JPH01151446A - 磁気共鳴診断装置の傾斜磁場発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、磁気共鳴（ＭＲ：　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｒｅ
ｓｏｎａｎｃｓ　）現象を利用して被検者のスライス像
等の医用診断に供することができる診断情報を得る磁気
共鳴診断装置に用いる傾斜磁場発生装置に関し、特に、
エコープラナ−法等の高速イメージング像を実施する上
で好適となる磁気共鳴診断装置の傾斜磁場発生装置に関
する。

（従来の技術） 磁気共鳴現象は、静磁場中に置かれた零でないスピン及
び磁気モーメントを持つ原子核が特定の周波数の電磁波
のみを共鳴的に吸収・放出する現象であシ、γを原子核
の種類に固有の磁気回転比、また、Ｈ，を静磁場強度と
すると、この原子核は下記式に示す角周波数ωＧで共鳴
する。

ωＧ　に　ｒＨ。

以上の原理を利用して生体診断を行う方法は、上述の共
鳴吸収の後に誘起される上記と同じ周波数の電磁波を信
号処理して例えば被検体の＠層像等を得るようにしてい
る。

この場合、磁気共鳴による診断情報の収集は、静磁場中
に配置した被検体の全部位を励起し且つ信号収集するこ
とができるものであるが、装置構成上の制約やイメージ
ング像の臨床上の要請から、実際は特定のスライス部位
に対する励起とその信号収集を行うようにしている。

第２図はこの種の磁気共鳴診断装置の構成を示している
。第２図に示すように、被検者Ｐをその内部に収容する
マグネットアセンブリＭＡは、被検者Ｐに対して作用さ
せる高強度静磁場を発生する例えば超電導方式又は常電
導方式の静磁場コイル１と、ｘ、ｙ、ｚ軸方向に沿う傾
斜磁場を発生する３つの傾斜磁場コイル２と、励起と信
号収集を行うための例えば送信と受信とを兼用した送受
信コイル３とを備えている。

また、静磁場コイル１の励磁制御や冷媒供給制御を行う
静磁場制御系４を有している。ｘ、ｙ。

２軸傾斜磁場コイル２はｘ、ｙ、ｚ軸傾斜磁場電源５，
６．７によシ励磁制御されるようになっている。送受信
コイル３はその送信（励起）に際しては送信器８により
駆動され、受信（信号収集〕に際しては受信器９により
駆動されるようＫなっている。

また、ｘ、ｙ、ｚ軸傾斜磁場電源５，６．７や送信器８
、受信器９による傾ｆ＋磁場及び送受信信号の発生シー
ケンスを制御するシーケンサｌＯと、このシーク／す１
０及び寝台等の付属機器を含む全システムを統括制御及
び信号処理するコンピュータシステム１１．生成像を表
示する表示系１２とを備えている。

そして、静磁場コイル１によシ発生した静磁場中に被検
者Ｐを配置し、この被検者Ｐに対してＸ。

Ｙ、Ｚ軸傾斜磁場コイル２によシ検出信号に空間情報を
付与するために発生したスライス用傾ｆＰ＋磁場、エン
コード用傾ｆ＋磁場、リード用傾斜磁場を印加し、さら
に送受信コイル３にょシ発生した励起用高周波磁場を印
加することにょシ、当該被検者Ｐの特定部位に磁気共鳴
現象を生じせしめ、これによって生じる磁気共鳴信号を
同送受信コイル３によシ収集して受信器９を介してコン
ビー−クシステム１ノに取込んで被検者Ｐの生体診断情
報（スライス像）を得、表示系１２にて表示を行うよう
Ｋしている。

このような磁気共鳴診断装置にあって、第３図（＆）〜
（ｅ）　Ｋ：示す高速イメージングとしてエコーグラナ
−法を実施することを考える。この方法は、比較的強い
磁場のスライス用傾斜磁場及びＲｐ　ｚＪ？ルス（選択
励起用高周波磁場）を印加し、スライス面を決定した後
、リード用傾斜磁場を急峻に立上げ立下げを伴って周期
的に反転するようにして印加すると共に弱いエンコード
用傾斜磁場を印加することによシ、多数の磁気共鳴信号
（エコー信号）を得るようにしたものである。

以上のような高速イメージングを実行するためには、リ
ード用傾斜磁場として、通常のスピン−エコー法等で用
いるものに比較すると数倍の強い磁場を数分の−の短時
間で変化させる必要がある。

これｔ−通常のスピン−エコー法等で用いる台形波状傾
斜磁場の発生を行う傾斜磁場電源で実現しようとすると
、電源としての要求仕様は、十倍から数十倍となってし
まう。

以下、通常のイメージング法における傾斜磁場発生用電
源とコイル（コイルの形状１寸法、ターン数を、通常の
イメージング法と高速イメージング法とで同一にした場
合）とを用いて高速イメージングのリード用傾斜磁場を
発生する場合を考察する。ナなわち、コイルのインダク
タンスをＬとし、抵抗値をＲとし、通常のイメージング
法のときの最大出力電流をＩＯとし、出力波形の立ち上
がシ時間を１．とすると、傾斜磁場発生用電源の出力ア
ンプの最大出力電圧ｖｏは次の（１）式で表わされる。

ｖｏ＝旦十Ｒ・工０　　　　・・・・・・ｉｌ＋ｒ ここで、超高速イメージング法で必要とされる磁場強度
が通常のイメージング法のそれの５倍、立上がシ時間が
１１５である場合を考える。この場合、出力アンプの出
力電流の最大値工。′は５工。

でなければならないから、出力アンプの出力電圧ｖｏ′
は次のようになる。

Ｉｏ／　＝　５・ｌｏ ＝２５・岩＋５・Ｒ１゜ 中２５・（−￥−Ｌ＋ＲＺ。）　・−・・・・＋２３た
だし、−７）Ｒ上記（２）式によれば、出力アンプの出
力を流の最大値！。ｌでは５倍、出力電圧の最大値■ｏ
′では２５倍の高性能且つ大出力の出力アンプを必要と
することがわかる。

このような高性能且つ大電力の出力アンプを必要とする
点を解消するものとして米国特許４６２８２６４号があ
る。すなわち、第４図に示すように出力アンプ１３（１
３Ａ、１３Ｂ）とコイル１４（インダクタンス（Ｌ）　
１４　ｍ　、抵抗（Ｒ）７４ｂ）との間に並列にコンデ
ンサ１５を、また直列にスイッチ回路１６を介挿した構
成のものである。

第４図に示す傾斜磁場発生装置（出力アンプを主体とす
る電源とコイルとによるもの）の動作を次に示す。

■　撮影開始以前には、スイッチ回路Ｊ６をオープンと
しておくとともに、出力アンプ１３からコンデンサ１５
に充電をする。

■　撮影が開始するまで、保持しておく。

■　撮影が開始して、磁場を出力することが必要となっ
たときにはスイッチ回路１６にトリが信号が入力ぎｈて
クローズとなり、コンデンサ１５とコイル１４との間に
並列共振が発生する。

■　磁場の出力にともなって抵抗１４ｂで消費されるエ
ネルギーを補光するようにアンプ１３は動作する。

■　コンデンサにすべてのエネルギーが蓄積されている
時相においてスイッチ回路１６にトリガ信号を入力しオ
ープンとする。

この発生装置はつぎの特徴を有する。

Ａ　撮影に先だって、撮影に必要なエネルギーをコンデ
ンサに蓄積しておくことにより、必要な電力（瞬時電力
）を軽減することができる。

Ｂ　スイッチ回路１６の適切な操作により不要な過渡現
象の発生を防止することができる。

Ｃ並列共振現象を利用していることにより、出力アンプ
の最大出力電流を越えた電流を傾斜＃場コイルに流すこ
とが出来る。

Ｄ　コンデンサへの充電は、出力アンプの働きによる出
力アンプはコンデンサへの充電と、磁場出力中の出力電
流の制御の両方の目的のために使用されている。

しかしながら、第４図に示すような並列共振方式の構成
ではつぎのような問題がある。

出力ア７７６１３は前記特徴りのように出力電流制御の
目的のために使用されるものであるため、その出力電圧
は、ある程度以上に大きくすることはできない。なぜな
ら、電流制御用として内部で使用する制御素子（トラン
ジスタ、ＦＥＴなど）等の耐電圧の制約を受けるからで
ある。

このことは、コンデンサ１５へ充電する際の充電電圧、
ひいては、コイル１４へ印加できる電圧に制限があるこ
とを意味するものである。

したがって、発生させようとする傾斜磁場強度を大きく
するためには、電圧を高くすることはできず、電流を大
きくせざるを得ない。

たとえば、米国特許４６２８２６４号では、コイルに流
す電流は５００Ａであると示している。

さらに第４図に示すような並列共振方式の構成ではつざ
のような問題もある。

一般に傾斜磁場の大きさおよびその波形は出力アンｆ１
３への入力信号に比例したものであることが望ましいが
、第４図の構成ではこれを実現することはできない。コ
ンデンサ１５とコイル１４とによって構成されるルーｆ
（これを第２のループと呼ぶ）を流れる電流の大きさと
その波形を検出する手段がないからである。出力アンｆ
ｚｓとコンデンサ１５とによって構成されるループ（第
１のループ）を流れる電流を検出し、制御することは、
出力アンプのはたらきによって実施できるが、第２のル
ープの電流を正確に制御することはできない。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来の技術による並列共握方式傾斜磁場発生
装置では、発生する傾Ｍａｎの強度を大きくしようとす
ると、傾斜磁場コイルに流す電流を極めて大きな値にす
る必要があシ現実的でなかった。また、コイルＶζ流れ
る電流を直接制御することができず、間接的に制御して
いたため、入力信号に対する増幅の正確さに欠けてい念
。

そこで本発明の目的は、傾斜磁場コイルに流す電流を小
さくして、高強度の傾斜磁場を発生すること。および、
傾斜磁場コイルに流す電流をよシ正確に制御することが
できる磁気共鳴診断装置の傾斜磁場発生装置を提供する
ことにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は上記問題点を解決し且つ達成するために次のよ
うな手段を講じたことを特徴としている。すなわち、静
磁場中に置いた被検者の特定部位に、磁気共鳴による励
記、および信号収集のうち少なくとも一方を限定して生
じさせるための傾斜磁場発生装置において、出力アンプ
とコイルとの間に直列にコンデンサ及びスイッチ回路を
接続し、さらにコンデンサの両端には、高圧電源回路を
接続する。そして、撮影に必要なエネルギーは出力アン
プでになく、高圧電源回路によって充電されることを特
徴とする。

（作用） このような構成によれば次のような作用を奏する。すな
わち、出力アンプとコイルとの間に直列にコンデンサを
介挿した本発明の直列共振方式において、負荷（コイル
）側のインピーダンス２（りは次のようになる。

２←神Ｒ＋ｊ（ω・Ｌ　−ｉ） ただし、Ｒはコイルの抵抗、Ｌはコイルのインダクタン
ス、Ｃは直列介挿コンデンサの容量、ω＝２π八ｆはへ
波数。

コンデンサの容量Ｃとしてω、−Ｌ−ｉτ＝０となるよ
うにＣを選ぶと、ある周波数１０（ωｏ＝２πｆｏ）に
対して負荷のインピーダンス２←）は、２（へ）＝Ｒと
なシ、純抵抗分となる。このときのコンデンサの容ｉｃ
は、（：＝ｏ０２．Ｌである。

このとき周波数ｆｏの電流工０を出力する出力アンプの
出力電圧Ｖｏは次のようになる。

Ｖｏ：　Ｚ・Ｉｏ＝Ｒ−１０ また、このときにコイルのインダクタンス分に印加され
る゛電圧Ｖｂ（＝コンデンサに印加される電圧Ｖｃ）は
次のようになる。

ＶＬ”ＶＣ””２　π・ｆｏ　−Ｌ−ＩＯここで、Ｌが
ターン数に２乗に比例すること、流すべぎ電流工０がタ
ーン数に反比例することによシ、コイルに印加される電
圧Ｖ、は、Ｋを比例定数として次のようになる。

Ｌ　　Ｃ−■。

撮影に先だってコンデンサにはＶｃ＝２π１０ＬＩｏな
る電圧を印加する必要があるが、この電圧は出力アンプ
ではなく専用の高圧電源回路によって供給されるので、
ｖｃは出力アンプの出力電圧に関する性能には制限され
ない。したがって上式よシ１、Ｖｔ、（＝Ｖｃ）は出力
アンプの出力電圧Ｖｏによって制限を受けず、コイルの
耐圧、コンデンサの耐圧もしくは、高圧電源回路の出力
電圧によって制限をうけることになることがわかる。

前述のように、出力アンプは電流を制御する機能を果た
すように作られたものであシ、電流制御素子の耐圧など
によって出力電圧には制限がある。

一方、高圧電源回路は電流を制御する機能はなく、コン
デンサへの充電専用であるので、出力電圧に関しての制
限が出力アンプよシ少ない。さらに、コイルやコンデン
サの耐圧は、絶縁処理の技術によっ一′て左右されるも
のであシ、いっそう耐圧の制限は少ないと考えてよい。

以上によれば、ｖＬは出力アンプの出力電圧によっては
制限を受けないので、出力電流をコイルの耐圧電圧、高
圧電源回路の出力電圧の大きさによって制限を受けるま
で小さくすることができる。

また、本発明の直列共振方式では、コンデンサはコイル
に対して直列に接続され、出力アンプの出力電流の経路
は１つである。したがって出力アンツノ出力’を流を制
御することによって、コイルに流す電流を正確に制御す
ることができる。

（実施例〉 以下本発明にかかる傾斜磁場発生装置の一実施例を図面
を参照して説明する。

すなわち、第１図に示すように、本実施例の傾斜磁場発
生装置は、傾斜磁場電源５（６，７）の出力アンプ１３
と、インダクタンス成分りと抵抗成分Ｒとを有する傾斜
磁場コイル１４との間に直列にコンデンサ１７及びスイ
ッチ回路１６を介挿した可成としている。このコンデン
サノアは、固定コンーンサ７７Ａだけの構成、可変コン
デンサ１７Ｅだけの構成、固定コンデンサ１７にと可変
コンデンサ２７Ｂとを組合せた構成のいずれかを採用す
ることができる。

コンデンサ１７の両端には、高圧電源１８が接続されて
いる。

以上の構成における動作は次のようになる。

■　機影開始以前には、スイッチ１６ｈをオープン、ス
イッチ１６ｂをクローズし、高圧電源１８からコンデン
サ１７に充ｔをする。

■　撮影が開始するまで、保持しておく。

■　撮影を開始して、傾斜磁場を出力することが必要と
なったときには、スイッチ１６ｈ、１６ｂにトリガ信号
が入力されそれぞれクローズ、オープンされ、コンデン
サ１７と負荷コイル１４との間に直列共振が発生する。

■　直列共成の系に流れる電流は出力アンプ１３内の電
流検出回路にて検出され、入力信号との差分かなくなる
ように、出力アンプは出力電流を制御する。

■　コシレンサ１７にすべてのエネルギーが蓄積されて
いる時相においてスイッチ１６ｇ、１６ｂにトリが信号
が入力され、つぎの撮影までエネルギーが保持される。

次に、上記の如く本発明の直列共振方式の構成の作用を
、従来の並列共振方式との対比を行ないつつ説明する。

すなわち、並列共振方式用の傾斜磁場コイルとして、 インダクタンスＬ＝８０（μＨ） 抵抗　　　　　Ｒ＝　２５　（ｍΩ） 必要な電流　　Ｉ＝５００（Ａ） なるコイルが与えられたとする。

このとき、周波数ｆ　＝　１　（ｋＨｚ）で、コイルに
５００　（Ａ）の正弦波を供給するためには、出力アン
プは次の性能を有していなければならない。

コイルのクォリティーファクタＱは、 Ｑ＝”””＝２ｆｆＸＩＸ１０’Ｘ８０刈０’／（２５
Ｘ　１０−３）’Ｆ２゜従って、出力アンプの出力電流
工。は、Ｉ　ｏ　＝　Ｉ／Ｑ　＝　５００　（Ａ）／２
０＝２５　（Ａ）一方、出力アンプの出力電圧ｖｏ（＝
コイルに印加される電圧Ｖｔ、） ｖｏ＝２π・ｆ−Ｌ−Ｉ＋ＲＩ ＝２ｆｆＸＩＸ１０　Ｘ８０Ｘ１０　　ｘ５００＋２５
ｘｌＯｘ５００＝　２５１．２＋　１２．５ ＝　２６３．７　（Ｖ） 次に上述と同様の特性を有する出力アンプを、直列共振
方式として採用する場合について説明する。

すなわち、直列共振方式では、出力アンプの出力電流工
０がそのままコイルに供給されるから、コイルの仕様を
次のように変更する。すなわち、並列共振方式と同じ磁
場強度を得るためにはコイルのアンペアスターン数が同
一であればよく、この例の場合ではアンペア数が１７２
０となっているので、ターン数を２０倍とする。このと
き、インダクタンスは次のように変化する。

インダクタンスはターン数の２乗に比例するので、 Ｌ’＝ＬＸ　（２０）２＝８０　（μＨ）Ｘ４００＝３
２（ｍＨ）抵抗は５イル線材の断面積に反比例し、長さ
に比例する。直列共振用のコイルとしては、電流が１／
２０になったので線材の太さを同じ比率（１／２０）に
て細くする。従って、単位長さ当たシの抵抗値の２０倍
となる。

Ｒ’＝ＲＸ２０Ｘ２０＝２５（ｍΩ）Ｘ４００＝１０（
Ω）先の例と同一の周波数にて共振が得られるように、
適切な値に設定したコンデンサを用いれば、出力アンプ
の出力電圧ｖ０′は、 Ｖｏ’＝Ｒ’・Ｉ’＝１０Ｘ２５＝２５０　（Ｖ）ま念
、コイルに印加される電圧ＶＬ（コンデンサに印加され
る電圧Ｖｃ　）は、 ＶＬ＝ＶＣ＝２π・ｆ、Ｌ／、　Ｉ／ ；２πｘ１０００Ｘ３２Ｘ１０　　ｘ２５＝５０２４（
Ｖ） 本実施例の場合、コイルの絶縁耐圧、コンデンサの絶縁
耐圧が約５　（ｋＶ）以上あれば、コイルに流す電流は
、並列共振方式に比較すると本実施例の直列共振方式で
は１／２０となる。この場合、並列共振方式でコイルに
流す電流を２５　（Ａ）に制限しょうとすると、出力ア
ンプが出力すべき電圧は、約５　（ｋＶ）にも及んでし
まう。

ｖｏ＝２π・／−Ｌ−Ｉ−）Ｒ−Ｉ ＝２ｆｆＸＩＸ１０　Ｘ３２Ｘ１０　　Ｘ２５＋１０Ｘ
２５＝５０２４＋２５０ ＝５２７４（Ｖ） 本実施例の直列共振方式と従来の並列共振方式とを比較
すると、出力電流が同一の場合であれば出力電圧は、 ２５０１５２７４”：１／２０とすることができる。

なお、コイルとの間で目的とする周波数に対して共振（
同１１）をとるための手段としては次の例がある。

第１図のように、可変コンデン？１７Ｂを設けて直列介
挿コンデンサ１７の容量を調整する。

また、出力アンｆ１ｓと傾斜磁場コイル１４との間つま
り共振回路中にノイズ除去用のローパスフィルタを設け
たり、共振回路の電流の流れをオン・オフするためのス
イッチング回路を設けるようにしてもよい。

以上の例での発生磁場は正弦波状であるので、磁気共鳴
診断装置で用いるときは、上述のスイ。

チング回路等を用いて不等間隔のサンプリングを行ない
、所望の形状の発生磁場を被検者に印加することができ
るようになる。

また、従来の並列共振方式では、共振回路の電流経路が
並列ループであシ、この並列ループにおける過渡現象を
抑制するためＫ、スイッチング回路設ける必要があるが
、本実施例の直列共振方式ではループが１つであるので
、出力アンプの調整によシ自ずから抑制することができ
、過渡現象を抑制するためのスイッチング回路は不要で
ある。

この他本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実
施できるものである。

［発明の効果コ 以上のように本発明によれば、出力アンプと、コイルと
の間に直列にコンデンサを介挿し、該コイルとコンデン
サとを直列共振させて正弦波状の傾斜磁場を発生させる
構成としたことによシ、過大な負担を与えることなくし
て高強度の傾斜磁場を発生することを可能とした磁気共
鳴診断装置の傾斜磁場発生装置を提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる磁気共鳴診断装置の傾斜磁場発
生装置の実施例の構成を示す図、第２図は一般的な磁気
共鳴診断装置の構成を示す図、第３図は高速イメーゾン
グのパルスシーケンスの一例を示す図、第４図は従来例
の構成を示す図である。 １３・・・出力アンプ、１４・・・傾斜磁場コイル、１
６・・・スイッチ回路、１７・・・コンデンサ、１８・
・・高圧電源。 出願人代理人　　升埋士　鈴　江　武　彦５　（Ｇ、？
） 第１０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 静磁場中に置いた被検者の特定部位に、磁気共鳴による
   励起及び信号収集のうち少なくとも一方を、限定して生
   じさせるための傾斜磁場を発生する傾斜磁場発生装置に
   おいて、出力アンプと、コイルとの間に直列にコンデン
   サを介挿し、該コイルとコンデンサとを直列共振させて
   正弦波状の傾斜磁場を発生させる構成としたことを特徴
   とする磁気共鳴診断装置の傾斜磁場発生装置。