JPH0651033B2 - 高速ｎｍｒ映像化装置用勾配電流高速化回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）映像化（imaging ）装
置に関し、更に詳しくは、該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（スピード・アップ）する新
規な回路に関する。

ＮＭＲ映像化および／または分光装置は各々が勾配磁界
方向に利用した少なくとも１つの電力増幅器を必要とす
ることは周知のことである。これらの勾配電力増幅器は
典型的にはデカルト座標系のＸ，ＹおよびＺ方向の勾配
磁界を発生するための電流を供給する。典型的には、勾
配電力増幅器は線形高忠実オーディオ電力増幅器の変形
であり、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
い電圧の印加および１００個もの多くのバイポーラトラ
ンジスタを有する出力段へのフィードバックによって得
られる。これらの電力増幅器は比較的非効率的である。
（１５％未満の典型的な効率をする）。より速い映像化
速度が利用されるにつれ、より大きな電気的ストレスが
既存の勾配電力増幅器に印加され、より速い立ち上がり
時間を得るには（同じ勾配コイルインダクタンスの両端
に）より大きな電圧を必要とし、このようにますます高
い電圧および更に大きな消費電力が必要となる。従っ
て、高速映像化用に必要な高速な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得るために、好まし
くはＮＭＲ装置の既存の勾配電力増幅器と関連する勾配
コイルとの間に加えることができる電流増幅回路を提供
することが非常に望まれている。

発明の要約 本発明によれば、関連する勾配コイルを有する高速ＮＭ
Ｒ映像化装置に使用される勾配電流高速化回路は、増幅
器出力電流を制御する入力アナログ信号を受ける少なく
とも１つの勾配電力増幅器と、前記少なくとも１つの増
幅器の全出力を受ける複数の半導体スイッチング素子
と、関連する勾配コイルを前記半導体素子のうちの選択
された素子間に接続する手段と、縁切半導体素子を選択
されたパターンでオン及びオフにして、増幅器電流を突
然に関連する勾配コイルに供給したり、または該関連す
る勾配コイルから電流を除去する手段と、勾配コイル電
流が入力信号によって指令された振幅よりも遅れたと
き、前記半導体素子に高電圧を供給する手段とを有す
る。

好適実施例においては、勾配コイル電流の高速の変化が
必要なときには、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ
（ＩＧＢＴ）を利用して、高電圧電源を接続手段に接続
する高電圧スイッチを形成する。

従って、本発明の目的は、ＮＭＲ映像化および分光装置
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。

本発明の上記および他の目的は、添付図面を参照した次
の詳細な説明から明らかになるであろう。

発明の詳しい説明 最初に第１図を参照すると、勾配電流高速化回路１０の
好適実施例が示され、ＮＭＲ映像化および／または分光
装置の動作領域内に（複数の）方向のうちの１つの方向
に磁界勾配を形成するための関連する勾配コイル１１が
回路のＡおよびＢ端子１０ａおよび１０ｂ間に接続され
ている。勾配コイル１１は少なくとも１つの勾配電力増
幅器１２によって、典型的には、必要な大電流を発生す
るために並列接続された複数（Ｎ）個の勾配電力増幅器
１２ａ−１２ｎによって駆動される。１つの適切な勾配
電力増幅器はテクロン（Tecron）社によって製造される
モデル８６０７単極電源である。約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をこ
のような増幅器／電源ユニットは典型的に出力する。並
列の各勾配電力増幅器１２の入力は並列に（ここでは、
正極性の）アナログ入力電圧Ｖ_１を受ける。この電圧
は、回路の入力１０ｃからｍビットのディジタルデータ
入力制御信号を受けるディジタル−アナログ変換器（Ｄ
ＡＣ）手段１４とこのＤＡＣ手段１４のバイポーラ出力
電圧Ｖａを増幅器１２で必要とする単極性入力信号Ｖ_１
に変換する絶対値増幅器１５とによって発生される。各
勾配電力増幅器１２の単極性出力は関連する蓄積素子、
例えば関連する蓄積キャパシタ１６ａ−１６ｎに電荷を
蓄積させる。関連する一方向性導電素子（例えば、ダイ
オード）１８ａ−１８ｎのアノードが各勾配電力増幅器
の出力に接続され、そのカソードがすべて共通バス２０
に並列に接続されている。少なくとも１つの勾配増幅器
出力は監視可能な電圧Ｖ_２を発生する。バス２０はその
上に電圧Ｖ_３を有している。この電圧は単極性である。
複数の電力スイッチ手段により勾配コイル１１を通る勾
配電流Ｉ_Ｌの流れの方向を制御して、この電流が常にバ
ス２０から回路の共通電位点へ流れるようにする。現在
の１つの好適構成においては、４つのスイッチ手段２２
−１ないし２２−４（この各々は並列の転流ダイオード
を有する半導体スイッチング素子であってもよい）が全
ブリッジ構成に利用されている。第１の電力スイッチ手
段２２−１は、第１の制御電圧Ｖ_C1によって制御され、
バス２０と回路の第１の出力端子Ａとの間に接続されて
いる。第１の出力端子Ａは第２の電力スイッチ手段２２
−２を介して回路の共通電位点に制御可能に接続されて
いる。第２の電力スイッチ手段２２−２自身は第２の独
立の制御電圧Ｖ_C2によって制御される。同様に、第３お
よび第４の電力スイッチ手段２２−３および２２−４が
バス２０と第２の出力端子Ｂと回路の共通電位点との間
に直列に接続され、それぞれ独立の制御電圧Ｖ_C3および
Ｖ_C4によって作動される。第１および第４の制御電圧Ｖ
_C1およびＶ_C4は「オン」から「オフ」状態へ、またその
逆に典型的にはほぼ同時に切り替えられ、第２および第
３の制御電圧Ｖ_C2およびＶ_C3は典型的にはそれらと相補
的である。

高電圧電源２４が出力電圧Ｖ_４を他の一方向性導電素子
２６（例えばダイオード）のアノードに供給し、蓄積素
子２８（例えば、キャパシタ）に電荷を供給する。この
ダイオード２６とキャパシタ２８との接続点は高電圧ス
イッチ手段２２−５の一方の端子に接続され、その他方
の端子はバス２０に接続されている。高電圧スイッチ手
段２２−５は他の独立の制御電圧Ｖ_C5によって「開放」
位置と「閉成」位置との間で制御される。この独立の制
御電圧Ｖ_C5は、一対の入力信号の少なくとも一方に応答
するオアゲート３０の出力から供給される。高電圧スイ
ッチ手段２２−５は、他のスイッチ手段２２−１乃至２
２−４が少なくとも１つの絶縁ゲート型パイポーラトラ
ンジスタ（ＩＧＢＴ）のような制御式半導体スイッチン
グ素子で構成されている場合には、このような半導体素
子、例えばＩＧＢＴ２２−５ａで構成し、更に、逆極性
に並列に接続されたダイオード２２−５ｂ（これ自身は
素子２２−５ａ内の寄生素子であってもよい）をそなえ
ると共に、制御電圧Ｖ_C5に応じて素子２２−５ａに対し
て駆動電圧を供給する分離手段２２−５ｃ（例えば分離
変成器）をそなえたものであってよい。

高電圧スイッチ制御用の信号Ｖ_C5は第１の比較器手段３
２の出力３２ａからの信号Ｖ_C1にも応答して発生され
る。第１の比較器の第１（＋）の入力３２ｂは、勾配電
力増幅器１２のうちの選択された１つの増幅器の出力電
圧Ｖ_２の一定割合の電圧が（電圧Ｖ_２の出力と共通電位
点との間に直列接続された一対の抵抗３４ａおよび３４
ｂによって形成され、入力３２ｂの信号がそれらの間の
接続点から取り出される）分圧器３４を介して供給され
る。第１の比較器の第２（−）の入力３２ｃは、（バス
２０と共通電位点との間に直列接続された抵抗３６ａお
よび３６ｂからなる）第２の分圧器３６を介して、バス
２０上の電圧を表す他の電位を供給される。

高電圧スイッチ制御用の信号Ｖ_C5の第２の適切な発生源
は第２の比較器３８の出力３８ａの信号Ｖ_C2である。こ
の第２の比較器３８の第１（＋）の入力３８ｂは入力ア
ナログ信号Ｖａが供給され、第２（−）の入力３８ｃは
ピックアップコイルのような電流監視手段４０によって
勾配コイル電流Ｉ_Ｌに応じて発生される信号Ｖ_５が供給
される。

正極性検出器４２ａはＶａ信号を監視して、電力スイッ
チ制御信号Ｖ_C1およびＶ_C4の論理レベルを決定する出力
を発生し、これによりＶａが負である（Ｉ_Ｌが左方向に
流れる）時、電力スイッチ手段２２−１および２２−４
が非導通状態になり、すななち「開放」し、またＶａが
正である（Ｉ_Ｌが右方向に流れる）時、両スイッチ手段
が導通、すなわち「閉成」するようにする。また、Ｖａ
信号は負極性検出手段４２ｂによって監視され、Ｖａ信
号が正のときにスイッチ手段２２−２および２２−３が
実質的に開放され、またＶａ信号が負のときに導通（閉
成）するような論理レベルの制御信号Ｖ_C2およびＶ_C3を
発生する。

動作においては、時刻ｔ_１より前においては、入力アナ
ログ電圧Ｖａはほぼゼロであり、これは入力アナログ信
号Ｖ_１に応じて勾配コイル１１の電流Ｉ_Ｌがほぼゼロ
（第２図の領域５０に示す）であることを表す。検出器
４２ａおよび４２ｂの出力は（第２図の領域５２ａおよ
び５２ｂに示すように）低レベルであり、４つのすべて
のスイッチ手段２２−１ないし２２−４は非導通状態に
ある。勾配電流Ｉ_Ｌの正極性のピーク５４が高速の立ち
上がり時間の先端エッジ５４ａにより時刻ｔ_１に出力さ
れるべきである。アナログ入力電圧Ｖａは時刻ｔ_１にお
いて急激に正電圧になり、正極性検出器４２ａは（領域
５６ａで示す）高レベルの信号Ｖ_C1およびＶ_C4を発生し
て、スイッチ手段２２−１および２２−４を閉成し、こ
のため端子Ａの出力電圧がほぼバス電圧Ｖ_３になり、端
子Ｂの出力電圧がほぼアース電位になる。検出器４２ｂ
は信号Ｖ_C2およびＶ_C3を（領域５２ｂで示す）低レベル
にし、スイッチ手段２２−２および２２−３を開放状態
に保つ、約７５マイクロ秒の所望の立ち上がり時間を有
する約２５０アンペアの典型的なコイル電流Ｉ_Ｌの場合
には、３３００ボルトを超えるバス電圧Ｖ_３が必要であ
る。大電流勾配電力増幅器１２（例えばテクロン社製の
モデル８６０７等の増幅器）の典型的な出力は数百ボル
トしか供給することができないので、コイル１１を通る
電流の流れはバス２０の電圧Ｖ_３を必要な電圧よりも最
初低くし、比較器の入力３２ｃにおける電圧が比較器の
入力３２ｂにおける電圧よりも低くなり、このため高レ
ベル出力制御電圧Ｖ_C1が発生される。この制御信号は高
電圧スイッチ制御電圧Ｖ_C5を発生するのに利用される。
また、低レベルの初期勾配コイル電流Ｉ_Ｌにより電流監
視手段４０の出力の電圧Ｖ_５が信号Ｖａの振幅よりもか
なり低くなって、第２の比較器３８の出力電圧Ｖ_C2が高
い論理レベルになり、高電圧スイッチ制御電圧Ｖ_C5が発
生される。いずれの場合も、制御電圧Ｖ_C5が出力されて
（領域５８ａ）、スイッチ手段２２−５を閉成し、高電
圧Ｖ_４が急激にバス２０に供給される。こうして、時刻
ｔ_１後の非常に短い時間に、バス電圧Ｖ_３は急激に高電
圧Ｖ_４に上昇する（領域５８ｂ）。コイル電流Ｉ_Ｌは先
端エッジ５４ａが部分５４の所望の値まで急速に上昇す
る。電流パルス用キャパシタ２８が立ち上がり時間（５
４ａ）の間にコイルのインダクタンスＬ_Ｇを充電するの
に必要な付加電流を供給することがわかるであろう。指
令値を達成すると、両比較器の出力は低論理レベル信号
に戻し、高電圧スイッチ手段の指令信号Ｖ_C5は低論理レ
ベルに戻り（領域５８ｃ）、スイッチ手段２２−５を開
放させる。バス２０の電圧Ｖ_３は、部分６０で示すよう
に、ダイオード１８が導通してバス電圧が実質的に大電
流勾配電力増幅器の出力電圧Ｖ_２に等しくなるまで低下
する。比較的大きいが、ほぼ一定の勾配コイル電流Ｉ_Ｌ
は少なくとも１つの勾配電力増幅器１２によって供給さ
れて、部分５４の残りの部分にわたって流れ続ける。

時刻ｔ_３において、入力信号Ｖａの電圧は負の振幅に変
化する。正極性検出器４２ａの出力は低論理レベルに下
り、電力スイッチ手段２２−１および２２−４を開放す
る。負極性検出器４２ｂの出力は高論理レベルに上昇
し、電力スイッチ手段２２−２および２２−３を閉成
し、端子ＡおよびＢ間の勾配コイル１１の接続を効果的
に逆にし、これにより勾配コイル電流Ｉ_Ｌの流れを逆に
する。勾配コイル１１のインダクタンス部分Ｌ_Ｇに蓄積
されたエネルギが立ち下がり時間６４ａの間にキャパシ
タ２８に戻される場合には、必ずしもスイッチ手段２２
−５を閉成して電源２４から高電圧パルスを供給するこ
とが必要でない。すにわち、勾配コイルの誘導作用は、
高電圧スイッチ手段２２−５の寄生ダイオード２２−５
ｂを順方向バイアスする高電圧パルス６６ｂを発生する
のに十分であり、このため電荷が蓄積キャパシタ２８に
加えられる（また、これによりダイオード２６が逆バイ
アスされて、電源２４が実効的に切り離される）。並列
接続された大電流低電圧勾配電源すなわち増幅器１２は
パルス電流６４を発生し、勾配コイルの電流の流れの負
極性はスイッチング手段２２−２および２２−３の閉成
により生じる。第１の比較器および／または第２の比較
器３８はバス２０の電圧を監視し続け、必要な場合、高
電圧スイッチ手段２２−５に制御電圧Ｖ_C5のパルス６６
ａを供給して、高電圧電源２４をバス２０に接続し、必
要により高速な立ち下がりエッジ６４ａを作ることを理
解されたい。この動作を行った場合、時刻ｔ_４における
立ち下がりエッジの終了時に、高電圧スイッチ制御電圧
Ｖ_C5は低論理レベルに戻り、スイッチ手段２２−５を開
放させる。

入力信号Ｖ_１が更に反転すると、一般に高電圧スイッチ
は制御パルス（５８ａ′，５８ａ″，…に応答してすべ
ての正方向エッジ５４ａ′，５４ａ″…に対して閉成
し、高電圧パルス５８ｂ′，５８ｂ″，…を発生させ
る。同様にして、立ち下がり時間の逆のエネルギ蓄積を
使用できる場合には、高電圧パルス６６ｂ′が勾配コイ
ル自身によって発生されるので、立ち下がりエッジ６４
ａ′は別の制御パルス６６ａ′を必要としない。逆に、
高電圧パルス６６ｂ′が電源２４と蓄積キャパシタ２８
から必要とされる場合には、制御パルス６６ａ′が必要
な期間の間にわたって比較器３２／３８の一方または他
方から出力される。

本発明のいくつかの好適実施例について以上詳しく説明
したが、本技術分野に専門知識を有する者には多くの変
更および変形が明らかであろう。例えば、好適実施例は
矩形波入力信号および勾配コイル電流の場合について示
されているが、任意の種々の信号を使用することもでき
る。従って、本発明は特許請求の範囲によって限定され
るものであり、ここに説明した特殊な詳細および手段に
よって制限されるものでない。

【図面の簡単な説明】

第１図はＮＭＲ装置の一方向勾配磁界発生部分および本
発明の新規な回路の好適実施例を示すブロック図であ
る。 第２図は第１図の回路の動作を理解するのに有益な第１
図の回路の各信号の時間線図である。 １１……勾配コイル、１２……勾配電力増幅器、１４…
…ディジタル−アナログ変換器、１５……絶対値増幅
器、１６ａ−１６ｎ……蓄積キャパシタ、２０……共通
バス、２２−１〜２２−４……電力スイッチ手段、２２
−５……高電圧スイッチ手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウイリアム・アラン・エーデルスタイン アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ クタデイ、オレゴン・アベニュー、850番 (56)参考文献 ＳＯＣＩＥＴＹ ＯＦ ＭＡＧＮＥＴＩ Ｃ ＲＥＳＯＮＡＮＣＥ ＩＮ ＭＥＤＩ ＣＩＮＥ，ＥＩＧＨＴ ＡＮＮＵＡＬ Ｍ ＥＥＴＩＮＧ ＡＮＤ ＥＸＨＩＢＩＴＩ ＯＮ，ＡＭＳＴＥＲＤＡＭ，12ＴＨ−18Ｔ Ｈ ＡＵＧＵＳＴ 1989，Ｐ．972

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＮＭＲ映像化装置中の関連する勾配コイル
   に使用される電流高速化回路であって、 各々が共通の入力信号を入力に受信して出力電流を制御
   する少なくとも１つの勾配電力増幅器と、 前記電力増幅器のすべてからの全出力電流を受ける共通
   バスと、 該共通バスに接続された複数のスイッチング素子と、 前記スイッチング素子のうちの選択された素子間に前記
   関連する勾配コイルを接続する手段と、 前記入力信号に応答して、前記全出力電流を選択的に前
   記コイルに供給し、また該コイルから除去するようにす
   る選択されたパターンで前記スイッチング素子を作動す
   る手段と、 コイル電流が前記入力信号によって指令された振幅に到
   達していないとき、前記コイルに高電圧を印加する手段
   と、 を有する電流高速化回路。
2. 【請求項２】前記の高電圧を印加する手段が、高電圧電
   源と、前記勾配コイルを流れる電流の変化速度が所定の
   値より小さいとき、該電源の高電圧出力を前記共通バス
   に接続する手段とを有する請求項１記載の電流高速化回
   路。
3. 【請求項３】前記の高電圧出力を共通バスに接続する手
   段が、前記勾配コイルの動作特性を監視して、勾配コイ
   ル電流パラメータに応じて高電圧接続信号を発生する監
   視手段を含む請求項２記載の電流高速化回路。
4. 【請求項４】前記の監視される勾配コイルの動作特性が
   前記共通バスの電圧であり、前記監視手段が、選択され
   た増幅器の出力における電圧の一定部分が前記共通バス
   の電圧の一定部分よりも小さいとき、高電圧接続信号を
   発生する手段を含む請求項３記載の電流高速化回路。
5. 【請求項５】前記の高電圧出力を共通バスに接続する手
   段が、更に論理信号に応じて前記共通バスに前記高電圧
   を供給する高電圧スイッチ手段を有し、前記の高電圧接
   続信号を発生する手段が、前記高電圧スイッチ手段を閉
   成させる論理信号を発生する比較器を含んでいる請求項
   ４記載の電流高速化回路。
6. 【請求項６】前記高電圧スイッ手段が（イ）入力、およ
   び前記高電圧電源と前記共通バスとの間に接続されて、
   その電流の流れが該入力の信号によって制御される導通
   制御回路を有する半導体スイッチング素子と、（ロ）前
   記論理信号に応じて前記スイッチング素子の入力に供給
   される信号を制御する手段とを含む請求項５記載の電流
   高速化回路。
7. 【請求項７】前記導通制御回路と並列に逆極性に一方向
   性導電素子が接続されている請求項６記載の電流高速化
   回路。
8. 【請求項８】前記一方向性導電素子が前記スイッチング
   素子内の寄生素子である請求項７記載の電流高速化回
   路。
9. 【請求項９】前記スイッチング素子がＩＧＢＴである請
   求項８記載の電流高速化回路。
10. 【請求項１０】前記の監視される勾配コイルの動作特性
    が実際のコイル電流であり、前記監視手段が、実際のコ
    イル電流が共通入力信号によって指令された電流より小
    さいとき、高電圧接続信号を発生する手段を含む請求項
    ３記載の電流高速化回路。
11. 【請求項１１】前記の高電圧出力を共通バスに接続する
    手段が、更に論理信号に応じて前記共通バスに前記高電
    圧を供給する高電圧スイッチ手段を有し、前記の高電圧
    接続信号を発生する手段が、コイル電流モニタと、該モ
    ニタの出力が共通入力信号の大きさよりも小さいとき、
    前記高電圧スイッチ手段を閉成させる論理信号を発生す
    る比較器とを含む請求項１０記載の電流高速化回路。
12. 【請求項１２】前記高電圧スイッチ手段が（イ）入力、
    および前記高電圧電源と前記共通バスとの間に接続され
    て、その電流の流れが前記入力における信号によって制
    御される導通制御回路を有する半導体スイッチング素子
    と、（ロ）前記論理信号に応じて前記スイッチング素子
    の入力に供給される信号を制御する手段とを含む請求項
    １１記載の電流高速化回路。
13. 【請求項１３】前記導通制御回路と並列に逆極性に一方
    向性導電素子が接続されている請求項１２記載の電流高
    速化回路。
14. 【請求項１４】前記一方向性導電素子が前記スイッチン
    グ素子内の寄生素子である請求項１３記載の電流高速化
    回路。
15. 【請求項１５】前記スイッチング素子がＩＧＢＴである
    請求項１４記載の電流高速化回路。
16. 【請求項１６】前記勾配電力増幅器の各々の出力が電荷
    蓄積素子と、また一方向性導電素子を介して共通バスと
    に接続されている請求項１記載の電流高速化回路。
17. 【請求項１７】前記スイッチング素子の各々がＩＧＢＴ
    である請求項１記載の電流高速化回路。
18. 【請求項１８】４つの前記スイッチング素子が全ブリッ
    ジ構成に接続されている請求項１記載の電流高速化回
    路。
19. 【請求項１９】前記スイッチング素子の各々がＩＧＢＴ
    である請求項１記載の電流高速化回路。
20. 【請求項２０】前記増幅器の前記入力には、ディジタル
    データ制御信号をアナログ信号に変換するディジタル−
    アナログ変換器と、前記アナログ信号の極性を検出して
    スイッチング信号を発生する正極性および負極性検出器
    とが設けられ、前記スイッチング信号が前記のスイッチ
    ング素子を作動する手段に供給されて、前記アナログ信
    号の極性に応じて前記スイッチング素子を開放または閉
    成させる請求項１９記載の電流高速化回路。