JPH0618564B2 - Ｎｍｒ装置用勾配高速化回路 - Google Patents
Ｎｍｒ装置用勾配高速化回路Info
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- JPH0618564B2 JPH0618564B2 JP3152254A JP15225491A JPH0618564B2 JP H0618564 B2 JPH0618564 B2 JP H0618564B2 JP 3152254 A JP3152254 A JP 3152254A JP 15225491 A JP15225491 A JP 15225491A JP H0618564 B2 JPH0618564 B2 JP H0618564B2
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- 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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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。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）。高速な映像装置を利用するに
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
幅器と関連する勾配コイルとの間で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非常に要望
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。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）。高速な映像装置を利用するに
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
幅器と関連する勾配コイルとの間で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非常に要望
されている。
【０００３】このような高速化回路は、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ととも
に、非常に大きなスペースを必要とする。更に、この回
路は必要によりシミング（shimming）すなわち調整用に
または長時間一定パルスを発生するために直流電流を流
すことができない。また、正確な波形制御に欠けている
が、これは新しい高速勾配回路で達成されることが望ま
しい。このような回路は典型的な従来の全身用勾配コイ
ルのインダクタンス（約１ｍＨ）および抵抗（１オーム
程度）とともに動作して、約１００アンペアのコイル電
流ＩL の流れにおいて１Ｇ（ガウス）／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２５０ボルトをコイルに
供給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程度の勾
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３００Ａ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）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。
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ととも
に、非常に大きなスペースを必要とする。更に、この回
路は必要によりシミング（shimming）すなわち調整用に
または長時間一定パルスを発生するために直流電流を流
すことができない。また、正確な波形制御に欠けている
が、これは新しい高速勾配回路で達成されることが望ま
しい。このような回路は典型的な従来の全身用勾配コイ
ルのインダクタンス（約１ｍＨ）および抵抗（１オーム
程度）とともに動作して、約１００アンペアのコイル電
流ＩL の流れにおいて１Ｇ（ガウス）／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２５０ボルトをコイルに
供給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程度の勾
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３００Ａ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）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、高速ＮＭＲ映像装置の
分割巻線勾配コイルとともに使用される勾配電流高速化
回路は、勾配コイル巻線の第１および第２の部分の間に
直列に設けられている出力回路の増幅器出力電流を制御
する入力アナログ信号を受信する勾配電力増幅器と、関
連する勾配コイルを流れるように電流を急に供給し又は
関連する勾配コイルから除去するように選択されたパタ
ーンで選択された第１および第２の電位源の間に第１の
半巻線と、増幅器と第２の半巻線との直列回路を接続す
る複数の半導体スイッチング素子とを有している。
分割巻線勾配コイルとともに使用される勾配電流高速化
回路は、勾配コイル巻線の第１および第２の部分の間に
直列に設けられている出力回路の増幅器出力電流を制御
する入力アナログ信号を受信する勾配電力増幅器と、関
連する勾配コイルを流れるように電流を急に供給し又は
関連する勾配コイルから除去するように選択されたパタ
ーンで選択された第１および第２の電位源の間に第１の
半巻線と、増幅器と第２の半巻線との直列回路を接続す
る複数の半導体スイッチング素子とを有している。
【０００５】好適実施例においては、増幅器はコイル巻
線における調整電流の流れを容易にする。
線における調整電流の流れを容易にする。
【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。
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。
【０００７】本発明のこのおよび他の目的は、添付図面
に関連した次の詳細な説明を閲読することによって明ら
かになるであろう。
に関連した次の詳細な説明を閲読することによって明ら
かになるであろう。
【０００８】
【詳しい説明】まず、図１を参照すると、本発明の勾配
電流高速化回路１０の好適実施例が関連する勾配コイル
１１とともに使用されている。この勾配コイル１１はイ
ンダクタンスＬ１の第１の部分１１ａとインダクタンス
Ｌ２の第２の部分１１ｂを有する。この２つの部分は、
等しいインダクタンスを有するが、勾配電力増幅器１２
の端子１２ａおよび１２ｂの間の出力回路に直列に接続
されている。この直列接続されたコイル部分１１ａ−増
幅器の出力回路−コイル部分１１ｂは回路ＡおよびＢ端
子１０ａおよび１０ｂの間に接続され、ＮＭＲ映像およ
び／または分光装置の動作容積内に（複数の）方向の内
の１つの方向に勾配磁界を発生する。勾配コイル１１は
部分的に勾配電力増幅器１２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)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／電源ユニットにとっては約±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
電流が代表的なものであるので、増幅器の複合出力１２
ａ／１２ｂに必要な高電圧Ｖ’および電流Ｉ’を供給す
るには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は回路入力
１０ｃからアナログ入力信号を並列に受信する。入力信
号はディジタル−アナログコンバータ手段（図示せず）
のアナログ出力から供給される。このディジタル−アナ
ログコンバータ手段は装置データ母線からｍビットのデ
ィジタルデータ入力制御信号を受信する。
電流高速化回路１０の好適実施例が関連する勾配コイル
１１とともに使用されている。この勾配コイル１１はイ
ンダクタンスＬ１の第１の部分１１ａとインダクタンス
Ｌ２の第２の部分１１ｂを有する。この２つの部分は、
等しいインダクタンスを有するが、勾配電力増幅器１２
の端子１２ａおよび１２ｂの間の出力回路に直列に接続
されている。この直列接続されたコイル部分１１ａ−増
幅器の出力回路−コイル部分１１ｂは回路ＡおよびＢ端
子１０ａおよび１０ｂの間に接続され、ＮＭＲ映像およ
び／または分光装置の動作容積内に（複数の）方向の内
の１つの方向に勾配磁界を発生する。勾配コイル１１は
部分的に勾配電力増幅器１２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)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／電源ユニットにとっては約±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
電流が代表的なものであるので、増幅器の複合出力１２
ａ／１２ｂに必要な高電圧Ｖ’および電流Ｉ’を供給す
るには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は回路入力
１０ｃからアナログ入力信号を並列に受信する。入力信
号はディジタル−アナログコンバータ手段（図示せず）
のアナログ出力から供給される。このディジタル−アナ
ログコンバータ手段は装置データ母線から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】典型的には、例えば±３２０ボルトの全電
圧振幅を達成するのに一対の線形勾配電力増幅器が直列
に接続される。シールドされた勾配コイルが使用される
場合には、「外側のコイル」のシールドは全体のインダ
クタンスがほぼ０であり（例えば、２つの部分が反対方
向に巻かれる）、２つの増幅器の出力回路の間に接続さ
れ、「内側のコイル」の半巻線の各々は端子ＡまたはＢ
の一方と増幅器−外側コイル−増幅器の直列接続された
サブ回路の隣接するが異なる端部との間に接続される。
圧振幅を達成するのに一対の線形勾配電力増幅器が直列
に接続される。シールドされた勾配コイルが使用される
場合には、「外側のコイル」のシールドは全体のインダ
クタンスがほぼ０であり（例えば、２つの部分が反対方
向に巻かれる）、２つの増幅器の出力回路の間に接続さ
れ、「内側のコイル」の半巻線の各々は端子ＡまたはＢ
の一方と増幅器−外側コイル−増幅器の直列接続された
サブ回路の隣接するが異なる端部との間に接続される。
【００１０】電力スイッチング手段１４は図１のコイル
の２つの部分１１ａ／１１ｂを通る電流ＩL の流れを制
御する。電力スイッチング手段１４は電源手段（図示せ
ず）を利用し、この電源手段は装置データ母線を介して
それぞれ振幅Ｖ1 およびＶ2 を有する第１および第２の
電源を有する。この第１および第２の電源の各振幅は必
要ではないが可変であってもよいし、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が回路
の共通電位に対して正の極性であり、第２の回路を電源
母線１０ｅが共通電位に対して負の極性の電位であるよ
うに設定される。必要により、コンデンサ等のような蓄
積素子１８ａまたは１８ｂが共通電位と端子１０ｄおよ
び１０ｅの各々の間に接続される。複数の電力スイッチ
ング手段Ｓ１ないしＳ４は勾配コイル１１に流れる勾配
電流ＩL の方向を制御する。１つの現在の好適構成にお
いては、４つのスイッチング手段Ｓ１ないしＳ４（これ
は各々並列に接続された転流ダイオードＤ１−Ｄ４を有
する半導体スイッチング素子Ｑ１−Ｑ４である）は全ブ
リッジ構成に利用されている。第１の電力スイッチング
手段Ｓ１は、第１の制御信号Ｓ’１によって制御される
が、正の電源母線１０ｄと第１の巻線端子１０ａとの間
に接続される。この第１の巻線端子１０ａは第２の電力
スイッチング手段Ｓ２を介して回路の負母線１０ｅに制
御可能に接続されるが、この第２の電源スイッチング手
段Ｓ２自身は第２の独立した制御信号Ｓ’２によって制
御される。同様に、上側および下側電力スイッチング手
段Ｓ３およびＳ４が母線１０ｄ、第２の巻線端子１０ｂ
および母線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によって動作させられ
る。全ての信号Ｓ’１−Ｓ’４は装置または回路データ
母線を介して供給される。スイッチング手段１４が典型
的には一方の方向に電流をオフすることのみできる半導
体スイッチを利用した場合には、逆保護ダイオードが必
要である。増幅器保護回路１５は直列に逆方向に接続さ
れたツェナーダイオード１６ａ／１６ｂによって短絡さ
れた直列接続された緩衝用コンデンサ１５ａおよび緩衝
用抵抗１５ｂを使用している。調整電流ＩSHIMが増幅器
１２から指令され、増幅器の出力端子１２ａ／１２ｂの
間に接続された供給源手段２５として実効的に示されて
いる。直流調整電流は勾配コイル１１の両巻線部分を通
っていずれかの方向に必要な振幅で流れる。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ＩL
から完全に分離して制御し得る。電流が母線１０ｄまた
は１０ｅの一方から端子１０ａまたは１０ｂの一方に各
脚部を通って両方向に流れることができる限り、任意の
階段状の波形の勾配コイル電流ＩL を供給することがで
きるとともに、コイルに供給される調整電流に加えて傾
斜部および平坦部を有する所望の形状の勾配信号を発生
することもできる。更に、この回路は勾配電流を補償す
ることができる。すなわち、典型的には１パーセント台
で勾配電流波形を変更することができ、ＮＭＲ装置の低
温保持装置に誘導される渦電流を補償することができ
る。
の２つの部分１１ａ／１１ｂを通る電流ＩL の流れを制
御する。電力スイッチング手段１４は電源手段（図示せ
ず）を利用し、この電源手段は装置データ母線を介して
それぞれ振幅Ｖ1 およびＶ2 を有する第１および第２の
電源を有する。この第１および第２の電源の各振幅は必
要ではないが可変であってもよいし、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が回路
の共通電位に対して正の極性であり、第２の回路を電源
母線１０ｅが共通電位に対して負の極性の電位であるよ
うに設定される。必要により、コンデンサ等のような蓄
積素子１８ａまたは１８ｂが共通電位と端子１０ｄおよ
び１０ｅの各々の間に接続される。複数の電力スイッチ
ング手段Ｓ１ないしＳ４は勾配コイル１１に流れる勾配
電流ＩL の方向を制御する。１つの現在の好適構成にお
いては、４つのスイッチング手段Ｓ１ないしＳ４（これ
は各々並列に接続された転流ダイオードＤ１−Ｄ４を有
する半導体スイッチング素子Ｑ１−Ｑ４である）は全ブ
リッジ構成に利用されている。第１の電力スイッチング
手段Ｓ１は、第１の制御信号Ｓ’１によって制御される
が、正の電源母線１０ｄと第１の巻線端子１０ａとの間
に接続される。この第１の巻線端子１０ａは第２の電力
スイッチング手段Ｓ２を介して回路の負母線１０ｅに制
御可能に接続されるが、この第２の電源スイッチング手
段Ｓ２自身は第２の独立した制御信号Ｓ’２によって制
御される。同様に、上側および下側電力スイッチング手
段Ｓ３およびＳ４が母線１０ｄ、第２の巻線端子１０ｂ
および母線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によって動作させられ
る。全ての信号Ｓ’１−Ｓ’４は装置または回路データ
母線を介して供給される。スイッチング手段１４が典型
的には一方の方向に電流をオフすることのみできる半導
体スイッチを利用した場合には、逆保護ダイオードが必
要である。増幅器保護回路１５は直列に逆方向に接続さ
れたツェナーダイオード１６ａ／１６ｂによって短絡さ
れた直列接続された緩衝用コンデンサ１５ａおよび緩衝
用抵抗１５ｂを使用している。調整電流ＩSHIMが増幅器
１２から指令され、増幅器の出力端子１２ａ／１２ｂの
間に接続された供給源手段２５として実効的に示されて
いる。直流調整電流は勾配コイル１１の両巻線部分を通
っていずれかの方向に必要な振幅で流れる。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ＩL
から完全に分離して制御し得る。電流が母線１０ｄまた
は１０ｅの一方から端子１０ａまたは１０ｂの一方に各
脚部を通って両方向に流れることができる限り、任意の
階段状の波形の勾配コイル電流ＩL を供給することがで
きるとともに、コイルに供給される調整電流に加えて傾
斜部および平坦部を有する所望の形状の勾配信号を発生
することもできる。更に、この回路は勾配電流を補償す
ることができる。すなわち、典型的には１パーセント台
で勾配電流波形を変更することができ、ＮＭＲ装置の低
温保持装置に誘導される渦電流を補償することができ
る。
【００１１】次に、図１および図２を参照すると、本高
速化回路の動作は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理解す
ることができる。最初に、第１の電流部分３０ａは開始
時刻ｔ0 の前では振幅がゼロである。電流ＩL の傾斜部
分３０ｂはゼロから時刻ｔ1 で達成する正の値に増大す
る。この正の値は時刻ｔ1 から時刻ｔ2 までの平坦頂上
部３０ｃの間ほぼ一定に保持される。時刻ｔ2 において
下降傾斜電流部３０ｄが発生し、この電流は時刻ｔ3 に
おいて大きさがゼロに達成する。その後、コイル電流は
時刻ｔ3 から時刻ｔ4 まで負極性の下降傾斜部３０ｅで
低減し続け、時刻ｔ4 において負極性の平坦頂上部３０
ｆに達成し、時刻ｔ5 まで保持される。その後、正方向
の傾斜の負極性部分３０ｇが発生し、電流がゼロに戻る
時刻ｔ6 で終了する。更に、所望により、傾斜部３０ｈ
のような波形傾斜部分および部分３０ｉのような平坦頂
上部が続く。
速化回路の動作は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理解す
ることができる。最初に、第１の電流部分３０ａは開始
時刻ｔ0 の前では振幅がゼロである。電流ＩL の傾斜部
分３０ｂはゼロから時刻ｔ1 で達成する正の値に増大す
る。この正の値は時刻ｔ1 から時刻ｔ2 までの平坦頂上
部３０ｃの間ほぼ一定に保持される。時刻ｔ2 において
下降傾斜電流部３０ｄが発生し、この電流は時刻ｔ3 に
おいて大きさがゼロに達成する。その後、コイル電流は
時刻ｔ3 から時刻ｔ4 まで負極性の下降傾斜部３０ｅで
低減し続け、時刻ｔ4 において負極性の平坦頂上部３０
ｆに達成し、時刻ｔ5 まで保持される。その後、正方向
の傾斜の負極性部分３０ｇが発生し、電流がゼロに戻る
時刻ｔ6 で終了する。更に、所望により、傾斜部３０ｈ
のような波形傾斜部分および部分３０ｉのような平坦頂
上部が続く。
【００１２】全てのスイッチング手段Ｓ１ないしＳ４は
時刻ｔ0 の前では開放している。また、リセット手段２
０ａ／２０ｂは時刻ｔ0 の前では閉じているが、時刻ｔ
0 では開放していなければならない。時刻ｔ0 におい
て、第１のスイッチング手段Ｓ１および第４のスイッチ
ング手段Ｓ４がそれぞれ信号Ｓ’１およびＳ’４に応答
して閉じると、傾斜部３０ｂが開始し、電流ＩL がこれ
らを通ってそれぞれ母線１０ｄから端子１０ａにおよび
端子１０ｂから母線１０ｅに流れる。コイル電流は式Ｖ
＝ＲＩL ＋Ｌ（ｄＩL ／ｄｔ）を解くことによって決定
される速度で上昇する。この式において、Ｒは全コイル
抵抗であり、Ｖは母線１０ｄから母線１０ｅへの高電圧
であり、Ｌは全コイルインダクタンスである。波形の傾
斜部分の間では、ＲＩ電圧降下は勾配コイル１１の両端
の誘導性降下に比較して小さい。従って、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
グ手段Ｓ１は（その制御信号Ｓ’１が小さな振幅に戻る
ことによって）開放状態に指令されるが、第４のスイッ
チング手段Ｓ４は閉じたまま残っている。第４のスイッ
チング手段Ｓ４は全平坦頂上部３０ｃの間閉じた状態に
維持され、時刻ｔ2 において開放する。平坦頂上部３０
ｃの間、勾配コイルの電流ＩL は閉じたスイッチング手
段Ｓ４、現在導通状態にある第２の逆導通手段（例え
ば、ダイオードＤ２）を通って端子１０ａに流れ、そこ
からコイルに戻される。同時に、傾斜部分３０ｂに対す
る信号が端子１０ｃに供給され、線形増幅器１２はコイ
ル抵抗Ｒの両端の電圧降下を克服するに必要な大きさに
コイル電流ＩL を維持するのに必要な電圧を供給する。
時刻ｔ0 の前では開放している。また、リセット手段２
０ａ／２０ｂは時刻ｔ0 の前では閉じているが、時刻ｔ
0 では開放していなければならない。時刻ｔ0 におい
て、第１のスイッチング手段Ｓ１および第４のスイッチ
ング手段Ｓ４がそれぞれ信号Ｓ’１およびＳ’４に応答
して閉じると、傾斜部３０ｂが開始し、電流ＩL がこれ
らを通ってそれぞれ母線１０ｄから端子１０ａにおよび
端子１０ｂから母線１０ｅに流れる。コイル電流は式Ｖ
＝ＲＩL ＋Ｌ（ｄＩL ／ｄｔ）を解くことによって決定
される速度で上昇する。この式において、Ｒは全コイル
抵抗であり、Ｖは母線１０ｄから母線１０ｅへの高電圧
であり、Ｌは全コイルインダクタンスである。波形の傾
斜部分の間では、ＲＩ電圧降下は勾配コイル１１の両端
の誘導性降下に比較して小さい。従って、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
グ手段Ｓ１は（その制御信号Ｓ’１が小さな振幅に戻る
ことによって）開放状態に指令されるが、第４のスイッ
チング手段Ｓ４は閉じたまま残っている。第４のスイッ
チング手段Ｓ４は全平坦頂上部３０ｃの間閉じた状態に
維持され、時刻ｔ2 において開放する。平坦頂上部３０
ｃの間、勾配コイルの電流ＩL は閉じたスイッチング手
段Ｓ４、現在導通状態にある第２の逆導通手段（例え
ば、ダイオードＤ２）を通って端子１０ａに流れ、そこ
からコイルに戻される。同時に、傾斜部分３０ｂに対す
る信号が端子１０ｃに供給され、線形増幅器１２はコイ
ル抵抗Ｒの両端の電圧降下を克服するに必要な大きさに
コイル電流ＩL を維持するのに必要な電圧を供給する。
【００１３】平坦頂上部３０ｃの終わりにおいて、スイ
ッチング手段Ｓ４は制御信号Ｓ’４を除去することによ
って開放状態に指令される。勾配コイルの巻線の電流は
誘導的に蓄積されたエネルギによって流れ続け、コイル
の両端の電圧を母線１０ｄおよび１０ｅの間の高電圧電
源の値に達するまで迅速に上昇させる。このＶ1 ＋Ｖ2
の大きさの電圧に達成すると、逆導通手段Ｄ２およびＤ
３が導通し、電流が負極性母線１０ｄからダイオードＤ
２を通って端子１０に流れ、それからコイルを通って端
子１０ｂに流れ、更にそれからダイオードＤ３を通って
母線１０ｄに流れる。このとき、高電圧の半分、例えば
約−１７５０ボルトが各コンデンサ１０ａ／１８ｂの両
端に現れ、コイル電流ＩL は部分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。ある時
刻ｔa において、スイッチＳ４が開放した後、部分３０
ｄの下降傾斜電流がゼロの大きさに達成する前に、第２
のスイッチ手段Ｓ２および第３のスイッチ手段Ｓ３が閉
成状態に指令される。コイル電流の大きさがゼロに達成
する前に第２および第３のスイッチング手段が閉成する
ので、コイル電流はゼロの大きさの部分を通って負の方
向に低減し続け、部分３０ｅに入る。時刻ｔ4 において
所望の大きさの負の電流に達成すると、第３のスイッチ
手段Ｓ３は開放し、線形増幅器１２は平坦頂上部３０ｆ
の間の電流を指令した値のほぼ一定値に保持する。スイ
ッチング手段Ｓ２は平坦頂上部３０ｆの終わりまで閉じ
た状態に留まり、電流が部分３０ｇにおいてゼロに向か
って上昇開始する時刻ｔ5において開放する。
ッチング手段Ｓ４は制御信号Ｓ’４を除去することによ
って開放状態に指令される。勾配コイルの巻線の電流は
誘導的に蓄積されたエネルギによって流れ続け、コイル
の両端の電圧を母線１０ｄおよび１０ｅの間の高電圧電
源の値に達するまで迅速に上昇させる。このＶ1 ＋Ｖ2
の大きさの電圧に達成すると、逆導通手段Ｄ２およびＤ
３が導通し、電流が負極性母線１０ｄからダイオードＤ
２を通って端子１０に流れ、それからコイルを通って端
子１０ｂに流れ、更にそれからダイオードＤ３を通って
母線１０ｄに流れる。このとき、高電圧の半分、例えば
約−１７５０ボルトが各コンデンサ１０ａ／１８ｂの両
端に現れ、コイル電流ＩL は部分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。ある時
刻ｔa において、スイッチＳ４が開放した後、部分３０
ｄの下降傾斜電流がゼロの大きさに達成する前に、第２
のスイッチ手段Ｓ２および第３のスイッチ手段Ｓ３が閉
成状態に指令される。コイル電流の大きさがゼロに達成
する前に第２および第３のスイッチング手段が閉成する
ので、コイル電流はゼロの大きさの部分を通って負の方
向に低減し続け、部分３０ｅに入る。時刻ｔ4 において
所望の大きさの負の電流に達成すると、第３のスイッチ
手段Ｓ３は開放し、線形増幅器１２は平坦頂上部３０ｆ
の間の電流を指令した値のほぼ一定値に保持する。スイ
ッチング手段Ｓ２は平坦頂上部３０ｆの終わりまで閉じ
た状態に留まり、電流が部分３０ｇにおいてゼロに向か
って上昇開始する時刻ｔ5において開放する。
【００１４】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、全体の波形は入力信号
によって正確に制御されることがわかるであろう。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。渦電流補償等
に対するような他の波形調整もまた可能であることがわ
かるであろう。
がその電圧範囲を超えない限り、全体の波形は入力信号
によって正確に制御されることがわかるであろう。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。渦電流補償等
に対するような他の波形調整もまた可能であることがわ
かるであろう。
【００１５】また、この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がわかるであろ
う。すなわち、多くのパルスシーケンス部分は非常に早
い勾配スイッチングを必要とせず、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。そ
して、線形増幅器は高速化部分（スイッチング手段１
４）をオンすることなく利用することができ、非常に小
さな勾配パルスが更に容易に制御できることを理解する
であろう。高速化回路部分１４が携わっている場合に
は、ＧＴＯ等のような高電力半導体スイッチング素子は
最小のオンタイムおよびオフタイム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。好ましいことには、
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／Ｓ’４）を指令し、ス
イッチング手段Ｓ１およびＳ３（またはＳ２／Ｓ４）を
閉じることによって、またはリレーＲ１およびＲ２を閉
じることによって端子１０ａ／１０ｂは短絡すべきであ
る。端子１０ａおよび１０ｂのコイルの端部が短絡され
ている場合には、線形増幅器１２からみたリアクタンス
は比較的小さい。Ｓ１およびＳ３（または、Ｓ２／Ｓ
４）による短絡が使用される場合には、短絡用に必要な
機械的スイッチはなく、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する
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。
ッチすることが必要なだけであることがわかるであろ
う。すなわち、多くのパルスシーケンス部分は非常に早
い勾配スイッチングを必要とせず、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。そ
して、線形増幅器は高速化部分（スイッチング手段１
４）をオンすることなく利用することができ、非常に小
さな勾配パルスが更に容易に制御できることを理解する
であろう。高速化回路部分１４が携わっている場合に
は、ＧＴＯ等のような高電力半導体スイッチング素子は
最小のオンタイムおよびオフタイム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。好ましいことには、
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／Ｓ’４）を指令し、ス
イッチング手段Ｓ１およびＳ３（またはＳ２／Ｓ４）を
閉じることによって、またはリレーＲ１およびＲ２を閉
じることによって端子１０ａ／１０ｂは短絡すべきであ
る。端子１０ａおよび１０ｂのコイルの端部が短絡され
ている場合には、線形増幅器１２からみたリアクタンス
は比較的小さい。Ｓ１およびＳ３（または、Ｓ２／Ｓ
４）による短絡が使用される場合には、短絡用に必要な
機械的スイッチはなく、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する
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】本発明の現在の好適実施例について詳細に
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、説
明として示した特殊な詳細な内容および方法によって本
発明は制限されるのではなく特許請求の範囲によって限
定されるものである。
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、説
明として示した特殊な詳細な内容および方法によって本
発明は制限されるのではなく特許請求の範囲によって限
定されるものである。
【図１】本発明の新規な回路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。
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 １１ａ 勾配コイルの第１の部分 １１ｂ 勾配コイルの第２の部分 １２ 勾配電力増幅器 １４ 電力スイッチング手段 １５ａ 緩衝用コンデンサ １５ｂ 緩衝用抵抗 １６ａ、１６ｂ ツェナーダイオード Ｄ１−Ｄ４ 転流ダイオード Ｑ１−Ｑ４ 半導体スイッチング素子 Ｓ１−Ｓ４ 電力スイッチング手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 9118−2Ｊ Ｇ０１Ｎ 24/08 Ｙ
Claims (9)
- 【請求項１】 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、各々前記増
幅手段の出力回路の反対端部に直列に接続されている第
１および第２の別々の部分を有する勾配コイルと、前記
増幅手段およびコイル部分の直列回路に電流を供給し、
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、を有する勾配高速化回路。 - 【請求項２】 前記増幅手段の出力回路を過電圧から保
護する手段を更に有する請求項１記載の回路。 - 【請求項３】 前記増幅手段は前記勾配コイルの両部分
に調整電流を流すようになっている請求項１記載の回
路。 - 【請求項４】 前記増幅手段は直流調整電流を流すよう
になっている請求項３記載の回路。 - 【請求項５】 前記増幅手段は前記第１および第２のコ
イル部分の間に接続されている請求項１記載の回路。 - 【請求項６】 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している請求
項１記載の回路。 - 【請求項７】 前記素子は全ブリッジ構成に接続されて
いる請求項６記載の回路。 - 【請求項８】 前記各素子は逆導通要素に並列に接続さ
れている請求項７記載の回路。 - 【請求項９】 前記増幅手段は各々が別の出力回路を有
する一対の増幅器、および該増幅器の出力回路相互間に
接続されたシールド巻線を有し、前記の増幅器−シール
ド巻線−増幅器のサブ回路は前記コイルの第１および第
２の部分の間に接続されている請求項１記載の回路。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US533,210 | 1990-06-04 | ||
| US07/533,210 US5105153A (en) | 1990-06-04 | 1990-06-04 | Gradient speed-up circuit for nmr system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04231026A JPH04231026A (ja) | 1992-08-19 |
| JPH0618564B2 true JPH0618564B2 (ja) | 1994-03-16 |
Family
ID=24124969
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3152254A Expired - Fee Related JPH0618564B2 (ja) | 1990-06-04 | 1991-05-29 | Ｎｍｒ装置用勾配高速化回路 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5105153A (ja) |
| EP (1) | EP0460894A3 (ja) |
| JP (1) | JPH0618564B2 (ja) |
| IL (1) | IL98222A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006126126A (ja) * | 2004-11-01 | 2006-05-18 | Jeol Ltd | Ｎｍｒ装置用勾配磁場電源 |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5250902A (en) * | 1991-12-19 | 1993-10-05 | Varian Associates, Inc. | Reduction of gradient coil interaction with room temperature shims |
| US5451878A (en) * | 1994-07-15 | 1995-09-19 | General Electric Company | Non-resonant gradient field accelerator |
| 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 |
| JP3702048B2 (ja) * | 1996-08-09 | 2005-10-05 | 株式会社東芝 | 勾配磁場発生装置及び磁気共鳴映像装置 |
| US6552448B1 (en) | 1999-09-08 | 2003-04-22 | Harman International Industries, Incorporated | Energy management system for series connected amplifiers |
| US6353354B1 (en) | 1999-09-28 | 2002-03-05 | Mts Systems Corporation | Pulse-width modulated bridge circuit within a second bridge circuit |
| US6900638B1 (en) * | 2000-03-31 | 2005-05-31 | Ge Medical Technology Services, Inc. | Switching device to linearly conduct a current between a gradient amplifier and a gradient coil assembly of an MRI system |
| US6920312B1 (en) | 2001-05-31 | 2005-07-19 | Lam Research Corporation | RF generating system with fast loop control |
| US6930483B2 (en) * | 2003-08-01 | 2005-08-16 | General Electric Company | Method/system for switched frequency ripple reduction in MRI gradient coils |
| JP3699965B2 (ja) * | 2003-08-13 | 2005-09-28 | 株式会社東芝 | 磁気共鳴診断装置用勾配共振型磁場発生装置 |
| BR112012013588B1 (pt) * | 2009-12-02 | 2021-01-26 | Nanalysis Corp. | método para homogeneizar um campo magnético, detector para detectar a ressonância magnética e painel para homogeneizar um campo magnético |
| US9389288B2 (en) * | 2012-09-14 | 2016-07-12 | General Electric Company | System and method for maintaining soft switching condition in a gradient coil driver circuit |
| US20150309130A1 (en) * | 2014-03-27 | 2015-10-29 | Constantin Job | Magnetic Resonance (MR) Field Cycling Instrument and Methods Associated Therewith |
| TWI710782B (zh) * | 2015-04-13 | 2020-11-21 | 美商超精細研究股份有限公司 | 用於對操作磁共振成像系統之至少一梯度線圈提供電力之裝置及方法以及磁共振成像系統 |
| DE102017213197B3 (de) * | 2017-07-31 | 2018-10-31 | Bruker Biospin Gmbh | Endstufe zur Erzeugung variabler, rechteckförmiger Ströme in einer induktiven Last ohne Hochspannungsversorgung |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4437053A (en) * | 1982-05-10 | 1984-03-13 | Diasonics (Nmr) Inc. | Gradient power supply |
| US4694254A (en) * | 1985-06-10 | 1987-09-15 | General Electric Company | Radio-frequency spectrometer subsystem for a magnetic resonance imaging system |
| GB8530930D0 (en) * | 1985-12-16 | 1986-01-29 | Mansfield P | Inductive circuit arrangements |
| US4961054A (en) * | 1989-07-06 | 1990-10-02 | General Electric Company | Gradient current speed-up circuit for high-speed NMR imaging system |
| DE3928281A1 (de) * | 1989-08-26 | 1991-02-28 | Philips Patentverwaltung | Anordnung zur erzeugung von strompulsen vorgegebener form in einem induktiven verbraucher |
| 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 US07/533,210 patent/US5105153A/en not_active Expired - Fee Related
-
1991
- 1991-05-22 IL IL98222A patent/IL98222A/xx not_active IP Right Cessation
- 1991-05-29 JP JP3152254A patent/JPH0618564B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1991-06-03 EP EP19910305000 patent/EP0460894A3/en not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006126126A (ja) * | 2004-11-01 | 2006-05-18 | Jeol Ltd | Ｎｍｒ装置用勾配磁場電源 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0460894A3 (en) | 1992-07-01 |
| IL98222A0 (en) | 1992-06-21 |
| EP0460894A2 (en) | 1991-12-11 |
| IL98222A (en) | 1993-05-13 |
| US5105153A (en) | 1992-04-14 |
| JPH04231026A (ja) | 1992-08-19 |
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