JP7237779B2 - 高周波増幅装置および磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、高周波増幅装置および磁気共鳴イメージング装置に関する。

従来から、磁気共鳴イメージング（Magnetic Resonance Imaging：ＭＲＩ）装置においては、高周波を増幅する高周波増幅装置が用いられている。このような高周波増幅装置においては、例えば、負荷インピーダンスが規定の値から変動することにより、インピーダンス不整合となり、リニアリティが低下する場合があった。

特開２００６－３１９５０８号公報

本発明が解決しようとする課題は、負荷インピーダンスが変動する場合においても、高周波増幅装置のリニアリティを維持することである。

実施形態に係る高周波増幅装置は、負荷インピーダンス演算部と、制御部とを備える。負荷インピーダンス演算部は、高周波増幅回路の出力側の電圧定在波比および位相に関する情報に基づいて、負荷インピーダンスを算出する。制御部は、負荷インピーダンス演算部によって算出された負荷インピーダンスに応じて、高周波増幅回路に入力される信号のゲインおよび位相を調整する。

図１は、実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置の構成を示すブロック図である。 図２は、実施形態に係る送信回路の構成の一例を示すブロック図である。 図３は、実施形態に係る高周波増幅回路における入力ＲＦ信号と増幅信号の関係の一例を示す図である。 図４は、実施形態に係る高周波増幅回路におけるゲインの一例を示す図である。 図５は、実施形態に係る高周波増幅回路におけるＲＦ入力信号と、増幅信号の位相との関係の一例を示す図である。 図６は、実施形態に係る調整値情報の構成の一例を示す図である。 図７は、実施形態に係る送信回路で実行されるＲＦ入力信号の増幅処理の流れの一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、高周波増幅装置および磁気共鳴イメージング装置の実施形態について詳細に説明する。

（実施形態）
図１は、本実施形態に係るＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging：磁気共鳴イメージング）装置１００の構成を示すブロック図である。ＭＲＩ装置１００は、静磁場磁石１０１と、傾斜磁場コイル１０２と、傾斜磁場電源１０３と、寝台１０４と、寝台制御回路１０５と、送信コイル１０６と、送信回路１０７と、受信コイル１０８と、受信回路１０９と、シーケンス制御回路１１０と、計算機システム１２０とを備える。なお、ＭＲＩ装置１００に被検体Ｐ（例えば、人体）は含まれない。

静磁場磁石１０１は、中空の円筒形状（円筒の軸に直交する断面が楕円状となるものを含む）に形成された磁石であり、内部の空間に一様な静磁場を発生する。

傾斜磁場コイル１０２は、中空の円筒形状（円筒の軸に直交する断面が楕円状となるものを含む）に形成されたコイルであり、傾斜磁場を発生する。傾斜磁場コイル１０２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ており、これら３つのコイルは、傾斜磁場電源１０３から個別に電流の供給を受けて、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸に沿って磁場強度が変化する傾斜磁場を発生する。

傾斜磁場電源１０３は、傾斜磁場コイル１０２に電流を供給する。例えば、傾斜磁場電源１０３は、傾斜磁場コイル１０２を形成する３つのコイルのそれぞれに、個別に電流を供給する。

寝台１０４は、被検体Ｐが載置される天板１０４ａを備え、寝台制御回路１０５による制御のもと、天板１０４ａを、被検体Ｐが載置された状態で傾斜磁場コイル１０２の空洞（撮像口）内へ挿入する。寝台制御回路１０５は、計算機システム１２０による制御のもと、寝台１０４を駆動して天板１０４ａを長手方向および上下方向へ移動するプロセッサである。

送信コイル１０６は、傾斜磁場コイル１０２の内側に配置され、送信回路１０７からＲＦ（Radio Frequency、高周波）信号の供給を受けて、高周波磁場を発生する。送信コイル１０６は、ＲＦコイルの一例である。

送信回路１０７は、シーケンス制御回路１１０から入力されたＲＦ信号を増幅した増幅信号を生成する。送信回路１０７は、生成した増幅信号を送信コイル１０６に出力する。送信回路１０７は、本実施形態における高周波増幅装置の一例である。送信回路１０７の構成の詳細は後述する。また、本実施形態においては、シーケンス制御回路１１０から送信回路１０７に入力されるＲＦ信号を、ＲＦ入力信号という。

受信コイル１０８は、傾斜磁場コイル１０２の内側に配置され、高周波磁場の影響によって被検体Ｐから発せられる磁気共鳴信号（以下、ＭＲ信号と称する）を受信する。受信コイル１０８は、ＭＲ信号を受信すると、受信したＭＲ信号を受信回路１０９へ出力する。なお、図１では、受信コイル１０８が、送信コイル１０６と別個に設けられる構成としたが、これは一例であり、当該構成に限定されるものではない。例えば、受信コイル１０８が送信コイル１０６と兼用される構成を採用しても良い。

受信回路１０９は、受信コイル１０８から出力されるアナログのＭＲ信号をアナログ・デジタル変換して、ＭＲデータを生成する。また、受信回路１０９は、生成したＭＲデータをシーケンス制御回路１１０へ送信する。なお、アナログ・デジタル変換に関しては、受信コイル１０８内で行っても構わない。また、受信回路１０９はアナログ・デジタル変換以外にも任意の信号処理を行うことが可能である。

シーケンス制御回路１１０は、計算機システム１２０から送信されるシーケンス情報に基づいて、傾斜磁場電源１０３、送信回路１０７および受信回路１０９を制御することによって、被検体Ｐの撮像を行う。シーケンス制御回路１１０は、例えば、送信回路１０７におけるＲＦ入力信号の増幅率や位相を規定する。また、シーケンス制御回路１１０は、受信回路１０９からＭＲデータを受信する。シーケンス制御回路１１０は、受信したＭＲデータを計算機システム１２０へ転送する。

例えば、シーケンス制御回路１１０は、プロセッサにより実現されるものとしても良いし、ソフトウェアとハードウェアとの混合によって実現されても良い。シーケンス制御回路１１０は、シーケンス情報に基づいて、送信回路１０７にＲＦ入力信号を入力する。シーケンス制御回路１１０は、シーケンス制御部ともいう。

ここで、シーケンス情報は、撮像を行うための手順を定義した情報であり、送信回路１０７の制御に関する情報を含む。また、シーケンス情報は、傾斜磁場電源１０３が傾斜磁場コイル１０２に供給する電源の強さや、受信回路１０９がＭＲ信号を検出するタイミングなどを含む。

なお、シーケンス制御回路１１０は、傾斜磁場電源１０３、送信回路１０７および受信回路１０９を駆動して被検体Ｐを撮像した結果、受信回路１０９からＭＲデータを受信すると、受信したＭＲデータを計算機システム１２０へ転送する。

計算機システム１２０は、ＭＲＩ装置１００の全体制御や、データ収集、画像再構成などを行う。計算機システム１２０は、ネットワークインタフェース１２１、記憶回路１２２、処理回路１２３、入力インタフェース１２４、およびディスプレイ１２５を有する。

ネットワークインタフェース１２１は、シーケンス情報をシーケンス制御回路１１０へ送信し、シーケンス制御回路１１０からＭＲデータを受信する。また、ネットワークインタフェース１２１によって受信されたＭＲデータは、記憶回路１２２に格納される。

記憶回路１２２は、各種のプログラムを記憶する。記憶回路１２２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子、ハードディスク、光ディスク等により実現される。なお、記憶回路１２２は、ハードウェアによる非一過性の記憶媒体としても用いられる。

入力インタフェース１２４は、医師や診療放射線技師等の操作者からの各種指示や情報入力を受け付ける。入力インタフェース１２４は、例えば、トラックボール、スイッチボタン、マウス、キーボード等によって実現される。入力インタフェース１２４は、処理回路１２３に接続されており、操作者から受け取った入力操作を電気信号に変換して処理回路１２３へと出力する。なお、本実施形態において入力インタフェース１２４は、マウス、キーボードなどの物理的な操作部品を備えるものだけに限られない。例えば、ＭＲＩ装置１００とは別体に設けられた外部の入力機器から入力操作に対応する電気信号を受け取り、この電気信号を処理回路１２３へ出力する電気信号の処理回路も、入力インタフェース１２４の例に含まれる。

ディスプレイ１２５は、処理回路１２３による制御のもと、各種ＧＵＩ（Graphical User Interface）や、ＭＲ（Magnetic Resonance）画像等を表示する。

処理回路１２３は、ＭＲＩ装置１００の全体制御を行う。具体的には、処理回路１２３は、入力インタフェース１２４を介して操作者から入力される撮像条件に基づいてシーケンス情報を生成し、生成したシーケンス情報をシーケンス制御回路１１０に送信することによって撮像を制御する。

また、処理回路１２３は、撮像の結果としてシーケンス制御回路１１０から送られるＭＲデータを、上述した傾斜磁場により付与された位相エンコード量や周波数エンコード量に従って配列させる。配列されたＭＲデータはｋ空間データと称され、当該ｋ空間データに例えばフーリエ変換などの再構成処理を行ってＭＲ画像を生成する。処理回路１２３は、生成されたＭＲ画像をディスプレイ１２５に表示させる制御を行う。処理回路１２３は、プロセッサにより実現される。

処理回路１２３は、記憶回路１２２から読み出した各種のプログラムを実行することで、各プログラムに対応する機能を実現する。なお、複数の独立したプロセッサを組み合わせて処理回路１２３を構成しても良い。

次に、本実施形態に係る送信回路１０７の詳細を説明する。

図２は、本実施形態に係る送信回路１０７の構成の一例を示すブロック図である。図に示すように、送信回路１０７は、入力端子２１０と、参照信号生成回路２１１と、ゲイン調整回路２１２と、位相調整回路２１３と、ＤＣ（Direct Current）電源装置２１４と、高周波増幅回路２５０と、カプラ２１５と、電圧・電流検出回路２１６と、出力端子２１７と、位相演算回路２１８と、ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Rate、電圧定在波比）演算回路２１９と、負荷インピーダンス演算回路２２０と、制御回路２２１とを備える。

入力端子２１０は、シーケンス制御回路１１０の出力端子と接続する。送信回路１０７は、入力端子２１０を介して、シーケンス制御回路１１０からＲＦ入力信号を取得する。

参照信号生成回路２１１は、入力端子２１０から入力されたＲＦ入力信号から、参照信号を生成する。参照信号生成回路２１１は、生成した参照信号を制御回路２２１に送出する。参照信号は、例えば、ＲＦ入力信号と同じ信号でも良いし、参照信号生成回路２１１によってＲＦ入力信号に変換処理が施された信号でも良い。変換処理の内容は、特に限定するものではない。

ゲイン調整回路２１２は、制御回路２２１の制御の下、ＲＦ入力信号を減衰または増幅する。本実施形態においては、高周波増幅回路２５０でＲＦ入力信号を増幅させる前に、ゲイン調整回路２１２でＲＦ入力信号の振幅を調整することにより、送信回路１０７に入力されるＲＦ入力信号と出力される増幅信号との関係を高精度に制御している。

本実施形態においては、ゲインは、電圧の入出力関係のことを指す。より具体的には、ゲインは、入力電圧と出力電圧の比である。ゲイン調整回路２１２は、ＲＦ入力信号を減衰または増幅することにより、送信回路１０７に入力されるＲＦ入力信号と出力される増幅信号の電圧の関係を調整する。

位相調整回路２１３は、制御回路２２１の制御の下、ＲＦ入力信号の位相を調整する。

なお、図２ではゲイン調整回路２１２と位相調整回路２１３とを別個の回路として記載したが、当該構成は一例である。例えば、ゲイン調整回路２１２と位相調整回路２１３との機能を有する１つの調整回路が送信回路１０７内に設けられても良い。

ＤＣ電源装置２１４は、高周波増幅回路２５０にＤＣ電力を供給する。また、ＤＣ電源装置２１４は、制御回路２２１の制御の下、高周波増幅回路２５０に供給するＤＣ電圧（直流電圧）を調整する。ＤＣ電圧が変化すると、高周波増幅回路２５０の動作点が変化する。

動作点は、高周波増幅回路２５０がＲＦ入力信号を増幅する際の動作の基準となる点である。

高周波増幅回路２５０は、ＲＦ入力信号を増幅して増幅信号を出力する。本実施形態においては、高周波増幅回路２５０は、ゲイン調整回路２１２および位相調整回路２１３によってゲインおよび位相が調整されたＲＦ入力信号を増幅する。なお、高周波増幅回路２５０は、ＲＦアンプともいう。高周波増幅回路２５０が出力した増幅信号は、出力端子２１７を介して送信コイル１０６に供給される。出力端子２１７から出力された増幅信号は、送信回路１０７の出力信号ともいう。

カプラ２１５と電圧・電流検出回路２１６とは、高周波増幅回路２５０と出力端子２１７との間に設けられる。なお、カプラ２１５と電圧・電流検出回路２１６の設置順は、図２に示す例に限定されるものではない。例えば、図２に示す例とは逆に、電圧・電流検出回路２１６がカプラ２１５よりも高周波増幅回路２５０に近くなるように設置されても良い。

カプラ２１５は、高周波増幅回路２５０から出力された増幅信号を出力端子２１７側に出力するとともに、増幅信号の進行波電力(Forward Power：Pf)を、ＶＳＷＲ演算回路２１９に出力する。また、カプラ２１５は、出力端子２１７側からの反射波電力（Reflected Power：Pr）を、ＶＳＷＲ演算回路２１９に出力する。カプラ２１５は、方向性結合器ともいう。

電圧・電流検出回路２１６は、高周波増幅回路２５０から出力された増幅信号の電圧と電流を検出する。電圧・電流検出回路２１６は、検出した電圧と電流を位相演算回路２１８に送出する。

出力端子２１７は、高周波増幅回路２５０から出力された増幅信号を送信コイル１０６に出力する。

位相演算回路２１８は、電圧・電流検出回路２１６によって検出された電圧と電流の位相差を算出する。位相演算回路２１８は、算出した電圧と電流の位相差を、負荷インピーダンス演算回路２２０に送出する。

ＶＳＷＲ演算回路２１９は、カプラ２１５から取得した進行波電力と反射波電力から、ＶＳＷＲを算出する。ＶＳＷＲ演算回路２１９は、算出したＶＳＷＲを負荷インピーダンス演算回路２２０に送出する。

負荷インピーダンス演算回路２２０は、高周波増幅回路２５０の出力側のＶＳＷＲおよび位相に関する情報に基づいて、負荷インピーダンスを算出する。より詳細には、負荷インピーダンス演算回路２２０は、ＶＳＷＲ演算回路２１９によって算出されたＶＳＷＲと、位相演算回路２１８によって算出された位相差とから、負荷インピーダンスを算出する。負荷インピーダンス演算回路２２０は、負荷インピーダンス演算部の一例である。

負荷インピーダンス演算回路２２０は、算出した負荷インピーダンスを制御回路２２１に送出する。

制御回路２２１は、負荷インピーダンス演算回路２２０によって算出された負荷インピーダンスに応じて、送信回路１０７に入力されたＲＦ入力信号を規定の増幅率および規定の位相で増幅するように、高周波増幅回路２５０に入力されるＲＦ入力信号のゲインおよび位相を調整する。換言すれば、制御回路２２１は、送信回路１０７が予め定められた線形性を維持するように、高周波増幅回路２５０に入力されるＲＦ入力信号のゲインおよび位相を調整する。制御回路２２１は、制御部の一例である。例えば、制御回路２２１は、このような高周波増幅回路２５０のリニアリティの低下を加味して、ＲＦ入力信号のゲインおよび位相を調整し、調整後のＲＦ入力信号を高周波増幅回路２５０に入力させる。

規定の増幅率は、例えば、負荷インピーダンスが規定の値（例えば、５０Ω±ｊ０Ω）である場合における、高周波増幅回路２５０に入力されるＲＦ入力信号と、高周波増幅回路２５０から出力される増幅信号の比である。また、規定の位相は、負荷インピーダンスが規定の値である場合において、ＲＦ入力信号が高周波増幅回路２５０に入力された場合における増幅信号の位相である。高周波増幅回路２５０で位相の変更をしないことが前提であれば、規定の位相は、送信回路１０７に入力された調整前のＲＦ入力信号の位相と同様である。規定の増幅率および規定の位相は、例えばシーケンス制御回路１１０によって定められる。

例えば、本実施形態の高周波増幅回路２５０は、負荷インピーダンスが５０Ω±ｊ０Ωである場合に、入力側と出力側のインピーダンスが整合するように設計されているものとする。しかしながら、負荷インピーダンスが変動して５０Ω±ｊ０Ω以外の値になると、高周波増幅回路２５０のリニアリティが低下する。負荷インピーダンスの変動は、例えば、被検体ＰがＭＲＩ装置１００の撮像口内に入ることで発生する。なお、本実施形態においては、負荷インピーダンスの規定の値は、例えば５０Ω±ｊ０Ωとするが、これに限定されるものではない。負荷インピーダンスの規定の値である場合に、高周波増幅回路２５０は、入力と出力のインピーダンス整合が取れているものとする。

図３～５は、負荷インピーダンスに変動による高周波増幅回路２５０の出力の変化の一例を示すイメージ図である。図３～５においては、負荷インピーダンスが５０Ω±ｊ０Ωである場合のグラフを破線で示す。また、負荷インピーダンスが５０Ω±ｊ０Ω以外である場合のグラフを実線で示す。

例えば、図３は、本実施形態に係る高周波増幅回路２５０における入力ＲＦ信号と増幅信号の関係の一例を示す図である。図３のグラフの横軸はＲＦ入力信号、縦軸は増幅信号の電力をｋＷで示す。図３に破線で示すように、負荷インピーダンスが５０Ω±ｊ０Ωである場合には、高周波増幅回路２５０は、ＲＦ入力信号の値に関わらず、ＲＦ入力信号を１千万倍にした増幅信号を出力している。つまり、負荷インピーダンスが５０Ω＋ｊ０Ωである場合には、高周波増幅回路２５０は、リニアリティを維持している。

しかしながら、図３に実線で示すように、負荷インピーダンスが５０Ω±ｊ０Ω以外の場合には、リニアリティが低下し、増幅の度合が規定の増幅率、つまり負荷インピーダンスが規定の値（例えば、５０Ω±ｊ０Ω）である場合の増幅率よりも小さかったり、大きかったりする。

例えば、図３に示すように、高周波増幅回路２５０に入力されるＲＦ入力信号が０．５ｍＷである場合、負荷インピーダンスが５０Ω±ｊ０Ωであれば、増幅信号はＲＦ入力信号の１千万倍の５ｋＷとなる。これに対して、負荷インピーダンスが６０Ω－ｊ３０Ωである場合、０．５ｍＷのＲＦ入力信号が高周波増幅回路２５０に入力されると、増幅信号は約２ｋＷとなる。これは、入力信号の約４百万倍であるため、増幅率が低下している状態である。また、負荷インピーダンスが４０Ω＋ｊ３０Ωである場合、０．５ｍＷのＲＦ入力信号が高周波増幅回路２５０に入力されると、増幅信号は約７ｋＷとなる。これは、ＲＦ入力信号の約１千４百万倍であるため、増幅率が大きくなっている状態である。

また、高周波増幅回路２５０のリニアリティが低下している場合、入力ＲＦ信号と増幅信号の関係が非線形となるため、同じ負荷インピーダンスでも、ＲＦ入力信号に応じて増幅率は変動する。例えば、上述のように、負荷インピーダンスが４０Ω＋ｊ３０Ωの場合に、ＲＦ入力信号が０．５ｍＷであれば、増幅信号はＲＦ入力信号の約１千４百万倍となる。これに対して、負荷インピーダンスが同じ４０Ω＋ｊ３０Ωの場合に、ＲＦ入力信号が１ｍＷである場合、増幅信号はＲＦ入力信号の約８百万倍の約８ｋＷとなる。

また、図４は、本実施形態に係る高周波増幅回路２５０におけるゲインの一例を示す図である。図４では、高周波増幅回路２５０のゲインをｄＢｍで示す。図４に示すように、負荷インピーダンスが５０Ω±ｊ０Ωである場合には、高周波増幅回路２５０のＯｕｔｐｕｔはリニアリティを維持した一定の値となる。これに対して、負荷インピーダンスが５０Ω±ｊ０Ω以外の場合には、高周波増幅回路２５０のＩｎｐｕｔとＯｕｔｐｕｔの関係が非線形となる。

また、図５は、本実施形態に係る高周波増幅回路２５０におけるＲＦ入力信号と、増幅信号の位相との関係の一例を示す図である。図５に示すように、負荷インピーダンスが５０Ω±ｊ０Ω、つまり規定の値である場合には、ＲＦ入力信号の大きさに関わらず、高周波増幅回路２５０が出力する増幅信号の位相は規定の位相を維持する。これに対して、負荷インピーダンスが５０Ω±ｊ０Ω以外の場合には、ＲＦ入力信号の大きさによって増幅信号の位相が変動する。このため、高周波増幅回路２５０から出力される増幅信号の位相が、規定の位相からずれてしまう場合がある。

なお、図３～５に示す値は全て一例であり、高周波増幅回路２５０の特性はこれらに限定されるものではない。例えば、図３～５では負荷インピーダンスが５０Ω±ｊ０Ωの場合に高周波増幅回路２５０リニアリティが維持されるものとしたが、高周波増幅回路２５０の入力側と出力側のインピーダンスが整合する負荷インピーダンスの規定値はこれに限定されるものではない。また、図３～５に示す値は全て例であり、高周波増幅回路２５０の特性は、図３～５に示す例に限定されるものではない。

より詳細には、制御回路２２１は、負荷インピーダンス演算回路２２０によって算出された負荷インピーダンスに応じて、ゲイン調整回路２１２と、位相調整回路２１３とを制御することにより、ＲＦ入力信号のゲインおよび位相を調整する。

例えば、図３に示したように、規定の負荷インピーダンスの場合は、高周波増幅回路２５０へ入力されるＲＦ入力信号が１ｍＷである場合に、増幅信号は１０ｋＷとなる。これに対して、負荷インピーダンスが４０Ω＋ｊ３０Ωであれば、高周波増幅回路２５０へ入力されるＲＦ入力信号が１ｍＷである場合、増幅信号は約８ｋＷとなる。このような場合に、本実施形態の制御回路２２１は、送信回路１０７に入力されたＲＦ入力信号が１ｍＷである場合には、負荷インピーダンスが４０Ω＋ｊ３０Ωの場合にも、増幅信号は規定の増幅をされた１０ｋＷとなるように、送信回路１０７に入力されたＲＦ入力信号を調整してから高周波増幅回路２５０へ入力させる。

また、制御回路２２１は、負荷インピーダンス演算回路２２０によって算出された負荷インピーダンスに応じて、さらに、高周波増幅回路２５０の動作点を制御する。より詳細には、制御回路２２１は、ＤＣ電源装置２１４を制御して高周波増幅回路２５０に印加するＤＣ電圧を変更することで、高周波増幅回路２５０の動作点を変更する。

動作点は、増幅信号の出力波形の振幅の中心となるため、動作点が高すぎたり低すぎたりする状態になると、出力波形の上側または下側がクリップすることにより、出力波形に歪が生じたり、規定の大きさの波形を出力できなかったりする場合がある。

動作点は、負荷インピーダンスおよびＤＣ電圧によって変化する。例えば、負荷インピーダンスが大きくなると、動作点が下がり、増幅信号の出力波形の下側がクリップする場合がある。このような場合、制御回路２２１は、ＤＣ電源装置２１４は、ＤＣ電圧を大きくすることにより、増幅信号の出力波形の振幅の上限と下限の両方がクリップしない位置に動作点の位置を上げる。

高周波増幅回路２５０の動作点が適切な値に調整されることで、高周波増幅回路２５０が効率良く作動する。また、高周波増幅回路２５０の動作点が適切な値に調整されることで、増幅信号の歪みを低減することができる。

また、本実施形態においては、制御回路２２１は、算出された負荷インピーダンスと調整値情報とに基づいて、送信回路１０７に入力されたＲＦ入力信号を規定の増幅率および規定の位相で増幅するように、ＲＦ入力信号のゲイン、位相、および高周波増幅回路２５０に供給するＤＣ電圧の調整値を決定する。

図６は、本実施形態に係る調整値情報９０の構成の一例を示す図である。本実施形態においては、調整値情報９０は、図６に示すように、負荷インピーダンスとＲＦ入力信号から求められた参照信号との組み合わせと、ゲインの調整値、位相の調整値、およびＤＣ電圧の調整値との対応関係を表す。図６では、調整値情報９０は参照信号を使用しているが、ＲＦ入力信号が使用されても良い。

図３～５で説明したように、負荷インピーダンスが規定の値以外の場合には、高周波増幅回路２５０のＲＦ入力信号と増幅信号におけるゲインおよび位相の関係は、ＲＦ入力信号によって変動する。このため、調整値情報におけるゲインの調整値、位相の調整値、およびＤＣ電圧の調整値は、負荷インピーダンスだけではなく、ＲＦ入力信号によっても変化する。

このため、調整値情報９０は、負荷インピーダンスとＲＦ入力信号の組み合わせと、ゲインの調整値、位相の調整値、およびＤＣ電圧の調整値との対応関係を表す。ここでいうＲＦ入力信号は、ゲインおよび位相が調整される前のＲＦ入力信号である。

例えば、図３に示したように、高周波増幅回路２５０へ入力されるＲＦ入力信号が１ｍＷである場合、負荷インピーダンスが４０Ω＋ｊ３０Ωであれば、規定の負荷インピーダンスである場合よりも、増幅率は低くなる。これに対して、高周波増幅回路２５０へ入力されるＲＦ入力信号が０．５ｍＷである場合、負荷インピーダンスが４０Ω＋ｊ３０Ωであれば、規定の負荷インピーダンスである場合よりも、増幅率は高くなる。ゲインの調整値は、このような負荷インピーダンスの値に応じた高周波増幅回路２５０の非線形が加味された値である。また、位相の調整値およびＤＣ電圧の調整値も、負荷インピーダンスの値に応じた高周波増幅回路２５０の非線形が加味された値である。

なお、調整値情報９０は、制御回路２２１内に設けられたＲＡＭやフラッシュメモリ等の記憶回路に記憶されても良いし、調整値情報９０が制御回路２２１に予め組み込まれているものとしても良い。

制御回路２２１は、調整値情報９０から、負荷インピーダンス演算回路２２０によって算出された負荷インピーダンスと、ＲＦ入力信号から求められた参照信号とに対応付けられたゲインの調整値、位相の調整値、およびＤＣ電圧の調整値を取得する。

制御回路２２１は、調整値情報９０から取得したゲインの調整値、位相の調整値、およびＤＣ電圧の調整値に基づいて、高周波増幅回路２５０入力するＲＦ入力信号のゲインおよび位相と、高周波増幅回路２５０に供給するＤＣ電圧とを調整する。例えば、制御回路２２１は、ゲイン調整回路２１２を制御して、ゲインの調整値分だけＲＦ入力信号の振幅を減衰または増大させる。また、制御回路２２１は、位相調整回路２１３を制御して、位相の調整値分だけＲＦ入力信号の位相を補正する。また、制御回路２２１は、ＤＣ電源装置２１４を制御して、ＤＣ電源装置２１４が高周波増幅回路２５０に供給するＤＣ電圧を、ＤＣ電圧の調整値分だけ変更する。

制御回路２２１によるゲイン調整回路２１２、位相調整回路２１３、およびＤＣ電源装置２１４の制御の手法は特に限定されるものではないが、例えば、制御回路２２１は、ゲイン調整回路２１２、位相調整回路２１３、およびＤＣ電源装置２１４の各々に調整値を通知する制御信号を送信する。

制御回路２２１による制御により、ＲＦ入力信号が高周波増幅回路２５０に入力される前に、ゲイン調整回路２１２および位相調整回路２１３によってＲＦ入力信号のゲインおよび位相が調整される。当該調整により、負荷インピーダンスが規定の値以外の値であっても、高周波増幅回路２５０から出力される増幅信号は、負荷インピーダンスが規定の値である場合の増幅信号に近くなる。このため、高周波増幅回路２５０のリニアリティが低下しても、送信回路１０７全体では、リニアリティが維持される。つまり、送信回路１０７に入力された調整前のＲＦ入力信号が規定の増幅率で増幅された増幅信号が、送信コイル１０６に供給される。

次に、以上のように構成された本実施形態の送信回路１０７におけるＲＦ入力信号の増幅処理の流れについて説明する。

図７は、本実施形態に係る送信回路１０７で実行されるＲＦ入力信号の増幅処理の流れの一例を示すフローチャートである。このフローチャートの開始の際には、ＤＣ電源装置２１４から高周波増幅回路２５０へのＤＣ電圧の印加は開始しているものとする。

まず、シーケンス制御回路１１０から、送信回路１０７の入力端子２１０にＲＦ入力信号が入力される（Ｓ１）。

参照信号生成回路２１１は、入力端子２１０から入力されたＲＦ入力信号から、参照信号を生成する（Ｓ２）。参照信号生成回路２１１は、生成した参照信号を制御回路２２１に送出する。

そして、ゲイン調整回路２１２と位相調整回路２１３とが、ＲＦ入力信号のゲインおよび位相を調整する（Ｓ３）。

そして、高周波増幅回路２５０は、ゲイン調整回路２１２と位相調整回路２１３によってゲインおよび位相が調整された調整後のＲＦ入力信号を増幅した増幅信号を出力する（Ｓ４）。

なお、最初のＲＦ入力信号の入力の時点では、制御回路２２１による高周波増幅回路２５０の出力に基づくゲイン調整回路２１２および位相調整回路２１３の制御が実行されていないため、ゲイン調整回路２１２と位相調整回路２１３は、入力されたＲＦ入力信号を補正せずにそのまま通過させても良い。この場合は、高周波増幅回路２５０は、入力端子２１０から入力されたＲＦ入力信号を増幅した増幅信号を出力する。

次に、カプラ２１５は、高周波増幅回路２５０の出力側の進行波電力と反射波電力を検出する（Ｓ５）。カプラ２１５は、検出した進行波電力と反射波電力をＶＳＷＲ演算回路２１９に送出する。

そして、ＶＳＷＲ演算回路２１９は、検出された進行波電力と反射電力からＶＳＷＲを算出する（Ｓ６）。ＶＳＷＲ演算回路２１９は、算出したＶＳＷＲを負荷インピーダンス演算回路２２０に送出する。

また、電圧・電流検出回路２１６は、高周波増幅回路２５０の出力側の電圧と電流を検出する（Ｓ７）。電圧・電流検出回路２１６は、検出した電圧と電流を位相演算回路２１８に送出する。

そして、位相演算回路２１８は、検出された電圧と電流の位相差を算出する（Ｓ８）。位相演算回路２１８は、算出した位相差を負荷インピーダンス演算回路２２０に送出する。

負荷インピーダンス演算回路２２０は、ＶＳＷＲ演算回路２１９によって算出されたＶＳＷＲと、位相演算回路２１８によって算出された位相差とから、負荷インピーダンスを算出する（Ｓ９）。負荷インピーダンス演算回路２２０は、算出した負荷インピーダンスを制御回路２２１に送出する。

制御回路２２１は、調整値情報９０から、負荷インピーダンス演算回路２２０によって算出された負荷インピーダンスと参照信号生成回路２１１から入力された参照信号との組み合わせに対応するゲインの調整値、位相の調整値、およびＤＣ電圧の調整値を特定する（Ｓ１０）。

そして、制御回路２２１は、特定した各調整値に基づいて、ゲイン調整回路２１２、位相調整回路２１３、ＤＣ電源装置２１４を制御する（Ｓ１１）。例えば、制御回路２２１は、特定したゲインの調整値分、ゲイン調整回路２１２の設定を変更する。また、制御回路２２１は、特定した位相の調整値分、位相調整回路２１３の設定を変更する。また、制御回路２２１は、特定したＤＣ電圧の調整値分、ＤＣ電源装置２１４の設定を変更する。

そして、ＤＣ電源装置２１４は、ＤＣ電圧の調整値分変更されたＤＣ電圧を、高周波増幅回路２５０に印加する（Ｓ１２）。

そして、Ｓ１の処理に戻り、シーケンス制御回路１１０から、送信回路１０７の入力端子２１０にＲＦ入力信号が入力される。次にＳ２の処理が実行させる際には、ゲイン調整回路２１２は、Ｓ１１の処理で制御回路２２１によって設定されたゲインの調整値分だけ、ＲＦ入力信号の振幅を減衰または増大させる。また、位相調整回路２１３は、Ｓ１１の処理で制御回路２２１によって設定された位相の調整値分だけ、ＲＦ入力信号の位相を補正する。

このフローチャートの処理は、送信回路１０７が稼働している間、繰り返し実行される。

このように、本実施形態の送信回路１０７は、高周波増幅回路２５０の出力側のＶＳＷＲおよび位相に関する情報に基づいて算出した負荷インピーダンスに応じて、高周波増幅回路２５０に入力されるＲＦ入力信号のゲインおよび位相を調整する。このような構成により、本実施形態の送信回路１０７では、負荷インピーダンスの変動による高周波増幅回路２５０のリニアリティの低下を加味して調整したＲＦ入力信号を高周波増幅回路２５０に入力することにより、負荷インピーダンスが変動する場合においても、規定の大きさおよび位相の増幅信号を送信回路１０７から出力することができる。このため、本実施形態の送信回路１０７によれば、負荷インピーダンスが変動する場合においても、送信回路１０７全体でのリニアリティを維持することができる。

比較例として、例えば、高周波増幅回路と出力端子との間に、アイソレータまたはサーキュレータ等を設けて出力端子側から高周波増幅回路への反射波電力を除去することにより、反射波電力によって負荷インピーダンスが変動することを抑制する送信回路がある。このような構成においては、負荷インピーダンスの変動によるインピーダンス不整合の発生自体を低減するために、アイソレータまたはサーキュレータ等の構成が必須となる。

これに対して、本実施形態の送信回路１０７によれば、上述のように、負荷インピーダンスが変動する場合においても、送信回路１０７全体でのリニアリティを維持することができるため、高周波増幅回路と出力端子との間にアイソレータまたはサーキュレータ等を設けなくとも良い。

また、他の比較例として、負荷インピーダンスが増大した場合には、高周波増幅回路の利得を低下させることで出力の歪みを低減する技術がある。これに対して、本実施形態の送信回路１０７によれば、本実施形態の送信回路１０７によれば、負荷インピーダンスの変動による高周波増幅回路２５０のリニアリティの低下を加味して調整したＲＦ入力信号を高周波増幅回路２５０に入力するため、高周波増幅回路２５０の出力を維持した状態で、規定の大きさおよび位相の増幅信号を送信回路１０７から出力することができる。

また、本実施形態の送信回路１０７は、さらに、算出した負荷インピーダンスに応じて、高周波増幅回路２５０の動作点を制御する。より具体的には、本実施形態の送信回路１０７は、高周波増幅回路２５０に供給するＤＣ電圧を変更することにより、高周波増幅回路２５０の動作点を制御する。このため、本実施形態の送信回路１０７によれば、負荷インピーダンスに応じて動作点を調整することで、高周波増幅回路２５０を効率良く作動させることができる。

また、本実施形態の送信回路１０７は、調整値情報９０に基づいて、高周波増幅回路２５０に入力するＲＦ入力信号のゲインおよび位相と、高周波増幅回路２５０に供給されるＤＣ電圧とを調整する。また、調整値情報９０は、負荷インピーダンスとＲＦ入力信号の組み合わせと、ゲインの調整値、位相の調整値、およびＤＣ電圧の調整値との対応関係を表す。このため、本実施形態の送信回路１０７によれば、負荷インピーダンスが規定の値以外で、高周波増幅回路２５０のＲＦ入力信号と増幅信号におけるゲインおよび位相の関係が非線形である場合に、負荷インピーダンスおよびＲＦ入力信号に応じた高周波増幅回路２５０の特性の変化を加味して、ＲＦ入力信号のゲインおよび位相と、高周波増幅回路２５０に供給されるＤＣ電圧とを調整することができる。

また、本実施形態の送信回路１０７は、高周波増幅回路２５０に入力するＲＦ入力信号を減衰または増幅することにより、ＲＦ入力信号のゲインを調整する。本実施形態の送信回路１０７によれば、高周波増幅回路２５０でＲＦ入力信号を増幅させる前に、ＲＦ入力信号の振幅を調整することにより、送信回路１０７から出力される増幅信号の大きさを高精度に制御することができる。

また、本実施形態のＭＲＩ装置１００によれば、負荷インピーダンスが変動する場合においてもＲＦ入力信号と増幅信号との関係性のリニアリティを維持することが可能な送信回路１０７と、送信回路１０７から出力された出力信号に基づいて高周波磁場を発生させる送信コイル１０６とを備えるため、送信回路１０７の負荷インピーダンスが変動する場合においても、計算機システム１２０で定められた規定の大きさおよび位相の増幅信号に基づく高周波磁場を発生させることができる。

なお、本実施形態では、制御回路２２１は、高周波増幅回路２５０に入力されるＲＦ入力信号のゲインおよび位相と、高周波増幅回路２５０に供給するＤＣ電圧の３つを調整するものとしたが、ＲＦ入力信号のゲインおよび位相のみを調整するものとしても良い。

また、本実施形態では、ゲイン調整回路２１２と、位相演算回路２１８と、高周波増幅回路２５０とがそれぞれ別個の回路として送信回路１０７に設けられる構成を説明したが、送信回路１０７の構成はこれに限定されるものではない。例えば、ゲイン調整回路２１２および位相演算回路２１８の機能を高周波増幅回路２５０が備えるものとしても良い。

また、本実施形態では、ゲインの調整値、位相の調整値、およびＤＣ電圧の調整値は、予め調整値情報９０として保存されているものとしたが、各調整値は制御回路２２１によって算出されても良い。例えば、制御回路２２１は、演算式またはアルゴリズム等によって、負荷インピーダンスおよび参照信号から、ゲインの調整値、位相の調整値、およびＤＣ電圧の調整値を算出しても良い。

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。

９０ 調整値情報
１００ ＭＲＩ装置
１０６ 送信コイル
１０７ 送信回路
２１０ 入力端子
２１１ 参照信号生成回路
２１２ ゲイン調整回路
２１３ 位相調整回路
２１４ ＤＣ電源装置
２１５ カプラ
２１６ 電圧・電流検出回路
２１７ 出力端子
２１８ 位相演算回路
２１９ ＶＳＷＲ演算回路
２２０ 負荷インピーダンス演算回路
２２１ 制御回路
２５０ 高周波増幅回路
Ｐ 被検体

Claims (6)

1. 高周波増幅回路の出力側の電圧定在波比および位相に関する情報に基づいて、負荷インピーダンスを算出する負荷インピーダンス演算部と、
   前記負荷インピーダンス演算部によって算出された前記負荷インピーダンスに応じて、前記高周波増幅回路に入力される信号のゲインおよび位相を調整する制御部と、
   を備える高周波増幅装置。
2. 前記制御部は、前記負荷インピーダンス演算部によって算出された前記負荷インピーダンスに応じて、さらに、前記高周波増幅回路の動作点を制御する、
   請求項１に記載の高周波増幅装置。
3. 前記制御部は、前記高周波増幅回路に供給する直流電圧を変更することにより、前記高周波増幅回路の動作点を制御する、
   請求項２に記載の高周波増幅装置。
4. 前記制御部は、前記負荷インピーダンスと前記信号の組み合わせと、前記ゲインの調整値、前記位相の調整値、および前記直流電圧の調整値との対応関係を表す調整値情報に基づいて、前記高周波増幅回路に入力する前記信号の前記ゲインおよび前記位相と、前記高周波増幅回路に供給する前記直流電圧とを調整する、
   請求項３に記載の高周波増幅装置。
5. 前記制御部は、前記高周波増幅回路に入力する前記信号を減衰または増幅することにより、前記信号の前記ゲインを調整する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の高周波増幅装置。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の高周波増幅装置と、
   前記高周波増幅装置から出力された出力信号に基づいて、高周波磁場を発生させるＲＦコイルと、
   を備える磁気共鳴イメージング装置。

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