JP2000157515A

JP2000157515A - 磁気共鳴画像形成システム用シ―ルドグラディエントコイルアッセンブリおよびコイルアッセンブリの構成方法

Info

Publication number: JP2000157515A
Application number: JP11335111A
Authority: JP
Inventors: Labros S Petropoulos; ラブロスエス．ペトロポーラス
Original assignee: Picker International Inc
Current assignee: Philips Nuclear Medicine Inc
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2000-06-13
Also published as: EP1004890A3; EP1004890A2; US6049207A

Abstract

(57)【要約】【課題】磁気共鳴画像形成システム用のグラディエント
コイルアッセンブリおよびコイルアッセンブリの構成方
法が提供される。【解決手段】磁気共鳴画像形成システム用シールドグラ
ディエントコイルアッセンブリ（２２）を構成する方法
が提供される。グラディエントコイル構造体は、２つの
組の一次グラディエントコイル（６０、６２）と、単一
の組のシールド（スクリーン）コイル（６４）とを備え
る。この構造は、ｄＢ／ｄｔと渦電流効果を最小にしつ
つ超高速ＭＲシーケンスの性能を強化する高効率の一次
コイルセットを含む２機能の勾配構造を利用すると共に
本来的に低いｄＢ／ｄｔと渦電流レベルとを有する従来
の画像形成用途に適切な高品質勾配磁場を有する低効率
の一次コイルセットを含むＭＲ用途に適切である。さら
に、最小インダクタンス／エネルギアルゴリズムは、２
つの一次コイルと１つの二次グラディエントセットの設
計を支援する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気共鳴画像形成
用シールドグラディエントコイルアッセンブリに関す
る。しかし、勾配磁場を発生する他の用途と関連して本
発明の利用が行われることも理解すべきである。

【０００２】

【従来の技術】グラディエントコイルアッセンブリは、
磁気共鳴画像形成システム内の画像形成領域の近傍の主
磁場に交差して磁気勾配を生成するために、電流パルス
によって共通にパルス印加される。従来、磁気共鳴画像
形成システムの磁気勾配の生成のための方法は、電気絶
縁の中空の円筒状形成器の上に別個のコイルを束状また
は分布形態で卷回し、また限定された電圧の電流源によ
ってコイルを駆動する方法から構成された。

【０００３】従来の束状コイル設計は、ｚ勾配生成のた
めにマクスウェルおよび修正マクスウェル対と、ｘおよ
び／またはｙ勾配生成のためにゴレーまたは修正ゴレー
（マルチアーク）サドルコイルとを含む。典型的に、こ
れらの方法は、所望の勾配強度、勾配均一性およびイン
ダクタンス（蓄積されたエネルギに関して）が達成され
るまで、円筒状の形成器の上にコイルループまたはアー
クを反復して配置する方法から構成された。これらの
以前の設計は、「前方接近」により概して展開され、こ
の方法では初期コイル位置の設定が規定され（すなわち
初期コイル分布）、磁場とインダクタンス／エネルギが
計算され、また特定の設計パラメータ内になければ、コ
イル位置が移動され（統計学的にまたは他の方法で）、
また結果が再評価された。適切な設計が得られるまで、
反復手順は継続された。磁気共鳴画像形成システムで磁
場を発生するより最近の方法は、「逆接近」法を利用し
ている。逆接近法では、勾配磁場は、画像形成体積内部
の指定された空間位置の所定の値に適合するように強制
され、またこのような磁場を生成する能力を有する連続
電流密度が計算される。逆接近法では、一次グラディエ
ントコイルは有限の寸法を有し、一方二次またはシール
ドコイルの寸法は制限されないままである（無限）と仮
定される。一次コイルとシールドコイル両方のために連
続電流分布を生成した後、シールドコイルを望ましい寸
法に抑制するために、アポダイゼイションアルゴリズム
がシールドコイルの連続電流密度に実行される。シール
ドコイルの連続電流の修正に続き、両方のコイルのため
に別個の電流パターンを得るために流れ関数の技術が用
いられる。ビオ・サバールの法則を別個の電流パターン
に適用することによって、ディスクレタイゼーション手
順が適切であったことが保証される。この方法によっ
て、前方接近方法と比較してより高い勾配強度とより速
いスルーレートとを有する一般にエネルギ効率のより優
れたグラディエントコイルアッセンブリが創出された。

【０００４】１つの特定の従来技術の方法がＭｏｒｉｃ
ｈへの米国特許第５，２９６，８１０号に開示されてい
る。Ｍｏｒｉｃｈは、磁気共鳴利用のための円筒形状の
シールドグラディエントコイルアッセンブリを説明して
いる。Ｍｏｒｉｃｈは、グラディエントコイルアッセン
ブリの設計について逆接近法を用い、この場合一次コイ
ルは有限の長さを有し、一方シールドコイルの長さは無
限である。この構造によって、高い勾配強度とスルーレ
ートを有するコイルが生成され、一方同時に、シールド
コイルの長さが一次コイルの長さよりもかなり長い（２
０％以上）場合に、渦電流効果が低減される。シールド
コイルの電流を所望の次元境界内に抑制するために、ア
ポダイゼイション技術（例えばグアシアンアポダイゼイ
ション）が使用される。このようにして、シールドコイ
ルの全長は一次グラディエントコイルの全長よりも約２
０％長い。この発明によれば、一次コイルと二次コイル
セットの数の間には１対１の対応性がある。かくして、
径方向の形成における一次および二次セットの数は常に
同一である。

【０００５】逆接近法に基づくもう１つの従来技術シー
ルドグラディエントコイル設計がＳｕｇｉｍｏｔｏへの
米国特許第５，１３２，６１８号に開示されている。こ
の設計では、一次コイルとシールドコイル両方の長さは
無限と仮定され、また一次コイルと二次コイル両方の連
続電流密度はこの仮定に基づいてモデル化されている。
両方の一次および二次コイルの電流密度を抑制するため
に、切り捨てが再び用いられる。この方法の結果は前述
のＭｏｒｉｃｈ特許の結果と同様であるが、この場合、
一次コイルの電流の追加の切り捨てによって、画像形成
領域内部の渦電流効果のレベル増加が生じる。この発明
によれば、一次コイルと二次コイルセットの数の間には
１対１の対応性がある。かくして、径方向の形成におけ
る一次および二次セットの数は常に同一である。

【０００６】Ｒｏｅｍｅｒ等への米国特許第４，７９
４，３３８号は、前方接近方法に基づきシールドグラデ
ィエントコイルセットを設計する代替方法を開示してい
る。その結果は、勾配強度とスルーレートに関して適度
な効率から低い効率を有するシールドグラディエントコ
イルセットである。さらに、画像形成領域内部の渦電流
効果を制御する方法には前提条件はない。この発明によ
れば、一次コイルと二次コイルセットの数の間には１対
１の対応性がある。かくして、径方向の形成における一
次および二次セットの数は常に同一である。

【０００７】上に参照した従来技術に述べたように、従
来のシールドグラディエントコイルセットの設計は、各
々の一次コイルのために、マグネット容器とマグネット
シールドの近傍の一次コイルの周辺磁場をシールドする
対応スクリーンコイルがあるという前提に概して基づい
ている。この方法によれば、２機能のシールドグラディ
エントコイルセットは２組の一次コイル（ｘ、ｙ、ｚ）
と２組の二次コイル（ｘ、ｙ、ｚ）を含む必要がある。
特に、各スクリーンコイルは１つのみの一次コイルに関
連づけることができ、かくして２機能のグラディエント
コイルセットの場合、６つの一次コイルと６つの二次コ
イルが必要である。

【０００８】Ｋａｔｚｎｅｌｓｏｎ等への米国特許第
５，７３６，８５８号は、２組のシールドコイルによっ
てシールドされた２組の一次コイルを有する２機能のコ
イル形状部を開示し、この場合各々の一次コイルはシー
ルドコイルと１対１の対応性を有する。すなわち、２つ
の異なったシールドコイルが、異なった長さと画像形成
体積とを有する２つの異なった一次コイルをスクリーン
するために使用される。したがって、勾配形成における
一次および二次コイルの数は常に同一である。Ｋａｔｚ
ｎｅｌｓｏｎのコイル形状部は逆接近法を用いて設計さ
れ、この場合直線性とコイル性能との間の妥協が考慮さ
れた。さらに、画像形成体積および２つのグラディエン
トコイルセットの性能レベルは異なっている。さらに、
両方の一次グラディエントコイルセットは異なった長さ
を有する。特に、より優れた直線性、より低い効率およ
びより大きな画像形成体積を有する一次コイルとシール
ドグラディエントコイルの組合せは、より高い効率を有
するが、より低い磁場品質とより小さな画像形成体積と
を有する一次およびシールドコイルの組合せよりも縦方
向により長い。かくして、完全なグラディエントコイル
構造は１２のグラディエントコイル（６つの一次コイル
群と６つのスクリーンコイル群）から成り、これらは、
各々が３つの一次および３つのシールドコイルから成る
２つの別々のモジュール式のシールドグラディエントコ
イル構成要素として構成される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、磁気共鳴画
像形成システム用グラディエントコイルアッセンブリを
構成する方法を提供する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る方法は、
（ａ）第１の連続電流分布が、２次元によって規定され
る第１の面の所定の有限の幾何学的境界内に閉じ込めら
れ、また画像形成領域に交差して第１の勾配磁場を発生
するように、第１の一次コイルセットのために第１の連
続電流分布を生成するステップであって、第１の勾配磁
場が画像形成領域内の指定の空間位置の所定の値に抑制
されるステップと；（ａ）第２の連続電流分布が、２次
元によって規定される第２の面の所定の有限の幾何学的
境界内に閉じ込められ、また画像形成領域に交差して第
２の勾配磁場を発生するように、第２の一次コイルセッ
トのために第２の連続電流分布を生成するステップであ
って、第２の勾配磁場が画像形成領域内の指定の空間位
置の所定の値に抑制されるステップと；（ｃ）第３の連
続電流分布が、一次コイルセットと第２の一次コイルセ
ットとを囲む面の所定の有限の幾何学的境界内に閉じ込
められるように、シールドコイルセットのために第３の
連続電流分布を生成し、この結果、第３の連続電流分布
が、シールドコイルセットによって規定される領域外の
領域で、第１の連続電流密度によって発生される第１の
周辺磁場と、第２の連続電流密度によって発生される第
２の周辺磁場とをほぼ消去する磁場を発生するステップ
と：を含む。本発明は、２つの一次グラディエントコイ
ルセットと、共通のスクリーンコイルセットとを有する
シールドグラディエントコイルアッセンブリを提供す
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施する方法につ
いて、添付図面を参考にして実施例によって詳細に説明
する。図１を参照すると、主磁場制御器１０は超伝導ま
たは抵抗性の磁石１２を制御し、この磁石１２によって
略均質で時間的に一定な磁場が検査範囲１４内のｚ軸に
沿って生成される。診療台（図示せず）は被験者を検査
領域１４内に支持する。磁気共鳴エコー手段は一連の無
線周波数（ＲＦ）と磁場グラディエントパルスとを印加
して、磁気的スピンを反転または励起し、磁気共鳴を引
き起こし、磁気共鳴を再集束し、磁気共鳴を操作し、空
間的にまた他の方法で磁気共鳴を符号化し、スピンを飽
和させ、また同様に磁気共鳴画像形成と分光的シーケン
スとを生成する。より詳しくは、グラディエントパルス
増幅器２０は、２機能のグラディエントコイルアッセン
ブリ２２に結合された２つのグラディエントコイルセッ
トの一方に電流パルスを印加して、検査範囲１４のｘ、
ｙおよびｚ軸に沿って磁場勾配を生成する。以下により
詳細に述べるように、シールドグラディエントコイル構
造体２２は、各一次コイルセットの周辺磁場を個別また
は一緒にスクリーンするために使用される２組の一次コ
イルおよび単一の組のシールドまたはスクリーンコイル
から構成される。デジタル無線周波数送信器２４は、検
査領域にＲＦパルスを送信するためにＲＦコイル全体２
６に無線周波パルスまたはパルス波束を送信する。典型
的な無線周波パルスは、互いに共にとられる短持続の直
接隣接したパルス部分の波束から成り、また加えられる
勾配によって所定の磁気共鳴操作が達成される。全体的
な利用のため、前記共鳴信号は一般にＲＦコイル全体２
６によって受信される。

【００１２】被験者の局所領域の画像を生成するため
に、特別な無線周波コイルが所定の領域に連続的に置か
れる。例えば、穴の同一中心の所定の領域を囲んで挿入
可能なＲＦコイルを挿入することが可能である。挿入可
能なＲＦコイル３０は、磁気共鳴を励起して、患者の検
査領域から発する磁気共鳴信号を受信するために使用さ
れる。代わりに、挿入可能なＲＦコイルは、コイル全体
のＲＦ伝送によって導入される共振信号を受信するため
にのみ使用することができる。生成無線周波信号はＲＦ
コイル全体２６、挿入可能なＲＦコイル、または他の特
別なＲＦコイルによって捕捉され、また受信機３０、好
ましくはデジタル受信機によって復調される。

【００１３】シーケンス制御回路４０はグラディエント
パルス増幅器２０と送信機２４とを制御して、エコー平
坦画像形成、エコーボリューム画像形成、グラディエン
トおよびスピンエコー画像形成、高速スピンエコー画像
形成および類似形成のような任意の複数の多数エコーシ
ーケンスを発生する。所定のシーケンスのために、受信
機３０は各ＲＦ励起パルスに続いて続けざまに複数のデ
ータラインを受信する。最終的に、受信された無線周波
信号は復調され、また２次元フーリエ変換または他の適
切な再構成アルゴリズムを行う再構築プロセッサ５０に
よって画像表示に再構成される。画像は、患者を通して
平坦なスライス、平坦な平行のスライス列、３次元の体
積等を表すことが可能である。次に画像は画像メモリ５
２に記憶され、人が読み取ることができる、得られた画
像の表示を提供するビデオモニタ５４のようなディスプ
レイによって、このメモリにアクセスすることが可能で
ある。

【００１４】図２Ａ及び２Ｂでは、２機能のグラディエ
ントコイル構造体２２は一次グラディエントコイル６
０、６２の２つの独立組と、個別または一緒に各一次コ
イルセットの周辺磁場をスクリーンする単一の組のシー
ルド（スクリーン）コイル６４を含む。第１の一次コイ
ルセット６０の全長はＬａとして示され、他方第２の一
次コイルセット６２の長さはＬａ’として示される。２
つの長さＬａ、Ｌａ’は互いに等しいか、または異なり
得る。さらに、共通シールドコイルセット６４の長さは
数学的な計算では無限と仮定されるが、物理的な現実で
はＬｂに切り捨てられる。第１の一次コイルセットの半
径はａとして示され、シールドコイルセットの半径は
ａ’として示され、一方第２の一次コイルセットの半径
はｂとして示される。

【００１５】（第１の組の一次グラディエントコイル
と、第２の組の一次コイルと同一のシールドコイルの組
を有する）第１の高効率の独立シールドされたモジュー
ル式のグラディエントコイルセット６０は、超高速ＭＲ
シーケンスのような高速画像形成用途と共に使用するた
めに意図され、この場合強磁界の強さと同時に弱磁界の
品質がかなり小さな画像体積にわたって許容し得る。
（第２の一次グラディエントコイルセットと、第１の一
次コイルセットと同一のシールドコイルセットを有す
る）第２の低効率の独立シールドされたモジュール式の
グラディエントコイルセット６２は、従来のＭＲ画像形
成用途と共に使用するために意図され、また本来的に低
いｄＢ／ｄｔと渦電流レベルとを有する全体の有効範囲
にとって適切な画像形成体積にわたって強磁界の品質
（均一性と直線性）を有する相対的に弱磁界の強さを示
す。

【００１６】次に、理論的な展開、設計手順および模範
的なシールドグラディエントコイル構造体の結果につい
て説明する。特に、理論的な展開、設計、および磁場の
ｚ成分が横方向（ｘ、ｙグラディエントコイル）、なら
びに軸方向のグラディエントコイル（ｚグラディエント
コイル）に沿って直線的に変動するグラディエントコイ
ルの結果について示す。横方向コイルの典型としてｘグ
ラディエントコイルの全体を示す。

【００１７】このようなグラディエントコイル構造体を
設計するためのフローチャートが図３に示されている。
最初に、共通のシールドを有する第１の一次コイル（ス
テップ１）および共通のシールドを有する第２の一次コ
イル（ステップ２）の幾何学的な構造が選択される。次
のステップとして、エネルギ／インダクタンス最小化ア
ルゴリズムを用いて、同一の共通のシールドを有する各
一次コイルの最適化工程が実行される（ステップ３）。
このステップに従って、規定の画像形成体積内の渦電流
が両方の一次コイル構造（ステップ４）について評価さ
れる。共通のシールドを有するいずれかの一次コイルか
らの渦電流がこの特定の体積の渦電流目標値に適合する
ならば（ステップ５）、各一次コイルとシールドコイル
とをディスクレタイズすることによって前に進む。目標
は、各一次コイルと共通シールドコイルが同一の電流を
共有する場合、それらが正確な整数の巻数を持たなけれ
ばならないことである（ステップ７）。この条件が満足
されないならば、磁場特性および／またはコイル半径お
よび／または長さが修正され（ステップ８）、また再び
ステップ３から進む。ステップ５からの渦電流が画像形
成体積内の目標残留渦電流に適合しなければ、磁場特性
および／またはコイル半径および／または長さが修正さ
れ（ステップ６）、また再びステップ３から進む。この
サイクルは、目標基準を満たす許容し得る解決方法（ス
テップ９）が見つかるまで続く。

【００１８】エネルギ最適化アルゴリズム（ステップ
３）の理論的な展開は、横方向および軸方向のグラディ
エントコイルについて説明する。説明は、１つのみの一
次およびスクリーンコイル構造体について行われるの
で、第２の一次およびシールドコイル構造体を最適化す
るためのアルゴリズムは前のアルゴリズムとまったく同
じである。

【００１９】有限のシールド横方向（ｘ）グラディエン
トコイルの設計は、逆接近法に基づく一次コイル（勾配
磁場を発生するコイル）の設計を含む。この横方向コイ
ルについては、勾配磁場は、このコイルの幾何学的中心
の周囲のｘ方向で反対称でなければならず、他方ｙとｚ
方向に沿って対称である。このような磁場を発生するた
めに、一次コイルの電流の分析式は次のように書くこと
ができる：ここで、δ（ρ−ａ）は、半径ａを有する円筒面に電流
が閉じ込められるという限定である。内部コイル長さに
対する限定、円筒面の電流密度の閉じ込め、ｊ^a _ψとｊ^a
_zの方位角および軸方向の対称、および電流密度が連続
方程式に従うという要求によって、次のようにコイルの
幾何学的中心の周囲の両方の成分に関するフーリエ級数
展開が行われる：ここで、ｊ^a _ψnはフーリエ係数であり、Ｌａは内部コイ
ルの全長を表し、また電流はシリンダの端部から流れる
ことができないので、ｋｎ＝（２ｎπ）／Ｌａである。
さらに、両方の電流成分は｜ｚ｜＞Ｌａ／２について零
である。

【００２０】一次およびシールドコイル両方の外側にあ
る領域の一次コイルの周辺磁場を最小にするために、シ
ールドコイル用電流のフーリエ変換は次の関係を満たさ
なければならない：ここで、Ｉm'、Ｋmは、第１と第２の種類の修正ベッセ
ル関数の論理に関する導関数を表す。この場合、両方の
コイル内部の領域の磁場のｚ成分に関する式は次のよう
に書くことができる：さらに、記憶された磁気エネルギに関する式もまた次の
ように書くことができる：

【００２１】次のステップとして、関数εはＷとＢｚに
関して次のように構成される：ここで、λｊはラグランジェ乗数であり、またＢ_zSCは
規定Ｎ点における磁場のｚ成分の制約値を表す。電流係
数ｊ^a _ψnに関して、Ｅ、電流の二次関数を最小化するこ
とによって、ｊ^a _ψn'が次式を満足しなければならない
マトリックス式が得られる：ここで、ラグランジェ乗数の評価は制約式を介して行う
ことができる。

【００２２】前の無限加算をＭ項で切り捨て、またコン
パクトな表示法を用いることによって、前の式は次のよ
うに修正される。または行列形式で、次式。しかしこれによって次式が導かれる。

【００２３】前のマトリックス式を反転して、ｊ^a _ψn'
に関する、したがって電流密度に関する解が得られる。
両方の一次およびシールドコイルに関する連続電流分布
を評価する場合、流れ関数の技術が用いられ、ループ当
たりの所定の共通電流値について両方のコイルに関して
絶対整数の巻数が得られるような方法で、両方の一次お
よびシールドコイルの電流密度をディスクレタイズす
る。次に、図３のステップ４からステップ９で進み、デ
ィスクレタイゼーション、勾配磁場および所望の画像形
成体積内部の渦電流を計算する。

【００２４】一次グラディエントコイルの設計のため
に、第１の一次コイルの円筒半径は０．３６５６２０ｍ
に等しく、またその全長は１．０４６８００ｍに制限さ
れる。第２の一次コイルについては、円筒半径は０．３
６１１７５ｍに等しく、全長は１．０１５５００ｍであ
る。さらに、二次コイルの半径は０．４４３４８５ｍに
等しい。第１の一次コイルの設計に関する制約を表１に
示す。単一シールドを有する第２の一次コイルに関する
制約を表２に示す。

【００２５】表１：第１の一次グラディエントコイルおよび共通シー
ルド構造体の設計のために使用された制約設定。ρとｚ
の値はｍ、Ｂ_zSC（２ｎ）の値はＴである。表１に示し
たように、第１の制約点は第１の一次および単一シール
ドコイルの勾配強度を２０．０ｍＴ／ｍと規定し、第２
の制約点は、勾配（ｘ）軸に沿ってまた勾配磁場の同一
中心について２５．５ｃｍの距離まで勾配磁場の−５％
の直線性を規定し、一方第３の制約点は、４５ｃｍの画
像形成体積内部の勾配磁場の−２０％の均一性を規定す
る。

【００２６】表２：第２の一次グラディエントコイルおよび共通シー
ルド構造体の設計のために使用された制約設定。ρとｚ
の値はｍ、Ｂ_zSC（２ｎ）の値はＴである。表２に示し
たように、第１の制約点は第２の一次および単一シール
ドコイルの勾配強度を２５．８ｍＴ／ｍと規定し、第２
の制約点は、勾配（ｘ）軸に沿ってまた勾配磁場の同一
中心について２４．５ｃｍの距離まで勾配磁場の−８％
の直線性を規定し、一方第３の制約点は、４５ｃｍの画
像形成体積内部の勾配磁場の−３１％の均一性を規定す
る。

【００２７】表１、２のこれらの制約の存在と図３の逆
接近法の適用によって、第１、第２の一次コイルおよび
単一シールドコイルの電流密度に関するフーリエ係数の
値が生成される。流れ関数の技術を一次コイルとシール
ドコイル両方の連続電流密度に適用して、これらのコイ
ルの別個の電流パターンが生成された。特に、第１の一
次およびシールド構造については、流れ関数の技術は２
２の別個のループを一次コイルに、また１２のループを
単一シールドに生成する。ループ当たりの共通の電流は
３２８．１９アンペアである。この場合、別個のコイル
構造からの渦電流は４５ｃｍＤＳＶの０．１８２％上方
である。

【００２８】３９２．５９アンペアの共通電流を有する
２２のループを使用して、またそのループをシールドコ
イルの１２の別個のループに直列接続して第２の一次電
流密度をディスクレタイズし、（ここではループ当たり
の電流は第２の一次コイルと同じである）、第２の一次
コイル構造が生成される。この場合、３９２．５９アン
ペアで直列動作する単一シールドを有する第２の一次ル
ープのための渦電流は０．４５７％にすぎない。図３の
最適化アルゴリズム（ステップ３）が使用されなかった
ならば、単一シールドを有する第２の一次コイルの渦電
流レベルは、両方のコイルを流れる電流がループ当たり
３９２．５９アンペアに等しい場合、８．６３％のオー
ダとなる。最後に、表３は単一シールドを有する第１と
第２の一次コイルの磁気特性を例示している。

【００２９】表３：共通シールドコイルを使用した第１と第２の一次
コイルに関する勾配磁場特性。

【００３０】最初に、有限のシールド横方向ｚグラディ
エント（軸方向）コイルの設計は、逆接近法に基づく一
次コイル（勾配磁場を発生するコイル）の設計を含む。
この横方向コイルについては、勾配磁場は、このコイル
の幾何学的中心の周囲のｚ方向で反対称でなければなら
ず、他方ｘとｙ方向に沿って対称である。かくして、こ
の場合電流密度に対する方位角の依存はない。このよう
な磁場を発生するために、一次コイルの電流の分析式は
次のように書くことができる：ここで、δ（ρ−ａ）は、半径ａを有する円筒面に電流
が閉じ込められるという限定である。内部コイル長さに
対する限定、円筒面の電流密度の閉じ込め、ｊ^a _ψの方
位角および軸方向の対称、および電流密度が連続方程式
に従うという要求によって、次のようにコイルの幾何学
的中心の周囲の両方の成分に関するフーリエ級数展開が
行われる：ここで、ｊ^a _ψnはフーリエ係数であり、Ｌａは内部コイ
ルの全長を表し、また電流はシリンダの端部から流れる
ことができないので、ｋｎ＝（２ｎπ）／Ｌａである。
さらに、電流成分は｜ｚ｜＞Ｌａ／２について零であ
る。

【００３１】一次コイルおよびシールドコイル両方の外
側にある領域の一次コイルの周辺磁場を最小にするため
に、シールドコイル用電流のフーリエ変換は次の関係を
満たさなければならない：この場合、次式を伴う。ここで、Ｉm、Ｋmは、第１と第２の種類の修正ベッセル
関数の論理に関する導関数を表す。この場合、両方のコ
イル内部の領域の磁場のｚ成分に関する式は次のように
書くことができる：さらに、記憶された磁気エネルギに関する式もまた次の
ように書くことができる：

【００３２】次のステップとして、ＷとＢｚに関して関
数εを次のように構成する：ここで、λｊはラグランジェ乗数であり、またＢ_zSCは
規定Ｎ点における磁場のｚ成分の制約値を表す。電流係
数ｊ^a _ψnに関して、Ｅ、電流の二次関数を最小化するこ
とによって、ｊ^a _ψn'が次式を満足しなければならない
マトリックス式が得られる：ここで、ラグランジェ乗数の評価は制約式を介して行う
ことができる。

【００３３】前の無限加算をＭ項で切り捨て、またコン
パクトな表示法を用いることによって、前の式は次のよ
うに修正される。または行列形式で、次式。しかし、次式これによって次式が導かれる。

【００３４】前のマトリックス式を反転して、ｊ^a _ψn'
に関する、したがって電流密度に関する解が得られる。
両方の一次およびシールドコイルに関する連続電流分布
を評価する場合、質量中心の技術を適用することによっ
て、ループ当たりの所定の共通電流値について両方のコ
イルに関して絶対整数の巻数を得なければならないとい
う余分の制約を有する両方の一次およびシールドコイル
の別個のループパターンが得られる。次に、図３のステ
ップ４からステップ９に進み、ディスクレタイゼーショ
ン、勾配磁場および所望の画像形成体積内部の渦電流を
計算する。

【００３５】同様の設計手順が軸方向のグラディエント
コイルのために行われた。この場合、第１の一次コイル
の円筒半径は０．３５８５００ｍに等しく、またその全
長は１．０４４０ｍに制限される。第２の一次コイルに
ついては、円筒半径は０．３６２２５ｍに等しく、全長
は１．０６６０ｍに等しい。さらに、共通の二次コイル
の半径は０．４３３２２５ｍに等しい。第１の一次コイ
ルの設計に関する制約を表４に示す。共通シールドを有
する第２の一次コイルの制約について表５に示す。

【００３６】表４：第１の一次グラディエントコイルおよび共通シー
ルド構造体の設計のために使用された制約設定。ρとｚ
の値はｍ、Ｂ_zSC（２ｎ）の値はＴである。表４に示し
たように、第１の制約点は第１の一次および共通シール
ドコイルの勾配強度を２０．０ｍＴ／ｍと規定し、第２
の制約点は、勾配（ｚ）軸に沿ってまた勾配磁場の同一
中心について２２．５ｃｍの距離まで勾配磁場の−５％
の直線性を規定し、一方制約点の残りは、４５ｃｍの画
像形成体積内部の勾配磁場の均一性を規定する。

【００３７】表５：第２の一次グラディエントコイルおよび共通シー
ルド構造体の設計のために使用された制約設定。ρとｚ
の値はｍ、Ｂ_zSC（２ｎ）の値はＴである。表５に示し
たように、第１の制約点は第２の一次および共通シール
ドコイルの勾配強度を３０．０ｍＴ／ｍと規定し、第２
の制約点は、勾配ｚ軸に沿ってまた勾配磁場の同一中心
について２２．５ｃｍの距離まで勾配磁場の−５％の直
線性を規定し、一方制約点の残りは、４５ｃｍの画像形
成体積内部の勾配磁場の均一性を規定する。

【００３８】表４、５のこれらの制約の存在と図３の逆
接近法の適用によって、第１、第２の一次コイルおよび
単一シールドコイルの電流密度に関するフーリエ係数の
値が生成される。質量中心の技術を一次コイルとシール
ドコイル両方の連続電流密度に適用して、これらのコイ
ルの別個の電流パターンが生成された。特に、第１の一
次コイル構造およびシールド構造については、質量中心
の技術は５２の別個のループを一次コイルに、また３４
のループを単一シールドに生成する。ループ当たりの共
通の電流は３１８．８８アンペアである。この場合、別
個のコイル構造からの渦電流は４５ｃｍＤＳＶの０．３
２９％上方である。

【００３９】３９１．６５アンペアの共通電流を有する
６０のループを使用して、またそのループをシールドコ
イルの３４の別個のループに直列接続して第２の一次電
流密度をディスクレタイズし（ここではループ当たりの
電流は第２の一次コイルと同じである）、第２の一次コ
イル構造が生成される。この場合、３９１．６５アンペ
アで直列動作する単一シールドを有する第２の一次ルー
プのための渦電流は０．５４２％にすぎない。図３の最
適化アルゴリズム（ステップ３）が使用されなかったな
らば、単一シールドを有する第２の一次コイルの渦電流
レベルは、両方のコイルを流れる電流がループ当たり３
９２．５９アンペアに等しい場合、１１．２１％のオー
ダとなる。最後に、表６は単一シールドを有する第１と
第２の一次コイルの磁気特性を例示している。

【００４０】表６：共通シールドコイルを使用した第１と第２の一次
コイルに関する勾配磁場特性。

【００４１】図４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、２つの一次コイル
セット６０、６２を単一シールドコイルセット６４に電
気接続する代わりの方法を示している。図４Ａ、４Ｂ、
４Ｃによれば、代替方法は、２つの一次コイルと単一シ
ールドとの直列または並列接続、または２つの一次コイ
ルと単一シールドとの間の独立接続を含む。半径の要求
に応じて、一次およびシールドコイルを挟むか、または
積み重ねできることもまた意図される。

【００４２】要約すると、本発明の２機能のグラディエ
ントコイルアッセンブリは、規定の画像形成体積にわた
って２つの独立一次コイルセットの周辺磁場を制御する
ために、１つのみのシールドコイルセットを利用する。
第１の一次コイル単一シールド構造は、低品質磁場を有
する高効率の構造であり、また第２の一次コイル単一シ
ールド構造は、適度な勾配強度と高品質磁場とを有する
従来の効率の構造である。各々の一次単一シールドコイ
ル構造によって、共通の画像形成体積内部に所望の磁場
品質を生成できるように、単一シールドの２つの一次コ
イル構造を調整することができる。第２のシールドコイ
ルセットは不必要なので、単一の共通シールドセットを
有する２つの一次コイルセットの構造は製造コスト低減
の助けとなる。さらに、２つの機能の勾配セットの構造
はより単純かつコンパクトであり得る。両方のコイルが
同一の長さを有するような方法で、各々の一次単一シー
ルドコイル構造によって所望の磁場品質を生成できるよ
うに、単一シールドの２つの一次コイル構造を調整する
ことができる。

【００４３】コイル効率を犠牲にしてより優れた直線
性、および／または直線性を犠牲にしてより大きな効率
を得るために、規定の電流パターンを変更できることを
理解すべきである。さらに、円筒状のグラディエントコ
イルの寸法（半径および／または長さ）は、好ましい用
途に従って大きくしまたは小さくするために変更するこ
とができる。さらに、２つの一次コイルの長さは類似ま
たは異なり得る。また単一シールドを有する２つの一次
コイルが生成する透視画像形成体積は、同一または異な
り得る。

【００４４】２つの一次コイルと単一シールドコイルセ
ットは当業者に既知の任意の方法でそれぞれの１本また
は複数のグラディエントパイプに装着できると意図され
る。各々の一次コイルは、誘電体の裏張りの各側面にエ
ッチングすることができる。各々の一次コイルは別々の
裏張りにエッチングすることができ、またグラディエン
トパイプ構造の内面または外面に配置することができ
る。さらに、２つの一次コイルセットと二次グラディエ
ント構造とを装着するために、単一または二重の形成器
を使用することができる。

【００４５】本発明は、楕円形状、平坦形状、フレア形
状等のような他の代わりのグラディエントコイル形状、
ならびに非対称のグラディエントコイル設計またはその
任意の組合せに適用することができる。また本発明は、
垂直に（または横方向に）方向付けた主磁場に適切なグ
ラディエントコイル構造体の設計に適用することができ
る。さらに、開示した一次およびスクリーンコイルセッ
トは束ねる（集める）ことができるか、または前方また
は逆接近法を用いて拇印設計を生成することができる。
さらに、２つの一次コイルとシールドコイルは、束状設
計および／または拇印設計の任意の混合設計を有するこ
とができる。

【００４６】既知の方法で、零の正味スラスト力または
トルクを提案した設計アルゴリズムに組み込むことがで
きる。さらに、スクリーンコイルの合計数が一次コイル
の合計数よりも少なく、またスクリーンコイルの数が零
でない限り、２つ以上の一次コイルと１つ以上のスクリ
ーンコイルもまた上述の工程を用いることによって設計
できることが意図される。共通のシールドセットを有す
る第１の一次コイルを、共通のシールドセットを有する
第２の一次コイルから同時にまたは別々に最適化できる
こともまた意図される。

【００４７】

【発明の効果】２つの一次グラディエントコイルセット
を有する例示した２機能のグラディエントコイルアッセ
ンブリおよび共通のスクリーンコイルセットは、いくつ
かの利点を有する。１つの利点は、２つの独立した一次
グラディエントコイルセットをスクリーンするための単
一シールドグラディエントコイルセットの提供である。
他の利点は、電気的または機械的に異なった２つの一次
コイルをスクリーンするために、単一シールドコイルを
利用する２機能のシールドグラディエントコイルアッセ
ンブリの提供である。他の利点は、多数の一次コイルセ
ットをスクリーンするために、より少ない数のシールド
コイルセットを利用する２機能のシールドグラディエン
トコイルアッセンブリの提供である。他の利点は、逆接
近法と渦電流最適化とを用いて、２機能の単一シールド
の２つの一次コイルグラディエントセットを設計するた
めの方法の提供である。他の利点は、既存のグラディエ
ントコイル構造体に較べ改良された勾配強度と立ち上が
り時間とを有するシールドされた２機能のグラディエン
トコイルアッセンブリの提供である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従って設計されたシールドされた２
機能のグラディエントコイルアッセンブリを含む磁気共
鳴画像形成装置の概略図である。

【図２】２Ａは、図１のシールドされた２機能のグラ
ディエントコイルアッセンブリの端面の概略図である。
２Ｂは、図１のシールドされた２機能のグラディエン
トコイルアッセンブリの縦断面の概略図である。

【図３】図１のシールドされた２機能のグラディエン
トコイルアッセンブリを設計するためのフローチャート
である。

【図４】４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、２つの一次コイルセッ
トを図１のグラディエントコイルアッセンブリの共通シ
ールドコイルセットに電気接続する代替方法を示してい
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁気共鳴画像形成システム用シールドグ
ラディエントコイルアッセンブリを構成する方法であっ
て、（ａ）第１の連続電流分布が、２次元によって規定され
る第１の面の所定の有限の幾何学的境界内に閉じ込めら
れると共に画像形成領域に交差して第１の勾配磁場を発
生するように、第１の一次コイルセット（６０）のため
に第１の連続電流分布を生成するステップであって、前
記第１の勾配磁場が画像形成領域内の指定の空間位置の
所定の値に抑制されるステップと、（ｂ）第２の連続電流分布が、２次元によって規定され
る第２の面の所定の有限の幾何学的境界内に閉じ込めら
れると共に画像形成領域に交差して第２の勾配磁場を発
生するように、第２の一次コイルセット（６２）のため
に第２の連続電流分布を生成するステップであって、前
記第２の勾配磁場が画像形成領域内の指定の空間位置の
所定の値に抑制されるステップと、（ｃ）第３の連続電流分布が、一次コイルセットと第２
の一次コイルセットとを囲む面の所定の有限の幾何学的
境界内に閉じ込められるように、シールドコイルセット
（６４）のために第３の連続電流分布を生成し、この結
果、前記第３の連続電流分布が、シールドコイルセット
によって規定される領域外の領域で、前記第１の連続電
流密度によって発生される前記第１の周辺磁場と、前記
第２の連続電流密度によって発生される前記第２の周辺
磁場とをほぼ消去する磁場を発生するステップと、を含む方法。
【請求項２】請求項１に記載の方法であって、ｄ）ｉ）前記第１の一次グラディエントコイルセット及
びシールドコイルセットと、ｉｉ）前記第２の一次グラ
ディエントコイルセット及びシールドコイルセットとの
ために、規定の画像形成体積内の渦電流を評価するステ
ップと、ｅ）前記第１の一次グラディエントコイルセットまたは
前記第２の一次グラディエントコイルセットの少なくと
も一方の特性を修正し、次にｉ）前記第１の一次グラデ
ィエントコイルセット及びシールドコイルセットまたは
ｉｉ）前記第２の一次グラディエントコイルセット及び
シールドコイルセットからの渦電流が規定の画像形成体
積の渦電流目標値に適合しない場合、ステップａ）から
ステップｄ）を繰り返すステップと、をさらに含む方
法。
【請求項３】請求項２に記載の方法であって、ｆ）ｉ）前記第１の一次グラディエントコイルセット
及びシールドコイルセットまたはｉｉ）前記第２の一次
グラディエントコイルセット及びシールドコイルセット
からの渦電流が規定の画像形成体積の渦電流目標値に適
合しない場合、ｉ）前記第１の一次グラディエントコイ
ルセット及びシールドコイルセットと、ｉｉ）前記第２
の一次グラディエントコイルセット及びシールドコイル
セットとをディスクレタイズするステップと、ｇ）前記第１の一次グラディエントコイルセットまたは
前記第２の一次グラディエントコイルセットの少なくと
も一方の特性を修正し、次にｉ）前記第１の一次グラデ
ィエントコイルセット及びシールドコイルセットが正確
な整数巻数を有しない場合、または前記第２の一次グラ
ディエントコイルセット及びシールドコイルセットが正
確な整数巻数を有しない場合、ステップａ）からステッ
プｆ）を繰り返すステップと、をさらに含む方法。
【請求項４】前記ステップｅ）と前記ステップｇ）の
少なくとも一方のステップが、ｈ）ｉ）前記第１の一次グラディエントコイルセット
及びシールドコイルセットまたはｉｉ）前記第２の一次
グラディエントコイルセット及びシールドコイルセット
の長さおよび半径の少なくとも一方を修正するステップ
を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】前記ステップｅ）と前記ステップｇ）の
少なくとも一方のステップが、ｉ）ｉ）前記第１の一次グラディエントコイルセット
及びシールドコイルセットまたはｉｉ）前記第２の一次
グラディエントコイルセット及びシールドコイルセット
の磁場抑制を修正するステップを含む、請求項３または
請求項４に記載の方法。
【請求項６】前記ステップｅ）と前記ステップｇ）の
少なくとも一方のステップが、ｊ）ｉ）前記第１の一次グラディエントコイルセット
及び共通のシールドコイルセットまたはｉｉ）前記第２
の一次グラディエントコイルセット及び共通のシールド
コイルセットの磁場抑制を修正するステップを含む、請
求項３または請求項４に記載の方法。
【請求項７】前記第１の一次コイルセットが、超高速
ＭＲシーケンスと共に使用するために意図された高効率
一次コイルであり、また第２の一次コイルセットが従来
のＭＲ画像形成用途と共に使用するために意図された低
効率の一次コイルセットである、請求項１から６のいず
れか１項に記載の方法。
【請求項８】請求項１から７のいずれかの方法によっ
て構成されるシールドコイルアッセンブリ。
【請求項９】磁気共鳴画像形成システム用シールドグ
ラディエントコイルアッセンブリであって、（ａ）第１の連続電流分布が、２次元によって規定され
る第１の面の所定の有限の幾何学的境界内に閉じ込めら
れると共に画像形成領域に交差して第１の勾配磁場を発
生するように、第１の連続電流分布が生成されている第
１の一次コイルセット（６０）であって、前記第１の勾
配磁場が画像形成領域内の指定の空間位置の所定の値に
抑制されている第１の一次コイルセットと、（ｂ）第２の連続電流分布が、２次元によって規定され
る第２の面の所定の有限の幾何学的境界内に閉じ込めら
れると共に画像形成領域に交差して第２の勾配磁場を発
生するように、第２の連続電流分布が生成されている第
２の一次コイルセット（６２）であって、前記第２の勾
配磁場が画像形成領域内の指定の空間位置の所定の値に
抑制されている第２の一次コイルセットと、（ｃ）第３の連続電流分布が、一次コイルセットと第２
の一次コイルセットとを囲む面の所定の有限の幾何学的
境界内に閉じ込められるように、第３の連続電流分布を
生成されており、この結果、前記第３の連続電流分布
が、シールドコイルセットによって規定される領域外の
領域で、前記第１の連続電流密度によって発生される第
１の周辺磁場と、前記第２の連続電流密度によって発生
される第２の周辺磁場とをほぼ消去する磁場を発生する
シールドコイルセットと、を含むシールドコイルアッセ
ンブリ。
【請求項１０】比較的小さな画像形成体積にわたって
品質が許容し得る比較的強磁界の強度勾配を生成するた
めの第１のグラディエントコイルセット（６０）と、比
較的大きな画像形成体積にわたって品質が許容し得る比
較的弱磁界の強度勾配を生成するための第２のグラディ
エントコイルセット（６２）と、両方の第１と第２のグ
ラディエントコイルセット（６０、６２）をシールドす
るためのシールドコイルセット（６４）と、を含む磁気
共鳴画像形成システム用シールドグラディエントコイル
アッセンブリ。
【請求項１１】請求項８から１０のいずれか１項に記
載のシールドコイルアッセンブリを組み込んだ診断画像
形成装置。