(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧電源およびこの高電圧電源の出力に接続された高耐圧スイッチを有し、磁気共鳴イメージング装置の傾斜磁場コイルに対して前記高耐圧スイッチを介して前記高電圧電源の出力電力を供給する高圧供給部と、
低電圧電源およびこの低電圧電源の出力に接続されるとともに前記高耐圧スイッチよりもオン時の電力損失が小さい低耐圧スイッチを有し、前記傾斜磁場コイルに対して前記低耐圧スイッチを介して前記低電圧電源の出力電力を供給する低圧供給部と、
前記傾斜磁場コイルに流す電流を急変させる電流急変期間では前記傾斜磁場コイルに対して前記高圧供給部から電力を供給する一方、前記傾斜磁場コイルに流す電流を一定に保つ定電流期間では前記傾斜磁場コイルに対して前記低圧供給部から電力を供給するよう、前記高圧供給部および前記低圧供給部を制御する駆動制御部と、
を備え、
前記低電圧電源は、
スイッチ素子を有するコンバータにより構成され、
前記駆動制御部は、
前記定電流期間では、前記低耐圧スイッチを介して前記低電圧電源が出力する低電圧の電力を前記傾斜磁場コイルに供給するよう前記高圧供給部および前記低圧供給部を制御するとともに、所定の定電流が前記傾斜磁場コイルに流れるよう前記低電圧電源の前記スイッチ素子のスイッチング動作を制御する、
コイル駆動装置。
【請求項２】
高電圧電源およびこの高電圧電源の出力に接続された高耐圧スイッチを有し、磁気共鳴イメージング装置の傾斜磁場コイルに対して前記高耐圧スイッチを介して前記高電圧電源の出力電力を供給する高圧供給部と、
低電圧電源およびこの低電圧電源の出力に接続されるとともに前記高耐圧スイッチよりもオン時の電力損失が小さい低耐圧スイッチを有し、前記傾斜磁場コイルに対して前記低耐圧スイッチを介して前記低電圧電源の出力電力を供給する低圧供給部と、
前記傾斜磁場コイルに流す電流を急変させる電流急変期間では前記傾斜磁場コイルに対して前記高圧供給部から電力を供給する一方、前記傾斜磁場コイルに流す電流を一定に保つ定電流期間では前記傾斜磁場コイルに対して前記低圧供給部から電力を供給するよう、前記高圧供給部および前記低圧供給部を制御する駆動制御部と、
前記低圧供給部と前記傾斜磁場コイルの間に設けられた調整用スイッチと、
備え、
前記駆動制御部は、
前記定電流期間では、前記低耐圧スイッチを介して前記低電圧電源が出力する低電圧の電力を前記傾斜磁場コイルに供給するよう前記高圧供給部、前記低圧供給部および前記調整用スイッチを制御するとともに、所定の定電流が前記傾斜磁場コイルに流れるよう前記低耐圧スイッチおよび前記調整用スイッチのスイッチング動作を制御する、
コイル駆動装置。
【請求項３】
高電圧電源およびこの高電圧電源の出力に接続された高耐圧スイッチを有し、磁気共鳴イメージング装置の傾斜磁場コイルに対して前記高耐圧スイッチを介して前記高電圧電源の出力電力を供給する高圧供給部と、
低電圧電源およびこの低電圧電源の出力に接続されるとともに前記高耐圧スイッチよりもオン時の電力損失が小さい低耐圧スイッチを有し、前記傾斜磁場コイルに対して前記低耐圧スイッチを介して前記低電圧電源の出力電力を供給する低圧供給部と、
前記傾斜磁場コイルに流す電流を急変させる電流急変期間では前記傾斜磁場コイルに対して前記高圧供給部から電力を供給する一方、前記傾斜磁場コイルに流す電流を一定に保つ定電流期間では前記傾斜磁場コイルに対して前記低圧供給部から電力を供給するよう、前記高圧供給部および前記低圧供給部を制御する駆動制御部と、
を備え、
前記高圧供給部は、
正の高電圧電源およびこの正の高電圧電源の出力に接続された第１の高耐圧スイッチと、負の高電圧電源およびこの負の高電圧電源の出力に接続された第２の高耐圧スイッチとを有し、
前記低圧供給部は、
正の低電圧電源およびこの正の低電圧電源の出力に接続された第１の低耐圧スイッチと、負の低電圧電源およびこの負の低電圧電源の出力に接続された第２の低耐圧スイッチとを有し、
前記第１の低耐圧スイッチおよび前記第２の低耐圧スイッチは、
前記第１の高耐圧スイッチおよび前記第２の高耐圧スイッチよりもオン時の電力損失が小さく、
前記駆動制御部は、
前記定電流期間のうち正の所定の電流値の定電流を前記傾斜磁場コイルに流す期間には前記正の低電圧電源および前記第１の低耐圧スイッチを用いる一方、前記定電流期間のうち負の所定の電流値の定電流を前記傾斜磁場コイルに流す期間には前記負の低電圧電源および前記第２の低耐圧スイッチを用いるよう前記高圧供給部および前記低圧供給部を制御する、
コイル駆動装置。
【請求項４】
高電圧電源およびこの高電圧電源の出力に接続された高耐圧スイッチを有し、磁気共鳴イメージング装置の傾斜磁場コイルに対して前記高耐圧スイッチを介して前記高電圧電源の出力電力を供給する高圧供給部と、
低電圧電源およびこの低電圧電源の出力に接続されるとともに前記高耐圧スイッチよりもオン時の電力損失が小さい低耐圧スイッチを有し、前記傾斜磁場コイルに対して前記低耐圧スイッチを介して前記低電圧電源の出力電力を供給する低圧供給部と、
前記傾斜磁場コイルに流す電流を急変させる電流急変期間では前記傾斜磁場コイルに対して前記高圧供給部から電力を供給する一方、前記傾斜磁場コイルに流す電流を一定に保つ定電流期間では前記傾斜磁場コイルに対して前記低圧供給部から電力を供給するよう、前記高圧供給部および前記低圧供給部を制御する駆動制御部と、
を備え、
前記高耐圧スイッチおよび前記低耐圧スイッチは直列接続されるとともに、前記傾斜磁場コイルは前記低耐圧スイッチ側に接続され、
前記駆動制御部は、
前記電流急変期間では、前記高耐圧スイッチおよび前記低耐圧スイッチを介して前記高電圧電源が出力する高電圧の電力を前記傾斜磁場コイルに供給するよう前記高圧供給部および前記低圧供給部を制御し、
前記高圧供給部は、前記高耐圧スイッチに逆並列に接続された第１のダイオードを有し、
前記低圧供給部は、前記低耐圧スイッチに逆並列に接続された第２のダイオードを有し、
前記高耐圧スイッチおよび前記低耐圧スイッチがともにオフのとき、前記傾斜磁場コイルに蓄えられたエネルギーが前記第１のダイオードおよび前記第２のダイオードを介して前記高電圧電源に回生する、
コイル駆動装置。
【請求項５】
前記高耐圧スイッチおよび前記低耐圧スイッチは直列接続されるとともに、前記傾斜磁場コイルは前記低耐圧スイッチ側に接続され、
前記駆動制御部は、
前記電流急変期間では、前記高耐圧スイッチおよび前記低耐圧スイッチを介して前記高電圧電源が出力する高電圧の電力を前記傾斜磁場コイルに供給するよう前記高圧供給部および前記低圧供給部を制御する、
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のコイル駆動装置。
【請求項６】
前記電流急変期間は、
正の所定の電流値および負の所定の電流値のいずれか一方から他方へと電流極性を反転させる期間であり、
前記定電流期間は、
前記電流急変期間における反転後の、前記正の所定の電流値および前記負の所定の電流値のいずれか一方の電流値の定電流が前記傾斜磁場コイルに流される期間である、
請求項１ないし５のいずれか１項に記載のコイル駆動装置。
【請求項７】
被検体に対し、自身に流される電流に応じた磁場を印加する傾斜磁場コイルと、
請求項１ないし６のいずれか1項に記載のコイル駆動装置と、
を備えた磁気共鳴イメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、コイル駆動装置および磁気共鳴イメージング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ：Magnetic Resonance Imaging）装置の傾斜磁場コイルに電流が流される期間は、所定の定電流が流される期間（定電流期間）と、電流の極性を反転させる期間（電流急変期間）とが交互に繰り返される。電流急変期間は、できるだけ短時間であることが求められる。傾斜磁場コイルに流れる電流を短時間に急変させて極性を反転させるためには、傾斜磁場コイルに対して大きな逆バイアスを印加するとよい。
【０００３】
このため、電流急変期間では、傾斜磁場コイルの駆動電源装置（Ｇ−ＡＭＰ、以下コイル駆動装置という）として高電圧電源を用いることが好ましい。たとえば、大電流を出力可能な高電圧電源と、高耐圧、大電流のスイッチ（パワー素子）とを有する傾斜磁場コイルの駆動装置を用いることにより、傾斜磁場コイルに流れる電流を短時間に急変させて極性を反転させることができる。また、この種のコイル駆動装置を用いる場合、定電流期間では、高耐圧、大電流のスイッチのスイッチング動作のデューティ比を制御することにより、傾斜磁場コイルに流れる電流が所定の定電流となるように直流電流制御を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２９２９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、大電流を出力可能な高電圧電源は、低電圧電源に比べて電源電力が大きい。このため、高電圧電源を用いる場合、コイル駆動装置のサイズが大きくなってしまう。また、高耐圧のスイッチは素子自身の損失電力が大きいため、水冷装置などの大規模な冷却機構が必要となる。
【０００６】
また、定電流期間では、低電圧かつ大電流の直流電流制御を高い安定性と高い精度で行うこと求められる。しかし、傾斜磁場コイルの駆動電源として高電圧電源を用いると、低電圧かつ大電流の定電流をスイッチング動作で高精度に制御することが難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態に係るコイル駆動装置は、上述した課題を解決するために、高電圧電源およびこの高電圧電源の出力に接続された高耐圧スイッチを有し、磁気共鳴イメージング装置の傾斜磁場コイルに対して高耐圧スイッチを介して高電圧電源の出力電力を供給する高圧供給部と、低電圧電源およびこの低電圧電源の出力に接続されるとともに高耐圧スイッチよりもオン時の電力損失が小さい低耐圧スイッチを有し、傾斜磁場コイルに対して低耐圧スイッチを介して低電圧電源の出力電力を供給する低圧供給部と、傾斜磁場コイルに流す電流を急変させる電流急変期間では傾斜磁場コイルに対して高圧供給部から電力を供給する一方、傾斜磁場コイルに流す電流を一定に保つ定電流期間では傾斜磁場コイルに対して低圧供給部から電力を供給するよう、高圧供給部および低圧供給部を制御する駆動制御部と、を備えたものである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るコイル駆動装置を含むＭＲＩ装置の一例を示すブロック図。
【図２】従来のコイル駆動装置の一例を示す構成図。
【図３】第１実施形態に係るコイル駆動装置の一例を示す機能ブロック図。
【図４】第１実施形態に係るコイル駆動装置の出力部回路の一例を示す図。
【図５】第１実施形態に係る駆動制御部により制御されるスイッチＱ１−Ｑ４のオンオフ動作の一例を示すタイミングチャート。
【図６】（ａ）は正の高電圧電源を実現する回路の一例を示す図、（ｂ）は負の高電圧電源を実現する回路の一例を示す図。
【図７】正の低電圧電源および負の低電圧電源を実現する回路の一例を示す図。
【図８】第２実施形態に係るコイル駆動装置の一例を示す機能ブロック図。
【図９】第２実施形態に係るコイル駆動装置の出力部回路の一例を示す図。
【図１０】第２実施形態に係る駆動制御部により制御されるスイッチＱ１−Ｑ６のオンオフ動作の一例を示すタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明に係るコイル駆動装置および磁気共鳴イメージング装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るコイル駆動装置１０を含むＭＲＩ装置１の一例を示すブロック図である。
【００１１】
静磁場磁石１０１は、中空の円筒形状に形成され、図示しない静磁場電源から供給される電流により内部の空間に一様な静磁場を発生する。たとえば、静磁場磁石１０１は永久磁石や超伝導磁石等により構成される。
【００１２】
ＲＦコイル１０２は、静磁場磁石１０１の開口部内で被検体Ｐに対向するように配設された送受信兼用のコイルである。ＲＦコイル１０２は、送信部１０３からＲＦパルスの供給を受けてＲＦ磁場を発生する。また、ＲＦコイル１０２は、励起によって被検体Ｐの水素原子核から放出される磁気共鳴信号を受信して受信部１０４に与える。
【００１３】
寝台装置１０５は、被検体Ｐが載置される天板１０６を有し、被検体Ｐが載置された天板１０６をＲＦコイル１０２の空洞（撮像口）内へ挿入する。通常、寝台装置１０５は、長手方向が静磁場磁石１０１の中心軸と平行になるように設置される。
【００１４】
寝台制御部１０７は、シーケンス制御部２００を介して計算機システム２０１に制御されて、寝台装置１０５を制御する。寝台制御部１０７は、寝台装置１０５を駆動して、天板１０６を長手方向および上下方向に移動させる。
【００１５】
傾斜磁場コイル１１は、中空の円筒形状に形成され、内部の空間に傾斜磁場を発生する。具体的には、傾斜磁場コイル１１は、静磁場磁石１０１の内側に配置され、コイル駆動装置（傾斜磁場電源）１０から電流の供給を受けて傾斜磁場を発生する。
【００１６】
コイル駆動装置１０は、傾斜磁場コイル１１に流す電流を急変させる電流急変期間と、傾斜磁場コイルに流す電流を一定に保つ定電流期間とを交互に繰り返すように、傾斜磁場コイル１１に流す電流を制御する。
【００１７】
計算機システム２０１は、ＭＲＩ装置１の全体制御や、ＭＲ信号データの収集、画像再構成等を行う。
【００１８】
インタフェース部２１０は、シーケンス制御部２００との間で送受される各種信号の入出力を制御する。たとえば、インタフェース部２１０は、シーケンス制御部２００に対してシーケンス情報を送信し、シーケンス制御部２００からＭＲ信号データを受信する。また、インタフェース部２１０は、ＭＲ信号データを受信した場合に、受信したＭＲ信号データを記憶部２５０に格納する。また、インタフェース部２１０は、送信部１０３からフィードバック情報を受信した場合に、受信したフィードバック情報を主制御部２６０に入力する。
【００１９】
入力部２２０は、たとえばキーボード、タッチパネル、テンキー、マウスやトラックボール等などの一般的な入力装置により構成され、ユーザの操作に対応した操作入力信号を主制御部２６０に出力する。たとえば、入力部２２０は、表示部２３０と協働することによって、各種操作を受け付けるためのＧＵＩ（Graphical  User  Interface）をＭＲＩ装置１の操作者に対して提供する。表示部２３０は、たとえば液晶ディスプレイやＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）ディスプレイなどの一般的な表示出力装置により構成され、主制御部２６０の制御に従って画像データ等の各種情報を表示する。
【００２０】
画像再構成部２４０は、記憶部２５０に記憶されたＭＲ信号データに対して、フーリエ変換等の再構成処理を行うことによってＭＲＩ画像を再構成し、再構成したＭＲＩ画像を記憶部２５０に格納する。
【００２１】
記憶部２５０は、インタフェース部２１０により受信されたＭＲ信号データや、画像再構成部２４０によって格納されるＭＲＩ画像や、ＭＲＩ装置１において用いられるその他のデータを記憶する。記憶部２５０は、磁気的もしくは光学的記録媒体または半導体メモリなどの、主制御部２６０により読み取り可能な記録媒体を含んだ構成を有する。
【００２２】
主制御部２６０は、各部２００、２１０−２５０を制御することによってＭＲＩ装置１を総括的に制御する。たとえば、主制御部２６０は、入力部２２０を介して操作者から入力される撮像条件にもとづいてシーケンス実行データを生成し、生成したシーケンス実行データをシーケンス制御部２００に送信することでＭＲＩ装置１によるスキャンを制御する。なお、主制御部２６０は、たとえば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの集積回路、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）などの電子回路により構成することができる。主制御部２６０は複数のプロセッサにより構成されてもよい。
【００２３】
ここで、従来のコイル駆動装置（傾斜磁場電源）について説明する。
図２は、従来のコイル駆動装置の一例を示す構成図である。
【００２４】
従来のコイル駆動装置は、電流急変期間において傾斜磁場電流に流れる電流を短時間に急変させるため、たとえば複数の高電圧・大電流電源（図２に示す例では１０００Ｖの電源３つ）と、複数の高耐圧・大電流のスイッチにより構成される。ここで、スイッチの耐圧とは、スイッチのオフ時の最大定格電圧をいうものとする。
【００２５】
しかし、高電圧・大電流電源は、出力電圧×出力電流に相当する出力電力が要求される。たとえば、出力電圧３０００Ｖ、出力電流３００Ａの電源であれば、９００ｋＷの電源容量が必要になる。電源は、出力電力が大きいほど大型になる。このため、従来のコイル駆動装置の電源のサイズは大きくなってしまう。
【００２６】
一方、スイッチは、高い素子ほど、オン時における素子の電力損失が高くなってしまう性質がある。たとえば、スイッチとしてパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を採用した場合、高耐圧の素子はオン抵抗（ＲＯＮ）が大きく、素子がオンしているときに電流Ｉが流れると、Ｉ２・ＲＯＮの損失が発生する。また、スイッチとしてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を採用した場合、高耐圧の素子のコレクタ・エミッタ間飽和電圧（ＶＣＥｓａｔ）が高く、素子がオンしているときに電流Ｉが流れると、Ｉ・ＶＣＥｓａｔの損失が発生する。
【００２７】
一般に、傾斜磁場コイル１１に流す電流を変化させるためには、高い電圧を必要とする。傾斜磁場コイル１１のインダクタンスをＬＣ［Ｈ］とし、時間ｔ［ｓｅｃ］で電流をゼロからＩ［Ａ］まで変化させるために必要なコイルの印加する電圧Ｅは、Ｅ＝ＬＣ・Ｉ／ｔ［Ｖ］と書ける。たとえば、ＬＣ＝１［ｍＨ］、ｔ＝１００［μｓ］、Ｉ＝３００［Ａ］とすると、Ｅ＝ＬＣ・Ｉ／ｔ＝１×１０−３×３００／（１００×１０−６）＝３０００［Ｖ］となる（図２参照）。
【００２８】
一方、傾斜磁場コイル１１に一定の電流Ｉ［Ａ］を流すためには、コイルの抵抗ＲＣ［Ω］とコイルに流れる電流Ｉ［Ａ］からＥ＝ＲＣ・Ｉ［Ｖ］の電圧を印加すればよい。たとえば、ＲＣ＝０．１［Ω］、Ｉ＝３００［Ａ］とすると、Ｅ＝ ＲＣ・Ｉ＝０．１×３００＝３０［Ｖ］となる。
【００２９】
たとえば、高耐圧のスイッチとしてＩＧＢＴを用いる場合、図２に示す従来のコイル駆動装置で必要とされる耐圧を有するＩＧＢＴのオン時の電圧は約２［Ｖ］程度である。このため、傾斜磁場コイルに一定の電流を流しているとき、スイッチ素子１個当たりの電力損失は、２×３００＝６００［Ｗ］となる。図２に示す例では、傾斜磁場コイル１１に電流を流す際にＯＮとなる素子が６個あるため、回路全体での損失は６００×６＝３６００［Ｗ］と非常に大きくなる。このため、従来のコイル駆動装置では、スイッチの発熱を無視することはできず、水冷装置などの大掛かりな冷却機構が必要となり、装置全体のサイズが巨大化してしまう。
【００３０】
また、従来のコイル駆動装置では、傾斜磁場コイル１１に流す電流を一定に保つ際に傾斜磁場コイル１１に印加する電圧は、スイッチをスイッチング動作させることで得ていた。たとえば、上記例のように３０００［Ｖ］の高圧電源からスイッチングで３０［Ｖ］の電圧を得るには、スイッチのオン時間をＴＯＮ、オフ時間をＴＯＦＦとすると、３０［Ｖ］／３０００［Ｖ］＝ＴＯＮ／（ＴＯＮ＋ＴＯＦＦ）となるようオン時間およびオフ時間を調整する。しかし、この例の場合では、スイッチング周期（ＴＯＮ＋ＴＯＦＦ）に対してオン時間を１／１００にしなければならない。また、傾斜磁場コイル１１に流れる電流を０．１％の精度で制御するためには、制御回路にはスイッチング周期の１／１０００００以下の分解能が要求されてしまう（１／１００×０．００１＝１／１０００００）。このため、従来のコイル駆動装置では、定電流期間においても高電圧電源を用いざるを得ないために、定電流期間において電流を高精度に制御することが非常に難しい。
【００３１】
そこで、本実施形態に係るコイル駆動装置１０は、電流急変期間では高電圧電源および高耐圧スイッチを用いることで電流を急変させるとともに、定電流期間では低電圧電源を用いて低耐圧のスイッチを利用可能とすることでスイッチ素子の電流損失を低減する。
【００３２】
図３は、第１実施形態に係るコイル駆動装置１０の一例を示す機能ブロック図である。
【００３３】
図３に示すように、本実施形態に係るコイル駆動装置１０は、高圧供給部１２、低圧供給部１３および駆動制御部１４を有する。
【００３４】
高圧供給部１２は、高電圧電源２１およびこの高電圧電源の出力に接続された高耐圧スイッチ２２を有する。高圧供給部１２は、傾斜磁場コイル１１に対して高耐圧スイッチ２２を介して高電圧電源２１の出力電力を供給する。
【００３５】
低圧供給部１３は、低電圧電源３１およびこの低電圧電源の出力に接続された低耐圧スイッチ３２を有する。低圧供給部１３は、傾斜磁場コイル１１に対して低耐圧スイッチ３２を介して低電圧電源３１の出力電力を供給する。高耐圧スイッチ２２および低耐圧スイッチ３２は直列接続されるとともに、傾斜磁場コイル１１は低耐圧スイッチ３２側に接続される。
【００３６】
高耐圧スイッチ２２および低耐圧スイッチ３２は、それぞれＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどにより構成することができる。低耐圧スイッチ３２としては、高耐圧スイッチ２２よりもオン時の電力損失が小さいものを用いる。低耐圧スイッチ３２としてＭＯＳＦＥＴ素子を用いる場合、複数のＭＯＳＦＥＴを並列接続することにより、実質的なオン抵抗を低減することができる。
【００３７】
駆動制御部１４は、電流急変期間では傾斜磁場コイル１１に対して高圧供給部１２から電力を供給する一方、定電流期間では傾斜磁場コイル１１に対して低圧供給部１３から電力を供給するよう、高圧供給部１２および低圧供給部１３を制御する。駆動制御部１４は、たとえばプロセッサを含むマイクロコントローラにより構成することができる。また、駆動制御部１４は、複数のプロセッサにより構成されてもよい。また、駆動制御部１４は、主制御部２６０の機能実現部であってもよい。この場合、駆動制御部１４はシーケンス制御部２００を介して高圧供給部１２および低圧供給部１３を制御する。
【００３８】
図４は、第１実施形態に係るコイル駆動装置１０の出力部回路の一例を示す図である。
【００３９】
高圧供給部１２は、正の高電圧電源２１ｐおよびこの正の高電圧電源２１ｐの出力に接続された高耐圧スイッチＱ１と、負の高電圧電源２１ｍおよびこの負の高電圧電源２１ｍの出力に接続された高耐圧スイッチＱ２とを有する。一方、低圧供給部１３は、正の低電圧電源３１ｐおよびこの正の低電圧電源３１ｐの出力に接続された低耐圧スイッチＱ３と、負の低電圧電源３１ｍおよびこの負の低電圧電源３１ｍの出力に接続された高耐圧スイッチＱ４とを有する。
【００４０】
Ｖ１（Ｖ２）には正（負）の高電圧電源２１ｐ（２１ｍ）から高電圧が印加されている。一方、Ｖ３（Ｖ４）には正（負）の低電圧電源３１ｐ（３１ｍ）から低電圧が印加されている。
【００４１】
スイッチＱ３、Ｑ４としては、スイッチＱ１、Ｑ２に比べてオン時の電力損失が小さいものが用いられる。
【００４２】
スイッチＱ３がオンのとき、傾斜磁場コイル１１にはプラス向きの電流が流れる。また、スイッチＱ４がオンのとき、傾斜磁場コイル１１にマイナス向きの電流が流れる。スイッチＱ１およびＱ３がともにオンのときは、傾斜磁場コイル１１にプラス向きの高電圧が印加され、傾斜磁場コイル１１の電流を短時間で増加させる。また、スイッチＱ２およびＱ４がともにオンのときは、傾斜磁場コイル１１にマイナス向きの高電圧が印加され、傾斜磁場コイル１１の電流を短時間で減少させる。
【００４３】
図５は、第１実施形態に係る駆動制御部１４により制御されるスイッチＱ１−Ｑ４のオンオフ動作の一例を示すタイミングチャートである。
【００４４】
まず、傾斜磁場コイル１１に電流が流れていない状態（時間ｔ＝ｔ１）から、電流急変期間Ｔ１＝１００［μｓ］で３００［Ａ］まで増加させる動作について説明する。なお、動作説明を簡単にするためスイッチＱ１からＱ４、ダイオードＤ１からＤ６の電圧降下は考慮しないものとする。
【００４５】
Ｖ１には、３０００［Ｖ］の電圧が印加されている。時間ｔ＝ｔ１においてＱ１とＱ３をオンにすると、傾斜磁場コイル１１には３０００［Ｖ］の電圧が印加され、傾斜磁場コイル１１に流れる電流Ｉは時間ｔとともに上昇する。傾斜磁場コイル１１のインダクタンスをＬＣとすれば、電流ＩはＩ＝（Ｖ１／ＬＣ）・ｔに従って上昇する。いま、ＬＣ ＝ １［ｍＨ］とすれば、Ｑ１とＱ３がオンしてから１００［μｓ］後（ｔ＝ｔ２）に電流は３００［Ａ］に達する。
Ｉ＝（３０００／１×１０−３）×１００×１０−６＝３００［Ａ］
【００４６】
傾斜磁場コイル１１に流れる電流は、図示しない電流検出器により検出される。駆動制御部１４は、目的の電流に達した時点でＱ１をオフにする。電流検出器は、たとえば傾斜磁場コイル１１近傍のコイル駆動装置１０側に設けるとよい。なお、Ｑ１、Ｑ３がオンのとき、ダイオードＤ５は逆バイアスとなり、Ｖ３からの電流は流れない。
【００４７】
次に、傾斜磁場コイル１１に流れる電流が目標の電流に達した後の期間Ｔ２（定電流期間）では、駆動制御部１４は、Ｑ３のみをオンにし、Ｖ３からＤ５とＱ３を通して傾斜磁場コイル１１に電流を流し続ける。傾斜磁場コイル１１の抵抗ＲＣ＝０．１［Ω］、傾斜磁場コイル１１に流す電流Ｉ＝３００［Ａ］とすると、Ｖ３の電圧は、Ｖ３＝ＲＣ・Ｉ＝０．１×３００ ＝ ３０［Ｖ］となる。
【００４８】
次に、傾斜磁場の傾き方向を変えるため、傾斜磁場コイル１１に流れる電流の向きを変えるときは、駆動制御部１４は、まずスイッチＱ３をオフにする（ｔ＝ｔ３）。すると、傾斜磁場コイル１１に蓄えられたエネルギーは、スイッチＱ２とＱ４に対してそれぞれ逆並列に接続されたダイオードＤ２とＤ４を通してコンデンサＣ２に回生される。このときＶ２には−３０００Ｖが印加されているため、コンデンサＣ２には−３０００Ｖの電圧が印加されている。傾斜磁場コイル１１のエネルギー回生によりＣ２の電圧がほとんど影響されないようなキャパシタンスを選ぶとすると、Ｑ３がオフしてから期間Ｔ３＝１００［μｓ］後に傾斜磁場コイル１１の電流はゼロになる（ｔ＝ｔ４）。
Ｉ＝３００＋（Ｖ２／ＬＣ）・ｔ
＝３００＋（−３０００／１×１０−３）×１００×１０−６
＝０［Ａ］
【００４９】
駆動制御部１４は、傾斜磁場コイル１１に流れる電流がゼロになったことを検知すると（ｔ＝ｔ４）、スイッチＱ２とＱ４をオンにし、傾斜磁場コイル１１にマイナス方向の電流を流す。Ｖ２は−３０００［Ｖ］なので、傾斜磁場コイル１１に流れる電流Ｉは、スイッチＱ２とＱ４がオンしてからの時間をｔとすれば、Ｉ＝（Ｖ２／ＬＣ）・ｔに従って減少する。このため、時間ｔ＝ｔ４から期間Ｔ４＝１００［μｓ］後の時間ｔ＝ｔ５には、
Ｉ＝（Ｖ２／ＬＣ）・ｔ
＝（−３０００／１×１０−３）×１００×１０−６
＝−３００［Ａ］
【００５０】
となる。なお、Ｑ２、Ｑ４がオンのとき、ダイオードＤ６は逆バイアスとなり、Ｖ４からの電流は流れない。
【００５１】
駆動制御部１４は、目的の電流値＝−３００Ａに達したことを検知すると、スイッチＱ２をオフにする（ｔ＝ｔ５）。すると、傾斜磁場コイル１１からＱ４、Ｄ６を通してＶ４に電流が流れ続ける。傾斜磁場コイル１１の抵抗ＲＣ＝０．１［Ω］、傾斜磁場コイル１１に流す一定の電流Ｉ＝−３００［Ａ］とすると、Ｖ４の電圧は、Ｖ４＝ＲＣ・Ｉ＝０．１×（−３００）＝−３０［Ｖ］となる。
【００５２】
次に、駆動制御部１４は、期間Ｔ５の定電流期間後にスイッチＱ４をオフにする（ｔ＝ｔ６）。すると、傾斜磁場コイル１１に蓄えられたエネルギーは、スイッチＱ３、Ｑ１に対してそれぞれ逆並列に接続されたダイオードＤ３、Ｄ１を通って、コンデンサＣ１に回生される。このときＶ１は３０００Ｖであり、コンデンサＣ１には３０００Ｖの電圧が印加されている。傾斜磁場コイル１１のエネルギー回生によりＣ１の電圧がほとんど影響されないようなキャパシタンスを選ぶと、Ｑ４がオフしてから期間Ｔ６＝１００［μｓ］後に傾斜磁場コイル１１の電流はゼロになる（ｔ＝ｔ７）。
Ｉ＝−３００＋（Ｖ１／ＬＣ）・ｔ
＝−３００＋（３０００／１×１０−３）×１００×１０−６
＝０［Ａ］
【００５３】
ＭＲＩ装置１のデータ収集期間中において、以上の時間ｔ＝ｔ１〜ｔ７のシーケンスが繰り返される。
【００５４】
図６（ａ）は正の高電圧電源２１ｐを実現する回路の一例を示す図であり、（ｂ）は負の高電圧電源２１ｍを実現する回路の一例を示す図である。
【００５５】
Ｖ１とＶ２に印加される高電圧は、たとえば図６に示すようにフライバック・トランスを使用したコンバータ（フライバック・コンバータ）を用いて作ることができる。フライバック・コンバータによれば、高電圧を簡単な回路で作ることができる。
【００５６】
駆動制御部１４は、図６に示す高電圧発生回路を制御して高電圧電源２１の出力電圧Ｖ１、Ｖ２を制御することにより、電流急変期間における電流の変化速度を制御することができる。
【００５７】
また、コンデンサＣ１、Ｃ２のキャパシタンスとして、傾斜磁場コイル１１に蓄えられたエネルギーを回生しても電源変動が少ないものを選ぶことにより、傾斜磁場コイル１１に流れる電流の向きを短時間で変える期間（電流急変期間、図５の期間Ｔ１、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ６参照）において、Ｃ１またはＣ２に蓄えられたエネルギーを使用することができる。このため、フライバック・トランスおよびその駆動回路の素子を小さな定格のものとすることができる。したがって、コンデンサＣ１、Ｃ２のキャパシタンスを適切に選ぶことにより、コイルエネルギーを活用することができ、Ｖ１、Ｖ２用の電源回路を小型に作ることができる。
【００５８】
図７は、正の低電圧電源３１ｐおよび負の低電圧電源３１ｍを実現する回路の一例を示す図である。
【００５９】
Ｖ３とＶ４に印加される低電圧は、たとえば図７に示すように、フルブリッジのフォワード型コンバータで作ることができる。フルブリッジのフォワード型コンバータによれば、大電流の電源を効率よく作ることができる。
【００６０】
駆動制御部１４は、図７に示す低電圧発生回路を制御して低電圧電源３１の出力電圧Ｖ３、Ｖ４を制御することにより、定電流期間における傾斜磁場コイル１１の電流が設定値（所定の定電流値）になるよう制御することができる。このため、傾斜磁場コイル１１の個体差や、連続使用などによる温度変化に起因する抵抗値Ｒｃの変化に対しても、容易に対応し定電流を維持することができる。
【００６１】
また、駆動制御部１４は、低耐圧スイッチ３２（Ｑ３、Ｑ４）のスイッチング動作を制御することによって、定電流期間における傾斜磁場コイル１１の電流を制御してもよい。たとえば、電源回路に使用したトランスの二次巻き線電圧を１２０［Ｖ］に設計すれば、傾斜磁場コイル１１に一定の電流を流す期間（定電流期間、図５の期間Ｔ２、Ｔ５参照）において、３０［Ｖ］を得るためにはスイッチング素子のデューティ比は約０．２５でよい。このため、コイル駆動装置１０は、従来のコイル駆動装置（上記例ではデューティ比０．０１）に比べ、Ｖ３およびＶ４の電圧を精度よく調整することができる。
【００６２】
本実施形態に係るコイル駆動装置１０およびＭＲＩ装置１は、傾斜磁場コイル１１に一定の電流をながすときは、低電圧電源３１および電力損失の小さい低耐圧スイッチ３２を使用する。このため、従来のコイル駆動装置にくらべ、冷却装置を極めて簡素なものとすることができる。また、傾斜磁場コイル１１の電流を変化させるときは高電圧電源２１および高耐圧スイッチ２２を使用するものの、電流急変期間は短いため、高耐圧スイッチ２２の発熱量は小さくてすむ。
【００６３】
また、コイル駆動装置１０およびＭＲＩ装置１は、傾斜磁場コイル１１に一定の電流を流すときは低電圧電源３１を制御するが、上述の通り、低電圧電源３１のスイッチング素子（図７の１次側回路参照）はデューティ比（スイッチング素子のオン時間ＴＯＮ、とスイッチング周期（ＴＯＮ＋ＴＯＦＦ）の比率）を約０．２５になるように設計できる。このため、傾斜磁場コイル１１に流れる電流を０．１％の精度で制御する場合、制御回路に要求される分解能はスイッチング周期の１／４０００で済むことから、容易に高精度の制御回路を実現することができる（１／４×０．００１＝１／４０００）。
【００６４】
したがって、コイル駆動装置１０およびＭＲＩ装置１によれば、傾斜磁場コイル１１に流れる電流を高精度に一定に保つことができるとともに短時間で反転させることができ、かつ、スイッチ２２、３２の発熱を抑えて冷却装置を簡略化することができる。
【００６５】
（第２の実施形態）
次に、本発明に係るコイル駆動装置およびＭＲＩ装置の第２実施形態について説明する。図８は、第２実施形態に係るコイル駆動装置１０Ａの一例を示す機能ブロック図である。また、図９は、第２実施形態に係るコイル駆動装置１０Ａの出力部回路の一例を示す図である。
【００６６】
この第２実施形態に示すコイル駆動装置１０Ａは、調整回路４２を備え、Ｖ１−Ｖ４の出力側回路のスイッチング動作で電流制御を行う点で第１実施形態に示すコイル駆動装置１０Ａと異なる。他の構成および作用については図１に示すコイル駆動装置１０と実質的に異ならないため、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００６７】
本実施形態において、駆動制御部１４Ａは、駆動制御部１４Ａが高電圧電源２１Ａおよび低電圧電源３１Ａを制御する必要がない。このため、高圧供給部１２Ａの高電圧電源２１Ａおよび低圧供給部１３Ａの低電圧電源３１Ａは、第１実施形態の図６および図７に示した回路に比べて非常に単純な構成とすることができる。
【００６８】
調整回路４２の調整用スイッチ４１（図９のＱ５、Ｑ６参照）は、傾斜磁場コイル１１の電流を還流させるために必要となる。この調整用スイッチ４１は、高耐圧スイッチであることが好ましい。
【００６９】
図１０は、第２実施形態に係る駆動制御部１４Ａにより制御されるスイッチＱ１−Ｑ６のオンオフ動作の一例を示すタイミングチャートである。以下、図５との差異について説明する。
【００７０】
図１０に示すように、駆動制御部１４Ａは、Ｖ１−Ｖ４の出力側回路のスイッチング動作（ＳＷ動作）で傾斜磁場コイル１１に流れる電流の制御を行う。
【００７１】
駆動制御部１４Ａは、期間Ｔ１において、スイッチＱ１、Ｑ３およびＱ５をオンにするとともに、Ｑ１およびＱ５のスイッチング動作により電流の加速制御を行う。期間Ｔ２では、スイッチＱ３およびＱ５のスイッチング動作により定電流制御を行う。期間Ｔ３ではスイッチＱ５のスイッチング動作で減速制御を行う。期間Ｔ４ではスイッチＱ２、Ｑ４およびＱ６をオンにするとともに、Ｑ２およびＱ６のスイッチング動作により電流の加速制御を行う。期間Ｔ５では、スイッチＱ４およびＱ６のスイッチング動作により定電流制御を行う。そして、駆動制御部１４Ａは、期間Ｔ６において、スイッチＱ６のスイッチング動作で減速制御を行う。
【００７２】
本実施形態に係るコイル駆動装置１０Ａによっても、傾斜磁場コイル１１に流れる電流を高精度に一定に保つことができるとともに短時間で反転させることができ、かつ、スイッチ２２、３２の発熱を抑えて冷却装置を簡略化することができる。
【００７３】
また、本実施形態に係るコイル駆動装置１０Ａは、高圧供給部１２Ａの高電圧電源２１Ａおよび低圧供給部１３Ａの低電圧電源３１Ａを制御する必要がないため、その構成を簡素なものとすることができる。
【００７４】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７５】
１０、１０Ａ  コイル駆動装置
１１  傾斜磁場コイル
１２、１２Ａ  高圧供給部
１３、１３Ａ  低圧供給部
１４、１４Ａ  駆動制御部
２１、２１Ａ  高電圧電源
２２  高耐圧スイッチ
３１、３１Ａ  低電圧電源
３２  低耐圧スイッチ
４１  調整用スイッチ
【図１】
0006479359.tif 000002
【図２】
0006479359.tif 000003
【図３】
0006479359.tif 000004
【図４】
0006479359.tif 000005
【図５】
0006479359.tif 000006
【図６】
0006479359.tif 000007
【図７】
0006479359.tif 000008
【図８】
0006479359.tif 000009
【図９】
0006479359.tif 000010
【図１０】
0006479359.tif 000011