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勾配磁場発生装置及び磁気共鳴映像装置 - 株式会社東芝
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発明の名称 勾配磁場発生装置及び磁気共鳴映像装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−209776(P2007−209776A)
公開日 平成19年8月23日(2007.8.23)
出願番号 特願2007−96863(P2007−96863)
出願日 平成19年4月2日(2007.4.2)
代理人 【識別番号】100058479
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦
発明者 久原 重英 / 守 清巳 / 山中 正昭
要約 課題
メイン電源の周波数特性が十分でなくても、その出力電圧と補助電源の出力電圧との組み合わせの変化にかかわらず、これら電源へのトリガに対する勾配コイルに流れる電流の応答時間のばらつきを解消することにある。

解決手段
勾配コイル7と、メイン電源5と、複数の高圧電源6と、複数のスイッチ素子SWと、複数のダイオードDとは、コントローラ8によるスイッチ素子のオン/オフ制御により高圧電源でメイン電源を補助して勾配コイルを駆動する第1の状態とメイン電源単独で勾配コイルを駆動する第2の状態とが選択可能であって、第1の状態において複数の高圧電源の一又は任意組み合わせでメイン電源を補助することが可能で、且つ高圧電源の勾配コイルに対する電圧極性が切り替え可能に回路構成が組まれている。
特許請求の範囲
【請求項1】
磁気共鳴現象を利用して被検体の情報を得る磁気共鳴映像装置に用いられる勾配磁場発生装置において、
勾配磁場を形成するための勾配コイルと、
前記勾配コイルを駆動するメイン電源と、前記メイン電源を補助する複数の高圧電源と、
複数のスイッチ素子と、
複数のダイオードと、
前記複数のスイッチ素子それぞれのオン/オフを制御する制御手段とを有し、
前記勾配コイル、前記メイン電源、前記複数の高圧電源、前記複数のスイッチ素子及び前記複数のダイオードは、前記制御手段による前記複数のスイッチ素子のオン/オフ制御により、前記複数の高圧電源の少なくとも1つで前記メイン電源を補助して前記勾配コイルを駆動する第1の状態と前記メイン電源単独で前記勾配コイルを駆動する第2の状態とが選択可能であって、前記第1の状態において前記複数の高圧電源のいずれか1つ又は任意の組み合わせで前記メイン電源を補助することが可能で、且つ前記メイン電源を補助する前記複数の高圧電源の少なくとも1つの前記勾配コイルに対する電圧極性が切り替え可能なように、回路構成が組まれていることを特徴とする勾配磁場発生装置。
【請求項2】
前記複数のスイッチ素子それぞれには電圧クランプ用のダイオードが設けられることを特徴とする請求項1記載の勾配磁場発生装置。
【請求項3】
前記複数のスイッチ素子の応答時間のばらつきを補償するために、前記制御手段と前記複数のスイッチ素子各々との間に遅延回路が設けられることを特徴とする請求項1記載の勾配磁場発生装置。
【請求項4】
前記制御手段は、前記補助電源でデッドショートを起こさないように、オンからオフへの切り替えとオフからオンへの切り替えとを同期して行う前記複数のスイッチ素子の中の少なくとも1ペアのスイッチ素子に対して、オンからオフへの切り替えタイミングとオフからオンへの切り替えタイミングとを前記スイッチ素子の過渡応答時間に応じてずらすことを特徴とする請求項1記載の勾配磁場発生装置。
【請求項5】
前記勾配コイル、前記メイン電源、前記複数の高圧電源、前記複数のスイッチ素子及び前記複数のダイオードは、前記制御手段による前記複数のスイッチ素子のオン/オフ制御により、前記第2の状態において、前記メイン電源の出力極性に応じて双方向に電流を流すことができるように回路構成が組まれていることを特徴とする請求項1記載の勾配磁場発生装置。
【請求項6】
前記制御手段は、前記勾配コイルの電流の振幅が第1の区間でゼロまで立ち下がり、引き続き第2の区間でゼロから逆極性に立ち上がる電流変化が前記スイッチ素子の切り替えなく行われるように、前記第1の区間において前記第1の区間の電流ループのために必要な少なくとも1つのスイッチ素子と共に、前記第2の区間の電流ループのために必要な少なくとも1つのスイッチ素子もオンすることを特徴とする請求項1記載の勾配磁場発生装置。
【請求項7】
勾配磁場発生装置を有する磁気共鳴現象を利用して被検体の情報を得る磁気共鳴映像装置において、
前記勾配磁場発生装置は、
勾配磁場を形成するための勾配コイルと、
前記勾配コイルを駆動するメイン電源と、前記メイン電源を補助する複数の高圧電源と、
複数のスイッチ素子と、
複数のダイオードと、
前記複数のスイッチ素子それぞれのオン/オフを制御する制御手段とを有し、
前記勾配コイル、前記メイン電源、前記複数の高圧電源、前記複数のスイッチ素子及び前記複数のダイオードは、前記制御手段による前記複数のスイッチ素子のオン/オフ制御により、前記複数の高圧電源の少なくとも1つで前記メイン電源を補助して前記勾配コイルを駆動する第1の状態と前記メイン電源単独で前記勾配コイルを駆動する第2の状態とが選択可能であって、前記第1の状態において前記複数の高圧電源のいずれか1つ又は任意の組み合わせで前記メイン電源を補助することが可能で、且つ前記メイン電源を補助する前記複数の高圧電源の少なくとも1つの前記勾配コイルに対する電圧極性が切り替え可能なように、回路構成が組まれていることを特徴とする磁気共鳴映像装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁気共鳴映像装置で用いられる勾配磁場発生装置及び磁気共鳴映像装置に関する。
【背景技術】
【0002】
磁気共鳴映像装置の技術進歩、特に高速化の進展に伴い、勾配磁場を高速に立ち上げる技術の必要性が高まって来ている。中でも、もっとも高速な勾配磁場の立ち上がりを必要とするのが、EPI(Echo Planar Imaging:超高速MRI)法であり、従来に比べて強度で2〜3倍、立ち上がり時間で約3〜10倍の短縮が要求される。
【0003】
そこで、近年、勾配磁場の立ち上がり(図18(b))の期間、図18(a)に示すように補助電源(高圧電源)でメイン電源(リニアアンプ)を補助して、急瞬な勾配磁場の立ち上がりを実現する方法が考案された。立ち上がり終了後(図18(c))には、補助電源による補助を停止し、メイン電源だけで勾配コイルを電流を供給する。この方法では、図18(b)に示すような台形波形の直線的な立ち上がりが実現される。
【0004】
この他に、補助電源の代わりに、共振コンデンサを接続し、共振波形で勾配磁場を立ち上げる方法も考案されている。この方法では、正弦波形やスパイラル波形が発生可能である。
【0005】
ここで、勾配磁場の立ち上げには、図19(a)に示すような一定の傾きで立ち上げるいわゆるコンスタントスルーレート制御と、図19(b)に示すような様々な目標電流値を一定の時間で立ち上げるコンスタントライズタイム制御がある。コンスタントライズタイム制御は、オブリーク時の計算等が簡単になるという特徴があるが、コンスタントスルーレート制御に比べて、回路構成が複雑になるという欠点がある。即ち、コンスタントスルーレート制御を行うには、印加する補助電圧値(高電圧値)は1種類で良いが、コンスタントライズタイム制御を行うには、目標電流値の相違に応じて、複数種類の補助電圧を使い分けることが必要になる。
【0006】
従って、図18のような回路ではコンスタントライズタイム制御は困難であり、図20のような複数個の補助電源HV1,HV2,HV3を装備して、これらを適当に組み合わせて補助電圧を変化させる回路が必要となる。
【0007】
このようなコンスタントライズタイム制御のために、複数個の補助電源の組み合わせを変えて補助電圧を変化させる場合、次のような幾つかの問題がある。
【0008】
1)目標電流値を所定の立上がり時間で立ち上げるために必要な補助電圧を発生させるには、入力波形を解析して、補助電源の出力電圧を計算する必要があり、この解析に要する時間分だけメイン電源に対して補助電源の起動タイミングが遅れる。
【0009】
2)メイン電源の周波数特性が十分でないと、その出力電圧と補助電源の出力電圧との組み合わせに応じて、これら電源へのトリガに対する勾配コイルに流れる電流の応答時間がばらつく。
【0010】
3)複数の補助電源の組み合わせを切り替えるために複数の半導体スイッチが採用されているが、これら半導体スイッチ個々の特性の差により、上記応答時間のばらつきが助長される。
【0011】
4)上記半導体スイッチのスイッチングには、数マイクロ秒オーダの過渡応答が生じ、電源がショートする危険性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明の目的は、メイン電源の周波数特性が十分でなくても、その出力電圧と補助電源の出力電圧との組み合わせの変化にかかわらず、これら電源へのトリガに対する勾配コイルに流れる電流の応答時間のばらつきを解消することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明の第1局面は、磁気共鳴現象を利用して被検体の情報を得る磁気共鳴映像装置に用いられる勾配磁場発生装置において、勾配磁場を形成するための勾配コイルと、前記勾配コイルを駆動するメイン電源と、前記メイン電源を補助する複数の高圧電源と、複数のスイッチ素子と、複数のダイオードと、前記複数のスイッチ素子それぞれのオン/オフを制御する制御手段とを有し、前記勾配コイル、前記メイン電源、前記複数の高圧電源、前記複数のスイッチ素子及び前記複数のダイオードは、前記制御手段による前記複数のスイッチ素子のオン/オフ制御により、前記複数の高圧電源の少なくとも1つで前記メイン電源を補助して前記勾配コイルを駆動する第1の状態と前記メイン電源単独で前記勾配コイルを駆動する第2の状態とが選択可能であって、前記第1の状態において前記複数の高圧電源のいずれか1つ又は任意の組み合わせで前記メイン電源を補助することが可能で、且つ前記メイン電源を補助する前記複数の高圧電源の少なくとも1つの前記勾配コイルに対する電圧極性が切り替え可能なように、回路構成が組まれていることを特徴とする。
本発明の第2局面は、勾配磁場発生装置を有する磁気共鳴現象を利用して被検体の情報を得る磁気共鳴映像装置において、前記勾配磁場発生装置は、勾配磁場を形成するための勾配コイルと、前記勾配コイルを駆動するメイン電源と、前記メイン電源を補助する複数の高圧電源と、複数のスイッチ素子と、複数のダイオードと、前記複数のスイッチ素子それぞれのオン/オフを制御する制御手段とを有し、前記勾配コイル、前記メイン電源、前記複数の高圧電源、前記複数のスイッチ素子及び前記複数のダイオードは、前記制御手段による前記複数のスイッチ素子のオン/オフ制御により、前記複数の高圧電源の少なくとも1つで前記メイン電源を補助して前記勾配コイルを駆動する第1の状態と前記メイン電源単独で前記勾配コイルを駆動する第2の状態とが選択可能であって、前記第1の状態において前記複数の高圧電源のいずれか1つ又は任意の組み合わせで前記メイン電源を補助することが可能で、且つ前記メイン電源を補助する前記複数の高圧電源の少なくとも1つの前記勾配コイルに対する電圧極性が切り替え可能なように、回路構成が組まれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、メイン電源の周波数特性が十分でなくても、その出力電圧と補助電源の出力電圧との組み合わせの変化にかかわらず、これら電源へのトリガに対する勾配コイルに流れる電流の応答時間のばらつきを解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図1は本実施形態による勾配磁場発生装置の構成を示すブロック図である。勾配磁場発生装置は、コントローラ8と勾配磁場発生本体9に大別される。
【0016】
勾配磁場発生本体9は、勾配磁場を発生するための勾配コイル7と、メイン電源5と、補助電源6とを有する。メイン電源5は、勾配コイル7に対して直列に接続された線形増幅器(リニアアンプ)として設けられる。
【0017】
補助電源6は、主に勾配コイル7に供給する電流(コイル電流)の立ち上がり及び立ち下がり期間に、その立ち上がり及び立ち下がり時間を高速化するために、メイン電源5を補助して勾配コイル7に補助電圧(高電圧)を印加するために設けられている。
【0018】
補助電源6でメイン電源5を補助する場合、勾配コイル7には、補助電源6の補助電圧とメイン電源5の出力電圧との加算電圧が印加される。なお、詳細は後述するが補助電源6は、出力電圧が相違する複数の高圧電源からなり、これら複数の高圧電源のいずれか1つ又は適当に組み合わせることにより補助電圧を段階的に変化させることができるようになっている。
【0019】
磁気共鳴映像装置(MRI)の構成要素の中において所定のパルスシーケンスシーケンスを実行するための中枢であるところのシーケンサとしてのMRIシステムコントローラ1からは、メイン電源5の出力電圧の時間波形(例えば台形波形)を制御するための制御信号Sref をコントローラ8に出力する。
【0020】
コントローラ8は、補助電源選定部2と、2つのディレイ回路4A,4Hと、ディレイコントローラ3とから構成される。補助電源選定部2は、MRIシステムコントローラ1からの制御信号Sref を制御信号SA としてメイン電源5に向けてそのまま通過させると共に、制御信号Sref の初期部分から立ち上がり期間終了時点でのコイル電流値(目標電流値)Iflatを求め(推定し)、この目標電流値Iflatまで所定(一定)の立ち上がり時間Triseで立ち上げる(コンスタントライズタイム制御)ために必要な補助電源を選定し、選定した補助電源を実効させるための制御信号SH(i)を出力する。
【0021】
一方のディレイ回路4Aは、補助電源選定部2からの制御信号SA に第1の遅延時間ΔTA をかけてメイン電源5に受け渡す。他方のディレイ回路4Hは、補助電源選定部2からの制御信号SH(i)に、第1の遅延時間ΔTA と相違する、第1の遅延時間ΔTA より短い第2の遅延時間ΔTH をかけて勾配磁場発生本体9に受け渡す。
【0022】
ディレイコントローラ3は、メイン電源5と補助電源6とから同期して電圧が発生され、且つこの発生タイミングのばらつきを解消(軽減)して安定したタイミングで電圧を発生させるために、第1の遅延時間ΔTA と第2の遅延時間ΔTH を個別に制御する。
【0023】
図2に、図1の勾配磁場発生本体9の回路図を示している。補助電源6は、出力電圧が相違する複数、ここでは3つの高圧電源HV1,HV2,HV3を有している。高圧電源HV1,HV2,HV3それぞれの出力電圧をVHV1 、VHV2、VHV3 とすると、VHV1 <VHV2 <VHV3 の関係に設定されている。さらに、VHV1 、VHV2 、VHV3 は、メイン電源5の実質的な出力電圧幅に対して、次のような条件のもと設定されている。メイン電源5の出力性能を(−Vamp 〜+Vamp )として、渦補償等の微調整のために準備されている余力電圧をαとすると、メイン電源5の実質的な出力電圧幅は、{−(Vamp −α) 〜 +(Vamp −α)}となり、これに対して高圧電源HV1,HV2,HV3の出力電圧格差(VHV2 −VHV1 、VHV3 −VHV2 )が、2×(Vamp −α)以下になるように、好ましくは2×(Vamp −α)に一致するように設定されている。例えばVamp を300V、αを50Vと仮定すると、高圧電源HV1,HV2,HV3の出力電圧VHV1 、VHV2 、VHV3 はそれぞれ例えば500V,1000V,1500Vに設定される。
【0024】
勾配磁場発生本体9は、メイン電源5と、高圧電源HV1,HV2,HV3と、勾配コイル7と、複数(ここでは12個)の半導体スイッチSW1〜SW12と、電圧クランプ用の複数(ここでは20個)のダイオードD1〜D12,D21〜D28と、複数(ここでは3個)のコンデンサC1〜C3と、ディレイ回路4Hと半導体スイッチSW1〜SW12各々との間に個々に挿入されているディレイ素子50〜61とから構成される。
【0025】
メイン電源5と、高圧電源HV1,HV2,HV3と、半導体スイッチSW1〜SW12と、ダイオードD1〜D12,D21〜D28とは、半導体スイッチSW1〜SW12のオン/オフ制御により、補助電源HV1,HV2,HV3の少なくとも1つでメイン電源5を補助して勾配コイル7を駆動する第1の状態と、メイン電源5単独で勾配コイル7を駆動する第2の状態とが選択可能であって、第1の状態において補助電源HV1,HV2,HV3のいずれか1つ又は任意の組み合わせで選択的にメイン電源5を補助することが可能で、且つメイン電源5を補助する補助電源HV1,HV2,HV3の少なくとも1つの勾配コイル7に対する電圧極性が切り替え可能なように、回路構成が組まれている。なお、回路構成上、最も高い高圧電源HV3を他の2つの高圧電源HV1,HV2で挟むように配置することが好ましい。
【0026】
ここで説明の便宜上、メイン電源5の実質的な出力電圧幅を−250V〜+250Vとし、高圧電源HV1,HV2,HV3の出力電圧VHV1 、VHV2 、VHV3 それぞれを500V,1000V,1500Vと仮定して以下説明するものとする。
【0027】
この場合、補助電圧としては、高圧電源HV1,HV2,HV3をそれぞれ単独で使って得られる500V,1000V,1500V、高圧電源HV1とHV2とを組み合わせて得られる2000V、高圧電源HV2とHV3とを組み合わせて得られる2500V、高圧電源HV1,HV2,HV3の全部を組み合わせて得られる3000Vがあり、さらにこれら各電圧の勾配コイル7に対する極性を反転して合計14通りの中から選択することができる。
【0028】
図3に、これら14通りの補助電圧各々に対応するスイッチSW1〜SW12各々のオン/オフ制御を示している。図4に+500V,+1000V,+1500Vの補助電圧を勾配コイル7に印加するときの電流ループを示し、図5に+2000V,+2500V,+3000Vの補助電圧を勾配コイル7に印加するときの電流ループを示している。なお、図4、図5において、理解を容易にするために、オン状態とされているスイッチのみ符号を添付し、オフ状態とされているスイッチの符号は添付していないことに注意されたい。
【0029】
図6に、立ち上がり期間における制御信号Sref 、メイン電源5に対する第1の制御信号SA 、遅延された第1の制御信号S’A 、スイッチSW1〜SW12に対する第2の制御信号SH(i)、遅延された第2の制御信号S’H(i)、勾配コイル7に流れる電流I(t) を示している。
【0030】
MRIシステムコントローラ1から制御信号Sref が補助電源選定部2に供給される。制御信号Sref は、直線的に立ち上がり、フラット部分を経て、直線的に立ち下がるいわゆる台形波である。
【0031】
この制御信号Sref は、補助電源選定部2において2系統に分配される。その一方は、そのまま補助電源選定部2をスルーし、第1の制御信号SA としてディレイ回路4Aに供給され、ここで第1の遅延時間ΔTA の遅延を受けて、遅延された第1の制御信号S’ref としてメイン電源5に供給される。
【0032】
メイン電源5は、供給された第1の制御信号S’ref を線形に電圧増幅し勾配コイル7に印加する。分配された制御信号Sref の他方は、勾配コイル7に電圧を印加する実効的な高圧電源を選定するために、補助電源選定部2で次のように解析される。
【0033】
(1)制御信号Sref の初期部分に基づいて、所定の立ち上がり時間Triseの終了時点でのこの制御信号Sref の電圧Sref flatが計算される(推定される)。
【0034】
つまり、図7に示すように、制御信号Sref の立ち上がりから所定の短時間ΔTcom 経過後の制御信号Sref の電圧ΔVがサンプルされ、電圧Sref flatが、
ref flat=ΔV×(Trise/ΔTcom
により計算される。
【0035】
(2)上記(1)で計算したSref flatに基づいて、制御信号Sref により指示されている立ち上がり時間Triseの終了時点での勾配コイル7のコイル電流値(目標電流値)Iflatが、勾配コイル7に流すことができる既知の電流の最大値Imax と制御信号Sref の最大電圧Vmax とに基づいて、
flat=Imax ×(Sref flat/Vmax
により計算される(推定される)。
【0036】
(3)勾配コイル7に流れる電流I(t) を、立ち上がり時間Triseで、目標電流値Iflatまで立ち上げるのに必要な立上げ電圧Vriseが、Vrise=L×(Iflat/Trise
=10-3×(Iflat/Trise
により計算される。
【0037】
例えば、Iflatが300A、立ち上がり時間Triseが150μsと仮定すると、立上げ電圧Vriseは、2000Vである。
【0038】
(4)次に、立上げ電圧Vriseを勾配コイル7に印加するために必要な補助電圧HV1,HV2,HV3の少なくとも1つが、図8に示すVriseとの対応表により選定される。なお、図8に示すように、上記(1)〜(3)の計算結果を事前に計算しておき、ΔVと、選定する補助電圧HV1,HV2,HV3の少なくとも1つとの対応表にまとめて内部メモリに保管させ、この対応表により(1)〜(3)の計算処理を不要にして、ΔVから直接的に補助電圧HV1,HV2,HV3を選定するようにしてもよい。
【0039】
(5)こうして選定された高圧電源HV1,HV2,HV3の少なくとも1つを、メイン電源5と勾配コイル7とを含む電流ループに組み込み、実効させるための第2の制御信号SH(i)(1≦i≦12)が出力される。第2の制御信号SH(i)は、スイッチSW1〜SW12各々に対するオン/オフの制御信号のセットである。
【0040】
この第2の制御信号SH(i)は、ディレイ回路4Hで第2の遅延時間ΔTH の遅延を受けて、遅延された第2の制御信号S’H(i)として、対応するスイッチSW1〜SW12に供給される。
【0041】
次に遅延時間の制御について説明する。第1の遅延時間ΔTA は、ΔT1 +ΔT2 に調整される。第2の遅延時間ΔTH は、ΔT2 に調整される。ΔT1 は、補助電源選定部2から出力される第1の制御信号SA と第2の制御信号SH(i)との時間差、つまり高圧電源HV1,HV2,HV3の少なくとも1つの選定に要する時間に固定的に設定される。一方、ΔT2 は、メイン電源5の周波数特性が不十分であることに起因する変動時間である。
【0042】
図9を参照されたい。図9は、メイン電源5と補助電源6とに対する制御信号SA 、SH(t)に対して、実際に勾配コイル7に流れるコイル電流I(t) の応答が時間τだけ遅れることを表している。この遅れ時間τは、立ち上がり時間Triseの終了時点でのメイン電源5の出力電圧Vamp flatと、選定された高圧電源HV1,HV2,HV3の少なくとも1つによる補助電圧との組み合わせに応じて、τmin 〜τmax の範囲で変動する。
【0043】
ΔT2 は、この変動を解消して、出力電圧Vamp flatと補助電圧との組み合わせが変わっても、常に一定のタイミングでI(t) を流すために、実際に計算した出力電圧Vamp flatと補助電圧との組み合わせに応じた遅れ時間τに対して、ΔT2 =τmax −τにより計算される。
【0044】
なお、この計算のために必要な情報としては、メイン電源5の出力電圧Vampflatと補助電圧との組み合わせに対する電流応答の遅れ時間τの対応関係の情報と最大遅れ時間τmax の情報とがあるが、これら必要情報は予め測定又は計算されROM等のメモリ手段に記憶され、または所定の計算式により算出される。
【0045】
このように第1の遅延時間ΔTA と第2の遅延時間ΔTH とを調整することにより、メイン電源5と補助電源6とから同期して勾配コイル7に立上り電圧Vriseを印加させることができる。
【0046】
次に、スイッチSW1〜SW12の切り替え動作について説明する。ここではEPI法に対応した交番される勾配磁場の形成に関して説明する。また、ここでは立ち上がり及び立ち下がり期間の補助電圧を高圧電源HV1単独で発生するものとして説明する。
【0047】
図10に勾配コイル7に流されるコイル電流I(t) の時間波形を示している。ここでは、立ち上がり以前の微小な正極性のオフセット電流が流れるオフセット状態の区間(1)、正方向への立ち上げ区間(2)、正極性でのフラットな区間(3)、立ち下げ区間(4)、負極性のブースト区間(5)、負極性でのフラットな区間(6)、負から正への立ち上げ区間(7)、オフセット状態までの立ち上げ区間(8)、オフセット状態の区間(9)に区分して説明する。
【0048】
図11はスイッチSW1〜SW12のオン/オフ状態の時間変化を示している。図12に区間(1)、(2)、(3)に対応する勾配磁場発生本体9の電流ループを示している。図13に区間(4)、(5)、(6)に対応する勾配磁場発生本体9の電流ループを示している。図14に区間(7)、(8)、(8)に対応する勾配磁場発生本体9の電流ループを示している。なお、図12、図13、図14において、理解を容易にするために、オン状態とされているスイッチのみ符号を添付し、オフ状態とされているスイッチの符号は添付していないことに注意されたい。
【0049】
区間(1)では、半数の6つのスイッチSW7〜SW12がONとされる。ここで、当該電流ループの形成に寄与しないスイッチSW7、SW9、SW11もオンされていることに注意されたい。このような制御により、スイッチングを不要にして、メイン電源5の出力極性に応じて電流を双方向に流すことが可能となる。
【0050】
区間(2)では、スイッチSW5がオンされ、スイッチSW7、SW9、SW11がオフに反転され、そしてスイッチSW8、SW10、SW12は区間(1)から引き続きON状態が維持される。
【0051】
区間(3)では、スイッチSW5をオフに反転するだけで、メイン電源5と、スイッチSW8、SW10、SW12と、ダイオードD11、D9、D7とから第2の状態の電流ループが形成され、メイン電源5単独で勾配コイル7を駆動することができる。
【0052】
この区間(3)でも、区間(1)のときと同様に、次の動きのための準備として、当該電流ループの形成に寄与しないスイッチSW7、SW9、SW11もオンされる。
【0053】
区間(4)では、スイッチSW12をオフに反転することにより、勾配コイル7に蓄えられたエネルギーは、スイッチSW8、SW10を通り、ダイオードD28を経て高圧電源HV1にエネルギーの回生が開始される。このときの電流ループは、HV1→D11→D9→D7→メイン電源5→勾配コイル7→SW8→→SW10→D22→HV1となる。
【0054】
なお、区間(3)でオンされたスイッチSW7、SW9、SW11は当該電流ループに寄与しないが、そのままオン状態が維持される。区間(4)で必要な上記電流ループの形成に寄与するスイッチはSW8、SW10の2つである。しかし、この状態では、勾配コイル7の電流がゼロになった時点で自動的に回路はオフ状態になってしまい、負極性のブースト区間(5)にスムーズに移行できない。
【0055】
そこで、区間(4)において、次の区間(5)のブーストの準備として、区間(4)で必要な上記電流ループの形成に寄与しないスイッチSW7、SW9、SW11のオン状態をそのまま維持し、またスイッチSW6をオン状態に反転しておくことにより、電流がゼロになった後、次の区間(5)のマイナスブーストをスイッチ切り替えを要することなく自動的に開始される。
【0056】
つまり、補助電源選定部2は、勾配コイル7の電流の振幅が区間(4)でゼロまで立ち下がり、引き続き区間(5)でゼロから逆極性に立ち上がる電流変化がスイッチ素子SW6、SW7、SW9、SW11の切り替えなく行われるように、区間(4)においてこの区間(4)の電流ループのために必要な少なくとも1つのスイッチ素子SW8、SW10と共に、区間(5)の電流ループのために必要な少なくとも1つのスイッチ素子SW6、SW7、SW9、SW11も事前にオンしておくという制御を行う。
【0057】
区間(5)では、区間(4)で電流がゼロになると、高圧電源HV1からの高電圧がダイオードD27を通して勾配コイル7に印加される。電流はさらにメイン電源5を経て、スイッチSW7、SW9、SW11を通り高圧電源HV1へ還流する。区間(4)と(5)のスイッチの状態が同一であることに注意されたい。
【0058】
フラットな区間(6)では、スイッチSW6をオフに反転することにより、SW7、SW9、SW11及びD12、D10、D8によりメイン電源5と勾配コイル7とで閉ループが形成され、負側のフラットトップとなる。このとき、これまでと同様に、次の動きに備えて、当該電流ループの形成に寄与しないスイッチSW8、SW10、SW12をオン状態にしておく。
【0059】
区間(7)では、スイッチSW11をオフに反転することにより、勾配コイル7に蓄えられたエネルギーがスイッチSW7、SW9を通り、ダイオードD24を経て高圧電源HV1にエネルギーの回生が開始される。このとき、高圧電源HV1の負側はダイオードD12、D10、D8が作動している。このままの状態であると、勾配コイル7の電流がゼロになった時点で、自動的に回路はオフになるため、これまでと同様に、スイッチSW11をオフにした時点でスイッチSW5をオン状態にしておけば、電流がゼロになった後、次のプラスブーストにスイッチ切り替え不要にしてスムーズに自動的に移行できる。
【0060】
区間(8)では、区間(7)で電流がゼロになると、高圧電源HV1がダイオードD23を通し勾配コイル7に印加される。電流はさらにメイン電源5を経て、スイッチSW8、SW10、SW12を通り高圧電源HV1へ戻る。区間(7)と区間(8)とではスイッチの状態が同一であることに注意されたい。
【0061】
最後の区間(9)では、スイッチSW5をオフに反転することにより、スイッチSW8、SW10、SW12及びダイオードD11、D9、D7によりメイン電源5と勾配コイル7との閉ループが形成され、オフセット状態が得られる。
【0062】
この区間(9)でも、次の動きに備えて、当該電流ループの形成に寄与しないスイッチSW7、SW9、SW11もオン状態にしていくことが好ましい。即ち、これらスイッチSW7、SW9、SW11も、スイッチSW8、SW10、SW12と同様にオン状態にしていくことにより、スイッチの切り替え不要にしてメイン電源5の出力に従って双方向に電流を流すことができるため、渦補償回路等で波形のオーバーシュート等がありオフセット電流の方向と一時的に逆の電流を流す必要のある場合も問題なく電流が流れる。なお、この状態は既出のフラットトップと同じ状態である。
【0063】
以上、他の補助電圧を使う場合でも、図3に示したようなその補助電圧に応じたスイッチ制御を行なうことにより、勾配磁場の高速な制御が可能である。ここで、上述したスイッチの切り替え制御において、あるスイッチはオン状態からオフ状態に反転し、また他のスイッチではオフ状態からオン状態に反転されることがわかる。各半導体スイッチが理想的な動きをするのであれば、オンからオフへの切り替えと、オフからオンへの切り替えとを完全に同時に開始すればよい。ところが、実際には、図15(b)に示すように、各半導体スイッチは理想的な動きを行わず、例えば、IGBTでは約1μs程度の過渡応答があり、しかもオフからオンへの切り替え時の過渡期間よりオンからオフへの切り替え時の過渡期間が長いという特性がある。従って、同時にON,OFFの制御信号を与えると、両方のスイッチともオン状態となってしまい、例えば区間(1)と区間(2)について見ると、オフに反転したスイッチSW11と、オンにしたスイッチSW5とが共にオン状態となってしまい、高圧電源HV1がデットショートしてしまう。
【0064】
そこで、図15(c)に示すように、オンからオフへの切り替え開始のタイミングを、オフからオンへの切り替え開始のタイミングよりも、少なくともオンからオフへの切り替え時の過渡期間以上早くすることにより、上記デットショートの問題を回避することができる。この制御は、補助電源選定部2からの制御信号SH(i)において、オンからオフへの状態変位のタイミングを、オフからオンへのタイミングよりも早くすることにより実現される。
【0065】
同様に、図15(d)に示すように、オフからオンへの切り替え開始のタイミングを、オンからオフへの切り替え開始のタイミングよりも、少なくともオンからオフへの切り替え時の過渡期間以上遅くすることにより、上記デットショートの問題を回避することができる。この制御も、補助電源選定部2からの制御信号SH(i)において、オフからオンへのタイミングをオンからオフへの状態変位のタイミングよりも遅くすることにより実現される。
【0066】
なお、図15(d)の方法は、制御信号Sref からの波形立ち上がりの遅れが大きくなりすぎるという問題があり、そこで、図15(c)の方法が好ましい。次に、スイッチSW1〜SW12とディレイ回路4Hとの間に挿入されている遅延回路50〜61の作用について説明する。スイッチSW1〜SW12の応答時間にはばらつきがある。このばらつきが大きいと、上述の図15(d)の方法でも、デッドショートの問題は解消できない。そこで、予めスイッチSW1〜SW12各々の応答時間を計測し、これら応答時間の中の最も遅い応答時間を基準として、それとの時間差を遅延時間として遅延回路に固定的に与えておくことにより、上記ばらつきによるデッドショートの問題を解消できる。
【0067】
さらに、線形増幅器としてのメイン電源5の応答特性が理想特性から大きくずれている場合の対処について説明する。これまでに詳述したように勾配磁場の立ち上がり期間に勾配コイル7に印加される電圧値は、補助電圧とメイン電源5の出力電圧値とを加算して得られる。このとき、メイン電源5の帯域が十分に広く理想的な場合は、入力波形と出力波形は完全に相似する。しかし、理想からのずれが大きい場合は、立ち上がり波形の直線性誤差や入力波形に対する遅れ時間が問題となってくる。そこで、第1の方法は、フィードフォワード等の帯域を広げる手法を用い、メイン電源5の帯域を広げる方法を用いる。第2の方法は、ディレイ回路4Aの遅延時間ΔTA から当該遅れ時間を減算するものである。
【0068】
さらに、図1のディレイコントローラ3の内部メモリに、高電圧値や線形増幅器の特性による遅れ時間特性(例えば電圧と遅れ時間の関係等)をROMやメモリーに記憶しておく。例えば、ディレイコントローラ3により最大の遅れ時間を基準として、それより遅れ時間の少ないところは最大遅れ時間からの差として大きな遅れ時間を、遅れ時間が大きなところは最大遅れ時間からの差として少ない遅れ時間を与える様にすることで、結果的に出力波形の遅れ時間を一定に保つことが可能となる。このように本発明によれば、線形増幅器の理想特性からのずれが大きい場合も、精度の高い波形制御が可能となる。
【0069】
本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々変形して実施が可能である。例えば、上記実施形態の操作法以外に、さらに細かく高圧電源を切り替えながら制御することにより、正弦波や、スパイラル波形の入力波形に対しても、波形出力が可能である。但し、この場合、電源の切り替え速度等により応答可能な周波数が限定される。より高速な正弦波形等が必要であれば、図16に示すように、高圧電源HV1,HV2,HV3それぞれに対して並列に共振用コンデンサ67〜69をスイッチ66を介して接続し、ブースト時には高圧電源HV1,HV2,HV3の代わりに共振用コンデンサ67〜69を用いることで、正弦波や、スパイラル波形をより正確に出力可能である。
【0070】
また、図17に示すように、勾配コイル7とメイン電源5とに対して並列に共振用コンデンサ70をブリッジ状のスイッチ71を介して接続するようにしても良い。
【0071】
また、高圧電源の電圧配分比やメイン電源の電圧配分は、必ずしも上述の通りでなくても良く、高圧電源を切り替える際のメイン電源5の電圧値は、正側と負側の配分が非対称であるように設定してもよい。
【0072】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0073】
【図1】本発明の一実施形態による勾配磁場発生装置の構成を示すブロック図。
【図2】図1の勾配磁場発生本体の回路図。
【図3】図2のスイッチ各々のオン/オフの状態の切り替えによる補助電圧の段階的な変化を示す図。
【図4】図3のB,C,D各モードに対応する勾配磁場発生本体における電流ループを示す図。
【図5】図3のE,F,G各モードに対応する勾配磁場発生本体における電流ループを示す図。
【図6】図1のディレイコントローラにより調整される2つのディレイ回路各々の遅延時間を示す図。
【図7】図1の補助電源選定部による制御信号の解析説明図。
【図8】図1の補助電源選定部の内部メモリに記憶されている必要立上げ電圧と選定される高圧電源との対応を示す図。
【図9】図6のΔT2 の説明図。
【図10】コイル電流の一例を示す図。
【図11】時10の区間(1)〜(9)に対する図2のスイッチSW1〜SW12各々の切り替えを示す図。
【図12】図10の区間(1),(2),(3)に対応する電流ループを示す図。
【図13】図10の区間(4),(5),(6)に対応する電流ループを示す図。
【図14】図10の区間(7),(8),(9)に対応する電流ループを示す図。
【図15】図2のスイッチの過渡状態とそれに起因する問題の解消法の説明図。
【図16】図2の勾配磁場発生本体の第1の変形例を示す図。
【図17】図2の勾配磁場発生本体の第2の変形例を示す図。
【図18】従来の勾配磁場発生本体の説明図。
【図19】コンスタントスルーレート制御とコンスタントライズタイム制御とを示す図。
【図20】従来の他の勾配磁場発生本体の回路図。
【符号の説明】
【0074】
1…MRIシステムコントローラ、2…補助電源選定部、3…ディレイコントローラ、4A…ディレイ回路、4H…ディレイ回路、5…メイン電源、6…補助電源、7…勾配コイル、8…コントロール部、9…勾配磁場発生本体、HV1…高圧電源、HV2…高圧電源、HV3…高圧電源、SW1〜SW12…半導体スイッチ、D1〜D12,D21〜D28…ダイオード、50〜61…遅延回路。




 

 


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