JP5809807B2

JP5809807B2 - 磁気共鳴撮像の傾斜ドライバアーキテクチャ

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Publication number: JP5809807B2
Application number: JP2011008340A
Authority: JP
Inventors: ホァン・マニュエル・リヴァス・ダヴィラ; リュビサ・ドラゴリュブ・スティヴァノヴィック; ホァン・アントニオ・サバテ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2031-01-19
Also published as: JP2012020106A; US8760164B2; US20110187369A1; DE102011000389A1

Description

本明細書に開示した主題は、磁気共鳴撮像システムに関し、またさらに詳細には磁気共鳴撮像システムの傾斜コイルドライバ構成に関する。

医療分野では医用撮像テクノロジーの利用が一般的になっている。こうした撮像テクノロジーは、患者の内部構造（内部組織や臓器、骨その他）及び／または生物化学的機能を表す画像を侵襲的手順を使用せずに収集することを可能にするのが典型的である。すなわち医用撮像テクノロジーは、患者の内部構造及び／または機能を外科処置その他の侵襲的手順を伴わずに観察可能とするのが典型的である。

こうした医用撮像テクノロジーの１つに磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）と呼ばれるものがある。ＭＲＩシステムは、磁場及び無線周波数（ＲＦ）エネルギーのパルスを利用して身体内の組織や構造に関する回転磁気特性に基づく画像を作成するのが典型的である。例えばＭＲＩシステムは、その内部にある影響を受けやすい分子（例えば、水分子内の水素原子核など）を全体的に方向付けするための主磁場並びにこの方向を乱すためのＲＦパルスを利用することがある。この乱れに続く主磁場内部の分子の方向復帰よって信号が生成され、これを検出し患者内の内部構造及び／または機能に関する画像の作成に使用することができる。その発生させる信号がｘ軸、ｙ軸及びｚ軸を基準として位置特定されるようにさらに時間変動する傾斜磁場を対象に対して印加し、これにより画像の作成を可能にさせることがある。

この時間変動の傾斜磁場は、大きなダイナミックレンジを有する電流のパルス状シーケンスにより駆動させたＭＲＩシステム内の傾斜コイルによって発生させることがある。このパルス状シーケンスは典型的には、ＭＲＩシステム内の傾斜ドライバによって傾斜コイルに伝達される。傾斜ドライバは一般に、直列及び／または並列に接続させた半導体のアレイを含んでおり、これらはより大振幅のパルスシーケンスを駆動するために積み重ねられることがある。しかし傾斜ドライバの典型的な構成では、熱的な不安定及び／または電気的な損失を生じることがあり、このためＭＲＩシステムの効率の低下及び／または設計の複雑化を生じる。

本発明の実施形態は磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムを含む。本ＭＲＩシステムは、スキャンボリュームの周りに円筒状に配置させた傾斜コイルと、該傾斜コイルと結合させた２つ以上の交互配置傾斜ドライバと、を含む。この２つ以上の傾斜ドライバの各々は、傾斜コイルにより利用される電流の最大振幅未満の振幅を伝達するように構成されている。

別の実施形態は、スキャンボリュームの周りに円筒状に配置させた傾斜コイルと、該傾斜コイルに結合させた傾斜ドライバと、該傾斜ドライバに結合させた制御回路と、を含む磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムを提供する。傾斜ドライバは、傾斜コイルにパルスシーケンスを伝達するように構成されると共に、その各々が複数のスイッチを含んだ第１の交互配置ドライバを第２の交互配置ドライバに結合させて含んでいる。制御回路は、第１の交互配置ドライバ及び第２の交互配置ドライバの動作を実質的に制御することが可能である。

さらに別の実施形態は磁気共鳴撮像システム向けの傾斜コイルドライバを提供する。この傾斜コイルドライバは、第１の複数の切替用半導体を有する第１のマルチレベルドライバと該第１のマルチレベルドライバに結合させた第２のマルチレベルドライバとを含んでおり、該第２のマルチレベルドライバもまた第２の複数の切替用半導体を含んでいる。第１のマルチレベルドライバは、第２のマルチレベルドライバと同時に動作する、あるいはこれと交互に動作するように構成される。

本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。

本開示の一態様による複数のマルチレベル直列ドライバを利用するＭＲＩシステムの一実施形態を表した模式図である。従来のマルチレベル直列傾斜ドライバの構成の回路図である。並列構成を有する傾斜ドライバの回路図である。本開示の一態様による２−３レベル直列傾斜ドライバの回路図である。本開示の一態様による２−２レベル直列傾斜ドライバの回路図である。

ここで図面を参照し先ず図１を見ると、スキャナ１２、スキャナ制御回路１４及びシステム制御回路１６を含むような磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム１０を模式的に表している。ＭＲＩシステム１０は適当な任意のＭＲＩスキャナや検出器を含み得るが、図示した実施形態のシステムは患者２２を所望のスキャン位置に配置できるようにその内部にテーブル２０を位置決めし得る撮像ボリューム１８を備えた全身用スキャナを含む。スキャナ１２は追加としてまたは別法として、頭部や頚部などの特定の解剖部位を目的とするように構成されることがある。

スキャナ１２は、制御された磁場を生成するため、無線周波数（ＲＦ）励起パルスを発生させるため、並びに該パルスに応答して患者内部の磁気回転物質からの放出を検出するために、対応する一連のコイルを含むことがある。図１の模式図では、全体として撮像ボリューム１８と整列させた主磁場を発生させるために主マグネット２４が設けられている。検査シーケンスの間に制御された傾斜磁場を発生させるように一連の傾斜コイル２６、２８及び３０を１つまたは複数の傾斜コイルアセンブリとなるようにグループ分けしている（これについては以下でさらに十分に説明することにする）。磁気回転物質を励起するためのＲＦパルスを発生させるためにＲＦコイル３２が設けられている。スキャナ１２に対しては、その全体を参照番号３４で示すような適当な任意の方式でパワーを供給することがある。図１に示した実施形態では、ＲＦコイル３２が受信コイルの役目もすることがある。したがってＲＦコイル３２は、磁気回転物質からの放出を受け取ること及びＲＦ励起パルスを印加することのそれぞれに関する受動モード及び能動モードにおいて駆動及び受信回路と結合させることがある。別法として、ＲＦコイル３２から分離させた受信コイルに関する様々な構成が設けられることもある。こうしたコイルは、目標の解剖部位に対して特に適応させた構造（例えば、頭部コイルアセンブリその他）を含むことがある。さらに受信コイルは、フェーズドアレイコイルその他を含め適当な任意の物理構成で設けられることがある。

本構成では傾斜コイル２６、２８及び３０は、制御パルスを印加したときに傾斜磁場を発生させるコイル構造が形成されるように巻き付けまたは切断された導電性のワイヤ、バーまたはプレートから形成されることがある。傾斜コイルアセンブリ内部におけるコイルの配置は、幾つかの異なる順序かつ様々な構成で実施することができ、またスキャナ１２はさらに傾斜コイル２６、２８及び３０を遮蔽するために（以下に記載する方式で）補完的な傾斜コイルを含むことがある。一般にｚ傾斜コイル２６は最外側の箇所に位置決めされることがあると共に、ＲＦ磁場に対する影響がかなり少ないソレノイド様構造として形成されるのが一般的である。傾斜コイル２８及び３０はｘ軸コイルとｙ軸コイルのそれぞれとし得る。

スキャナ１２のコイル２６、２８、３０及び３２は、所望のパルス状磁場の生成のため、並びに制御された方式による磁気回転材料からの信号の誘導のために外部回路によって制御を受けることがある。患者の組織内に典型的には拘束されている材料が主磁場を受けると、組織内の常磁性の原子核の個々の磁気モーメントは該磁場と部分的に整列する。正味の磁気モーメントが偏向磁場の方向に生成されると、垂直面内で該モーメントのランダムな方向を向いた成分が全体として互いに相殺し合う。検査シーケンス中にＲＦコイル３２は、関心対象物質のラーモア周波数またはこれに近い周波数でＲＦパルスを発生させ、これにより正味の横磁気モーメントを生成するように正味の整列モーメントに回転を生じさせることがある。この横磁気モーメントは主磁場方向の周りで歳差運動してＲＦ信号を発生させ、この信号がスキャナ１２により検出されて所望の画像を再構成するように処理される。

傾斜コイル２６、２８及び３０は精細に制御された磁場を、その強度が事前定義の視野域全体にわたり典型的には正極性と負極性に伴って変化するように発生させる役割をすることがある。各傾斜コイル２６、２８または３０が既知の電流によって付勢されると、得られる磁場傾斜が主磁場の上に重なり合うと共に、視野域全体にわたる磁場強度の軸方向成分に望ましい線形変動を生じさせる。この磁場はある１つの方向では線形に変動することがあるが、別の２つの方向では均一となることがある。３つの傾斜コイル２６、２８及び３０はその変化方向に関して互いに直交する軸を有しており、これにより３つの傾斜コイル２６、２８及び３０を適当に組み合わせた任意の方向に線形磁場傾斜を印加することが可能となる。

このパルス状傾斜磁場は、撮像過程に不可欠な様々な機能を実行することがある。これらの機能のうちの幾つかは、スライス選択、周波数エンコード及び位相エンコードである。これらの機能は、元の座標系のｘ、ｙ及びｚ軸に沿って、あるいは個別の磁場コイルに印加されるパルス状電流の組み合わせにより決定される別の軸に沿って適用することが可能である。

スライス選択傾斜磁場は、患者内の撮像しようとするある厚みの組織や解剖部位を決定することがあり、また同じ周波数で歳差運動し得る既知のスピンボリュームを励起するために周波数選択ＲＦパルスと同時に印加されることがある。このスライス厚は、ＲＦパルスの幅及び視野域全体にわたる傾斜強度によって決定されることがある。

読み出し傾斜とも呼ばれる周波数エンコード傾斜は、スライス選択傾斜と直交する方向で印加されるのが通常である。一般に周波数エンコード傾斜は、ＲＦ励起に由来するＭＲエコー信号の形成前や形成中に印加される。この傾斜の影響を受けた磁気回転物質のスピンは、傾斜磁場に沿ったその空間的位置に従って周波数エンコードされる。収集された信号をフーリエ変換によって解析し、周波数エンコードによって選択したスライス内のその箇所を特定することができる。

最後に、位相エンコード傾斜は一般に、読み出し傾斜前かつスライス選択傾斜後に印加される。磁気回転物質内のスピンの位相エンコード方向での位置特定は、データ収集シーケンス中に順次印加される若干異なる傾斜振幅を用いて物質の歳差運動するプロトンに対して位相変動を順次誘導することによって実施される。位相エンコード傾斜によって位相エンコード方向でのその位置に従って物質のスピンの間に位相差を生成することが可能となる。

上述した例示的な傾斜パルス機能、並びに本明細書では明示的に記載していない別の傾斜パルス機能を利用するパルスシーケンスについては、多くの変形形態を考案することができる。さらに、選択したスライス並びに周波数及び位相エンコードを適当に方向付けし所望の物質を励起させると共に得られたＭＲ信号を収集して処理するようにパルスシーケンスの適応を実施することがある。

スキャナ１２の各コイルは、所望の磁場及び無線周波数パルスを生成するようにスキャナ制御回路１４によって制御を受ける。図１の模式図では制御回路１４はしたがって、検査中に利用するパルスシーケンスを指令するため並びに受信した信号を処理するための制御回路３６を含む。制御回路３６は、汎用または用途特定のコンピュータのＣＰＵやディジタル信号プロセッサなどの適当な任意のプログラム可能論理デバイスを含むことがある。さらに制御回路３６は、スキャナ１２により実現させた検査シーケンス中に使用される物理及び論理軸構成パラメータ、検査パルスシーケンス記述、収集画像データ、プログラミングルーチン、その他を保存するための揮発性及び／または不揮発性のメモリデバイスなどのメモリ回路３８を含むことがある。

制御回路３６とスキャナ１２のコイルの間のインタフェースは、増幅／制御回路４０によって、また送信／受信インタフェース回路４２によって管理されることがある。増幅／制御回路４０は、制御回路３６からの制御信号に応答して駆動電流を供給するために各傾斜磁場コイル２６、２８及び３０向けの増幅器を含む。増幅／制御回路４０はさらに、傾斜磁場コイル２６、２８及び３０に駆動電流を伝達するように構成された傾斜ドライバ５８を含むことがある。傾斜ドライバ５８は、電気的に直列結合とした幾つかの切替用半導体に対して異なる電圧を提供し得るようなマルチレベル変換器として実現されることがある。本明細書で使用する場合に傾斜ドライバ５８のことをさらに、マルチレベル変換器と呼ぶこともある。幾つかの実施形態ではその傾斜ドライバ５８はＭＲＩシステム１０内の電気的損失を低下させるように構成されることがある。例えば、傾斜ドライバ５８を交互配置とさせること、また傾斜コイルを駆動するために２つ以上のマルチレベル変換器を含めることがある（これについてはさらに検討することにする）。

受信インタフェース回路４２はＲＦコイル３２を駆動するための追加的な増幅回路を含む。さらに、ＲＦコイル３２がＲＦ励起パルスの放出とＭＲ信号の受信の両方の役割をしている場合には、受信インタフェース回路４２は、能動モードすなわち送信モードと受動モードすなわち受信モードとの間でＲＦコイルをトグル切替えするための切替デバイスを含むことがある。主マグネット２４を付勢させるために、その全体を図１の参照番号３４で表した電源が設けられている。最後にスキャナ制御回路１４は、構成及び画像データをシステム制御回路１６とでやり取りするためのインタフェース構成要素４４を含む。

システム制御回路１６は、オペレータや放射線医とスキャナ１２の間のスキャナ制御回路１４を介したインタフェースを容易にするために広範なデバイスを含むことがある。図示した実施形態では例えば、汎用または用途特定のコンピュータを利用するコンピュータワークステーションの形態をしたオペレータワークステーション４６が設けられている。このオペレータワークステーション４６もまた典型的には、検査パルスシーケンス記述、検査プロトコル、ユーザ／患者データ、画像データ（未処理データと処理済みデータの両方）、その他を保存するためにメモリ回路を含んでいる。このオペレータワークステーション４６はさらに、データの受信並びにローカル及びリモートのデバイスとのデータやり取りのために様々なインタフェース及び周辺ドライバを含むことがある。図示した実施形態では、こうしたデバイスには、モニタ４８、従来のコンピュータキーボード５０や、マウス５２などの代替的入力デバイスが含まれる。ドキュメントや収集データから再構成した画像のハードコピー出力を作成するためにプリンタ５４が設けられている。さらにシステム１０は、様々なローカル及びリモートの画像アクセス／検査制御デバイス（図１において全体を参照番号５６で表す）を含むことがある。これらのデバイスには、画像蓄積伝送システム（ＰＡＣＳ）、遠隔放射線（ｔｅｌｅｒａｄｉｏｌｏｇｙ）システム、その他を含むことがある。

ＭＲＩシステム１０は、様々な患者に関する画像や患者身体からの様々な箇所についての画像を含め様々なタイプの画像を作成するように構成させることがある。したがって、ＭＲＩシステム１０の態様、あるいは作成しようとする画像、患者上の撮像対象の箇所、患者の条件、その他といったＭＲＩシステム１０の適用に関する特徴に応じて、異なる傾斜フラックスが望まれることがある。傾斜コイル２６、２８及び３０に付与されるパルスシーケンスは、所望の物質を励起し得られる処理用信号を収集するためにこれらコイル２６、２８及び３０が選択スライスを適当に方向付けしかつ周波数及び位相をエンコードできるように十分正確としかつ調節可能とすべきである。

したがって、傾斜フラックスにより作成される画像の品質及び分解能は傾斜ドライバ５８によってコイル２６、２８及び３０に伝達されるパルスシーケンスの分解能に依存することがある。目下のＭＲＩシステムの典型的な構成及び用途のために、傾斜コイルはより振幅が大きいパルスシーケンスを利用することがあり得る。したがって、傾斜ドライバ５８を設計する際に高忠実度かつ高パワーのパルスシーケンスを伝達する能力が考慮されることがある。本明細書で使用する場合にパルスシーケンスとは、傾斜フラックスを発生させるための傾斜ドライバ５８の出力及びコイル２６、２８及び３０に供給される電流のことを意味している。パルスシーケンスは長さを可変とすることができまた任意の波形形状を有することができるが、これはシステム１０またはシステム１０の用途に依存することがある。

幾つかのＭＲＩシステムは、マルチレベル回路構造を実現することによってより大パワーのパルスシーケンスの提供という問題に対処している。図２にマルチレベル直列傾斜ドライバ６０の一例を提供している。マルチレベル直列傾斜ドライバ６０は、互いに重ね合わせたドライバコンポーネント６２を複数のレベルで有しており、この各々は１つの電圧供給源６４と複数の切替用半導体６６を有する。ドライバコンポーネント６２ａなどの「ドライバコンポーネント」がマルチレベルドライバ６０のレベルの１つを意味しており、またこれには１つの電圧供給源６４ａと複数の切替用半導体６６を含むことがある。あるドライバコンポーネント６２ａの出力６８は、マルチレベル直列傾斜ドライバ６０内で重ね合わせられた隣接するドライバコンポーネント６２ｂの入力７０に接続されることがある。この構成では、各電圧供給源を概ね５００〜７００Ｖを供給するように構成し得る一方、傾斜コイルを駆動するために概ね１５００〜２０００Ｖが出力されるようにその切替パターンを調整することが可能である。

典型的なＭＲＩシステムは、傾斜コイル電流を高速で変化させる必要がある撮像シーケンス手順を有することがある。傾斜コイル電流に関する高速の変化を実現するには、傾斜コイルの端子間に大きな電圧出力を加えることが必要となることがある。単一の直列接続式傾斜ドライバ構成では、適当な出力の伝達に不十分であることがあり得る。さらに幾つかの典型的なシステムでは傾斜ドライバは、傾斜コイルの電流機能を増大させるように並列に結合させた複数のドライバコンポーネントを有するように構成されることがある。本明細書において並列ドライバ８０と呼ぶような並列パッケージ型傾斜ドライバ８０の一例を図３に提供しており、図３ではドライバコンポーネント８２及び８４を変成器８６を介して並列に結合させている。変成器８６は、２つのドライバコンポーネント８２と８４の間での適正な電流共有を保証するために利用される。並列結合のドライバコンポーネント８２及び８４も、本図示における別の２つのドライバコンポーネント８８及び９０と直列に接続させることがある。

並列のドライバ８０が撮像シーケンス手順での必要に応じてより大きな電流振幅を伝達可能となり得るため、ドライバコンポーネントに対する並列型パッケージによれば傾斜コイルの電流機能が増大することがある。しかし並列接続におけるパッケージ寄生（ｐａｃｋａｇｅｐａｒａｓｉｔｉｃｓ）のために、異なるドライバコンポーネントの半導体間での電流共有が均等でないことがある。例えばドライバコンポーネント８２及び８４内の半導体スイッチが別のドライバコンポーネント８８及び９０内のスイッチと比べて動作がかなり高速であることがある。半導体間の電流共有が不均等であると、電気的損失や並列のドライバ８０の熱不安定につながることがある。幾つかの実現形態では、熱不安定によって高信頼に並列接続可能な半導体パッケージの数が制限されることがある。傾斜ドライバに使用される典型的な半導体の熱係数（多くの場合、負の熱係数となる）の不整合のために、温度が変動したときに半導体の性能について予測可能性や効率が低下することがある。熱不安定によってさらに、熱暴走が生じることがあり、これが半導体の損傷や並列ドライバ８０の効率や機能の低下につながることがある。並列ドライバ設計に関するこうした潜在する熱的な不安定を防止することに努力が向けられることによって設計の複雑性やコストが増大することがある。

さらに典型的な並列パッケージ型傾斜ドライバ８０は、傾斜コイルに対してある具体的なパルスシーケンスを伝達するために切替用半導体の全部が必要ではない場合であっても切替用半導体の全部を動作させる（例えば、オン・オフに切替える）ように設計されることがあり得る。例えば並列ドライバ８０は、ある具体的なＭＲＩシステムにおける傾斜コイルにより要求されることがある最大出力の伝達に必要とする数の切替用半導体をその各々が備えるようなドライバコンポーネント数（例えば、８２、８４、８８及び９０）を有するように設計されることがある。ＭＲＩシステムのある具体的な撮像用途では、傾斜コイルが並列ドライバ８０に対して常に最大出力を要求することがないように大きなダイナミックレンジを有するパルスシーケンスを必要とすることがある。傾斜ドライバから最大出力が要求されないときは、ドライバコンポーネントの全部を動作させる（例えば、オン・オフに切替える）ことを必要としないことがある。しかし典型的な並列パッケージ型の傾斜ドライバ８０は一般に、ある種のドライバコンポーネントを選択的に利用するように構成されていない。したがって並列ドライバ８０内の全部の切替用半導体が常にオン・オフに切替わることがある。必要な出力の伝達に不要である場合でも半導体を常に切替えることは、システムの無用な電気的損失につながることがある。

本明細書に開示した１つまたは複数の実施形態によれば、ＭＲＩシステム１０の電気的損失を低下させるかつ／または（図１に示すような）傾斜ドライバ５８の１つまたは複数のドライバコンポーネントの間で分散させることができ、これにより傾斜ドライバ５８の効率が向上する。さらに幾つかの実施形態では、傾斜ドライバにより伝達されるパルスシーケンスの精度並びに傾斜ドライバ５８の熱安定性が改善されることがある。

一実施形態では傾斜ドライバ５８は、傾斜コイル２６、２８及び３０により使用される最大電流未満で出力を伝達するように構成された２つの交互配置ドライバを含むことがある。例えば幾つかの実施形態では、交互配置ドライバのそれぞれは、最大電流振幅の概ね半分で出力を伝達するように構成されることがある。したがって傾斜ドライバ５８の２つの交互配置ドライバは、切替周波数の２倍のリップルを有する（したがって、有する出力フィルタ要件がより低減した）パルスシーケンスを伝達するように同時に動作することがある。交互配置ドライバの各々について要求される出力が低下する（例えば、最大振幅の概ね半分になる）と、交互配置ドライバはその負荷を共有することができ、かつ電気的損失を２つのドライバ間で分散することができる。

さらに、パルスシーケンスのある部分を伝達するのに１つの交互配置ドライバだけで十分である場合、交互配置の傾斜ドライバ設計によれば交互配置ドライバを１つだけ動作させることが可能であり、これにより両方のドライバを動作させたとした場合に生じるであろう電気的損失が節減されることになる。幾つかの実施形態ではこの２つのドライバはさらに時間的にその動作を交替しており、これによりさらにドライバ５８内の電気的損失を低減することかつ／またはドライバ５８の適当な接合温度を維持することができる。低い半導体温度を維持する動作モードによれば、ＭＲＩシステム１０の傾斜ドライバ５８及び／またはその他のコンポーネントに対する熱管理サブシステムの設計要件が簡略化されることがある。

交互配置傾斜ドライバ５８の一例を、図４の２−３レベル傾斜ドライバ１００に提供している。２−３レベルドライバ１００は、その各々が直列配列させたドライバコンポーネント１０８及び１１０のそれぞれを有する２つの３レベルドライバ１０２及び１０４を有することがある。この２つの３レベルドライバ１０２及び１０４はさらに変成器１０６を介して結合させている。変成器１０６は、２−３レベル傾斜ドライバ１００の両半部（すなわち、３レベルドライバ１０２及び１０４の各々）における電流をバランスさせるのに適した電流共有用磁気素子とすることがある。３レベルドライバ１０２及び１０４はまた交互配置ドライバ１０２及び１０４と呼ぶこともあり、図４ではドライバコンポーネント１０８及び１１０に関する３つのレベルを図示しているが、本開示の別の実施形態では交互配置ドライバ１０２または１０４が任意の数のドライバコンポーネント１０８または１１０を有することがある。さらに、ドライバコンポーネント１０８及び１１０のそれぞれについてある数の切替用半導体を図示しているが、ドライバコンポーネント１０８及び１１０は任意の数の切替用半導体を有することがある。本実施形態による傾斜ドライバはさらに、３つ以上の交互配置ドライバを含むこともある。例えば幾つかのＭＲＩ用途では、傾斜コイル内でさらに多くの電流を使用することがあり、また一実施形態による傾斜ドライバでは３つ以上の交互配置ドライバを含むことがある。

２つの交互配置ドライバ１０２及び１０４のそれぞれは、システム１０（図１）内の傾斜コイル２６、２８及び３０が要求するパルスシーケンスの最大振幅未満の振幅を伝達するように定格設定されることがある。幾つかの実施形態では２つの交互配置ドライバ１０２及び１０４の各々は、傾斜コイルが要求する最大振幅の概ね半分を伝達するように定格設定されることがある。傾斜コイルが要求するパルス振幅が交互配置ドライバのうちの一方１０２または１０４により伝達可能である場合は、交互配置ドライバのうちの一方のみ１０２または１０４（例えば、交互配置ドライバ１０２）によって必要な出力を伝達させることがある。したがって交互配置ドライバ１０２または１０４の両方を無用に利用することがないため、動作していない交互配置ドライバ（例えば、交互配置ドライバ１０４）上で生じることになる動作損失を節減することができる。

傾斜コイル２６、２８及び３０が交互配置ドライバのうちの一方１０２または１０４だけでは十分に伝達できないような出力を要求する場合（また、要求したときには）、交互配置ドライバ１０２及び１０４の両方を動作させることがあり、また２つの交互配置ドライバ１０２及び１０４間で電気的損失を分散させることがある。各交互配置ドライバ１０２及び１０４内部でドライバコンポーネント１０８及び１１０を直線的に配列させているため、必要に応じてドライバコンポーネント１０８及び／または１１０を選択することができる。一実施形態では、両方の交互配置ドライバ１０２及び１０４が動作中のときは、２−３レベル傾斜ドライバ１００は傾斜コイル２６、２８及び３０に概ね２０００Ｖを伝達するのに適することがある。

この交互配置ドライバ構成によって、傾斜コイル２６、２８及び３０に要求されたパルスシーケンスを依然として伝達しながらも各交互配置ドライバ１０２及び１０４はより小さい電流を出力ことが可能となり得る。各交互配置ドライバ１０２及び１０４においてより小さい電流出力を伝達することによってさらに、パルスシーケンスの確度が改善され、これによりコイル２６、２８及び３０により利用される電流のより高速の変更が可能となる。典型的な傾斜ドライバで使用される切替用半導体１２４の特性のために、ドライバがより高電圧向け定格の半導体を使用する場合に切替応答が低下する。要求されるパルスシーケンスに対して適当な波形を伝達するために切替用半導体を常にオン・オフに切替えなければならないため、切替が低速になると傾斜コイルが要求するパルスシーケンスの変化がより低速となることがある。したがって切替用半導体の応答は、ＭＲＩシステム１０により作成される画像の品質及び分解能に影響を及ぼすことがある。

交互配置ドライバ構成を用いると、各交互配置ドライバ１０２及び１０４から出力される電流がより小さくなり傾斜コイル２６、２８及び３０により要求されるある具体的なパルスシーケンスを出力するためにより高速の切替用半導体１２４を用いてより応答性のよいシステムを実現することができる。高分解能のパルスシーケンスを提供するためには、要求されるパルスシーケンスがシーケンスの持続時間全体にわたって広範に動的となり得るように半導体１２４の応答が速いことが重要となることがある。

幾つかの実施形態ではその切替用半導体を絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とすることがある。しかし別の実施形態では、別のタイプの切替用半導体も想定されよう。例えば、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）も同様に適する。さらに、交互配置ドライバ１０２及び１０４に関する電圧要件を低減すれば異なるタイプの半導体を利用可能とし得るため、そのドライバ設計に適した切替用半導体の選択に関する柔軟性をより高めることが可能となる。高い電圧において高信頼の切替特性を有する高度な半導体によれば、必要なレベルをより少なくした（例えば、ドライバコンポーネントの積み重ねをより少なくした）ドライバ設計が得られることが想定される。

幾つかの実施形態では、システムにおける電気的損失に対するさらなる管理及び／または分散のために２−３レベル傾斜ドライバ１００の２つの交互配置ドライバ１０２及び１０４の動作を交替させることがある。例えば、制御回路３６または傾斜コイル制御器４０によってこの２つの交互配置ドライバ１０２及び１０４を管理し、これらの動作をある持続時間後に切替える（その持続時間においてパルスシーケンスを出力するために１つだけの交互配置ドライバ１０２または１０４で十分と仮定した場合）ことがある。こうした動作モードによれば、交替する２つの交互配置ドライバ１０２と１０４の間で電気的損失を切替えることができ、これにより２−３レベル傾斜ドライバ１００の一部分で電気的損失の全部が生じることがない。別の実施形態は、２つの交互配置ドライバ１０２と１０４の間での動作切替の任意の組み合わせを含むことがある。

交互配置傾斜ドライバ設計によればさらに、熱安定性を向上させることや、熱管理設計の潜在的コストを節減することができる。図３の並列パッケージ型ドライバ８０に関連して上で検討したように、並列のパッケージによると電流共有の不均等が生じることがある。こうした電流の不均衡は熱不安定につながることがあり、これがドライバコンポーネントの動作の非効率性や劣化のおそれにつながることがあり得る。しかし本実施形態によれば、２つの交互配置ドライバ１０２及び１０４の電流が変成器１０６によって均等に分散され、これにより交互配置ドライバ１０２及び１０４の両方を動作させたときに２−３レベルドライバ１００内で電流を平衡させることができる。熱不安定となるおそれが低下するため、傾斜ドライバの設計に関するコストを低減することができる。例えば幾つかの傾斜ドライバではシステムから熱を排出するために高価な冷却方法を利用しているが、本実施形態によればより単純でより低コストの冷却方法を利用することができる。幾つかの実施形態では、水冷却技法やさらには低コストの空気冷却技法を利用することができる。

さらに、交互配置設計によって熱安定性及び電気的損失の分散が可能となるため、より少ないドライバコンポーネントを有するドライバ設計も想定され得る。一実施形態では図５の２−２レベル傾斜ドライバ１２２の回路図に示したように、１つの傾斜ドライバが、その各々が２つのドライバコンポーネント１１８及び１２０のそれぞれを有するような２つの交互配置ドライバ１１２及び１１４を有することがある。図５に示したように２−２レベル傾斜ドライバ１２２では、その交互配置ドライバ設計のためにより高い供給電圧で動作可能な半導体を使用することによってより単純な設計とし得るため、その有するドライバコンポーネント１１８及び１２０の数をより少なくしかつ切替用半導体１２４の数をより少なくすることができる。

この記載では、本発明（最適の形態を含む）を開示するため、並びに当業者による任意のデバイスやシステムの製作と使用及び組み込んだ任意の方法の実行を含む本発明の実施を可能にするために例を使用している。本発明の特許性のある範囲は本特許請求の範囲によって規定していると共に、当業者により行われる別の例を含むことができる。こうした別の例は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない構造要素を有する場合や、本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない等価的な構造要素を有する場合があるが、本特許請求の範囲の域内にあるように意図したものである。

１０ＭＲＩシステム
１２スキャナ
１４スキャナ制御回路
１６システム制御回路
１８撮像ボリューム
２０テーブル
２２患者
２４マグネット
２６傾斜コイル
２８傾斜コイル
３０傾斜コイル
３２ＲＦコイル
３６制御回路
４０増幅／制御回路
４２送信／受信インタフェース回路
４４インタフェース
４６オペレータワークステーション
４８モニタ
５０キーボード
５２マウス
５４プリンタ
５６リモート画像アクセス／検査制御デバイス
５８傾斜ドライバ
６０マルチレベル直列傾斜ドライバ
６２ドライバコンポーネント
６４電圧供給源
６６切替用半導体
６８出力
７０入力
８０並列パッケージ型傾斜ドライバ
８２ドライバコンポーネント
８４ドライバコンポーネント
８６変成器
８８ドライバコンポーネント
９０ドライバコンポーネント
１００２−３レベル傾斜ドライバ
１０２３レベルドライバ
１０４３レベルドライバ
１０６変成器
１０８ドライバコンポーネント
１１０ドライバコンポーネント
１１２交互配置ドライバ
１１４交互配置ドライバ
１１６変成器
１１８ドライバコンポーネント
１２０ドライバコンポーネント
１２２２−２レベル傾斜ドライバ
１２４切替用半導体

Claims

スキャンボリューム（１８）の周りに円筒状に配置させた傾斜コイル（２６、２８、３０）と、
前記傾斜コイル（２６、２８、３０）に変成器を介して結合させ、互いに並列に結合し、その各々が傾斜コイル（２６、２８、３０）により利用される電流の最大振幅未満の振幅を伝達するように構成された２つ以上の交互配置傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）と、
を備え、
前記２つ以上の傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）の各々は、
互いに直列に接続された少なくとも２つのレベルのドライバコンポーネントであって、前記少なくとも２つのレベルのドライバコンポーネントの各々が、電圧源を有している、前記少なくとも２つのレベルのドライバコンポーネントと、
前記変成器に結合された端子と、
を含み、
前記２つ以上の傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）の間の並列結合は、各傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）のそれぞれの前記２つ以上の傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）が、前記２つ以上の傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）の他の全ての前記２つ以上の傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）の前記少なくとも２つのレベルのドライバコンポーネントのそれぞれと並列に結合されるようになっている、
磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム（１０）。
スキャンボリューム（１８）の周りに円筒状に配置させた傾斜コイル（２６、２８、３０）と、
前記傾斜コイル（２６、２８、３０）に結合させた、その各々が傾斜コイル（２６、２８、３０）により利用される電流の最大振幅未満の振幅を伝達するように構成された２つ以上の交互配置傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）と、
を備え、
傾斜コイル（２６、２８、３０）により利用される電流を提供するのに前記２つ以上の交互配置傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）の１つのみで十分な場合に、該２つ以上の交互配置傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）の１つだけが動作状態となっている、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム（１０）。
傾斜コイル（２６、２８、３０）により利用される電流を提供するのに前記２つ以上の交互配置傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）の１つのみでは不十分な場合に、該２つ以上の交互配置傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）のうちの複数個が動作状態となっている、請求項２に記載のＭＲＩシステム（１０）。
スキャンボリューム（１８）の周りに円筒状に配置させた傾斜コイル（２６、２８、３０）と、
前記傾斜コイル（２６、２８、３０）に結合させた、その各々が傾斜コイル（２６、２８、３０）により利用される電流の最大振幅未満の振幅を伝達するように構成された２つ以上の交互配置傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）と、
を備え、
前記２つ以上の交互配置傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）の動作を制御することが可能な制御回路（３６、４０）を備え、
前記制御回路（３６、４０）は前記２つ以上の交互配置傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）の動作を交替させるように構成されている、
磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム（１０）。
前記２つ以上の傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）の各々は最大振幅の概ね半分を伝達するように構成されている、請求項１乃至４のいずれかに記載のＭＲＩシステム（１０）。
前記２つ以上の交互配置傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）の各々は複数の切替用半導体（１２４）を備える、請求項１乃至５のいずれかに記載のＭＲＩシステム（１０）。
前記切替用半導体（１２４）は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を備える、請求項６に記載のＭＲＩシステム（１０）。
前記２つ以上の交互配置傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）の動作を制御することが可能な制御回路（３６、４０）を備え、
前記制御回路（３６、４０）は前記２つ以上の交互配置傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）の動作を交替させるように構成されている、
請求項１乃至３のいずれかに記載のＭＲＩシステム（１０）。
前記２つ以上の交互配置傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）は、該２つ以上の交互配置傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）間での適正な電流共有を保証するように構成させた変成器（１０６、１１６）を介して互いに結合されている、請求項１乃至８のいずれかに記載のＭＲＩシステム（１０）。
スキャンボリューム（１８）の周りに円筒状に配置させた傾斜コイル（２６、２８、３０）と、
前記傾斜コイル（２６、２８、３０）に変成器を介して結合させ、互いに並列に結合し、前記傾斜コイル（２６、２８、３０）に結合され、前記前記傾斜コイル（２６、２８、３０）にパルスシーケンスを伝達するように構成さた傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）と、
前記傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）に結合した制御回路と、
を備え、
前記傾斜ドライバ（１０２、１０４、１１２、１１４）は、
第１及び第２の対応する電圧源と、第１及び第２の対応する複数のスイッチとを含む第１の交互配置ドライバコンポーネントと、
第３及び第４の対応する電圧源と、第３及び第４の対応する複数のスイッチとを含む第２の交互配置ドライバコンポーネントであって、前記第１及び第２の交互配置ドライバコンポーネントの対応する端子と結合した変成器を介して、前記第１の交互配置ドライバコンポーネントと並列に結合された前記第２の交互配置ドライバコンポーネントと、
を含み、
前記制御回路は、前記第１及び第２の交互配置ドライバコンポーネントの動作を制御する、
磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム（１０）。