JPH0647015A - 線形増幅器と直流電源の組み合わせを用いる勾配増幅システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁気共鳴イメージング装置で使用するための
勾配増幅器を提供する。 【構成】 直流電源４６と縦続接続された線形増幅器４
４を用いる。直流電源は高速勾配スイッチングのために
増大した電力を供給する役目を果たし、線形増幅器は所
望の連続出力を発生するために補正電流を供給する。直
流電源は勾配コイルの電流を選定するための勾配信号１
６により開ループ制御され、増幅器は勾配コイルからの
帰還信号５６に応答して閉ループで動作する。直流電源
は複数の直流ユニットで構成して、これらを組み合わせ
て、線形増幅器による補正に先立って、細かくステップ
状に制御することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁気共鳴イメージング装
置に関するものであり、更に詳しくはこのような装置で
使用するための高電流の勾配増幅システムに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ：ｍａｇ
ｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ）は
診断医学の重要な道具として発達してきた。熟練した当
業者には理解されるように、ＭＲＩでは、イメージング
対象の物体がデカルト座標系のｚ軸に沿った方向に向け
られた一様な磁界の中に保持される。

【０００３】物体の核のスピンが無線周波数（ＲＦ：ｒ
ａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）パルスによって励起さ
れてｚ軸のまわりに歳差運動を行なう。これらの励起さ
れたスピンの減衰歳差運動によってＮＭＲ信号が作成さ
れる。ＮＭＲ信号の振幅は、イメージング対象の物体の
中の単位体積当たりの歳差運動を行う核の数等によって
左右される。このスピンの数は「スピン密度」と呼ばれ
る。

【０００４】ＮＭＲ信号によって明らかにされるスピン
密度等の特性の画像は、ｘ、ｙおよびｚ軸に沿って精密
に制御された勾配磁界Ｇｘ、ＧｙおよびＧｚを印加する
ことによって作成することができる。勾配増幅システム
で駆動される勾配コイルが作成するこれらの勾配磁界に
より、異なる位置のスピンに対するＮＭＲ信号の位相シ
フトおよび周波数シフトを介して、位置情報が符号化さ
れてＮＭＲ信号となる。

【０００５】図１に示すように、スピンワープ（ｓｐｉ
ｎ ｗａｒｐ）ＭＲＩ技術の下でデータを取得するため
の代表的な「スピンエコー」パルス系列は、（１）ｚ軸
で画像スライスを選択するために第一の９０°ＲＦパル
スの間に活性化されるｚ軸勾配Ｇｚ、（２）歳差運動し
ている核スピンをｙ方向に位相符号化するためのｙ軸勾
配磁界Ｇｙ、および（３）歳差運動している核スピンを
ｘ方向に周波数符号化するためにＮＭＲ信号の取得の間
に活性化されるｘ軸勾配Ｇｘを含む。このような二つの
ＮＭＲ取得Ｓ１およびＳ１’は、後者が逆転されて、前
者と加算されるが、この系列下で単一のビュー”Ａ”の
ＮＭＲ信号を構成する。ここで注意すべきことは、ビュ
ー”Ａ”と後続のビュー”Ｂ”との間でｙ勾配磁界Ｇｙ
が変化するということである。このパルス系列について
は、１９８４年４月１７日発行の米国特許第４，４４
３，７６０号に詳細に説明されている。

【０００６】多数のビューから成る一組のＮＭＲ信号を
再構成することにより、周知の技術に従ってイメージン
グ対象の単一のスライスの画像を作成することができ
る。イメージング対象の三次元にわたる情報を生成する
ために多数のスライスが必要とされる。スライス画像が
得られる速度は、勾配磁界を変化させ得る速度で大分制
限される。勾配コイルはほぼ誘導性負荷であるので、勾
配磁界の高速スイッチングを行うためには、それに対応
した高電圧を作成し得る増幅器が必要となる。これらの
高電圧とともに、勾配コイルが必要とする高電流によ
り、極めて高い電力を出力し得る増幅器が必要とされ
る。

【０００７】勾配増幅器は勾配コイルに与えられる勾配
電流を正確に制御することもできなければならず、また
現在および将来のイメージング技術のための任意の形状
の勾配波形の発生に最大限の柔軟性が得られるものでな
ければならない。このため、高電力の線形増幅器が最も
一般的に使用される。現在の線形増幅器は、勾配コイル
を駆動するのに適した電力を発生するため、各勾配に対
して８０個ものパワートランジスタを使用している。こ
のようなパワートランジスタの個数を増加させたこと
で、このような増幅器の電力出力を増大させると、許容
できない程、増幅器のコストと複雑さが増大し、信頼度
が低下する。

【０００８】

【発明の概要】本発明は、勾配コイルに与えられる有効
勾配電力を高めるために通常の線形勾配増幅器に直流電
源（ＤＣ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ）を縦続接続した
勾配増幅システムに関するものである。詳しく述べる
と、勾配信号を受ける直流電源は勾配コイルに接続され
た出力を持ち、出力電圧の不連続な範囲から選択するこ
とができる第一の電圧成分を発生し、所望の勾配磁界を
近似する。帰還センサが勾配コイルに接続されていて、
帰還信号を発生し、この信号が増幅器の制御に使用され
る。増幅器は、やはり勾配コイルに接続された出力を持
ち、勾配コイルに第二の電圧成分を発生させるが、これ
は出力電圧の連続的な範囲にある。増幅器は帰還信号お
よび勾配信号を使用して第二の電圧成分を調整すること
により、第一の電圧成分と第二の電圧成分との和が所望
の勾配磁界を生じるようにする。

【０００９】したがって本発明の一つの目的は、任意の
波形を精密に発生する能力をなお維持しつつ、勾配コイ
ルの駆動に直流電源を使用することによる電力効率と簡
単さを得ることにある。直流電源は比較的簡単な構成を
用いることができ、あるいは極めて低い電力消費で動作
することができる。増幅器は直流電源の階段状出力を
「埋める」ことにより、有効な線形制御を行う。増幅器
の行う補正により、直流電源の内部調節は比較的少なく
なる。実際、増幅器がそれらの変動する出力を補償する
範囲をそなえていれば、直流電源は単に充電されたコン
デンサとすることができる。

【００１０】本発明のもう一つの目的は勾配コイルの間
欠的な電力需要を利用することである。直流電源はピー
ク需要に対する電力を供給する。また、直流電源は他の
時は蓄積コンデンサ等にエネルギーを累積することがで
きるので、必要な構成要素は低電力構成要素でよい。一
実施例では、直流電源は多数の直流電源で構成すること
ができる。各電源は勾配コイルに一緒に変分電圧を供給
することにより、数個の出力電圧レベルを提供する。各
直流電源からの電圧値は他の電源に対して二進法の関係
とすることができる。どちらの場合にも、直流電源の適
当な組み合わせを一緒にスイッチングすることにより、
勾配電流が作られる。

【００１１】したがって、本発明のもう一つの目的は所
望の勾配電流を発生するために必要とされる電圧を共同
してより良く近似することにより、それに応じて増幅器
の電力出力を低下させることが可能な複数の直流電源を
提供することである。一実施例では、勾配磁界を小さく
したとき誘導性の勾配コイルからエネルギーを受けるこ
とができる大きな蓄積コンデンサを直流電源に含めるこ
とができる。

【００１２】したがって本発明のもう一つの目的は、勾
配コイルの誘導性のエネルギーを蓄積する性質を利用す
ることである。勾配増幅器のピーク電力が要求されるの
は、勾配の強さを変えなければならない期間の間であ
る。これらの期間では、エネルギーが勾配コイルに蓄積
されたエネルギーに加算されるか、またはそれから減算
される。直流電源の出力にコンデンサを使用することに
より、この蓄積されたエネルギーは勾配コイルの強さを
下げている期間の間に勾配コイルから取り戻し、勾配信
号を大きくしている期間の間に再び加算することができ
る。

【００１３】蓄積コンデンサによりすべてのエネルギー
を勾配コイルからうまく取り戻すことはできない。した
がって、すぐに補足的な再充電が必要となる。もう一つ
の実施例では、勾配レベルの変化の間に蓄積コンデンサ
を増幅器により再充電することができる。コンデンサ基
準電圧が、第一の勾配電流の流れに対応する所望のピー
クコンデンサ電圧を示すために使用される。コンデンサ
上のピーク電圧のサンプルを使用してピーク電圧信号を
作成し、このピーク電圧信号と基準電圧とにより誤差信
号を発生する。この誤差信号により、勾配コイルの第一
の電流および第二の電流に付加すべき電流を発生し、こ
れにより基準電圧の値に向かってピークコンデンサ電圧
を動かす。

【００１４】したがって、本発明の更にもう一つの目的
は直流電源の補足的な再充電回路の必要性を無くすが、
直流電源コンデンサ内で失われた電荷を補う目的で増幅
器自体を使用することである。上記以外の目的および利
点は、以下の本発明の実施例の説明から当業者には明ら
かとなる筈である。説明では付図を参照するが、付図は
説明の一部を構成し、本発明の一例を示す。しかし、こ
のような例は本発明の種々の代替形式を網羅するもので
はない。したがって、本発明の範囲の判定に当たって
は、特許請求の範囲を参照すべきである。

【００１５】

【実施例の記載】

［ＭＲＩシステムのハードウェア］図２を参照して説明
する。前にスピンワープイメージングに対して図１で示
したようなＭＲＩパルス系列で使用されるＲＦ信号およ
び勾配磁界信号をパルス制御モジュール１２が発生す
る。パルス制御モジュール１２はコンピュータ１０の制
御下で正しくタイミングを取ったパルス系列を合成す
る。

【００１６】パルス制御モジュール１２はディジタル信
号２０により、勾配波形前処理器１４に連絡する。勾配
波形前処理器１４はディジタル信号２０を三つのアナロ
グ勾配信号１６に変換する。各アナログ勾配信号は各勾
配軸に対応する。アナログ勾配信号１６は三つの同じ勾
配増幅器の組４２に伝えられる。これらの勾配増幅器は
勾配コイル２２に接続されて、上記のような勾配Ｇｘ、
Ｇｙ、およびＧｚを形成する。

【００１７】各勾配コイル２２は銅の導線の多数ターン
で構成され、磁石集合体４０の中の患者１８に近接して
配置される。磁石集合体４０には、分極磁界Ｂ₀ を作る
ための超伝導磁石も入っている。この超伝導磁石につい
ては、１９８８年８月１２日発行の米国特許第４，７３
７，７１６号に一般的に述べられている。パルス制御モ
ジュール１２は無線周波数シンセサイザ３２の制御も行
う。無線周波数シンセサイザ３２はブロック３１として
囲まれたＲＦトランシーバシステムの一部である。パル
ス制御モジュール１２は付加的にＲＦ変調器３０の制御
も行う。ＲＦ変調器３０は無線周波数シンセサイザ３２
の出力を変調する。結果として得られたＲＦ信号は電力
増幅器２８によって増幅され、送信／受信（Ｔ／Ｒ）ス
イッチ２６を介してＲＦコイル２４に印加され、イメー
ジング対象の患者１８の核スピンの励起に使用される。

【００１８】励起された核からのＮＭＲ信号は磁石集合
体４０内のＲＦコイル２４によってピックアップされ、
送信／受信スイッチ２６を介して前置増幅器３８に与え
られて増幅された後、直角位相検出器３６によって処理
される。検出された信号は高速Ａ／Ｄ変換器３４によっ
てディジタル化され、コンピュータ１０に与えられて処
理され、患者１８の画像が作成される。

【００１９】［勾配増幅器］図２および図３を参照して
説明する。三つの勾配軸Ｇｘ、ＧｙおよびＧｚの特定の
勾配コイル２２と結合された各勾配増幅器４２は、線形
増幅器４４と直流電源４６を直列接続した回路を含む。
この直列接続回路は勾配コイル２２の両端間に接続され
て、そのコイル２２に電力を供給する。

【００２０】各線形増幅器４４の電圧出力はその入力４
３の信号を単に一定の割合で大きくしたものである。更
に、線形増幅器４４の出力はほぼ連続である。すなわ
ち、出力は離散的なステップとして動くのではなくて、
その入力４３の信号により、線形増幅器４４の出力範囲
内の任意の値に制御することができる。各線形増幅器４
４はブリッジ構成で「浮動出力」を持つように設計され
る。すなわち、各線形増幅器４４は二つの端子に対して
規定された出力電圧を発生し、この二つの端子のどちら
も、勾配増幅器４２の他の回路要素と共通なアースを基
準としていない。浮動出力であるので、線形増幅器４４
の電圧出力を他の電圧源に加算するためには、単にこの
ような他の電圧源と直列に線形増幅器４４の電圧出力を
接続すればよい。線形増幅器４４は当業者には知られて
おり、例えば米国特許第３，８０８，５４５号に説明さ
れている。

【００２１】後で更に詳しく説明するように、直流電源
４６は離散的なステップの出力電圧のみを供給する。出
力が入力値の連続的な関数でないという点で、線形増幅
器４４と対照的である。最も簡単な実施例では、直流電
源４６は三つの電圧出力、すなわち、零ボルト、および
予め定めた大きさを持つ正負二つの極性のどちらかの電
圧だけを発生することができる。

【００２２】線形増幅器４４と同様に、直流電源４６は
浮動出力であり、第一の出力端子４５と第二の出力端子
４７との間で規定された電圧を生ずる。直流電源４６に
は、線形増幅器４４におけるような入力は無い。しか
し、直流電源４６は作動および極性信号は受ける。この
作動および極性信号は、直流電源４６の端子４５と４７
との間に発生される出力電圧の極性を決める。また、後
で述べる一実施例では、この作動および極性信号は数個
の離散的な出力電圧値から一つを選択する。

【００２３】前述したように、線形増幅器４４と直流電
源４６は勾配コイル２２の両端間に直列に接続される。
線形増幅器４４および直流電源４６はアース点４８を中
心として対称な対も形成している。これにより、勾配コ
イル２２はそのアース点４８を中心として対称に駆動さ
れる。この構成により、勾配コイル２２の駆動の間の、
勾配コイル２２の任意の部分とアース４８との間の電圧
の振動が最小になる。したがって、勾配コイル２２と、
アース４８に対して固定電圧になり得る患者１８のよう
な対象との間の容量性結合の影響が小さくなる。この対
称性が得られるように、各直流電源４６および線形増幅
器４４は同じ入力４３または作動および極性信号を受け
る。

【００２４】一つの線形増幅器４４とアース点４８との
間に直列に、電流検知帰還抵抗５０が挿入されている。
これにより、直列接続された直流電源４６、線形増幅器
４４、および勾配コイル２２を通る電流を表す電圧降下
が得られる。帰還抵抗５０の値は充分に小さいので、上
記のような勾配コイル２２への電圧の対称的な印加は殆
ど影響を受けない。帰還抵抗５０の目的は作成された実
際の勾配磁界の表示を得ることである。通常程度の当業
者には理解されるように、ホール効果変換器または直流
変圧器からの帰還信号のような他の帰還信号も使用する
ことができる。

【００２５】上記のような直流電源４６と線形増幅器４
４の直列接続は各電力源の利点を組み合わせたものであ
る。線形増幅器４４は、特にＮＭＲデータの収集の期間
の間に必要とされる勾配コイル２２を通る電流の正確で
連続した調節を行う。一方、直流電源は勾配コイル２２
の誘導性負荷に対して勾配電流を高速スイッチングする
ために必要な、比較的安価で信頼できる高電圧源を提供
する。後で説明するように線形増幅器４４は直流電源４
６が供給する電圧値の間の電圧値を「埋める」役目を果
たし、また組合わされた電圧を有効に調節する役目を果
たす。

【００２６】直流電源４６と線形増幅器４４の協同作用
は、開ループ直流制御器５２と、加算接続点５４を用い
る閉ループ電流帰還の組み合わせ動作によって行われ
る。勾配コイル２２を通る所望の電流を反映するアナロ
グ勾配信号１６を、直流制御器５２と加算接続点５４の
両方が受ける。後で更に詳しく説明するように勾配信号
に基づいて、直流制御器５２は直流電源４６の極性およ
び離散電圧を制御することにより、勾配コイル２２を通
る所要電流を駆動するために必要とされる所要電圧の近
似を行う。

【００２７】電流検知帰還抵抗５０から得られた電流帰
還信号５６を同じ勾配信号１６から減算することによ
り、通常の帰還制御による誤差信号５８が得られる。こ
の誤差信号５８は勾配コイル２２を通る電流と勾配信号
１６で示される所望の電流との間の差を表す。この誤差
信号５８は利得ブロック５９を通過した後、線形増幅器
４４に入力される。当業者には理解されるように、利得
ブロックは必要な信号増幅と、増幅器の安定性の基準を
満たすための補償を行う。線形増幅器４４は、直流電源
４６の電圧出力を補い、また誤差信号５８を零にするよ
うに勾配コイル２２を流れる電流を修正する電圧出力を
供給する。このように誤差信号５８は、勾配コイル２２
を通る電流を勾配信号１６に表された所望の値とする。

【００２８】したがって、直流電源４６は勾配コイル２
２を通って流れる実際の電流に無関係に勾配信号１６に
よって直接制御される。また、線形増幅器４４は勾配コ
イル２２を通って流れる実際の電流によって制御され、
その電流を適正なレベルとするために必要とされる差を
補う。線形増幅器４４は帰還抵抗５０を通る勾配コイル
電流を検知する。

【００２９】二つの勾配電力源、すなわち直流電源４６
および増幅器４４が共同して有効に動作するように、各
直流電源４６が勾配コイル２２に印加し得る電圧の単位
は線形増幅器４４の最大出力電圧より小さい値に制限さ
れる。これにより線形増幅器４４と直流電源４６の組み
合わせは、零ボルトから線形増幅器４４と直流電源４６
の最大出力電圧の和に等しい最大値までの範囲内で、連
続的に変化する制御された電圧を供給することができ
る。

【００３０】次に図３および図４を参照して説明する。
第一の実施例では、各直流電源４６はコンデンサバンク
６４を含む。コンデンサバンク６４は、正の端子６３と
負の端子６５との間に接続される低電力充電器（図示し
ない）によりコンデンサ待機電圧に予め充電される。こ
のコンデンサバンク６４はスイッチング回路網６６を介
して直流電源４６の第一の端子４５および第二の端子４
７に接続されている。

【００３１】スイッチング回路網６６は、４個のＮチャ
ネルＩＧＢＴ形パワートランジスタ６８−７４を含む。
パワートランジスタ６８−７４は、二つの極性のいずれ
かで勾配コイル２２と直列にコンデンサバンク６４を接
続するように、すなわち、直流電源４６の第一の端子４
５が（１）第二の端子４７より正（「正極性」）、もし
くは（２）第二の端子より負（「負極性」）となるよう
に配置されている。勾配コイル２２からコンデンサバン
ク６４を分離し、直流電源４６の第一の端子４５と第二
の端子４７を一緒に接続して、零出力電圧（「短絡」状
態）を生じるように、スイッチング回路網６６のトラン
ジスタ６８−７４を制御することも可能である。

【００３２】詳しく述べると、トランジスタ６８および
７０はコンデンサバンク６４の両端間に接続される。ト
ランジスタ６８のコレクタはコンデンサバンク６４の正
の端子６３に接続され、トランジスタ６８のエミッタは
トランジスタ７０のコレクタに接続され、また直流電源
出力４６の第一の端子４５に接続されている。トランジ
スタ７０のエミッタはコンデンサバンク６４の負の端子
６５に接続されている。同様に、トランジスタ７４およ
び７２もコンデンサバンク６４の両端間に直列接続され
る。トランジスタ７４のコレクタはコンデンサバンク６
４の正の端子６３に接続され、トランジスタ７４のエミ
ッタは直流電源４６の第二の端子４７に接続され、また
トランジスタ７２のコレクタに接続されている。トラン
ジスタ７２のエミッタはコンデンサバンク６４の負の端
子６５に接続されている。

【００３３】トランジスタ６８−７４は各々、そのエミ
ッタからそのコレクタへ電流を流すように配置されたダ
イオード７６をそなえている。この説明から理解される
ように、これらのダイオード７６は全波整流ブリッジを
構成しており、ブリッジの各脚にはそれぞれ一つのトラ
ンジスタ６８−７４が設けられている。各トランジスタ
６８−７４のベースは「オン」または「オフ」にバイア
スすることにより、上記の負極性、正極性、および短絡
状態を生じることができる。このバイアス作用が表１に
示されている。表１で、文字ＡからＤはそれぞれトラン
ジスタ６８−７４のベースを表している。

【００３４】

【表１】

【００３５】このようにスイッチング回路網６６によ
り、コンデンサバンク６４の電圧を勾配コイル２２に選
択的に印加して、線形増幅器４４の生じる電圧を増大さ
せることができる。主として完全なオン状態または完全
なオフ状態で動作するトランジスタ６８−７４は（線形
増幅器４４のトランジスタと対照的に）電力を消費しな
いので、勾配コイル２２に電力を供給する際、直流電源
４６の自然の効率を維持する。

【００３６】次に、図３、４および５を参照して説明す
る。図４の直流電源４６は直流制御器５２によって制御
される。直流制御器５２は、表１に詳細に示されている
トランジスタ６８−７４に対するベース駆動信号を構成
する作動および極性信号４９を発生する。直流制御器５
２は微分器７８を用いる。微分器７８は（勾配コイル２
２を通る所望の電流を示す）アナログ勾配信号１６を受
けて、時間に対するそれの導関数を求める。この導関数
に勾配コイル２２のインピーダンスを乗算することによ
り、加速電圧値８０が得られる。この加速電圧値８０
は、勾配信号１６が指令する勾配コイル２２を通る電流
の変化を得るため勾配コイル２２に印加しなければなら
ない電圧を表す。上記のように勾配コイル２２を簡単な
インダクタンスとして表したが、より複雑なモデルを容
易に用いることができることが理解されよう。このよう
なモデルは、抵抗性および容量性の作用、インピーダン
スの周波数依存性、および勾配コイル２２と患者および
磁石構造との間の容量性および誘導性結合を含むもので
ある。

【００３７】この加速電圧８０を二段比較器８２が受け
る。電圧８０がコンデンサバンク６４の予め充電された
全電圧と直流電源４６の個数との積以上である場合に
は、比較器８２は正極性信号８４を発生する。電圧値８
０がコンデンサバンク６４の予め充電された全電圧の負
数と直流電源４６の個数との積以下である場合には、二
段比較器８２は負極性信号８６を発生する。他の電圧８
０の場合は、二段比較器８２は信号８４、信号８６のど
ちらも発生しない。これは、直流電源４６の短絡状態が
望ましいということを示している。

【００３８】次に、スイッチ論理回路８３は表１に従っ
て、スイッチング回路網６６のトランジスタ６８−７４
に対するベース駆動信号を形成するように正極性信号８
４および負極性信号８６を解釈する。これらのベース駆
動信号は作動および極性信号４９である。したがって、
勾配コイル２２の両端間の所要電圧が少なくとも直流電
源４６により（最初に）供給される予充電電圧と同じ大
きさである場合には、直流電源４６が勾配コイル２２に
接続される。コンデンサバンクの予充電電圧より大きい
かまたは小さい変分電圧が線形増幅器４４によって供給
される。

【００３９】コンデンサバンク６４は勾配コイル２２に
電流を供給することも、勾配コイル２２から電流を吸い
込むこともできる。したがって、勾配励起の終了時、す
なわち勾配コイル２２を通る電流が零のとき、コンデン
サバンク６４上の予充電電圧はたいして減少していな
い。予充電電圧が減少しないためには、勾配磁界の変化
に対して勾配電流の変化の傾斜の大きさが一定であると
いうことが厳しく要求される。しかし、これらの条件下
でも、電荷のある程度の減少は生じる。これは、勾配コ
イル２２の抵抗性の構成要素および他の損失要素による
ものである。したがって、コンデンサバンク６４の電荷
は、外部源からのコンデンサバンク６４の再充電によっ
て増加させなければならない。この外部源は別個の電源
であってもよいが、直流電源４６が勾配電流に変化を生
じさせるのに充分である場合には、線形増幅器４４を使
用することが好ましい。コンデンサバンク６４の電荷の
回復により、直流電源４６を回路にスイッチ・インする
か否かを決定する際に二段比較器８２が遂行する計算で
予充電電圧が一定であると仮定することができる。

【００４０】図７に示すように勾配信号１６は、一定勾
配強度（したがって一定電流）の期間Ａ、ＤおよびＧ、
ならびに遷移期間すなわち勾配強度が変化する期間Ｂ／
ＣおよびＥ／Ｆに分割することができる。図５の微分器
７８は、勾配信号１６の微分により、図８に示される電
圧信号８０を生じる。電圧信号８０と勾配信号１６との
関係は、次のように表される。すなわち、定数期間Ａ、
ＤおよびＧでは電圧信号８０の値は零となり、遷移期間
Ｂ／ＣおよびＥ／Ｆでは有限の大きさとなる。遷移期間
Ｂ／ＣおよびＥ／Ｆの電圧８０の値が充分であれば、直
流制御器５２はコンデンサバンク６４を勾配コイル２２
に接続する。

【００４１】図９に示すように、期間ＢまたはＥの遷移
の開始時にコンデンサバンク６４が勾配コイル２２に接
続されたとき、コンデンサバンク６４の電圧８９はコン
デンサの予充電電圧Ｖｐに向かって上昇する。これはコ
ンデンサバンク６４が勾配コイル２２の電圧と逆になる
ように接続され、勾配コイル２２から電流を受けるから
である。次に、コンデンサバンク６４の電圧８９は、勾
配コイル２２を通る電流が零に達したとき（勾配コイル
のエネルギーがコンデンサバンク６４に実質的に移され
たとき）、ピーク電圧８８となる。次に、期間Ｃおよび
Ｆに勾配コイル２２を通る電流の向きが逆になり、コン
デンサバンク６４から電荷が流出すると、コンデンサバ
ンク６４の電圧８９は再び下降し始める。次に、直流電
源４６は分路されるので、出力電圧９１は下降して零と
なるが、コンデンサバンク６４の電圧８９は単に待機レ
ベルで一定のままになる。勾配電流が零のときの、コン
デンサ予充電電圧Ｖｐとピーク電圧８８との電圧差は勾
配コイル２２の抵抗および他の損失機構によるコンデン
サバンク６４での電荷損失を表わす。直流電源４６の電
圧が勾配磁界の変化を扱うのに充分であれば、遷移期間
Ｂ／ＣおよびＥ／Ｆの間に図１０に示すような補正信号
９０を線形増幅器４４に与えることにより、線形増幅器
４４がこの損失を補正することができる。

【００４２】補正信号９０は線形増幅器４４の入力４３
に印加される前に誤差信号５８に加算されるので、コン
デンサバンク６４の電圧８９は期間ＣまたはＦの間の下
降に比べて、期間ＢまたはＥの間に、より速く、または
より遅く上昇する。詳しく述べると、補正信号９０は三
角波で構成され、この三角波の振幅は期間ＢとＣ、また
はＥとＦとの間の最も最近の遷移の間の予充電電圧Ｖｐ
とピーク電圧８８との差によって決まる。

【００４３】図１０および１１に示すように、補正信号
９０は誤差信号５８と加算されると、遷移期間Ｂ／Ｃお
よびＥ／Ｆの間の実際の勾配電流９３を少し変更する。
これにより、勾配電流９３は勾配信号１６により指示さ
れた値から修正される。しかし、遷移期間Ｂ／Ｃおよび
Ｅ／Ｆの間の勾配波形のこの若干の修正は作成されるＮ
ＭＲ画像の忠実度に及ぼす影響の点で許容でき、また一
定勾配値期間Ａ、Ｄ、およびＧの間だけＮＭＲデータが
取得される多くのイメージング技術には影響しないこと
がわかった。

【００４４】図９に示すように、ピーク電圧８８がコン
デンサバンク６４の所望の予充電電圧Ｖｐに近づくにつ
れて、補正信号９０の三角波の振幅が小さくなるので、
コンデンサピーク電圧８８が漸近的に所望の予充電電圧
Ｖｐに近づく。上記のようにコンデンサ予充電電圧Ｖｐ
により、二段比較器８２の制御下での直流電源４６の回
路内への適正なスイッチングが影響を受ける。しかし、
線形増幅器４４の帰還ループの固有の補正動作により、
コンデンサピーク電圧を精密に調節して所望の予充電電
圧Ｖｐに等しくすることの重要さが軽減される。

【００４５】図６に示すように、補正信号９０は三角発
生器９２により発生される。三角発生器９２は遷移期間
Ｂ／ＣおよびＥ／Ｆの間、上記の三角波形を発生する。
コンデンサ電圧８９は勾配電流９３の遷移期間の間にサ
ンプリングされ、コンデンサ予充電電圧Ｖｐの所望のレ
ベルを示す基準電源９９と比較される。零交差信号９７
も三角発生器９２に与えられる。この零交差信号９７に
より、図７および８に示されるように勾配信号１６に対
応する三角波の適正な極性が得られる。

【００４６】三角発生器９２の発生する補正信号９０は
誤差信号５８と加算され、その和が線形増幅器４４の入
力４３に与えられる。次に、図１２に示す第二の実施例
では、コンデンサバンク６４の代わりに、直列接続され
た直流源９４−９８が設けられて、端子６３と６４の間
に電圧を供給する。端子６３と６４の中で、端子６３の
方が正側の端子である。直流源９４−９８は各々、二進
重み方式に従って重み付けされた正の電圧、または零電
圧の短絡状態を供給する。短絡状態では、直流源９４−
９８はそれらの端子間の抵抗が零となり、直列接続され
た他の直流源の電圧を通す。このような正の電圧値また
は短絡状態にある直流源９４−９８の組み合わせによ
り、零からそれらの正電圧の和まで等ステップの電圧の
範囲が得られる。直流源９４−９８は、短絡状態にある
とき電源から出力を切り離し、出力を短絡するトランジ
スタをそなえた通常の「四象限」浮動電源である。

【００４７】直流源９４−９８の重み付けは、直流源９
６の電圧が直流源９４の電圧の二倍となり、直流源９８
の電圧が直流源９４の電圧の四倍となるように行われて
いる。したがって、直流電源４６は一つではなくて、八
つの等間隔の離散電圧レベルを発生することができ、ま
たスイッチング回路網６６により二つの極性を発生する
ことができる。それでも、直流源９４−９８を使用する
直流電源４６はまだ不連続な出力を発生する。この不連
続な出力は線形増幅器４４が精密な勾配信号１６に合致
するように補正しなければならない。

【００４８】図１３では、図１２の直流源９４−９８の
制御は、アナログ勾配信号１６を受ける変形された直流
制御器５２によって行われる。勾配信号１６は再び微分
器７８によって微分され、勾配コイル２２のインダクタ
ンスと乗算されることにより、加速電圧値８０が得られ
る。加速電圧８０は、所望の勾配電流を得るために勾配
コイル２２の両端間に印加されなければならない電圧に
等しい。この加速電圧値８０を３ビットのアナログ−デ
ィジタル変換器１００が受ける。アナログ−ディジタル
変換器１００は電圧値８０を３ビットのディジタルワー
ド１０２に変換する。ディジタルワード１０２の１ビッ
トが直流源９４−９８の各々を制御する。詳しく述べる
と、３ビットのワード１０２の１ビットが３個の直流源
９４−９８の一つに接続され、３ビットのワード１０２
の最上位ビットが直流源９８を制御する。ワード１０２
の対応するビットが「偽」状態にあるとき、直流源９４
−９８の各々は分路された零ボルト出力を発生する。ま
た、ワード１０２の対応するビットが「真」状態にある
とき、直流源９４−９８の各々は正電圧出力を発生す
る。

【００４９】アナログ−ディジタル変換器１００はスイ
ッチング回路網６６を制御するために極性信号８４およ
び８５も発生する。この極性信号８４および８５は電圧
値が零ボルトより大きいか、小さいかを示す。前と同
様、このような極性信号はスイッチ論理回路８３を駆動
することにより、直流電源４６のスイッチング回路網６
６を制御する。

【００５０】上記の説明は本発明の好ましい実施例につ
いての説明であった。本発明の趣旨と範囲を逸脱するこ
となく多数の変形を行い得ることは当業者には明らかで
あろう。たとえば、上記の説明から理解されるように、
勾配コイル２２の対称駆動は本発明に必須のものではな
く、非対称構成を用いてもよい。このような非対称構成
では、単一の線形増幅器および直流電源を使用してもよ
い。あるいは、多数の電源および増幅器を使用して、異
なる信号で制御することにより、勾配コイルの非対称駆
動を行ってもよい。また、直流源９４−９８の各々に別
個のコンデンサバンク６４を含めて、勾配電流の発生と
受取りの両方を行ってもよい。本発明の範囲内に入る種
々の実施例を包含するように、特許請求の範囲は記述し
てある。

【図面の簡単な説明】

【図１】勾配磁界波形Ｇｘ、ＧｙおよびＧｚを含むＭＲ
Ｉパルス系列をグラフ的に表した時間線図である。

【図２】本発明の増幅器を組み入れたＭＲＩ装置のブロ
ック図である。

【図３】増幅器と直流電源との間の相互接続を示す、図
２の一つの勾配増幅器の概略ブロック図である。

【図４】エネルギー蓄積コンデンサバンクの配置を示
す、図３の直流電源の第一の実施例の概略回路図であ
る。

【図５】勾配信号に応答して図４の直流電源をスイッチ
ングするための制御器のブロック図である。

【図６】図３の増幅器を制御することにより図４の直流
電源のコンデンサを再充電するために使用されるコンデ
ンサ電圧補正回路のブロック図である。

【図７】図４の勾配増幅器の仮想勾配信号入力のグラフ
である。

【図８】図４の直流電源を制御するために使用されるよ
うな図７の勾配信号の導関数のグラフである。

【図９】図７の勾配信号に対する図４の直流電源のコン
デンサバンク上の電圧のグラフである。

【図１０】抵抗性等の損失によって生じる図４の直流電
源のコンデンサバンクの電荷を取り戻すために使用され
る電流補正信号のグラフである。

【図１１】図７の勾配信号および図１０の補正信号が作
成する勾配コイル電流のグラフである。

【図１２】出力が二進重み付けされた多重直流電源の使
用を示す、図３の直流電源の第二の実施例の概略回路図
である。

【図１３】勾配信号に応動して図１２の直流電源をスイ
ッチングするための制御器のブロック図である。

【符号の説明】

１６ 勾配信号 ２２ 勾配コイル ４２ 勾配増幅器 ４４ 線形増幅器 ４６ 直流電源 ５０ 電流検知帰還抵抗 ６４ コンデンサバンク ７８ 微分器 ８２ 二段比較器 １００ アナログ−ディジタル変換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウィリアム・フレデリック・ワース アメリカ合衆国、ウィスコンシン州、サリ バン、インディアン・ポイント・ロード、 エヌ4768番 (72)発明者 ロバート・マイケル・バブレック アメリカ合衆国、ウィスコンシン州、ウォ ーケシャ、キスドン・ヒル・ドライブ、 3002番

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気共鳴イメージングシステムの勾配コ
   イル用に設けられ、勾配信号を受けて、所望の勾配磁界
   を形成する勾配電流を勾配コイルに生じさせるための電
   圧を発生する勾配増幅器に於いて、 勾配信号を受けるための入力、ならびに出力電圧の不連
   続な範囲から選択可能であって、勾配電流を発生するた
   めに必要な電圧を近似する第一の電圧成分を勾配コイル
   両端間に印加するために勾配コイルに接続された出力を
   そなえた直流電源、 勾配コイルに接続され、勾配コイルが生じる勾配磁界を
   表す帰還信号を発生する帰還センサ、および勾配コイル
   両端間に出力電圧の連続した範囲内にある第二の電圧成
   分を印加するために勾配コイルに接続された出力をそな
   えた増幅器であって、第一の電圧成分と第二の電圧成分
   との和が所望の勾配磁界を形成する勾配電流を勾配コイ
   ルに生じさせるように第二の電圧成分を調整するため
   に、帰還信号および勾配信号を受ける入力をそなえた増
   幅器を含むことを特徴とする勾配増幅器。
2. 【請求項２】 直流電源が二つ以上の直流源で構成さ
   れ、このような直流源の各々は、変分電圧または零電圧
   を発生するようにスイッチングすることができ、更に、
   変分電圧の和が出力電圧の不連続な範囲を規定するよう
   に、かつ直流電源から出力される第一の電圧成分が、変
   分電圧を発生するようにスイッチングされる上記直流源
   からの変分電圧のみの和となるように上記直流源が接続
   されている請求項１記載の勾配増幅器。
3. 【請求項３】 各直流源の変分電圧の値は直流源毎に二
   進値の関係に従って異なっている請求項２記載の勾配増
   幅器。
4. 【請求項４】 帰還センサが、勾配電流したがって勾配
   磁界に比例した電圧を発生するために勾配コイルと直列
   接続された抵抗である請求項１記載の勾配増幅器。
5. 【請求項５】 直流電源が、第一の電圧成分または零電
   圧のいずれかを発生するために勾配コイルに接続した
   り、勾配コイルから切り離したりできる予め充電された
   コンデンサである請求項１記載の勾配増幅器。
6. 【請求項６】 コンデンサ上の電圧を決定して電圧信号
   を発生する第一の電流サンプル手段に対応して所望のピ
   ークコンデンサ電圧を示すコンデンサ基準電圧源、およ
   び基準電圧および電圧信号を受けるための入力をそな
   え、ピークコンデンサ電圧を基準電圧の値に向かって動
   かすために勾配コイル両端間で第一および第二の電圧成
   分に加算すべき第三の電圧成分を発生する誤差電圧発生
   器を含む請求項１記載の勾配増幅器。
7. 【請求項７】 第一または第二の電圧成分の変化によっ
   て生じる勾配電流の変化の間だけ第三の電圧成分を発生
   するように誤差電圧発生器がゲート駆動される請求項７
   記載の勾配増幅器。
8. 【請求項８】 磁気共鳴イメージングシステムの勾配コ
   イル用に設けられ、勾配電流信号を受けて、インピーダ
   ンスＬを持つ勾配コイルに、所望の勾配磁界を形成する
   勾配電流を生じさせる勾配増幅器に於いて、 勾配電流信号を微分することにより駆動電圧信号を発生
   する微分器、 出力電圧の不連続な範囲から選択することができる第一
   の電圧成分を勾配コイル両端間に印加するために、勾配
   コイルに出力が接続された直流電源、 駆動電圧信号を受けるデジタル化装置であって、直流電
   源に接続され、勾配電流の発生に必要な電圧を近似する
   ように出力電圧の不連続な範囲から第一の電圧成分を選
   択するためのディジタルスイッチング信号を発生するデ
   ジタル化装置、 勾配電流を表す帰還信号を発生するために勾配コイルに
   接続された帰還センサ、および勾配コイル両端間に出力
   電圧の連続した範囲内にある第二の電圧成分を印加する
   ために勾配コイルに接続された出力をそなえた増幅器で
   あって、第一の電圧成分と第二の電圧成分との和が勾配
   コイルに所望の勾配磁界が形成する勾配電流を生じさせ
   るように第二の電圧成分を調整するために、帰還信号お
   よび勾配信号を受ける入力をそなえた増幅器を含むこと
   を特徴とする勾配増幅器。