JPH04231027A - 変成器結合勾配高速化回路 - Google Patents
変成器結合勾配高速化回路Info
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- JPH04231027A JPH04231027A JP3152255A JP15225591A JPH04231027A JP H04231027 A JPH04231027 A JP H04231027A JP 3152255 A JP3152255 A JP 3152255A JP 15225591 A JP15225591 A JP 15225591A JP H04231027 A JPH04231027 A JP H04231027A
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- 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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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。
め要約のデータは記録されません。
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
を必要とするということは周知のことである。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）
。より高速な映像速度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
ンダクタンス間に）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および関連する
勾配コイルの間で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
を必要とするということは周知のことである。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）
。より高速な映像速度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
ンダクタンス間に）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および関連する
勾配コイルの間で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要望されている。
【０００３】このような高速化回路の１つは、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。 更に、この回路は調整用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、これは新規
な勾配高速化回路で達成されることが望ましい。このよ
うな回路は約１ｍＨおよび１オーム台の抵抗を有する典
型的な従来の全身用勾配コイルとともに動作し、約１０
０アンペアのコイル電流の流れにおいて１ガウス（Ｇ）
／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
ボルトをコイルに印加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３
Ｇ／ｃｍ台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３００
Ａ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）など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。
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。 更に、この回路は調整用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、これは新規
な勾配高速化回路で達成されることが望ましい。このよ
うな回路は約１ｍＨおよび１オーム台の抵抗を有する典
型的な従来の全身用勾配コイルとともに動作し、約１０
０アンペアのコイル電流の流れにおいて１ガウス（Ｇ）
／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
ボルトをコイルに印加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３
Ｇ／ｃｍ台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３００
Ａ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）など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、関連する勾配コイルを
有する高速ＮＭＲ映像装置に使用される勾配電流高速化
回路は、出力電流が制御される入力アナログ信号を受信
する勾配電力増幅器と、一次巻線、および前記増幅器の
出力および前記コイルに直列に接続された一対の二次巻
線を有する変成器と、選択された第１および第２の電位
源の間に前記一次巻線を接続する複数の半導体スイッチ
ング素子と、前記関連する勾配コイルを通る流れに電流
を急に供給したり又は除去するように選択されたパター
ンで前記半導体素子をオン／オフする手段と、勾配コイ
ルの電流が主入力信号によって指令された振幅より遅れ
た場合に前記増幅器の出力電流を変化させる信号を前記
増幅器の入力に供給する手段とを有する。
有する高速ＮＭＲ映像装置に使用される勾配電流高速化
回路は、出力電流が制御される入力アナログ信号を受信
する勾配電力増幅器と、一次巻線、および前記増幅器の
出力および前記コイルに直列に接続された一対の二次巻
線を有する変成器と、選択された第１および第２の電位
源の間に前記一次巻線を接続する複数の半導体スイッチ
ング素子と、前記関連する勾配コイルを通る流れに電流
を急に供給したり又は除去するように選択されたパター
ンで前記半導体素子をオン／オフする手段と、勾配コイ
ルの電流が主入力信号によって指令された振幅より遅れ
た場合に前記増幅器の出力電流を変化させる信号を前記
増幅器の入力に供給する手段とを有する。
【０００５】好適実施例においては、一対の二次巻線を
有する単一の変成器が使用され、この変成器の一次巻線
と二次巻線の巻数比は２：１である。
有する単一の変成器が使用され、この変成器の一次巻線
と二次巻線の巻数比は２：１である。
【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。
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
関連する次の詳細な説明を閲読することにより明らかに
なるであろう。
関連する次の詳細な説明を閲読することにより明らかに
なるであろう。
【０００８】
【詳しい説明】まず、図１を参照すると、勾配電流高速
化回路１０の好適実施例は関連する勾配コイル１１とと
もに利用されている。この勾配コイル１１は回路Ａおよ
びＢ端子１０ａおよび１０ｂ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で（複数の）方向
の中の１つの方向の勾配磁界を発生する。勾配コイル１
１は勾配電力増幅器１２によって部分的に駆動される。 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／供給ユニットにとっては±１
６０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１２ａ／１２ｂで必要な高電圧／電流を供給する
のに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はアナログ入
力電流Ｉｃ を並列に受信する。この電流は加算（＋）
手段１４によって供給される。この加算手段１４は指令
電流Ｉａ からフィードバック電流Ｉｆ を差し引く。 指令電流はディジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）
手段１６のアナログ出力１６ａから供給される。フィー
ドバック電流Ｉｆ は変流器などのような電流センサ手
段１８から供給される。ＤＡＣ１６は装置データ母線か
ら回路入力１０ｃにｍビットのディジタルデータ入力制
御信号を受信する。
化回路１０の好適実施例は関連する勾配コイル１１とと
もに利用されている。この勾配コイル１１は回路Ａおよ
びＢ端子１０ａおよび１０ｂ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で（複数の）方向
の中の１つの方向の勾配磁界を発生する。勾配コイル１
１は勾配電力増幅器１２によって部分的に駆動される。 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／供給ユニットにとっては±１
６０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１２ａ／１２ｂで必要な高電圧／電流を供給する
のに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はアナログ入
力電流Ｉｃ を並列に受信する。この電流は加算（＋）
手段１４によって供給される。この加算手段１４は指令
電流Ｉａ からフィードバック電流Ｉｆ を差し引く。 指令電流はディジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）
手段１６のアナログ出力１６ａから供給される。フィー
ドバック電流Ｉｆ は変流器などのような電流センサ手
段１８から供給される。ＤＡＣ１６は装置データ母線か
ら回路入力１０ｃに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】本発明によれば、電力スイッチング手段２
０は変成器手段２２の一次巻線２２ｐを通るスイッチン
グ電流Ｉｐ の流れを制御する。変成器手段２２は第１
および第２の二次巻線２２Ｓ１および２２Ｓ２を有し、
これらの二次巻線は複合勾配増幅器１２の正出力１２ａ
および負出力１２ｂの間に勾配コイル１１と直列に接続
されている。有利なことに、各二次巻線２２Ｓ１／２２
Ｓ２は変成器の一次巻線２２ｐの半分の巻数を有し、一
次巻線と各二次巻線の間の巻数比は２：１である。また
、本発明によれば、調整電流ＩＳＨＩＭは、供給手段２
４が二次巻線の隣接する内側端部間に接続されているか
のように、すなわち第１の二次巻線２２Ｓ１と増幅器の
正出力１２ａとの接続点からおよび増幅器の負出力１２
ｂ（電流センサ１８）に隣接した第２の二次巻線２２Ｓ
１の端部から手段１２によって実効的に供給される。こ
の構成は、データを介してＤＡＣ手段１６に供給され、
Ｉａ に導入された直流成分に応じていずれかの方向に
および必要な振幅をもって直流調整電流が変成器の二次
巻線および勾配コイル１１の両方に流れることを可能に
する。調整電流の極性および振幅はコイル１１に供給さ
れる勾配電流から完全に分離して制御することができる
。
０は変成器手段２２の一次巻線２２ｐを通るスイッチン
グ電流Ｉｐ の流れを制御する。変成器手段２２は第１
および第２の二次巻線２２Ｓ１および２２Ｓ２を有し、
これらの二次巻線は複合勾配増幅器１２の正出力１２ａ
および負出力１２ｂの間に勾配コイル１１と直列に接続
されている。有利なことに、各二次巻線２２Ｓ１／２２
Ｓ２は変成器の一次巻線２２ｐの半分の巻数を有し、一
次巻線と各二次巻線の間の巻数比は２：１である。また
、本発明によれば、調整電流ＩＳＨＩＭは、供給手段２
４が二次巻線の隣接する内側端部間に接続されているか
のように、すなわち第１の二次巻線２２Ｓ１と増幅器の
正出力１２ａとの接続点からおよび増幅器の負出力１２
ｂ（電流センサ１８）に隣接した第２の二次巻線２２Ｓ
１の端部から手段１２によって実効的に供給される。こ
の構成は、データを介してＤＡＣ手段１６に供給され、
Ｉａ に導入された直流成分に応じていずれかの方向に
および必要な振幅をもって直流調整電流が変成器の二次
巻線および勾配コイル１１の両方に流れることを可能に
する。調整電流の極性および振幅はコイル１１に供給さ
れる勾配電流から完全に分離して制御することができる
。
【００１０】手段２０は端子２４ａおよび２４ｂの間に
高電圧を供給する電源手段２４を利用している。この手
段２４は第１および第２の電源２５ａおよび２５ｂを有
し、これらの電源は電圧振幅Ｖ１ およびＶ２ を有す
るが、これらの電圧振幅は必ずしも必要ではないが、デ
ータ母線を介して可変としてもよいし、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
第２の回路電源端子１０ｅにおける電位の負極性に対し
て正極性であるように設定される。共通回路接続部２４
ｃが示されているが、図示のように設定される必要はな
い。必要により、コンデンサ等のような蓄積素子２６が
端子１０ｄと１０ｅの間に接続される。複数の電力スイ
ッチング手段２８−１ないし２８−４は一次巻線電流Ｉ
ｐ の流れ方向、従って勾配コイル１１を通る勾配電流
ＩＬの流れ方向を制御する。１つの現在の好適構成にお
いては、４つのスイッチ手段２８−１ないし２８−４（
この各々は半導体スイッチング素子Ｓ１−Ｓ４）であり
、転流用ダイオードＤ１−Ｄ４が並列に接続されている
）は全ブリッジ構成に利用されている。そして、第１の
電力スイッチング手段２８−１は、第１の制御信号Ｓ’
１によって制御されるが、正の電源端子１０ｄと第１の
巻線端子ｃとの間に接続されている。この第１の巻線端
子Ｃは第２の電力スイッチング手段２８−２を介して回
路の負端子１０ｅに制御可能に接続されている。また、
第２の電力スイッチング手段２８−２自身は第２の独立
した制御信号Ｓ’２によって制御されている。同様に、
上側および下側電力スイッチング手段２８−３および２
８−４は端子１０ｄ、第２の巻線端子Ｄおよび端子１０
ｅ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によって動作するようになっている。 信号Ｓ’１−Ｓ’４の全ては回路制御入力端子１０ｃか
らデータ母線を介して供給される。スイッチング手段２
８が典型的には電流を１方向に切断することができる半
導体スイッチを利用する場合には、逆保護ダイオードが
必要である。電流が端子１０ｄまたは１０ｅの一方から
端子ＣまたはＤの一方の各脚部を通って両方向に流れる
限り、任意の階段状波形の勾配コイル電流ＩＬ が供給
されるとともに、またコイルに供給される調整電流に加
えて勾配信号の傾斜部分および平坦頂上部の詳細な波形
を関連する電流フィードバック機能とともに調整するこ
とができる。更に、この回路は勾配電流補償機能を有し
、すなわち、典型的には１％台で勾配電流波形の形状を
変更する技術を有し、ＮＭＲ装置の低温保持装置に誘導
される渦電流を補償する。
高電圧を供給する電源手段２４を利用している。この手
段２４は第１および第２の電源２５ａおよび２５ｂを有
し、これらの電源は電圧振幅Ｖ１ およびＶ２ を有す
るが、これらの電圧振幅は必ずしも必要ではないが、デ
ータ母線を介して可変としてもよいし、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
第２の回路電源端子１０ｅにおける電位の負極性に対し
て正極性であるように設定される。共通回路接続部２４
ｃが示されているが、図示のように設定される必要はな
い。必要により、コンデンサ等のような蓄積素子２６が
端子１０ｄと１０ｅの間に接続される。複数の電力スイ
ッチング手段２８−１ないし２８−４は一次巻線電流Ｉ
ｐ の流れ方向、従って勾配コイル１１を通る勾配電流
ＩＬの流れ方向を制御する。１つの現在の好適構成にお
いては、４つのスイッチ手段２８−１ないし２８−４（
この各々は半導体スイッチング素子Ｓ１−Ｓ４）であり
、転流用ダイオードＤ１−Ｄ４が並列に接続されている
）は全ブリッジ構成に利用されている。そして、第１の
電力スイッチング手段２８−１は、第１の制御信号Ｓ’
１によって制御されるが、正の電源端子１０ｄと第１の
巻線端子ｃとの間に接続されている。この第１の巻線端
子Ｃは第２の電力スイッチング手段２８−２を介して回
路の負端子１０ｅに制御可能に接続されている。また、
第２の電力スイッチング手段２８−２自身は第２の独立
した制御信号Ｓ’２によって制御されている。同様に、
上側および下側電力スイッチング手段２８−３および２
８−４は端子１０ｄ、第２の巻線端子Ｄおよび端子１０
ｅ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によって動作するようになっている。 信号Ｓ’１−Ｓ’４の全ては回路制御入力端子１０ｃか
らデータ母線を介して供給される。スイッチング手段２
８が典型的には電流を１方向に切断することができる半
導体スイッチを利用する場合には、逆保護ダイオードが
必要である。電流が端子１０ｄまたは１０ｅの一方から
端子ＣまたはＤの一方の各脚部を通って両方向に流れる
限り、任意の階段状波形の勾配コイル電流ＩＬ が供給
されるとともに、またコイルに供給される調整電流に加
えて勾配信号の傾斜部分および平坦頂上部の詳細な波形
を関連する電流フィードバック機能とともに調整するこ
とができる。更に、この回路は勾配電流補償機能を有し
、すなわち、典型的には１％台で勾配電流波形の形状を
変更する技術を有し、ＮＭＲ装置の低温保持装置に誘導
される渦電流を補償する。
【００１１】次に、図１および図２を参照すると、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本高速化回路の動作を理解す
ることができる。まず最初に、スタート時点ｔ０ より
前の第１の電流部分３０ａは振幅がゼロである。電流Ｉ
Ｌ の傾斜部分３０ｂはゼロから増大し、時刻ｔ１ で
達成する正の値まで増大する。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
維持される。時刻ｔ２ において傾斜下降電流部分３０
ｄが発生し、この電流は時刻ｔ３ において振幅がゼロ
になる。その後、コイル電流は時刻ｔ３ から時刻ｔ４
まで負の極性の下降傾斜部分３０ｅにおいて低減し続
け、時刻ｔ４ において負極性の平坦頂上部３０ｆに達
成し、時刻ｔ５ まで維持される。その後、正方向の傾
斜で負極性の部分３０ｇが発生し、これは時刻ｔ６ で
終了し、この時刻において電流はゼロになる。傾斜部分
３０ｈのような別の波形傾斜部分および部分３０ｉのよ
うな平坦頂上部分が更に所望により続く。
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本高速化回路の動作を理解す
ることができる。まず最初に、スタート時点ｔ０ より
前の第１の電流部分３０ａは振幅がゼロである。電流Ｉ
Ｌ の傾斜部分３０ｂはゼロから増大し、時刻ｔ１ で
達成する正の値まで増大する。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
維持される。時刻ｔ２ において傾斜下降電流部分３０
ｄが発生し、この電流は時刻ｔ３ において振幅がゼロ
になる。その後、コイル電流は時刻ｔ３ から時刻ｔ４
まで負の極性の下降傾斜部分３０ｅにおいて低減し続
け、時刻ｔ４ において負極性の平坦頂上部３０ｆに達
成し、時刻ｔ５ まで維持される。その後、正方向の傾
斜で負極性の部分３０ｇが発生し、これは時刻ｔ６ で
終了し、この時刻において電流はゼロになる。傾斜部分
３０ｈのような別の波形傾斜部分および部分３０ｉのよ
うな平坦頂上部分が更に所望により続く。
【００１２】全てのスイッチング手段２８−１ないし２
８−４は時刻ｔ０ より前では開放している。時刻ｔ０
において、第１のスイッチング手段２８−１および第
４のスイッチング手段２８−４が信号Ｓ’１およびＳ’
４に応答して閉じると、傾斜部分３０ｂが開始し、電流
Ｉｐ は端子１０ｄから端子Ｃに、および端子Ｄから端
子１０ｅにそれぞれ流れる。コイル電流ＩＬ が式Ｖ＝
ＲＩＬ ＋Ｌ（ｄＩＬ ／ｄｔ）によって決定される速
度で上昇する。この式において、Ｒはコイルの抵抗であ
り、Ｖは端子１０ｄから端子１０ｅまでの高電圧であり
、Ｌはコイルのインダクタンスである。傾斜波形部分の
間、電圧降下ＲＩは勾配コイル１１の両端の誘導性降下
に比べて小さい。そして、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Ｓ１
の手段２８−１は開放状態に指令され、第４のスイッチ
Ｓ４の手段２８−４は閉じたままになっている。第４の
スイッチング手段２８−４は全平坦頂上部３０ｃの間閉
じたままにあり、時刻ｔ２ において開放する。平坦頂
上部３０ｃの間、変成器の一次巻線の電流Ｉｐ は、一
次巻線２２ｐから閉じたスイッチング手段２８−４、今
導通している第２の逆導通手段（例えば、ダイオードＤ
２）を通り端子Ｃに、そこから更に一次巻線２２ｐに戻
るように流れる。同時に、傾斜部分３０ｃに対するデー
タが端子１０ｃに供給され、ＤＡＣ手段１６で変換され
て電流Ｉａ を制御し、変成器の二次巻線２２Ｓ１およ
び２２Ｓ２の両端の電圧はほぼゼロになり、線形増幅器
１２はセンサ１８からのフィードバック電流によりおよ
び加算器１４の減算作用によりコイル抵抗Ｒの両端の電
圧降下を克服するに必要なコイル電流ＩＬ を維持する
に必要な電圧を自動的に発生する。
８−４は時刻ｔ０ より前では開放している。時刻ｔ０
において、第１のスイッチング手段２８−１および第
４のスイッチング手段２８−４が信号Ｓ’１およびＳ’
４に応答して閉じると、傾斜部分３０ｂが開始し、電流
Ｉｐ は端子１０ｄから端子Ｃに、および端子Ｄから端
子１０ｅにそれぞれ流れる。コイル電流ＩＬ が式Ｖ＝
ＲＩＬ ＋Ｌ（ｄＩＬ ／ｄｔ）によって決定される速
度で上昇する。この式において、Ｒはコイルの抵抗であ
り、Ｖは端子１０ｄから端子１０ｅまでの高電圧であり
、Ｌはコイルのインダクタンスである。傾斜波形部分の
間、電圧降下ＲＩは勾配コイル１１の両端の誘導性降下
に比べて小さい。そして、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Ｓ１
の手段２８−１は開放状態に指令され、第４のスイッチ
Ｓ４の手段２８−４は閉じたままになっている。第４の
スイッチング手段２８−４は全平坦頂上部３０ｃの間閉
じたままにあり、時刻ｔ２ において開放する。平坦頂
上部３０ｃの間、変成器の一次巻線の電流Ｉｐ は、一
次巻線２２ｐから閉じたスイッチング手段２８−４、今
導通している第２の逆導通手段（例えば、ダイオードＤ
２）を通り端子Ｃに、そこから更に一次巻線２２ｐに戻
るように流れる。同時に、傾斜部分３０ｃに対するデー
タが端子１０ｃに供給され、ＤＡＣ手段１６で変換され
て電流Ｉａ を制御し、変成器の二次巻線２２Ｓ１およ
び２２Ｓ２の両端の電圧はほぼゼロになり、線形増幅器
１２はセンサ１８からのフィードバック電流によりおよ
び加算器１４の減算作用によりコイル抵抗Ｒの両端の電
圧降下を克服するに必要なコイル電流ＩＬ を維持する
に必要な電圧を自動的に発生する。
【００１３】平坦頂上部３０ｃの終わりにおいて、スイ
ッチ手段２８−４は制御信号Ｓ’４を取り除かれること
によって開放状態に指令される。変成器の一次巻線から
のフリーホイール（ｆｒｅｅ−ｗｈｅｅｌｉｎｇ） 電
流は変成器のコアの誘導的に蓄積されたエネルギにより
流れ続ける。このフリーホイール電流によって変成器の
一次巻線２２ｐの両端の電圧は端子１０ｄおよび１０ｅ
の間の高電圧電源値に達するまで迅速に上昇する。この
Ｖ１ ＋Ｖ２ の電圧に達成すると、逆導通手段Ｄ２
およびＤ３ は導通し、電流が負極性端子１０ｅからダ
イオードＤ２を通り端子Ｃに流れ、そこから一次巻線２
２ｐを通って端子Ｄに流れ、更にそこからダイオードＤ
３を通って端子１０ｄに流れる。この時点において、高
電圧の半分例えば約−１７５０ボルトが変成器の各二次
巻線２２Ｓ１およびＳ２の両端に現れ、コイル電流ＩＬ
が部分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。スイッチＳ４が開放した後であっ
て、部分３０ｄにおける下降傾斜電流がゼロの大きさに
達成する前のある時点ｔａ において、第２のスイッチ
Ｓ２の手段２８−２および第３のスイッチＳ３の手段２
８−３がそれぞれ信号Ｓ’２およびＳ’３によって閉じ
るように指令される。コイル電流がゼロに達する前に第
２および第３のスイッチング手段が閉じるので、コイル
電流は負の方向にゼロを通って低減し続け、部分３０ｅ
に入る。時刻ｔ４ において所望の負の最大電流に達す
ると、第３のスイッチ手段２８−３が開放し、線形増幅
器１２は平坦頂上部３０ｆの間電流Ｉａ によって指令
された値のほぼ一定な値に電流を保持する（Ｉａ から
フィードバック電流Ｉｆ を減算して、制御電流Ｉｃ
を得ることによって）。スイッチング手段２８−２は平
坦頂上部３０ｆの終わりまで閉じ続け、電流が部分３０
ｇにおいてゼロに向かって上昇開始する時点ｔ５ にお
いて開放する。
ッチ手段２８−４は制御信号Ｓ’４を取り除かれること
によって開放状態に指令される。変成器の一次巻線から
のフリーホイール（ｆｒｅｅ−ｗｈｅｅｌｉｎｇ） 電
流は変成器のコアの誘導的に蓄積されたエネルギにより
流れ続ける。このフリーホイール電流によって変成器の
一次巻線２２ｐの両端の電圧は端子１０ｄおよび１０ｅ
の間の高電圧電源値に達するまで迅速に上昇する。この
Ｖ１ ＋Ｖ２ の電圧に達成すると、逆導通手段Ｄ２
およびＤ３ は導通し、電流が負極性端子１０ｅからダ
イオードＤ２を通り端子Ｃに流れ、そこから一次巻線２
２ｐを通って端子Ｄに流れ、更にそこからダイオードＤ
３を通って端子１０ｄに流れる。この時点において、高
電圧の半分例えば約−１７５０ボルトが変成器の各二次
巻線２２Ｓ１およびＳ２の両端に現れ、コイル電流ＩＬ
が部分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。スイッチＳ４が開放した後であっ
て、部分３０ｄにおける下降傾斜電流がゼロの大きさに
達成する前のある時点ｔａ において、第２のスイッチ
Ｓ２の手段２８−２および第３のスイッチＳ３の手段２
８−３がそれぞれ信号Ｓ’２およびＳ’３によって閉じ
るように指令される。コイル電流がゼロに達する前に第
２および第３のスイッチング手段が閉じるので、コイル
電流は負の方向にゼロを通って低減し続け、部分３０ｅ
に入る。時刻ｔ４ において所望の負の最大電流に達す
ると、第３のスイッチ手段２８−３が開放し、線形増幅
器１２は平坦頂上部３０ｆの間電流Ｉａ によって指令
された値のほぼ一定な値に電流を保持する（Ｉａ から
フィードバック電流Ｉｆ を減算して、制御電流Ｉｃ
を得ることによって）。スイッチング手段２８−２は平
坦頂上部３０ｆの終わりまで閉じ続け、電流が部分３０
ｇにおいてゼロに向かって上昇開始する時点ｔ５ にお
いて開放する。
【００１４】全波形の間、線形増幅器の出力は勾配コイ
ルおよび変成器の二次巻線に直列に接続されていること
がわかる。高電圧の小さなエラーは線形増幅器のフィー
ドバック回路によって自動的に補償される。そして、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、全波形はセンサ１８からのフィードバ
ック電流によって正確に制御される。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。渦電流補償などに対するよ
うな他の波形調整もまた自動的に行われることがわかる
であろう。
ルおよび変成器の二次巻線に直列に接続されていること
がわかる。高電圧の小さなエラーは線形増幅器のフィー
ドバック回路によって自動的に補償される。そして、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、全波形はセンサ１８からのフィードバ
ック電流によって正確に制御される。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。渦電流補償などに対するよ
うな他の波形調整もまた自動的に行われることがわかる
であろう。
【００１５】また、この変成器に基づく高速化回路は必
要な場合にスイッチすることが必要なだけであることは
理解されるであろう。多くのパルスシーケンス部分は非
常に速い勾配スイッチングを必要としないし、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。従って、線形増幅器は高速化部分（電源２４お
よびスイッチング手段２０）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は更に容易に制
御することができる。高速化回路２０／２４の部分が携
わっている場合には、ＧＴＯなどのような高電力半導体
スイッチング素子は最小のオン時間およびオフ時間要求
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
しくは、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およびＳ’３）
を指令し、スイッチング手段２８−１および２８−３を
閉じることによって変成器の一次巻線２２ｐは短絡され
るべきである。変成器の一次巻線が短絡されている場合
には、線形増幅器１２から見たリアクタンスは比較的小
さい。短絡用に必要な機械的スイッチがないので、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され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。
要な場合にスイッチすることが必要なだけであることは
理解されるであろう。多くのパルスシーケンス部分は非
常に速い勾配スイッチングを必要としないし、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。従って、線形増幅器は高速化部分（電源２４お
よびスイッチング手段２０）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は更に容易に制
御することができる。高速化回路２０／２４の部分が携
わっている場合には、ＧＴＯなどのような高電力半導体
スイッチング素子は最小のオン時間およびオフ時間要求
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
しくは、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およびＳ’３）
を指令し、スイッチング手段２８−１および２８−３を
閉じることによって変成器の一次巻線２２ｐは短絡され
るべきである。変成器の一次巻線が短絡されている場合
には、線形増幅器１２から見たリアクタンスは比較的小
さい。短絡用に必要な機械的スイッチがないので、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され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】図１の回路は勾配コイル電圧の平衡を維持
するように作用する２つの二次巻線２２Ｓ１および２２
Ｓ２を有する単一の変成器を利用しているが、変成器手
段２２は端子ＣおよびＤの間に直列に接続された一次巻
線を有する一対の変成器に分割されても同じであること
は理解されるであろう。しかしながら、単一の一次巻線
２２ｐを有する単一の変成器を使用することは、二次巻
線２２Ｓ１／２２Ｓ２が強制的に電圧を共有するので好
ましいことである。
するように作用する２つの二次巻線２２Ｓ１および２２
Ｓ２を有する単一の変成器を利用しているが、変成器手
段２２は端子ＣおよびＤの間に直列に接続された一次巻
線を有する一対の変成器に分割されても同じであること
は理解されるであろう。しかしながら、単一の一次巻線
２２ｐを有する単一の変成器を使用することは、二次巻
線２２Ｓ１／２２Ｓ２が強制的に電圧を共有するので好
ましいことである。
【００１７】この新規な発明の１つの好適実施例につい
てここに詳細に説明したが、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、本発明は特許請求の範囲によって制限され
るものであり、ここに説明した細部の内容および方法に
よって本発明は制限されるものではない。
てここに詳細に説明したが、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、本発明は特許請求の範囲によって制限され
るものであり、ここに説明した細部の内容および方法に
よって本発明は制限されるものではない。
【図１】本発明の新規な回路の現在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。
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。
【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
１２ 勾配電力増幅器
１４ 加算手段
１６ ディジタル−アナログコンバータ手段１８
電流センサ手段 ２０ 電力スイッチング手段 ２２ 変成器手段 ２２ｐ 一次巻線
電流センサ手段 ２０ 電力スイッチング手段 ２２ 変成器手段 ２２ｐ 一次巻線
Claims (15)
- 【請求項１】 勾配コイルを有する高速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、前記増幅手段の出力回路を前記勾配コイルに
接続する少なくとも第１および第２の二次巻線を有する
とともに、前記少なくとも第１および第２の二次巻線に
結合された少なくとも１つの一次巻線を有する変成器手
段と、前記一次巻線を通る電流の流れを発生し、一連の
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、前記コイル電流が指令信号によって指令さ
れた振幅より遅れるとき、前記増幅手段の出力回路の電
流を変化させる振幅を有する入力信号を前記増幅手段に
供給する手段と、を有する勾配高速化回路。 - 【請求項２】 前記変成器手段は一対の分離した二次
巻線に結合された単一の一次巻線を有する単一の変成器
である請求項１記載の回路。 - 【請求項３】 前記一次巻線は前記一対の分離した二
次巻線の各々に対して約２：１の巻数比を有する請求項
２記載の回路。 - 【請求項４】 前記入力信号供給手段は、指令信号を
供給する手段と、前記コイルに流れる電流に比例したフ
ィードバック信号を供給する手段と、前記指令信号とフ
ィードバック信号との差を前記入力信号として供給する
手段とを有する請求項１記載の回路。 - 【請求項５】 前記指令信号は指令電流Ｉａ であり
、前記フィードバック信号は電流Ｉｆ である請求項４
記載の回路。 - 【請求項６】 前記フィードバック信号供給手段は、
前記増幅手段の出力回路と隣接する二次巻線との間に設
けられた電流センサである請求項５記載の回路。 - 【請求項７】 前記指令信号はディジタル−アナログ
コンバータ手段の出力から供給される請求項４記載の回
路。 - 【請求項８】 前記フィードバック信号供給手段は、
前記増幅手段の出力回路と隣接する二次巻線との間に設
けられた電流センサである請求項４記載の回路。 - 【請求項９】 前記差供給手段は、前記指令信号の振
幅から前記フィードバック信号の振幅を差し引く演算手
段である請求項４記載の回路。 - 【請求項１０】 調整電流を前記勾配コイルに流す手
段を更に有する請求項１記載の回路。 - 【請求項１１】 前記調整電流を流す手段は、直流調
整電流を流すようになっている請求項１０記載の回路。 - 【請求項１２】 前記調整電流を流す手段は、前記第
１および第２の二次巻線間に接続されている請求項１０
記載の回路。 - 【請求項１３】 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する請
求項１記載の回路。 - 【請求項１４】 前記スイッチング素子は全ブリッジ
構成に接続されている請求項１３記載の回路。 - 【請求項１５】 前記スイッチング素子の各々は逆導
通要素が並列に接続されている請求項１３記載の回路。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US533,233 | 1990-06-04 | ||
| US07/533,233 US5063349A (en) | 1990-06-04 | 1990-06-04 | Transformer-coupled gradient speed-up circuit |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04231027A true JPH04231027A (ja) | 1992-08-19 |
| JPH0618565B2 JPH0618565B2 (ja) | 1994-03-16 |
Family
ID=24125074
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3152255A Expired - Lifetime JPH0618565B2 (ja) | 1990-06-04 | 1991-05-29 | 変成器結合勾配高速化回路 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5063349A (ja) |
| EP (1) | EP0460895A3 (ja) |
| JP (1) | JPH0618565B2 (ja) |
| IL (1) | IL98221A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011172919A (ja) * | 2010-01-29 | 2011-09-08 | Toshiba Medical Systems Corp | 傾斜磁場電源及び磁気共鳴映像装置 |
| JP2015512737A (ja) * | 2012-04-16 | 2015-04-30 | コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ | アドオン方式のエネルギーバッファを備えるｍｒｉ勾配電力システム |
| JP2016019922A (ja) * | 2010-01-29 | 2016-02-04 | 東芝メディカルシステムズ株式会社 | 傾斜磁場電源及び磁気共鳴映像装置 |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1991019992A1 (en) * | 1990-06-13 | 1991-12-26 | Advanced Nmr Systems, Inc. | Circuitry for driving field-generating coil of magnetic resonance imaging system |
| DE4032707A1 (de) * | 1990-10-15 | 1992-04-16 | Siemens Ag | Entstoerfilter fuer eine gradientenspule in einem kernspinresonanz-bildgeraet |
| DE4127529C2 (de) * | 1991-08-20 | 1995-06-08 | Siemens Ag | Verfahren zum Betrieb eines Kernspintomographiegeräts mit einem Resonanzkreis zur Erzeugung von Gradientenfeldern |
| JPH05269102A (ja) * | 1991-11-28 | 1993-10-19 | Toshiba Corp | 傾斜磁場アンプ装置 |
| FI98411C (fi) * | 1993-08-20 | 1997-06-10 | Picker Nordstar Oy | Parannettu virtalähde |
| US5451878A (en) * | 1994-07-15 | 1995-09-19 | General Electric Company | Non-resonant gradient field accelerator |
| EP0721593B1 (en) * | 1994-07-29 | 2002-04-17 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Magnetic resonance apparatus comprising an improved gradient system |
| 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 |
| US5663648A (en) * | 1995-03-17 | 1997-09-02 | British Technology Group Usa, Inc. | Gradient coils having increased performance and decreased power consumption for use in MR systems |
| DE19734045C2 (de) * | 1997-08-06 | 1999-06-17 | Siemens Ag | Leistungsverstärker und Kernspintomograph |
| DE19842033C2 (de) * | 1998-09-14 | 2000-08-10 | Siemens Ag | Gradientenverstärker eines Kernspintomographen und Verfahren zum Regeln eines Gradientenverstärkers |
| US6552448B1 (en) | 1999-09-08 | 2003-04-22 | Harman International Industries, Incorporated | Energy management system for series connected amplifiers |
| US6504426B2 (en) * | 2001-03-28 | 2003-01-07 | Guy Picha | Methods and systems for power amplifying of signals |
| US6920312B1 (en) | 2001-05-31 | 2005-07-19 | Lam Research Corporation | RF generating system with fast loop control |
| FR2884985B1 (fr) * | 2005-04-20 | 2007-09-21 | Ciprian Sarl | Amplificateur de signaux electriques pour applications ultrasonores |
| US20150309130A1 (en) * | 2014-03-27 | 2015-10-29 | Constantin Job | Magnetic Resonance (MR) Field Cycling Instrument and Methods Associated Therewith |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4437053A (en) * | 1982-05-10 | 1984-03-13 | Diasonics (Nmr) Inc. | Gradient power supply |
| GB8530930D0 (en) * | 1985-12-16 | 1986-01-29 | Mansfield P | Inductive circuit arrangements |
| EP0250718A1 (de) * | 1986-06-30 | 1988-01-07 | Siemens Aktiengesellschaft | Stromversorgung für einen induktiven Verbraucher, insbesondere eine Gradientenspule, mit Steuer- und Regeleinrichtung |
| US4961054A (en) * | 1989-07-06 | 1990-10-02 | General Electric Company | Gradient current speed-up circuit for high-speed NMR imaging system |
| 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 US07/533,233 patent/US5063349A/en not_active Expired - Fee Related
-
1991
- 1991-05-22 IL IL98221A patent/IL98221A/xx not_active IP Right Cessation
- 1991-05-29 JP JP3152255A patent/JPH0618565B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1991-06-03 EP EP19910305001 patent/EP0460895A3/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011172919A (ja) * | 2010-01-29 | 2011-09-08 | Toshiba Medical Systems Corp | 傾斜磁場電源及び磁気共鳴映像装置 |
| JP2016019922A (ja) * | 2010-01-29 | 2016-02-04 | 東芝メディカルシステムズ株式会社 | 傾斜磁場電源及び磁気共鳴映像装置 |
| JP2015512737A (ja) * | 2012-04-16 | 2015-04-30 | コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ | アドオン方式のエネルギーバッファを備えるｍｒｉ勾配電力システム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| IL98221A0 (en) | 1992-06-21 |
| EP0460895A3 (en) | 1992-07-01 |
| US5063349A (en) | 1991-11-05 |
| IL98221A (en) | 1993-05-13 |
| JPH0618565B2 (ja) | 1994-03-16 |
| EP0460895A2 (en) | 1991-12-11 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19941122 |