(57)【要約】      （修正有）【課題】正確な方形波電流パルスを、同時に補助インダクタンスの短い充電時間で生成できるＭＲ装置を提供する。【解決手段】ＭＲ装置は、内部抵抗Ｒｇをもつ勾配磁場コイルＧを含む勾配構造と、第１の抵抗Ｒ１＿ａと直列に第１の切換部材Ｓｘ１＿ａを含み、第１の補助コイルＬｓ＿ａを通る電流のみを切り換え、勾配構造を通る可変のパルス波形電流を生成する電気回路とを有する。電気回路は、第２の切換部材Ｓ２＿ａを含み、勾配磁場コイル及び第１の補助コイルを通る直列通電を切り換える。電気回路は、Ｕ≦１００Ｖの低圧電圧源Ｖを備え、勾配磁場コイルの内部抵抗に対する所定の電圧降下を調整する。電気回路には第３の切換部材Ｓ１＿ａを備える第１の回路部分が存在し、第４の切換部材Ｓ１＿ｂ、第５の切換部材Ｓｘ１＿ｂ、第６の切換部材Ｓ２＿ｂを有する第２の回路部分が存在して、第１の回路部分に対して反対向きの電流方向を勾配磁場コイルで生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定容積部で均一な磁場を生成するための主界磁石と、内部抵抗（Ｒｇ）をもつ少なくとも１つの勾配磁場コイル（Ｇ）を含み、測定容積部で磁気的な磁場勾配を生成するための勾配構造と、第１の抵抗（Ｒ１＿ａ）と直列に第１の切換部材（Ｓｘ１＿ａ）を含み、これによって第１の補助コイル（Ｌｓ＿ａ）を通る電流のみをオン又はオフすることができ、前記勾配構造を通る可変のパルス波形電流を生成するための電気回路とを有し、前記電気回路は第２の切換部材（Ｓ２＿ａ）を含み、これによって前記勾配磁場コイル（Ｇ）及び前記第１の補助コイル（Ｌｓ＿ａ）を通る直列通電を切り換えることができる磁気共鳴装置において、
前記電気回路はＵ≦１００Ｖの電圧を生成するための少なくとも１つの低圧電圧源（Ｖ）を備え、これにより前記勾配磁場コイル（Ｇ）の内部抵抗（Ｒｇ）に対する所定の電圧降下を調整することができ、前記電気回路の前記第１の補助コイル（Ｌｓ＿ａ）は前記電圧源（Ｖ）と前記勾配磁場コイル（Ｇ）との間に前記勾配磁場コイル（Ｇ）と直列に配置されており、
前記電気回路には、前記電圧源（Ｖ）と前記第１の補助コイル（Ｌｓ＿ａ）との間の第３の切換部材（Ｓ１＿ａ）を備える第１の回路部分が存在しており、
第４の切換部材（Ｓ１＿ｂ）と、第２の補助コイル（Ｌｓ＿ｂ）と、第３の抵抗（Ｒ１＿ｂ）と直列の第５の切換部材（Ｓｘ１＿ｂ）と、第４の抵抗（Ｒ２＿ｂ）と直列の第６の切換部材（Ｓ２＿ｂ）とを有する第２の回路部分が存在して、前記第１の回路部分に対して反対向きの電流方向を前記勾配磁場コイル（Ｇ）で生成することができることを特徴とする磁気共鳴装置。
【請求項２】
前記電圧源（Ｖ）は５Ｖから３０Ｖの間、好ましくはＵ≦２５Ｖ、特にＵ≒１５Ｖの最大電圧Ｕを生成することができように構成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴装置。
【請求項３】
前記切換部材の少なくとも一部はトランジスタとして構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気共鳴装置。
【請求項４】
前記第１の補助コイル（Ｌｓ＿ａ）と前記第２の補助コイル（Ｌｓ＿ｂ）は前記勾配磁場コイル（Ｇ）と直列に、かつ電流方向に応じて相互に交代する代替回路に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気共鳴装置。
【請求項５】
前記補助コイル（Ｌｓ＿ａ，Ｌｓ＿ｂ）のインダクタンスは１０μＨから１０ｍＨの範囲内にあり、好ましくは１００μＨのオーダーであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気共鳴装置。
【請求項６】
前記勾配磁場コイル（Ｇ）及び／又は前記補助コイル（Ｌｓ＿ａ，Ｌｓ＿ｂ）を通る所望の電流を調整することができる制御回路が存在することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気共鳴装置。
【請求項７】
前記電気回路に電流測定抵抗（Ｒｍ１，Ｒｍ２）並びに差動増幅器（Ｏ）が存在しており、前記低圧電圧源（Ｖ）は前記勾配磁場コイル（Ｇ）を通って流れる電流の値を制御ループで制御できるように制御可能であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の磁気共鳴装置。
【請求項８】
前記制御ループによって電流強さを所望の値に、特に一定に保つことができることを特徴とする請求項７に記載の磁気共鳴装置。
【請求項９】
勾配電流のターンオンの瞬間に最低限の電圧変化だけが前記低圧電圧源（Ｖ）で生じるように、前記電気回路の前記抵抗（Ｒ１＿ａ，Ｒ２＿ａ，Ｒ１＿ｂ，Ｒ２＿ｂ，Ｒｍ１，Ｒｍ２）が最適化されることを特徴とする請求項７又は８に記載の磁気共鳴装置。
【請求項１０】
前記電気回路で前記第１の切換部材（Ｓｘ１＿ａ）の前に第１の電気抵抗（Ｒ１＿ａ）ならびにその他の切換部材（Ｓｘ１＿ｂ；Ｓ２＿ａ；Ｓ２＿ｂ）の前にそれぞれ電気抵抗（Ｒ１＿ｂ；Ｒ２＿ａ；Ｒ２＿ｂ）が存在しており、抵抗比率Ｒ１＿ａ／Ｒ２＿ａ及びＲ１＿ｂ／Ｒ２＿ｂの選択に基づいて前記勾配磁場コイル（Ｇ）を通る電流上昇の時間的推移が影響を受けることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の磁気共鳴装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の磁気共鳴装置の勾配構造を通る可変のパルス波形電流を生成するための電気回路を作動させる方法において、
まず所望の勾配通電の開始前に第３の切換部材（Ｓ１＿ａ）と第１の切換部材（Ｓｘ１＿ａ）が導通に切り換えられ、
第１の補助コイル（Ｌｓ＿ａ）を通る所望の電流強さ（Ｉｓ＿ａ）及び勾配磁場コイル（Ｇ）を通る所望の通電の達成後に第２の切換部材（Ｓ２＿ａ）が導通に切り換えられると共に第１の切換部材（Ｓｘ１＿ａ）が非導通に切り換えられ、
反対向きの電流方向について第４の切換部材（Ｓ１＿ｂ）と第５の切換部材（Ｓｘ１＿ｂ）が導通に切り換えられ、
第２の補助コイル（Ｌｓ＿ｂ）を通る所望の電流強さ（Ｉｓ＿ｂ）及び勾配磁場コイル（Ｇ）を通る所望の通電の達成後に第６の切換部材（Ｓ２＿ｂ）が導通に切り換えられると共に第５の切換部材（Ｓｘ１＿ｂ）が非導通に切り換えられることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定容積部で均一な磁場を生成するための主界磁石と、内部抵抗をもつ少なくとも１つの勾配磁場コイルを含み、測定容積部で磁気的な磁場勾配を生成するための勾配構造と、第１の抵抗と直列に第１の切換部材を含み、これによって第１の補助コイルを通る電流のみをオン又はオフすることができ、勾配構造を通る可変のパルス波形電流を生成するための電気回路とを有し、電気回路は第２の切換部材を含み、これによって勾配磁場コイル及び第１の補助コイルを通る直列通電を切り換えることができる磁気共鳴装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような磁気構造は、特許文献１（ドイツ特許出願公開第３３３６２８６号明細書）から公知である。
【０００３】
本発明は、一般に、ＭＲ測定のための均一な磁場を生成する用途に定められた適当な磁気システムを有する磁気共鳴（ＭＲ）の分野に関する。しかしながら、本発明の適用可能性はこの分野だけに限定されるものではない。
【０００４】
核磁気共鳴分光法（ＮＭＲ）の分野でも撮像をする用途（ＭＲＩ）においても、定義されるべき試料容積部で、非常に均一かつ時間的に一定の磁場が必要となり、このような磁場は抵抗性又は超電導性のコイルによって、又は適当な永久磁石構造によって生成することができる。撮像をする磁気共鳴（＝ＭＲＩ）法は、構造体の画像情報を得るために多く利用されている。その場合、構造体を傷つけることなく、構造体の内部に由来する画像情報も得ることができる。例えば臨床上の用途では、人間や動物の身体部分の内部画像がＭＲＩ法によって結像される。現在適用されているＭＲＩ法では、核スピンの歳差運動に、３つの空間方向すべてについて追加の位置依存的な磁場が時間的に変化しながら重ね合わされることで、一般に空間コーディングと呼ばれる空間的なコーディングが割り当てられる。このような追加磁場は、通常、検査対象物の内部で空間方向ｘ，ｙ及びｚにおけるｚ成分の実質的に一定の勾配を有しており、各空間方向についていわゆるグラジエントチャネルによりそれぞれ制御される、グラジエントシステムと呼ばれるコイル構造によって生成される。
【０００５】
勾配の生成は、検査対象物で静磁場を変化させる勾配磁場コイルを通してパルス波形電流が送られることによって惹起される。例えば特許文献２（米国特許出願公開第２００６／０１５２２２２号明細書）に記載されている通り、最大で数百Ｖに及ぶ高い電圧が勾配磁場コイルにしばしば印加され、それによって電流がさらに急速に上昇していき、所望の電流強さに達すると、これよりも低い電圧へと切換が行われて、勾配増幅器での損失出力を低減させる。しかし、前者のケースについては、短時間だけではあるが、勾配増幅器の回路で常に留保される高い電圧が必要となる。
【０００６】
定義
電流源と呼ばれるのは、電気工学の回路理論や回路網分析において、接続点で電流を供給する能動的な二端子網である。主要な特性として、この電流は接続点における電圧にはわずかしか依存せず、又は、回路分析の枠内における理想的な電流源のモデルの場合にはまったく依存しない。
【０００７】
電圧源と呼ばれるのは、電気工学の回路理論において、それぞれの接続点の間で電圧を供給する能動的な二端子網である。主要な特性として、この電圧は電圧源から取り出される電流にはわずかしか依存せず、又は、回路網分析の枠内における理想的な電圧源のモデルの場合にはまったく依存しない。
【０００８】
上に引用した引用文献２（米国特許出願公開第２００６／０１５２２２２号明細書）は、従来式の機能形態の増幅器回路を有する勾配回路を開示しており、この勾配増幅器は、電気的に直列につながれた多数の切換電流コントローラを含んでいる。バイポーラ回路が、接続されている直列出力コントローラから出力を受信して、選択された極性の出力を勾配磁場コイルに供給する。
【０００９】
冒頭に引用した引用文献１（ドイツ特許出願公開第３３３６２８６号明細書）に記載の回路は、引用文献２（米国特許出願公開第２００６／０１５２２２２号明細書）に記載の構造の対案を提案する。しかし、電流源の定義に基づいて高い出力抵抗を有すると共に一定の電流を供給する、そこで使用される電流源は、最善に方形に成形された電流上昇を勾配磁場コイルで生成するための供給部としては適していない。記載されている回路では、まず最初に補助コイルが電流源からの電流により貫流され、それによってそこで磁場が生起される。勾配電流が開始されるべき瞬間にこれがオンされて、補助コイルを通る電流がオフされる。短時間、補助コイルで高圧が発生する。しかし、電流供給部として電流源が使用されることで、補助コイルに蓄えられたエネルギーが勾配磁場コイルへと流れることはできない。電流源の出力抵抗が高いからである。補助インダクタンスによる勾配磁場コイルの充電は、引用文献２（米国特許出願公開第２００６／０１５２２２２号明細書）には記載されていない。
【００１０】
特許文献３（米国特許第４，９６１，０５４号明細書）は、さらに別の対案を提案している。そこでは所望の勾配電流が増幅器から来る。この電流は明らかに一定に保たれるので、勾配磁場コイルが有するよりも５倍から２０倍だけ高いインダクタンスを有する補助コイルが必要である。このように高いインダクタンスにより、正しい通電に達するまでに非常に長い時間がかかり、又は、回路に供給を行う増幅器が非常に高い最大出力電圧を必要とする。このように、この測定システムでは非常に高い供給電圧が増幅器のために必要とされるか、又は、２つの勾配パルスの間の待機時間が比較的長くならざるを得ない。そのため、前述した条件が成立しているときであっても、最善にパルス波形をなす電流上昇を勾配磁場コイルで生成することは可能でない。そのためには、補助コイルが無限に大きいインダクタンスを有さなければならないが、このことは無限の待機時間をもたらすことになり、又は、増幅器が無限に高い最大出力電圧を有さなければならないことになる。両者とも実際には可能でない。
【００１１】
さらに、特許文献４（米国特許第５，２７０，６５７号明細書）は、勾配磁場コイルへの有効な勾配エネルギーを上昇させるために、ＤＣ電流供給部が従来式の線形の勾配増幅器とタンデム型に接続された勾配増幅器システムを記載している。補助インダクタンスを用いた勾配磁場コイルの充電はここにも記載されていない。
【００１２】
特許文献５（米国特許第２，９４１，１２５号明細書）は、マイクロ波装置の切換をするために、可能な限り方形のプロフィルを有する電流をインダクタンスで生成するための回路を開示している。
【００１３】
最後に、特許文献６（米国特許第５，３１１，１３６号明細書）より、内部抵抗を有する少なくとも１つの勾配磁場コイルを含み、測定容積部で均一な磁場を生成するための主界磁石と、勾配構造によって可変のパルス波形電流を生成するためのフルブリッジ又はハーフブリッジの形態の電気回路とを有する磁気共鳴装置が公知であり、この電気回路は少なくとも１つの電圧源を含んでおり、これによって定義された電圧降下を勾配磁場コイルの内部抵抗で調整することができ、補助コイルが電気回路で電圧源と勾配磁場コイルとの間に勾配磁場コイルと直列に配置されており、電気回路には第１の回路部分と第２の回路部分とが存在し、第２の回路部分は、第１の回路部分に対して反対向きの電流方向を勾配磁場コイルで生成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】ドイツ特許出願公開第３３３６２８６号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／０１５２２２２号明細書
【特許文献３】米国特許第４，９６１，０５４号明細書
【特許文献４】米国特許第５，２７０，６５７号明細書
【特許文献５】米国特許第２，９４１，１２５号明細書
【特許文献６】米国特許第５，３１１，１３６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
それに対して、本発明の根底にある課題は、可変のパルス波形の勾配電流を生成するための電気回路が、可能な限り厳密に定義された磁気的な磁場勾配を核磁気共鳴における検査対象物で生成することができ、勾配磁場コイルは可能な限り迅速に目標電流強さへと移行するが、高い供給電圧の必要性は回避される、ＭＲ装置のための冒頭に定義した種類の磁気共鳴装置を簡単な技術的方策によって提供することにある。それにより、可能な限り正確な方形波電流パルスが、同時に補助インダクタンスの短い充電時間で生成されるのがよい。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
発明の簡略な説明
この課題は、本発明によれば、電気回路がＵ≦１００Ｖの電圧を生成するための少なくとも１つの低圧電圧源を備え、これにより勾配磁場コイルの内部抵抗に対する所定の電圧降下を調整することができ、電気回路の第１の補助コイルは電圧源と勾配磁場コイルとの間に勾配磁場コイルと直列に配置されており、
電気回路には電圧源と第１の補助コイルとの間の第３の切換部材を含む第１の回路部分が存在しており、
第４の切換部材と、第２の補助コイルと、第３の抵抗と直列の第５の切換部材と、第４の抵抗と直列の第６の切換部材とを有する第２の回路部分が存在して、第１の回路部分に対して反対向きの電流方向を勾配磁場コイルで生成することができ、驚くほど簡単であると同様に効果的な仕方で解決される。
【００１７】
すなわち、本発明では、インダクタンスを通る、好ましくは勾配磁場コイルを通る電流を可能な限り迅速に目標電流強さへと移行させることを改善された電気回路が可能にし、勾配電流を供給する電気回路が恒常的に高い電圧を提供しなくてよい、改良された磁気共鳴装置が提案される。そのために、スイッチを介して勾配磁場コイルと直列につなぐことができる補助インダクタンスが準備される。電流はこの回路でまず補助インダクタンスを充電し、スイッチ又はトランジスタが開くと、補助インダクタンスを介して一時的に非常に高い電圧が生成され、これが勾配磁場コイルでの電流の非常に迅速な上昇につながる。
【００１８】
本発明の解決の取組みは、基本的に、勾配電流のための改良された制御回路に向けられている。
【００１９】
提案された回路では、電流供給部として低圧電圧源が利用される。これは、電圧源の定義に基づき、非常に小さい出力抵抗を有している。すなわち、これは取り出される電流に関わりなく、ほぼ一定の電圧を供給する。したがって、この場合、電圧源の電圧が顕著に変化することなく、補助コイルと勾配磁場コイルについて異なる電流強さを実現することができる。このように相違する電流強さは、一方では、補助コイルについてのみ、他方では、補助コイルと勾配磁場コイルについて、電流経路へ挿入される抵抗によって惹起される。所望の勾配電流よりも高くなるように補助コイルを通る電流を調整することができれば、補助コイルのインダクタンスを小さく選択することができる。同じインダクタンス値について、補助コイルを通る電流は、勾配磁場コイルを通る最善のパルス波形の電流上昇を得るために、勾配電流の２倍でなければならない。
【００２０】
ここに記載されている回路で補助コイルを通る通電が停止されると、これに高い電圧が発生する。それに伴って、勾配磁場コイルでは、供給電圧と、補助コイルにおける高い電圧との合計がもたされ、このことが勾配電流の迅速な上昇につながる。
【００２１】
電流に関する制御を行うために、電流強さに依存して供給電圧を追従制御する制御回路を利用することができる。このようにして、例えば電気回路での熱効果による勾配電流の変化が認識されて補正される。そのために、測定されるべき電流が抵抗に通されて、この抵抗で電圧が生じる。この電圧が、差動増幅器を介して、調整可能な目標値と比較されて、電圧源がそれに応じて追従制御される。ただし、その際に、時間的に相前後して相違する電流強さが補助コイルと勾配磁場コイルについて必要となるため、電圧源の追従制御がそこから生じるのが回避されるほうがよいので、必要な電流比率に依存して電流抵抗が生成される。電流が補助コイルのみを通って流れている時間中には電流測定抵抗の一部だけが導通され、それに対して、勾配磁場コイルを通る通電時には両方の電流測定抵抗が導通される。それにより、ここで提案される回路では両方のケースで同じ電圧が差動増幅器の入力部に生じ、そのようにして、制御プロセスが行われないことが実現される。このようにして電圧源で電圧が変化することが防止され、それによって勾配電流の過渡振動が回避される。
【００２２】
本発明の好ましい実施態様と発展例
５Ｖから３０Ｖの間、好ましくはＵ≦２５Ｖ、特にＵ≒１５Ｖの最大電圧Ｕを生成することができように電圧源が構成される、本発明に係る磁気共鳴装置の実施態様が特別に好ましい。電圧値が高くなるに伴って、接触保護に関わる要求事項もさらに高くなる。
【００２３】
別の好ましい実施態様は、切換部材の少なくとも一部がトランジスタとして製作されていることを特徴とする。このようにして、迅速な切換が容易に可能である。
【００２４】
別の好ましい実施態様は、第１の補助コイルと第２の補助コイルが勾配磁場コイルと直列に、かつ電流方向に応じて相互に交代する代替回路に配置されることを意図する。補助コイルは、迅速な電流上昇のために必要な電圧を短時間、供給する。
【００２５】
１つの好ましい実施態様は、補助コイルのインダクタンスが１０μＨから１０ｍＨの範囲内にあり、好ましくは約１００μＨであることを特徴とする。補助コイルを通るさらに高い通電の可能性によって、そのインダクタンス値は比較的小さくてよい。
【００２６】
勾配磁場コイル及び／又は補助コイルを通る所望の通電を調整することができる制御回路が存在する実施態様も好ましい。例えば熱効果による変化を、そのようにして補正することができる。
【００２７】
本発明に係る磁気共鳴装置の１つの範疇の特別に好ましい実施態様は、電気回路に電流測定抵抗ならびに差動増幅器が存在しており、低圧電圧源は、勾配磁場コイルを通って流れる電流の値を制御ループで制御できるように制御可能であることを特徴とする。
【００２８】
この範疇の実施態様の好ましい発展例は、制御ループによって電流強さを所望の値に、特に一定に、保つことができることを特徴とする。このようにして、正しい電流強さが存在することがいつの時点でも保証される。
【００２９】
その代替又は追加として、別の好ましい発展例では、勾配電流のオンの瞬間に最低限の電圧変化だけが低圧電圧源で生じるように、電気回路で抵抗が最適化されている。それにより、電圧の最低限の過渡振動だけが生じ、そのようにして、ほぼ完ぺきなパルス電流を生成できることが惹起される。
【００３０】
本発明に係る磁気共鳴装置の別の好ましい実施態様は、電気回路で第１の切換部材の前に第１の電気抵抗及びその他の切換部材の前にそれぞれ電気抵抗が存在しており、抵抗比率Ｒ１＿ａ／Ｒ２＿ａ及びＲ１＿ｂ／Ｒ２＿ｂの選択に基づいて勾配磁場コイルを通る電流上昇の時間的推移が影響を受けることを特徴とする。このようにして、方形のパルス形状とは相違する電流上昇を設定することも可能である。
【００３１】
上に説明した本発明の実施態様又はその発展例に基づく磁気共鳴装置の勾配構造を通る可変のパルス波形電流を生成するための電気回路を作動させる方法も、本発明の枠組みに該当しており、この方法は、まず所望の勾配通電の開始前に第３の切換部材と第１の切換部材が導通に切り換えられ、第１の補助コイルを通る所望の電流強さ及び勾配磁場コイルを通る所望の通電への到達後に第２の切換部材が導通に切り換えられると共に第１の切換部材が非導通に切り換えられ、反対向きの電流方向について第４の切換部材と第５の切換部材が導通に切り換えられ、
第２の補助コイルを通る所望の電流強さ及び勾配磁場コイルを通る所望の通電への到達後に第６の切換部材が導通に切り換えられると共に第５の切換部材が非導通に切り換えられることを特徴とする。
【００３２】
本発明のその他の利点は、発明の詳細な説明及び図面から明らかとなる。同様に、上に挙げた構成要件や以下に述べる構成要件は、本発明に基づいてそれぞれ単独で、又は複数の任意の組み合わせとして適用することができる。図示及び記載されている各実施態様は完結した列挙として理解されるべきではなく、むしろ、本発明を記述するための例示としての性格を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】比較的単純な本発明の第１の実施の形態に基づく電気回路を示す模式図である。
【図２】差動増幅器を有する第２の実施の形態に基づく電気回路を示す模式図である。
【図３】補助コイルを通る一般的な電流３Ａ及び電流３Ｂの、並びに勾配磁場コイルを通る電流３Ｃについての、制御パルスの時間的な順序を示す模式的なグラフである。
【図４】本発明に係る磁気共鳴装置で勾配構造を通る可変のパルス波形電流を生成するための電気回路を作動させるときのプロセスステップを示す進行チャートであり、その結果として生じる補助コイルと勾配磁場コイルを通る電流がそれぞれ相違する電流比率について示されている。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明が図面の図とグラフに示されており、実施の形態を参照しながら詳しく説明する。
【００３５】
本発明は、測定容積部で均一な磁場を生成するための主界磁石と、内部抵抗Ｒｇをもつ少なくとも１つの勾配磁場コイルＧとを含み、測定容積部で磁気的な磁場勾配を生成するための勾配構造と、第１の抵抗Ｒ１＿ａと直列に第１の切換部材Ｓｘ１＿ａを含み、これによって第１の補助コイルＬｓ＿ａを通る電流のみをオン又はオフすることができる、勾配構造を通る可変のパルス波形電流を生成するための電気回路とを有し、電気回路は第２の切換部材Ｓ２＿ａを含み、これによって勾配磁場コイルＧ及び第１の補助コイルＬｓ＿ａを通る直列通電を切り換えることができる磁気共鳴装置を前提とする。
【００３６】
この電気回路は、本発明によれば、電気回路がＵ≦１００Ｖの電圧を生成するための少なくとも１つの低圧電圧源Ｖを備え、これにより勾配磁場コイルＧの内部抵抗Ｒｇで定義された電圧降下を調整することができ、電気回路の第１の補助コイルＬｓ＿ａは電圧源Ｖと勾配磁場コイルＧとの間に勾配磁場コイルＧと直列に配置されており、電気回路には電圧源Ｖと第１の補助コイルＬｓ＿ａとの間の第３の切換部材Ｓ１＿ａを含む第１の回路部分が存在しており、第４の切換部材Ｓ１＿ｂと、第２の補助コイルＬｓ＿ｂと、第３の抵抗Ｒ１＿ｂと直列の第５の切換部材Ｓｘ１＿ｂと、第４の抵抗Ｒ２＿ｂと直列の第６の切換部材Ｓ２＿ｂとを有する第２の回路部分が存在して、第１の回路部分に対して反対向きの電流方向を勾配磁場コイルＧで生成することができることを特徴とする。
【００３７】
図１の回路では、比較的単純な本発明の実施の形態が具体化されている。低圧電圧源Ｖにより生成される電圧が回路に恒常的に印加される。この電圧源Ｖの電圧Ｕが、最終的に流れる勾配電流Ｉｇ＝Ｕ／Ｒを規定する。
【００３８】
ここでは、所望の勾配電流の極性に応じてＲ＝Ｒｇ＋Ｒ２＿ａ又はＲ＝Ｒｇ＋Ｒ２＿ｂである。
【００３９】
すなわち、制御可能な電圧源によって、勾配電流の大きさを制御することができる。勾配磁場コイルＧを通る電流パルスが必要とされる前の短時間に、切換部材Ｓ１＿ａ，Ｓｘ１＿ａ又はその代替として勾配電流パルスの所望の電流方向に応じてＳ１＿ｂ，Ｓｘ１＿ｂが、導通に切り換えられる。このことは図３では、Ｓ１＿ａ又はその代替としてＳ１＿ｂについて符号３Ａで示されると共に、切換部材Ｓｘ１＿ａ又はその代替としてＳｘ１＿ｂについて符号３Ｂで示されている。
【００４０】
特に、補助コイルＬｓ＿ａ又はその代替としてＬｓ＿ｂのインダクタンスによって規定される短時間の後に、補助コイルＬｓ＿ａ又はその代替としてＬｓ＿ｂを通る一定の通電が生じ、これは特に抵抗Ｒ１＿ａ又はその代替としてＲ１＿ｂによって、及び電圧源Ｖの出力電圧によって規定される。このことは、図４に曲線４Ｃ，４Ｅ，及び４Ｇで示されている。
【００４１】
電流パルスが勾配磁場コイルＧで必要とされるとき、切換部材Ｓ２＿ａ又はその代替としてＳ２＿ｂが導通に切り換えられ、それと同時にＳｘ１＿ａ又はその代替としてＳｘ１＿ｂが非導通に切り換えられる。このことは、図３に符号３Ｂ及び３Ｃで制御電圧の変化するレベルによって図示されている。
【００４２】
図４の区域４Ａには、このような切換プロセスの時間的推移がＳｘ１＿ａ又はその代替としてＳｘ１＿ｂについて示されており、区域４Ｂには切換部材Ｓ２＿ａ又はその代替としてＳ２＿ｂについて示されている。「非導通」への切換によって、補助コイルＬｓ＿ａ又はその代替としてＬｓ＿ｂで、及びそれに伴って勾配磁場コイルＧでも、一時的な電圧ピークが発生し、これが、勾配磁場コイルＧを通る電流が極端に迅速に上昇するように作用する。勾配磁場コイルＧのインダクタンスＬｇに対する、補助コイルＬｓ＿ａ又はその代替としてＬｓ＿ｂのインダクタンスＬｓの比率が、例えばＬｓ＝Ｌｇのように好都合に選択されていれば、抵抗Ｒ１＿ａ又はその代替としてＲ１＿ｂの選択によって、補助コイルＬｓ＿ａ又はその代替としてＬｓ＿ｂを通る電流を勾配電流パルスの前の時間中に調整して、これが、例えば勾配電流パルスの２倍の値に相当するようにすることができる。このような組み合わせにより、勾配電流の方形のパルス波形への最善の近似が得られる。この勾配電流パルス波形については一般に次式が成り立つ。
【００４３】
Ｉｓ／Ｉｇ＝（Ｌｓ＋Ｌｇ）／Ｌｓ
ここで、Ｉｓは補助コイルを通るインダクタンスＬｓを有する電流であり、Ｉｇは所望の勾配電流である。
【００４４】
この式とは相違する値によって、図４のグラフに示すパルス電流の波形が可能である。図４では区域４Ｃ，４Ｅ，及び４Ｇが、電流Ｉｓ＿ａ又はその代替としてＩｓ＿ｂのさまざまな設定について、補助コイルを通る電流推移を示している。ここで図４の区域４Ｃは、方形の電流パルスの生成に必要であるよりも高い電流を示し、図４の区域４Ｅは最適な電流を示し、図４の区域４Ｇはこれよりも低い電流を示す。図４の区域４Ｄ，４Ｆ及び４Ｈの曲線は、その結果として生じる勾配電流の推移を示す。
【００４５】
抵抗Ｒ２＿ａ及びＲ２＿ｂが必要となるのは、所望の勾配電流のときに電圧源Ｖの電圧が非常に小さくなる程度に、勾配磁場コイルの内部抵抗が小さい場合である。この電圧は、回路の良好な機能を確保するために、できる限り＞５Ｖであるのがよい。
【００４６】
図２の回路では、実際に流れている勾配電流に依存して電圧源Ｖが制御される本発明の実施の形態が具体化されている。
【００４７】
ここでは、電圧源が差動増幅器Ｏによって制御される。これは、勾配電流の大きさを調整することができる電圧Ｕｉを、電流測定抵抗Ｒｍ１及びＲｍ２における電圧と比較して、これらの電圧の間で一致が成立するように電圧源Ｖを調整しようとする。
【００４８】
この回路ですべての切換部材が開くと、すなわち、電流が流れないと、電圧源Ｖの電圧は差動増幅器Ｏによって最大の電圧に合わせて調整される。しかし、勾配電流パルスの前の短時間、補助コイルＬｓ＿ａ又はその代替としてＬｓ＿ｂ及び切換部材Ｓ１＿ａ，Ｓｘ１＿ａ又はその代替としてＳ１＿ｂ，Ｓｘ１＿ｂを通って電流が流れると、電流制御回路がアクティブとなり、電圧源Ｖの出力電圧は、Ｕｉによって設定されるのと同じ電圧が抵抗Ｒｍ１で生じるように調整される。
【００４９】
電流の制御のプロセスは若干の時間を必要とするが、この時間は、補助コイルＬｓ＿ａ又はその代替としてＬｓ＿ｂの充電時間の範囲内に収めることができる。通電がどのように形成されるかの形態はまったく決定的ではない。切換の瞬間に必要な充電電流が、補助コイルＬｓ＿ａ又はその代替としてＬｓ＿ｂを通って流れることが保証されていさえすればよいからである。
【００５０】
勾配電流のオンは、回路１で説明したのと同様に進行する。切換の後、勾配電流がＲｍ１及びＲｍ２を通って流れ、それにより電圧がここで発生し、これが差動増幅器Ｏに供給される。この差動増幅器は、Ｕｉとの一致が成立し、それに伴って所望の勾配電流が流れるように、電圧源Ｖを調整する。切換の瞬間に制御回路の追従制御を引き起こさないために、電流測定抵抗Ｒｍ１及びＲｍ２は、差動増幅器Ｏの入力部で電圧変化が生じないように選択されるのがよい。そのようにして、電流をリセットするための時間が必要になって、その時間中に勾配電流Ｉｇが変化してしまうことが回避される。このことが本例で該当するのは、Ｒｍ１とＲｍ２の抵抗値が等しい場合である。又は、特にＩｓ＿ａ，Ｉｓ＿ｂ、勾配電流Ｉｇ，Ｌｓ＿ａ，Ｌｓ＿ｂ，及び勾配磁場コイルＧのインダクタンスＬｇに依存して、これ以外の抵抗比率も可能である。
【００５１】
特に、切換部材、補助コイル、勾配磁場コイルＧ、及び電圧源Ｖと抵抗Ｒｍ１及びＲｍ２などの、Ｉｓ＿ａ，Ｉｓ＿ｂ，及びＩｇの通電経路におけるすべての内部抵抗を考慮した上で、抵抗Ｒ１＿ａ，Ｒ２＿ａ，Ｒ１＿ｂ，及びＲ２＿ｂを、切換の瞬間に場合により生じる電圧源Ｖの小さな電圧変化にもかかわらず、比率Ｉｓ＿ａ／Ｉｇ又はその代替としてＩｓ＿ｂ／Ｉｇに影響を与えないように選択することができる。このことは、勾配電流Ｉｇのパルス波形の改善のためにも作用する。
【００５２】
このように、本発明に係る回路は、基本的に、低圧電圧源、補助インダクタンスと主インダクタンス、及びインダクタンスを通る所望の電流を調整することができる制御回路の直列回路から成り立っている。電流は、この回路ではまず主インダクタンスを充電し、制御回路（トランジスタ）が開くと主インダクタンスを介して一時的に非常に高い電圧が生成され、これが主インダクタンスにおける電流の非常に迅速な上昇につながる。
【００５３】
従来技術に基づく多くの回路では、高い電圧が用いられることが重要な欠点である。従来技術に基づく別の回路では、電流源が勾配電流のための電流供給部として利用され、このことは、常に、勾配通電の開始時における電流制御プロセスをもたらす。上述した本発明の回路により、さらに迅速で急峻なエッジの勾配電流パルスを、例えば５Ｖの低い動作電圧のときでもすでに生成することができる。
【００５４】
補助インダクタンスでエネルギーが蓄えられ、これが所望の時点で主インダクタンスにおける電流の非常に迅速な上昇のために利用され、そのために高電圧供給が必要になることがない。パルスの電流強さの可変性は、電流制御回路のみによって具体化される。
【００５５】
ＭＲシステムの勾配磁場コイルとしての使用における主インダクタンスの典型的な値は数十μＨからｍＨ領域までの間であり得る。この回路は５〜３０Ｖの間の電圧で、数ｍＡから、例えば１００Ａの電流強さについて利用できるのが好ましく、使用する構成部品のテクニカルデータだけが制約となる。
【００５６】
図３は、上に説明した本発明の方法が実施される切換部材についての制御パルスのタイミングチャートを一例として示す。
【００５７】
３Ａ：電流オン：Ｓ１＿ａ又はその代替としてＳ１＿ｂが、勾配磁場コイルを通る通電方向を決定するために利用される；
３Ｂ：補助コイル充電：Ｓｘ１＿ａ又はその代替としてＳｘ１＿ｂが導通状態で、補助コイルＬｓ＿ａ又はその代替としてＬｓ＿ｂを通る充電電流が流れるのを可能にする；
３Ｃ：勾配電流オン：Ｓ２＿ａ又はその代替としてＳ２＿ｂが導通状態で、電流が勾配磁場を通って流れるのを可能にする。
【００５８】
図４は、本発明に係る磁気共鳴装置の勾配構造を通る可変のパルス波形電流を生成するための電気回路を作動させるときの方法ステップの推移タイミングチャートを示す。
【００５９】
４Ａ：Ｓｘ１＿ａ又はその代替としてＳｘ１＿ｂの制御電圧；
４Ｂ：Ｓ２＿ａ又はその代替としてＳ２＿ｂの制御電圧；
４Ｃ：方形の勾配電流上昇のために必要であるよりも電流が大きいときの補助コイルＬｓ＿ａ又はその代替としてＬｓ＿ｂにおける電流推移；
４Ｄ：方形の勾配電流上昇のために必要であるよりも充電電流が大きいときの勾配磁場コイルにおける電流推移；
４Ｅ：方形の勾配電流上昇のために必要であるのと電流が同程度であるときの補助コイルＬｓ＿ａ又はその代替としてＬｓ＿ｂにおける電流推移；
４Ｆ：方形の勾配電流上昇のために必要であるのと充電電流が同程度であるときの勾配磁場コイルにおける電流推移；
４Ｇ：方形の勾配電流上昇のために必要であるよりも電流が小さいときの補助コイルＬｓ＿ａ又はその代替としてＬｓ＿ｂにおける電流推移；
４Ｈ：方形の勾配電流上昇のために必要であるよりも充電電流が小さいときの勾配磁場コイルにおける電流推移。
【００６０】
本発明に係る方法は、相応に改良された磁気共鳴装置の勾配構造を通る可変のパルス波形電流を生成するための本発明に係る電気回路を作動させる役目を果たすものであり、
まず所望の勾配通電の開始前に第３の切換部材Ｓ１＿ａと第１の切換部材Ｓｘ１＿ａが導通に切り換えられ、
第１の補助コイルＬｓ＿ａを通る所望の電流強さＩｓ＿ａ及び勾配磁場コイルＧを通る所望の通電への到達後に第２の切換部材Ｓ２＿ａが導通に切り換えられると共に第１の切換部材Ｓｘ１＿ａが非導通に切り換えられ、
反対向きの電流方向について第４の切換部材Ｓ１＿ｂと第５の切換部材Ｓｘ１＿ｂが導通に切り換えられ、
第２の補助コイルＬｓ＿ｂを通る所望の電流強さＩｓ＿ｂ及び勾配磁場コイルＧを通る所望の通電への到達後に第６の切換部材Ｓ２＿ｂが導通に切り換えられると共に第５の切換部材Ｓｘ１＿ｂが非導通に切り換えられることを特徴とする。
【符号の説明】
【００６１】
Ｖ  低圧電圧源
Ｕｉ  電圧
Ｇ  勾配磁場コイル
Ｉｇ＿ａ  第１の勾配電流
Ｉｇ＿ｂ  第２の勾配電流
Ｉｓ＿ａ  第１の補助コイルを通る電流
Ｉｓ＿ｂ  第２の補助コイルを通る電流
Ｒｇ  内部抵抗
Ｓｘ１＿ａ  第１の切換部材
Ｓ２＿ａ  第２の切換部材
Ｓ１＿ａ  第３の切換部材
Ｓ１＿ｂ  第４の切換部材
Ｓｘ１＿ｂ  第５の切換部材
Ｓ２＿ｂ  第６の切換部材
Ｒ１＿ａ  第１の抵抗
Ｒ２＿ａ  第２の抵抗
Ｒ１＿ｂ  第３の抵抗
Ｒ２＿ｂ  第４の抵抗
Ｒｍ１  第１の電流測定抵抗
Ｒｍ２  第２の電流測定抵抗
Ｌｓ＿ａ  第１の補助コイル
Ｌｓ＿ｂ  第２の補助コイル
Ｏ  差動増幅器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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