(57)【要約】【課題】磁気共鳴システムにおける並列励起のためのＲＦ出力増幅器を提供する。【解決手段】磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムの多重送信コイル（４０３、４０４）を駆動するための超低出力インピーダンスＲＦ出力増幅器（４０１、４０２）であって、所望の出力パワー及びインピーダンスを得るようにＭＲＩシステム内の少なくとも１つの送信コイルと動作可能に結合された高出力ＭＯＳＦＥＴ（３１１）を有する出力整合網（３０８）を備えた超低出力インピーダンスＲＦ出力増幅器について記載している。本発明はさらに、このＲＦ出力増幅器を用いて少なくとも１つの送信コイルを駆動することによって脱結合を実現するための方法を記述している。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムの多重送信コイル（４０３、４０４）を駆動するための無線周波数（ＲＦ）出力増幅器（４０１、４０２）であって、所望の出力パワー及びインピーダンスを得るようにＭＲＩシステム内の少なくとも１つの送信コイルと動作可能に結合された高出力ＭＯＳＦＥＴ（３１１）を有する出力整合網（３０８）を備えるＲＦ出力増幅器。
【請求項２】
前記出力整合網（３０８）はパワー駆動のためにＭＯＳＦＥＴ（３１１）と結合させており、また該出力整合網（３０８）は、ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間インピーダンスをある所望の値に変換するため、並びに所望の出力パワーを得るように負荷インピーダンス（３０９）をＭＯＳＦＥＴの最適負荷値に変換するためにＭＯＳＦＥＴの出力に付与された誘導性構成要素（３１２）及び共振網を備えている、請求項１に記載の増幅器。
【請求項３】
前記共振網は、ＭＯＳＦＥＴ（２０６）のドレイン−ソース抵抗性構成要素を
【数７】
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に従ってある出力インピーダンス（３１５）に変換するような容量性構成要素（３１０、３１４）及び誘導性構成要素（３１３）を備える、請求項２に記載の増幅器。
【請求項４】
前記出力整合網（３０８）はさらに、コイル入力インピーダンス（３１７）を
【数８】
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に従ってある負荷インピーダンス（３０９）に変換しており、かつ該出力整合網はさらに、該負荷インピーダンス（３０９）を
【数９】
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に従ってＭＯＳＦＥＴの最適負荷に変換している、請求項２に記載の増幅器。
【請求項５】
出力整合網（３０８）と、送信コイル脱結合のために約１０オーム未満の所望の出力インピーダンスを提供しかつ利用可能出力パワーを最大化するように出力整合網（３０８）の入力と動作可能に結合させた高出力ＭＯＳＦＥＴ（３１１）と、を備える並列送信における送信コイル脱結合のための超低出力インピーダンス無線周波数（ＲＦ）出力増幅器（４０１、４０２）。
【請求項６】
前記出力整合網（３０８）は、所望の出力パワー及び出力インピーダンスを実現するためにＭＯＳＦＥＴの出力に付与された誘導性構成要素（３１２）及び共振網を備える、請求項５に記載の並列送信用超低出力インピーダンスＲＦ出力増幅器（４０１、４０２）。
【請求項７】
前記共振網はＭＯＳＦＥＴ（２０６）のドレイン−ソース抵抗性構成要素を
【数１０】
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に従って出力インピーダンス（３１５）に変換するような容量性構成要素及び誘導性構成要素（３１０、３１４、３１３）を備える、請求項６に記載の並列送信用超低出力インピーダンスＲＦ増幅器。
【請求項８】
前記出力整合網（３０８）はさらに、コイル入力インピーダンス（３１７）を
【数１１】
2009119265.tif 000013
に従ってある負荷インピーダンス（３０９）に変換しており、かつ該出力整合網（３０８）はさらに、該負荷インピーダンス（３０９）を
【数１２】
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に従ってＭＯＳＦＥＴの最適負荷に変換している、請求項６に記載の並列送信用超低出力インピーダンスＲＦ出力増幅器（４０１、４０２）。
【請求項９】
少なくとも１つの送信コイル（４０３、４０４）を駆動するように無線周波数（ＲＦ）出力増幅器（４０１、４０２）を用いて脱結合を実現するための方法であって、
出力整合網（３０８）を用いてＭＯＳＦＥＴ（２０６）のドレイン−ソース抵抗性構成要素をある所望の出力インピーダンス（３１５）に変換する工程と、
少なくとも１つの送信コイルの入力インピーダンス（３１７）をある負荷インピーダンス（３０９）に変換する工程と、
ある所望の出力パワーを得るように前記負荷インピーダンスをＭＯＳＦＥＴの最適負荷に整合させる工程と、
を含む方法。
【請求項１０】
共振網の容量性構成要素と誘導性構成要素（３１０、３１３、３１４）の共振によってＭＯＳＦＥＴ（２０６）のドレインソース抵抗性構成要素を出力インピーダンス（３１５）
【数１３】
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に変換している、請求項９に記載の少なくとも１つの送信コイルを駆動するためにＲＦ出力増幅器を用いて脱結合を実現するための方法。
【請求項１１】
コイルの入力インピーダンス（３１７）は出力整合網（３０８）により
【数１４】
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に従ってＭＯＳＦＥＴ（３１１）から見た負荷インピーダンス（３０９）に変換されており、かつ該負荷インピーダンス（３０９）は出力整合網（３０８）により
【数１５】
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に従ってＭＯＳＦＥＴの最適負荷と整合させている、請求項９に記載の少なくとも１つの送信コイルを駆動するためにＲＦ出力増幅器（４０１、４０２）を用いて脱結合を実現するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気共鳴システムに関し、さらに詳細には磁気共鳴システムにおける並列励起のためのＲＦ出力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気共鳴（ＭＲ）分野においては、多重送信素子による並列ＲＦ送信を用いてスピン励起を改善することによって様々な用途に恩恵がもたらされることになり、非常に積極的な発展がなされてきた。高磁場のＭＲでは、個別のコイル素子からなるバードケージコイルや送信アレイに対してマルチポート励起を実施する際に駆動電流振幅及び位相を最適化することによって、特に波の伝播及び誘電体効果に起因するＲＦ磁場の不均一性を低減することができる。個別の送信チャンネルのＲＦ波形を独立に制御し、多次元励起の高速化及びパワー預託の管理に関する本格的な並列ＲＦ送信の機能を活用することによって、ＲＦ磁場の均一性効果をさらに低減することが可能である。
【０００３】
本格的な並列ＲＦ送信原理に関する直接的確認のためには最近の発展がサポートとなってきた。しかし効率のよい並列送信コイルアレイの開発が大きな問題として残っている。送信コイル素子同士の結合は、送信コイルアレイの製作及び使用法に対する主要な問題点の１つである。コイル間結合の問題に対処するためには多くの方式が提唱されてきた。こうした方式の１つは、並列ＲＦ受信に関して前置増幅器脱結合スキームを規定することである。このスキームによれば、前置増幅器の入力インピーダンスがほぼゼロまで低減され、これによってその出力ポート位置にある対応する受信コイルから見た入力インピーダンスが最大化され、コイル内で結合電流を阻止することができる。しかし並列送信では、事実上コイルから見た典型的なＲＦ増幅器の５０Ωインピーダンスのために類似のスキームを実施することは無効である。
【０００４】
コイル間結合の問題に対処するためには、多くの脱結合法が提唱されている。方法の分類の１つでは、コイルに対して部分的な幾何学的重複を導入し、コイル間の相互インダクタンスをゼロにしている。この方法は最も近くにある隣り合った素子同士に関してのみ有効であり、個別のコイルの幾何学形状や配置に関して厳しい制約が科せられる傾向がある。別の分類の一方法では、容量性または誘導性の脱結合ブリッジあるいはマルチポート網を利用しているが、これにはＲＦ損失の増加、脱結合回路やチューニング作業の複雑性の増大という不利益が伴う。第３分類の方法は、例えばＲＦ出力ＭＯＳＦＥＴをＴＥＭコイルのラング（ｒｕｎｇ）と一体化することや、非共振のループ形状コイルを直接駆動することによって、ソースインピーダンスを大きくして結合誘導電流を抑制している。これらの例ではＭＯＳＦＥＴは、概ね電流源の役割をし、このために駆動ポート位置において高いインピーダンスをもたらすように構成される。しかしこの方法における直列共振素子は、ＭＯＳＦＥＴに対して不整合の劣悪な負荷となり、その最大利用可能出力パワーが大幅に劣化することがあり得る。第４分類の方法は能動的脱結合を利用する。この方法では、先ず素子コイル間の結合を較正した後で、アナログ回路またはディジタルベクトル変調アレイのいずれかによって認識される各素子の駆動電圧間の適正な相関を導入し、その電流内の結合成分を相殺している。
【特許文献１】米国特許第７０７５３０１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、アレイの幾何学構成に関する制約を排除することによって並列送信利用を支援しかつ送信性能の最適化を容易にするような脱結合法を開発するためのシステム及び方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
並列ＲＦ送信では送信コイルアレイの電流を連係して設定するために多重送信チェーンが利用される。一方これらの電流は対象内に送信磁場を誘導する。しかし素子コイルのそれぞれの電流はコイル間結合による劣化を受けるのが典型的である。結合誘導される劣化成分は、素子コイルから見たソースインピーダンスにより大きな影響を受ける。上述した欠点を克服するために本発明の実施形態は、ＲＦ出力増幅器及び／または素子コイルに関する整合網の支援によって送信アレイの素子間分離を改善している。
【０００７】
第１の態様では、多重ＲＦ送信コイル磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムを駆動するための無線周波数（ＲＦ）出力増幅器を提供する。本ＲＦ増幅器は、ある所望の出力パワー及びインピーダンスを得るようにＭＲＩシステム内の少なくとも１つの送信コイルと動作可能に結合された高出力ＭＯＳＦＥＴを有する出力整合網を含む。
【０００８】
別の態様では、並列励起における送信コイル脱結合のための超低出力インピーダンス無線周波数（ＲＦ）出力増幅器を提供する。本超低出力インピーダンス無線周波数（ＲＦ）増幅器は、出力整合網と、送信コイル脱結合のための所望の出力インピーダンスを提供しかつ利用可能パワーを最大化するように出力整合網の入力と動作可能に結合させた高出力ＭＯＳＦＥＴと、を含む。
【０００９】
さらに別の態様では、少なくとも１つの送信コイルを駆動するために無線周波数（ＲＦ）出力増幅器を用いて脱結合を実現するための方法を提供する。本方法は、出力整合網を用いてＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース抵抗性構成要素をある所望の出力インピーダンスに変換する工程と、少なくとも１つの送信コイルの入力インピーダンスをある負荷インピーダンスに変換する工程と、ある所望の出力パワーを得るように該負荷インピーダンスをＭＯＳＦＥＴの最適負荷に整合させる工程と、を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
図１を参照すると、２つの独立のＲＦ出力増幅器１０１、１０２により駆動された２つの同一のコイル１０３、１０４に関する等価回路モデルを表している。各出力増幅器はソース抵抗ｒｓを有する電圧源としてモデル化している。整合用構成要素を伴わない場合の各コイルのインピーダンスはｒ＋ｊｘであり、またこれら２つのコイル間の誘導性結合は相互インダクタンスＭによって捕捉される。一般的な構成を表すように、各コイル上にある１つのコンデンサと１つのインダクタからなるＬ字形整合網は、直列共振コイルの低いインピーダンスをある所望の値（通常は、５０Ω）に変換するのみならず、入力電流をｘ／ｒ倍に増幅もしている。この２つのコイル１０３、１０４がそれぞれの対応する増幅器１０１、１０２により駆動されると、コイル１０３を流れる電流Ｉは２つの成分から構成されており、その所望の成分Ｉ（Ｓ）は制御電圧Ｖ１に由来するものでありまた不要な（劣化性の）成分Ｉ（Ｍ）はＶ２に由来する。
【００１２】
【数１】
2009119265.tif 000003
（式１）
上式において、ωはラーモア周波数である。結合効果に起因する電流劣化の程度は、Ｉ（Ｍ）対Ｉ（Ｓ）の比で表現することが可能である。
【００１３】
【数２】
2009119265.tif 000004
（式２）
ｒ、ｘ、Ｍ及びωを与えるとこの比の最小値は、ｒｓの最小化によって実現される（このことは、ソースインピーダンスの最小化によって分離が改善されることを示唆する）。
【００１４】
実際の半導体ＲＦ出力増幅器では、所望のレベルに合わせたＲＦ出力の駆動のために酸化金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）がよく使用されている。ＭＯＳＦＥＴはそのＤＣ特性の飽和領域で動作しているときは、概ね電圧制御型電流源として挙動する。図２は、ドレイン−ソース間抵抗ＲＤＳ２０６が極めて高い値であることが特徴的である場合の等価回路モデルを表している。ＭＯＳＦＥＴは固定のＤＣドレイン−ソース間電圧２０５によって線形モード（Ａ級またはＡＢ級）で動作していると、歪みの無いその最大出力パワーは本質的にその負荷インピーダンスに依存する。最大定格出力を実現することができるのは、その負荷インピーダンスが製造者によって提供されるのが一般的である最適値に等しいときだけである。
【００１５】
上述の低ソースインピーダンスの考え方を利用することによりコイル間または素子間分離を最大化し、同時に利用可能出力パワーを最大化するために、新たな増幅器出力段設計が開発されてきた。本明細書で使用する場合に、コイルと素子という用語を交換可能に使用しており撮像システム内にある送信アレイコイルのことを指している。図３を参照すると、ＭＯＳＦＥＴ３１１向けの出力整合網３０８が導入される。本発明の一実施形態ではその整合網によって、ＭＯＳＦＥＴ３１１の出力と並列にインダクタＬ３１２を付与しドレイン−ソース間キャパシタンスＣＯＳＳ２０７と共振させている。次いで、動作周波数において直列共振となるように選択した２つのコンデンサＣ３１０、３１４と１つのインダクタＬ３１３からなるＴ字型ネットワークによってさらに、ドレイン−ソース間抵抗ＲＤＳ２０６が次式の値に変換される。
【００１６】
【数３】
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（式３）
電流ＩＤＳを所与のドレインソース電圧ＶＤＳで所与の値にバイアスするようにそのゲート電圧をある値に固定しながら、ＭＯＳＦＥＴのＤＣ特性の飽和領域内においてドレインソース電圧ＶＤＳの電流ＩＤＳに対する微分値を計測することによってＲＤＳを評価することができる。ＲＤＳ２０６により提供される抵抗は高いため、出力インピーダンスＺＯＵＴ３１５が主に、共振周波数において概ねショート回路となるような直列共振回路によって決定されて非常に低い値とすることが可能である。受信の場合の類推として、ＺＯＵＴ３１５がゼロに近い値のときは、コイル側３０３にある入力整合網３１９は並列共振回路の役割を果たし、またコイル間結合に由来する劣化性の電流成分は大きなインピーダンスに遭遇するために実質的に抑制されることになる。一実施形態における出力インピーダンスは約１０オーム以下である。別の実施形態における出力インピーダンスは約５オーム以下である。一方、ＭＯＳＦＥＴ３１１向けの同じ出力整合網３０８によってコイルの入力インピーダンス（通常は５０Ωに整合）は、次式の負荷インピーダンス３０９に変換される。
【００１７】
【数４】
2009119265.tif 000006
（式４）
一般に、最適負荷は次式のように表現することができる。
【００１８】
【数５】
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（式５）
上式において、ＲＯＬはＭＯＳＦＥＴに対して最も大きなパワーの出力を可能とさせる負荷抵抗を意味している。Ｌ３１３及びＣ３１０、３１４が次式
【００１９】
【数６】
2009119265.tif 000008
（式６）
を満足するように設定しかつＣＯＳＳ２０７をＬ３１２と共振させることによって、負荷インピーダンスＺＬ３０９がＭＯＳＦＥＴ３１１向けに指定した最適値と整合され、これによって確実に最高出力パワーを実現することができる。非限定の一例では、その出力パワーは少なくとも約５００Ｗである。この設計によってＲＦ出力増幅器の出力段の柔軟な配置が可能となる。オフコイル配置については、ある距離だけ離れたその対応する増幅器にコイル３０３を接続するためにｎλ／２の長さをもつ同軸ケーブル３１６を使用することがある。各コイル上の整合網における電流増幅効果のために、ケーブル内の電流をコイル内の電流と比べてかなり小さくすることができ、これによりケーブル損失に対する対応が容易になる。
【００２０】
図４を参照すると、本発明の２つの超低出力インピーダンスＲＦ出力増幅器により独立に駆動される送信コイルの例示的な一実施形態を表している。この例では、構成要素の選択及び整合網のチューニングについて表している。２つの超低出力インピーダンスＲＦ出力増幅器４０１、４０２は１２８ＭＨｚで動作するように開発されている。各増幅器は３つの増幅段からなっており、またその最終段は図３に示したスキームに基づいて高出力ＭＯＳＦＥＴを用いて構築されている。出力効率及び直線性の検討に基づいて、デバイスをＡＢ級で動作するように設定し、かつバイアス電流を２００ｍＡに設定している。このバイアス電圧は、外部のゲート制御信号によってトリガを受けたときにパルスモードで印加される。ドレイン電圧は１５０Ｖに設定されており、またこの電圧におけるＭＯＳＦＥＴのＲＯＬは約２５Ωである。式６に従って、Ｃ３１０、３１４は３５ｐＦとなるように選択されており、またＬ３１３は１２８ＭＨｚにおいてこれと共振するように調整されている。
【００２１】
２つの増幅器４０１、４０２の脱結合性能を評価するために８×８ｃｍ２の２つの表面コイル４０３、４０４からなるフェーズドアレイを利用している。このアレイは、長さが３０ｃｍ、幅が２０ｃｍ、高さが２０ｃｍの塩水ファントーム４４１（１．３３ｇ／ＬのＮａＣｌ、０．６６ｇ／ＬのＣｕＳＯ４）上に配置している。コイル４０３、４０４同士の分離及びこれら各々のファントーム４４１までの距離は調節可能である。先ず、コイル４０３、４０４をファントーム４４１の上１ｃｍで素子間分離３ｃｍで配置させる。プロトタイプ増幅器４０１、４０２を素子コイル４０３、４０４のそれぞれに接続するためには半波長ケーブルを使用している。この実施形態のベンチテストでは、各ケーブルと関連させた３つのフェライトリング４０９、４０５を使用して共通モード電流を阻止している。
【００２２】
素子４０３、４０４内を流れる電流は２つの検知コイル４３５、４３８を通じてそれぞれ監視される。４０３に対する検知コイル４３８では、コイル４３５から最も遠い位置にある導体を跨いで１ｃｍ直径の２つのループを配置した蝶形構造を利用した。この構成では、素子４０３の電流により検知コイル４３８の２つのループ内に誘導される起電力（ＥＭＦ）は同位相であるために増強されており、一方素子４０４の電流による起電力は概ね逆位相となるために無効化される。このため本発明のこの実施形態では、検知コイル４３８に対する素子４０４の寄与は、素子４０３と比較して無視し得るレベルまで低下する。同様に、素子４０４内の電流だけを検出するために別の検知コイル４３５が製作されている。
【００２３】
半波長ケーブルを有するこの２つの素子４０３、４０４は先ず独立にチューニングし５０Ωに整合させる。次いでコイル４０４を回路網解析器により駆動させる一方、コイル４０３はショートコネクタを用いて終端させる。コイル４０３内に誘導される電流はその検知コイル４３８に対するＳ２１計測を通じて検知されており、また誘導される電流が最も小さくなるように整合用インダクタ３１８が調整される。高出力ＭＯＳＦＥＴ３１１の出力キャパシタンスを補償するようにＬ３１２の値を決定するために、各素子コイル４０３、４０４をその対応する増幅器により駆動させる。２つの増幅器４０１、４０２を３ｍｓのパルスにより１％デューティサイクルで同時ゲートオンさせると共に、１Ｗのパワー出力となるように回路網解析器によって出力増幅器４０２を付勢させる。次いで、出力増幅器４０１のＬ３１２をチューニングしコイル４０３内に誘導される電流を最も小さくさせている。コイル４０４及び出力増幅器４０２のチューニングにも同様の方式が利用される。
【００２４】
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、当業者により多くの修正や変更がなされることから記載した実施形態は例示であり限定ではない。したがって、添付の特許請求の範囲は、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。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】２つの独立のＲＦ出力増幅器により駆動される結合型送信コイルの等価回路モデルの図である。
【図２】ＭＯＳＦＥＴの等価回路モデルの図である。
【図３】本発明の一実施形態による超低出力インピーダンスＲＦ出力増幅器内の出力整合網の図である。
【図４】本発明の２つの超低出力インピーダンスＲＦ出力増幅器により独立に駆動される送信コイルの一実施形態の図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０１  ＲＦ出力増幅器
１０２  ＲＦ出力増幅器
１０３  コイル
１０４  コイル
２０５  ドレイン−ソース間電圧
２０６  ドレイン−ソース間抵抗
２０７  ドレイン−ソース間キャパシタンス
３０３  コイル側
３０８  出力整合網
３０９  負荷インピーダンス
３１０  コンデンサ
３１１  ＭＯＳＦＥＴ
３１２  インダクタ
３１３  インダクタ
３１４  コンデンサ
３１５  出力インピーダンス
３１６  同軸ケーブル
３１７  入力インピーダンス
３１８  整合用インダクタ
３１９  入力整合網
４０１  超低出力インピーダンスＲＦ出力増幅器
４０２  超低出力インピーダンスＲＦ出力増幅器
４０３  表面コイル
４０４  表面コイル
４０５  フェライトリング
４０９  フェライトリング
４３５  検知コイル
４３８  検知コイル
４４１  塩水ファントーム
【図１】
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【図２】
2009119265.tif 000019
【図３】
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【図４】
2009119265.tif 000021