得られるMRI画像への影響が大きく、このため高速応答,高精度の磁場電源装置が要求される。
【0004】
そこで、磁場コイルに流れる電流(磁場コイル電流)を検出し、これが磁場コイル電流の目標値に一致するように磁場コイル電流をフィードバック制御する機構を備えた電源装置が、特開平6−105823号,特開平6−181905号,特開平6−209913号,USP5,017,873,USP5,270,657,USP5,063,349に提案されている。
【0005】
このような磁場電源装置を用いてMRI画像を形成するに必要な磁場を発生するわけであるが、MRI装置は非常に微弱な信号を受信し、その信号をもとに画像を形成するために、対ノイズを考慮して上記磁場電源装置はガントリー,受信コイル等が設置されている検査室の外部に設置し、この検査室をシールドする(これをシールドルームと呼ぶ)。そして、磁場電源装置が発生するノイズが前記シールドルーム内の受信系に悪影響を及ぼさないようにするために、磁場電源装置と磁場コイルとの間にノイズフィルタを設けて、できるだけノイズの影響を受けない方法が特開平4−58938号に提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、出力電流の大電流化,高速応答化,高精度化やノイズの影響を極力受けない方法により、MRI画像の画質向上を図ってきたが、近年、さらなる撮影時間の短縮や高画質化等の要求により、出力電流の増大や高速応答,高精度化が必須である。
【0007】
このため、これに伴って磁場電源装置から発生するノイズも大きくなり、従来と同じノイズフィルタを設ける方法では対応できない。
すなわち、大電流化に伴い増加するノイズを除去するためのノイズ除去比(信号S/ノイズN)の高いノイズフィルタとこのノイズフィルタの影響を受けない磁場コイル電流の検出及び制御方法が必要となる。
【0008】
一般に、ノイズフィルタは、コンデンサとリアクトルをπ型に接続したもので構成され、これを磁場電源装置と負荷であるシールドルーム内に配置された磁場コイルとの間に接続し、前記コンデンサの一端をアースに接地する構成をとっている。
【0009】
図7は、直流電源1と、任意波形の電流を生成する任意波形生成手段2(半導体スイッチング素子で構成、特開平4−58938号を参照)と、コンデンサとリアクトルで構成されたノイズフィルタ30(コンデンサ301,303,リアクトル302),31(コンデンサ311,313,リアクトル312)とをシールドルーム40の中に設置されたMRI装置の磁場コイル50に接続した例を示す図である。
【0010】
図7において、出力電流IP,INはA点,B点の電位差により、その大きさと方向が決定される。このA点,B点はアースに対して電位が浮いており、不定なのに対して、ノイズフィルタのコンデンサ301,303,311,313の一端はアースに接続されている。このため、A点,B点からは前記コンデンサ301,303,311,313に向かって周波数の高い交流電流が流れる。この交流電流の発生はこのように構成された電源装置ではやむえない現象である。
【0011】
この交流電流は、前記コンデンサの静電容量に比例して大きくなるので、これまでは静電容量を小さくすることで対応してきた。しかし、出力電流の大容量化に伴い、前記ノイズフィルタの回路定数の見直しが必須となった。
このノイズフィルタのS/Nを高くするためには、前記コンデンサの静電容量とリアクトルのインダクタンスの値を適当に選定する必要があるが、特にコンデンサの静電容量を大きくすれば効果的となることが知られている。
【0012】
しかし、これでは前記コンデンサに流れる交流電流が増加してしまい、この電流成分が任意波形生成手段2の出力電流IP,INに重畳して、この出力電流IP,INの同相雑音(以下、コモンモードノイズ電流という)が増加する。
【0013】
そこで、前記任意波形生成手段2とノイズフィルタ30,31の間に電流検出器を入れて磁場コイル電流を検出すると、この磁場コイル電流と共に前記コモンモードノイズ電流も検出してしまい、これをフィードバックして磁場コイル電流を制御すると、この磁場コイル電流が変動し、これによって発生する磁場の強度が不均一となる。
【0014】
図8は磁場コイル電流と発生磁場の関係を示す図である。磁場コイル電流にゆらぎが含まれない理想的な場合には、磁場コイル電流と発生磁場の関係は(1)のようになる。
磁場コイル電流にゆらぎが含まれると、この磁場コイル電流に含まれる前記コモンモードノイズ電流の振幅と周波数により、(2)のようにゲインが変わったり、(3)のように△Hのオフセット分が重畳したりする。
【0015】
これらは、最終的にはMRI画像のボケやアーチファクト(被検体の実像の周辺にできる虚像)として現れ、画質を低下させる。対応策として電流検出手段を前記ノイズフィルタの出力側、すなわちシールドルーム内の磁場コイルの近傍に設ける方法が考えれるが、シールドルームの外に設置されている磁場コイイル電流の制御装置と前記電流検出手段との距離が長くなり、この間にノイズが混入するので、やはりノイズフィルタが必要となって、上記と同様のコモンモードノイズを含んだ電流を検出することになる。
【0016】
そこで、本発明の目的は、シールドルームの入り口にノイズフィルタが設けられていても、電源装置の出力電流である磁場コイル電流検出手段が雑音を検出しないようにして、高精度の電源装置及びこの電源装置を用いた高画質のMRI画像が得られる磁気共鳴イメージング装置を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、任意波形の電流若しくは電圧を生成する任意波形生成手段の出力電流を電流検出手段で検出し、ノイズフィルタを介して前記任意波形生成手段と接続される負荷に流れる負荷電流の目標値と前記電流検出手段で検出した電流値を一致させるように前記出力電流を制御する制御手段を備えた電源装置において、前記電流検出手段は、前記任意波形生成手段と前記ノイズフィルタとの間に配置されて、前記ノイズフィルタを介して前記電源装置のアースに流入、流出する電流を打ち消す向きに前記任意波形生成手段の出力電流が入力され、前記任意波形生成手段から出ていく電流とこの任意波形生成手段に入ってくる電流と同じ方向とすることによって達成される。
【0018】
このように構成することによって、ノイズフィルタ内のコンデンサを介してアースに流入、流出する電流によって発生するコモンモードノイズ電流成分を、上記電流検出方法により除去できるので、従来のようなコモンモードノイズ電流が混入した検出電流値でフィードバックされた結果、出力電流にゆらぎを生じるということがなくなり、この電流が供給される負荷を好適に制御できるという効果がある。
【0019】
また、本発明は、前記電流検出手段は、一組の非接触電流検出器を有し、
前記非接触電流検出器には、前記任意波形生成手段から出ていく電流と該任意波形生成手段に入ってくる電流とが、同じ方向となるように入力されるものである。(請求項3)
この構成では、電流検出手段として非接触電流検出器が一組で良いので回路構成の簡単化や調整の簡単化に効果がある。
【0020】
さらに、本発明の上記電流検出手段は、二組の非接触電流検出器を有し、一方の非接触電流検出器には、前記任意波形生成手段から出ていく電流が入力され、他方の非接触電流検出器には、前記任意波形生成手段に入ってくる電流を、前記一方の非接触電流検出器に入力された電流方向と同じ向きに入力され、これらの非接触電流検出器の出力を加算する演算手段を有する。(請求項4)
【0021】
この構成では、二組の非接触電流検出器を必要とするが、上記一組の非接触電流検出器を用いる場合にくらべて非接触電流検出器の電流定格が1/2ですむので、一組の電流検出器が小型となり電源装置への実装がしやすくなる。
【0022】
さらに、本発明の上記電流検出手段は、この電流検出手段に二組の抵抗器を用い、これらの二組の抵抗器のうちの一方の抵抗器で前記任意波形生成手段から出ていく電流による電圧降下を検出し、この電圧降下と同じ極性となるようにもう一方の抵抗器で前記任意波形生成手段に入ってくる電流による電圧降下を検出し、これらの抵抗器に生じる電圧降下を加算する演算手段から成る。(請求項5)
【0023】
この構成では、電流検出器に抵抗器を用いているため、高価な絶縁電流検出器を必要とせず、装置の低コスト化に有利となる。
さらに、本発明は、上記負荷に磁場コイルを用い、この磁場コイル用の電源装置として、上記の電源装置を備えたものである。(請求項6)
【0024】
上記電源装置を磁気共鳴イメージング装置の磁場コイル用電源とすることによって、上記任意波形生成手段と磁場コイルとの間にノイズフィルタを設けても、検出された磁場コイル電流に前記ノイズフィルタによって生じるコモンモードノイズ電流を含まないようにすることができる。したがって、磁場コイル電流を正確に検出することができ、これをフィードバックして磁場コイル電流の目標値に一致するように制御できるので、従来のように、磁場コイル電流にゆらぎを生じて、発生する磁場強度が変動するということがなくなる。これによって、MRI画像の画質を改善することができ、より安価で信頼性が高く、今後普及すると思われるEPI(Echo Planner Imaging)などの高速シーケンスに対応可能とすることができる。
【0025】
さらに、本発明は、上記磁気共鳴イメージング装置の磁場コイルをシールドルーム内に設置し、このシールドルームへの電源入力部近傍に上記ノイズフィルタを設けたものである。(請求項7)
【0026】
このように構成することによって、上記電源装置の任意波形生成手段等で発生する電磁波ノイズを上記受信系で受信しないようにすることができるので、MRI画像の画質に悪影響を及ぼさないようにすることができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電源装置及びこれをMRI装置の傾斜磁場コイルに適用した実施例について説明する。図1は任意波形生成手段の出力側にコモンモードノイズ電流を低減できる電流検出手段を設けた電源装置の第一の実施形態による回路構成図である。
【0028】
直流電源1は任意波形生成手段2に直流電圧を供給し、この任意波形生成手段2は電力用半導体スイッチング素子で構成された電力変換器で、任意波形の電流を出力する。
【0029】
任意波形生成手段2には、コモンモードノイズ電流を低減できる電流検出手段10が接続され、この電流検出手段10にて検出された検出値Idetは制御回路20に入力される。制御回路20には目標電流値Irefが入力され、これと前記検出値Idetが一致するようにフィードバック制御を行う。前記電流検出手段10の出力にはノイズフィルタ30,31を介して負荷である傾斜磁場コイルが接続されている。MRI装置はその受信系に前記電源装置の任意波形生成手段2からのスイッチングノイズ等の混入を防ぐために受信系や磁場コイル等をシールドルームの中にいれ、前記電源装置をこのシールドルームの外部に設置し、このシールドルームの電源入力部近傍に前記ノイズフィルタを接続する構成をとるものである。
【0030】
図2は、ノイズフィルタ30,31の構造と流れる電流を示している。ノイズフィルタ30,31は、コンデンサとリアクトル(ノイズフィルタ30側のコンデンサ301,303とリアクトル302、ノイズフィルタ31側のコンデンサ311,313とリアクトル312)がπ型に接続されたもので、コンデンサ301,303,コンデンサ311,313はアースに接地されている。ここで、任意波形生成手段2からの往路に流れる電流をIP,復路に流れる電流をIN,ノイズフィルタ30,31のコンデンサ301,311に流れる電流をIC1,コンデンサ302,312に流れる電流をIC2,傾斜磁場コイル50に流れる電流をIとすると、これらの間には以下の関係式が成り立つ。
IP−IC1−IC2=I (1)
I−IC1−IC2=IN (2)
(1)より
IP=I+IC1+IC2 (3)
【0031】
図3は電流検出手段10の構造で、電流検出器11にはカレントトランス,ホール素子等の非接触電流検出器を用い、これに被検出電流が流れる導体を貫通して非接触で検出するものである。図3に示すように、任意波形生成手段2の出力電流を磁場コイル50に供給する電気導体の往路と、折り返した復路の電気導体をそれぞれ電流が同一方向に流れるように電流検出器11に貫通することで、以下の関係式が示すようにノイズフィルタ30,31に流れる電流IC1,IC2を打ち消すことができ、電流検出器11は図4に示すよう磁場コイルに流れる電流Iの2倍の電流値を検出することになる。
IP+IN=(I+IC1+IC2)+(I−IC1−IC2)=2I (4)
【0032】
上記(4)で得られた電流検出器11の出力を増幅器12に入力し、公知の演算手法を用いて前記増幅器12で前記電流検出器11の出力を1/2にして検出電流値Idetを出力する。このように構成された電流検出手段10を備えることで、ノイズフィルタがある場合でも検出電流値に含まれるコモンモードノイズ電流を除去することができ、高精度に磁場コイル電流を検出することができる。したがって、これによって制御される磁場コイル電流と発生磁場強度の関係は、図8の(1)のようになり、従来の電流検出方法で生じていた図8の(2)に示すゲイン変動や(3)に示すオフセット△Hのない特性となり、これを用いて形成されるMRI画像は、ボケやアーチファクト(被検体の実像の周辺にできる虚像)のない高画質のMRI画像とすることができる。
【0033】
図5に本発明の第2の実施形態による電流検出手段13の構造図を示す。
電流検出器14と15の2個の電流検出器を用い、電流検出器14で検出した電流値IPと、電流検出器15で電流値IPとは逆向きに検出した電流値INを、加算器16に入力するものである。
【0034】
加算器16に入力した復路の検出電流値INは、増幅率1の反転増幅器60にて反転して、反転増幅器61に入力する。この反転増幅器61に往路の検出電流値IPも入力し、IPとINの両者を加算することによりコモンモードノイズ電流成分が打ち消される。前記反転増幅器61はその増幅率を1/2とすることにより、反転増幅器61の出力は磁場コイル電流Iと等しい値となる。
【0035】
このように構成することで、第1の実施例と同様にして高画質のMRI画像を得ることができる。図5の第2の本実施形態に用いた電流検出器14,15は図3の第1の実施形態に用いた電流検出器11にくらべて電流定格が1/2ですむので、電流検出器が小型となり電源装置への実装がしやすくなる。
【0036】
図6は、第3の実施形態で、電流検出器に抵抗器70,71を用いた例である。
抵抗器70,71の両端の電圧を検出して等価的に磁場コイル電流Iを検出するもので、抵抗器70で検出した電圧VPと、抵抗器71で検出した電圧VNを加算器21に入力する。この加算器21に入力した検出電圧VP,VNは絶縁増幅器62,63で絶縁し、この出力を反転増幅器60,61にて増幅,加算して、第2の実施形態と同様にして検出電流値Idetを出力する。このように構成することによって、第1,第2の実施形態と同様にして高画質のMRI画像を得ることができる。また、第3の実施形態では、電流検出器に抵抗器を用いているため、高価な絶縁電流検出器を必要とせず、装置の低コスト化に有利となる。
【0037】
なお、第2,第3の実施形態では、加算器16,21の反転増幅器等はアナログ回路で構成したが、これに限定するものではなく、デジタル回路やマイクロコンピュータ等を用いて構成することも可能である。
【0038】
【発明の効果】
以上で説明したように本発明によれば、シールドルームの電源入力部近傍にノイズフィルタが設けられていても、出力電流検出手段が雑音を検出しないようにして、高画質のMRI画像が得られる電源装置及び、これを用いた磁気共鳴イメージング装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の電流検出手段を用いた電源装置及びこれをMRI装置の傾斜磁場コイルに電流を供給する全体回路構成図。
【図2】ノイズフィルタと電流を示す図。
【図3】本発明の第1の実施形態による電流検出手段の構造図。
【図4】図3の電流検出手段の検出電流値を示す図。
【図5】本発明の第2の実施形態の電流検出手段の構造図。
【図6】本発明の第3の実施形態の電流検出手段の構造図。
【図7】コモンモードノイズ電流の発生メカニズムを示す図。
【図8】磁場コイル電流と発生磁場強度の関係を示す図。
【符号の説明】
1 直流電源
2 任意波形生成手段
10,13,20 電流検出手段
11,14,15 非接触電流検出器
12 増幅器
16,21 加算器
20 制御回路
30,31 ノイズフィルタ
40 シールドルーム
50 磁場コイル
70,71 電流検出用抵抗
Claims (7)
- 任意波形の電流若しくは電圧を生成する任意波形生成手段の出力電流を電流検出手段で検出し、ノイズフィルタを介して前記任意波形生成手段と接続される負荷に流れる負荷電流の目標値と前記電流検出手段で検出した電流値を一致させるように前記出力電流を制御する制御手段を備えた電源装置において、
前記電流検出手段は、前記任意波形生成手段と前記ノイズフィルタとの間に配置されて、前記ノイズフィルタを介して前記電源装置のアースに流入、流出する電流を打ち消す向きに前記任意波形生成手段の出力電流が入力されることを特徴とする電源装置。 - 前記任意波形生成手段の出力電流の前記電流検出手段への入力方向は、前記任意波形生成手段から出ていく電流とこの任意波形生成手段に入ってくる電流との方向が同じであることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
- 前記電流検出手段は、一組の非接触電流検出器を有し、
前記非接触電流検出器には、前記任意波形生成手段から出ていく電流と該任意波形生成手段に入ってくる電流とが、同じ方向となるように入力されることを特徴とするとする請求項2に記載の電源装置。 - 前記電流検出手段は、二組の非接触電流検出器を有し、
一方の非接触電流検出器には、前記任意波形生成手段から出ていく電流が入力され、
他方の非接触電流検出器には、前記任意波形生成手段に入ってくる電流を、前記一方の非接触電流検出器に入力された電流方向と同じ向きに入力され、
これらの非接触電流検出器の出力を加算する演算手段を有することを特徴とする請求項2に記載の電源装置。 - 前記電流検出手段は、この電流検出手段に二組の抵抗器を用い、これらの二組の抵抗器のうちの一方の抵抗器で前記任意波形生成手段から出ていく電流による電圧降下を検出し、この電圧降下と同じ極性となるようにもう一方の抵抗器で前記任意波形生成手段に入ってくる電流による電圧降下を検出し、これらの抵抗器に生じる電圧降下を加算する演算手段から成ることを特徴とする請求項2に記載の電源装置。
- 前記負荷に磁場コイルを用い、この磁場コイル用の電源装置として、請求項1乃至5に記載の電源装置を備えたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
- 前記磁気共鳴イメージング装置は、前記磁場コイルをシールドルーム内に設置し、このシールドルームへの電源入力部近傍に前記ノイズフィルタを設けたことを特徴とする請求項6に記載の磁気共鳴イメージング装置。
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