JPH0618565B2 - 変成器結合勾配高速化回路 - Google Patents
変成器結合勾配高速化回路Info
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- JPH0618565B2 JPH0618565B2 JP3152255A JP15225591A JPH0618565B2 JP H0618565 B2 JPH0618565 B2 JP H0618565B2 JP 3152255 A JP3152255 A JP 3152255A JP 15225591 A JP15225591 A JP 15225591A JP H0618565 B2 JPH0618565 B2 JP H0618565B2
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- JP
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- current
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- gradient
- coil
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
- G01R33/385—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using gradient magnetic field coils
- G01R33/3852—Gradient amplifiers; means for controlling the application of a gradient magnetic field to the sample, e.g. a gradient signal synthesizer
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）
映像装置に関し、更に詳しくは、このような装置におい
て勾配磁界を発生するのに利用される電流パルスの立ち
上がり時間および立ち下がり時間を高速化する新規な回
路に関する。
映像装置に関し、更に詳しくは、このような装置におい
て勾配磁界を発生するのに利用される電流パルスの立ち
上がり時間および立ち下がり時間を高速化する新規な回
路に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＮＭＲ映像および／または分光装置は利
用する各勾配磁界方向毎に少なくとも１つの電力増幅器
を必要とするということは周知のことである。これらの
勾配電力増幅器は所望の空間解像度を得るために必要に
応じて典型的にはデカルト座標系のＸ、ＹおよびＺ方向
に勾配磁界を発生する電流を出力する。典型的には、勾
配電力増幅器は線形高忠実度オーディオ電力増幅器を変
形したものであり、これは典型的には１００−２００ア
ンペアの範囲の電流パルスを発生する。これらの増幅器
の比較的良好な線形性、立ち上がり時間および立ち下が
り時間は比較的高い電圧を印加し、１００個の多くのバ
イポーラトランジスタを有する出力段にフィードバック
することによって得られる。これらの電力増幅器は比較
的非効率的である（典型的な効率は１５％未満であ
る）。より高速な映像速度を利用するに従って、より大
きな電気的ストレスが既存の勾配電力増幅器に加えら
れ、立ち上がり時間を早くするに従って（同じ勾配コイ
ルのインダクタンス間に）より大きな電圧を必要とし、
ますます増大する電圧およびより大きな電力消費が必要
となる。従って、好ましくは、高速映像用途に必要なよ
り早いパルス電流波形の立ち上がり時間および立ち下が
り時間を形成するように既存の勾配電力増幅器および関
連する勾配コイルの間でＮＭＲ装置に加えることができ
る電流増幅回路を提供することが要望されている。
用する各勾配磁界方向毎に少なくとも１つの電力増幅器
を必要とするということは周知のことである。これらの
勾配電力増幅器は所望の空間解像度を得るために必要に
応じて典型的にはデカルト座標系のＸ、ＹおよびＺ方向
に勾配磁界を発生する電流を出力する。典型的には、勾
配電力増幅器は線形高忠実度オーディオ電力増幅器を変
形したものであり、これは典型的には１００−２００ア
ンペアの範囲の電流パルスを発生する。これらの増幅器
の比較的良好な線形性、立ち上がり時間および立ち下が
り時間は比較的高い電圧を印加し、１００個の多くのバ
イポーラトランジスタを有する出力段にフィードバック
することによって得られる。これらの電力増幅器は比較
的非効率的である（典型的な効率は１５％未満であ
る）。より高速な映像速度を利用するに従って、より大
きな電気的ストレスが既存の勾配電力増幅器に加えら
れ、立ち上がり時間を早くするに従って（同じ勾配コイ
ルのインダクタンス間に）より大きな電圧を必要とし、
ますます増大する電圧およびより大きな電力消費が必要
となる。従って、好ましくは、高速映像用途に必要なよ
り早いパルス電流波形の立ち上がり時間および立ち下が
り時間を形成するように既存の勾配電力増幅器および関
連する勾配コイルの間でＮＭＲ装置に加えることができ
る電流増幅回路を提供することが要望されている。
【０００３】このような高速化回路の１つは、１９８９
年９月１４日出願の米国特許出願第４０７，１８０号に
記載されている。この高速化回路は比較的高価である。
更に、この回路は調整用に直流電流を流すことができな
い。また、正確な波形制御に欠けているが、これは新規
な勾配高速化回路で達成されることが望ましい。このよ
うな回路は約１ｍＨおよび１オーム台の抵抗を有する典
型的な従来の全身用勾配コイルとともに動作し、約１０
０アンペアのコイル電流の流れにおいて１ガウス（Ｇ）
／ｃｍの勾配磁界強度を発生する。抵抗を無視した場
合、１Ｇ／ｃｍの勾配強度は約４００マイクロ秒で２５
０ボルトをコイルに印加した結果になることに注意され
たい。全画像が３０ミリ秒以下で得られるスナップ撮影
の場合には、１００マイクロ秒未満の立ち上がり時間で
３Ｇ／ｃｍ台の勾配強度が要求される。このような速度
を達成するために、３ＫＶより大きな電圧および約３０
０Ａの電流を使用することが必要である。従って、傾斜
波形部分の間正確な制御を可能とし、直流調整電流（シ
ム電流）などを発生する勾配磁界高速化回路が非常に要
望されている。
年９月１４日出願の米国特許出願第４０７，１８０号に
記載されている。この高速化回路は比較的高価である。
更に、この回路は調整用に直流電流を流すことができな
い。また、正確な波形制御に欠けているが、これは新規
な勾配高速化回路で達成されることが望ましい。このよ
うな回路は約１ｍＨおよび１オーム台の抵抗を有する典
型的な従来の全身用勾配コイルとともに動作し、約１０
０アンペアのコイル電流の流れにおいて１ガウス（Ｇ）
／ｃｍの勾配磁界強度を発生する。抵抗を無視した場
合、１Ｇ／ｃｍの勾配強度は約４００マイクロ秒で２５
０ボルトをコイルに印加した結果になることに注意され
たい。全画像が３０ミリ秒以下で得られるスナップ撮影
の場合には、１００マイクロ秒未満の立ち上がり時間で
３Ｇ／ｃｍ台の勾配強度が要求される。このような速度
を達成するために、３ＫＶより大きな電圧および約３０
０Ａの電流を使用することが必要である。従って、傾斜
波形部分の間正確な制御を可能とし、直流調整電流（シ
ム電流）などを発生する勾配磁界高速化回路が非常に要
望されている。
【０００４】
【発明の概要】本発明によれば、関連する勾配コイルを
有する高速ＮＭＲ映像装置に使用される勾配電流高速化
回路は、出力電流が制御される入力アナログ信号を受信
する勾配電力増幅器と、一次巻線、および前記増幅器の
出力および前記コイルに直列に接続された一対の二次巻
線を有する変成器と、選択された第１および第２の電位
源の間に前記一次巻線を接続する複数の半導体スイッチ
ング素子と、前記関連する勾配コイルを通る流れに電流
を急に供給したり又は除去するように選択されたパター
ンで前記半導体素子をオン／オフする手段と、勾配コイ
ルの電流が主入力信号によって指令された振幅より遅れ
た場合に前記増幅器の出力電流を変化させる信号を前記
増幅器の入力に供給する手段とを有する。
有する高速ＮＭＲ映像装置に使用される勾配電流高速化
回路は、出力電流が制御される入力アナログ信号を受信
する勾配電力増幅器と、一次巻線、および前記増幅器の
出力および前記コイルに直列に接続された一対の二次巻
線を有する変成器と、選択された第１および第２の電位
源の間に前記一次巻線を接続する複数の半導体スイッチ
ング素子と、前記関連する勾配コイルを通る流れに電流
を急に供給したり又は除去するように選択されたパター
ンで前記半導体素子をオン／オフする手段と、勾配コイ
ルの電流が主入力信号によって指令された振幅より遅れ
た場合に前記増幅器の出力電流を変化させる信号を前記
増幅器の入力に供給する手段とを有する。
【０００５】好適実施例においては、一対の二次巻線を
有する単一の変成器が使用され、この変成器の一次巻線
と二次巻線の巻数比は２：１である。
有する単一の変成器が使用され、この変成器の一次巻線
と二次巻線の巻数比は２：１である。
【０００６】
【発明の目的】従って、本発明の目的はＮＭＲ映像およ
び分光装置に使用される新規な勾配電流高速化回路を提
供することにある。
び分光装置に使用される新規な勾配電流高速化回路を提
供することにある。
【０００７】本発明のこのおよび他の目的は添付図面に
関連する次の詳細な説明を閲読することにより明らかに
なるであろう。
関連する次の詳細な説明を閲読することにより明らかに
なるであろう。
【０００８】
【詳しい説明】まず、図１を参照すると、勾配電流高速
化回路１０の好適実施例は関連する勾配コイル１１とと
もに利用されている。この勾配コイル１１は回路Ａおよ
びＢ端子１０ａおよび１０ｂ間に接続され、ＮＭＲ映像
および／または分光装置の動作容積内で（複数の）方向
の中の１つの方向の勾配磁界を発生する。勾配コイル１
１は勾配電力増幅器１２によって部分的に駆動される。
１つの適切な勾配電力増幅器はテクロン(Tecron)によっ
て製造されるモデル８６０７バイポーラ電源である。こ
のような増幅器／供給ユニットにとっては±１６０ボル
トの最大出力電圧および約±１３０アンペアのピーク出
力電流が代表的なものであるので、増幅器の複合出力１
２ａ／１２ｂで必要な高電圧／電流を供給するのにいく
つかのユニットを直列／並列に接続しなければならな
い。各勾配増幅器１２の入力１２ｃはアナログ入力電流
Ｉc を並列に受信する。この電流は加算（＋）手段１４
によって供給される。この加算手段１４は指令電流Ｉa
からフィードバック電流Ｉf を差し引く。指令電流はデ
ィジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）手段１６のア
ナログ出力１６ａから供給される。フィードバック電流
Ｉf は変流器などのような電流センサ手段１８から供給
される。ＤＡＣ１６は装置データ母線から回路入力１０
ｃにｍビットのディジタルデータ入力制御信号を受信す
る。
化回路１０の好適実施例は関連する勾配コイル１１とと
もに利用されている。この勾配コイル１１は回路Ａおよ
びＢ端子１０ａおよび１０ｂ間に接続され、ＮＭＲ映像
および／または分光装置の動作容積内で（複数の）方向
の中の１つの方向の勾配磁界を発生する。勾配コイル１
１は勾配電力増幅器１２によって部分的に駆動される。
１つの適切な勾配電力増幅器はテクロン(Tecron)によっ
て製造されるモデル８６０７バイポーラ電源である。こ
のような増幅器／供給ユニットにとっては±１６０ボル
トの最大出力電圧および約±１３０アンペアのピーク出
力電流が代表的なものであるので、増幅器の複合出力１
２ａ／１２ｂで必要な高電圧／電流を供給するのにいく
つかのユニットを直列／並列に接続しなければならな
い。各勾配増幅器１２の入力１２ｃはアナログ入力電流
Ｉc を並列に受信する。この電流は加算（＋）手段１４
によって供給される。この加算手段１４は指令電流Ｉa
からフィードバック電流Ｉf を差し引く。指令電流はデ
ィジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）手段１６のア
ナログ出力１６ａから供給される。フィードバック電流
Ｉf は変流器などのような電流センサ手段１８から供給
される。ＤＡＣ１６は装置データ母線から回路入力１０
ｃにｍビットのディジタルデータ入力制御信号を受信す
る。
【０００９】本発明によれば、電力スイッチング手段２
０は変成器手段２２の一次巻線２２ｐを通るスイッチン
グ電流Ｉp の流れを制御する。変成器手段２２は第１お
よび第２の二次巻線２２Ｓ１および２２Ｓ２を有し、こ
れらの二次巻線は複合勾配増幅器１２の正出力１２ａお
よび負出力１２ｂの間に勾配コイル１１と直列に接続さ
れている。有利なことに、各二次巻線２２Ｓ１／２２Ｓ
２は変成器の一次巻線２２ｐの半分の巻数を有し、一次
巻線と各二次巻線の間の巻数比は２：１である。また、
本発明によれば、調整電流ＩSHIMは、供給手段２４が二
次巻線の隣接する内側端部間に接続されているかのよう
に、すなわち第１の二次巻線２２Ｓ１と増幅器の正出力
１２ａとの接続点からおよび増幅器の負出力１２ｂ（電
流センサ１８）に隣接した第２の二次巻線２２Ｓ１の端
部から手段１２によって実効的に供給される。この構成
は、データを介してＤＡＣ手段１６に供給され、Ｉa に
導入された直流成分に応じていずれかの方向におよび必
要な振幅をもって直流調整電流が変成器の二次巻線およ
び勾配コイル１１の両方に流れることを可能にする。調
整電流の極性および振幅はコイル１１に供給される勾配
電流から完全に分離して制御することができる。
０は変成器手段２２の一次巻線２２ｐを通るスイッチン
グ電流Ｉp の流れを制御する。変成器手段２２は第１お
よび第２の二次巻線２２Ｓ１および２２Ｓ２を有し、こ
れらの二次巻線は複合勾配増幅器１２の正出力１２ａお
よび負出力１２ｂの間に勾配コイル１１と直列に接続さ
れている。有利なことに、各二次巻線２２Ｓ１／２２Ｓ
２は変成器の一次巻線２２ｐの半分の巻数を有し、一次
巻線と各二次巻線の間の巻数比は２：１である。また、
本発明によれば、調整電流ＩSHIMは、供給手段２４が二
次巻線の隣接する内側端部間に接続されているかのよう
に、すなわち第１の二次巻線２２Ｓ１と増幅器の正出力
１２ａとの接続点からおよび増幅器の負出力１２ｂ（電
流センサ１８）に隣接した第２の二次巻線２２Ｓ１の端
部から手段１２によって実効的に供給される。この構成
は、データを介してＤＡＣ手段１６に供給され、Ｉa に
導入された直流成分に応じていずれかの方向におよび必
要な振幅をもって直流調整電流が変成器の二次巻線およ
び勾配コイル１１の両方に流れることを可能にする。調
整電流の極性および振幅はコイル１１に供給される勾配
電流から完全に分離して制御することができる。
【００１０】手段２０は端子２４ａおよび２４ｂの間に
高電圧を供給する電源手段２４を利用している。この手
段２４は第１および第２の電源２５ａおよび２５ｂを有
し、これらの電源は電圧振幅Ｖ1 およびＶ2 を有する
が、これらの電圧振幅は必ずしも必要ではないが、デー
タ母線を介して可変としてもよいし、プログラマブルで
あってもよい。電源は、第１の回路電源端子１０ｄが第
２の回路電源端子１０ｅにおける電位の負極性に対して
正極性であるように設定される。共通回路接続部２４ｃ
が示されているが、図示のように設定される必要はな
い。必要により、コンデンサ等のような蓄積素子２６が
端子１０ｄと１０ｅの間に接続される。複数の電力スイ
ッチング手段２８−１ないし２８−４は一次巻線電流Ｉ
p の流れ方向、従って勾配コイル１１を通る勾配電流Ｉ
Lの流れ方向を制御する。１つの現在の好適構成におい
ては、４つのスイッチ手段２８−１ないし２８−４（こ
の各々は半導体スイッチング素子Ｓ１−Ｓ４）であり、
転流用ダイオードＤ１−Ｄ４が並列に接続されている）
は全ブリッジ構成に利用されている。そして、第１の電
力スイッチング手段２８−１は、第１の制御信号Ｓ’１
によって制御されるが、正の電源端子１０ｄと第１の巻
線端子ｃとの間に接続されている。この第１の巻線端子
Ｃは第２の電力スイッチング手段２８−２を介して回路
の負端子１０ｅに制御可能に接続されている。また、第
２の電力スイッチング手段２８−２自身は第２の独立し
た制御信号Ｓ’２によって制御されている。同様に、上
側および下側電力スイッチング手段２８−３および２８
−４は端子１０ｄ、第２の巻線端子Ｄおよび端子１０ｅ
の間に直列に接続され、それぞれ独立した制御信号Ｓ’
３およびＳ’４によって動作するようになっている。信
号Ｓ’１−Ｓ’４の全ては回路制御入力端子１０ｃから
データ母線を介して供給される。スイッチング手段２８
が典型的には電流を１方向に切断することができる半導
体スイッチを利用する場合には、逆保護ダイオードが必
要である。電流が端子１０ｄまたは１０ｅの一方から端
子ＣまたはＤの一方の各脚部を通って両方向に流れる限
り、任意の階段状波形の勾配コイル電流ＩL が供給され
るとともに、またコイルに供給される調整電流に加えて
勾配信号の傾斜部分および平坦頂上部の詳細な波形を関
連する電流フィードバック機能とともに調整することが
できる。更に、この回路は勾配電流補償機能を有し、す
なわち、典型的には１％台で勾配電流波形の形状を変更
する技術を有し、ＮＭＲ装置の低温保持装置に誘導され
る渦電流を補償する。
高電圧を供給する電源手段２４を利用している。この手
段２４は第１および第２の電源２５ａおよび２５ｂを有
し、これらの電源は電圧振幅Ｖ1 およびＶ2 を有する
が、これらの電圧振幅は必ずしも必要ではないが、デー
タ母線を介して可変としてもよいし、プログラマブルで
あってもよい。電源は、第１の回路電源端子１０ｄが第
２の回路電源端子１０ｅにおける電位の負極性に対して
正極性であるように設定される。共通回路接続部２４ｃ
が示されているが、図示のように設定される必要はな
い。必要により、コンデンサ等のような蓄積素子２６が
端子１０ｄと１０ｅの間に接続される。複数の電力スイ
ッチング手段２８−１ないし２８−４は一次巻線電流Ｉ
p の流れ方向、従って勾配コイル１１を通る勾配電流Ｉ
Lの流れ方向を制御する。１つの現在の好適構成におい
ては、４つのスイッチ手段２８−１ないし２８−４（こ
の各々は半導体スイッチング素子Ｓ１−Ｓ４）であり、
転流用ダイオードＤ１−Ｄ４が並列に接続されている）
は全ブリッジ構成に利用されている。そして、第１の電
力スイッチング手段２８−１は、第１の制御信号Ｓ’１
によって制御されるが、正の電源端子１０ｄと第１の巻
線端子ｃとの間に接続されている。この第１の巻線端子
Ｃは第２の電力スイッチング手段２８−２を介して回路
の負端子１０ｅに制御可能に接続されている。また、第
２の電力スイッチング手段２８−２自身は第２の独立し
た制御信号Ｓ’２によって制御されている。同様に、上
側および下側電力スイッチング手段２８−３および２８
−４は端子１０ｄ、第２の巻線端子Ｄおよび端子１０ｅ
の間に直列に接続され、それぞれ独立した制御信号Ｓ’
３およびＳ’４によって動作するようになっている。信
号Ｓ’１−Ｓ’４の全ては回路制御入力端子１０ｃから
データ母線を介して供給される。スイッチング手段２８
が典型的には電流を１方向に切断することができる半導
体スイッチを利用する場合には、逆保護ダイオードが必
要である。電流が端子１０ｄまたは１０ｅの一方から端
子ＣまたはＤの一方の各脚部を通って両方向に流れる限
り、任意の階段状波形の勾配コイル電流ＩL が供給され
るとともに、またコイルに供給される調整電流に加えて
勾配信号の傾斜部分および平坦頂上部の詳細な波形を関
連する電流フィードバック機能とともに調整することが
できる。更に、この回路は勾配電流補償機能を有し、す
なわち、典型的には１％台で勾配電流波形の形状を変更
する技術を有し、ＮＭＲ装置の低温保持装置に誘導され
る渦電流を補償する。
【００１１】次に、図１および図２を参照すると、勾配
コイル電流信号波形３０を発生するに必要なスイッチン
グを考慮することによって本高速化回路の動作を理解す
ることができる。まず最初に、スタート時点ｔ0 より前
の第１の電流部分３０ａは振幅がゼロである。電流ＩL
の傾斜部分３０ｂはゼロから増大し、時刻ｔ1 で達成す
る正の値まで増大する。この正の値は時刻ｔ1 から時刻
ｔ2 までの平坦頂上部３０ｃの間ほぼ一定に維持され
る。時刻ｔ2 において傾斜下降電流部分３０ｄが発生
し、この電流は時刻ｔ3 において振幅がゼロになる。そ
の後、コイル電流は時刻ｔ3 から時刻ｔ4 まで負の極性
の下降傾斜部分３０ｅにおいて低減し続け、時刻ｔ4 に
おいて負極性の平坦頂上部３０ｆに達成し、時刻ｔ5 ま
で維持される。その後、正方向の傾斜で負極性の部分３
０ｇが発生し、これは時刻ｔ6 で終了し、この時刻にお
いて電流はゼロになる。傾斜部分３０ｈのような別の波
形傾斜部分および部分３０ｉのような平坦頂上部分が更
に所望により続く。
コイル電流信号波形３０を発生するに必要なスイッチン
グを考慮することによって本高速化回路の動作を理解す
ることができる。まず最初に、スタート時点ｔ0 より前
の第１の電流部分３０ａは振幅がゼロである。電流ＩL
の傾斜部分３０ｂはゼロから増大し、時刻ｔ1 で達成す
る正の値まで増大する。この正の値は時刻ｔ1 から時刻
ｔ2 までの平坦頂上部３０ｃの間ほぼ一定に維持され
る。時刻ｔ2 において傾斜下降電流部分３０ｄが発生
し、この電流は時刻ｔ3 において振幅がゼロになる。そ
の後、コイル電流は時刻ｔ3 から時刻ｔ4 まで負の極性
の下降傾斜部分３０ｅにおいて低減し続け、時刻ｔ4 に
おいて負極性の平坦頂上部３０ｆに達成し、時刻ｔ5 ま
で維持される。その後、正方向の傾斜で負極性の部分３
０ｇが発生し、これは時刻ｔ6 で終了し、この時刻にお
いて電流はゼロになる。傾斜部分３０ｈのような別の波
形傾斜部分および部分３０ｉのような平坦頂上部分が更
に所望により続く。
【００１２】全てのスイッチング手段２８−１ないし２
８−４は時刻ｔ0 より前では開放している。時刻ｔ0 に
おいて、第１のスイッチング手段２８−１および第４の
スイッチング手段２８−４が信号Ｓ’１およびＳ’４に
応答して閉じると、傾斜部分３０ｂが開始し、電流Ｉp
は端子１０ｄから端子Ｃに、および端子Ｄから端子１０
ｅにそれぞれ流れる。コイル電流ＩL が式Ｖ＝ＲＩL ＋
Ｌ（ｄＩL ／ｄｔ）によって決定される速度で上昇す
る。この式において、Ｒはコイルの抵抗であり、Ｖは端
子１０ｄから端子１０ｅまでの高電圧であり、Ｌはコイ
ルのインダクタンスである。傾斜波形部分の間、電圧降
下ＲＩは勾配コイル１１の両端の誘導性降下に比べて小
さい。そして、電流は約Ｖ／Ｌの速度で、すなわちＶ1
＋Ｖ2 ＝３５００ボルトにおいて１ミリヘンリのコイル
の場合約３．５アンペア／マイクロ秒の速度で上昇す
る。コイル電流ＩL が時刻ｔ1 において所望のレベルに
達成すると、第１のスイッチングＳ１の手段２８−１は
開放状態に指令され、第４のスイッチＳ４の手段２８−
４は閉じたままになっている。第４のスイッチング手段
２８−４は全平坦頂上部３０ｃの間閉じたままにあり、
時刻ｔ2 において開放する。平坦頂上部３０ｃの間、変
成器の一次巻線の電流Ｉp は、一次巻線２２ｐから閉じ
たスイッチング手段２８−４、今導通している第２の逆
導通手段（例えば、ダイオードＤ２）を通り端子Ｃに、
そこから更に一次巻線２２ｐに戻るように流れる。同時
に、傾斜部分３０ｃに対するデータが端子１０ｃに供給
され、ＤＡＣ手段１６で変換されて電流Ｉa を制御し、
変成器の二次巻線２２Ｓ１および２２Ｓ２の両端の電圧
はほぼゼロになり、線形増幅器１２はセンサ１８からの
フィードバック電流によりおよび加算器１４の減算作用
によりコイル抵抗Ｒの両端の電圧降下を克服するに必要
なコイル電流ＩL を維持するに必要な電圧を自動的に発
生する。
８−４は時刻ｔ0 より前では開放している。時刻ｔ0 に
おいて、第１のスイッチング手段２８−１および第４の
スイッチング手段２８−４が信号Ｓ’１およびＳ’４に
応答して閉じると、傾斜部分３０ｂが開始し、電流Ｉp
は端子１０ｄから端子Ｃに、および端子Ｄから端子１０
ｅにそれぞれ流れる。コイル電流ＩL が式Ｖ＝ＲＩL ＋
Ｌ（ｄＩL ／ｄｔ）によって決定される速度で上昇す
る。この式において、Ｒはコイルの抵抗であり、Ｖは端
子１０ｄから端子１０ｅまでの高電圧であり、Ｌはコイ
ルのインダクタンスである。傾斜波形部分の間、電圧降
下ＲＩは勾配コイル１１の両端の誘導性降下に比べて小
さい。そして、電流は約Ｖ／Ｌの速度で、すなわちＶ1
＋Ｖ2 ＝３５００ボルトにおいて１ミリヘンリのコイル
の場合約３．５アンペア／マイクロ秒の速度で上昇す
る。コイル電流ＩL が時刻ｔ1 において所望のレベルに
達成すると、第１のスイッチングＳ１の手段２８−１は
開放状態に指令され、第４のスイッチＳ４の手段２８−
４は閉じたままになっている。第４のスイッチング手段
２８−４は全平坦頂上部３０ｃの間閉じたままにあり、
時刻ｔ2 において開放する。平坦頂上部３０ｃの間、変
成器の一次巻線の電流Ｉp は、一次巻線２２ｐから閉じ
たスイッチング手段２８−４、今導通している第２の逆
導通手段（例えば、ダイオードＤ２）を通り端子Ｃに、
そこから更に一次巻線２２ｐに戻るように流れる。同時
に、傾斜部分３０ｃに対するデータが端子１０ｃに供給
され、ＤＡＣ手段１６で変換されて電流Ｉa を制御し、
変成器の二次巻線２２Ｓ１および２２Ｓ２の両端の電圧
はほぼゼロになり、線形増幅器１２はセンサ１８からの
フィードバック電流によりおよび加算器１４の減算作用
によりコイル抵抗Ｒの両端の電圧降下を克服するに必要
なコイル電流ＩL を維持するに必要な電圧を自動的に発
生する。
【００１３】平坦頂上部３０ｃの終わりにおいて、スイ
ッチ手段２８−４は制御信号Ｓ’４を取り除かれること
によって開放状態に指令される。変成器の一次巻線から
のフリーホイール(free-wheeling) 電流は変成器のコア
の誘導的に蓄積されたエネルギにより流れ続ける。この
フリーホイール電流によって変成器の一次巻線２２ｐの
両端の電圧は端子１０ｄおよび１０ｅの間の高電圧電源
値に達するまで迅速に上昇する。このＶ1 ＋Ｖ2 の電圧
に達成すると、逆導通手段Ｄ2 およびＤ3 は導通し、電
流が負極性端子１０ｅからダイオードＤ２を通り端子Ｃ
に流れ、そこから一次巻線２２ｐを通って端子Ｄに流
れ、更にそこからダイオードＤ３を通って端子１０ｄに
流れる。この時点において、高電圧の半分例えば約−１
７５０ボルトが変成器の各二次巻線２２Ｓ１およびＳ２
の両端に現れ、コイル電流ＩL が部分３０ｄにおいて約
−３．５アンペア／マイクロ秒の速度で低減する。スイ
ッチＳ４が開放した後であって、部分３０ｄにおける下
降傾斜電流がゼロの大きさに達成する前のある時点ｔa
において、第２のスイッチＳ２の手段２８−２および第
３のスイッチＳ３の手段２８−３がそれぞれ信号Ｓ’２
およびＳ’３によって閉じるように指令される。コイル
電流がゼロに達する前に第２および第３のスイッチング
手段が閉じるので、コイル電流は負の方向にゼロを通っ
て低減し続け、部分３０ｅに入る。時刻ｔ4 において所
望の負の最大電流に達すると、第３のスイッチ手段２８
−３が開放し、線形増幅器１２は平坦頂上部３０ｆの間
電流Ｉa によって指令された値のほぼ一定な値に電流を
保持する（Ｉa からフィードバック電流Ｉf を減算し
て、制御電流Ｉc を得ることによって）。スイッチング
手段２８−２は平坦頂上部３０ｆの終わりまで閉じ続
け、電流が部分３０ｇにおいてゼロに向かって上昇開始
する時点ｔ5 において開放する。
ッチ手段２８−４は制御信号Ｓ’４を取り除かれること
によって開放状態に指令される。変成器の一次巻線から
のフリーホイール(free-wheeling) 電流は変成器のコア
の誘導的に蓄積されたエネルギにより流れ続ける。この
フリーホイール電流によって変成器の一次巻線２２ｐの
両端の電圧は端子１０ｄおよび１０ｅの間の高電圧電源
値に達するまで迅速に上昇する。このＶ1 ＋Ｖ2 の電圧
に達成すると、逆導通手段Ｄ2 およびＤ3 は導通し、電
流が負極性端子１０ｅからダイオードＤ２を通り端子Ｃ
に流れ、そこから一次巻線２２ｐを通って端子Ｄに流
れ、更にそこからダイオードＤ３を通って端子１０ｄに
流れる。この時点において、高電圧の半分例えば約−１
７５０ボルトが変成器の各二次巻線２２Ｓ１およびＳ２
の両端に現れ、コイル電流ＩL が部分３０ｄにおいて約
−３．５アンペア／マイクロ秒の速度で低減する。スイ
ッチＳ４が開放した後であって、部分３０ｄにおける下
降傾斜電流がゼロの大きさに達成する前のある時点ｔa
において、第２のスイッチＳ２の手段２８−２および第
３のスイッチＳ３の手段２８−３がそれぞれ信号Ｓ’２
およびＳ’３によって閉じるように指令される。コイル
電流がゼロに達する前に第２および第３のスイッチング
手段が閉じるので、コイル電流は負の方向にゼロを通っ
て低減し続け、部分３０ｅに入る。時刻ｔ4 において所
望の負の最大電流に達すると、第３のスイッチ手段２８
−３が開放し、線形増幅器１２は平坦頂上部３０ｆの間
電流Ｉa によって指令された値のほぼ一定な値に電流を
保持する（Ｉa からフィードバック電流Ｉf を減算し
て、制御電流Ｉc を得ることによって）。スイッチング
手段２８−２は平坦頂上部３０ｆの終わりまで閉じ続
け、電流が部分３０ｇにおいてゼロに向かって上昇開始
する時点ｔ5 において開放する。
【００１４】全波形の間、線形増幅器の出力は勾配コイ
ルおよび変成器の二次巻線に直列に接続されていること
がわかる。高電圧の小さなエラーは線形増幅器のフィー
ドバック回路によって自動的に補償される。そして、指
令された波形によって線形増幅器の出力がその電圧範囲
を超えない限り、全波形はセンサ１８からのフィードバ
ック電流によって正確に制御される。線形増幅器の出力
の過電圧は高電圧電源の垂下および負荷インピーダンス
（すなわち、勾配コイル１１のインピーダンス）におけ
る小さな変化を引き起こす。渦電流補償などに対するよ
うな他の波形調整もまた自動的に行われることがわかる
であろう。
ルおよび変成器の二次巻線に直列に接続されていること
がわかる。高電圧の小さなエラーは線形増幅器のフィー
ドバック回路によって自動的に補償される。そして、指
令された波形によって線形増幅器の出力がその電圧範囲
を超えない限り、全波形はセンサ１８からのフィードバ
ック電流によって正確に制御される。線形増幅器の出力
の過電圧は高電圧電源の垂下および負荷インピーダンス
（すなわち、勾配コイル１１のインピーダンス）におけ
る小さな変化を引き起こす。渦電流補償などに対するよ
うな他の波形調整もまた自動的に行われることがわかる
であろう。
【００１５】また、この変成器に基づく高速化回路は必
要な場合にスイッチすることが必要なだけであることは
理解されるであろう。多くのパルスシーケンス部分は非
常に速い勾配スイッチングを必要としないし、高電圧／
高速機能は所望の勾配波形を得るために利用される必要
はない。従って、線形増幅器は高速化部分（電源２４お
よびスイッチング手段２０）をオンすることなく利用す
ることができ、非常に小さな勾配パルスは更に容易に制
御することができる。高速化回路２０／２４の部分が携
わっている場合には、ＧＴＯなどのような高電力半導体
スイッチング素子は最小のオン時間およびオフ時間要求
条件および有限遅延時間を有しているので、非常に小さ
な勾配パルスは制御することが非常に困難である。好ま
しくは、高速化部分が利用されていない場合には、制御
信号Ｓ’１およびＳ’３（またはＳ’２およびＳ’３）
を指令し、スイッチング手段２８−１および２８−３を
閉じることによって変成器の一次巻線２２ｐは短絡され
るべきである。変成器の一次巻線が短絡されている場合
には、線形増幅器１２から見たリアクタンスは比較的小
さい。短絡用に必要な機械的スイッチがないので、線形
増幅器部分のみを利用した非常に小さな正確に制御され
るパルスが迅速に追従される高速化回路を使用した非常
に強力なパルス勾配を有するパルスシーケンスが構成さ
れ得る。
要な場合にスイッチすることが必要なだけであることは
理解されるであろう。多くのパルスシーケンス部分は非
常に速い勾配スイッチングを必要としないし、高電圧／
高速機能は所望の勾配波形を得るために利用される必要
はない。従って、線形増幅器は高速化部分（電源２４お
よびスイッチング手段２０）をオンすることなく利用す
ることができ、非常に小さな勾配パルスは更に容易に制
御することができる。高速化回路２０／２４の部分が携
わっている場合には、ＧＴＯなどのような高電力半導体
スイッチング素子は最小のオン時間およびオフ時間要求
条件および有限遅延時間を有しているので、非常に小さ
な勾配パルスは制御することが非常に困難である。好ま
しくは、高速化部分が利用されていない場合には、制御
信号Ｓ’１およびＳ’３（またはＳ’２およびＳ’３）
を指令し、スイッチング手段２８−１および２８−３を
閉じることによって変成器の一次巻線２２ｐは短絡され
るべきである。変成器の一次巻線が短絡されている場合
には、線形増幅器１２から見たリアクタンスは比較的小
さい。短絡用に必要な機械的スイッチがないので、線形
増幅器部分のみを利用した非常に小さな正確に制御され
るパルスが迅速に追従される高速化回路を使用した非常
に強力なパルス勾配を有するパルスシーケンスが構成さ
れ得る。
【００１６】図１の回路は勾配コイル電圧の平衡を維持
するように作用する２つの二次巻線２２Ｓ１および２２
Ｓ２を有する単一の変成器を利用しているが、変成器手
段２２は端子ＣおよびＤの間に直列に接続された一次巻
線を有する一対の変成器に分割されても同じであること
は理解されるであろう。しかしながら、単一の一次巻線
２２ｐを有する単一の変成器を使用することは、二次巻
線２２Ｓ１／２２Ｓ２が強制的に電圧を共有するので好
ましいことである。
するように作用する２つの二次巻線２２Ｓ１および２２
Ｓ２を有する単一の変成器を利用しているが、変成器手
段２２は端子ＣおよびＤの間に直列に接続された一次巻
線を有する一対の変成器に分割されても同じであること
は理解されるであろう。しかしながら、単一の一次巻線
２２ｐを有する単一の変成器を使用することは、二次巻
線２２Ｓ１／２２Ｓ２が強制的に電圧を共有するので好
ましいことである。
【００１７】この新規な発明の１つの好適実施例につい
てここに詳細に説明したが、本技術分野に専門知識を有
する者にとっては多くの変更および変形が明らかであろ
う。従って、本発明は特許請求の範囲によって制限され
るものであり、ここに説明した細部の内容および方法に
よって本発明は制限されるものではない。
てここに詳細に説明したが、本技術分野に専門知識を有
する者にとっては多くの変更および変形が明らかであろ
う。従って、本発明は特許請求の範囲によって制限され
るものであり、ここに説明した細部の内容および方法に
よって本発明は制限されるものではない。
【図１】本発明の新規な回路の現在の好適実施例および
ＮＭＲ装置の単方向勾配磁界発生部の簡略ブロック図で
ある。
ＮＭＲ装置の単方向勾配磁界発生部の簡略ブロック図で
ある。
【図２】図１の回路の各部およびその動作を理解するの
に有益な信号のタイミングチャートである。
に有益な信号のタイミングチャートである。
１０ 勾配電流高速化回路 １１ 勾配コイル １２ 勾配電力増幅器 １４ 加算手段 １６ ディジタル−アナログコンバータ手段 １８ 電流センサ手段 ２０ 電力スイッチング手段 ２２ 変成器手段 ２２ｐ 一次巻線 ２２Ｓ１、２２Ｓ２ 第１および第２の二次巻線 ２８−１〜２８−４ 電力スイッチング手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・ノートン・パーク アメリカ合衆国、ニューヨーク州、レック スフォード、グルームス・ロード、723番 (72)発明者 ウィリアム・マクマレイ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ クタデイ、クリフトン・パーク・ロード、 1452番
Claims (15)
- 【請求項１】 勾配コイルを有する高速ＮＭＲ映像装置
に使用される勾配高速化回路であって、入力信号に応じ
て出力回路に流れる電流の一部を制御する勾配電力増幅
手段と、前記増幅手段の出力回路を前記勾配コイルに接
続する少なくとも第１および第２の二次巻線を有すると
ともに、前記少なくとも第１および第２の二次巻線に結
合された少なくとも１つの一次巻線を有する変成器手段
と、前記一次巻線を通る電流の流れを発生し、一連の制
御信号に応じてコイル電流を変化させる電力スイッチン
グ手段と、前記コイル電流が指令信号によって指令され
た振幅より遅れるとき、前記増幅手段の出力回路の電流
を変化させる振幅を有する入力信号を前記増幅手段に供
給する手段と、を有する勾配高速化回路。 - 【請求項２】 前記変成器手段は一対の分離した二次巻
線に結合された単一の一次巻線を有する単一の変成器で
ある請求項１記載の回路。 - 【請求項３】 前記一次巻線は前記一対の分離した二次
巻線の各々に対して約２：１の巻数比を有する請求項２
記載の回路。 - 【請求項４】 前記入力信号供給手段は、指令信号を供
給する手段と、前記コイルに流れる電流に比例したフィ
ードバック信号を供給する手段と、前記指令信号とフィ
ードバック信号との差を前記入力信号として供給する手
段とを有する請求項１記載の回路。 - 【請求項５】 前記指令信号は指令電流Ｉa であり、前
記フィードバック信号は電流Ｉf である請求項４記載の
回路。 - 【請求項６】 前記フィードバック信号供給手段は、前
記増幅手段の出力回路と隣接する二次巻線との間に設け
られた電流センサである請求項５記載の回路。 - 【請求項７】 前記指令信号はディジタル−アナログコ
ンバータ手段の出力から供給される請求項４記載の回
路。 - 【請求項８】 前記フィードバック信号供給手段は、前
記増幅手段の出力回路と隣接する二次巻線との間に設け
られた電流センサである請求項４記載の回路。 - 【請求項９】 前記差供給手段は、前記指令信号の振幅
から前記フィードバック信号の振幅を差し引く演算手段
である請求項４記載の回路。 - 【請求項１０】 調整電流を前記勾配コイルに流す手段
を更に有する請求項１記載の回路。 - 【請求項１１】 前記調整電流を流す手段は、直流調整
電流を流すようになっている請求項１０記載の回路。 - 【請求項１２】 前記調整電流を流す手段は、前記第１
および第２の二次巻線間に接続されている請求項１０記
載の回路。 - 【請求項１３】 前記電力スイッチング手段は、複数の
個々に制御可能な半導体スイッチング素子を有する請求
項１記載の回路。 - 【請求項１４】 前記スイッチング素子は全ブリッジ構
成に接続されている請求項１３記載の回路。 - 【請求項１５】 前記スイッチング素子の各々は逆導通
要素が並列に接続されている請求項１３記載の回路。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/533,233 US5063349A (en) | 1990-06-04 | 1990-06-04 | Transformer-coupled gradient speed-up circuit |
| US533,233 | 1990-06-04 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04231027A JPH04231027A (ja) | 1992-08-19 |
| JPH0618565B2 true JPH0618565B2 (ja) | 1994-03-16 |
Family
ID=24125074
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3152255A Expired - Lifetime JPH0618565B2 (ja) | 1990-06-04 | 1991-05-29 | 変成器結合勾配高速化回路 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5063349A (ja) |
| EP (1) | EP0460895A3 (ja) |
| JP (1) | JPH0618565B2 (ja) |
| IL (1) | IL98221A (ja) |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05509009A (ja) * | 1990-06-13 | 1993-12-16 | アドバンスト エヌエムアール システムズ，インク． | 磁気共鳴イメージングシステムの磁界発生コイルの駆動回路 |
| DE4032707A1 (de) * | 1990-10-15 | 1992-04-16 | Siemens Ag | Entstoerfilter fuer eine gradientenspule in einem kernspinresonanz-bildgeraet |
| DE4127529C2 (de) * | 1991-08-20 | 1995-06-08 | Siemens Ag | Verfahren zum Betrieb eines Kernspintomographiegeräts mit einem Resonanzkreis zur Erzeugung von Gradientenfeldern |
| JPH05269102A (ja) * | 1991-11-28 | 1993-10-19 | Toshiba Corp | 傾斜磁場アンプ装置 |
| FI98411C (fi) * | 1993-08-20 | 1997-06-10 | Picker Nordstar Oy | Parannettu virtalähde |
| US5451878A (en) * | 1994-07-15 | 1995-09-19 | General Electric Company | Non-resonant gradient field accelerator |
| EP0721593B1 (en) * | 1994-07-29 | 2002-04-17 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Magnetic resonance apparatus comprising an improved gradient system |
| US5721490A (en) * | 1995-02-09 | 1998-02-24 | Hitachi Medical Corporation | Power source apparatus including a plurality of output current amplifiers connected in parallel and MRI apparatus using the same |
| US5663648A (en) * | 1995-03-17 | 1997-09-02 | British Technology Group Usa, Inc. | Gradient coils having increased performance and decreased power consumption for use in MR systems |
| DE19734045C2 (de) * | 1997-08-06 | 1999-06-17 | Siemens Ag | Leistungsverstärker und Kernspintomograph |
| DE19842033C2 (de) * | 1998-09-14 | 2000-08-10 | Siemens Ag | Gradientenverstärker eines Kernspintomographen und Verfahren zum Regeln eines Gradientenverstärkers |
| US6552448B1 (en) | 1999-09-08 | 2003-04-22 | Harman International Industries, Incorporated | Energy management system for series connected amplifiers |
| US6504426B2 (en) * | 2001-03-28 | 2003-01-07 | Guy Picha | Methods and systems for power amplifying of signals |
| US6920312B1 (en) | 2001-05-31 | 2005-07-19 | Lam Research Corporation | RF generating system with fast loop control |
| FR2884985B1 (fr) * | 2005-04-20 | 2007-09-21 | Ciprian Sarl | Amplificateur de signaux electriques pour applications ultrasonores |
| JP6151330B2 (ja) * | 2010-01-29 | 2017-06-21 | 東芝メディカルシステムズ株式会社 | 傾斜磁場電源及び磁気共鳴映像装置 |
| JP5836600B2 (ja) * | 2010-01-29 | 2015-12-24 | 東芝メディカルシステムズ株式会社 | 傾斜磁場電源及び磁気共鳴映像装置 |
| WO2013156889A1 (en) * | 2012-04-16 | 2013-10-24 | Koninklijke Philips N.V. | Mri gradient power system with add on energy buffer |
| US20150309130A1 (en) * | 2014-03-27 | 2015-10-29 | Constantin Job | Magnetic Resonance (MR) Field Cycling Instrument and Methods Associated Therewith |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4437053A (en) * | 1982-05-10 | 1984-03-13 | Diasonics (Nmr) Inc. | Gradient power supply |
| GB8530930D0 (en) * | 1985-12-16 | 1986-01-29 | Mansfield P | Inductive circuit arrangements |
| EP0250718A1 (de) * | 1986-06-30 | 1988-01-07 | Siemens Aktiengesellschaft | Stromversorgung für einen induktiven Verbraucher, insbesondere eine Gradientenspule, mit Steuer- und Regeleinrichtung |
| US4961054A (en) * | 1989-07-06 | 1990-10-02 | General Electric Company | Gradient current speed-up circuit for high-speed NMR imaging system |
| US5017871A (en) * | 1989-09-14 | 1991-05-21 | General Electric Company | Gradient current speed-up circuit for high-speed NMR imaging system |
-
1990
- 1990-06-04 US US07/533,233 patent/US5063349A/en not_active Expired - Fee Related
-
1991
- 1991-05-22 IL IL98221A patent/IL98221A/xx not_active IP Right Cessation
- 1991-05-29 JP JP3152255A patent/JPH0618565B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1991-06-03 EP EP19910305001 patent/EP0460895A3/en not_active Withdrawn
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04231027A (ja) | 1992-08-19 |
| IL98221A0 (en) | 1992-06-21 |
| EP0460895A2 (en) | 1991-12-11 |
| US5063349A (en) | 1991-11-05 |
| IL98221A (en) | 1993-05-13 |
| EP0460895A3 (en) | 1992-07-01 |
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|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19941122 |