JPH024330A

JPH024330A - Ｍｒｉ装置のインピーダンス自動調整装置

Info

Publication number: JPH024330A
Application number: JP63155701A
Authority: JP
Inventors: Motoji Gentou; 基司原頭
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-06-22
Filing date: 1988-06-22
Publication date: 1990-01-09
Anticipated expiration: 2012-09-17
Also published as: JP2653476B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的１（産業上の利用分野）本発明は、プローブヘッドのインピーダンスを特性イン
ピーダンスに等しく調整するＭＲＩ装置のインピーダン
ス自動調整装置に関する。

（従来の技術）ＭＲＩ装置で被検体から送られるＭＲ倍信号受信するた
めのアンテナとしてプローブヘッドが用いられる。第５
図はこのプローブヘッドの等価回路の一例を示すもので
、このプローブヘッドには給電線（特性インピーダンス
Ｚｃ、多くの場合５０Ω）が接続され診断態様に応じて
引き回される。

ここで、Ｃ１、Ｃ２は可変コンデンサ、しはコイル、Ｒ
はコイルの等価的並列抵抗、Ｚｉは入力側からみだイン
ピーダンスである。ところでこのプローブヘッドを用い
る場合は次の２つの理由により、その入力側からみたイ
ンピーダンス（以下単にインピーダンスと称する−）ｚ
ｉを特性インピーダンスＺｃに等しく調整する必要があ
る。■Ｚ＋Ｚｃの場合は給電線でＭＲ倍信号伝送損失が
生じるので、Ｓ／Ｎ特性が劣化する。■ＭＲＩ装置で使
用される低雑音アンプは多くの場合入力インピーダンス
がＺｃ″″Ｃ設計されているので、７１−Ｚｃの場合即
ちｚＣ以外の信号源インピーダンスを持つ信号源と接続
した場合は、ノイズフィギュアマツチングを犠牲にする
ことになるため必ずしも低雑音が保証されない。

第５図の等価回路において、可変コンデンサＣ２、Ｃ１
とインピーダンスｚｉとの関係は次式のように示される
。

上記（１）、　（２）式から明らかなように、ｚｉを大
きくするとＣ２は小さくなり、Ｃ１は大きくなる。

即ち、Ｒ，Ｌが一定の基ではＣ２を小さ（すれば（勿論
Ｃ１もそれに合わせて少し大きくする）、純抵抗になる
ように合わせたプローブヘッドのインピーダンスＺｉは
大きくすることができる。

次に点線内の回路部分のインピーダンスＺｘを計算する
と次式のようになる。

（但しＲ，ｚｒは実数）また、２つのＣ２の回路部分のインピーダンスＺＹは次
式で示される。

・・・（４）即ち、上記式（３）、　（４）から明らかなように、Ｚ
ｉはＣＩ　、Ｒ，Ｌによって形成されるＺ×と２つの０
２によって形成されるＺＹとから構成され、Ｚｉを純抵
抗にするためには（３）式における虚部（インダクテイ
ブなりアクタンス分）を（４）式で示される虚部（キャ
パシティブなリアクタンス分）によって相殺して零にす
ればよいことがわかる。

以上の事実に基き、前記したようにＺｉ　＝Ｚｃの条件
を満足させるためには、Ｚｉ　＜７：ｃの関係にある場
合はＣ２を小さく調整し且つそのとき生じた虚部を相殺
するようにＣ１を大きく調整することにより、ｚｉを大
きくなるように調整すればよい。またｚｉ＞ｚｃの場合
は逆にＣ２を大きく且つＣ１を小さく調整することによ
りｚｌを小さくするように調整すればよい。

ところで、プローブヘッド単体ではＱが高いことが要求
され、かつ撮影時には被検体がプローブヘッドに接近す
るために、実際の撮影時のプローブヘッドの第１次近似
としての等価回路は第５図と具なって第６図のように示
される。ここで、（：、ｓ　、Ｃ’Ｓは人体とコイル間
の浮遊容量、ＲＰは人体の等価的抵抗である。従って、
インピーダンスｚｉもＺ′ｉに変化してしまうようにな
る。第６図は第７図のように等価変換することができ、
さらに第８・図のように簡略化することもできる。第７
図でＣ’ｓはＣ３、Ｃ’Ｓ、Ｒｐを並列変換したときの
等価的容屋、Ｒ’ｐはＣちと同様に変換したとぎの等価
的容量である。但し、である。このような第８図の等価回路において、１”：
＝ｌｃの条件から可変コンデンサＣ２、Ｃ’ｔとインピ
ーダンスＺｃとの関係は、前記（１）、　（２）式に準
じて次式にように示される。

（ω＝２πｆ；ｆ（Ｒ２）はＭＲ倍信号共鳴周波数）従
って、第５図の場合と同様にＣ’１．０２を調整するこ
とによりＺｉ　＝Ｚｃの条件を満足させることができる
。

従来この調整は出力インピーダンスがＺｃ　　（純抵抗
）の発振器を用意し、これとプローブヘッド間に方向性
結合器を挿入することにより反射電力が零になるところ
を試行錯誤で見つけるようにして行われていた。

〈発明が解決しようとする課題）ところで従来の調整方法では、手作業による場合は、２
つの可変コンデンサを同時に調整することが要請され、
調整操作に勘や経験に頼るとことがあるため効率が悪い
という問題がある。この手作業１こ代ってマイクロプロ
セッサ等を用いた自動調整法が提案されているが、マイ
クロプロセッサの判断機能に頼る部分が多く効率が悪か
った。

本発明は以上のような事情に対処して成されたもので、
効率が良い調整が簡単なハードウェアで自動的に行える
ＭＲＩ装置のインピーダンス自動調整装置を提供するこ
とを目的とするものである。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために本発明は、実部調整用及び虚
部調整用の回路素子、例えば、可変容量コンデンサを等
価的に並列配置に含むプローブヘッドのインピーダンス
を実部と虚部とに分けて電圧として検出する検出部と、
実部と虚部との電圧に応じて前記各回路素子の値を調整
し、インピーダンスＺｉを特性インピーダンスＺｃに整
合させる制御信号、例えば負帰還信号をプローブヘッド
に送るコントロール部とを有するものである。

（作　用〉上記構成の本発明によれば、検出部によりプローブヘッ
ドのインピーダンスが実部と虚部とに分けて電圧として
検出され、この検出結果に基づき、コントロール部から
プローブヘッドに対して、実部調整用及び虚部調整用の
回路素子く例えばいずれも可変容量コンデンサ）の値を
調整する制御信号（例えば負帰還信号）が送られ、これ
によりインピーダンスＺｉの値が特性インピーダンスＺ
ｃの値に自動的に整合される。

〈実施例）先ず本発明の詳細な説明する。

”ＲＦ　ｅｘｐｏ　ｅａｓｔ　（Ｎｏｖ、１０−１２．
１９８６．Ｂｏｓｔｏｎ。

Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ　”で紹介されている論文
”Ａ　Ｃｏｍ−ｐｌｅｘ　Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　Ｍｅｔ
ｅｒ　（Ｃａｒｌ　Ｇ、　Ｌｏｄｓｔｒｏｅｍ、Ｄｏｖ
−Ｋｅｙ　）ｌｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉ
ｏｎ　１１１０　Ｍａｒｋ　ＡｖｅｎｕｅＣａｒｐｒｉ
ｎｔｅｒｉａ、　ＣＡ　９３０１３−２９１８）”によ
ると、第４図に示すように発振器１く出力インピーダン
スＺｃ　）と負荷２（インピーダンスＺＬ）間にλ／８
ケーブルを接続することにより、負荷２のインピーダン
スが実部（Ｒｅ：　Ｒｅａ！　ｐａｒｔ）と虚部（Ｉｍ
：Ｉｍａｇｉｎａｒｙ　ｐａｒｔ）とに分けて電圧に対
応した形で容易に検出できることが示されている。尚、
ＤＩ　。

Ｄ２　、Ｄ３　、Ｄ４はダイオード、Ｒ１，Ｒ２は可変
抵抗、３は実部に対応した直流電圧計、４は虚部に対応
した直流電圧計、５は減衰器（発振器１の出力インピー
ダンスを正確にＺｃ　（＝５０Ω）にするためのもの）
である。

λ／８ケーブルが正確にケーブル長に合っている場合、
負荷２としてＺＬ　＝Ｚｃの値のものを接続し電圧計３
，４の指示がどちらも○（ｖ）となるように、予め可変
抵抗器（トリムボット型）Ｒ１゜Ｒ２を調整して初期状
態を設定しておくものとする。この状態で例えば実部（
Ｒｅ）がＺｃより小さい場合は実部電圧計３は正の電圧
を示し、Ｚｃより大きい場合は負の電圧を示す。また、
虚部（Ｉｍ）がインダクティブな場合は虚部電圧計４は
正の電圧を示し、キャパシティブな場合は負の電圧を示
す。従って実部電圧計３及び虚部電圧計４の指示を観察
することにより、負荷のインピーダンスＺｃの値が大小
のいずれの方向にずれているかを把握することができる
。なおλは発振器１の周波数によって決定される。

本発明はこのような原理を基になされたもので以下図面
を参照して説明する。

第１図は本発明実施例のＭＲＩ装置のインピーダンス自
動調整装置を示すブロック図で、出力インピーダンスが
Ｚｃの発振器１とプローブヘッド６間に検出部７が接続
され、この検出部７とプローブヘッド６間にコントロー
ル部８が接続される。

検出部７の構成は第４図と同様にλ／８ケーブルを用い
ることにより、プローブヘッド６のインピーダンスｚｉ
を実部（Ｒｅ）と虚部（Ｉｍ）とに分けて各々の電圧計
によって電圧として検出するようになっている。またコ
ントロール部８は、例えば後述の第２図に示す実部側８
Ａ、虚部側８Ｂのような構成になっており、前記検出部
７によって検出された実部電圧と虚部電圧に応じて各電
圧を零に調整するための制御信号をプローブヘッド６の
回路素子としての可変容量コンデンサＣ３、Ｃ４（以下
、ｒｃ３Ｊ　、ｒｃ４Ｊという）に供給するようになっ
ている。

ここで、第３図＜ａ＞に示すプローブヘッド６の等価回
路を参照し、Ｃ３、Ｃ４とインピーダンスｚｉとの関係
について考察する。

尚、同図中、Ｌはプローブヘッド６のインダクタンス、
ｒはプローブヘッド６の等価直列抵抗であり、また、角
周波数をωとする。

通常プローブヘッド６のインピーダンスＺｉは特性イン
ピーダンスＺｃ（多くの場合、５０Ω）に整合される。

Ｚｉ　＝Ｚｃ＝Ｚにれより、ｊωｌ＋ｒ＋２／ＪωＣ４ ■を代入して ■式より２／Ｃ４＝ω２　（Ｌ−Ｃ３ｒＺｃ）　　　　　・・・
００式を０式に代入して、Ｚｃ−ω２ＬＣ３２Ｃ＋Ｃ３Ｚｃ・（ｔ）２（Ｌ−Ｃ３ｒＺｃ）−ｒ＝０Ｚｃ
　−ω２　ＬＣ３Ｚｃ＋ω２　ＬＣ３Ｚｃ−ω２　Ｃ３２ｒｚｃ　２−ｒ＝Ｑ
Ｃ３）Ｏより即ち、Ｃ３、Ｃ４を■、■式のような値にすれば、プロ
ーブヘッド６のインピーダンスＺｉは特性インピーダン
スｚＣと一致させることができる。

ところで、多くの場合、Ｚｃは５０［Ω］であり、プロ
ーブヘッド６の等価直列抵抗は周波数にも依存するが、
数Ω以下である。つまり、ｒ　＜　ｚ　ｃとみなすこと
ができる。この事実及び■、■より０３　、Ｃ４の近似
式を求めると、 ■よりＣａ　＝ ω２　　Ｌ−ω２　Ｃ３ｒＺｃ・・・■ ■よりＣ３の値はインダクタンスしによらず、且つＺｃ
に依存することから、プローブヘッド６のインピーダン
スＺｉ　　（＝ＲＬ＋ｊＸＬ　）の実部（＝ＲＬ）の変
化に主に寄与することがわかる。

また、■よりが導かれ、これは第３図（ａ）でｒ＝ｏとしたときの共
振条件の式と一致する。即ち、Ｃ４の値はブローアヘッ
ド６のインピーダンスの虚部（ＸＬ　＞を○にすること
に主に寄与することがわかる。

換言すれば、Ｃ３の値を増加させることは、特性インピ
ーダンスＺｃを小さくすること、即ち、プローブヘッド
６のインピーダンスＺｉの実部ＲＬを大きくすることに
対応し、また、Ｃ３の値を減少させることは、特性イン
ピーダンスＺｃを大きくすること、即ち、実部ＲＬを大
きくすることに対応する。

一方、Ｃ４の値を増加させることは２／ωＣ４の値を小
さくし、プローブヘッド６の虚部（リアクタンス分＞Ｘ
Ｌを増加させることを意味し、また、Ｃ４の値を減少さ
せることは、２／ωＣ４の値を大きくし、プローブヘッ
ド６の虚部ＸＬを減少させることを意味する。

次に、コントロール部８の動作を詳述する。

検出部７によって検出された実部電圧（Ｒｅ側電圧）が
正の場合、前記本発明の原理からＺｉ　＜Ｚｃと判定で
きるので、プローブヘッド６のＣ３を小さくするような
制御信号を供給する。これによってｚｉはＺｃより大と
なる方向に向かうので、実部電圧が０（ｖ）になったと
き、Ｃ３に対する制御信号の供給を停止する。

検出部７によって検出された実部電圧が負の場合、前記
と逆にｚｉ＞Ｚｃと判定できるので。

Ｃ３を大きくするような制御信号を供給する。これによ
ってＺｉはＺｃより小となる方向に向かうので、実部電
圧をＯ（Ｖ）にすることができる。

検出部７によって検出された虚部電圧（Ｉｍ側電圧）が
正の場合、前記本発明の原理からインダクティブと判定
できるので、Ｃ４を小さくするような制御信号を供給す
る。これによって虚部は相殺されてキャパシティブな方
向へ向かうので、虚部電圧がＯ（Ｖ）になったときＣ４
に対する制御信号の供給を停止する。

検出部７によって検出された虚部電圧が負の場合、前記
と逆にキャパシティブと判定できるので、Ｃ４を大きく
するような制御信号を供給する。これによって虚部はイ
ンダクティブな方向へ向かうので、虚部電圧をＯ（Ｖ）
にすることができる。

このようにコントロール部８は検出部７によって検出さ
れた実部電圧と虚部電圧に応じて、実部調整用の機能を
有するＣ３、虚部調整用の機能を有するＣ４の値を調整
し、インピーダンスＺｉを特性インピーダンスＺｃに整
合させる制御信号、即ち負帰還（ＮＦＢ）信号をプロー
ブヘッド６のＣ３又はＣ４に供給するように動作する。

但し、Ｃ３及びＣ４に対し同じ応答性を持つ負帰還をか
けた場合、ＺｉがＺｃに収束しないで振動してしまう可
能性が生ずる。このため、実部側か虚部側の一方を他方
より負帰還の応答速度を速く設定しておくことにより、
速い方が先に追従するので、Ｚｃ（Ω）又はｊ−０（Ω
）となるので振動は生じない。従って、ｚｉをＺｃに収
束させることができる。

また、実部電圧か虚部電圧の一方が０（ｖ）になった場
合、これら電圧に積分操作を加えることによりＣ３又は
Ｃ４の制御を自動的に停止させることができる。即ち、
いずれか一方の電圧を積分し、この積分値に１対１で対
応するようにＣ３又はＣ４を制御することにより、いず
れかの検出電圧がＯ（Ｖ）になったところでその制御を
自動的に停止させることができる。

第２図はコントロール部８の具体的構成を・示すブロッ
ク図で、８Ａは実部側、８Ｂは虚部側を示し、９はバッ
ファ段、１０は反転・増幅段、１１は反転・積分段であ
る。反転・積分段１１の各出力はインピーダンス整合後
Ａ／Ｄコンバータで変換されて保持され、実部側８Ａか
らはＣ２に対する制御電圧が出力されると共に、虚部８
ＢからはＣ１に対する制ｍ？Ｉｉ圧が出力される。なお
応答性を異ならすために反転・積分段１１における時定
数Ｃ１、Ｒ１，Ｃ２、Ｒ２の関係を、ＣｌＲ１＞Ｃ２Ｒ
２（又は０２　Ｒ２＞ＣＩＲｌ）に保つ必要がある。な
お、検出部７とプローブヘッド６の間にλ／２長の整数
倍のケーブル（又は等価回路）が接続されていてもかま
わない。

第３図（ｂ）はプローブヘッド６の具体的構成を示すも
ので、Ｃ３及び２個のＣ４として可変容量ダイオードを
用いた例を示すものである。これら可変容量ダイオード
で構成されるＣ３　、Ｃａに対しては第２図の実部側８
Ａ及び虚部側８Ｂからの制御電圧が各々加えられる。可
変容量ダイオードは加えられる逆バイアス電圧が高いほ
ど容量は小さくなる（第３図）。

次に本実施例の作用を説明する。

検出部７の実部電圧計３及び虚部電圧計４が０（Ｖ）ｌ
！：なるように初期状態に設定した基で、実部電圧計３
及び虚部電圧計４の指示を観察する。

実部電圧計３が正電圧の場合、コントロール部８によっ
てプローブヘッド６のＣ３に対し、この値を小さくする
ような負帰還をかけることにより、電圧はＯ（Ｖ）に調
整される。実部電圧計３が負電圧の場合、逆に０３に対
してこの値を大きくするような負帰還をかけることによ
り、電圧はＯ（Ｖ）に調整される。

虚０部電圧計４が正電圧の場合、コントロール部８によ
ってプローブヘッド６のＣ４に対してこの値を小さくす
るような負帰還をかけることにより、電圧はＯ（Ｖ）に
調整される。虚部電圧計４が負電圧の場合、逆にＣ４に
対してこの値を大きくするような負帰還をかけることに
より、電圧はＯ（Ｖ）に調整される。

従って大部電圧計３及び虚部電圧計４が正電圧又は負電
圧を指示していても、最終的にいずれも自動的に０（ｖ
）に調整される。これによって、Ｚｉ＝Ｚｃの条件を満
足するように自動的に調整される。

このように本実施例によれば、ブローアヘッド６のイン
ピーダンスＺｉを手作業によることなしに自動的に特性
インピーダンスＺｃに等しく調整できるので効率のよい
調整を行うことができる。

また、調整装置の構成も簡単なので安価に製作すること
ができ、インピーダンスの自動調整化により患者のスル
ーブツトを向上させることもできる。

プローブヘッド６におけるＣ３　、Ｃ４はバリコンを用
い、バリコン用アクチュエータの速度を検出電圧に比例
させて制御することもでき、これによって積分段を省略
することも可能である。なぜならば、バリコンの回転角
度は速度を積分したものに比例し、検出電圧がＯ（Ｖ）
になれば自動的にその角度を保持したままバリコンが停
止するからである。この場合検出電圧と回転方向とが負
帰還の関係を満たすように符号を調整する必要があるの
は言うまでもない。

［発明の効果１以上説明したように本発明によれば、プローブヘッドの
インピーダンスを実部と虚部とに分けて検出し、この検
出結果に基き実部調整用及び虚部調整用の回路素子を調
整するようにしたものであるからプローブヘッドのイン
ピーダンスを特性インピーダンスに自動的に整合させる
ことができるＭＲＩ装置のインピーダンス調整装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例のＭＲＩ装置のインピーダンス自
動調整装置を示すブロック図、第２図は本実施例装置の
コントロール部の具体的構成を示すブロック図、第３図
（ａ）は第１図に示すプローブヘッドのみの拡大回路図
、第３図（ｂ）は本実施例装置のプローブヘッドの具体
的構成を示す回路図、第４図は本発明の原理を示すブロ
ック図、第５図はプローブヘッドの等価回路、第６図は
撮影時のプローブヘッドの等価回路、第７図は第６図の
変換等価回路、第８図は第７図の変換等価回路である。１・・・発振器、　　　３・・・実部電圧計、４・・・
虚部電圧計、　６・・・ブローアヘッド、７・・・検出
部、　　　８・・・コントロール部、８Ａ・・・実部側
コントロール部、゛宣

Claims

【特許請求の範囲】

（１）入力側から見たインピーダンスがＺｉで、このイ
ンピーダンスＺｉの実部調整用の回路素子と虚部調整用
の回路素子とを等価的に並列配置に含むプローブヘッド
に対し、前記インピーダンスＺｉと、特性インピーダン
スＺｃとのインピーダンス整合を行うＭＲＩ装置のイン
ピーダンス自動調整装置であつて、プローブヘッドに信
号を供給する出力インピーダンスがＺｃの発振器と、プ
ローブヘッドと発振器間に接続されプローブヘッドのイ
ンピーダンスＺｉを実部と虚部とに分けて電圧として検
出する検出部と、実部と虚部の電圧に応じて前記各回路
素子の値を調整し、インピーダンスＺｉを特性インピー
ダンスＺｃに整合させる制御信号を前記プローブヘッド
に送るコントロール部とを備えたことを特徴とするＭＲ
Ｉ装置のインピーダンス自動調整装置。
（２）前記各回路素子は可変容量コンデンサである請求
項１記載のＭＲＩ装置のインピーダンス自動調整装置。
（３）前記制御信号は、負帰還信号である請求項１記載
のＭＲＩ装置のインピーダンス自動調整装置。