(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のブリッジ増幅器を備えた電力段であって、前記複数のブリッジ増幅器の各々が第１の切替え周波数で動作する電力段と、
前記電力段の出力端子に結合されると共に前記電力段により供給されるコイル電流信号に比例した磁場を発生するように構成された傾斜コイルと、
前記電力段の入力端子に結合された制御器段であって、
前記コイル電流信号及び基準電流信号に基づいてパルス幅変調ゲート信号を生成するステップであって、
前記基準電流信号に関連付けされたスルーレートが、決定されたしきい値レート未満であること、及び
前記基準電流信号に関連付けされた振幅レベルが、決定されたレベルを超えていること、
が発生したときに前記パルス幅変調ゲート信号が第２の切替え周波数で生成されるように、前記パルス幅変調ゲート信号を生成するステップと、
前記複数のブリッジ増幅器の各々の動作周波数を前記第１の切替え周波数から前記第２の切替え周波数に変更するために、該発生させたパルス幅変調ゲート信号を前記電力段に加えるステップと、
を行うように構成された制御器段と、
を備える傾斜増幅器システム。
【請求項２】
前記制御器段は、前記基準電流信号に関連付けされたスルーレートが前記決定されたしきい値レートを超えているときに前記パルス幅変調ゲート信号を前記第１の切替え周波数で生成するように構成されている、請求項１に記載の傾斜増幅器システム。
【請求項３】
前記制御器段は、
前記基準電流信号に関連付けされたスルーレートが前記決定されたしきい値レート未満であり、かつ
前記基準電流信号に関連付けされた振幅レベルが前記決定されたレベル未満である
ときに、前記パルス幅変調ゲート信号を前記第１の切替え周波数で生成するように構成されている、請求項１に記載の傾斜増幅器システム。
【請求項４】
前記第２の切替え周波数は前記第１の切替え周波数より低い、請求項１に記載の傾斜増幅器システム。
【請求項５】
前記電力段内の複数のブリッジ増幅器は、互いに直列に結合させた少なくとも第１のブリッジ増幅器、第２のブリッジ増幅器及び第３のブリッジ増幅器を含む、請求項１に記載の傾斜増幅器システム。
【請求項６】
前記電力段内のブリッジ増幅器の各々は、前記電力段の出力端子に電圧信号を生成するための直流電圧源に動作可能に結合されている、請求項５に記載の傾斜増幅器システム。
【請求項７】
前記電力段は、前記傾斜コイルに前記電圧信号を供給する前に、前記複数のブリッジ増幅器の各々に加えられる前記パルス幅変調ゲート信号に基づいて、前記複数のブリッジ増幅器の各々からの直流電圧信号を変調することにより、前記電圧信号を生成するように構成されている、請求項６に記載の傾斜増幅器システム。
【請求項８】
前記電圧信号は、第１の切替え周波数と第２の切替え周波数のうちの一方の切替え周波数を、前記電力段のブリッジ増幅器の数の少なくとも２倍の値で逓倍された周波数で変調されている、請求項７に記載の傾斜増幅器システム。
【請求項９】
前記傾斜コイルに結合された電流センサを更に有し、
前記電流センサは、
前記傾斜コイルの位置において前記コイル電流信号を検知するステップと、
検知したコイル電流信号を前記制御器段に伝送するステップと、
を行うように構成されている、請求項１に記載の傾斜増幅器システム。
【請求項１０】
前記制御器段は、
前記コイル電流信号及び前記基準電流信号に基づいて電圧コマンド信号を生成するように構成されたコマンド発生器と、
前記基準電流信号に関連付けされた前記スルーレート及び前記振幅レベルを決定するように構成された解析器と、
前記コマンド発生器及び前記解析器に結合されると共に、前記基準電流信号に関連付けされた前記スルーレート及び前記振幅レベルに基づいて前記電圧コマンド信号を変調することにより前記パルス幅変調ゲート信号を生成するように構成されたパルス幅変調器と、
を備えている、請求項１に記載の傾斜増幅器システム。
【請求項１１】
傾斜増幅器システムを制御するための方法であって、
第１の切替え周波数で動作する複数のブリッジ増幅器を備えた電力段の出力端子からコイル電流信号を受け取るステップと、
傾斜コイルによる磁場を制御するための基準電流信号を受け取るステップと、
前記コイル電流信号及び前記基準電流信号に基づいてパルス幅変調ゲート信号を生成するステップであって、
前記基準電流信号に関連付けされたスルーレートが、決定されたしきい値レート未満であり、かつ
前記基準電流信号に関連付けされた振幅レベルが、決定されたレベルを超えている、
ときに前記パルス幅変調ゲート信号が第２の切替え周波数で生成されるように、前記パルス幅変調ゲート信号を生成するステップと、
前記複数のブリッジ増幅器の各々の動作周波数を前記第１の切替え周波数から前記第２の切替え周波数に変更するために前記電力段に前記パルス幅変調ゲート信号を加えるステップと、
を含む方法。
【請求項１２】
前記コイル電流信号を受け取るステップは、前記電力段の出力端子に前記傾斜コイルを接続させるノードにおいて前記コイル電流信号を検知するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記基準電流信号に関連付けされたスルーレートが、前記決定されたしきい値レート未満であり、かつ
前記基準電流信号に関連付けされた振幅レベルが、前記決定されたレベル未満である、
ときに前記パルス幅変調ゲート信号を前記第１の切替え周波数で生成するステップをさらに含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記基準電流信号に関連付けされたスルーレートが前記決定されたしきい値レートを超えているときに、前記パルス幅変調ゲート信号を前記第１の切替え周波数で生成するステップをさらに含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記パルス幅変調ゲート信号を生成するステップは、
前記コイル電流信号を前記基準電流信号と比較することによって、前記コイル電流信号の前記基準電流信号からの偏差を示す誤差電流信号を特定するステップと、
前記誤差電流信号に対応する比例積分電圧を発生させるステップと、
少なくとも、前記傾斜コイルの誘導性電圧及び抵抗性電圧を決定するステップと、
少なくとも、前記傾斜コイルの前記誘導性電圧、前記抵抗性電圧、および前記比例積分電圧に基づいて、前記パルス幅変調ゲート信号を生成するステップと、
を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記パルス幅変調ゲート信号を生成するステップは、
電圧コマンド信号を生成するように、少なくとも、前記比例積分電圧、前記誘導性電圧、及び前記抵抗性電圧を足し合わせるステップと、
前記電力段中のブリッジ増幅器の数に基づいて前記電圧コマンド信号を分割するステップと、
前記パルス幅変調ゲート信号を生成するようにパルス幅変調スキームに基づいて前記分割された電圧コマンド信号を変調するステップと、
を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記基準電流信号に関連付けされたスルーレートが前記決定されたしきい値レートを超えているとき、
前記基準電流信号に関連付けされたスルーレートが前記決定されたしきい値レート未満であり、且つ前記基準電流信号に関連付けされた前記振幅レベルが前記決定されたレベル未満であるとき、
の少なくとも１つの場合に前記複数のブリッジ増幅器の各々を前記第１の切替え周波数で動作させるステップをさらに含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記基準電流信号に関連付けされたスルーレートが前記決定されたしきい値レート未満であり、かつ
前記基準電流信号に関連付けされた振幅レベルが前記決定されたレベルを超えている、
ときに前記複数のブリッジ増幅器の各々を前記第２の切替え周波数で動作させるステップをさらに含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
傾斜増幅器システムを制御するための制御器段であって、
コイル電流信号及び基準電流信号に基づいて電圧コマンド信号を生成するように構成されたコマンド発生器と、
前記基準電流信号に関連付けされたスルーレート及び振幅レベルを決定するように構成された解析器と、
前記コマンド発生器及び解析器に結合されると共に前記基準電流信号に関連付けされたスルーレート及び振幅レベルに基づいて前記電圧コマンド信号を変調するように構成されたパルス幅変調器と、
を備える制御器段。
【請求項２０】
前記基準電流信号に関連付けされたスルーレートが、決定されたしきい値レート未満であり、且つ前記基準電流信号に関連付けされた振幅レベルが、決定されたレベル未満であるときに、パルス幅変調ゲート信号を第１の切替え周波数で生成するように前記電圧コマンド信号を変調する、請求項１９に記載の制御器段。
【請求項２１】
前記基準電流信号に関連付けされたスルーレートがしきい値レートを超えるときに、パルス幅変調ゲート信号を第１の切替え周波数で生成するように前記電圧コマンド信号を変調する、請求項１９に記載の制御器段。
【請求項２２】
前記基準電流信号に関連付けされたスルーレートが前記決定されたしきい値レート未満でありかつ前記基準電流信号に関連付けされた前記振幅レベルが決定されたレベルを超えているときに、前記パルス幅変調ゲート信号を第２の切替え周波数で生成するように前記電圧コマンド信号を変調する、請求項２１に記載の制御器段。
【請求項２３】
前記コマンド発生器は、
差分ユニットであって、
前記コイル電流信号及び前記基準電流信号を受け取ること、
前記コイル電流信号を前記基準電流信号と比較することによって誤差電流信号を生成すること、を行うように構成された差分ユニットと、
前記差分ユニットに結合されると共に前記誤差電流信号に対応する比例積分電圧を発生させるように構成された比例積分制御ユニットと、
前記基準電流信号に基づいて、少なくとも、傾斜コイルの誘導性電圧及び抵抗性電圧を決定するように構成されたコイルモデルユニットと、
少なくとも、前記比例積分電圧、前記誘導性電圧、及び前記抵抗性電圧を合成することによって前記電圧コマンド信号を生成するように構成された加算ユニットと、
を更に備えている、請求項１９に記載の制御器段。
【請求項２４】
前記加算ユニットは、前記傾斜増幅器システム内のブリッジ増幅器の数に基づいて前記電圧コマンド信号を分割するように構成された除算ユニットを更に備える、請求項２３に記載の制御器段。
【請求項２５】
画像データを収集するように構成されたスキャナ制御回路と、前記スキャナ制御回路と動作可能に関連付けされると共に収集画像データを処理するように構成されたシステム制御回路とを備える磁気共鳴撮像のためのシステムであって、
前記スキャナ制御回路は、
画像データの位置特定のための磁場を発生するように構成された傾斜コイルと、
前記傾斜コイルに結合されると共に前記傾斜コイルにコイル電流信号を供給するように構成された傾斜増幅器システムとを有し、
前記傾斜増幅器システムは、
複数のブリッジ増幅器を有する電力段であって、前記複数のブリッジ増幅器の各々が第１の切替え周波数で動作するように構成された電力段と、
前記電力段の入力端子に結合された制御器段とを有し、
前記制御器段は、
前記コイル電流信号及び基準電流信号に基づいてパルス幅変調ゲート信号を生成するステップであって、
前記基準電流信号に関連付けされたスルーレートが、決定されたしきい値レート未満であるとき、
前記基準電流信号に関連付けされた振幅レベルが、決定されたレベルを超えているとき、
に前記パルス幅変調ゲート信号が第２の切替え周波数で生成されるように、前記パルス幅変調ゲート信号を生成するステップと、
前記複数のブリッジ増幅器の各々の動作周波数を前記第１の切替え周波数から前記第２の切替え周波数に変更するために発生させたパルス幅変調ゲート信号を前記電力段に加えるステップとを行う、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的には磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムに関し、またより具体的にはＭＲＩシステムでの使用に適応させた傾斜増幅器システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ここ数十年において、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）スキャナの使用が非常に進んだ。ＭＲＩスキャンは、多発性硬化症、脳腫瘍、靱帯断裂、腱鞘炎、がん、卒中、その他の診断を支援するために益々使用されるようになっている。ＭＲＩは様々な医学的状態に関する診断及び処置において医師を支援する非侵襲的な医学検査であることは了解されよう。ＭＲＩスキャンが身体の異なる軟部組織間に提供するコントラストが高いために医師は、Ｘ線、超音波、コンピュータ断層（ＣＴ）などの別の撮像方法では適当に評価し得ないような様々な身体部位の評価を向上させかつある種の疾患の有無を判定することが可能となる。
【０００３】
従来のＭＲＩシステムは典型的には、概してＭＲＩ手技を受けている対象の中心軸に沿った均一な磁場を確立させている。この均一磁場は、身体組織を形成する原子や分子内の核スピンを整列させることによって撮像対象の磁気回転物質に影響を与える。例えば医学的用途では、この核スピンを磁場の方向と整列させている。この核スピンの向きが乱されて磁場との整列から外れると、これらの原子核はそのスピンを磁場と再整列させようとする。核スピンの向きの乱れは典型的には、関心対象物質のラーモア周波数に同調させた無線周波数（ＲＦ）パルスの印加によって引き起こされる。再整列過程の間に、原子核はその軸の周りで歳差運動して電磁気信号を放出し、これを対象上または対象の周りに配置させた１つまたは複数のＲＦ検出器コイルによって検出することができる。
【０００４】
歳差運動する所与の原子核によって放出される磁気共鳴（ＭＲ）信号の周波数は、その原子核の位置における磁場の強度に依存する。主磁場の上に傾斜磁場を付与するように傾斜コイルによって生じさせるエンコード（典型的には、位相及び周波数エンコード）を用いることによって、対象内部の様々な位置から発せられる信号を識別することが可能である。典型的なＭＲＩシステムは、Ｘ、Ｙ及びＺ軸に沿ってそれぞれの磁場を提供するために３つの傾斜コイルを含む。傾斜コイルの制御によって、対象内部の位置のエンコードのための軸の向き調整、並びに撮像のための所望の「スライス」の選択が可能となる。
【０００５】
さらにこれらの傾斜コイルは典型的には、画像スライスの位置特定を可能にすると共に、位相エンコード及び周波数エンコードを提供するために主磁場の上に重ね合わせられる追加的な磁場を発生させる。このエンコードによって画像再構成の際に共鳴信号の起点の特定が可能となる。画質及び分解能は与える磁場を如何に制御できるかに大きく依存する。より速い撮像速度を達成するには、その傾斜磁場は数ｋＨｚの周波数で変更されるのが普通である。傾斜コイルの制御は一般に、パルスシーケンス記述と呼ぶ事前に確定されたプロトコルまたはシーケンスに従って実行されており、これによって医学の分野では多くの種類の組織を撮像しかつ別の組織から識別することが可能となり、あるいは別の応用分野では関心対象の様々な特徴の撮像が可能となる。
【０００６】
傾斜コイルは典型的には、約５００アンペアの電流並びに約１０００ボルト〜約２０００ボルトのレンジの電圧で動作する。したがって、傾斜コイルに所望の電流及び電圧レベルを供給するように構成された傾斜増幅器を設けることが望ましい。ある種の実施形態ではその傾斜増幅器は電力増幅器である。
【０００７】
傾斜増幅器の初期の実現形態では、高い忠実度を提供する線形増幅器（ｌｉｎｅａｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いていた。しかし現在の電力レベル要件では、より大きな電圧及び電流が必要なためこれらの増幅器を使用することは実用的でなくなる。現今の技法は、線形増幅器を切り替え式出力段と組み合わせた混成システムを使用している。こうしたシステムは、並列としたブリッジ、あるいはシステム要件を満たすように積み重ねたブリッジを使用しており、典型的には半導体電力デバイスが利用される。しかし従来の傾斜増幅器システムでは、ブリッジの各々が異なる直流（ＤＣ）リンク電圧及び異なる電圧コマンドを有しているが、困ったことにこのためブリッジの各々の切替え周波数が異なる結果となる。ブリッジの各々が異なるＤＣリンク電圧では異なる切替え周波数で動作するため、傾斜増幅器システムにおいてかなりの電力損失が生じる。さらに傾斜コイルに低い電圧をかけることを望む場合に、この電力損失は増加する。さらにこの電力損失はブリッジ間で不均等に配分されかつ各ブリッジに対する負荷も異なるため、傾斜増幅器に対して強い熱応力を生じさせる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７７７８３２４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、電力損失を低減するような傾斜増幅器システムの設計を開発することが望ましい。具体的には、回路トポロジー及び制御機構を通じて電力損失及びコストを低減させて大電力を提供しかつ高忠実度を発揮するような傾斜増幅器システムの制御器段及び電力段のアーキテクチャ設計を開発することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
簡単に述べると本技法の一態様では、傾斜増幅器システムを提示する。本傾斜増幅器システムは、その各々が第１の切替え周波数で動作する複数のブリッジ増幅器を含んだ電力段を含む。本傾斜増幅器システムはさらに、電力段の出力端子に結合されかつ電力段により供給されるコイル電流信号に比例した磁場を発生するように構成された傾斜コイルを含む。さらに本傾斜増幅器システムは、電力段の入力端子に結合されかつコイル電流信号及び基準電流信号に基づいてパルス幅変調ゲート信号を生成するように構成された制御器段を含んでおり、このパルス幅変調ゲート信号は、基準電流信号に関連付けされたスルーレートが決定されたしきい値レート未満であること並びに基準電流信号に関連付けされた振幅レベルが決定されたレベルを超えることの発生時に第２の切替え周波数で生成されている。さらに制御器段は、複数のブリッジ増幅器の各々の動作周波数を第１の切替え周波数から第２の切替え周波数に変更するために、発生させたパルス幅変調ゲート信号を電力段に加えるように構成されている。
【００１１】
本技法の別の態様では、傾斜増幅器システムを制御するための方法を提示する。本方法は、第１の切替え周波数で動作する複数のブリッジ増幅器を含む電力段の出力端子からコイル電流信号を受け取るステップを含む。さらに本方法は、傾斜コイルに跨る磁場を制御するための基準電流信号を受け取るステップを含む。本方法はさらに、コイル電流信号及び基準電流信号に基づいてパルス幅変調ゲート信号を生成するステップであって、基準電流信号に関連付けされたスルーレートが決定されたしきい値レート未満でありかつ基準電流信号に関連付けされた振幅レベルが決定されたレベルを超えているときに該パルス幅変調ゲート信号は第２の切替え周波数で生成されているゲート信号生成ステップを含む。本方法はさらに、複数のブリッジ増幅器の各々の動作周波数を第１の切替え周波数から第２の切替え周波数に変更するために電力段にパルス幅変調ゲート信号を加えるステップを含む。
【００１２】
本技法のまた別の態様では、傾斜増幅器システムを制御するための制御器段を提示する。本制御器段は、コイル電流信号及び基準電流信号に基づいて電圧コマンド信号を生成するように構成されたコマンド発生器を含む。さらに本制御器段は、基準電流信号に関連付けされたスルーレート及び振幅レベルを決定するように構成された解析器を含む。本制御器段はさらに、コマンド発生器及び解析器に結合されると共に基準電流信号に関連付けされたスルーレート及び振幅レベルに基づいて電圧コマンド信号を変調するように構成されたパルス幅変調器を含む。
【００１３】
本技法のさらに別の態様では、磁気共鳴撮像のためのシステムを提示する。本システムは、画像データを収集するように構成されたスキャナ制御回路を含む。このスキャナ制御回路はさらに、その撮像データの位置特定のための磁場を発生するように構成された傾斜コイルを含む。このスキャナ制御回路はさらに、傾斜コイルに結合されると共に該傾斜コイルにコイル電流信号を供給するように構成された傾斜増幅器システムを含む。さらにこの傾斜増幅器システムは、その各々が第１の切替え周波数で動作する複数のブリッジ増幅器を備えた電力段を含む。この傾斜増幅器はさらに、電力段の入力端子に結合されかつコイル電流信号及び基準電流信号に基づいてパルス幅変調ゲート信号を生成するように構成された制御器段を含んでおり、基準電流信号に関連付けされたスルーレートが決定されたしきい値レート未満でありかつ基準電流信号に関連付けされた振幅レベルが決定されたレベルを超えているときにそのパルス幅変調ゲート信号は第２の切替え周波数で生成される。さらにこの制御器段は、複数のブリッジ増幅器の各々の動作周波数を第１の切替え周波数から第２の切替え周波数に変更するために、発生させたパルス幅変調ゲート信号を電力段に加えるように構成されている。本システムはさらに、スキャナ制御回路と動作可能に関連付けされると共に収集画像データを処理するように構成されたシステム制御回路を含む。
【００１４】
本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本技法の態様による傾斜増幅器システムの概要図である。
【図２】本技法の態様による図１の傾斜増幅器システムの例示的な制御器段及び電力段の概要図である。
【図３】本技法の態様による図２の制御器段のブロック図である。
【図４】本技法の態様による図２の電力段の回路図である。
【図５】本技法の態様による図４の電力段の出力電圧を表したグラフである。
【図６】本技法の態様による異なる切替え周波数及び変動させた基準電流信号における図４の電力段の出力電圧を表したグラフである。
【図７】本技法の態様による傾斜増幅器システムを制御するための方法を表した流れ図である。
【図８】本技法の態様による図１の傾斜増幅器システムを利用した磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムを表したブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムで使用するための例示的な傾斜増幅器システム並びに傾斜増幅器システムを制御するための方法の様々な実施形態を提示する（これについては以下で詳細に説明することにする）。以下に記載する方法及び傾斜増幅器システムを利用することによって、ＭＲＩシステムにおける電力損失及び熱応力を実質的に低減することができる。従来の幾つかのシステムは、ある種の条件になると電圧及び周波数を変更するような様々な電圧及び様々な周波数を利用していた。一例としてそのシステムは単一の周波数で動作しており、ある種の条件になるとその周波数を変更して損失を管理している。
【００１７】
ここで図面に進み図１を見ると、本技法の態様によるＭＲＩシステムで使用するための例示的な傾斜増幅器システム１００の概要図を示している。傾斜増幅器システム１００については、制御器段１０２、電力段１０４及び傾斜コイル１１２を含むように概要を表している。各構成要素の働きについて図１〜８を参照しながらさらに詳細に説明することにする。本明細書で使用する場合に「電力段」という用語は、傾斜コイル１１２を所望のレンジで駆動するために一例として約０アンペア〜約５００アンペアのレンジの値を有する電流及び約０ボルト〜約２０００ボルトのレンジの値を有する電圧を発生させるための電力増幅器を示すために用いている。一実施形態ではその電力段１０４は、５００アンペアを超える値を有する電流及び２０００ボルトを超える値を有する電圧を発生させることがある。同様に「制御器段」という用語は、傾斜コイル１１２に提供される電圧信号の振幅レベル及び周波数を制御または調節するように構成された制御器／プロセッサを示すために用いている。
【００１８】
ＭＲＩシステムは典型的には、その各々が対応する電力段１０４によって駆動される傾斜コイル１１２などの１つまたは複数の傾斜コイルを含むことが理解されよう。傾斜コイル１１２は典型的には、高速の撮像を容易にするために数キロヘルツまでなどの周波数で傾斜磁場を生成することによってＭＲＩシステムの主磁場を変化させるために用いられる。傾斜コイル１１２の典型的なインダクタンスレベルは一例として、約数百μＨ〜約１ｍＨのレンジとすることがある。さらに傾斜コイル１１２の典型的な電圧レベルは一例として約１０００ボルト〜約２０００ボルトのレンジとすることがある一方、傾斜コイル１１２の電流レベルは約０アンペア〜約５００アンペアのレンジとすることがある。以下に記載する実施形態はＭＲＩシステムの用途を示しているが、忠実度が極めて高い高電圧及び高電流の使用が必要な別の用途における本技法の利用も想定される。
【００１９】
目下企図される構成では、傾斜コイル１１２を電力段１０４の出力端子に結合させている。さらに傾斜コイル１１２は、電力段１０４から受け取ったコイル電流信号１１４と比例した磁場を発生するように構成されている。本明細書で使用する場合に「コイル電流信号」という用語は、傾斜コイル１１２に跨る所望の磁場を誘導するために電力段１０４によって傾斜コイル１１２に供給される電流を示すために用いている。
【００２０】
さらに電力段１０４は複数のブリッジ増幅器を含む。具体的には目下企図される構成では電力段１０４は、互いに直列に結合された第１のブリッジ増幅器１０６、第２のブリッジ増幅器１０８及び第３のブリッジ増幅器１１０を含む。電力段１０４のこの実施形態について３つのブリッジ増幅器１０６、１０８、１１０に関連して記載しているが、電力段１０４は別の数のブリッジ増幅器を電力段１０４内に含み得ることに留意されたい。さらに一実施形態では、各ブリッジ増幅器は図４に示したような左側レグ及び右側レグを備えたフルブリッジ増幅器とすることがある。さらに各ブリッジ増幅器は、直流（ＤＣ）電圧源及びトランジスタモジュール（図示せず）を含むことがあり、これについては図４を参照しながらより詳細に説明することにする。
【００２１】
さらに図示したこの例の電力段１０４の入力端子は、制御器段１０２の出力端子に結合させている。制御器段１０２は、電力段１０４に必要な制御信号を伝送することによって電力段１０４の動作を制御する。具体的には制御器段１０２は、ブリッジ増幅器１０６、１０８、１１０の各々の動作周波数を制御するために電力段１０４にパルス幅変調ゲート信号１１６、１１８、１２０を送っている。本明細書で使用する場合に「動作周波数」という用語は、ブリッジ増幅器をＯＮとＯＦＦに切替えるために利用される周波数を示すために用いている。一実施形態では、存在するのは単一の切替え動作周波数である。ブリッジ増幅器１０６、１０８、１１０をＯＮとＯＦＦ状態の間で適当に切替えることによって、電力段１０４の出力位置において様々な中間的な合成電圧を実現している。一実施形態では、熱、スルーレート及び／または振幅の問題などある種の条件下において、システム性能を調節するためにパルス幅変調の周波数を制御器によって変更することが可能である。
【００２２】
図１に示した実施形態では、制御器段１０２は入力として基準電流信号１２４とコイル電流信号１１４を受け取る。具体的には基準電流信号１２４を、ホストコンピュータ（図１では図示せず）などの外部源から受け取ることがある。基準電流信号１２４は、パルス幅変調ゲート信号を発生させるために利用される。しかる後に、発生させたパルス幅変調ゲート信号を用いて傾斜コイル１１２に跨る傾斜磁場を制御している。具体的には、一実施形態ではその傾斜磁場は、基準電流信号１２４に関連付けされたスルーレート及び振幅レベルに基づいて制御される。「スルーレート（ｓｌｅｗ  ｒａｔｅ）」という用語は、基準電流信号１２４の振幅が時間に対して変動する率を示すために用いている。
【００２３】
さらに、傾斜増幅器システム１００の安定な動作を容易にするために、電力段１０４の出力端子から制御器段１０２へのフィードバック信号としてコイル電流信号１１４が提供される。具体的にはフィードバック信号（コイル電流信号）１１４は、傾斜コイル１１２に送達される電力を安定化するために利用される。このために一実施形態では、電力段１０４の出力端子を傾斜コイル１１２に接続させるノードの位置に電流センサ１２２を配置させている。電流センサ１２２は、コイル電流信号１１４を検知すると共に、この検知したコイル電流信号１１４をフィードバック信号として制御器段１０２に伝送している。
【００２４】
図２は、図１の例示的な傾斜増幅器システム１００の一実施形態２００の概要図である。具体的には傾斜増幅器システム２００は、制御器段２０２と図１の電力段１０４などの電力段とを含む。
【００２５】
一実施形態では制御器段２０２は、比例積分（ＰＩ）制御ユニット２２４の入力端子に結合された比較器２２２を含む。比較器２２２は、フィードバックコイル電流信号１１４を基準電流信号１２４と比較することによって誤差電流信号２４６を特定する。誤差電流信号２４６は、コイル電流信号１１４の基準電流信号１２４からの偏差を示すことがある。傾斜増幅器システム２００の安定性または安定な動作を維持するためにコイル電流信号１１４の偏差を低減することが望ましい。こうした発生させた誤差電流信号２４６はＰＩ制御ユニット２２４の入力端子に提供される。さらにＰＩ制御ユニット２２４は、誤差電流信号２４６に対応するＰＩ電圧２３６を発生させる。さらにＰＩ制御ユニット２２４はまた、誤差電流信号２４６の累進的な最小化を支援し、これによりシステム２００の過渡応答を強化することがある。
【００２６】
本技法の態様では制御器段２０２はさらに、第１のフィードフォワードサブシステム２２６を含む。第１のフィードフォワードサブシステム２２６は、傾斜コイル１１２に跨るインダクタンス電圧降下２３８を決定する。制御器段２０２はさらに、第２のフィードフォワードサブシステム２２８を含む。第２のフィードフォワードサブシステム２２８は、傾斜コイル１１２に跨る抵抗性電圧降下２４０を決定する。一実施形態では第１のフィードフォワードサブシステム２２６と第２のフィードフォワードサブシステム２２８を組み合わせたものを１つのコイルモデルユニットとして示すことがある。このコイルモデルユニットは、傾斜コイル１１２に跨る誘導性及び抵抗性の電圧降下２３８、２４０を決定するために制御器段２０２において利用されることがある。
【００２７】
さらに一実施形態では制御器段２０２は、入力端子位置で受け取ったＰＩ電圧２３６、誘導性電圧２３８及び抵抗性電圧２４０を足し合わせる加算ユニット２３０を含むと共に、該加算ユニット２３０の出力端子の位置に電圧コマンド信号Ｖcmd２４２を提供する。さらに電圧コマンド信号Ｖcmd２４２は、電力段１０４中のブリッジ増幅器の数に基づいて電圧コマンド信号Ｖcmd２４２を分割する除算ユニット２３２に提供される。例えば電力段１０４がブリッジ増幅器１０６、１０８、１１０などの３つのブリッジ増幅器を含む場合、その電圧コマンド信号Ｖcmd２４２は等しい３つの部分に分割される。したがって、電力段１０４内のブリッジ増幅器１０６、１０８、１１０の各々に対して電圧コマンド信号Ｖcmd２４２の３分の１ずつが加えられる。
【００２８】
さらに本技法の態様では、分割された電圧コマンド信号Ｖcmd２４２のうちの１つのユニットがパルス幅変調スキームに従って変調され、パルス幅変調ゲート信号２４８が生成される。パルス幅変調ゲート信号２４８は、基準電流信号１２４のスルーレート及び振幅レベルに基づいた周波数で生成させている。具体的には一実施形態では、基準電流信号１２４のスルーレートが決定されたしきい値レートを超えていれば、パルス幅変調ゲート信号２４８を第１の切替え周波数で生成させることがある。しかし基準電流信号１２４のスルーレートが決定されたしきい値レート未満である場合でも、基準電流信号１２４の振幅レベルが決定されたレベル未満であればパルス幅変調ゲート信号２４８を同じく第１の切替え周波数で生成させることがある。
【００２９】
同様の方式で、基準電流信号に関連付けされたスルーレート１２４が決定されたしきい値レート未満でありかつ基準電流信号１２４の振幅レベルが決定されたレベルを超えることの発生時には、パルス幅変調ゲート信号２４８を第２の切替え周波数で生成させることがある。一実施形態ではシステム２００内の電力損失及び熱応力を低減するために、この第２の切替え周波数は第１の切替え周波数の値より低い値に維持される。別の実施形態では、パルス幅変調スキームに従ってパルス幅変調ゲート信号２４８を生成するために、事前プログラムの命令／コードを有する制御ロジックモジュール（図２では図示せず）を利用することがある。
【００３０】
図２の参照を続けると、発生させたパルス幅変調ゲート信号２４８は次いで、各ブリッジ増幅器に対してそれぞれの対応する経路２１６、２１８、２２０を介して別々に加えられる。パルス幅変調ゲート信号２４８は、ブリッジ増幅器１０６、１０８、１１０の各々の動作周波数を制御するために利用される。本技法の例示的な態様では、各ブリッジ増幅器に対して実質的に同じパルス幅変調ゲート信号２４８が加えられるため、ブリッジ増幅器１０６、１０８、１１０の各々はいずれの時点においても実質的に同じ周波数で動作している。一例として最初にブリッジ増幅器１０６、１０８、１１０が第１のより高い切替え周波数で動作しておりかつ電力段１０４には第２のより低い切替え周波数を有するパルス幅変調ゲート信号が加えられている場合、ブリッジ増幅器１０６、１０８、１１０の各々の動作周波数は第１のより高い切替え周波数から第２のより低い切替え周波数に変更される。この切替え周波数の変更は、システム２００内の伝導損失及び切替え損失を大幅に低減するのに役立つ。
【００３１】
ブリッジ増幅器を実質的に同じ切替え周波数で動作させること以外に、ブリッジ増幅器に結合させたＤＣ電圧源（図４参照）も、実質的に同じＤＣ電圧を対応するブリッジ増幅器に供給するように構成される。このブリッジ増幅器への実質的に同じ電圧の供給の結果、システム２００内の電力損失の分布が一様となる。さらに実質的に同じブリッジ増幅器及びＤＣ電圧源を利用しているため、設計及び製造上の制約が実質的に緩和される。このため、システム２００の設計及び製造のコストも大幅に削減される。
【００３２】
ここで図３を参照すると、図２の制御器段２０２の一実施形態を表したブロック図３００を示している。目下企図される構成では制御器段３００は、コマンド発生器３０４、解析器３０６及びパルス幅変調器３０８を含む。コマンド発生器３０４は一実施形態では、図２の比較器ユニット２２２、ＰＩ制御ユニット２２４、第１のフィードフォワードサブシステム２２６、第２のフィードフォワードサブシステム２２８及び加算ユニット２３０などのサブユニットを組み合わせて含むことがある。
【００３３】
本技法の態様ではコマンド発生器３０４は、入力端子の位置においてコイル電流信号３１０及び基準電流信号３１２を受け取る。さらにコマンド発生器３０４は出力端子の位置に電圧コマンド信号３１４を生成する。具体的にはコマンド発生器３０４は、受け取ったコイル電流信号３１０及び基準電流信号３１２に基づいて電圧コマンド信号３１４を生成する。別の実施形態ではそのコマンド発生器３０４は、コイル電流信号３１０及び基準電流信号３１２に基づいた電圧コマンド信号３１４の生成を支援するための命令を保存したプロセッサ（図３では図示せず）を含むことがある。さらに、この発生させた電圧コマンド信号３１４をパルス幅変調器３０８に供給することがある。パルス幅変調器３０８は、決定されたパルス幅変調スキームに従って電圧コマンド信号３１４を変調するように構成されている。
【００３４】
解析器３０６は基準電流信号３１２を受け取ると共に、その基準電流信号３１２に関連付けされたスルーレート及び振幅レベルを決定する。別の実施形態ではその解析器３０６は、基準電流信号３１２に関連付けされたスルーレート及び振幅レベルの決定を支援するための命令を保存したプロセッサ（図３では図示せず）を含むことがある。さらにある種の実施形態では、基準電流信号３１２のスルーレート及び振幅レベルをパルス幅変調ゲート信号の生成と同時に決定することがある。別法としてその基準電流信号３１２のスルーレート及び振幅レベルはまた、電圧コマンド信号３１４の生成前に決定することも、生成後に決定することもある。さらに、決定した基準電流信号３１２のスルーレート及び振幅レベルに関連付けされた情報３１６が、パルス幅変調器３０８に伝送される。さらに電圧コマンド信号３１４はまた、パルス幅変調器３０８に対する入力として提供される。
【００３５】
さらにパルス幅変調器３０８は、パルス幅変調ゲート信号３１８を生成する。具体的にはパルス幅変調器３０８は、基準電流信号３１２のスルーレート及び振幅レベルに関連付けされた情報３１６に基づいた周波数でパルス幅変調ゲート信号３１８を生成するように構成されている。具体的には基準電流信号３１２のスルーレートが決定されたしきい値レートを超える場合に、パルス幅変調ゲート信号３１８を第１の切替え周波数で生成させることがある。さらに基準信号のスルーレートがしきい値レート未満でありかつ基準電流信号３１２の振幅レベルが決定されたレベル未満である場合にもまた、パルス幅変調信号３１８を第１の切替え周波数で生成させることがある。
【００３６】
別法として、基準信号のスルーレートがしきい値レート未満でありかつ基準電流信号３１２の振幅レベルが決定されたレベルを超えている場合に、パルス幅変調ゲート信号３１８を第２の切替え周波数で生成させることがある。ある種の実施形態ではこの第２の切替え周波数は、傾斜増幅器システム２００（図２参照）内の電力損失及び熱応力を低減するために第１の切替え周波数より低くしていることに留意されたい。例えば、傾斜コイル１１２（図２参照）などの傾斜コイルに跨る電圧を低くすることが所望であれば、ブリッジ増幅器１０６、１０８、１１０（図２参照）などの各ブリッジ増幅器の動作周波数が、第１のより高い切替え周波数から第２のより低い切替え周波数に変更される。ブリッジ増幅器の各々の動作周波数のこの変更によって、傾斜増幅器システム２００内の切替え損失及び伝導損失の大幅な低減が容易となる。
【００３７】
図４は、本技法の態様による傾斜コイル１１２（図１参照）などの傾斜コイル４０８を駆動するように構成された電力段１０４（図１参照）などの電力段４４０の一実施形態４００を表した回路図である。目下企図される構成では、電力段４４０は直列に結合させた３つのブリッジ増幅器４０２、４０４、４０６を含む。一実施形態ではこれらのブリッジ増幅器４０２、４０４、４０６によって図１のブリッジ増幅器１０２、１０４、１０６の役割をさせることがある。ブリッジ増幅器４０２、４０４、４０６はさらに、傾斜コイル４０８と直列に結合させている。さらに一実施形態ではそのブリッジ増幅器４０２、４０４、４０６は実質的に同じトポロジーを有する。第１のブリッジ増幅器４０２に跨って第１のＤＣ電圧源４１０を結合させており、第２のブリッジ増幅器４０４に跨って第２のＤＣ電圧源４１２を結合させており、また第３のブリッジ増幅器４０６に跨って第３のＤＣ電圧源４１４を結合させている。ＤＣ電圧源４１０、４１２、４１４の各々は、対応するブリッジ増幅器に跨って供給するＤＣ電圧が実質的に同じとなるように構成されている。一例として約８００ボルトのＤＣ電圧を供給することが望ましい場合、ＤＣ電圧源４１０、４１２、４１４の各々は対応するブリッジ増幅器に約８００ボルトのＤＣ電圧を供給する。
【００３８】
本技法のまた別の態様では、第１のブリッジ増幅器４０２は一実施形態によるトランジスタモジュール４１６、４１８、４２０、４２２を含む。これらのトランジスタモジュールは、絶縁ゲートバイポーラ接合トランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、その他など適当な任意のタイプの半導体切替えデバイスとすることがある。具体的にはトランジスタモジュール４１６及び４２２は、第１のブリッジ増幅器４０２の第１のレグまたは左側レグを形成するように直列に接続されている。同様にトランジスタモジュール４１８及び４２０は、ブリッジ増幅器４０２の第２のレグまたは右側レグを形成するように直列に接続されている。第１のブリッジ増幅器４０２の第１及び第２のレグは並列に接続されている。このレグのいずれか一方を入力端子として動作するように構成させることがある一方、もう一方のレグを第１のブリッジ増幅器４０２の出力端子として動作するように構成させることがあることに留意されたい。同様の方式で第２のブリッジ増幅器４０４は、トランジスタモジュール４２４及び４３０を有する第１のレグと、トランジスタモジュール４２６及び４２８を有する第２のレグと、を含む。さらに第３のブリッジ増幅器４０６は、トランジスタモジュール４３２及び４３８を有する第１のレグと、トランジスタモジュール４３４及び４３６を有する第２のレグと、を含む。
【００３９】
さらに、ブリッジ増幅器４０２、４０４、４０６の各々内のトランジスタモジュールは、図２に示したように制御器段により提供されるパルス幅変調ゲート信号に基づいてＯＮまたはＯＦＦに切替えられるように構成されている。一例として第１のブリッジ増幅器４０２内において、時間期間Ｔ1の間にトランジスタモジュール４１６及び４２２のベース端子にパルス幅変調ゲート信号が加えられる。具体的には時間期間Ｔ1中において、左側レグのトランジスタモジュール４１６及び４２２をＯＮ状態に付勢させる一方、右側レグのトランジスタモジュール４１８、４２０はＯＦＦ状態に維持される。同様に後続の時間期間Ｔ2中に、トランジスタモジュール４１８及び４２０のベース端子にパルス幅変調ゲート信号が加えられる。したがって時間期間Ｔ2中では、右側レグのトランジスタモジュール４１８及び４２０がＯＮ状態に切替えられる一方、左側レグのトランジスタモジュール４１６及び４２２はＯＦＦ状態に切替えられる。第１のブリッジ増幅器４０２の各レグはそれぞれの時間期間／デューティサイクル中にＯＮとＯＦＦに切替えられるため、第１のブリッジ増幅器４０２の出力電圧は変調された出力電圧信号となる。
【００４０】
さらに各ブリッジ増幅器は少なくとも２つのレグを含むと共に各レグがそれぞれの時間期間／デューティサイクル中は導通状態であるため、各ブリッジ増幅器の位置での変調済み出力電圧信号の周波数は加えられたパルス幅変調ゲート信号の周波数の少なくとも２倍となる。このため電力段４４０の出力位置における総出力電圧信号の周波数は、パルス幅変調ゲート信号の周波数と電力段４４０中のブリッジ増幅器の数の少なくとも２倍との積となる。一例として図４に示した実施形態では、電力段４４０は３つのブリッジ増幅器を含む。したがって電力段４４０の出力位置における総出力電圧信号の周波数は、パルス幅変調ゲート信号の周波数とブリッジ増幅器の数の２倍（この例では、６）との積となる。理解を容易にするために、出力電圧信号の周波数について図５及び６にグラフで表している。
【００４１】
さらにブリッジ増幅器４０２、４０４、４０６が直列に接続されているため、電力段４４０の総出力電圧は、ＤＣ電圧源４１０、４１２、４１４の各々によって供給されるＤＣ電圧の総和となる。一例として各ＤＣ電圧源が対応するブリッジ増幅器に対して約８００ボルトのＤＣ電圧を供給することが望ましい場合、電力段４４０の総出力電圧は電力段４４０に跨って約−２４００ボルトから約＋２４００ボルトまでスイングさせることがある。ブリッジ増幅器４０２、４０４、４０６はすべてが実質的に同じＤＣ電圧で動作する実質的に同じトランジスタモジュールを用いるように構成されているため、傾斜増幅器システム１００（図１参照）の性能を犠牲にすることなく傾斜増幅器システム１００の設計及び製造コストを大幅に削減することができる。
【００４２】
ここで図５を見ると、本技法の態様による電力段４４０（図４参照）などの電力段の出力電圧を表したグラフ５００を示している。具体的には図５は、搬送信号と図４の３つのブリッジ増幅器４０２（ＨＶ１）、４０４（ＨＶ２）、４０６（ＨＶ３）に跨る出力電圧との間の関係をグラフで示している。プロット５０２は、パルス幅変調ゲート信号を生成するためにパルス幅変調スキームで利用される搬送波形／信号を表している。さらにプロット５０４は、第１のブリッジ増幅器４０２の左側レグに加えられるパルス幅変調ゲート信号を表している。同様にプロット５０６は、第１のブリッジ増幅器４０２の右側レグに加えられる、決定された時間遅延を伴うパルス幅変調ゲート信号を表している。さらにプロット５０８は第１のブリッジ増幅器４０２の出力電圧を示している。第１のブリッジ増幅器４０２の出力電圧は、プロット５０８で示したような変調済みの出力電圧である。具体的には、第１のブリッジ増幅器４０２の出力端子の位置で変調済み出力電圧５０８を取得するために、第１のブリッジ増幅器４０２の左側レグ及び右側レグに対してパルス幅変調ゲート信号が加えられる。
【００４３】
同様の方式でプロット５１０及び５１８はそれぞれ、第２及び第３のブリッジ増幅器４０４（ＨＶ２）及び４０６（ＨＶ３）に対応する搬送波形／信号を表している。さらにプロット５１２及び５２０はそれぞれ、第２及び第３のブリッジ増幅器４０４及び４０６の左側レグに加えられるパルス幅変調ゲート信号を表している。プロット５１４及び５２２はそれぞれ、第２及び第３のブリッジ増幅器４０４及び４０６の右側レグに加えられるパルス幅変調ゲート信号を表している。さらにプロット５１６及び５２４はそれぞれ、第２及び第３のブリッジ増幅器４０４、４０６に跨る出力電圧を表している。さらにブリッジ増幅器４０２、４０４、４０６は直列に接続されているため、プロット５０８、５１６、５２４で表したブリッジ増幅器４０２、４０４、４０６の各々に跨る個々の出力電圧を足し合わせることによってプロット５２６で表した電力段４４０の総出力電圧（図４参照）が得られる。本技法の態様では、ある時点において電力段内の１つのブリッジ増幅器だけが出力電圧を発生させるような方式でブリッジ増幅器４０２、４０４、４０６にパルス幅変調ゲート信号が加えられる。各ブリッジ増幅器に対するパルス幅変調ゲート信号のタイミングは制御器段２０２（図２参照）などの制御器段の形で実現される制御ロジックによって制御される。
【００４４】
さらに図４に関連して上で指摘したように、各ブリッジ増幅器は少なくとも２つのレグを含む。さらに時間期間Ｔ1では、対応するパルス幅変調ゲート信号に基づいてブリッジ増幅器の各レグが導通する。時間期間Ｔ1において各ブリッジ増幅器の両方のレグが導通状態であるため、各ブリッジ増幅器の出力位置における周波数はパルス幅変調ゲート信号の周波数の２倍となる。したがって電力段の出力位置における総出力電圧の周波数は、プロット５２６に示したようにパルス幅変調ゲート信号の周波数と電力段内に含まれるブリッジ増幅器４０２、４０４、４０６の数の少なくとも２倍との倍数となる。一例として、変調を受けたパルス幅の周波数がｆpwmでありかつ電力段内に３つのブリッジ増幅器が利用されている場合、総出力電圧信号の周波数ｆtotalは次式のように表すことができる。
【００４５】
ｆtotal＝６＊ｆpwm        （１）
図６は、本技法の態様による異なる切替え周波数及び可変の基準電流信号にある電力段４４０（図４参照）などの電力段の出力電圧を表したグラフ６００である。プロット６０２、６１２、６２２は、時間遅延が異なる搬送波形／信号を表している。さらにプロット６０６は第１のブリッジ増幅器４０２（図４参照）の左側レグに加えられるパルス幅変調ゲート信号を表しており、一方プロット６０８は第１のブリッジ増幅器４０２の右側レグに加えられるパルス幅変調ゲート信号を表している。本技法の例示的な態様では、２つのパルス幅変調ゲート信号６０６、６０８のうちの一方がハイ状態すなわちＯＮ状態にあるときにだけ第１のブリッジ増幅器４０２に跨る出力電圧が得られるように、第１のブリッジ増幅器４０２の各レグに対してパルス幅変調ゲート信号が異なる時間期間で加えられている。第１のブリッジ増幅器４０２に跨る出力電圧の全体をプロット６１０で表している。さらにプロット６１４及び６２４はそれぞれ、第２及び第３のブリッジ増幅器４０４及び４０６の左側レグに加えられるパルス幅変調ゲート信号を表している。さらに、プロット６１６及び６２６はそれぞれ、第２及び第３のブリッジ増幅器４０４及び４０６の右側レグに加えられるパルス幅変調ゲート信号を表している。さらにプロット６２０及び６３０はそれぞれ、第２及び第３のブリッジ増幅器４０４及び４０６に跨る出力電圧を表している。図５に関連して上で指摘したように、これらのブリッジ増幅器が直列に接続されているため、ブリッジ増幅器４０２、４０４及び４０６の各々に跨る個々の出力電圧６１０、６２０、６３０を足し合わせることによって電力段の総出力電圧６３２が得られる。
【００４６】
引き続き図６を参照すると時間期間Ｔ1（６３８）の間は基準電流信号６３４の振幅レベルは決定されたレベル６３６未満でありかつスルーレートも決定されたしきい値レート未満である。したがって時間期間Ｔ1の間ではブリッジ増幅器４０２、４０４、４０６の各々は第１の切替え周波数ｆ1で動作することがある。一実施形態では基準電流信号６３４の振幅レベルと無関係に、基準電流信号６３４のスルーレートが決定されたしきい値レートを超えている場合に、ブリッジ増幅器４０２、４０４、４０６の各々は同じく第１の切替え周波数ｆ1で動作することがある。
【００４７】
さらに図６に示したように時間期間Ｔ2（６４０）の間に、基準電流信号６３４は平坦な頂部に到達する。基準電流信号６３４のこの平坦な頂部が持続している間では、基準電流信号６３４のスルーレートが決定されたしきい値レート未満でありかつ基準電流信号６３４の振幅レベルは決定されたレベル６３６を超えるまたはこれに等しいことに留意されたい。したがってこの時間期間Ｔ2（６４０）の間では、パルス幅変調ゲート信号によってブリッジ増幅器４０２、４０４、４０６の各々の動作周波数が第１の切替え周波数ｆ1から第２の切替え周波数ｆ2に切替えられる。このようにブリッジ増幅器の各々の動作周波数を第１の切替え周波数ｆ1から第２の切替え周波数ｆ2に変更することによって、傾斜増幅器システム１００（図１参照）などの傾斜増幅器システムの電力損失が実質的に低減される。具体的には時間期間Ｔ2（６４０）では、所望の磁場を発生させるのに要する傾斜コイルに跨る電圧が低いため電力損失が低減される。
【００４８】
ここで図７を参照すると、本技法の態様による図１の傾斜増幅器システム１００などの傾斜増幅器システムを制御するための方法を表した流れ図７００を示している。本技法の理解を容易にするために、本方法を図３の構成要素を参照しながら説明することにする。本方法は、コイル電流信号３１０（図３参照）などのコイル電流信号と基準電流信号３１２（図３参照）などの基準電流信号が傾斜増幅器システムによって受け取られるステップ７０２で開始される。具体的には制御器段３００内のコマンド発生器３０４（図３参照）が、基準電流信号３１２及びコイル電流信号３１０を受け取る。コイル電流信号３１０は、電力段の出力端子を傾斜コイル（図２参照）に接続しているノードからのフィードバック電流信号として受け取られる。さらに上で指摘したように基準電流信号３１２は、外部源から受け取られることがあり、また傾斜コイル３１２（図２参照）に跨る磁場を制御するためにこれが利用される。
【００４９】
引き続きステップ７０４では、受け取ったコイル電流信号３１０及び基準電流信号３１２に基づいて、コマンド発生器３０４が電圧コマンド信号３１４を生成する。さらにステップ７０６では、制御器段３００内の解析器３０６が基準電流信号３１２を受け取ると共に、この基準電流信号３１２に関連付けされたスルーレート及び振幅レベルを決定する。基準電流信号３１２のスルーレート及び振幅レベルは、傾斜コイル１１２に跨る所望の電圧または磁場に応じてランダムに変更されることがある。さらに上で指摘したように、基準電流信号３１２のスルーレート及び振幅レベルをパルス幅変調ゲート信号の生成と同時に決定することがある。別法として基準電流信号３１２のスルーレート及び振幅レベルはまた、電圧コマンド信号３１４の生成前や生成後に決定されることもある。
【００５０】
さらにステップ７０８ではパルス幅変調器３０８によって、スルーレートが決定されたしきい値レート未満であるか否かが検証される。具体的にはステップ７０８において基準電流信号３１２のスルーレートが決定されたしきい値レート未満であると判定されると、ステップ７１０で示したように基準電流信号３１２の振幅レベルが決定されたレベルを超えるか否かを検証するための追加のチェックが実施される。ステップ７１０において基準電流信号３１２の振幅レベルが決定されたレベルを超えると判定されると、ステップ７１２に示したように第２の切替え周波数のパルス幅変調ゲート信号を生成させる。しかしステップ７１０において基準電流信号３１２の振幅レベルが決定されたレベル未満であると判定されると、ステップ７１４で示したように第１の切替え周波数のパルス幅変調ゲート信号を生成させる。
【００５１】
ステップ７０８に戻り基準電流信号３１２のスルーレートが決定されたしきい値レートを超えると判定されると、ステップ７１４に示したように第１の切替え周波数のパルス幅変調ゲート信号を生成させる。第１の切替え周波数（ステップ７１４）と第２の切替え周波数（ステップ７１２）のいすれかでのパルス幅変調ゲート信号の生成に続いて、ステップ７１６に示したように制御器段３００がこのパルス幅変調ゲート信号をブリッジ増幅器の各々に加える。さらにある種の実施形態ではステップ７０８〜７１６を実行するように制御器段３００内のパルス幅変調器３０８を構成している。
【００５２】
基準電流信号３１２のスルーレート及び振幅レベルに基づいて、加えられるパルス幅変調ゲート信号によってブリッジ増幅器の各々の動作周波数が変更されることがある。基準電流信号３１２のスルーレート及び振幅レベルに従って動作周波数を変更することによって、傾斜増幅器システムの電力損失及び熱応力を実質的に低減することができる。
【００５３】
図８は、本技法の態様による例示的な傾斜増幅器システム１００（図１参照）を含むＭＲＩシステムを表したブロック図８００である。ＭＲＩシステム８００は、スキャナ８０２、スキャナ制御回路８０４及びシステム制御回路８０６を含むように概略図で示している。ＭＲＩシステム８００は適当な任意のＭＲＩスキャナまたは検出器を含み得るが、図示した実施形態では本システムは、患者８１２や適当な任意の対象物をスキャンのための所望の位置に配置させ得るようにテーブル８１０がその内部に位置決めされる患者ボア８０８を含んだ全身用スキャナを含む。スキャナ８０２は適当な任意の規格タイプのものとすることができ、０．５テスラ規格から３テスラ規格やこれを超える値まで様々としたスキャナを含む。
【００５４】
さらにスキャナ８０２は、制御式の磁場を発生させるため、無線周波数（ＲＦ）励起パルスを発生させるため、並びにこうしたパルスに応答して患者８１２内部の磁気回転物質からの放出を検出するために一連の関連コイルを含むことがある。図８の概要図において、一般に患者ボア８０８と整列した主磁場を発生させるために主磁場コイル８１４を設けることがある。検査シーケンス中に制御式の傾斜磁場を発生させるようにコイルアセンブリ内で一連の傾斜コイル８１６、８１８及び８２０をグループ分けすることがある。磁気回転物質を励起するための無線周波数パルスを発生させるように無線周波数（ＲＦ）コイル８２２を設けることがある。図８に示した実施形態では、ＲＦコイル８２２は受信コイルの役割もしている。したがって磁気回転物質からの放出を受信すること及びＲＦ励起パルスを印加することのそれぞれのための受動モードと能動モードでＲＦコイル８２２を駆動及び受信回路と結合させることがある。別法としてＲＦコイル８２２から分離させた受信コイルの様々な構成を提供することがある。こうしたコイルは、頭部コイルアセンブリその他の標的解剖部位に特に適した構造を含むことがある。さらに受信コイルは、フェーズドアレイコイルその他を含む適当な任意の物理的構成で提供されることがある。
【００５５】
目下のところ企図される構成では、傾斜コイル８１６、８１８及び８２０はＭＲＩシステム８００におけるその機能に適応させた異なる物理的構成を有することがある。これらのコイル８１６、８１８、８２０は、以下に記載するように制御パルスの印加時に傾斜磁場を発生させるコイル構造が形成されるように巻き付けられまたは切断された伝導性のワイヤ、バーまたはプレートを含む。傾斜コイルアセンブリ内部へのコイル８１６、８１８、８２０の配置は、幾つかの異なる順序で実施されることがある。一実施形態では、Ｚ軸コイルが最内側の箇所に位置決めされることがあり、またこれを一般にＲＦ磁場に対する影響が比較的少ないソレノイド様構造として形成することがある。したがって図示した実施形態では、傾斜コイル８２０がＺ軸ソレノイドコイルである一方、コイル８１６及び８１８はそれぞれＹ軸コイルとＸ軸コイルである。
【００５６】
スキャナ８０２のコイルは、所望の磁場及びパルスを発生させるため並びに磁気回転物質からの信号を制御された方式で読み取るために外部回路によって制御されることがある。患者の組織内に束縛されるのが一般的なこの磁気回転物質が主磁場の影響を受けると、組織内の常磁性の原子核の個々の磁気モーメントが該磁場と部分的に整列することが指摘できよう。偏向磁場の方向に正味の磁気モーメントが生成されている間では、直交する面における該モーメントのランダム方向の成分は全体として互いに相殺される。検査シーケンス中に、関心対象物質のラーモア周波数あるいはこれに近い周波数でＲＦ周波数パルスを発生させ、これにより正味の横方向磁気モーメントを生成するための正味の整列モーメントの回転が得られる。この横方向磁気モーメントは主磁場方向の周りに歳差運動し、所望の画像を再構成するようにスキャナ８０２により検出されて処理を受けるＲＦ信号が放出される。
【００５７】
さらに傾斜コイル８１６、８１８及び８２０は、その強度が事前定義の視野域全体にわたり典型的には正極性及び負極性に伴って変化するような精細に制御された磁場の発生を容易にするように構成されることがある。各コイルが既知の電流によって付勢されると、得られる磁場傾斜が主磁場の上に重なり合うと共に、磁場強度のＺ軸成分に視野域全体にわたる望ましい線形変動を生じさせる。この磁場はある１つの方向では線形に変動するが、その他２つの方向では均一となる。３つのコイル８１６、８１８、８２０はその変化方向に関して互いに直交する軸を有しており、これにより３つの傾斜コイル８１６、８１８、８２０を適当に組み合わせて任意の方向に線形磁場傾斜を印加することが可能となる。
【００５８】
さらにこのパルス状傾斜磁場は、撮像過程に不可欠な様々な機能を実行する。これらの機能のうちの幾つかは、スライス選択、周波数エンコード及び位相エンコードである。これらの機能は、元の座標系のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿って、あるいは個別の磁場コイルに印加されるパルス状電流の組み合わせにより決定される別の軸に沿って適用されることがある。
【００５９】
さらにスライス選択傾斜は、患者内の撮像しようとするある厚みの組織や解剖部位を決定している。スライス選択傾斜磁場は、同じ周波数で歳差運動する既知のスピンボリュームを希望するスライス内に励起させるために周波数選択ＲＦパルスと同時に印加されることがある。このスライス厚は、ＲＦパルスのバンド幅及び視野域全体にわたる傾斜強度によって決定される。
【００６０】
周波数エンコード傾斜は、読み出し傾斜とも呼ばれており、スライス選択傾斜と直交する方向で印加されるのが通常である。一般に周波数エンコード傾斜は、ＲＦ励起に由来する磁気共鳴（ＭＲ）エコー信号の形成前や形成中に印加される。この傾斜の影響を受けた磁気回転物質のスピンは、傾斜磁場に沿ったその空間的位置に従った周波数エンコードを受ける。収集された信号をフーリエ変換によって解析し、周波数エンコードによって選択したスライス内のその箇所を特定することができる。
【００６１】
最後に、読み出し傾斜前かつスライス選択傾斜後に位相エンコード傾斜が印加されるのが一般的である。磁気回転物質内のスピンの位相エンコード方向での位置特定は、データ収集シーケンス中に順次印加される若干異なる傾斜振幅を用いてその物質の歳差運動するプロトンに対して位相変動を順次誘導することによって実施されることがある。位相エンコード傾斜によって位相エンコード方向でのその位置に従って物質のスピンの間に位相差を生成することが可能となる。
【００６２】
さらに本明細書の上に記載した例示的な傾斜パルス機能並びに本明細書では明示的に記載していない別の傾斜パルス機能を利用するパルスシーケンスについて多くの変形形態を考案することができる。さらに、選択スライスと周波数及び位相エンコードの両方を適当に方向付けし所望の物質を励起させると共に得られるＭＲ信号を収集して処理するようにパルスシーケンスの適応を実施することがある。
【００６３】
スキャナ８０２の各コイルは、所望の磁場及びＲＦパルスを生成するようにスキャナ制御回路８０４によって制御を受ける。図８の概要図では制御回路８０４はしたがって、検査中に利用するパルスシーケンスを指令するため並びに受信した信号を処理するための制御回路８２６を含む。制御回路８２６は、汎用または特定用途のコンピュータのＣＰＵやディジタル信号プロセッサなどの適当な任意のプログラム可能論理デバイスを含むことがある。制御回路８２６はまた、スキャナにより実現される検査シーケンス中に使用される物理及び論理軸構成パラメータ、検査パルスシーケンス記述、収集画像データ、プログラミングルーチン、その他を保存するための揮発性及び不揮発性の記憶デバイスなどのメモリ回路８２８と通信可能に結合させている。
【００６４】
制御回路８２６とスキャナ８０２のコイルの間のインタフェースは、増幅／制御回路８３０によって並びに送信／受信インタフェース回路８３２によって管理されることがある。増幅／制御回路８３０は、制御回路８２６からの制御信号に応答して磁気コイルに駆動電流を供給するために各傾斜磁場コイル向けの増幅器を含む。ある種の実施形態ではＭＲＩシステム８００は、図１の傾斜増幅器システム１００などの例示的な傾斜増幅器システム８５４を含むことがある。傾斜増幅器システム８５４は一実施形態では、制御回路８０４と動作可能に結合させることがある。しかしある種の別の実施形態ではその制御回路８０４は、傾斜増幅器システム８５４を含むことがある。送信／受信（Ｔ／Ｒ）インタフェース回路８３２はＲＦコイル８２２を駆動するための追加的な増幅回路を含む。さらに、ＲＦコイル８２２がＲＦ励起パルスの放出とＭＲ信号の受信の両方の役割をしている場合には、Ｔ／Ｒインタフェース回路８３２は典型的には能動モードすなわち送信モードと受動モードすなわち受信モードとの間でＲＦコイル８２２をトグル切替えするための切替えデバイスを含むことがある。主マグネット８１４を付勢させるために、その全体を図８の参照番号８２４で表した電源が設けられている。最後に制御回路８０４は、構成及び画像データをシステム制御回路８０６とでやり取りするためのインタフェース構成要素８３４を含むことがある。本説明では超伝導主磁場マグネットアセンブリを利用する水平円筒状ボア撮像システムに言及しているが、本技法はさらに超伝導マグネット、永久磁石、電磁石あるいはこれらの手段の組み合わせにより発生させた垂直磁場を利用するスキャナなど様々な別の構成にも適用し得ることに留意されたい。
【００６５】
システム制御回路８０６は、オペレータや放射線医とスキャナ８０２の間のスキャナ制御回路８０４を介したインタフェースを容易にするための広範なデバイスを含むことがある。図示した実施形態では例えば、オペレータ制御器８３６を汎用または特定用途向けコンピュータを利用するコンピュータワークステーションの形態で設けている。ワークステーション８３６はさらに、検査パルスシーケンス記述、検査プロトコル、ユーザ及び患者データ、画像データ（未処理データと処理済みデータの両方）、その他を保存するためのメモリ回路を含むのが典型的である。さらにワークステーション８３６はまた、ローカル及びリモートのデバイスとでのデータの受け取り及びやり取りのための様々なインタフェース及び周辺ドライバを含むことがある。図示した実施形態におけるこうしたデバイスには、従来のコンピュータキーボード８３８やマウス８４０などの代替的な入力デバイスが含まれる。ドキュメントのハードコピー出力及び収集データから再構成した画像を生成するためにプリンタ８４２が設けられることがある。さらに、オペレータインタフェースを容易にするためにコンピュータモニター８４４が設けられることがある。さらにシステム８００は、図８においてその全体を参照番号８５２で示した様々なローカル及びリモートの画像アクセス／検査制御デバイスを含むことがある。こうしたデバイスは、画像蓄積伝送システム（ＰＡＣＳ）、遠隔放射線システム（ｔｅｌｅｒａｄｉｏｌｏｇｙ  ｓｙｓｔｅｍ）、その他を含むことがある。
【００６６】
本明細書の上で記載した方法及びシステムによって傾斜増幅器システムにおける電力損失の低減が支援される。さらに、電力段内のブリッジ増幅器の各々が実質的に同じ切替え周波数及びＤＣ電圧で動作しているため、この電力損失をブリッジ増幅器全体に一様に分布させることができる。さらに実質的に同じＤＣ電圧源及びブリッジ増幅器を用いているため、傾斜増幅器システムの設計コスト及び製造コストが実質的に削減される。
【００６７】
本発明のある種の特徴についてのみ本明細書において図示し説明してきたが、当業者によって多くの修正や変更がなされるであろう。したがって添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神の範囲に属するこうした修正や変更のすべてを包含させるように意図したものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００６８】
１００  傾斜増幅器システム
１０２  制御器段
１０４  電力段
１０６  第１のブリッジ増幅器
１０８  第２のブリッジ増幅器
１１０  第３のブリッジ増幅器
１１２  傾斜コイル
１１４  コイル電流信号
１１６  パルス幅変調ゲート信号
１１８  パルス幅変調ゲート信号
１２０  パルス幅変調ゲート信号
１２２  電流センサ
１２４  基準電流信号
２００  傾斜増幅器システム
２０２  制御器段
２１６  第１の経路
２１８  第２の経路
２２０  第３の経路
２２２  比較器
２２４  比例積分制御ユニット
２２６  第１のフィードフォワードサブシステム
２２８  第２のフィードフォワードサブシステム
２３０  加算ユニット
２３２  除算ユニット
２３６  比例積分電圧
２３８  誘導性電圧降下
２４０  抵抗性電圧降下
２４２  電圧コマンド信号
２４６  誤差電流信号
２４８  パルス幅変調ゲート信号
３００  制御器段
３０４  コマンド発生器
３０６  解析器
３０８  パルス幅変調器
３１０  コイル電流信号
３１２  基準電流信号
３１４  電圧コマンド信号
３１６  スルーレート及び振幅レベル情報
３１８  パルス幅変調ゲート信号
４００  傾斜コイルに結合された電力段
４０２  第１のブリッジ増幅器
４０４  第２のブリッジ増幅器
４０６  第３のブリッジ増幅器
４０８  傾斜コイル
４１０  第１の電圧源
４１２  第２の電圧源
４１４  第３の電圧源
４１６〜４３８  トランジスタモジュール
４４０  電力段
５００  電力段の出力電圧を表したグラフ
５０２  搬送波形／信号
５０４  左側レグのゲート信号
５０６  右側レグのゲート信号
５０８  第１のブリッジ増幅器の出力電圧
５１０  搬送波形／信号
５１２  左側レグのゲート信号
５１４  右側レグのゲート信号
５１６  第２のブリッジ増幅器の出力電圧
５１８  搬送波形／信号
５２０  左側レグのゲート信号
５２２  右側レグのゲート信号
５２４  第３のブリッジ増幅器の出力電圧
５２６  電力段に跨る総出力電圧
６００  電力段の出力電圧を表したグラフ
６０２  搬送波形／信号
６０６  左側レグのゲート信号
６０８  右側レグのゲート信号
６１０  第１のブリッジ増幅器の出力電圧
６１２  搬送波形／信号
６１４  左側レグのゲート信号
６１６  右側レグのゲート信号
６２０  第２のブリッジ増幅器の出力電圧
６２２  搬送波形／信号
６２４  左側レグのゲート信号
６２６  右側レグのゲート信号
６３０  第３のブリッジ増幅器の出力電圧
６３２  電力段に跨る総出力電圧
６３４  基準電流信号
６３６  決定されたレベル
６３８  時間期間Ｔ1
６４０  時間期間Ｔ2
７００  傾斜増幅器システムを制御するための方法を表した流れ図
７０２〜７１６  傾斜増幅器システムを制御する方法を実行するためのステップ
８００  ＭＲＩシステム
８０２  スキャナー
８０４  スキャナー制御回路
８０６  システム制御回路
８０８  患者ボア
８１０  テーブル
８１２  患者または対象物
８１４  主マグネットコイル
８１６  傾斜コイル
８１８  傾斜コイル
８２０  傾斜コイル
８２２  ＲＦコイル
８２４  電源
８２６  制御回路
８２８  メモリ回路
８３０  増幅／制御回路
８３２  送信／受信（Ｔ／Ｒ）インタフェース回路
８３４  インタフェース構成要素
８３６  オペレータ制御器
８３８  コンピュータキーボード
８４０  マウス
８４２  プリンター
８４４  コンピュータモニター
８５２  ローカル及びリモートの画像アクセス／検査制御デバイス
８５４  傾斜増幅器システム
【図１】
0006018392.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0006018392.tif 000006
【図６】
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【図７】
0006018392.tif 000008
【図８】
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