JP6498388B2 - 磁気共鳴イメージング装置及び傾斜磁場電源 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、磁気共鳴イメージング装置及び傾斜磁場電源に関する。

従来、磁気共鳴イメージング装置は、撮像空間に傾斜磁場を発生させる傾斜磁場コイルに電力を供給する傾斜磁場電源を備える。例えば、傾斜磁場電源は、多段にカスケード接続された複数のスイッチング回路を有し、各スイッチング回路が所定のパルス電圧を出力する。ここで、各スイッチング回路は、それぞれ所定の数のスイッチング素子を有しており、各スイッチング素子が交互にスイッチング動作することで、傾斜磁場コイルに流す電流の波形に応じたパルス電圧を出力する。このように、各スイッチング素子がスイッチング動作を行う際には、スイッチング損が発生することが知られている。

特開２００９−５０４６６号公報

本発明が解決しようとする課題は、傾斜磁場電源におけるスイッチング損による消費電力を低減させることができる磁気共鳴イメージング装置及び傾斜磁場電源を提供することである。

実施形態に係る磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ：Magnetic Resonance Imaging）装置は、傾斜磁場コイルに電力を供給する傾斜磁場電源を備える。前記傾斜磁場電源は、複数のスイッチング回路と、切替部とを備える。前記スイッチング回路は、それぞれ所定のパルス電圧を出力する。前記切替部は、前記傾斜磁場コイルに出力する電圧の大きさに応じて、前記複数のスイッチング回路のうち第１の数のスイッチング回路をスイッチング動作させる第１のモードと、前記複数のスイッチング回路のうち前記第１の数より少ない第２の数のスイッチング回路をスイッチング動作させる第２のモードとの間で動作モードを切り替える。前記切替部は、動作中のスイッチング回路から出力されるパルス電圧のデューティ比と、前記傾斜磁場コイルに発生させる傾斜磁場のスリューレートとのうち少なくとも１つに基づいて、前記動作モードを切り替える。

図１は、本実施形態に係るＭＲＩ装置の構成例を示す図である。 図２は、第１の実施形態に係る傾斜磁場電源の構成例を示す図である。 図３は、第１の実施形態に係る増幅部の構成例を示す図である。 図４は、第１の実施形態に係るフルブリッジ回路部の構成を示す図である。 図５は、第１の実施形態に係るフルブリッジ回路部における制御信号と出力電圧との関係の一例を示す図である。 図６は、図２に示した傾斜磁場電源の構成例に切替部を加えた構成例を示す図である。 図７は、図３に示した増幅部の構成例に切替部を加えた構成例を示す図である。 図８は、第１の実施形態に係るフルブリッジ回路部の低電力モードにおける構成を説明するための図である。 図９は、第１の実施形態に係るフルブリッジ回路部の低電力モードにおける制御信号と出力電圧との関係の一例を示す図である。 図１０は、第１の実施形態に係る傾斜磁場電源における消費電力の変化を示す図である。 図１１は、第２の実施形態に係る傾斜磁場電源の構成例を示す図である。 図１２は、第３の実施形態に係る傾斜磁場電源の構成例を示す図である。

以下に、図面に基づいて、ＭＲＩ装置及び傾斜磁場電源の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るＭＲＩ装置の構成例を示す図である。例えば、図１に示すように、ＭＲＩ装置１００は、静磁場磁石１、傾斜磁場コイル２、傾斜磁場電源３０、寝台４、寝台制御部５、送信コイル６、送信部７、受信コイル８、受信部９、シーケンス制御部１０、及び計算機システム２０を備える。

静磁場磁石１は、中空の略円筒形状（円筒の中心軸に直交する断面が楕円状となるものを含む）に形成され、その内側に形成される撮像空間に一様な静磁場を発生させる。この静磁場磁石１には、例えば、永久磁石、超伝導磁石等が用いられる。

傾斜磁場コイル２は、中空の略円筒形状（円筒の中心軸に直交する断面が楕円状となるものを含む）に形成され、静磁場磁石１の内側に配置される。具体的には、傾斜磁場コイル２は、互いに直交するｘ，ｙ，ｚの各軸に対応する３つのコイルが組み合わされて形成される。これら３つのコイルは、後述する傾斜磁場電源３０から個別に供給される電流により、ｘ，ｙ，ｚの各軸に沿って磁場強度が変化する傾斜磁場を撮像空間に発生させる。なお、ｚ軸方向は、静磁場と同方向とする。

ここで、傾斜磁場コイル２によって発生するｘ，ｙ，ｚの各軸の傾斜磁場は、例えば、スライス選択用傾斜磁場Ｇｓｓ、位相エンコード用傾斜磁場Ｇｐｅ及びリードアウト用傾斜磁場Ｇｒｏにそれぞれ対応する。スライス選択用傾斜磁場Ｇｓｓは、任意に断面を決めるために利用される。位相エンコード用傾斜磁場Ｇｐｅは、空間的位置に応じて磁気共鳴信号の位相を変化させるために利用される。リードアウト用傾斜磁場Ｇｒｏは、空間的位置に応じて磁気共鳴信号の周波数を変化させるために利用される。

傾斜磁場電源３０は、後述するシーケンス制御部１０による制御のもと、傾斜磁場コイル２に電力を供給する。

寝台４は、被検体Ｓが載置される天板４ａを備え、後述する寝台制御部５による制御のもと、天板４ａを傾斜磁場コイル２の空洞（撮像口）内へ挿入する。通常、この寝台４は、長手方向が静磁場磁石１の中心軸と平行になるように設置される。

寝台制御部５は、後述する計算機システム２０による制御のもと、寝台４の動作を制御する。例えば、寝台制御部５は、寝台４を駆動して、天板４ａを長手方向、上下方向又は左右方向へ移動する。

送信コイル６は、中空の略円筒形状（円筒の中心軸に直交する断面が楕円状となるものを含む）に形成され、傾斜磁場コイル２の内側に配置される。また、送信コイル６は、後述する送信部７から供給される高周波パルス電流により、撮像空間に高周波磁場を印加する。

送信部７は、後述するシーケンス制御部１０による制御のもと、ラーモア周波数に対応する高周波パルス電流を送信コイル６に供給する。

受信コイル８は、撮像対象の部位ごとに用意され、被検体Ｓの各部位に装着される。また、受信コイル８は、送信コイル６によって撮像空間に高周波磁場が印加された際に、撮像空間に置かれた被検体Ｓから放射される磁気共鳴信号を受信し、受信した磁気共鳴信号を受信部９へ出力する。例えば、受信コイル８は、頭部用の受信コイル、脊椎用の受信コイル、腹部用の受信コイルなどである。

受信部９は、後述するシーケンス制御部１０による制御のもと、受信コイル８によって受信された磁気共鳴信号に基づいて磁気共鳴（Magnetic Resonance：ＭＲ）信号データを生成する。具体的には、受信部９は、磁気共鳴信号をデジタル変換することでＭＲ信号データを生成し、生成したＭＲ信号データをシーケンス制御部１０へ送信する。ここで、ＭＲ信号データは、前述したスライス選択用傾斜磁場Ｇｓｓ、位相エンコード用傾斜磁場Ｇｐｅ、及びリードアウト用傾斜磁場Ｇｒｏによって、位相エンコード（Phase Encode：ＰＥ）方向、リードアウト（Read Out：ＲＯ）方向、及びスライス選択（Slice Selection：ＳＳ）方向の空間周波数の情報が対応付けられ、ｋ空間に配置される。

なお、ここでは、送信コイル６が高周波磁場を印加し、受信コイル８が磁気共鳴信号を受信する場合の例を説明するが、実施形態はこれに限られない。例えば、送信コイル６が、磁気共鳴信号を受信する受信機能をさらに有してもよいし、受信コイル８が、高周波磁場を印加する送信機能をさらに有していてもよい。送信コイル６が受信機能を有している場合は、受信部９は、送信コイル６によって受信された磁気共鳴信号からもＭＲ信号データを生成する。また、受信コイル８が送信機能を有している場合は、送信部７は、受信コイル８にも高周波パルス電流を供給する。

シーケンス制御部１０は、各種シーケンスを実行することで、撮像を制御する。具体的には、シーケンス制御部１０は、計算機システム２０から送信されるシーケンス実行データに基づいて傾斜磁場電源３０、送信部７及び受信部９を駆動することで、ＭＲ信号データを収集する。また、シーケンス制御部１０は、収集したＭＲ信号データを計算機システム２０へ送信する。

ここで、シーケンス実行データは、被検体Ｓに関するＭＲ信号データを収集するための手順を示すシーケンス（パルスシーケンスとも呼ばれる）を定義した情報である。具体的には、シーケンス実行データは、傾斜磁場電源３０が傾斜磁場コイル２に供給する電源の強さや電源を供給するタイミング、送信部７が送信コイル６に送信するＲＦ信号の強さやＲＦ信号を送信するタイミング、受信部９が磁気共鳴信号を検出するタイミングなどを定義した情報である。

計算機システム２０は、ＭＲＩ装置１００の全体制御を行う。例えば、計算機システム２０は、ＭＲＩ装置１００が有する各部を駆動することで、被検体Ｓのデータ収集や画像再構成などを行う。この計算機システム２０は、インタフェース部２１、画像再構成部２２、記憶部２３、操作部２４、表示部２５及び制御部２６を有する。

インタフェース部２１は、シーケンス制御部１０との間で授受される各種信号の入出力を制御する。例えば、このインタフェース部２１は、シーケンス制御部１０に対してシーケンス実行データを送信し、シーケンス制御部１０からＭＲ信号データを受信する。ＭＲ信号データを受信すると、インタフェース部２１は、各ＭＲ信号データを被検体Ｓごとに記憶部２３に格納する。

画像再構成部２２は、記憶部２３によって記憶されたＭＲ信号データに対して後処理すなわちフーリエ変換等の再構成処理を施すことで、被検体Ｓの体内における所望核スピンのスペクトラムデータ又は画像データを生成する。また、画像再構成部２２は、生成したスペクトラムデータ又は画像データを被検体Ｓごとに記憶部２３に格納する。

記憶部２３は、制御部２６によって実行される処理に必要な各種データや各種プログラムなどを記憶する。例えば、記憶部２３は、インタフェース部２１によって受信されたＭＲ信号データや、画像再構成部２２によって生成されたスペクトラムデータや画像データなどを被検体Ｓごとに記憶する。この記憶部２３は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ（flash memory）などの半導体メモリ素子や、ハードディスク、光ディスクなどの記憶装置である。

操作部２４は、操作者からの各種指示や情報入力を受け付ける。この操作部２４には、例えば、マウスやトラックボールなどのポインティングデバイス、モード切替スイッチ等の選択デバイス、あるいはキーボード等の入力デバイスが用いられる。

表示部２５は、スペクトラムデータあるいは画像データ等の各種の情報を表示する。この表示部２５には、例えば、液晶表示器などの表示デバイスが用いられる。

制御部２６は、図示していないＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等を有し、ＭＲＩ装置１００の全体制御を行う。例えば、制御部２６は、操作部２４を介して入力された撮像条件に基づいて、シーケンス実行データを生成する。また、制御部２６は、シーケンス実行データをシーケンス制御部１０に送信することで、各種シーケンスを実行するようシーケンス制御部１０を制御する。また、制御部２６は、シーケンス制御部１０から送信されるＭＲ信号データに基づいて画像を再構成するよう画像再構成部２２を制御する。

以上、本実施形態に係るＭＲＩ装置１００の構成について説明した。このような構成のもと、ＭＲＩ装置１００では、傾斜磁場電源３０が、多段にカスケード接続された複数のスイッチング回路を有し、各スイッチング回路が所定のパルス電圧を出力する。ここで、各スイッチング回路は、それぞれ所定の数のスイッチング素子を有しており、各スイッチング素子が交互にスイッチング動作することで、傾斜磁場コイル２に流す電流の波形に応じたパルス電圧を出力する。

以下では、上述した傾斜磁場電源３０について詳細に説明する。なお、本実施形態では、傾斜磁場電源３０が有するスイッチング回路として、フルブリッジ回路が用いられる場合の例を説明するが、他の種類のスイッチング回路が用いられる場合でも、同様の実施形態が実施可能である。

図２は、第１の実施形態に係る傾斜磁場電源３０の構成例を示す図である。本実施形態に係る傾斜磁場電源３０は、シーケンス制御部１０から送信される入力信号を受信し、受信した入力信号に応じた電圧を傾斜磁場コイル２に出力する。ここで、入力信号は、傾斜磁場コイル２に発生させる傾斜磁場の波形を表す信号であり、傾斜磁場の波形を電流で模擬した信号である。例えば、図２に示すように、傾斜磁場電源３０は、減算部３１、比例部３２、積分項３３、積分部３４、加算部３５、増幅部３６、及び補償部３７を有する。

減算部３１は、シーケンス制御部１０から送信される入力信号と補償部３７から送信されるフィードバック信号とを差分し、差分により得られた信号を誤差信号として出力する。比例部３２は、減算部３１から出力される誤差信号を所定の比例ゲインにより変換し、変換した信号を出力する。積分項３３及び積分部３４は、減算部３１から出力される誤差信号を所定の積分ゲインにより変換し、変換した信号を出力する。

加算部３５は、比例部３２から出力される信号と積分部３４から出力される信号とを加算し、加算した信号を制御信号として出力する。増幅部３６は、加算部３５から出力される制御信号に応じた電圧を発生し、発生した電圧を出力信号として出力する。補償部３７は、増幅部３６から出力される出力信号を減算部３１にフィードバックする。

傾斜磁場電源３０では、上述したように各部が動作することによって、シーケンス制御部１０から送信される入力信号と波形が一致した電流が傾斜磁場コイル２に流れるように、傾斜磁場コイル２に出力する電圧が制御される。このような制御において、傾斜磁場電源３０では、増幅部３６が、加算部３５から出力される制御信号に応じてパルス幅を変調したパルス電圧を発生し、発生したパルス電圧を出力信号として出力する。

図３は、第１の実施形態に係る増幅部３６の構成例を示す図である。例えば、図３に示すように、増幅部３６は、フルブリッジ回路部３６ａ及びＰＷＭ変調部３６ｂを有する。

フルブリッジ回路部３６ａは、シーケンス制御部１０から送信される入力信号に応じた電圧を傾斜磁場コイル２に出力する。具体的には、フルブリッジ回路部３６ａは、多段にカスケード接続された複数のフルブリッジ回路を有し、各フルブリッジ回路が所定のパルス電圧を出力する。ここで、各フルブリッジ回路は、それぞれ所定の数のスイッチング素子を有しており、各スイッチング素子が交互に動作することで、傾斜磁場コイル２に流す電流の波形に応じたパルス電圧を出力する。

ＰＷＭ変調部３６ｂは、加算部３５から出力される制御信号に応じて、フルブリッジ回路部３６ａの動作を制御する。具体的には、ＰＷＭ変調部３６ｂは、加算部３５から出力される制御信号の大きさに応じて、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調により、フルブリッジ回路部３６ａが有する各フルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比を制御する。ここで、ＰＷＭ変調部３６ｂは、フルブリッジ回路部３６ａが有する複数のフルブリッジ回路それぞれに対し、各フルブリッジ回路が有するスイッチング素子ごとに、オン／オフを切り替えるための駆動信号を出力することで、各フルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比を制御する。

図４は、第１の実施形態に係るフルブリッジ回路部３６ａの構成を示す図である。例えば、図４に示すように、フルブリッジ回路部３６ａは、５段にカスケード接続されたフルブリッジ回路３６１〜３６５を有する。ここで、例えば、各フルブリッジ回路は、それぞれ４つのスイッチング素子を有する。４つのスイッチング素子は、直列に接続されたスイッチング素子のペアを２つ含み、各ペアが並列に接続されて構成される。

そして、通常、フルブリッジ回路部３６ａは、ＰＷＭ変調部３６ｂから出力される駆動信号に基づいて、５段全てのフルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比がそれぞれ同じ値となるように、５段全てのフルブリッジ回路が有するスイッチング素子がそれぞれスイッチング動作する。

図５は、第１の実施形態に係るフルブリッジ回路部３６ａにおける制御信号と出力電圧との関係の一例を示す図である。

例えば、図５の上段に示すように、制御信号の大きさが小さい場合には、フルブリッジ回路部３６ａは、５段全てのフルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比がそれぞれ１０％となるように、各フルブリッジ回路のスイッチング素子がそれぞれスイッチング動作する。これにより、最大出力の１０％の出力電圧が得られる。

また、例えば、図５の中段に示すように、制御信号の大きさが中程度の場合には、フルブリッジ回路部３６ａは、５段全てのフルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比がそれぞれ５０％となるように、各フルブリッジ回路のスイッチング素子がそれぞれ動作する。これにより、最大出力の５０％の出力電圧が得られる。

また、例えば、図５の下段に示すように、フルブリッジ回路部３６ａは、制御信号の大きさが大きい場合に、５段全てのフルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比がそれぞれ９０％となるように、各フルブリッジ回路のスイッチング素子がそれぞれ動作する。これにより、最大出力の９０％の出力電圧が得られる。

このように、各スイッチング素子がスイッチング動作する際には、スイッチング損が発生することが知られている。ここでいうスイッチング損とは、スイッチング素子がオンからオフに切り替わる際に発生する電力損失である。通常、このスイッチング損は、スイッチング動作するスイッチング素子の数に比例して増加する。

例えば、上述したように、フルブリッジ回路部３６ａが有する５段全てのフルブリッジ回路が有するスイッチング素子がそれぞれスイッチング動作した場合には、５段全てのフルブリッジ回路でスイッチング損が発生することになる。このスイッチング損によって、傾斜磁場電源３０の待機電力が増加することになり、傾斜磁場電源３０における消費電力が大きくなる。

しかし、例えば、図５の上段に示す例のように、最大出力の１０％の出力電圧を得ることは、３段のフルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比をそれぞれ１７％とすることでも実現可能である。また、例えば、図５の中段に示す例のように、最大出力の５０％の出力電圧を得ることは、３段のフルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比をそれぞれ８３％とすることでも実現可能である。つまり、傾斜磁場コイル２に出力する電圧の大きさが小さい場合及び中程度の場合には、３段のフルブリッジ回路を動作させるだけでも、必要な出力電圧を得ることができる。

このことから、本実施形態では、傾斜磁場電源３０が、傾斜磁場コイル２に出力する電圧の大きさに応じて、第１のモードと第２のモードとの間でスイッチング回路の動作モードを切り替える。ここで、第１のモードは、複数のスイッチング回路のうち第１の数だけスイッチング回路を動作させる動作モードである。また、第２の力モードは、複数のスイッチング回路のうち第１の数より少ない第２の数だけスイッチング回路を動作させる動作モードである。

例えば、傾斜磁場電源３０は、第１のモードとして、上述したように５段全てのフルブリッジ回路を動作させる。このモードを、以下では通常モードと呼ぶ。また、例えば、傾斜磁場電源は、第２のモードとして、３段のフルブリッジ回路を動作させる。このモードを、以下では低電力モードと呼ぶ。そして、傾斜磁場電源３０は、傾斜磁場コイル２に出力する電圧の大きさに応じて、通常モードと低電力モードとの間でフルブリッジ回路の動作モードを切り替える。

ここで、通常モードでは、５段全てのフルブリッジ回路でスイッチング損が発生するのに対し、低電力モードでは、３段のフルブリッジ回路のみでスイッチング損が発生することになる。したがって、フルブリッジ回路の動作モードを通常モードと低電力モードとの間で切り替えることで、フルブリッジ回路が低電力モードで動作している間に、傾斜磁場電源３０全体で発生するスイッチング損を減らすことができ、傾斜磁場電源３０におけるスイッチング損による消費電力を低減させることができる。

具体的には、傾斜磁場電源３０は、傾斜磁場コイル２に出力する電圧の大きさに応じて、通常モードと低電力モードとの間でフルブリッジ回路部３６ａの動作を切り替える切替部をさらに有する。

図６は、図２に示した傾斜磁場電源３０の構成例に切替部を加えた構成例を示す図である。例えば、図６に示すように、傾斜磁場電源３０は、図２に示した減算部３１、比例部３２、積分項３３、積分部３４、加算部３５、増幅部３６、補償部３７に加えて、切替部３８をさらに有する。

例えば、切替部３８は、フルブリッジ回路部３６ａが通常モードで動作している状態で、動作中のフルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比が第１の閾値未満となった場合に、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを低電力モードに切り替える。また、例えば、切替部３８は、フルブリッジ回路部３６ａが低電力モードで動作している状態で、動作中のフルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比が第２の閾値以上となった場合に、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを通常モードに切り替える。

図７は、図３に示した増幅部３６の構成例に切替部を加えた構成例を示す図である。例えば、図７に示すように、増幅部３６は、図３に示したフルブリッジ回路部３６ａ、ＰＷＭ変調部３６ｂに加えて、切替部３８をさらに有する。

例えば、切替部３８は、ＰＷＢ変調部３６ｂから出力される駆動信号をリアルタイムで取得し、取得した駆動信号に基づいて、フルブリッジ回路部３６ａが有するフルブリッジ回路ごとに、各フルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比を算出する。そして、切替部３８は、フルブリッジ回路部３６ａが通常モードで動作している状態で、算出した各フルブリッジ回路のデューティ比が第１の閾値未満となった場合に、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを低電力モードに切り替える。また、切替部３８は、フルブリッジ回路部３６ａが低電力モードで動作している状態で、算出した各フルブリッジ回路のデューティ比が第２の閾値以上となった場合には、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを通常モードに切り替える。

図８は、第１の実施形態に係るフルブリッジ回路部３６ａの低電力モードにおける構成を説明するための図である。例えば、図８に示すように、切替部３８は、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを低電力モードに切り替える場合には、フルブリッジ回路部３６ａが有する５段のフルブリッジ回路３６１〜３６５のうち、４段目のフルブリッジ回路３６４と５段目のフルブリッジ回路３６５とをそれぞれ回生モードに設定する。

ここで、回生モードとは、フルブリッジ回路が電源から切り離された状態である。例えば、切替部３８は、フルブリッジ回路が有する４つのスイッチング素子について、並列に配置された２つのスイッチング素子（図６に示す破線で囲まれたスイッチング素子）を常時オンの状態で固定し、他の２つのスイッチング素子を常時オフの状態で固定することで、フルブリッジ回路を回生モードに設定する。このように回生モードに設定されたフルブリッジ回路では、スイッチング動作が発生しないため、スイッチング損が発生しない。

低電力モードでは、上述したように、フルブリッジ回路部３６ａが有する５段のフルブリッジ回路のうち、４段目及び５段目のフルブリッジ回路を回生モードに設定することで、１段目〜３段目のフルブリッジ回路のみが動作するようになる。この結果、傾斜磁場電源３０全体で発生するスイッチング損は、５段全てのフルブリッジ回路を動作させた場合と比べて６０％に低減される。

一方、切替部３８は、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを通常モードに切り替える場合には、フルブリッジ回路部３６ａが有する５段全てのフルブリッジ回路３６１〜３６５を動作状態に設定する。すなわち、切替部３８は、低電力モードで回生モードに設定されている４段目のフルブリッジ回路３６４及び５段目のフルブリッジ回路３６５それぞれについて、回生モードを解除する。これにより、フルブリッジ回路部３６ａが有する５段全てのフルブリッジ回路が動作するようになる。

ここで、図５に示したように、例えば、最大出力の１０％の出力電圧、又は、最大出力の５０％の出力電圧を得ることは、３段のフルブリッジ回路を動作させるだけでも実現可能である。そこで、例えば、切替部３８は、第１の閾値及び第２の閾値とするデューティ比をそれぞれ６０％に設定する。

図９は、第１の実施形態に係るフルブリッジ回路部３６ａの低電力モードにおける制御信号と出力電圧との関係の一例を示す図である。ここで、図９は、図５に示した例と同様の例を示している。

例えば、図９の上段中央に示すように、フルブリッジ回路部３６ａが通常モードで動作している状態で、各フルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比が１０％であったとする。この場合には、切替部３８は、動作中のフルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比が６０％未満であるので、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを低電力モードに切り替える。具体的には、切替部３８は、４段目及び５段目のフルブリッジ回路をそれぞれ回生モードに設定する。これにより、１段目〜３段目のフルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比は、それぞれ１７％となるように制御される。

また、図９の中段中央に示すように、フルブリッジ回路部３６ａが通常モードで動作している状態で、各フルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比が５０％であったとする。この場合には、切替部３８は、動作中のフルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比が６０％未満であるので、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを低電力モードに切り替える。具体的には、切替部３８は、４段目及び５段目のフルブリッジ回路をそれぞれ回生モードに設定する。これにより、１段目〜３段目のフルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比は、それぞれ８３％となるように制御される。

また、図９の下段中央に示すように、フルブリッジ回路部３６ａが通常モードで動作している状態で、各フルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比が９０％であったとする。この場合には、切替部３８は、動作中のフルブリッジ回路から出力されるパルス電圧のデューティ比が６０％以上であるので、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを通常モードで維持する。

このように、切替部３８は、動作中の動作モードすなわち動作中のフルブリッジ回路の数と、動作中のフルブリッジから出力されるパルス電圧のデューティ比とに基づいて、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを通常モードと低電力モードとの間で切り替える。これにより、傾斜磁場コイル２に出力する電圧の大きさに応じて、動作させるスイッチング素子の数を減らすことが可能になり、傾斜磁場電源３０におけるスイッチング損による消費電力を低減させることができる。

なお、通常モードと低電力モードとでは、動作させるフルブリッジ回路の段数が異なるため、増幅部３６におけるフルブリッジ回路部３６ａ及びＰＷＭ変調部３６ｂの動作が異なる。そのため、切替部３８は、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを切り替える際に、比例部３２の比例ゲインや積分部３４の積分ゲインについても同時に切り替えることが望ましい。その場合には、比例部３２が、切り替えられる段数ごとに、各段数に適した比例ゲインをあらかじめ保持しておく。また、積分部３４も、切り替えられる段数ごとに、各段数に適した積分ゲインをあらかじめ保持しておく。

上述したように、第１の実施形態によれば、傾斜磁場コイル２に出力する電圧の大きさに応じて、通常モードと低電力モードとの間でフルブリッジ回路部３６ａの動作モードを切り替えることで、傾斜磁場電源３０におけるスイッチング損による消費電力を低減させることができる。

図１０は、第１の実施形態に係る傾斜磁場電源３０における消費電力の変化を示す図である。図１０に示すように、第１の実施形態によれば、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを通常モードと低電力モードとの間で切り替えることによって、通常モードのみでフルブリッジ回路部３６ａを動作させる場合と比べて、低電力モードで動作させている間に、傾斜磁場電源３０の消費電力を低減させることができる。この結果、傾斜磁場電源３０全体の消費電力を低減させることができる。

なお、上述した第１の実施形態では、切替部３８によって用いられる第１の閾値と第２の閾値とを同じ値に設定した場合の例を説明したが、実施形態はこれに限られない。例えば、第１の閾値及び第２の閾値は、それぞれ異なる値が設定されてもよい。例えば、第１の閾値を大きく設定することで、通常モードから低電力モードに切り替えるタイミングを早くすることができ、逆に、第１の閾値を小さく設定することで、通常モードから低電力モードに切り替えるタイミングを遅くすることができる。また、例えば、第２の閾値を小さく設定することで、低電力モードから通常モードに切り替えるタイミングを早くすることができ、逆に、第２の閾値を大きく設定することで、通常モードから低電力モードに切り替えるタイミングを遅くすることができる。したがって、例えば、消費電力の実測値に基づいて、第１の閾値及び第２の閾値を最適な値に調整することで、より効果的に、傾斜磁場電源３０の消費電力を低減させることができる。

また、上述した第１の実施形態では、動作中の動作モードすなわち動作中のフルブリッジ回路の数と、動作中のフルブリッジから出力されるパルス電圧のデューティ比とに基づいて、フルブリッジ回路の動作モードを切り替える場合の例を説明したが、動作モードの切り替え方法はこれに限られない。以下では、動作モードの切り替え方法が異なる他の実施形態を説明する。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、傾斜磁場電源３０に入力される入力信号に基づいて、フルブリッジ回路の動作モードを切り替える場合の例を説明する。ＭＲＩ装置で用いられる傾斜磁場電源は、負荷として傾斜磁場コイルすなわちインダクタが接続されるという特徴がある。この特徴を利用して、傾斜磁場電源に入力される入力信号に基づいて、あらかじめ出力電圧の大きさを見積もることが可能である。

なお、第２の実施形態に係るＭＲＩ装置の構成は、基本的には、図１に示したものと同じであり、傾斜磁場電源の構成のみが異なる。そこで、ここでは、第２の実施形態に係る傾斜磁場電源の構成について説明する。

図１１は、第２の実施形態に係る傾斜磁場電源１３０の構成例を示す図である。例えば、図１１に示すように、傾斜磁場電源１３０は、図２に示した減算部３１、比例部３２、積分項３３、積分部３４、加算部３５、増幅部３６、補償部３７に加えて、切替部１３８及び微分部１３９をさらに有する。ここで、切替部１３８は、図３に示したフルブリッジ回路部３６ａ及びＰＷＭ変調部３６ｂを有する。

微分部１３９は、シーケンス制御部１０から送信される入力信号の微分値を算出する。ここで、入力信号は、傾斜磁場コイル２に発生させる傾斜磁場の波形を表す信号であり、傾斜磁場の波形を電流で模擬した信号である。そして、入力信号の微分値は、傾斜磁場の波形を表す信号値の経時的な変化に対する時間微分値である。

切替部１３８は、微分部１３９によって算出された微分値が所定の閾値以上である場合に、通常モードでフルブリッジ回路を動作させ、微分部１３９によって算出された微分値が同じ所定の閾値未満である場合に、低電力モードでフルブリッジ回路を動作させることで、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを切り替える。

なお、第１の実施形態と同様に、切替部１３８は、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを切り替える際に、比例部３２の比例ゲインや積分部３４の積分ゲインについても同時に切り替えることが望ましい。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、傾斜磁場コイル２に発生させる傾斜磁場のスリューレートに基づいて、フルブリッジ回路の動作モードを切り替える場合の例を説明する。傾斜磁場のスリューレートは、撮像が行われるごとに、操作者によって設定される撮像条件に基づいて定められる。一般的に、ＭＲＩ装置で用いられる傾斜磁場は台形状の波形を有しており、台形の立ち上がり部分で、傾斜磁場コイルへの出力電圧が大きくなる。このため、傾斜磁場コイル２に発生させる傾斜磁場の立ち上がり部分のスリューレートに基づいて、あらかじめ出力電圧の大きさを見積もることが可能である。

なお、第３の実施形態に係るＭＲＩ装置の構成は、基本的には、図１に示したものと同じであり、傾斜磁場電源の構成のみが異なる。そこで、ここでは、第２の実施形態に係る傾斜磁場電源の構成について説明する。

図１２は、第３の実施形態に係る傾斜磁場電源２３０の構成例を示す図である。例えば、図１２に示すように、傾斜磁場電源２３０は、図２に示した減算部３１、比例部３２、積分項３３、積分部３４、加算部３５、増幅部３６、補償部３７に加えて、切替部２３８をさらに有する。ここで、切替部２３８は、図３に示したフルブリッジ回路部３６ａ及びＰＷＭ変調部３６ｂを有する。

切替部２３８は、傾斜磁場コイル２に発生させる傾斜磁場のスリューレートが所定の閾値以上である場合に、通常モードでスイッチング回路を動作させ、スリューレートが同じ所定の閾値未満である場合に、低電力モードでスイッチング回路を動作させることで、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを切り替える。

例えば、シーケンス制御部１０が、計算機システム２０から送信されるシーケンス実行データに基づいて、傾斜磁場コイル２に発生させる傾斜磁場のスリューレートを算出する。また、シーケンス制御部１０は、算出したスリューレートに基づいて、傾斜磁場電源２３０のフルブリッジ回路部３６ａを通常モード及び低電力モードのいずれで動作させるかを判定する。そして、シーケンス制御部１０は、判定した結果を示す切り替え信号を傾斜磁場電源２３０に送信する。この場合には、傾斜磁場電源３０の切替部２３８は、シーケンス制御部１０から送信される切り替え信号に応じて、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを切り替える。

なお、ここでは、シーケンス制御部１０がフルブリッジ回路部３６ａの動作モードを判定する場合の例を説明したが、例えば、計算機システム２０の制御部２６が、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを判定してもよい。その場合には、制御部２６が、操作者によって設定された撮像条件に基づいて、傾斜磁場コイル２に発生させる傾斜磁場のスリューレートを算出する。そして、制御部２６は、算出したスリューレートに基づいて、傾斜磁場電源２３０のフルブリッジ回路部３６ａを通常モード及び低電力モードのいずれで動作させるかを判定する。そして、制御部２６は、判定した結果を示す切り替え信号を、シーケンス制御部１０を介して、傾斜磁場電源３０に送信する。

また、例えば、シーケンス制御部１０又は制御部２６が、撮像条件に基づいて、傾斜磁場のスリューレートを示す情報を傾斜磁場電源３０に送信してもよい。この場合には、傾斜磁場電源３０の切替部２３８が、シーケンス制御部１０又は制御部２６から送信されるスリューレートを示す情報に基づいて、フルブリッジ回路部３６ａを通常モード及び低電力モードのいずれで動作させるかを判定し、判定した結果に応じて、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを切り替える。

なお、第１の実施形態と同様に、切替部２３８は、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを切り替える際に、比例部３２の比例ゲインや積分部３４の積分ゲインについても同時に切り替えることが望ましい。

以上、第１〜第３の実施形態について説明した。ここで、第１〜第３の実施形態では、通常モードと低電力モードとの間でフルブリッジ回路部３６ａの動作モードを切り替える場合の例を説明したが、切り替える動作モードは２つに限られない。例えば、切替部は、３つ以上の動作モードの間で、フルブリッジ回路部３６ａの動作モードを切り替えてもよい。その場合には、動作モードごとに、動作させるフルブリッジ回路の段数を段階的に変える。例えば、通常モードでは、５段全てのフルブリッジ回路を動作させ、第１の低電力モードでは、３段のフルブリッジ回路を動作させ、第２の低電力モードでは、１段のフルブリッジ回路を動作させる。そして、例えば、切替部は、２つ以上の閾値を用いて、各動作モードの切り替えを判定する。

また、上述した第１〜第３の実施形態において、図２、３、６、７、１１及び１２に示した各部は、それぞれ独立した回路でハードウェアとして実現されてもよいし、各部が行う処理の処理手順を定義したプログラムをプロセッサやメモリで実行することで、ソフトウェアとして実現されてもよい。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、傾斜磁場電源におけるスイッチング損による消費電力を低減させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００ ＭＲＩ装置
３０ 傾斜磁場電源
３６ 増幅部
３６ａ フルブリッジ回路部
３８ 切替部

Claims (9)

1. 傾斜磁場コイルに電力を供給する傾斜磁場電源を備え、
   前記傾斜磁場電源は、
   それぞれ所定のパルス電圧を出力する複数のスイッチング回路と、
   前記傾斜磁場コイルに出力する電圧の大きさに応じて、前記複数のスイッチング回路のうち第１の数のスイッチング回路をスイッチング動作させる第１のモードと、前記複数のスイッチング回路のうち前記第１の数より少ない第２の数のスイッチング回路をスイッチング動作させる第２のモードとの間で動作モードを切り替える切替部と
   を備え、
   前記切替部は、動作中のスイッチング回路から出力されるパルス電圧のデューティ比と、前記傾斜磁場コイルに発生させる傾斜磁場のスリューレートとのうち少なくとも１つに基づいて、前記動作モードを切り替えることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
2. 傾斜磁場コイルに電力を供給する傾斜磁場電源を備え、
   前記傾斜磁場電源は、
   それぞれ所定のパルス電圧を出力する複数のスイッチング回路と、
   前記傾斜磁場コイルに出力する電圧の大きさに応じて、前記複数のスイッチング回路のうち第１の数のスイッチング回路をスイッチング動作させる第１のモードと、前記複数のスイッチング回路のうち前記第１の数より少ない第２の数のスイッチング回路をスイッチング動作させる第２のモードとの間で動作モードを切り替える切替部と
   を備え、
   前記切替部は、前記複数のスイッチング回路が前記第１のモードで動作している状態で、動作中のスイッチング回路から出力されるパルス電圧のデューティ比が第１の閾値未満となった場合に、前記動作モードを前記第２のモードに切り替え、前記複数のスイッチング回路が前記第２のモードで動作している状態で、動作中のスイッチング回路から出力されるパルス電圧のデューティ比が第２の閾値以上となった場合に、前記動作モードを前記第１のモードに切り替えることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
3. 傾斜磁場コイルに電力を供給する傾斜磁場電源を備え、
   前記傾斜磁場電源は、
   それぞれ所定のパルス電圧を出力する複数のスイッチング回路と、
   前記傾斜磁場コイルに出力する電圧の大きさに応じて、前記複数のスイッチング回路のうち第１の数のスイッチング回路をスイッチング動作させる第１のモードと、前記複数のスイッチング回路のうち前記第１の数より少ない第２の数のスイッチング回路をスイッチング動作させる第２のモードとの間で動作モードを切り替える切替部と
   を備え、
   前記切替部は、前記傾斜磁場コイルに発生させる傾斜磁場のスリューレートが所定の閾値以上である場合に、前記第１のモードで前記複数のスイッチング回路を動作させ、前記スリューレートが前記所定の閾値未満である場合に、前記第２のモードで前記複数のスイッチング回路を動作させることで、前記動作モードを切り替えることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
4. 撮像を制御する制御部をさらに備え、
   前記制御部は、前記傾斜磁場のスリューレートに基づいて、前記複数のスイッチング回路を前記第１のモード及び前記第２のモードのいずれで動作させるかを判定し、判定した結果を示す切り替え信号を前記傾斜磁場電源に送信し、
   前記切替部は、前記切り替え信号に応じて、前記動作モードを切り替える
   ことを特徴とする請求項３に記載の磁気共鳴イメージング装置。
5. 撮像を制御する制御部をさらに備え、
   前記制御部は、前記スリューレートを示す情報を前記傾斜磁場電源に送信し、
   前記切替部は、前記スリューレートを示す情報に基づいて、前記複数のスイッチング回路を前記第１のモード及び前記第２のモードのいずれで動作させるかを判定し、判定した結果に応じて、前記動作モードを切り替える
   ことを特徴とする請求項３に記載の磁気共鳴イメージング装置。
6. 前記スイッチング回路は、フルブリッジ回路であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の磁気共鳴イメージング装置。
7. 磁気共鳴イメージング装置の傾斜磁場コイルに電力を供給する傾斜磁場電源であって、
   それぞれ所定のパルス電圧を出力する複数のスイッチング回路と、
   前記傾斜磁場コイルに出力する電圧の大きさに応じて、前記複数のスイッチング回路のうち第１の数のスイッチング回路をスイッチング動作させる第１のモードと、前記複数のスイッチング回路のうち前記第１の数より少ない第２の数のスイッチング回路をスイッチング動作させる第２のモードとの間で動作モードを切り替える切替部と
   を備え、
   前記切替部は、動作中のスイッチング回路から出力されるパルス電圧のデューティ比、又は、前記傾斜磁場コイルに発生させる傾斜磁場のスリューレートに基づいて、前記動作モードを切り替えることを特徴とする傾斜磁場電源。
8. 傾斜磁場コイルに電力を供給する傾斜磁場電源を備え、
   前記傾斜磁場電源は、
   それぞれ所定のパルス電圧を出力する複数のスイッチング回路と、
   前記傾斜磁場コイルに出力する電圧の大きさに応じて、前記複数のスイッチング回路のうち第１の数のスイッチング回路をスイッチング動作させる第１のモードと、前記複数のスイッチング回路のうち前記第１の数より少ない第２の数のスイッチング回路をスイッチング動作させる第２のモードとの間で動作モードを切り替える切替部と
   を備え、
   前記切替部は、前記複数のスイッチング回路が前記第１のモードで動作している状態で、動作中のスイッチング回路から出力されるパルス電圧のデューティ比が第１の閾値未満となった場合に、前記動作モードを前記第２のモードに切り替え、前記複数のスイッチング回路が前記第２のモードで動作している状態で、動作中のスイッチング回路から出力されるパルス電圧のデューティ比が第２の閾値以上となった場合に、前記動作モードを前記第１のモードに切り替えることを特徴とする傾斜磁場電源。
9. 傾斜磁場コイルに電力を供給する傾斜磁場電源を備え、
   前記傾斜磁場電源は、
   それぞれ所定のパルス電圧を出力する複数のスイッチング回路と、
   前記傾斜磁場コイルに出力する電圧の大きさに応じて、前記複数のスイッチング回路のうち第１の数のスイッチング回路をスイッチング動作させる第１のモードと、前記複数のスイッチング回路のうち前記第１の数より少ない第２の数のスイッチング回路をスイッチング動作させる第２のモードとの間で動作モードを切り替える切替部と
   を備え、
   前記切替部は、前記傾斜磁場コイルに発生させる傾斜磁場のスリューレートが所定の閾値以上である場合に、前記第１のモードで前記複数のスイッチング回路を動作させ、前記スリューレートが前記所定の閾値未満である場合に、前記第２のモードで前記複数のスイッチング回路を動作させることで、前記動作モードを切り替えることを特徴とする傾斜磁場電源。

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